化工基础第四章传热

1、2022-6-71第一节第一节 概概 述述 第四章第四章 传传 热热 一、传热过程的应用一、传热过程的应用（1 1）物料的加热或冷却）物料的加热或冷却（2 2）热量与冷量的回收利用）热量与冷量的回收利用 （3 3）设备与管路的保温）设备与管路的保温2022-6-72二、传热的基本方式二、传热的基本方式 （一）热传导（一）热传导 气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动实现非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体液体 机理复杂机理复杂特点：特点：静止介质中的传

2、热，静止介质中的传热，没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移2022-6-73（二）热对流（二）热对流 （三）热辐射（三）热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 自然对流自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力：由于流体内温度不同造成的浮升力 引起的流动。引起的流动。 强制对流强制对流：流体受外力作用而引起的流动。：流体受外力作用而引起的流动。 能量转移能量转移、能量形式的转化能量形式的转化 不需要任何物质作媒介不需要任何物质作媒介 特点：特点：流动介质中的传热，流动介质中的传热，流体作流体作宏观宏观运动运动三种类型换热器 (1) 直接混合式将

3、热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗澡”吧，老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加热，此即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。(2)蓄热式先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体、此即蓄热式换热器。如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。(3)间壁式热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图所示。夹套式换热器 热流体 T1T2t2t1冷流体 套管式换热器（1内管 2外管）单程列管式换热器1 外壳 2管束 3、

4、4接管 5封头 6管板 7挡板 双程列管式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板 2022-6-711三、两流体通过间壁换热过程三、两流体通过间壁换热过程 冷流体冷流体t1t2热流体热流体T1T2（一）间壁式换热器（一）间壁式换热器夹套式换热器夹套式换热器2022-6-712传热速率传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位整个传热面传递的热量，单位 J/s或或W。热流密度热流密度q （热通量）（热通量） ：单位时间内通过单位传：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或或W/m2。（二）传

5、热速率与热流密度（二）传热速率与热流密度AQq 2022-6-713非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ （三）稳态与非（三）稳态与非稳稳态传热态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t 稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。 不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。2022-6-714管壁内侧管壁内侧热流体热流体对流对流)(1)1(Q

6、（四）两流体通过间壁的传热过程（四）两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流对流对流 传导传导冷冷流流体体Q热热流流体体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热传导热传导)(2)2(Q冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧对流对流)(3)3(Q稳态传热：稳态传热：QQQQ 3212022-6-715式中式中 tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，或或K； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2)或或W/(m2K)。总总热热阻阻总总传传热热推推动动力力 KAttKAQ/1mm（五）总传热速率方程（五）总传热速率方程2022-6-716一、傅立叶定律一、傅立叶定律温度场温

7、度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 （一）温度场和等温面（一）温度场和等温面非非稳稳态态温度场温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft,等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。组成的面。 第二节第二节 热传导热传导不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。2022-6-717（二）温度梯度（二）温度梯度 ntnttgradn 0limn n xt+ ttxnt Q 方向：法线方向，以温度增加的方向为正。方向：法线方向，以温度增加的方向为正。2022-6-718（三）傅立叶定律

8、（三）傅立叶定律ntAQ dd 式中式中 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； dA 导热面积，导热面积，m2； t/ n 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度梯度方向相反2022-6-719二、热导率二、热导率 ntqntdAdQ / 在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量 = f(结构结构, 组成组成, 密度密度, 温度温度, 压力）压力） 金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 表征材料导热性能的表征材料导热性能的物性物性参

9、数参数2022-6-7201.1.固体热导率固体热导率 金属材料金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料绝热材料 10-210-1 W/(mK)1(0at 在一定温度范围内：在一定温度范围内：对大多数金属材料对大多数金属材料a 0 ， t 2022-6-7212.2.液体热导率液体热导率 金属液体金属液体 较高，非金属液体较高，非金属液体 低；低； 非金属液体水的非金属液体水的 最大；最大； 水和甘油：水和甘油：t ， 其它液体：其它液体：t ，0.090.6 W/(mK)2022-6-7223.3.气体热导率气体热导率 t ， 一般情况下，一

10、般情况下， 随随p的变化可忽略；的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.0060.4 W/(mK)2022-6-723t1t2btxdxQ三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导 （一）单层平壁热传导一）单层平壁热传导 假设：假设：材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数；一维温度场，一维温度场，t沿沿x变化；变化； A/b很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。2022-6-724xtAntAQdd 210ttbAdtQdx )(21ttbAQ 积分：积分：热阻热阻推动力推动力 RtAbttQ 212022-6-725 （二）多层平壁热传导二）多层平壁

11、热传导假设：假设：各层接触良好，接触面各层接触良好，接触面两侧温度相同。两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t32022-6-726AbttAbttAbttQ334322321121 总热阻总热阻总推动力总推动力 iRttAbAbAbttt41332211321 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 各层的温差各层的温差2022-6-727结论：结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；总热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。各层温差与热阻成正比。推广至推广至n层：层： ni

12、iinniiiAbttAbtQ1111 2022-6-728四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导 （一）单层圆筒壁的热传导一）单层圆筒壁的热传导 特点特点：(1)传热面积随半径传热面积随半径变化，变化， A=2 rl(2) 一维温度场，一维温度场，t沿沿r变化。变化。2022-6-729在半径在半径r处取处取dr同心薄层圆筒同心薄层圆筒rtrlrtAQdddd 2 积分积分 21212ttrrrldtQdr 1221ln)(2rrttlQ 2022-6-730讨论：讨论：RttlrrttQ2112212ln 1212ln2AAAAlrAmm 12rrb 对数平均面积对数平均面积热阻热阻

13、1212122lnrrrrlrrR 令令1212lnrrrrrm 对数平均半径对数平均半径mAb 2022-6-731mAbttQ 21 rr212一般一般 时，时，221rrrm 2022-6-732 （二）多层圆筒壁的热传导二）多层圆筒壁的热传导2022-6-733 31141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQ 三层：三层：n层圆筒壁：层圆筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 【例】一套管换热器的内管为【例】一套管换热器的内管为252

14、.5mm的钢管，钢的导的钢管，钢的导热系数为热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换热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管的内外表面上分别生成了1mm和和0.5mm厚的污垢，垢层的导厚的污垢，垢层的导热系数分别为热系数分别为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流体已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为接触一侧的温度分别为160和和120，试求此换热器单位管长，试求此换热器单位管长的传热量。的传热量。解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度143241122332111lnlnlnttQqdddlkdkdkd2160 1209501

15、20125127lnlnln1.01845200.525qW/m代入数据得【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和和0.5mm厚的污垢，垢层的厚的污垢，垢层的导热系数分别为导热系数分别为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为体接触一侧的温度分别为160和和120，试求此换热器单位管，试求此换热器单位管长的传热量。长的传热

16、量。解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度143241122332111lnlnlnttQqdddlkdkdkd2160 120950120125127lnlnln1.01845200.525qW/m代入数据得7248 . 0225. 015. 0115. 04 . 1225. 055930iiikbtAQ【例【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成：】工业炉的炉壁，由下列三层组成：耐火砖 k1=1.4W/(mK), b1=225mm保温砖 k2=0.15W/(mK), b2=115mm保温砖 k3=0.8W/(mK), b3=225mm今测得其内壁温度为930，外壁温度为55，求单位面积的

17、热损失。 解：由串联热阻的概念解：由串联热阻的概念 W/m22022-6-737一、对流传热过程一、对流传热过程第三节第三节 对流传热对流传热dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T2传热过程高温流体湍流主体层流底层壁面两侧层流底层湍流主体低温流体q湍流主体 对流传热 温度分布均匀 p层流底层 导热 温度梯度大 p壁面 导热(导热系数较流体大) 有温度梯度不同区域的 传热特性：传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流 底层层流

18、 底层传热方向对流传热示意图传热过程高温流体湍流主体壁面两侧层流底层湍流主体低温流体q湍流主体对流传热温度分布均匀p层流底层导热温度梯度大p壁面导热(导热系数较流体大)有温度梯度不同区域的传热特性：传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向对流传热示意图2022-6-740ttWTWTA2A1传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T tl 湍流主体湍流主体温度梯度小，热对流为主温度梯度小，热对流为主l 层流内层层流内层温度梯

19、度大，热传导为主温度梯度大，热传导为主l 过渡区域过渡区域热传导、热对流均起作用热传导、热对流均起作用2022-6-741式中式中 Q 对流传热速率，对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数，热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的热、冷流体的平均平均温度及温度及 平均平均壁温，壁温，。 )(11WTTAQ )(22ttAQW 冷流体：冷流体：热流体：热流体：牛顿冷却定律牛顿冷却定律2022-6-742（一）影响因素（一）影响因素2.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。自然对流：由于流体内部密度差而引

20、起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强制强制 自然自然 二、对流传热系数的影响因素二、对流传热系数的影响因素1.1.流动状态流动状态 湍流湍流 层流层流 2022-6-743自然对流的产生：自然对流的产生：设设 热处：热处：t2， 2； 冷处冷处：t1， 1 体积膨胀系数，体积膨胀系数，1/ C.tVVV 112 )1(12tVV 或或而而22 mV 11 mV 得：得：或或)1(21t ) t1(1112 2022-6-744由温度差而产生的单位体积的升力：由温度差而产生的单位体积的升力： tggtg 22221)1(加热板加热板冷却板

21、冷却板2022-6-7455. 是否发生相变是否发生相变 相变相变 无相变无相变4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置 形状形状管、板、管束等；管、板、管束等； 大小大小管径、管长、板厚等；管径、管长、板厚等； 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流体的物性流体的物性 ，cp 2022-6-746三、对流传热的特征数关系式三、对流传热的特征数关系式变量数变量数 8 8个个基本因次基本因次 4个：长度个：长度L L，时间，时间T T，质量，质量M M，温度，温度 无量纲特征数无量纲特征数（8-48-4）=4=4),(LtgCufp无相变时无

22、相变时2022-6-7471. 努塞尔特努塞尔特（Nusselt ）数）数 LNu 表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数2. 雷诺雷诺（Reynolds）数）数 uL Re反映流体的流动状态反映流体的流动状态对对流传热的影响对对流传热的影响2022-6-7483. 普兰普兰特（特（Prandtl）数）数 Cp Pr反映流体的物性对对流传反映流体的物性对对流传热的影响热的影响4. 格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（Grashof）准数）准数223 tgLGr 表示自然对流表示自然对流对对流传热对对流传热的影响的影响一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)简化：强制对流简化：强制对

23、流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流自然对流 Nu=f (Pr, Gr)2022-6-749使用准数关联式时注意：使用准数关联式时注意：1. 应用范围应用范围2. 特征尺寸特征尺寸3. 定性温度定性温度强制对流强制对流自然对流自然对流无相变无相变有相变有相变蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾2022-6-750四、无相变时四、无相变时对流传热系数的经验关联式对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流（一）流体在管内作强制对流1. 圆形直管内的强制湍流圆形直管内的强制湍流nmCNuPrRe nNuPrRe023. 08 . 0 流体被加热流体被加热 n=0.4流体被冷却流体被冷却 n=

24、0.3（1）应用范围：）应用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体（气体或低粘度的液体（ 2 水水）（2）定性温度：流体进出口的算术平均）定性温度：流体进出口的算术平均 值值（3）特征尺寸：管内径）特征尺寸：管内径2022-6-751讨论：讨论：（1）加热与冷却的差别：）加热与冷却的差别： ,WRettt加加热热液体液体3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 液体液体冷却冷却加热加热 气体气体 , Ret加加热热3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 气体气体冷却冷却加热加热 2022-6-7522 . 08 . 08 . 018 . 08 . 00

25、23. 0)()(023. 0duCpCpuddnnnn物性一定时：物性一定时：2 .08 .0du（2）影响因素：）影响因素：2022-6-753公式修正：公式修正：（1）当）当L/d 2 水水）14. 0)(PrRe027. 033. 08 . 0WNu工程处理：工程处理：加热：加热：冷却：冷却：05.1)(14.0 W 95.0)(14.0 W 7 . 011 ld 2022-6-754（3） 弯管弯管弯管的曲率半径弯管的曲率半径）（直直弯弯直直弯弯 RRd77. 11 （4）非圆形管道非圆形管道neeuddPr)(023. 08 . 0 实实 用当量直径计算。用当量直径计算。2022-

26、6-7552. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 8 . 15Re1061 ff校正系数校正系数湍湍过过湍湍过过 2300 Re 1042022-6-7563. 圆形直管内强制层流圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，随热流方向不同，速度分布情况不同；速度分布情况不同；（2）自然对流造成了自然对流造成了径向流动，强化了对径向流动，强化了对流传热过程。流传热过程。对于液体对于液体2022-6-75714. 031)()Pr(Re86. 1WLdNu 自然对流可以忽略：自然对流可以忽略： Gr 25000乘校正因子：乘校正因子： )Gr.(.f31

27、0150180 适用范围：适用范围：10)Pr(Re Ld670060 Pr.Re2300 定性温度：定性温度：221tttm 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径2022-6-758（二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强制对流传热1. 流体在管束外垂直流过流体在管束外垂直流过2022-6-759 应用范围：应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值定性温度：进、出口温度平均值Nu=C Ren Pr0.4112212nnmn A A AAAA 平均

28、对流传热系数：平均对流传热系数：2022-6-7602流体在换热器管间的流动流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形折流挡板形式：圆缺形、圆环形2022-6-761设置折流挡板目的设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的 。圆缺形折流挡板：圆缺形折流挡板： 14. 03/155. 0PrRe36. 0 WNu 定性温度：定性温度：221tttm 应用范围：应用范围：Re=21031062022-6-762正方形排列正方形排列：正三角形排列：正三角形排列：特征尺寸特征尺寸：（：（1）当量直径当量直径de0202)785. 0(4dd

29、tde 0202)785. 023(4ddtde d0tt2022-6-763（2）流速）流速u按流通截面最大处的截面计算：按流通截面最大处的截面计算：式中式中 h两块折流挡板间距离，两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，换热器壳径，m；)1(0tdhDS 2022-6-764（三）自然对流时的对流传热系数（三）自然对流时的对流传热系数nGrCNu)(Pr定性温度：膜温（定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径水平管为管外径d0各种情况下的各种情况下的C C、n n值及特征尺寸不同。值及特征尺寸不同。 2022-6-7651.

30、 蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式五、流体有相变时的对流传热五、流体有相变时的对流传热 滴滴 膜膜 （1）膜状冷凝）膜状冷凝（2）滴状冷凝）滴状冷凝冷凝过程的热阻冷凝过程的热阻冷凝液膜冷凝液膜（一）蒸汽冷凝时的对流传热（一）蒸汽冷凝时的对流传热2022-6-7662. 膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时的对流传热系数（1）水平管束外）水平管束外41032327250 tdngr /.2Wsttt 定性温度：定性温度：t tS Sr r，其它，其它膜温膜温 n水平管束在垂直列上的管数水平管束在垂直列上的管数r比汽化热比汽化热2022-6-767（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直

31、板上）冷凝4Re44memqSdu SqM qm冷凝液量，冷凝液量，kg/sM冷凝负荷，冷凝负荷，kg/s.m2022-6-768层流层流413213. 1 tlgr Re1800湍流湍流4 . 0312320077. 0Reg 特性尺寸：管或板高特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温定性温度：膜温 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向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

32、膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，增加，因而液膜层厚度增厚， 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，使小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，急剧下降，蒸汽中含蒸汽中含1%空气，则空气，则 下降下降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 s 冷凝管的方位：冷凝管的方位：对于水平管：对于水平管： 对于垂直管对于垂直管: 流体的物性：流体的物性：r（潜热）、（潜热）、；

33、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 液体沸腾的基本概念 液体的沸腾:当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有导热过程又有对流传热过程。包括大容积沸腾、管内沸腾。 大容积沸腾:将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾（池式沸腾） 。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的自然对流，另一方面又因气泡运动所导致的液体运动。 管 内 沸 腾: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动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。2.2 液体沸腾曲线 大容积饱和液体沸腾的情况随温度差t（壁温与液体饱和温度之差）

34、而变，出现不同的沸腾状态。1、 AB段：表面汽化:温度差t 较小时，在加热表面的液体 内产生自然对流，仅在液体 表面发生蒸发，没有气泡逸 出，沸腾传热系数和热通 量q都较低。2、 BC段：核状沸腾： 当t升 高时，加热表面的局部位置 产生气泡，气泡产生的速度 随t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，和 q 急剧增大。温度差tqABCD线 q 线自然对流核状沸腾膜状沸腾E3、CD段：不稳定膜状沸腾或 部分核状沸腾：当 t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

35、破裂变为大汽泡离开加热面。随着 t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。4、DE段：当达到D点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随t增大，不变，q又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为膜状沸腾。临界点tc和qc ：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qc 和临界温度tc 。由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。 2.3 影响沸腾传热的因素 温度差t ： t是控制沸腾给热过程的重要参数，控制t 不大于tc ， 使操作处于核状沸腾。在t tc 时，

36、， t，。 操作压强： 提高沸腾压强相当于提高液体的t s ，使液体的表面张力 和粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸 腾传热。在相同的 t下，和q都提高。 液体性质的影响 液体的， 和表面张力 ，汽化潜热r等均对沸腾 传热有重要影响。一般认为： （导热能力）或（自然对流） 或（气泡易于脱离） 32t 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。 表面粗糙度，气泡核心数 表面油污， 2.4 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：莫斯金斯基经验式：3321631.TZ. c.cp/pRRRR.p.Z 33310211703281048110241）（R

37、为对比压强；p为操作压强；pc为临界压强 2022-6-7772. 影响因素及强化措施影响因素及强化措施（1）液体的性质）液体的性质 ,（2）温度差）温度差 核状沸腾阶段核状沸腾阶段: t2.5， t （3）操作压力）操作压力stp2022-6-778（4）加热面）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，新的、洁净的、粗糙的加热面， 大大 （5）强化措施）强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒； 加表面活性剂（乙醇、丙酮等）加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2022-6-779 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算总传热速率方程总传热速率方程式中式中 Q传热速

38、率，传热速率，W； tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2) 。m mQKAt 传热平衡方程传热平衡方程 以某换热器为衡算对象，列出稳定传热时的热量衡算方程。 吸放QQ12222111ttCqTTCqpmpm122221112221)(ttCqTTcrqQttCqrqQpmspmpmm2022-6-781（一）恒温传热（一）恒温传热tTt m（二）变温传热（二）变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关一、传热平均温度差一、传热平均温度差逆流逆流并流并流错流错流折流折流2022-6-7821. 逆流与并流逆流与并流t2

39、t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流2022-6-783以逆流为例推导以逆流为例推导 tm假设：（假设：（1）稳态流动，）稳态流动，qm1、 qm2为常数；为常数； （2）cp1、cp2为常数；为常数； （3）K沿管长不变化；沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。）热损失忽略不计。AT2t1t2T1dTdtdA t2 t1 t=T-t对于微元：对于微元：11mpdQqc dT 22mpdQqc dt 11.mpdQqcConstdT 22.mpdQqcConstdt 2022-6-784T1T2t2t1Q1t 2t tTt QttdQtd12

40、)( 而而)(tTKdAdQ QtttdAKtd12)( dAQtttKtd12)( AttdAQttttdK01221)(12022-6-785AQttttK1212ln1 mtKAttttKAQ 1212ln1212lntttttm 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用； 当当 t2/ t12，则可用算术平均值。，则可用算术平均值。对数平均温度差对数平均温度差例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。解：并流逆流65160180100250ln)160180(

41、)100250(ln2121tttttm 7 .84100180160250ln)100180()160250(ln2121tttttm T1T2t1t2并流T2T1t1t2逆流逆流操作时，因t2/ t1 tm( 并并 流流)图 3-19 逆流和并流温度差的计算 Q = K S tm 当 Q ,K 一定时， tm,S, 设备费下降2. 逆流可以节约冷却水的用量2022-6-789逆逆mmtt ),(流型流型RPf 1221ttTTR 冷流体温升冷流体温升热流体温降热流体温降1112tTttP 两流体初温差两流体初温差冷流体温升冷流体温升2. 错流与折流错流与折流查图查图 1 tm 0.9若若

42、0.8，温差损失大，传热不稳定；，温差损失大，传热不稳定； 应改变流型应改变流型例例:1 在一双管程列管换热器中，壳方通入饱和水蒸气加热管内在一双管程列管换热器中，壳方通入饱和水蒸气加热管内的空气。的空气。110 的饱和水蒸气冷凝成同温度的水，将空气由的饱和水蒸气冷凝成同温度的水，将空气由20 加热至加热至80 。试计算：。试计算： (1)换热器第一管程出口空气的温度；换热器第一管程出口空气的温度； (2)第一管程内的传热量占总传热量的百分数第一管程内的传热量占总传热量的百分数。解：解：(1) 对双管程传热对双管程传热mpcctKSttcWQ12 C.lntTtTlntTtTtm0212165

43、480110201103090 6542080.KStKScWmpcc 09916546080.cWKSpcc 则:第一管程传热第一管程传热: mipcct/KSttcW 21 iiipcctTtTlnttKSttcW 11125502099121.cWKStTtTlnpcci 73215501.etTtT.i Ct.tii058732111020110 (2)第一管程内传热量: 11ttcWQipcc 总传热量: 12ttcWQpcc %.ttttttcWttcWQQipccipcc3636330208020581211211 例例2:在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度在一单程

44、列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为为160的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管程湍流流动，并由管程湍流流动，并由20加热到加热到106。列管换热器的管。列管换热器的管长为长为4m，内有，内有19mm2mm的列管的列管25根。若换热器的根。若换热器的热负荷为热负荷为125kw，蒸汽冷凝传热系数为，蒸汽冷凝传热系数为7000w/(m2)，油，油侧垢层热阻为侧垢层热阻为0.0005 (m2 ) /w，管壁热阻和蒸汽侧垢热，管壁热阻和蒸汽侧垢热阻可忽略。试求：阻可忽略。试求：(1) 管内油侧对流传热系数；管内油侧对流传热系数；(2) 油的流速增

45、加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度不油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度不变，假设油的物性不变，求油的出口温度；变，假设油的物性不变，求油的出口温度；(3) 油的流速增加一倍，保持油进、出口温度不变，求饱和油的流速增加一倍，保持油进、出口温度不变，求饱和蒸汽的温度。蒸汽的温度。解：解：解得 T=185.5 2022-6-797（三）流向的选择（三）流向的选择1. 所需传热面积所需传热面积并并并并逆逆逆逆mmtKAtKAQ 逆逆并并mmtt 并并逆逆AA 逆流优于并流。逆流优于并流。2022-6-7982. 载热体消耗量载热体消耗量t1t2T1T1T2并并T2逆逆加热任务：加热任务：

46、t1t2（T2并并）min=t2（T2逆逆）min=t1逆逆并并)()(2121TTTT 1111()()mPmPqcqc 并并逆逆 逆流优于并流。逆流优于并流。2022-6-7993. 温度差分布温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。逆流时的温度差分布更均匀。T2并流并流T1t1t2t1t2T1T2逆流逆流4. 并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热， 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。2022-6-7100二、总传热系数二、总传热系数AKtTtTAKQd1)(dd K总传热系数，总传热系数，W/(m

47、2K)twTw管内对流管内对流管外对流管外对流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ2（一）总传热系数计算（一）总传热系数计算2022-6-7101 管内对流管内对流)(ddw223ttAQ )(ddw111TTAQ 管外对流管外对流)(ddwwm2tTbAQ 管壁热传导管壁热传导稳态传热稳态传热 321ddddQQQQ 22wmww11wd1dd1dAttAbtTATTQ 22m11d1dd1AAbAtT 2022-6-710222m11d1dd1d1AAbAAK （1）平壁）平壁 dA=dA1=dA2=dAm21111 bK讨论：讨论：（2）以外表面为基准）以外表面为基准

48、 (dA=dA1) 212m111dd1dd11AAAAbK 2022-6-7103212m111111ddddbKdlA K1以外表面为基准以外表面为基准的总传热系数，的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，对数平均直径，m2121mln/ )(ddddd 2m21212111 ddbddK以以内表面内表面为基准：为基准：d1/d2A计计 或或 Q换换 Q需要需要， 换热器合适。换热器合适。 2022-6-7113二、操作型计算二、操作型计算（1）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口求：出口T2、t2（2）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T

49、1， T2 、t1 求：求：qm2、 t2注意：列管式换热器中注意：列管式换热器中流通面积流通面积224dnA 流通流通传热面积传热面积ldnA1 传热传热2022-6-7114一、换热器的分类一、换热器的分类 按用途分类按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 按冷、热流体热量交换方式分类按冷、热流体热量交换方式分类混合式、蓄热式、间壁式混合式、蓄热式、间壁式第六节第六节 换热器换热器2022-6-7115二、间壁式换热器的类型二、间壁式换热器的类型（一）夹套换热器（一）夹套换热器优点：优点： 结构简单结构简单缺点：缺点： A小小 釜内釜内 小

50、小强化措施：强化措施： 釜内加搅拌釜内加搅拌 釜内加蛇管釜内加蛇管 外循环外循环2022-6-7116（二）蛇管换热器（二）蛇管换热器1. 沉浸式沉浸式强化措施：强化措施：容器内加搅拌器，提高容器内加搅拌器，提高K优点：优点： 结构简单结构简单 管内能耐高压管内能耐高压缺点：缺点： 管外管外 小小2022-6-71172. 喷淋式喷淋式优点：优点： 结构简单结构简单 管内能耐高压管内能耐高压 管外管外 比沉浸式大比沉浸式大缺点：缺点： 喷淋不易均匀喷淋不易均匀 占地面积大占地面积大2022-6-7118（三）套管换热器（三）套管换热器优点：优点： 结构简单结构简单 能耐高压能耐高压 (K)或或

51、 tm大大缺点：缺点： 结构不紧凑结构不紧凑A/V小小 接头多，易漏接头多，易漏2022-6-7119（四）列管换热器（四）列管换热器管板、管束、封头、壳体管板、管束、封头、壳体2022-6-71201. 固定管板式固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。加热补偿圈（膨胀节）加热补偿圈（膨胀节） 当管内外流体当管内外流体温差温差 t 50 时时，需考虑，需考虑温度热温度热补偿补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：2022-6-71212. 浮头式浮头式特点：可完全消除热应力特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修便于清洗和检修, 结构复杂结构复杂2022-6-71223. U型管式型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。2022-6-7123三、