第七章 传热-制药工程原理与设备

1、第七章第七章 传热传热 第一节第一节 概述概述第第二二节节 热传导热传导第第三三节节 对流传热对流传热第第四四节节 传热计算传热计算第第五五节节 换热器换热器传热：传热：物体内部或物体之间由于温差存在而物体内部或物体之间由于温差存在而发生的能量转移过程称为发生的能量转移过程称为热量传递热量传递，是自然，是自然界和工程技术领域中极普遍的界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程一种传递过程。l有温度差的存在就有热的传递，有温度差的存在就有热的传递，温差温差是实是实 现传热的推动力。现传热的推动力。l传热方向是从传热方向是从高温指向低温高温指向低温。概述概述 2）一些单元操作过程，例如）一些单元操作过

2、程，例如蒸发蒸发、蒸馏蒸馏、干燥干燥等等，需要按一定的速率向设备输入或，需要按一定的速率向设备输入或 输出热量。输出热量。 3）在高温或低温下操作的设备，要求）在高温或低温下操作的设备，要求保温保温，以，以减少它们和外界传热。减少它们和外界传热。 4）对于）对于废热废热也需合理的利用与回收。也需合理的利用与回收。 1）加热加热或或冷却冷却物料，并在过程中及时取出放出物料，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。的热量或补充需要吸收的热量。1、传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用2、化工生产中、化工生产中对对传热传热的要求的要求1）强化传热：）强化传热：各种换热设备中的传热。各

3、种换热设备中的传热。 （热源和冷源）（热源和冷源） 2）削弱传热：）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少如对设备和管道的保温，以减少热损失。热损失。一、传热的基本方式一、传热的基本方式 1、热传导、热传导 热量从物体内部热量从物体内部温度较高的部分温度较高的部分传递到传递到温度温度较低的部分较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为另一物体的过程称为热传导热传导，简称，简称导热导热。 特点：特点：物质间没有宏观位移物质间没有宏观位移，传热仅借分子、原，传热仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的子和自由电子等微观粒子的热运动热运动而进行。而进行。

4、 微观机理因物态而异：微观机理因物态而异： 导体导体-自由电子的运动；自由电子的运动；非导体非导体-晶格的振动晶格的振动 2、热对流、热对流 流体流体中质点发生相对位移中质点发生相对位移而引起的热量传递，称而引起的热量传递，称为热对流对流只能发生在流体中。为热对流对流只能发生在流体中。强制对流强制对流 自然对流自然对流 用用机械能机械能（泵、风机、搅拌等）使流（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异形成密度的差异，在浮升力的作用下，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热。，流体发生对流而传热。 3、

5、热辐射、热辐射 物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐热辐射射。 辐射是一种通过辐射是一种通过电磁波传递电磁波传递能量的过程。能量的过程。 辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。的转化。 一切在一切在0K以上的物体都会不停的发射辐射能；以上的物体都会不停的发射辐射能；辐射传热不需要任何介质作媒介，辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传可以在真空中传播。播。 通常传热过程中，三种传热方式联合作用的结果。通常传热过程中，三种传热方式联合作用的结果。 蓄蓄热热式式间间壁壁式式直直接接接接触触

6、式式T t 间壁式 热流体 蓄热式 t T 直接接触式 冷流体分类分类 二、传热过程二、传热过程 1、两种流体热交换的基本方式、两种流体热交换的基本方式 直接接触式换热2、间壁式换热器的基本结构、间壁式换热器的基本结构 套管式换热器内管外管热流体将热量传到壁面一侧热量通过固体壁面的热传导壁面另一侧将热量传给冷流体对流传热-热传导-对流传热套管换热器套管换热器LdSoo 外传热面积：外传热面积： 内传热面积：内传热面积： LdSii 平均传热面积：平均传热面积： LdSmm 化工原理化工原理课件课件第第4 4章章 传热传热单程列管式换热器单程列管式换热器流体流经管束称为管程，流体流经管束称为管程

7、，该流体称为管程流体该流体称为管程流体流体流经管间环隙称为壳程，流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体该流体称为壳程流体dLnS 双程列管式换热器双程列管式换热器管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器程数的换热器传热速率传热速率( (热流量热流量) )Q Q : :单位时间内通过传热面的热量单位时间内通过传热面的热量,W,W三三 、换热器的主要性能指标、换热器的主要性能指标传热推动力温度差传热速率传热阻力热阻传热速度传热速度( (热通量热通量) ): :单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率,W/m,W/m2 2dd

8、QqStQRtqRiomSSS四四 稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热稳态传热：稳态传热：传热系统中不积累能量的传热过程传热系统中不积累能量的传热过程特点：特点：温度分布不随时间而变，温度分布不随时间而变，传热速率常量传热速率常量非稳态传热：非稳态传热：传热系统中，温度分布随时间而变，传热过程传热系统中，温度分布随时间而变，传热过程为非稳态传热，为非稳态传热，传热速率不为常量传热速率不为常量载热体及其选择载热体及其选择加热剂（加热介质）：加热剂（加热介质）：起加热作用的载热体起加热作用的载热体冷却剂（冷却介质）：冷却剂（冷却介质）：起冷却作用的载热体起冷却作用的载热体载热体：载热体：物料

9、在换热器内被加热或冷却时，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体种流体称为载热体工业中常用的加热剂和冷却剂工业中常用的加热剂和冷却剂一、基本概念和傅立叶定律一、基本概念和傅立叶定律二、导热系数二、导热系数三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导第第二二节节 热传导热传导一、基本概念和傅立叶定律一、基本概念和傅立叶定律 1、温度场和等温面、温度场和等温面 温度场温度场 物体或系统内部的物体或系统内部的各点各点温度分布温度分布的总和的总和 。温度场的数学表达式为温度场的数

10、学表达式为 ),(zyxft 稳定温度场稳定温度场 不稳定温度场不稳定温度场 温度场中各点的温度随时间而改变温度场中各点的温度随时间而改变 温度场中各点的温度不随时间而改变温度场中各点的温度不随时间而改变 ),(zyxft 等温面等温面： 温度场中温度相同的点组成的面。温度场中温度相同的点组成的面。 ),(zyxft 2、温度梯度、温度梯度 温度梯度温度梯度 ： 等温面法线方向上的温度变化率，用等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示表示 。 ntntgradtn0lim温度梯度是向量，正方向指向温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向温度增加的方向。对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示

11、为对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为 ：dxdtgradtt+ttt-t比例系数，比例系数，称为称为导热系数导热系数。W/mk负号负号表示热流方向与表示热流方向与温度梯度方向相反；温度梯度方向相反；tdQdSn傅立叶定律傅立叶定律 nt /3、傅立叶定律、傅立叶定律 tdQdSn 二、导热系数二、导热系数 1、导热系数的定义、导热系数的定义 ntdAdQ 在数值上等于在数值上等于单位温度梯度下的热通量单位温度梯度下的热通量 ，是物是物质的质的物理性质物理性质之一之一 。 一般，一般，金属金属的导热系数的导热系数最大最大，非金属的固体次之，非金属的固体次之，液体的较小，液体的较小，气体的最小

12、气体的最小。 气液非金属金属()f组成、结构、温度、压力、相态金属金属 1-400 W/(m2K)建筑材料建筑材料 0.1-1 W/(m2K)绝热材料绝热材料 0.01-0.1 W/(m2K)液体液体 0.1-0.6 W/(m2K)气体气体 0.005-0.05 W/(m2K)2、固体的导热系数、固体的导热系数纯金属纯金属的导热系数一般随的导热系数一般随温度的升高而降低温度的升高而降低，金属金属的导热系数大都的导热系数大都随纯度的增加而增大随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数的导热系数随密度增随密度增加而增大，也随温度升高而增大加而增大，也随温度升

13、高而增大。 3、液体的导热系数、液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大。除在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘水和甘油油外外,绝大多数液体的绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有导热系数随温度的升高而略有减小。减小。纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。4、气体的导热系数、气体的导热系数 气体气体的导热系数很小，不利于导热，但的导热系数很小，不利于导热，但有利于保有利于保温温。气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而随温度升高而加大加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小。变化极小

14、。在温度变化不大时，大多数物质的导热系数与温度呈在温度变化不大时，大多数物质的导热系数与温度呈线性关系：线性关系：对于金属材料和液体：对于金属材料和液体： 0非金属材料和气体：非金属材料和气体： 00(1+ t)二、平壁的二、平壁的稳定热传导稳定热传导 1、单层平壁单层平壁的稳定热传导的稳定热传导 设设(1) 材质均匀材质均匀为为常数常数 (2) 一维定态导热一维定态导热温度沿温度沿x方向变化方向变化 (3) Q与与S均为常量均为常量 (4) t 1t2dtQdSdx 边界条件为：边界条件为：x=0时，时，t=t1 x=b时，时，t=t2 12ttQSb12ttQbSRtQqSbtrt R导热

15、热阻，导热热阻，K/W ； r单位面积的导热热阻单位面积的导热热阻 。 传导距离传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。导热阻越大。12ttQSb例题：某平壁厚度为例题：某平壁厚度为. .m m，平壁内表面，平壁内表面温度为温度为1 100，外表面温度为，外表面温度为300300，平，平壁材料导热系数与温度的关系为壁材料导热系数与温度的关系为t00076. 0815. 0若将导热系数分别按常量和变量计算，试若将导热系数分别按常量和变量计算，试求求导热热通量和平壁内的温度分布导热热通量和平壁内的温度分布设壁厚设壁厚x处的温度为处的温度为tmmqxtt

16、ttxq11)(xt36491650温度和距离呈直线关系温度和距离呈直线关系5677/btSQqm975221tttm556. 197500076. 0815. 0m（）导热系数按常量计算设壁厚设壁厚x处的温度为处的温度为txt761049. 11041. 71072温度分布为曲线温度分布为曲线5677q（）导热系数按变量计算xtqxtSQdddd 将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布不同是相同的，而温度分布不同工程中计算热通量时，工程中计算热通量时，可取平均温度下导热系数可取平均温度下导热系数，即将导热系数按常量处理即将

17、导热系数按常量处理二、多层平壁的稳态热传导第一层第一层)(211111ttbSQ1111111RQSbQt第二层第二层)(322222ttbSQ2222222RQSbQt第三层第三层)(433333ttbSQ3333333RQSbQtt1t2t3t4b1b2b3假设层与层间接触良好，相接触的两表面温度相同假设层与层间接触良好，相接触的两表面温度相同123QQQQQQQQSSSS321321；SbttSbttSbttQ33432232112114123123123()tttttQ RRRQRRR 111nniiitttQbRS总推动力总阻力n层平壁312123112233:iiibbbbtttt

18、SSSS iR:R:R:Rt:t:t:t321321结论：串联热阻叠加原则：串联传热过程 中的推动力为各分过程的推动力之 和，总热阻为各分过程的热阻之和。 热传导中温度差与热阻成正比例例1 1：燃烧炉最内层耐火砖：燃烧炉最内层耐火砖b b1 1=150mm,=150mm,中间层绝热砖中间层绝热砖b b2 2=290mm,=290mm,最外层普通砖最外层普通砖b b3 3=228mm=228mm。已知。已知t t1 1=1016=1016o oC C, ,t t4 4=34=34o oC C，求，求t t2 2和和t t3 3。设各层接触良好。设各层接触良好。 1 1=1.05W/(m=1.05

19、W/(m o oC),C), 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m o oC),C), 3 3=0.81W/(m=0.81W/(m o oC) C) 33221141 bbbttSQq 2W/m5 .4162815. 0933. 11429. 0341016 C5 .595 .4161429. 0o1 tC1 .805o2 tC4 .117o3 tC5 .956o2 tC4 .151o3 t解解: :化工原理化工原理课件课件第第4 4章章 传热传热材料材料 ，W/m oCR ，m2 oC/W t，oC耐火砖耐火砖1.050.142959.5绝热砖绝热砖0.151.933805.1普通砖普

20、通砖0.810.2815117.4化工原理课件第4章 传热四、圆筒壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导1、单层圆筒壁的热传导、单层圆筒壁的热传导仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：以表示为： dtQSdr drdtrl2分离变量积分：分离变量积分： 1221ln2rrttlQlrrtt2ln1221Rtt21lrrR2ln12圆筒壁的导热热阻圆筒壁的导热热阻 12122112ln2rrrrttrrlQ1212lnrrrrrm12rrbbttlrm21212mttSb12mttbSm;,12圆筒壁的厚度其中：rrb圆筒壁的对数平均半径

21、1212lnrrrrrm21212211222lnln2mmrrSSSr llrSlrS圆筒壁的内外表面的对数平均面积，圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2 当当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值时可用算术平均值代替对数平均值 2、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 与多层平壁的稳定与多层平壁的稳定热传导计算类似，热传导计算类似，可导出：可导出：321321RRRtttQ143121121233mmmttbbbSSS33423112412ln2ln2lnlrrlrrlrrttN层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：11111ln2nniiiittQ

22、rLr 111,nniiim ittQbSlS1S2，Q 相同，q 不相同多层平壁和多层圆筒壁热传导的比较平面壁lS1=S2， Q 相同，q 相同圆筒壁【例【例4-2】一套管换热器的内管为一套管换热器的内管为252.5mm的钢管，钢的的钢管，钢的导热系数为导热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了热管的内外表面上分别生成了1mm厚的污垢，垢层的导热系数厚的污垢，垢层的导热系数分别为分别为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流体接触一已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为侧的温度分别为160和和12

23、0，试求此换热器单位管长的传热，试求此换热器单位管长的传热量。量。解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度143241122332111lnlnlnttQqdddlkdkdkd2160120950120125127lnlnln1.01845200.525qW/m代入数据得代入数据得例2 38mm2.5mm的水蒸汽管钢的=50W/(mK)包有隔热层.第一层是40mm厚的矿渣棉=0.07W/(mK),第二层是20mm厚的石棉泥 =0.15W/(mK).若管内壁温度为140,石棉泥外壁温度为30 .试求每米管长的热损失速率.若以同量的石棉作内层,矿渣棉作外层时,情况如何?试作比较.解：解：根据题意得

24、i0.033d 5011401t038. 02d07. 02158. 01d118. 03d15.03304tmWddtlQnn/1 .38118. 0158. 0ln15. 01038. 0118. 0ln07. 01033. 0038. 0ln501)30140(2ln121若以同量石棉作内层,矿渣棉作外层,则033. 01d5011401t038. 02d15. 02158. 01d118. 03d07. 03304t从而求得从而求得mWlQ/9 .58计算表明选用隔热材料包裹管路时，在耐热性等条件允许下，导热系数小的应包在内层。金属管的热阻实际上是可忽略的。例例 在一在一 603.5m

25、m的钢管外层包有两层绝热材料，里层为的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管。现用热电偶测得管内壁温度为内壁温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管壁的导热系数，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.05

26、3/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2mwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 一、对流传热分析一、对流传热分析二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程三、对流传热系

27、数三、对流传热系数第第三三节节 对流传热对流传热 冷 凝 传 热 有 相 变 传 热 沸 腾 传 热 对 流 传 热 自 然 对 流 无 相 变 传 热 管 外 对 流 强 制 对 流 非 圆 管 道 管 内 对 流 弯 管 湍 流 圆 形 直 管 过 渡 流 滞 流 由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。以研究。一、对流传热的分析一、对流传热的分析 层流底层过渡层湍流主体层流层 沿轴向流动，无径向混合，依靠导热，主要温差及热阻集中在层流层。 缓冲层 导热、对流同时存在，温度缓慢变化。 湍流区 质点剧烈运动，混合均匀，无温差，无热阻。 对流传热

28、的热阻对流传热的热阻主要集中在滞流内层主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。度是强化对流传热的主要途径。 二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程 1、对流传热速率表达式、对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率 推动力系数 对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上半经验方法处对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上半经验方法处理。理。对流传热速率方程可以表示为：对流传热速率方程可以表示为： t=1tQSS热流体在管内流动，冷

29、流体在管外流动()iWiQTTS()oWoQtt S2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数对流传热系数a定义式：定义式： tSQ 表示表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。率。单位单位W/m2.k。反映对流传热的快慢，不是物性，是参数反映对流传热的快慢，不是物性，是参数反映了反映了对流传热的快慢对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热，对流传热系数大，则传热快。快。 影响因素影响因素()pf l,u ,c ,. 强制 自然； 相变 无相变； 液 气1 1、流体的、流体的种类种类和和相变化相变化的情况的情况 2 2、流体的物性、流体的物性 对流传热

30、系数影响因素对流传热系数影响因素、c、p、C、p体积膨胀系数体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，值愈大，密度差愈大，有利于自然对有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。流。对强制对流也有一定的影响。3 3、流体的温度、流体的温度4 4、流体流动状态、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。湍流的对流传热系数远比滞流时的大。5 5、对流情况对流情况 强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：由于外力的作用由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质部分的流体密度不同，引起流体质点的位移。点的位移。6 6、传热面的性状、大小和位置、

31、传热面的性状、大小和位置 ),(tgclufp无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示： 八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度，长度L，时间，时间T，温，温度度，借助于数学物理中的量纲分析法，将众多的影响因素整借助于数学物理中的量纲分析法，将众多的影响因素整合成合成Nu、Re、Pr和和Gr四个无因次数群，他们之间的关系为：四个无因次数群，他们之间的关系为：四、对流传热中的一般准数关联式四、对流传热中的一般准数关联式f(Re Pr,)NuGr，准数的符号和意准数的符号和意义义准数名称准数名称符号符号准数

32、式准数式意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nul对流传热系数的对流传热系数的准数准数 雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Relu确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Prpc表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr223tlg表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数对流传热系数对流传热系数 准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注

33、意以下几点：1 1、应用范围、应用范围2 2、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热有决定影响的尺寸为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热有决定影响的尺寸作为特征尺寸，传热当量直径作为特征尺寸，传热当量直径de的计算。的计算。3 3、定性温度、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和三种取

34、法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。壁面的平均温度（膜温）。4 4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。的单位制度。1、流体在管内作强制对流传热系数、流体在管内作强制对流传热系数1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度流体低粘度流体 （大约低于（大约低于2倍常温水的粘度倍常温水的粘度，210-3Pa.s）0.80.023RePrnNu 0.80.023nrduPd或当流体被当流体被加热时加热时n=0.4，流体被流体被冷却时，冷却时，n=0.3。流体无相

35、变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数,1206 . 0 ,10000rePR管长与管径管长与管径比 60/idl时，若60/idl将计算所得的将计算所得的乘以乘以7 . 0)(1 Ldi应用范围：应用范围： 定性尺寸：定性尺寸： Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管取为管内径内径di。定性温度：定性温度： 取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。b) 高粘度的液体高粘度的液体 0.1410.830.027RuerwNP14.0w为考虑热流体方向的校正项为考虑热流体方向的校正项，液体被加热，液体被加热为为1.05，冷却为，冷却为0.95，气体为，气体为1。

36、应用范围：应用范围： Re10000,0.716700 ,60riLPd定性尺寸：定性尺寸： 取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出口取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。温度的算术平均值。 2) 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小当管径较小，流体与壁面间的温度差较小, 时时自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时。自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时。42.5 10rG 应用范围：应用范围： 10.14113331.86iuerwdNRPL2300,6700.e6,10R0r

37、ierR PPdL定性尺寸：定性尺寸： 管内径管内径di。 定性温度：定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。口温度的算术平均值。 42.5 10rG时自然对流对强制滞流的传热的影响可时自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时。传热系数以忽略时。传热系数乘以校正系数乘以校正系数f.1/31 0.015Grf=0.83）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对于对于Re=230010000时的过渡流范围，时的过渡流范围， 先按先按湍流的公式计算湍流的公式计算，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数f。 51.86101efR4

38、）流体在弯管内作强制对流）流体在弯管内作强制对流 1 1.77/idR弯曲半径弯曲半径5）流体在非圆形管中作强制对流）流体在非圆形管中作强制对流 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：验，所得的关联式为： 0.5310.8300.02iereDRPdd应用范围：应用范围：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸：定性尺寸： 当量直径当量直径de定性温度：定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。流体进出口温度的算术平均值。 a）传热当量直径）传热当量直径4de流道截面积传热周边长度而流动当量直径而流动当量直径4de流道

39、截面积润湿周边长度套管环隙套管环隙22idoeoDdddeioDd2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动0.4Re PrnNuC1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动适用范围：适用范围：70000Re500012001.2 5,1.2 5xxdd对整个管束：对整个管束：iiimAA定性温度：定性温度： 221tttm特征尺寸：特征尺寸：管的外径do 0.4Re PrnNuC1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动在整个管束上的平均对流传热系数可由下式计在

40、整个管束上的平均对流传热系数可由下式计算算 niiniiiAA11 i=1，n 式中式中a ai i为第为第i i排管子的平均对流传热系数，排管子的平均对流传热系数，A Ai i为第为第i i排管子的总传热面积。排管子的总传热面积。 1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动流体流体在错列管束外流过时在错列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数33. 06 . 0PrRe33. 0Nu流体流体在直列管束外流过时在直列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数33. 06 . 0PrRe26. 0Nu应用范围：应用范围：3000Re注意：注意：管束排数应为管束排数应为

41、10，若不是，若不是10时，计算结果应校正。时，计算结果应校正。2）流体在换热器的管间流动）流体在换热器的管间流动 2）流体在换热器的管间流动）流体在换热器的管间流动 14. 03155. 036. 0wreuPRN14. 03155. 036. 0wpeeCudd凯恩（凯恩（Kern）法法应用范围：应用范围： Re=2103106 定性尺寸：定性尺寸： 当量直径当量直径de。定性温度：定性温度：除除w取壁温以外，其余均取液体进、出取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。口温度的算术平均值。 当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：进

42、行计算： 管子呈正方形排列时：管子呈正方形排列时： 0202785. 04ddtde管子呈三角形排列时管子呈三角形排列时： 02024324ddtde管外流速可根据流体流管外流速可根据流体流过的最大截面积过的最大截面积S计算计算 tdhDA01多诺呼多诺呼(Donohue)法法14. 0316 . 0)(PrRe23. 0wNu应用范围：应用范围：Re=32104定性尺寸：定性尺寸：管管外径外径do，流速取换热器中心附近流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度。管排中最窄通道处的速度。四、流体有相变时的对流传热系数四、流体有相变时的对流传热系数蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝

43、滴状冷凝两种方式。两种方式。膜状冷凝膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝滴状冷凝：若冷凝液不能润湿若冷凝液不能润湿壁面壁面，由于表面张力的作，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸

44、汽的饱和温度与壁面温度之差。四、流体有相变时的对流传热系数四、流体有相变时的对流传热系数1 1 蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热系数冷凝液润湿壁面的冷凝液润湿壁面的 能力取决于其表面张力和对壁面附着力的大能力取决于其表面张力和对壁面附着力的大小。若附着力比表面张力大，则形成膜状冷凝，反之，即形成小。若附着力比表面张力大，则形成膜状冷凝，反之，即形成滴状冷凝。滴状冷凝。（二）有相变 滴状冷凝滴状冷凝膜状冷凝膜状冷凝 热流方向 蒸汽 ts 热流方向 蒸汽 ts 膜膜滴滴 1、冷凝传热 沸腾沸腾冷凝冷凝膜状冷凝：液膜是主要热阻1.1.3 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 蒸汽的流向和

45、流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流动，蒸汽和液膜同向流动， 液膜厚度液膜厚度( )，若逆向流动，液膜厚度若逆向流动，液膜厚度( )，蒸汽的流速较大，蒸汽的流速较大， 液液 膜膜 吹吹 跑跑 ， 冷凝液膜两侧的温度差冷凝液膜两侧的温度差 t： 当液膜呈滞流流动时，若当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，而液膜层厚度增厚， 蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使覆盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降

46、，可达急剧下降，可达60%。 冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响： 如对于翅片管和螺旋管如对于翅片管和螺旋管 ，；传热面积；传热面积S， 冷凝管的方位冷凝管的方位： 对于水平管：对于水平管：若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜变厚，变厚， ；沿垂直方向排管数目；沿垂直方向排管数目， 。管束改。管束改为错列，为错列，或加除液挡板，或加除液挡板， 。 对于垂直管对于垂直管: 尺寸尺寸， ， 。管外开槽，管外开槽， 。 流体的物性流体的物性： （汽化热（汽化热r、密度、密度、），；，2 2 液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾时的对流传热系数 2.1 2.1 液

47、体沸腾的基本概念液体沸腾的基本概念 液体的沸腾液体的沸腾: :当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有过程。该过程既有导热导热过程又有过程又有对流传热对流传热过程。过程。包括包括大容积沸腾、管内沸腾大容积沸腾、管内沸腾。 大容积沸腾大容积沸腾: :将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾腾（池式沸腾）（池式沸腾） 。大容积沸腾时，液体中一方。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的面存在着由温差引起的自然对流自然对流，另一方面又，另一方面又因气泡运动所导致的因气泡运动所导致的液体运动液体运动。

48、 管管 内内 沸沸 腾腾: :液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。机理更为复杂。2.2 液体沸腾曲线液体沸腾曲线 大容积饱和液体沸腾的情况随温度差大容积饱和液体沸腾的情况随温度差t（壁温与液体饱和（壁温与液体饱和温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。1、 AB段段：表面汽化表面汽化:温度差温度差t 较小时，在加热表面的液体较小时，在加热表面的液体

49、 内产生内产生自然对流自然对流，仅在液体，仅在液体 表面发生蒸发，没有气泡逸表面发生蒸发，没有气泡逸 出，沸腾传热系数出，沸腾传热系数和热通和热通 量量q都较低都较低。2、 BC段段：核状沸腾核状沸腾： 当当t升升 高时，加热表面的局部位置高时，加热表面的局部位置 产生气泡，气泡产生的速度产生气泡，气泡产生的速度 随随t上升而增加，由于气泡上升而增加，由于气泡 的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，和和 q 急剧急剧增大。增大。温度差温度差tqABCD线线 q 线线自然对流自然对流核状沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾E3、CD段段：不稳定膜状沸腾或：不

50、稳定膜状沸腾或 部分核状沸腾：部分核状沸腾：当当 t增大到某一增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着加热面。随着 t的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反而下降。远小于液体的，所以传热系数反而下降。4、DE段段：当达到当达到D点时，传

51、热面几乎全部为气膜所覆盖，形成点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随稳定的气膜，随t增大，增大，不变，不变，q又上升（因为壁温升高，又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为段称为膜状沸腾膜状沸腾。临界点临界点tc和和qc ：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷所对应的热流密度和温差称为临界热负荷qc 和临界温度和临界温度tc 。由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。般总

52、是设法控制在核状沸腾。 2.3 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素 温度差温度差t ： t是控制沸腾给热过程的重要参数，控制是控制沸腾给热过程的重要参数，控制t 不大于不大于tc ， 使操作处于核状沸腾。在使操作处于核状沸腾。在t tc 时，时， ， t，。 操作压强：操作压强： 提高沸腾压强相当于提高液体的提高沸腾压强相当于提高液体的t s ，使液体的表面张力，使液体的表面张力 和粘度和粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸 腾传热。在相同的腾传热。在相同的 t下，下，和和q都提高。都提高。 液体性质的影响液体性质的影响 液体的液体的， 和表面

53、张力和表面张力 ，汽化潜热，汽化潜热r等均对沸腾等均对沸腾 传热有重要影响。一般认为：传热有重要影响。一般认为： （导热能力（导热能力）或）或（自然对流（自然对流） 或或（气泡易于脱离（气泡易于脱离） 32t 加热表面加热表面 加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。 表面粗糙度表面粗糙度，气泡核心数，气泡核心数 表面油污表面油污， 2.4 沸腾传热系数的计算沸腾传热系数的计算由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：莫斯金斯基经验式：莫斯金斯基经验式：3321631.TZ. c.cp/pRRRR

54、.p.Z 33310211703281048110241）（R为对比压强；为对比压强；p为操作压强；为操作压强；pc为临界压强为临界压强 对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：在应用这些方程时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。是自然对流，是否有相变等。2、选定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用、选定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式的使用条件。的公式的使用

55、条件。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结对流传热系数小结5、冷凝传热和沸腾传热机理、影响因素（重点）。、冷凝传热和沸腾传热机理、影响因素（重点）。一、能量衡算一、能量衡算二、总传热速率方程二、总传热速率方程三、总传热系数三、总传热系数四、平均温度差四、平均温度差五、设备热损失的计算五、设备热损失的计算第第四四节节 传热过程计算传热过程计算Q=KStm一、热量衡算一、热量衡算 热量衡算是反映热量衡算是反映两流体在换热过程中温

56、度变化两流体在换热过程中温度变化的相互关系。的相互关系。 对于对于间壁式换热器间壁式换热器，假设，假设换热器绝热良好，热换热器绝热良好，热损失可忽略，损失可忽略，则在单位时间内的换热器中的流体则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：放出的热量等于冷流体吸收的热量。即： 1221hhhcccQ W hhW hh换热器的热量衡算式换热器的热量衡算式 应用：应用：计算换热器的传热量计算换热器的传热量 若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时，平均温度下的比热时， 若换热器中热流体有若换热器中热流体有相相变化，例如

57、饱和蒸汽冷变化，例如饱和蒸汽冷凝，凝，冷凝液在饱和温度下冷凝液在饱和温度下离开。离开。 21hcpcQWrW ctt,12,21hp hcp cQW cTTW ctt若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器 221hphsc pcQ W r cTTWctt例：例：试计算将压力试计算将压力200kPa、流量、流量200kg/h的冷凝至的冷凝至80的的水所放出的热量。水所放出的热量。200kPa饱和水蒸气的温度，定压比热容饱和水蒸气的温度，定压比热容和焓值，查附录和焓值，查附录6和附录和附录2。hh2130.6hphsQW rcTTkW12130.6hhhhQW H

58、HkW二、总的传热速率方程二、总的传热速率方程 通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程仿照对流传热速率方程写出：写出：tdSKdStTKdQ)(总传热速率微分方程总传热速率微分方程 or 传热基本方程传热基本方程 K局部总传热系数，（局部总传热系数，（w/m2） 物理意义：物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。度差下的传热速率。 当取当取t和和K为整个换热器的平均值时，对于整为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：个换

59、热器，传热基本方程式可写成：mtKSQK换热器的平均传热系数，换热器的平均传热系数，w/m2K。 或或KS1总传热热阻总传热热阻 KStQm1/ 注意：注意：其中其中K必须和所选择的传热面积相对必须和所选择的传热面积相对应应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。同。mmmmmiitSKtSKtSKQ00注：工程上大多注：工程上大多以外表面积以外表面积为计算基准，为计算基准，Ko不再不再加下标加下标“o”三、总传热系数三、总传热系数传热系数传热系数K的计算的计算 流体通过管壁的传热包括：流体通过管壁的传热包括： 1) 热流体在流动过程中把热量传递给管

60、壁的对热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热流传热owodSTTdQ 2) 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 mwwdSbtTdQ3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热管壁与流动中的冷流体的对流传热 iwidSttdQ间壁换热器总传热速率为：间壁换热器总传热速率为： odStTKdQ1oTttdQRKdSooWdSTT111RtmWWdSbtT22RtiiwdStt133Rt利用串联热阻叠加原则：利用串联热阻叠加原则：tdQR321321RRRtttiimdSdSbdSKdS111000若以外表面为基准若以外表面为基准 iimdSdSdSbdSK00011dSd lmmdddSdS00ii