化工原理第四章传热

1、任课教师：万惠萍任课教师：万惠萍 第一节第一节 概述概述 1、物料的加热与冷却：、物料的加热与冷却：2、热量与冷量的回收利用：、热量与冷量的回收利用：3、设备与管道的保温：、设备与管道的保温：一、传热过程的应用一、传热过程的应用使物料达到指定的温度使物料达到指定的温度以节约能源，降低生产成本以节约能源，降低生产成本以以减少减少热量、热量、冷量损失冷量损失1 1、热传导（、热传导（ConductionConduction）（导热）（导热）原因：微观粒子的热运动原因：微观粒子的热运动二、热量传递的基本方式二、热量传递的基本方式特点：无宏观位移特点：无宏观位移 是固体内部热量传递的主要形式是固体内部

2、热量传递的主要形式 根据传热机理的不同，分为三种：根据传热机理的不同，分为三种：4.12、对流传热（、对流传热（Convection）原因：流体质点相对位移原因：流体质点相对位移特点：流体流动（自然、强制）特点：流体流动（自然、强制）3. 辐射传热（辐射传热（Radiation）原因：因热产生电磁波辐射原因：因热产生电磁波辐射 特点：不需要媒介，特点：不需要媒介，可在真空中传递可在真空中传递；有能量形式变化有能量形式变化三、两流体通过间壁换热三、两流体通过间壁换热1、间壁式换热器间壁式换热器2、两流体通过间壁的传热过程、两流体通过间壁的传热过程（1）热流体以）热流体以对流对流方式将热量传递到间

3、壁的一侧壁面方式将热量传递到间壁的一侧壁面（2）热量从间壁的一侧壁面以）热量从间壁的一侧壁面以导热导热方式传递到另一侧方式传递到另一侧壁面壁面（3）最后以）最后以对流对流方式将热量从壁面传给冷流体方式将热量从壁面传给冷流体dAdQq 四、传热过程四、传热过程（1）热流量）热流量Q：单位时间内通过整个换热器的传热面所传递的热量单位时间内通过整个换热器的传热面所传递的热量(J/s)或或W（2）热流密度（或热通量）热流密度（或热通量）q：单位时间、通过单位传热面传递的热量单位时间、通过单位传热面传递的热量二者之间的关系：二者之间的关系：（一）传热速率（一）传热速率注意：对传热速率的要求是相对的，需要

4、加热、冷却时，注意：对传热速率的要求是相对的，需要加热、冷却时，要强化传热；要求保温时，要降低传热速率。要强化传热；要求保温时，要降低传热速率。可用两种方式表示：可用两种方式表示：（二）稳态传热与非稳态（二）稳态传热与非稳态传热传热稳态稳态过程：过程： 传热过程中，参数传热过程中，参数T1、T2、t1、t2、qm1、qm2等等不随时间变化不随时间变化，但可以是位置的函数。，但可以是位置的函数。非稳态非稳态过程：过程：传热过程中，各参数是时间的函数时，为传热过程中，各参数是时间的函数时，为非稳态非稳态过程。过程。连续生产中的传热过程多为稳态传热连续生产中的传热过程多为稳态传热开车、停车以及改变操

5、作条件时，为非稳态传热开车、停车以及改变操作条件时，为非稳态传热),(zyxfT 定态时：定态时：（一）温度场和（一）温度场和温度梯度温度梯度温度场：温度场：物体内各点温度在时空中的分布。物体内各点温度在时空中的分布。),(zyxfT 一维稳定温度场：一维稳定温度场：)(xfT 等温面：等温面：温度相同的点所组成的面。温度相同的点所组成的面。等温面彼此不会相交。等温面彼此不会相交。第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定律一、傅立叶定律温度梯度温度梯度:一维时：一维时：dndt梯度方向梯度方向以温度增加方向为正以温度增加方向为正，且垂直于等温面。，且垂直于等温面。dndtdQ梯度方向正好与传热方

6、向梯度方向正好与传热方向相反相反。温度梯度温度梯度 /m（二）傅立叶（二）傅立叶定律定律还可写成：还可写成：dxdtq 导热系数；导热系数；W/(m)传热速率；传热速率；W（4-2）是热传导的基本定律是热传导的基本定律drdudydu傅立叶定律与牛顿粘性定律类似。傅立叶定律与牛顿粘性定律类似。（此处的类似是指非同类过程之间的相似性）（此处的类似是指非同类过程之间的相似性）即热量从即热量从高温传至低温高温传至低温傅立叶定律指出：傅立叶定律指出：热流密度正比于传热面的法向温度梯度。热流密度正比于传热面的法向温度梯度。二、二、热热导率导率表征物质的导热能力，表征物质的导热能力， 越大，导热性能越好。

7、越大，导热性能越好。影响因素：影响因素： 物质种类、环境温度等物质种类、环境温度等物质的物理性质之一物质的物理性质之一（1 1） 固体导热系数固体导热系数的数量级（的数量级（W/m）：）：金属：金属：10102建材：建材：10-110绝热材料：绝热材料：10-210-1 )1(0at 固体固体与温度的关系：与温度的关系：（W/m）00时材料的导热系数时材料的导热系数a温度系数（温度系数（金属为金属为，非金属为，非金属为+）（3 3）气体导热系数气体导热系数金属金属 合金合金 非金属非金属（2 2）液体导热系数液体导热系数水、氯化钙、水、氯化钙、甘油、乙二醇：甘油、乙二醇：TT 其他液体：其他液

8、体：T T 液态金属液态金属 水水 其他液体其他液体气体导热系数很小。气体导热系数很小。TT 总之：总之：固态金属固态金属 固态非金属固态非金属 液体液体 绝热材料绝热材料 气体气体液体的液体的较小，但比固体绝热材料大较小，但比固体绝热材料大在非金属液体中，在非金属液体中，水的热导率最大水的热导率最大 dxdtAQ 三、平壁三、平壁的稳态热传导的稳态热传导前提：前提：（4）材料密度均匀，导热系数）材料密度均匀，导热系数为为常数；常数；（2 2）平壁两侧温度均匀、恒定，且）平壁两侧温度均匀、恒定，且t t1 1tt2 2：（3 3）壁内传热系定态一维热传导；）壁内传热系定态一维热传导；（1）平壁

9、无限大，平壁长宽远大于厚度，边缘）平壁无限大，平壁长宽远大于厚度，边缘热量损失忽略。热量损失忽略。傅立叶定律可写成：傅立叶定律可写成：=常数常数（一）单层平壁的稳态热传导（一）单层平壁的稳态热传导 2121xxttdxAQdt （4-5）dxdtAQ )(1212xxAQtt bAQ 阻力阻力推动力推动力 温差，导热推动力（温差，导热推动力（）导热热阻（导热热阻（/W）（4-5a）（4-5）式还可写成：）式还可写成： 21ttbAQq （4-6）constAbttAbttAbttQ 334322321121 (4-7)三层平壁如图，设层间接触良好三层平壁如图，设层间接触良好一维稳定导热必有：一

10、维稳定导热必有：Q1= Q2= Q3= Q即：即：（二）多层平壁的稳态热传导（二）多层平壁的稳态热传导依叠加原理：依叠加原理： 3141332211433221iiiAbttAbAbAbttttttQ n层时：层时： niiinAbttQ111 四、圆筒四、圆筒壁壁的稳态热传导的稳态热传导特点：传热面积、温度沿半径变化特点：传热面积、温度沿半径变化设圆筒壁为无限长，目的也是按一维导热处理设圆筒壁为无限长，目的也是按一维导热处理（一（一) ) 单层单层圆筒圆筒壁的稳态壁的稳态热传导热传导（1）材料密度均匀，导热系数）材料密度均匀，导热系数为常数；为常数；（2）圆筒壁内外两侧温度均匀、恒定；）圆筒

11、壁内外两侧温度均匀、恒定；（3）内部温度仅沿半径方向（垂直于壁面）变化；）内部温度仅沿半径方向（垂直于壁面）变化；q沿沿r方向各截面传热量不等；方向各截面传热量不等；总传热量总传热量Q沿沿r方向各处相等；方向各处相等；drdtAQ 即即drdtrlQ 2 21212ttrrdtlrdrQ 12211221ln21)(ln)(2rrlttrrttlQ （4-9）Rt 211222112 ()()()lnrr lttQrrrr 式式(4-9)还还可整理得：可整理得：（类似于平壁导热类似于平壁导热）mmAbttbttA 2121)( lr2Amm 对数平均半径：对数平均半径：1212mrrlnrrr

12、 （4-11）12212()()mr lttrr ldm 对数平均直径：对数平均直径：1212lndddddm 212dddm 当当 时，可用算术平均直径：时，可用算术平均直径：212 dd1212lnAAAAAm 也可用对数平均面积：也可用对数平均面积：圆筒壁热阻圆筒壁热阻由式由式得得mAbttddttlQ 211221ln)(2 （二）多层（二）多层圆筒圆筒壁的稳态热传导壁的稳态热传导三层圆筒壁如图，设层间接触良好三层圆筒壁如图，设层间接触良好一维稳定导热：一维稳定导热：注意注意： q1q2q3原因是：热射线是放射性形式，各层面积不等。原因是：热射线是放射性形式，各层面积不等。Q1=Q2=

13、Q3=Q32141RRRttQ 33322211141mmmAbAbAbtt 34323212141ln21ln21ln21rrlrrlrrltt 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttl （4-12）1根据根据传热机理的不同，传热过程可分传热机理的不同，传热过程可分为为 、 和和 三种方式。三种方式。2物质导热系数的顺序是：（物质导热系数的顺序是：（ ）。）。 A 金属一般固体液体气体；金属一般固体液体气体； B 金属液体一般固体气体；金属液体一般固体气体； C 金属气体液体一般固体；金属气体液体一般固体； D 金属液体气体一般固体金属液体气体一般固体A3不需要任何介

14、质的传热称为（不需要任何介质的传热称为（ ）传热。）传热。A 热传导；热传导；B 对流；对流；C 辐射；辐射；D 热流动。热流动。C练习题练习题4. 稳定导热是指稳定导热是指 不随时间改变不随时间改变。 系统各点温度系统各点温度热传导热传导对流传热对流传热热辐射热辐射4、 厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知各层厚度好，已知各层厚度b1b2b3，热导率，热导率12 = = 水水的的大于大于保温材料的保温材料的，保温材料的，保温材料的，导致保温效果，导致保温效果5、一包有石棉瓦保温层的蒸汽管道，当石棉瓦受潮后，、一包有石棉瓦保温层的蒸汽管道

15、，当石棉瓦受潮后，其保温效果应其保温效果应 ，主要原因是：，主要原因是： 。 6、外包绝热材料的金属蒸汽管道，当蒸汽压力增大时，、外包绝热材料的金属蒸汽管道，当蒸汽压力增大时，绝热材料的热导率将变绝热材料的热导率将变 ，而蒸汽管道的热导率将，而蒸汽管道的热导率将变变 ，主要原因是，主要原因是 。大大小小温度升高温度升高热热流流体体冷冷流流体体)(11WTTAbQ )(22ttAbQW 第三节第三节 对流传热对流传热工业上遇到的对流传热常指工业上遇到的对流传热常指流体流体与固体壁面之间的与固体壁面之间的热量热量交换交换，也称对流给热，也称对流给热热流体侧：热流体侧：冷流体侧：冷流体侧：TtTWt

16、w对流传热的类型对流传热的类型流体无相变的给热：流体无相变的给热：强制对流给热强制对流给热自然对流给热自然对流给热流体有相变的给热：流体有相变的给热：蒸汽冷凝给热蒸汽冷凝给热液体沸腾给热液体沸腾给热流体在外力作用下产流体在外力作用下产生的宏观流动。生的宏观流动。湍流时，热阻主要集湍流时，热阻主要集 中在层流内层。中在层流内层。因流体冷、热部分密度因流体冷、热部分密度不同而引起的流动。不同而引起的流动。t 1t1tgL)t111(gLgLgLp tgLp 则则a、b两点形成压差两点形成压差自然对流自然对流ba-体积膨胀系数体积膨胀系数当当t较小时较小时tgLpu 22上上式式说明，只要有温差就有

17、环流。说明，只要有温差就有环流。tgLu 为了在一定空间内获得较为均匀的加热，为了在一定空间内获得较为均匀的加热，加热器加热器应放置在该空间的下部应放置在该空间的下部；反之，为了在一定空间内获；反之，为了在一定空间内获得较为均匀的冷却，得较为均匀的冷却，冷却器应放置在该空间的上部冷却器应放置在该空间的上部。一、一、 对流传热对流传热方程与方程与对流传热系数对流传热系数目前，对流传热的工程计算仍采用半经验方法处理。目前，对流传热的工程计算仍采用半经验方法处理。对流传热对流传热速率速率= 对流给热系数对流给热系数对流给热推动力对流给热推动力对流给热推动力对流给热推动力对流给热阻力对流给热阻力牛顿牛

18、顿冷却定律冷却定律热流体侧：热流体侧：冷流体侧：冷流体侧：)(2ttqW 给热系数；给热系数；W/m2TW、tW壁温；壁温； T、t流体平均温度；流体平均温度；q热通量；热通量； W/m2)(1WTTq 二、给热系数（二、给热系数（ ）的影响因素）的影响因素对流给热系数是对流传热过程研究的核心内容之一。对流给热系数是对流传热过程研究的核心内容之一。 （1 1）流动形态和动力）流动形态和动力流动形态：流动形态：层流层流传热膜传热膜，传热阻力，传热阻力，qq湍流湍流传热膜传热膜，传热阻力，传热阻力，qq 流动动力：流动动力：自然对流自然对流湍动湍动，传热膜，传热膜，qq 强制对流强制对流湍动湍动，

19、传热膜，传热膜，qq 确定这些物性的温度称作确定这些物性的温度称作定性温度定性温度。一般用流体一般用流体主体的平均温度作为定性主体的平均温度作为定性温度：温度：221ttt t1流体进口温度流体进口温度t2流体出口温度流体出口温度（2 2）流体的（物理）性质）流体的（物理）性质对对影响较大的有：影响较大的有： 、cp、 、。 传热表面的形状，排列，放置方式，管径，管长，传热表面的形状，排列，放置方式，管径，管长，板高等。其中对传热影响最大的因素称作板高等。其中对传热影响最大的因素称作特征尺寸特征尺寸，（3）传热表面的几何因素）传热表面的几何因素垂直管或板：垂直管或板：L圆管：圆管：d非圆管：非

20、圆管：de（4）流体类型和相变情况）流体类型和相变情况液体液体，气体，水蒸气，气体，水蒸气；牛顿型流体，非牛顿型流体；牛顿型流体，非牛顿型流体；有无相变化有无相变化准数关系式为：准数关系式为：cbpatlgcluKl 223 cbaGrKNuPrRe ),(tgclufp 三、三、对流传热的特征数关系式对流传热的特征数关系式将影响将影响的众多因素组合为若干个无因次数群，的众多因素组合为若干个无因次数群，再用实验数据确定他们之间的关系，得到不同条件再用实验数据确定他们之间的关系，得到不同条件下计算下计算的经验关联式。的经验关联式。目的：目的：无因次形式：无因次形式：（4-17）* llNu pc

21、 Pr22222223)(RennlutlgGr 是是Re的一种变形，表征的一种变形，表征自然对流自然对流的流动状态。的流动状态。努塞尔准数：努塞尔准数：普朗特准数：普朗特准数：格拉斯霍夫格拉斯霍夫准数准数：对流给热比导热对流给热比导热增大的倍数增大的倍数流体的物性参数流体的物性参数各无因次准数的物理意义各无因次准数的物理意义惯性力与粘性力之比惯性力与粘性力之比nNuPrRe023. 08 . 0 （4-19）四、流体无相变时对流传热系数四、流体无相变时对流传热系数的的经验关联式经验关联式低粘度流体圆低粘度流体圆直管内强制湍流给热系数直管内强制湍流给热系数给热系数：给热系数：流体被加热流体被加

22、热时时n=0.4，被冷却，被冷却时时n=0.3应用条件：应用条件：例例: 管内强制湍流时给热系数的计算管内强制湍流时给热系数的计算图示为一图示为一列管式换热器列管式换热器示意图，由示意图，由38根根25mm2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，的无缝钢管组成。苯在管内流动，由由20被加热至被加热至80，苯的流量为，苯的流量为8.32kg/s。外壳中。外壳中通入水蒸气进行加热。通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的给热系数。试求管壁对苯的给热系数。又问当苯的流量提高一倍，给热系数有何又问当苯的流量提高一倍，给热系数有何变化变化？Ctm 50)8020(21smndquV/81. 03802. 07

23、85. 0860/32. 8422 （1）0.7Pr120309601045. 086081. 002. 0duRe3 79. 514. 01045. 0)108 . 1(Pr33 pc410 -19)/(1272)79. 5()30960(02. 014. 0023. 0PrRe023. 024 . 08 . 04 . 08 . 0CmWd 若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数给热系数 为：为：)/(22152127228 . 08 . 0CmWuu （2）水温水温50时，时，=0.45mPas，膜膜，但滴状冷凝难于控制，但滴状冷凝

24、难于控制，目前应用的目前应用的冷凝器仍按冷凝器仍按膜状冷凝膜状冷凝设计。设计。3、影响影响冷凝给热的因素及强化措施冷凝给热的因素及强化措施影响因素：影响因素：不凝性气体：不凝性气体：不凝性气体阻碍蒸汽与汽液界面的接触不凝性气体阻碍蒸汽与汽液界面的接触 蒸汽中含蒸汽中含1%空气，给热系数下降约空气，给热系数下降约60%， 相当于附加一层气膜热阻。相当于附加一层气膜热阻。蒸汽流速及流向：蒸汽流速及流向：流速较大且与膜同向，流速较大且与膜同向，流速较大且与膜逆向，流速较大且与膜逆向， 通常蒸汽入口设在换热器上部，以避免蒸通常蒸汽入口设在换热器上部，以避免蒸汽和凝液逆向流动。汽和凝液逆向流动。（若蒸汽

25、吹散液膜，（若蒸汽吹散液膜， 反而反而 ）强化措施：强化措施：（2）定期排放不凝性气体。）定期排放不凝性气体。（1）应尽可能减小液膜厚度，在壁面处开沟槽、）应尽可能减小液膜厚度，在壁面处开沟槽、加金属丝等。加金属丝等。 大容积沸腾：大容积沸腾：加热面浸没于无强制对流的液体中的沸腾。加热面浸没于无强制对流的液体中的沸腾。加热表面浸入液体的自由表面之下加热表面浸入液体的自由表面之下液体于加热面产生气泡，自由上浮液体于加热面产生气泡，自由上浮（二）（二） 液体沸腾时的对流传热液体沸腾时的对流传热液体的流动仅缘于自然对流和气泡的扰动液体的流动仅缘于自然对流和气泡的扰动如水壶烧水如水壶烧水容器内液体温度

26、高于饱和温度时，液体汽化而形成容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化而形成气泡的过程，称为沸腾气泡的过程，称为沸腾。沸腾分类：沸腾分类： 管内沸腾：管内沸腾：流体受压差作用在管内流动时沸腾。流体受压差作用在管内流动时沸腾。 饱和沸腾：饱和沸腾： 离开加热面的气泡不再凝结。离开加热面的气泡不再凝结。 过冷沸腾：过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度，加热面流体主体温度低于饱和温度，加热面上气泡离开后重新凝结。上气泡离开后重新凝结。流体在管内流动流体在管内流动流速对传热影响显著流速对传热影响显著气泡与液体一起流动（两相流）气泡与液体一起流动（两相流）汽化核心汽化核心：1、沸腾的必要条件沸腾的必要条件液

27、体过热液体过热： 沸腾给热热阻集中在紧贴加热表面的液体薄层沸腾给热热阻集中在紧贴加热表面的液体薄层内，热阻很低，内，热阻很低，给热强度高于无相变的液体给热给热强度高于无相变的液体给热。粗糙的加热壁面的凹缝易于形成汽化核心。粗糙的加热壁面的凹缝易于形成汽化核心。加热壁面温度最高，可达到液体过热。加热壁面温度最高，可达到液体过热。2、大容积饱和沸腾曲线、大容积饱和沸腾曲线 液体的大容积饱和沸腾随温差液体的大容积饱和沸腾随温差t（壁温与操作压壁温与操作压强下液体的饱和温度之差）的变化，都会出现不同类强下液体的饱和温度之差）的变化，都会出现不同类型的沸腾状态。型的沸腾状态。 当当t 2.2（ 2.22

28、5 ），），加热面上有气泡产加热面上有气泡产生，生，随随t急剧上升。这是由于气泡的产生和脱离对急剧上升。这是由于气泡的产生和脱离对加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故（3）不稳定膜状沸腾）不稳定膜状沸腾： t增大到某一定数值（增大到某一定数值（ 25250 ）时，加热面上）时，加热面上的汽化核心增多，气泡在脱离加热面之前便相互连接，的汽化核心增多，气泡在脱离加热面之前便相互连接，形成气膜，把加热面与液体隔开，形成气膜，把加热面与液体隔开，下降，称不稳定下降，称不稳定膜状沸腾。膜状沸腾。tc（4）稳定稳定膜状沸腾膜状沸腾： 工业上，应控制在工业上，应控制在阶段

29、，此时有给热系阶段，此时有给热系数大、壁温低的优点。数大、壁温低的优点。 膜状沸腾时，因气膜导热差，使壁温高，易烧坏膜状沸腾时，因气膜导热差，使壁温高，易烧坏设备，应用时应注意。设备，应用时应注意。 3 3、沸腾、沸腾给热过程的强化给热过程的强化（1）加热表面加热表面：粗糙有利，污垢不利。粗糙有利，污垢不利。（2）液体性质：液体性质： 、；、 （3）操作压力：操作压力： pts、 （4）温度差：温度差：t=tw-ts (ttc)练习题练习题1、饱和蒸汽冷凝时（冷凝膜层流流动），、饱和蒸汽冷凝时（冷凝膜层流流动），t， ; 液体核状沸腾时，液体核状沸腾时， t， 。核状沸腾核状沸腾2、工业上工业

30、上，沸腾应，沸腾应控制控制在在 阶段阶段，此时，此时有有 的优点。的优点。3、在蒸汽冷凝传热中、在蒸汽冷凝传热中，不凝性气体的存在对，不凝性气体的存在对的影响的影响是是 。（1）不凝性气体存在会使）不凝性气体存在会使（值）大大降低（值）大大降低 （2）不凝性气体存在会使）不凝性气体存在会使（值）（值） 升高升高（3）不凝性气体的存在与否，对数据无影响）不凝性气体的存在与否，对数据无影响（1）给热系数大、壁温低给热系数大、壁温低Q= qm r第四节第四节 传热过程计算传热过程计算一、热量衡算方程和热负荷一、热量衡算方程和热负荷无相变时：无相变时：Q=qm1cp1（T1T2）有相变时：有相变时：Q

31、m2cp2（t2t1）=饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg质量流量质量流量（4-36）（4-37）管内热流体，管外冷流体。管内热流体，管外冷流体。iWidA)TT(dQ 二、局部传热速率方程式二、局部传热速率方程式mWWdAtTbdQ)( oWodA)tt (dQ 热流体侧：热流体侧：管壁导热：管壁导热：冷流体侧：冷流体侧：或或1dA或或2dAmm在截面处取一微元体在截面处取一微元体。KdA1ooWmWWiiWdA1ttdAtTdA1TTdQ 上三式也可写成：上三式也可写成：依叠加原理：依叠加原理：总热阻总热阻总推动力总推动力 oomiidAdAbdAtTdQ 11KdAtTd

32、AdAbdAtTdQoomii111 则则dAtTKdQ)( 即即三、总传热系数三、总传热系数K K由式由式 可见，取不同面积可见，取不同面积为基准计算时，所对应的为基准计算时，所对应的K值也不同。值也不同。oomiidAdAbdAKdA 111 若为平板传热：若为平板传热：dAi= dAm= dAo= dAoibK 111 管外表面管外表面(dA2)K、Ki(K1)、Ko(K2)总传热系数；总传热系数；W/m2以以管内表面管内表面计时，计时，dA=dAi(dA1)ldi ldo ldm（习惯以外表面为主习惯以外表面为主）（4-42c）K1当忽略管壁内、外表面积的差异时，当忽略管壁内、外表面积

33、的差异时，当当oi时，时，当当io时，时，若壁阻忽略不计若壁阻忽略不计，oi11K1 则则o1 i1 b、 、中任一中任一 ，传热速率传热速率o1 i1 b、 、K1具有不同数量级时，具有不同数量级时， 传热速率受控于热阻大（对流给热系数小的）传热速率受控于热阻大（对流给热系数小的）的那一侧流体的对流给热。的那一侧流体的对流给热。，必定必定Ko必定必定Ki（4-45）四、污垢热阻四、污垢热阻考虑到有污垢热阻时的总传热系数考虑到有污垢热阻时的总传热系数厚壁时：厚壁时：（4-44）常见流体的污垢热阻：常见流体的污垢热阻：oWWWiW1tttT1TTq oiWW/1/1ttTT （4-47）五、壁温

34、计算五、壁温计算若忽略管壁内、外表面积的差异，则若忽略管壁内、外表面积的差异，则金属壁热阻可忽略，即金属壁热阻可忽略，即TWtW，则，则传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。六、传热平均六、传热平均温度差温度差假设：假设：（1）定态传热过程定态传热过程；（2 2）流体无相变；）流体无相变；（3 3）冷、热流体质量流量（）冷、热流体质量流量（qm m）、比热）、比热( (cp) ) 、 总传热系数（总传热系数（K K）为常量）为常量（4）热损失忽略。）热损失忽略。1 1、两侧均变温传热、两侧均变温传热 因冷、热流体流向不同，传热过程可分为：逆流、因冷、热流体流向

35、不同，传热过程可分为：逆流、并流、折流及错流换热。并流、折流及错流换热。（一）变温传热（一）变温传热 逆流逆流换热过程换热过程并流并流换热过程换热过程传热过程的积分表达式传热过程的积分表达式dA)tT(KqdAdQ 12110TTpmAtTdTKcqdA积分得：积分得：dtcqdAtTKqdAdQpm22)( 21220ttpmAtTdtKcqdAA AdTcq1p1m （1 1）逆流传热）逆流传热由热量衡算知由热量衡算知 Q=qm1cp1(T1T2)= qm2cp2(t2t1)在冷流体入口端和任一截面间取控制体进行热在冷流体入口端和任一截面间取控制体进行热量衡算：量衡算：qm1cp1(TT2

36、)= qm2cp2(tt1)(1112221122tcqcqTtcqcqTpmpmpmpm AB(T-t)2(T-t)1Tt(T-t)(1112221122tcqcqTtcqcqTpmpmpmpm 此式为一直线方程，此式为一直线方程，如图中直线如图中直线AB。 线上每一点代表换热线上每一点代表换热器某一截面上冷、热流器某一截面上冷、热流体的温度。体的温度。 推动力（推动力（T-t）等于）等于操作线与对角线间的垂操作线与对角线间的垂直距离直距离C称之为换热器的称之为换热器的操作线操作线。T=t)(1112221122tcqcqTttcqcqtTpmpmpmpm 可见，（可见，（T-t）与）与t成

37、直线关系；成直线关系； 求微分得：求微分得：常常数数 1)(1122pmpmcqcqdttTd)(1112221122tcqcqTtcqcqTpmpmpmpm 同理（同理（T-t）与）与T也成直线关系也成直线关系dTtTd)( t1= (T-t)1= T1-t21221)(ttttdttddttTd 其中其中t2= (T-t)2= T2-t1由由式得式得：)(2121tTdttTTdT dTtd 2121TTtt mt )(2121tTdttTTdT 将将 代入代入 中中，积分得：，积分得： 12)()(212111)(tTtTpmtTtTdttTTKcqAmtKAQ 12110TTpmAtT

38、dTKcqdAA 12212111ttpmttdttTTKcq2121ln1ttttKQ 2121ln1ttttKQ 2121lntttttm 若若 t1 / t2 tm并并 （3 3）逆流与并流传热的比较）逆流与并流传热的比较例：例：逆流传热推动力大逆流传热推动力大 当换热器的传热量当换热器的传热量Q和总传热系数和总传热系数K一定时一定时，mtKQA ，逆流所需的传热面积小逆流所需的传热面积小；并流特点并流特点： 易于易于控制温度，出口温度比较恒定（控制温度，出口温度比较恒定（ t2T2）；）； 冷冷流体快速升温，使粘度下降，流体快速升温，使粘度下降，K升高。升高。逆流可将冷流体温度升得更高

39、：逆流可将冷流体温度升得更高：t2T2 可将热流体温度降得更低：可将热流体温度降得更低： T2 t2 逆流逆流时，可节省冷却剂或加热剂用量时，可节省冷却剂或加热剂用量。传热温差不变，平均温差就等于冷、热流体的温度差，传热温差不变，平均温差就等于冷、热流体的温度差，即即tm=T-t一侧恒温一侧恒温两侧恒温两侧恒温2、一侧变温传热、一侧变温传热其传热平均温差与流体其传热平均温差与流体的流动方向的流动方向无关无关（二）两侧恒温（二）两侧恒温2121lntttttm 计算步骤计算步骤：计算热负荷：计算热负荷：)()(12222111ttcqTTcqQpmpm 确定流向（确定流向（逆流逆流、并流、并流）

40、，），计算计算平均温度差：平均温度差：2121lntttttm 确定流程（管内、管外流体），流速，垢阻。计算确定流程（管内、管外流体），流速，垢阻。计算总传热系数总传热系数K：计算换热面积：计算换热面积： mtKQA 七七、 传热计算传热计算如果内管改用直径为如果内管改用直径为764mm的钢管代替，其余的钢管代替，其余条件不变，试求所需条件不变，试求所需管长管长。 【例例】 某某套管换热器，内管为套管换热器，内管为573mm，外管为外管为1084mm钢管。管内苯被加热，苯进口温度钢管。管内苯被加热，苯进口温度40，出口温度，出口温度70，苯流量为，苯流量为3800kg/h。环隙为。环隙为130

41、饱和蒸汽冷凝，汽化热为饱和蒸汽冷凝，汽化热为2178kJ/kg，冷凝给热系数，冷凝给热系数11630W/m2。苯在。苯在5080之间的物性参数平均值为之间的物性参数平均值为密度密度880kg/m3，比热，比热 cp1.86kJ/kg， 粘度粘度0.39cP，导热系数，导热系数0.134W/m，管内垢阻为，管内垢阻为0.000265m2/W，管壁热阻及管外垢阻忽略不计，求：，管壁热阻及管外垢阻忽略不计，求：加热蒸汽消耗量（加热蒸汽消耗量（kg/hkg/h）？）？ 所需传热面积所需传热面积A Ao o？当苯流量增加当苯流量增加50%50%时，为保证苯的进出口温度不变，时，为保证苯的进出口温度不变，

42、加热蒸汽加热蒸汽温度温度应提至多少？应提至多少？解：解：根据热量恒算根据热量恒算：qm1r1 =qm2cp2(t2t1)=Q蒸汽消耗量：蒸汽消耗量： )/(4 .97217821204011hkgrQqm )/(212040)4070(86. 13800)(1222hkJttcqQpm 传热量：传热量：根据传热速率方程：根据传热速率方程：mootAKQ 总传热系数总传热系数 K Ko o：oomoioiioioRddbddRddK 111 根据已知：根据已知：Ri=0.000265， Ro=0 ，o=11630，i的求取：的求取： 管内流体对流给热系数：管内流体对流给热系数：0 moddb m

43、m512357dmm57dio 管内流速：管内流速：)/(587. 0051. 0785. 08803600/38002smAqum 雷诺准数：雷诺准数：443i10108 . 61039. 0880587. 0051. 0udRe 普兰特准数：普兰特准数：41. 5134. 01039. 01086. 1Pr33 Cp0.7 Pr 120管内流体粘度管内流体粘度苯苯0.39cP=0.39 mPas苯苯60原假设成立原假设成立 t1=130-40=90t2=130-70=60平均温差平均温差tm：=1.32/(3.140.057)=7.4mldAoo ood/Al 流量增加流量增加50%， q

44、m2 =1.5qm2；苯进、出口温度不变苯进、出口温度不变8 . 08 . 08 . 08 . 0ReRe mmVVqqqquu 根据根据)Cm/W(12068725 . 15 . 128 . 0i8 . 0i 001309. 01163015157000265. 05157120611ddRdd1K1oioiioio Ko=764 （W/m2)根据传热速率方程：根据传热速率方程：oooomAKQ5 . 1AKQt 设蒸汽温度应提至设蒸汽温度应提至TT，CTTTTtttttm 6 .877040ln)70()40(ln2121即即6 .877040ln30 TT解得：解得：T=143.5)/(

45、212040)(1222hkJttcqQpm )(6 .8732. 17643600102120405 . 13C 0.420.023Pr0.023()Pr4mqdudddd 0.023Pr0.785mqd 与直径的关系：与直径的关系：其它条件不变，换管后，其它条件不变，换管后，假设假设 L/d60， 6 . 032574276dd8 . 18 . 1i8 . 1iii )Cm/W(2 .5238726 . 06 . 02ii Ko=397.1 （W/m2)因因Q、t tm m不变，故不变，故传热面积：传热面积：检验：检验：L/d=8.38/0.068=12

46、360，所以假设成立，所以假设成立002518. 01163016876000265. 068762 .52311ddRdd1K1oioiioio )m(2741 .3973600/10212040tKQA23mo ldAoo m38. 8076. 014. 3/2d/Aloo 第六节第六节 换热器换热器 （一）（一） 按用途分类按用途分类加热器，冷却器，冷凝器加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器，蒸发器 （二）按冷、热流体的接触方式分类（二）按冷、热流体的接触方式分类直接接触式，间壁式，直接接触式，间壁式，蓄热蓄热式式一、换热器的分类一、换热器的分类本节讨论本节讨论：常用换热器的结构、性能及特点；

47、常用换热器的结构、性能及特点；换热器基本尺寸、传热面积的计算换热器基本尺寸、传热面积的计算；根据生产需要，选择合适的换热设备根据生产需要，选择合适的换热设备。二、二、 间壁式换热器类型间壁式换热器类型（一）（一）夹套式换热器夹套式换热器（Jacket Heat Exchanger ） 结构：结构：夹层夹层特点：结构简单，加热面受限，传热系数低。特点：结构简单，加热面受限，传热系数低。（二）（二）沉浸沉浸式蛇管换热器式蛇管换热器（Cockle Pipe Heat Exchanger ） 特点：特点： 置于容器内，耐高压，耐腐蚀，管外流体湍动小。置于容器内，耐高压，耐腐蚀，管外流体湍动小。（三）（

48、三）喷喷淋式换热器淋式换热器（ShowerHeat Exchanger ） 结构：结构： 特点：特点： 管内热流体，管外冷流体，湍动大，操作环境差。管内热流体，管外冷流体，湍动大，操作环境差。（四）（四）套管式换热器套管式换热器 （Double Pipe Heat ExchangerDouble Pipe Heat Exchanger） 结构：结构：特点：特点：结构简单，耐高压，流速高，可纯逆流；接头易结构简单，耐高压，流速高，可纯逆流；接头易泄漏，单位体积传热面积小。泄漏，单位体积传热面积小。（五）（五）螺旋板式换热器螺旋板式换热器 结构结构紧凑，耗材低，紧凑，耗材低，传热系数传热系数高，不

49、易结垢和堵塞，高，不易结垢和堵塞，能利用低温热源，结构紧凑，能利用低温热源，结构紧凑，单位容积传热面积大单位容积传热面积大 ；但捍缝处易漏、操作压强和温度不宜太高，不易检修。但捍缝处易漏、操作压强和温度不宜太高，不易检修。特点：特点：（六）（六）板式换热器板式换热器（Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger） 特点：特点：传热面积可调节传热面积可调节，传热系数高，结构紧凑；，传热系数高，结构紧凑；但不耐高温、但不耐高温、高压高压，处理量不大处理量不大（七）（七）板翅式换热器板翅式换热器特点：湍流程度大，轻巧牢固；易堵塞，清洗困难特点：湍流程度大，轻巧牢固

50、；易堵塞，清洗困难（八）（八）翅片管翅片管换热器换热器要求：翅片与管表面的连接应紧密，否则接触热阻大。要求：翅片与管表面的连接应紧密，否则接触热阻大。（九）（九）管壳管壳（列管）式换热器（列管）式换热器（Shell & Tube Heat ExchangerShell & Tube Heat Exchanger） 、基本结构基本结构特点：特点： 单位体积换热面积大，管内、外流体湍动单位体积换热面积大，管内、外流体湍动较大，结构紧凑。较大，结构紧凑。管板管板： 固定管束固定管束 管束：管束：构成传热面（外侧表面积）构成传热面（外侧表面积）管程：管程：隔板隔板：划分管程（于封头与管

51、板间）划分管程（于封头与管板间） 管内流动行程（单管程，两管程，多管程）管内流动行程（单管程，两管程，多管程）增加管程可提高管内流体流速，但流动阻力增大增加管程可提高管内流体流速，但流动阻力增大（注意：管程数与管内流体流速的关系：（注意：管程数与管内流体流速的关系：若管程数增为若管程数增为n管程，则流速变为原来的管程，则流速变为原来的n 倍）倍）纵向挡板纵向挡板： 划分壳程（平行于管束）划分壳程（平行于管束）壳程：壳程： 管外流动行程（单壳程，两壳程，多壳程）管外流动行程（单壳程，两壳程，多壳程）增加壳程可提高管外流体流速，但流动阻力增大增加壳程可提高管外流体流速，但流动阻力增大折流板折流板：

52、 增加管外流体的湍动，提高管外对流给热系数增加管外流体的湍动，提高管外对流给热系数2、主要形式与特点主要形式与特点 （1）固定管板式）固定管板式结构：结构： 两端管板与壳体焊接，管束不可拆两端管板与壳体焊接，管束不可拆 特点：特点：结构简单，制作成本低；结构简单，制作成本低； 冷、热流体温差大时应考虑温冷、热流体温差大时应考虑温度补偿（度补偿（膨胀节膨胀节）。）。 清洗管内易，管外难清洗管内易，管外难（壳程通洁净流体）；（壳程通洁净流体）；（2）浮头式换热器浮头式换热器结构：结构： 一端管板不与外壳相连，可沿轴向自由浮动，一端管板不与外壳相连，可沿轴向自由浮动，管束可拆。管束可拆。特点：特点：

53、 易于清洗；无须温度补偿；结构复杂。易于清洗；无须温度补偿；结构复杂。（3 3）型管式换热器型管式换热器结构：结构：一个管板，加热一个管板，加热管呈型。管呈型。 特点：特点： 无须温度补偿；结构较简单；清洗管外易，管内难。无须温度补偿；结构较简单；清洗管外易，管内难。给热系数大的流体给热系数大的流体三、列管式换热器三、列管式换热器的设计和选用的设计和选用1 1、流体流动通道的选择、流体流动通道的选择 (P173)管程中：管程中： 易结垢（不易清洗）的易结垢（不易清洗）的流体流体（U形管例外）形管例外）有腐蚀性的流体有腐蚀性的流体有毒性的流体有毒性的流体压力高的流体压力高的流体壳程中：壳程中：

54、饱和蒸汽饱和蒸汽被冷却的流体被冷却的流体流量小或粘度大的流体流量小或粘度大的流体2 2、流动方式的选择、流动方式的选择逆流或并流、管程数和壳程数要适当逆流或并流、管程数和壳程数要适当 当当流量一定时，管程或壳程越多，流量一定时，管程或壳程越多，越大，对传越大，对传热过程有利；但流体阻力损失也增大热过程有利；但流体阻力损失也增大，而且阻力损失，而且阻力损失增加的更大。增加的更大。四管程时速度四管程时速度u =4单管程时速度单管程时速度u管程管程Np0.8 阻力损失阻力损失Np3 ； Np-管程数管程数3 3、换热器的规格和管排列方式、换热器的规格和管排列方式管排列方式：管排列方式： 三角形和正方

55、形三角形和正方形管长：管长：1.5m、2m、3m、4.5m、5m、6m、9m管子标准：管子标准：19mm2mm和和25mm2.5mm4 4、折流挡板、折流挡板种类种类： 圆缺形和盘环形圆缺形和盘环形 因此，在选择挡板数时，要兼顾传热与流体压因此，在选择挡板数时，要兼顾传热与流体压降两方面的得失。降两方面的得失。5 5、管壳式换热器的选用计算、管壳式换热器的选用计算计算热负荷（热量衡算）计算热负荷（热量衡算）计算平均温度差计算平均温度差tm 估算传热系数估算传热系数K估估 ，估算传热面积，估算传热面积A估估 根据根据A估估初选换热器（初选换热器（A实实 、DN 、p） 确定垢阻确定垢阻，由，由R

56、i、Ro、u 、 i、o 计算传热系计算传热系数数K计计，计算传热面积，计算传热面积A计计校核校核： A实实A计计1.101.25 四四、载热体及其选择、载热体及其选择加热剂加热剂：起加热作用。主要有热水、水蒸汽、矿物起加热作用。主要有热水、水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气油、联苯混合物、熔盐和烟道气冷却剂冷却剂：选择载热体时应参考以下几个方面：选择载热体时应参考以下几个方面： 温度必须满足工艺要求；温度必须满足工艺要求； 温度温度应易于调节；应易于调节； 不会分解，毒性不会分解，毒性要小，使用要小，使用安全；安全； 价廉易得，传热性能好。价廉易得，传热性能好。 腐蚀性小，不易结垢；腐

57、蚀性小，不易结垢；五、传热五、传热过程的强化过程的强化由由Q=KAtm式可知应强化的项目式可知应强化的项目增大增大K：措施：措施：（i o b R ）K qmuRe 增加管程数，壳程加挡板，增大湍流程度；增加管程数，壳程加挡板，增大湍流程度； 使用有相变的流体做加热剂；使用有相变的流体做加热剂； 使用使用的流体（如液态金属做加热或冷却剂）；的流体（如液态金属做加热或冷却剂）； 减小垢阻（常清洗）减小垢阻（常清洗）强化传热过程，即提高冷、热流体间的传热速率。强化传热过程，即提高冷、热流体间的传热速率。增大增大A： 指增大单位体积的传热面积。从结构方面考虑：指增大单位体积的传热面积。从结构方面考虑

58、： 可增大可增大小的一侧的传热面积，如加翅片、波纹管等小的一侧的传热面积，如加翅片、波纹管等逆流传热温差大于并流，可选取逆流传热过程。逆流传热温差大于并流，可选取逆流传热过程。另外，提高加热剂温度（或降低冷却剂的温度）也另外，提高加热剂温度（或降低冷却剂的温度）也可提高可提高tm 。增大增大tm ：1水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的热流体的T1、T2及流量不变。若因冷却水进口温度及流量不变。若因冷却水进口温度t1增高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其增高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其结果（结果（ ）。）。（1） K

59、，tm不变不变；（；（2） Q不变不变，tm，K；（3） Q ，tm ；（；（4） Q不变不变， tm 不定，不定，K一、选择题一、选择题（2）2在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否合理。甲：传热管的壁温将接近加热两项判断是否合理。甲：传热管的壁温将接近加热蒸汽温度。乙：换热器总传热系数蒸汽温度。乙：换热器总传热系数K将接近空气侧的将接近空气侧的对流传热系数。（对流传热系数。（ ） A . 甲、乙均合理；甲、乙均合理； B. 甲、乙均不合理甲、乙均不合理 C. 甲合理、乙不合理；甲合理、乙不合理； D. 乙合理、甲不合理乙合理、甲不合

60、理A练习题练习题3一套管换热器，环隙为一套管换热器，环隙为120蒸汽冷凝，管内空气蒸汽冷凝，管内空气从从20 被加热到被加热到50 ，则管壁温度应接近于，则管壁温度应接近于 。 A 35 ；B 120 ；C 77.5 ；D 50 B4在设计管壳式换热器时，设置隔板以提高在设计管壳式换热器时，设置隔板以提高 流流速，设置折流板以提高速，设置折流板以提高 流速，以达到强化传热流速，以达到强化传热的目的。管程内流体流速的选取，对一般液体的目的。管程内流体流速的选取，对一般液体取取 ，气体取，气体取 ，如该换热器用蒸汽冷凝来，如该换热器用蒸汽冷凝来加热原油，那么水蒸汽应在加热原油，那么水蒸汽应在 程流动。程流动。 A