化工原理之传热

1、第四章第四章 传热传热 本章重点和难点本章重点和难点n掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；n熟悉各种热交换设备的结构和特点；熟悉各种热交换设备的结构和特点；n掌握稳定综合传热过程的计算；掌握稳定综合传热过程的计算；1.了解强化传热和热绝缘的措施。了解强化传热和热绝缘的措施。4.14.1概述概述n化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行的，为此需向化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行的，为此需向反应物加热到适当的温度；反应物加热到适当的温度；n而反应后的产物常需冷却以移去热量。在其他单元操作中，如蒸而反应后的产物常需冷却以移去热量。在其他单

2、元操作中，如蒸馏、吸收、干燥等，物料都有一定的温度要求，需要加入或输出馏、吸收、干燥等，物料都有一定的温度要求，需要加入或输出热量。热量。n此外，高温或低温下操作的设备和管道都要求保温，以便减少它此外，高温或低温下操作的设备和管道都要求保温，以便减少它们和外界的传热。们和外界的传热。n近十多年来，随能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的近十多年来，随能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。化工对传热过程有两方面的要求：化工对传热过程有两方面的要求：（1 1）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以

3、高传热速率）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用。紧凑，节省设备费用。（2 2）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。 一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到40%40%左右，传热是化工左右，传热是化工中重要的单元操作之一，了解和掌握传热的基本规律，在化学工程中中重要的单元操作之一，了解和掌握传热的基本规律，在化

4、学工程中具有很重要的意义。具有很重要的意义。4.1.14.1.1传热的基本方式传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：不同，传热的基本方式有三种：n热传导热传导(conduction);(conduction);n对流对流(convection);(convection);1.1.辐射辐射(radiation)(radiation)。（一）（一） 热传导（导热）热传导（导热） 一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分

5、向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。 物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：而异，具体为：n固体金属：自由电子运动在晶格之间；固体金属：自由电子运动在晶格之间；n液体和非金属固体：个别分子的动量传递；液体和非金属固体：个别分子的动量传递；1.1.气体：分子的不规则运动。气体：分子的不规则运动。（二）（二） 对流传热对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对热对流是指物体中质点发生相对的位移

6、而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。 据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。热对流与据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传

7、导和热对流。流。 （三）热辐射（三）热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。辐射才是主要方式。4.1.24.1.2传热过程中热、冷流体热交换方式传热过程中热、冷流体热交换方式 化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。根据冷热化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三大类：流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三大类：n直接接触式直接接触式n蓄热式蓄热

8、式1.1.间壁式间壁式（1 1）直接接触式传热）直接接触式传热 在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。量交换，又称为混合式传热。 优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。水的空气冷却。 缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。（2 2）蓄热式传热）蓄热式传热 这种传热方式是冷、热两种流这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过体交替

9、通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热目的。流体，达到换热目的。 （2 2）蓄热式传热）蓄热式传热 n优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。用。1.1.缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。交替时难免会有一定程度的混合。（3 3）间壁式传热）间壁式传热n这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁( (或石

10、墨等或石墨等导热性能好的非金属壁导热性能好的非金属壁) )隔开，以便使两种流体在不相混合的情况隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器套管式换热器和和列管式换热器列管式换热器为为典型设备。典型设备。1.1.套管换热器是由两根不同直径的直管组成的同心套管。一种流体在套管换热器是由两根不同直径的直管组成的同心套管。一种流体在内管内流动，而另一种流体在内外管间的环隙中流动，两种流体通内管内流动，而另一种流体在内外管间的环隙中流动，两种流体通过内管的管壁传热，即传热面为内管壁的表面积。过内管的管壁传热，即传热面为内管壁的表面积。4.1

11、.34.1.3典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器 套管式换热器套管式换热器11内管内管 22外管外管间壁式传热过程间壁式传热过程n热流体以对流传热方式把热量热流体以对流传热方式把热量Q1Q1传递给管壁内侧传递给管壁内侧n热量热量Q2Q2从管壁内侧传导以热传导从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁的外侧方式传递给管壁的外侧n管壁外侧以对流传热方式把热量管壁外侧以对流传热方式把热量Q3Q3传递给冷流体传递给冷流体4.1.34.1.3典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器单程列管式换热器单程列管式换热器1 1 外壳外壳 22管束管束 3 3、44接管接管 55封头封头 66管板管板 77挡板挡板 管程

12、流体管程流体壳程流体壳程流体双程列管式换热器双程列管式换热器11壳体壳体 22管束管束 33挡板挡板 44隔板隔板常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。U U型管式型管式 4.1.44.1.4传热速率和热通量传热速率和热通量传热速率：单位时间内通过传热面的热量传热速率：单位时间内通过传热面的热量Q,J/sQ,J/s或或W W。 热通量：单位传热面积的传热速率热通量：单位传热面积的传热速率q, q, 或或W/mW/m2 2。 d Qqd SJ / (s m )24.1.54.1.5稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热u 稳态传热：

13、传热系统中传热速率、热通量及温度等有关物理量分稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度等有关物理量分布规律不随时间而变，仅为位置的函数。连续生产过程的传热多布规律不随时间而变，仅为位置的函数。连续生产过程的传热多为稳态传热。为稳态传热。u 非稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度有关物理量分非稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度有关物理量分布规律不仅要随位置而变，也是时间的函数。布规律不仅要随位置而变，也是时间的函数。4.1.64.1.6载热体及其选择载热体及其选择热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走

14、热量，此流体称为热载体。供给或取走热量，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷却剂。冷却剂。4.1.64.1.6载热体及其选择载热体及其选择（1 1）加热剂）加热剂 工业中常用的有热水（工业中常用的有热水（4040100100）、饱和水蒸气（）、饱和水蒸气（100100180180）、）、 矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180180540540）、烟道气）、烟道气（50050010001000）等；除此外还可用电来加热。）等；除此外还可用电来加热。（2 2

15、）冷却剂）冷却剂 工业中常用的有水（工业中常用的有水（20203030）、空气、冷冻盐水、液氨（）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4-33.4）等等。等等。选择原则：选择原则：n载热体的温度易调节载热体的温度易调节n饱和蒸气压较低饱和蒸气压较低n不易分解不易分解n无毒、无腐蚀性无毒、无腐蚀性n安全安全1.价格价格4.24.2热传导热传导4.2.14.2.1基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律一、温度场和等温面一、温度场和等温面温度场：某一时刻，物体（或空间）各点的温度分布。温度场：某一时刻，物体（或空间）各点的温度分布。式中式中t t 某点的温度，某点的温度，；x,y,z x,y,z 某点

16、的坐标；某点的坐标； 时间。时间。不稳定温度场：各点的温度随时间而改变的温度场。不稳定温度场：各点的温度随时间而改变的温度场。稳定温度场：任一点的温度均不随时间而改变的温度场。稳定温度场：任一点的温度均不随时间而改变的温度场。等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交。不同温度的等温面不相交。, , ,tf x y z（） 温度梯度温度梯度：两等温面的温度差：两等温面的温度差 t t与其间的垂直距离与其间的垂直距离 n n之比，在之比，在 n n趋于零时的极限（即表示温度场趋于零时的极限（即表示温度场内某一

17、点等温面法线方向的温度内某一点等温面法线方向的温度变化率）。变化率）。ndSQt+ttt-tt/n温度梯度温度梯度ntnttgradn0lim4.2.14.2.1基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 傅立叶定律：某一微元的热传导速率（单位时间内传导的热量）与该微傅立叶定律：某一微元的热传导速率（单位时间内传导的热量）与该微元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。 dQ dQ 热传导速率，热传导速率，W W或或J/sJ/s； ds ds 导热面积，导热面积，m m2 2； 导热系数，表征材料导热性能的物性参数导热系数，表征材料导热性能的

18、物性参数 越大，导热性能越好，越大，导热性能越好，W/(m)W/(m)或或W/(mK)W/(mK)。ddStQn 4.2.24.2.2导热系数导热系数 物理意义：温度梯度为物理意义：温度梯度为1 1时，单位时间内通过单位传热面积的热时，单位时间内通过单位传热面积的热通量；导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。通量；导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 从强化传热来看，选用从强化传热来看，选用 大的材料；相反要削弱传热，选用大的材料；相反要削弱传热，选用 小的小的材料。材料。 4.2.24.2.2导热系数导热系数 （1 1）固体）固体 所有固体中，金属是最好的导热体。所有固体中，金

19、属是最好的导热体。（2 2）液体）液体 液体分为金属液体和非金属液体两类，液体分为金属液体和非金属液体两类，金属液体导热系数较高，随着温度的升高而降低。金属液体导热系数较高，随着温度的升高而降低。非金属液体的导热系数较低，水的导热系数最大。纯液体的导热非金属液体的导热系数较低，水的导热系数最大。纯液体的导热系数比其溶液的要大。系数比其溶液的要大。（3 3）气体）气体 气体不利于导热，但可用来保温或隔热。固体绝缘材料的导气体不利于导热，但可用来保温或隔热。固体绝缘材料的导热系数之所以小，是因为其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，热系数之所以小，是因为其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有

20、大量空气的缘故。孔隙中含有大量空气的缘故。（4 4）一般来说，导热系数）一般来说，导热系数( (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) )。4.2.34.2.3通过平壁的稳态传导通过平壁的稳态传导单层平壁的热传导单层平壁的热传导n平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为，壁面积为A A；n壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不随温度变不随温度变化，视为常数；化，视为常数；n平壁的温度只沿着垂直于壁面的平壁的温度只沿着垂直于壁面的x x轴方轴方向变化，故等温面皆为垂直于向变化，故等温面皆为垂直于x x轴的平轴的平行平面。行平面。1.1.平

21、壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。bt1t2Qtt1t2obx4.2.34.2.3通过平壁的稳态传导通过平壁的稳态传导n假定各层壁的厚度分别为假定各层壁的厚度分别为b1b1，b2b2，b3b3，各，各层材质均匀，导热系数分别为层材质均匀，导热系数分别为11，22，33，皆视为常数；，皆视为常数；n层与层之间接触良好，相互接触的表面上层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于温度相等，各等温面亦皆为垂直于x x轴的轴的平行平面。平行平面。n壁的面积为壁的面积为A A，在稳定导热过程中，穿过，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。各层的热量

22、必相等。tQRtqR4.2.44.2.4圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r r1 1，内壁温度为，内壁温度为t t1 1，外半径为外半径为r r2 2，外壁温度为，外壁温度为t t2 2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面传圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面传热随半径而变化。热随半径而变化。在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的薄层，若圆的薄层，若圆筒的长度为筒的长度为L L，则半径为，则半径为r r处的传热面积处的传热面积为为S=2rLS=2rL。Qt2t1r1rr2drL4.2

23、.44.2.4圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导b= r2- r14.2.44.2.4圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导n假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b b1 1= r= r2 2- r- r1 1，b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3；n各层材料的导热系数各层材料的导热系数1 1，2 2，3 3皆皆视为常数；视为常数；n层与层之间接触良好，相互接触的表层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。面。r1r2r3r4t1t2t3t44.2.44.2.4圆筒壁的稳定热传导圆筒

24、壁的稳定热传导 例题：有一蒸汽管道，外径为例题：有一蒸汽管道，外径为25mm25mm，管外包有两层保温材料，每层材，管外包有两层保温材料，每层材料均厚料均厚25mm25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比，外层保温材料与内层材料导热系数之比2 2/1 1=5=5，此时，此时单位时间的热损失为单位时间的热损失为Q Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度层外表面的温度t t1 1、t t3 3不变，则此时热损失为不变，则此时热损失为QQ，求，求Q/Q=Q/Q=？ 例题：通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度例题：通过三层平壁热传导中，若

25、测得各面的温度t t1 1、t t2 2、t t3 3和和t t4 4分别分别为为500500、400400、200200和和100100，试求各平壁层热阻之比，假定各层，试求各平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好壁面间接触良好。4.34.3对流传热概述对流传热概述n 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。n 对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。n 实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。4.34.3对流传热

26、概述对流传热概述流体无相变的对流的两种方式：流体无相变的对流的两种方式：强制对流：强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。对流。自然对流：自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。体产生相对位移，这种对流称为自然对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。同时发生自然对流和强制对流。4.34.3对流传热概述对流传热概述流体有相变

27、的对流传热流体有相变的对流传热蒸气冷凝蒸气冷凝: :气体在传热过程中全部或部分冷凝为液体。气体在传热过程中全部或部分冷凝为液体。液体沸腾：在传热过程中，液体有汽化的现象。液体沸腾：在传热过程中，液体有汽化的现象。4.3.14.3.1对流传热机理简介对流传热机理简介流体作湍流流动时，靠近壁面处流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。层（缓冲层）、湍流核心。4.3.14.3.1对流传热机理简介对流传热机理简介层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方

28、向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。度变化大，传热主要以热传导的方式进行。特点：导热为主，热阻大，温差大。特点：导热为主，热阻大，温差大。湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。传热主要以对流方式进行。特点：质点相互混合交换热量，温差小。特点：质点相互混合交换热量，温差小。过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。

29、传导和对流两种方式共同进行。特点：质点混合，分子运动共同作用特点：质点混合，分子运动共同作用, ,温度变化平缓。温度变化平缓。4.3.24.3.2对流传热速率对流传热速率Q= S（T-Tw） Q Q对流传热速率，对流传热速率，W W； S S传热面积，传热面积，m m2 2tt对流传热温度差，对流传热温度差， t= T-Tt= T-TW W或或t= t-tt= t-tW W，； TT热流体平均温度，热流体平均温度，； T TW W与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度， t t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，； t tW W与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，； 对流传

30、热系数对流传热系数W/mW/m2 2KK（或（或W/mW/m2 2）。）。1SwTTtQR4.3.24.3.2对流传热速率对流传热速率影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素1 1 流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；相变时对流传热系数比无相变化时大的多； 2 2 流体的物理性质：影响较大的物性如密度流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热、比热c cp p、导热系数、导热系数、粘度、粘度等；等； 3 3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；流体的运动状况：层流、过渡

31、流或湍流； 4 4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；流体对流的状况：自然对流，强制对流； 5 5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等管子排列方式、垂直放置或水平放置等。4.54.5对流传热系数关联式对流传热系数关联式4.5.24.5.2对流传热过程的量纲分析对流传热过程的量纲分析影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素1 1 流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变

32、化时大的多；对流传热系数比无相变化时大的多； 2 2 流体的物理性质：影响较大的物性如密度流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热、比热c cp p、导热系数、导热系数、粘、粘度度等；等； 3 3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；流体的运动状况：层流、过渡流或湍流； 4 4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；流体对流的状况：自然对流，强制对流； 5 5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等列方式、垂直放置或水平放置等。（1 1）定性温度）定性温度 由于沿流动方向流体温度的

33、逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。性温度。 定性温度的取法：定性温度的取法：流体进出口温度的平均值流体进出口温度的平均值t tm m= =（t t2 2+t+t1 1）/2/2；膜温膜温t=t=（t+tt+tW W）/2/2。取壁面的温度取壁面的温度t tW W（2 2）特性尺寸）特性尺寸 它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的它是代表换热面几何特征的长度量，通常选

34、取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。某一几何尺寸。4.5.34.5.3流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数一、流体在管内的强制对流一、流体在管内的强制对流1 1圆形直管内的湍流圆形直管内的湍流2 2圆形直管内的层流圆形直管内的层流二、流体在管外的强制对流二、流体在管外的强制对流 1 1流体垂直流过管束流体垂直流过管束2 2流体在换热器管壳间流动流体在换热器管壳间流动三、大空间的自然对流传热三、大空间的自然对流传热1 1圆形直管内强制湍流圆形直管内强制湍流0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pncdud使用范围：使用范围：Re10000Re10000，0.

35、7Pr1600.7Pr160， 250L/d50注意事项：注意事项：（1 1）定性温度取流体进出口温度的算术平均值）定性温度取流体进出口温度的算术平均值t tm m；（2 2）特征尺寸为管内径）特征尺寸为管内径d di i；（3 3）流体被加热时，）流体被加热时，n n0.40.4，流体被冷却时，流体被冷却时，n n0.30.3；（4 4）特征速度为管内平均流速。）特征速度为管内平均流速。上述上述n n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。响。当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体当管内流体被加热时，靠近管壁处

36、层流底层的温度高于流体主体温度；其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层主体温度；其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。流体被冷却时，情况显著，总的结果使对流传热系数增大。流体被冷却时，情况正好相反。正好相反。对于液体，大多数液体的对于液体，大多数液体的Pr1,Pr1,即即PrPr0.40.4PrPr0.30.3。因此，液体被。因此，液体被加热时，加热时，n n取取0.40.4；冷却时，；冷却时，n n取取0.30.3。对于气体，其粘度随温度升高而增大

37、，气体被加热时层流底对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数必小于使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的Pr1Pr1，即，即PrPr0.40.4PrPr0.30.3，故同液体一样，气体被加热时，故同液体一样，气体被加热时n n取取0.40.4，冷却时，冷却时n n取取0.30.3。圆形直管内的强制层流圆形直管内的强制层流二、流体在管外的强制对流二

38、、流体在管外的强制对流 流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。故在此仅介绍后一种情况的性及传热过程均较单管复杂得多。故在此仅介绍后一种情况的对流传热系数的计算。对流传热系数的计算。三、大空间的自然对流传热三、大空间的自然对流传热 所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）放置在所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，

39、如沉浸式换大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。 对流传热系数仅与反映自然对流的对流传热系数仅与反映自然对流的GrGr和反映物性的和反映物性的PrPr有关，依经有关，依经验式计算：验式计算：NuC（Gr Pr）nnptlgclC)(223（1 1）特性尺寸对水平管取外径）特性尺寸对水平管取外径d do o，垂直管或板取管长和板高，垂直管或板取管长和板高H H。（2 2）定性温度取膜温（）定性温度取膜温（t tm m+t+tw w）/2/2。（3 3）C,nC,n

40、（传热面的形状和位置（传热面的形状和位置,Gr,Pr,Gr,Pr），具体数值列在书表中。），具体数值列在书表中。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数一、蒸汽冷凝一、蒸汽冷凝蒸汽与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。蒸汽与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。1 1冷凝方式冷凝方式蒸汽冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。蒸汽冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁

41、面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。并成较大的液滴而脱落。传热系数传热系数传热系数传热系数4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数2.2.膜状冷凝对流传热系数膜状冷凝对流传热系数蒸汽水平管束外冷凝蒸汽水平管束外冷凝3.3.冷凝传热的影响因素和强化措施冷凝传热的影响因素和强化措施 （1 1）流体物性的影响）流体物性的影响冷凝液冷凝液，则液膜厚度越小，则液膜厚度越小；冷凝液冷凝液冷凝潜热冷凝潜热r r ，同样的热负荷，同样的热负荷Q Q下冷凝液量小，则液膜厚下冷凝液量小，

42、则液膜厚度越小度越小。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数（2 2）温度差影响）温度差影响 当液膜作层流流动时，当液膜作层流流动时， t=tst=tst tW W， t t ，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚, ,。（3 3）不凝气体的影响）不凝气体的影响 当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的

43、导热系数了一热阻，而且由于气体的导热系数 小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%1%时，时， 下降下降60%60%左右。左右。 因此，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放因此，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对不凝气体，减少不凝气体对 的影响。的影响。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数4 4）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 蒸汽的流速对蒸汽的流速对 有较大的影响，蒸汽流速较小有较

44、大的影响，蒸汽流速较小u10m/su10m/su10m/s时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。力。 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄, ,；蒸汽与液；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚, ,；但；但u u 时，会吹散时，会吹散液膜，液膜，。 一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于利于。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对

45、流传热系数（5 5）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式 以减薄壁面上的液膜厚度为目的以减薄壁面上的液膜厚度为目的 4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数液体沸腾液体沸腾对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：按设备的尺寸和形状可分为： 大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。现象。1.1.管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）；

46、此时管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）；此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数2.2.液体的沸腾液体的沸腾热通量热通量qABAB段，段， t=tt=tW Wtsts， ttC t5t5 C C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产

47、生的气泡对传热起主导作用，动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。此时为核状沸腾。 CDCD段，段， t25t25 C C进一步增大到一定数值，进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，由于气体的导热系数泡相连形成气膜，由于气体的导热系数 较小，使较小，使，此阶段称为不稳定膜状沸，此阶段称为不稳定膜状沸腾。腾。DEDE段，段， tt250250 C C时，气膜稳定，由于加时，气膜稳定，由于加热面热面tWtW高，热辐射影响增大

48、，对流传热高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾系数增大，此时为稳定膜状沸腾 工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下 大，大，t tW W小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C C称为临界点（此后传热称为临界点（此后传热恶化），其对应临界值恶化），其对应临界值 t tc c、 c c、q qc c。对于常压水在大容器内沸腾时：。对于常压水在大容器内沸腾时： t tc c=25=25 C C、q qc c=1.25=1.2510106 6W/mW/m2 2。4.5.44.5

49、.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数液体的沸腾传热系数的计算液体的沸腾传热系数的计算4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数沸腾传热的影响因素和强化措施沸腾传热的影响因素和强化措施（1 1）流体物性）流体物性 流体的流体的 、 、 、 等有影响；等有影响；或或，；或或，。 一般来说，有机物的一般来说，有机物的 大，在同样的大，在同样的P P和和 t t下比水的下比水的 小；而且表面张力小；而且表面张力 小，润湿能力大的液体，有利于气泡形成和脱离壁面，小，润湿能力大的液体，有利于气泡形成和脱离壁面， 大。大。 措施：在液体中加入少量添加剂，改变

50、其表面张力措施：在液体中加入少量添加剂，改变其表面张力。（2 2）温差）温差 t t 从沸腾曲线可知，温差从沸腾曲线可知，温差 t t是影响和控制沸腾传热过程的重要因素，应尽是影响和控制沸腾传热过程的重要因素，应尽量控制在核状沸腾阶段进行操作。量控制在核状沸腾阶段进行操作。4.5.44.5.4流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数（3 3）操作压力）操作压力 提高操作压力提高操作压力P P，相当于提高液体的饱和温度，相当于提高液体的饱和温度t ts s，使液体的，使液体的，有利于气泡，有利于气泡形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下，形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下

51、， 增大。增大。（4 4）加热面的状况）加热面的状况 加热面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于传热。新的、洁净的、粗糙的加加热面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于传热。新的、洁净的、粗糙的加热面，热面， 大；当壁面被油脂玷污后，会使大；当壁面被油脂玷污后，会使 下降。下降。（5 5）加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。例如在水平管束外沸腾时，）加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。例如在水平管束外沸腾时，其上升气泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致平均其上升气泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致平均 下降。下降。 措施：使加热面粗糙措施：使加热面粗糙4.44.4传热过程计算传热过程计算4

52、.4.14.4.1热量衡算热量衡算 生产中常把单位时间内的流体生产中常把单位时间内的流体 所放出或吸收的热量称为热负荷。所放出或吸收的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体所吸应等于冷流体所吸收的热量收的热量。吸放QQ热负荷是由生产工艺条件决定的，是对换热器换热能力的要求；而传热速率热负荷是由生产工艺条件决定的，是对换热器换热能力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力，是换热器本身

53、的特性，二者是是换热器本身在一定操作条件下的换热能力，是换热器本身的特性，二者是不相同的。不相同的。对于一个能满足工艺要求的换热器，其传热速率值必须等于或略大于热负荷对于一个能满足工艺要求的换热器，其传热速率值必须等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率和热负荷数值上认为相等，通值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率和热负荷数值上认为相等，通过热负荷可确定换热器应具有的传热速率，再依据传热速率来计算换热器所过热负荷可确定换热器应具有的传热速率，再依据传热速率来计算换热器所需的传热面积。因此，传热过程计算的基础是传热速率方程和热量衡算式。需的传热面积。因此，传热过程计算的基础

54、是传热速率方程和热量衡算式。12hphQW CTT21cpcQW CttrWQ1sphQWrTCT热流体冷却放出的热量热流体冷却放出的热量 冷流体加热需要得到的热量冷流体加热需要得到的热量物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热4.4.24.4.2总传热速率微分方程和总传热系数总传热速率微分方程和总传热系数总传热速率微分方程总传热速率微分方程 间壁两侧流体的热交换过程包括如下三个串联的传热过程。流体在换热器中沿管长间壁两侧流体的热交换过程包括如下三个串联的传热过程。流体在

55、换热器中沿管长方向的温度分布如图所示，现截取一段微元来进行研究，其传热面积为方向的温度分布如图所示，现截取一段微元来进行研究，其传热面积为dSdS，微元壁内、，微元壁内、外流体温度分别为外流体温度分别为T T、t t（平均温度），则单位时间通过（平均温度），则单位时间通过dSdS冷、热流体交换的热量冷、热流体交换的热量dQdQ应应正比于壁面两侧流体的温差，即正比于壁面两侧流体的温差，即()dQK Tt dS K总传热系数总传热系数 111iimoobKdSdSdSdS总传热系数的概念总传热系数的概念nK K一般都是指基于外表面积的总传热系数；一般都是指基于外表面积的总传热系数；n是评价换热器性

56、能的一个重要参数；是评价换热器性能的一个重要参数；1.1.K K值的来源：计算；实验；经验数据值的来源：计算；实验；经验数据 K K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。化工中常见传热过程的化工中常见传热过程的K K值范围值范围1.1.恒温差传热恒温差传热 恒温差传热：两侧流体均发生相变，且温度不变，则冷热流体温差处处相等，恒温差传热：两侧流体均发生相变，且温度不变，则冷热流体温差处处相等，不随换热器位置而变的情况。如间壁的一侧液体保持恒定的

57、沸腾温度不随换热器位置而变的情况。如间壁的一侧液体保持恒定的沸腾温度t t下蒸发；下蒸发；而间壁的另一侧，饱和蒸汽在温度而间壁的另一侧，饱和蒸汽在温度T T下冷凝过程，此时传热面两侧的温度差保下冷凝过程，此时传热面两侧的温度差保持均一不变，称为恒温差传热。持均一不变，称为恒温差传热。 t tT Tt t平均温差的计算平均温差的计算 2.2.变温传热时的平均温度差变温传热时的平均温度差并流：参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。并流：参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。逆流：参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。逆流：参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。错流：两种流体

58、的流向垂直交叉。错流：两种流体的流向垂直交叉。折流：一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反折流：一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。复折回。复杂流：几种流动型式的组合。复杂流：几种流动型式的组合。T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流逆流并流并流逆流和并流时的平均温度差逆流和并流时的平均温度差简化假定简化假定假定：假定： 在传热过程中，热损失忽略不计；在传热过程中，热损失忽略不计； 两流体的比热为常数，不随温度而变；两流体的比热为常数，不随温度而变； 总传热系数总传热系数K K为常数，不沿传热表

59、面变化为常数，不沿传热表面变化 122112121212lnlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 逆流逆流并流并流T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流逆流并流并流讨论：讨论：1 1）上式虽然是从逆流推导来的但也适用于并流。）上式虽然是从逆流推导来的但也适用于并流。2 2）习惯上将较大温差记为）习惯上将较大温差记为 t t2 2，较小温差记为，较小温差记为 t t1 1；3 3）当）当 t t2 2/ / t t1 122，则可用算术平均值代替，则可用算术平均值代替（误差（误差4%0.90.

60、9，绝不能使，绝不能使 0.80.8，否则另外选其他流型。，否则另外选其他流型。3 3当换热器一侧流体发生相变，其温度保持不变，此时就无所谓逆并流，当换热器一侧流体发生相变，其温度保持不变，此时就无所谓逆并流，不论何种流动形式，只要进出口温度相同，则不论何种流动形式，只要进出口温度相同，则 tmtm均相等。均相等。 例：在套管换热器中用例：在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从的冷却水将某溶液从100冷却至冷却至60，溶液流量为溶液流量为1500kg/h，溶液比热为，溶液比热为3.5kJ/(公斤公斤)，已测得水出口温，已测得水出口温度为度为40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知