大三下化工原理传热

1、第四章 传 热1.分析了解传热速率及其影响因素，寻找控制热量传递的 基本规律 . 任务:3.了解典型传热设备的结构和特点.2.运用规律，强化或削弱传热操作.石化产业:传热设备重量占总设备重量的30-40%；4.1概 述（1）强化传热过程:4.1.1 传热在化工生产中的应用1.传热的三类应用实例2.传热在化工生产中的重要性:（3）热能回收和合理利用:（2）削弱传热过程:传热过程是普遍存在的流体的升温或冷却,产品的分离(蒸发，蒸馏)和干燥等。管道，设备的保温或保冷。废热回收，热能的合理利用传热设备投资占总设备投资的10-20%传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程当无外加功时，系统中热量总

2、是自发地从温度较高的物体(部分)传递到温度较低的物体（部分）4.1.2 传热的三种基本方式 1.热力学第二定律注意：有外加功时，可以相反，如制冷机的工作原理.热传递产生的原因：物体内部或物体之间存在温度差; 问题：传热发生的原因或条件是什么?本章主要讨论的自发过程。即温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力物体各部分之间不发生相对位移，仅凭借分子，原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递过程。固体的传热不良导体的固体:原子,分子在晶格中其平衡位置 的振动传热发生场所：传热机理：2.传热的三种基本方式根据传热的机理不同特点:没有物质的宏观位移,仅是静止物体内的一种传热方式（大部液体）

3、(1)热传导(导热):穿过流体层流内层的传热气体:分子不规则运动时碰撞传热金属固体:自由电子的运动传热热对流只发生在流体中特点:自然对流:流体中各点温度不同引起流体密度差异,使轻者上浮， 重者下沉。强制对流:流体因机械搅拌(泵,风机)等外加功加入引起的对流(质点强制运动)热对流的形式注意点:化工生产中,强制对流的应用比自然对流更普遍和重要引起流动的原因不同，对流的规律不同流体中质点(微团)产生相对位移(宏观运动)引起的热量传递过程(2)热对流(对流):热对流的强弱与流体流动状况密切相关自然对流与强制对流常在流体中同时发生(3)(热)辐射：实际上,只有当物体之间温差较大时,辐射传热现象才较突出。

4、一般来说,当物体的温度超过500K（200-400)时，辐射热能才予以考虑。特点：1.辐射传热即是物体间相互辐射和吸收能量的总结果. 2.物体间的温度差较大时,辐射传热才能成为主要的传热方式.注意： 热辐射不需任何介质 热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移 理论上，只要物体温度T0K，均可产生辐射具有实际意义热能转变为电磁波在空间的传递过程(3)(热)辐射：(1)热传导(导热):(2)热对流(对流):4.1.3 传热过程中冷热流体（接触）热交换方式 一. 热交换的三种基本方式（一）直接接触式换热和混合式换热器1.直接接触式换热:混合式换热器:优点:适用场合:直接接触式换热器的机理比较复杂，它在

5、进行传热的同时往往伴有传质过程例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等热、冷流体直接混合进行热交换凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等传热效果好，设备结构简单，传热效率高工艺上允许两流体互相混合的情况【图片4-1】混合式冷凝器由于冷凝器通常与真空蒸发器相连，器内压强为1020kPa，因此气压管必须有足够的高度，一般为1011m。蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常在生产中采用两个并联的蓄热器交替地使用，如图片4-2所示。2.蓄热式换热和蓄热器设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用得不太多。

6、 优点:典型设备:蓄热式换热:蓄热式换热器热流体冷流体热流体冷流体在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。实现方式:回转式空气预热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却缺点:图片4-2蓄热式换热器蓄热体高温流体低温流体阀切换方式（逆流）阀开闭间壁两侧流体的热交换3.间壁式换热和间壁式换热器1)间壁式换热优点：适用场合：典型设备：冷、热流体被固体壁面(传热面)所隔开，它们在壁面两侧流动。如各种管壳式和板式结构的换热器间壁式,表面式或间接式换热器冷、热流体不允许混合的场合。应用广泛，形式多样【图片4-3】间壁两侧流体间的传热冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤:如图所示.通常

7、，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程(3)传递至另一侧的热量以对流方式传递 给冷流体。 (2)热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；(1)热流体以对流方式将热量传递给管壁间壁式换热是本章讨论的重点。 传热换热器是化工生产传热过程中最常用的设备之一，为便于讨论传热的基本原理，首先对间壁式换热器予以简单介绍。a.套管式换热器2)典型的间壁式换热器热流体冷流体固体壁面T2T1t1t2b.管壳式换热器管程流体:流体在管内流动壳程流体:流体在壳与管束之间从管外表面流过单程管壳式换热器:管程流体在管束内只流过一次双程管壳式换热器:管程

8、流体在管束内流过两次多程（如四程、六程等）换热器:流体在管束内来回流过多次单程管壳式换热器双程列管式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板 传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量 W热通量q：指每单位面积的传热速率 W/二.基本概念1.传热速率Q和热通量q2.总传热速率方程式T1T2t1t2K总传热系数该公式是换热器设计和强化传热的重要依据，它与热量衡算式联合可解决传热计算问题。本章除非另有说明，讨论的都是定态传热。3.定态传热和非定态传热化工传热过程既可以是连续进行亦可间歇进行。传热系统中不积累能量，传热速率Q在任何时刻都为常数，并且系统中各点的温度t

9、仅随位置变化而与时间无关传热系统中各点的温度t既随位置又随时间而变定态传热:非定态传热:4.2 热 传 导1.温度场: 注：由于对于一定时刻 又对应一定位置2.等温线和等温面: 故在同一时刻，空间固定的一点，其温度是唯一的，故同一时刻空间中不同等温面之间不可能相交。4.2.1傅立叶定律一.几个基本概念用来描述物体或空间各点任一时刻温度分布的物理概念由同一时刻空间中温度相同的点连成的线称等温线。无数等温线组成的面称等温面3.温度梯度:（与流体力学中速度梯度概念类似）单位时间内,物体或物体内部不同两点之间因导热所传递的热量Q与其温度梯度t/n及垂直于热流方向的传热面积A成正比。nAQt/nt+tt

10、t-t两等温面之间温度差t和其间的垂直（法向）距离n之比的极限值 即为二.傅立叶定律:即:对一维稳定温度场或（1）“” 意义:热流方向与温度梯度相反。（3）A的方向:垂直于热流方向，即与t/n垂直。（2） 热导率或导热系数（W/m ） 式中:即指 t / n = -1 /m，A= 1m2 时， 单位时间由于传导所传递的热量Q。表征物质导热能力大小，是物质的物理性质。傅立叶定律:物理意义:或非金属:导热系数与其组成，致密性与温度有关。 4.2.2导热系数1.固体导热系数金 属:随t而,随杂质含量急剧，（故纯金属最大）一般随密度和温度的而。2.液体导热系数：较小，但大于固体绝热材料金属液体(大多数

11、) ：比较大，随温度的而非金属液体 ： 水最大,一般随温度的略有一般，纯液体的大于溶液的3.气体导热系数:比液体更小，约为液体的1/10温度越高，压强越大(高压下),气体越大 总的规律:（1）平壁无限大，边界效应可以忽略。4-3. 平壁的稳态热传导（3）材质均匀，各向同性(不随温度变化，视为常数或取平均)1.单层平壁的稳态热传导假设:（2）通过平壁的传热稳定传热为一维方向（X轴向）t2t2Ab根据Fourier定律，对于单层平壁有:x = b, t = t2x = 0, t = t1(=常数）或-平均导热系数其中则：2. 多层平壁的稳定热传导Q讨论:1.稳定传热时，Q为常数，温差与热阻成正比，

12、热阻越大的平壁其内的温度降低越多。2.接触热阻问题在接触处有明显的温度降低，由于空穴存在，空气小，产生接触热阻，导致传热速率下降，利用此原理，可以隔热，如房屋的夹墙结构。接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计4-4 圆筒壁的稳定热传导1.单层圆筒壁的稳定热传导于是：则：（1）圆筒很长（忽略边界效应）bQr1r2假定: （3）各向同性，材质均匀 ，同平壁假定（2）稳定传热 L式中:（圆筒壁厚）（1）当r2 / r1 2 时，采用算术平均半径进行计算所产生的误差比对数平均大约4%，在工程上是可行的。（2）当 r 时，计算公式类似于平壁公式。讨论:2.多层圆筒壁传热于是:同理对多层圆筒壁的稳定传热有:

13、其中:4.3 对流传热概述掌握对流传热的机理，理解对流传热系数的意义和影响因素。1.学习目的2.本知识点的重点对流传热机理。对流传热在工程技术中非常重要。许多工业部门中经常遇到两流体之间或流体与壁面之间的热交换问题，这类问题需用对流传热的理论予以解决。4.3.1.对流传热速率方程和对流传热系数1.基本概念加热剂：起加热作用的流体热交换：冷、热流体通过壁面进行热量传递的过程。载热体：运载热量的流体。并、逆流：两股流体流向相同（相反）的流动。冷却剂：起冷却作用的流体对流传热：运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，依靠流体质点的移动进行热量传递，与流体流动状况密切相关。流动的流体与外界的传热强制对流

14、自然对流根据流体在传热过程中的状态，对流传热可分为两类:（2）流体有相变的对流传热:（1）流体无相变的对流传热:强制对流，自然对流蒸汽冷凝和液体沸腾等对流传热过程机理不尽相同，影响对流传热速率的因素也有区别2.对流传热分类主体湍流区过渡流区层流内层区平壁A侧1) 换热过程分析:A温度 T B 温度 tA流体在平壁上的流动状态总传热方向:因T t ，故热量Q从A传向B温度降低方向 T t平壁B侧层流内层区过渡区主体湍流区B流体在平壁上的流动状态(2)传热及温度变化情况ABC(1) 流体在平壁上的流动状态3. 壁面两侧冷热流体的热量传递 对流传热过程分析既有对流（强制和自然对流）传热，又有导热。温

15、度沿与流动相垂直方向的变化程度与过渡区厚度成正比。传热方式是导热，流体质点间无宏观混合。该层中的温度变化较大，且与层流内层厚度成正比。阻力主要集中在该层，强化对流传热就是要减薄该层。导热，温度基本呈直线变化。传热方式主要是强制对流（自然对流作用不显著）湍流区温度趋于均匀，认为无传热阻力。a.湍流区中的传热及温度分布：b.过渡流区的传热与温度情况c.层流内层区中传热温度情况d.平壁中的传热及温度变化4.对流传热速率方程:目前的工程计算仍按半经验法处理传热Tt式中：对流传热系数，W/(m2)；A总传热面积，m2。t对流传热温度差，1/A对流传热热阻，/W。牛顿冷却定律有效膜1有效膜2层流底层2.反

16、映了对流传热的快慢,愈大表示对流传热愈快。5.对流传热系数对流传热系数的定义式意义:3.不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。1.在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。表4-5 值的范围换热方式空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾W/(m2.)525201002010001000150005000150005002000250025000解决方法：研究各种对流传热情况下的大小、影响因素及计算式。 牛顿冷却定律存在的问题：1.牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，但它并非理论推导的结果，而是一种推论，即假设单

17、位面积的传热速率与温差成正比。2.该公式形式虽然简单，但它并未揭示对流传热过程的本质，并未减少计算困难，只不过将所有复杂的因素都转移到对流传热系数中，实质上是将矛盾集中到对流传热系数。研究对流传热问题的核心注意：在间壁式换热器的计算中，需要求出传热管的平均1.的获得主要有三种方法：1)理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。4.5.对流传热系数关联式：对流传热系数的确定3)类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。2)实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。传热学

18、及传递过程的研究内容实验表明：与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。 2.影响对流传热系数的因素:1)流动状态：层流和湍流的传热机理有本质的区别层流:传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式,质点无混杂运动。湍流:湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，质点呈混杂运动，传热充分。但在壁面附近的层流内层中仍为热传导。2)对流情况：自然对流，强制对流 (流动和传热规律不同)自然对流：流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。则每单位体积的流体所产生的升力:强制对流:外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动。u影响大。或Cp (流体定压比热容),（流体的导热

19、系数）, ,，且均与相态，温度 t 和压力 p有关4)传热面的形状，位置和大小传热面大小：流道尺寸（管径，管长，板高和进口效应）5)传热有、无流体相变情况传热面位置：(水平,垂直), 管束排列方式传热面形状：圆管,平板,环隙，翅片形式等流体有无相变化，对传热有不同的影响有流体相变：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾总之：3)流体的性质3. 各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式1）特征数关系式通式因次分析法由实验可知流体无相变时：根据定律，可用8-4=4个独立的特征数之间的关系式表示，即则有无相变，强制对流：无相变，自然对流：表 4-2 特征数的名称、符号和含义准数名称符号准数式含

20、义努赛尔特数(Nusselt number)Nu表示对流传热系数的准数雷诺数(Reynolds number)Re流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响普兰特数(Prandtl number)Pr表示流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫数(Grashof number)Gr表示自然对流对对流传热的影响2）各特征数（准数）的特点及意义也可取壁温3).讨论经验关联式应用的几点注意事项:a.适用范围由于关联公式是在不同实验条件下得到的,故应用时应根据实际情况选用相应的公式,且准数范围不能超出规定，即应切合其使用条件。b.特征(定性)尺寸: 常以对传热发生重要影响的设备尺寸定量如对管道: 一般取d,或

21、de (非圆管道)对平壁: 一般取厚度或高度 (长度)c.物性的定性温度因物性随温度变化，在传热过程中，流体在不同位置温度不同，物性随之变化。一般取法：进、出口流体的算术平均值作定性温度。或膜温式中:流体被加热时 n = 0.4 流体被冷却时 n = 0.3应用条件:Re 104 20 cP0.6 Pr 160 （也有 0.7 Pr 50 （也有 l/d 60）定性温度：流体进、出口算术平均温度思考： 与u、d有何比例关系？(1). 圆直管内强制湍流(低粘度液体及气体) 1).流体在管内作强制对流传热4.流体无相变时对流传热系数的经验关联式（2）圆直管中强制湍流（高粘度流体）应用范围：Re 1

22、040.6 Pr 50 定性温度，特征尺寸：同上当壁温难以确定时 / 壁 可按以下处理：气体（加热、冷却） / 壁 = 1.0液体被加热 / 壁 = 1.05液体被冷却 / 壁 = 0.95（4）弯形圆管中强制湍流时对流传热系数先求出Re ，再根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式计算。 最后乘以弯管效应校正系数R弯 管道弯曲半径适应条件： Re = 12000 220000其余同上：（3）短管中强制湍流时对流传热系数当l/d 60时，根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式计算。 最后乘以管入口效应校正系数（5）过渡流时圆直管中对流传热系数原则:按相应情况下湍流（高、低粘度）公式计

23、算，乘以校正因子f即可。应用条件: Re = 2300 10000其余同上应用范围： Re 2300 ， 0.6 Pr 6700 ， Gr 50定性温度：同上当 Gr 25000时，自然对流的影响不可忽略上式按 校正系数相乘予于修正。（6）圆直管内强制层流流时的对流传热系数2).流体在管外强制对流传热(1).管外流动 由于结构件因素，易产生边界层分离现象，从而使局部传热系数在不同位置相差较大(2).同时，管外流动时的传热系数还与流体横过管束时，管子的错列、直列排列方式有关通式:式中:具体查表适应条件:5. 流体有相变时的对流传热1.蒸汽冷凝时的状况膜状滴状产生原因：冷凝壁有润湿作用，形成冷凝液

24、膜特点：传热阻力集中于膜中，导热系数小， 热阻大，故给热系数小。产生原因：壁面无润湿作用（光滑）。特点：传热阻力小，给热系数大。过程比较:一.蒸汽冷凝传热系数冷凝方式故冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理工业上遇到的大多数是膜状冷凝(1)蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数2.蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式(2)蒸汽在垂直管板上膜状冷凝时的对流传热系数层流:Re1800定性温度：膜温特征尺寸： 单组分饱和蒸汽冷凝时，气相内温度均匀，都是饱和温度，没有温度差，故热阻集中在冷凝液膜内。因此对一定的组分，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素。凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系

25、数。这些因素为:（2）流体物性:由膜状冷凝传热系数计算式可知3影响冷凝传热的因素（1）冷凝液膜两侧的温度差:当液膜呈滞流流动时，都影响冷凝传热系数。（3）蒸汽的流速和流向:蒸汽和液膜同向流动:蒸汽和液膜逆向流动:摩擦力将使液膜加速，厚度减薄，但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，此时随蒸汽u的增加，（4）蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑排除不凝气。（5）冷凝壁面的表面情况：对的影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，则会使膜层加厚，增加膜层阻力，因而降低 （6

26、）冷凝壁面的影响：a.垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流动方向的尺寸增大，沿途积存的液体增多，则液膜增厚，使下降，但当高度尺寸增至某一程度时，液膜进入湍流，有开始增大。问题：冷凝液面从上面各排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的比上排的要低。故在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。b.水平布置的管束:措施:为了减薄下面管排上液膜的厚度，一般需减少垂直列上的管子数目，或把管子的排列旋转一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流过，如图片4-29所示。1.沸腾过程：对液体加热时，有液相变为气相的过程，即在液体内部产生气泡或气膜，因液体沸腾时必伴有液体流动，故属于对流传热过程。二.液体沸腾时对

27、流传热系数池内沸腾：将加热表面浸入液体中，液体在壁面受热沸腾。又称大容积沸腾。管内沸腾：液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾。其传热机理要较池内沸腾复杂得多。工业上的液体沸腾主要有两种：本节主要讨论池内饱和沸腾，至于管内沸腾，请参阅有关专著。池内沸腾时，热通量q和的大小取决于加热壁面温度与液体饱和温度之差 下图为常压下水在池内沸腾时的热通量 q=Q/A、与 t 之间的关系曲线。2.液体沸腾曲线沸腾过程大致分三个阶段:自然对流阶段:核状(泡状)沸腾阶段:膜状沸腾状态:在实践中，为保持理想的传热效果，常使沸腾温差保持在核状沸腾阶段 t = 20 40K，过高可引起局部过热而烧坏设备（暴沸现象）3

28、.影响沸腾传热的主要影响因素液体性质：,(表面张力)加热壁面状况：加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。操作压强 温度差即一般尽可能控制在核状区使液体和，有利于气泡的生成和脱离，强化了对流传热清洁的加热壁面较高，而当壁面被油脂沾污后，因油脂的导热性能较差，会使急剧下降;壁面越粗糙，气泡核心越多，越有利于沸腾传热。凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热习题课例:一根252.5mm 的钢管, 管内走某有机溶液, 流量为758kg/h，比热为1.76kJ/(kgK)，黏度为1cP，导热系数为0.12W/(m K)。温度由20加热至50。求管内对流传热系数。解：可以使用管内湍流对流传

29、热系数计算公式4.3.3.保温层的临界直径P223 通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大。 假设保温层内表面温度为t1，环境温度为tf，保温层的内、外半径分别为r1和r0，保温层的导热系数为，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为。热损失为： 分析：当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有可能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。上式对r0求导，可求出当Q最大时的临界半径，即解得 r0=/ 当保温层的外径do2/时，增加保温层的厚度才使热损失减少。 对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，要核

30、算d0是否小于dc。所以，临界半径为 rc=/ 或 dc=2/例 在一603.5mm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=0.07W/m，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 温度为500，最外层表面温度为80，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。 4.4 传热过程计算在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法。1.学习目的2.本知识点的重点 换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。a.掌握换热器的能量

31、衡算；b.掌握总传热速率方程和总传热系数K的计算；c.掌握传热相关计算方法平均温度差法传热单元数法换热器的传热计算:设计型计算:即根据工艺提出的条件，确定换热器的传热面积A校核型计算:即对已知A的换热器，核算其传热量Q、流体的流量qm或温度T或t以热量衡算和传热速率方程为基础T1T2t1t24.1.1、热量衡算：间壁式换热器式中:冷，热流体的质量流量，kg/h 或 kg/s；热流体进，出口的比焓，kJ/ kg。1.热焓法热负荷Q：单位时间内换热器中冷，热流体因温度变化吸收或放出的热量。对于整个换热器，其热量衡算式为： 假设换热器绝热良好 (热损失可以忽略)，在单位时间内换热器中热流体放出的热量

32、等于冷流体吸收的热量。冷流体进，出口的比焓，kJ/ kg。(4-35)(1)两流体均无相变，且流体的比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的比热容时，式4-35可分别表示为:Q换热器的热负荷，kJ/h 或 kW。(4-36)2.比热法式中Cp流体的定压比热容，kJ/(kg)t冷流体的温度，；T热流体的温度，。(2)流体有相变，例如饱和蒸汽冷凝时，则式4-35可表示为r饱和蒸汽的汽化热，kJ/kg。(4-37)式中：条件：冷凝液在饱和温度下离开换热器(3)冷凝液的温度低于饱和温度时，则式4-32变为式中:Cp1冷凝液的定压比热容，kJ/(kg)Ts冷凝液的饱和温度，。(4-38)注意:热负荷和传

33、热速率的区别和联系热负荷：由工艺条件决定，是对换热器的要求传热速率：换热器本身在一定操作条件下具有的换热能力， 是换热器本身的特性对于一个能满足工艺要求的换热器，传热速率必须略大于或等于热负荷。在实际设计时，通常将两者在数值上视为相等。区别:联系:即通过热量衡算 热负荷=传热速率 传热面积A二、总传热系数K1.总传热系数计算公式当冷、热流体通过间壁换热时，其传热机理如下： 即冷热流体通过间壁换热是一个对流-传导-对流的串联过程。热量由高温壁面以导热方式通过间壁传给低温壁面；热量由低温壁面以对流方式传给冷流体。热流体以对流方式将热量传给高温壁面；分别写出各步方程:对流传热对流传热热传导对稳态传热

34、过程，各串联环节速率必然相等，即或根据串联热阻叠加原理，可得:比较得：与若取A=A1可得：(4-42a)(4-42)(4-42b)(4-42c)若取A=A2可得：若取A=Am可得：2.污垢热阻:通常污垢热阻比传热壁的热阻大得多，因而设计中应考虑污垢热阻的影响。设管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为根据串联热阻叠加原理，式4-32a可表示为(4-43)及总热阻对流热阻污垢热阻导热热阻污垢热阻对流热阻3.提高总传热系数K途径的分析b.当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，上式可简化为 a.若传热面为平壁或薄管壁时，（4-42）上式可简化为：1.若21，则1/K1/1，称为管壁外侧对流传热控制，此时欲提高K

35、值，关键在于提高管壁外侧的。3.若12，则称为管内、外侧对流传热控制，此时必须同时提高两侧的，才能提高K值。2.若12，则1/K1/2，称为管壁内侧对流传热控制，此时欲提高K值，关键在于提高内侧的。4.若管壁两侧很大，即两侧的对流传热热阻很小，而污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时欲提高K值，必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。可见，K值总是接近于小的流体的值，且永远小于的值,欲提高K值，关键是提高较小的给热系数 。c.如何提高总传热系数K4列管式换热器中的总传热系数K的经验值冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.)水水850-1700水气体17-280水有机溶剂280-850水轻油34

36、0-910水重油60-280有机溶剂有机溶剂115-340水水蒸气冷凝1420-4250气体水蒸气冷凝30-300水低沸点烃类冷凝455-1140水沸腾水蒸气冷凝2000-4250轻油沸腾水蒸气冷凝455-10201.传热方式1）在恒温差传热时:2）在变温差传热时:（2）并流三、传热平均温度差法 三类变温差传热：（1）逆流（3）一侧发生相变时当二侧无相变时，尽管与流动相垂直的某一截面（T-t）不随时间变化，但会随位置变化（Tt）（T t ）如图（3）所示。2.平均温度差问题的提出问题：式的基本前提是?此时如何用表达？若令:则:或:表示即:解决方法:采用平均方法（算术、对数？）解决假定:（1）传

37、热达到稳定，换热器与外界无热交换(热损失为零)于是:在微元传热面积dA上所传递的热量从换热器的微元传热面积考虑3.平均温度差公式的推导故冷热流体的温度差(3）总传热系数为常数(或变化时，有具体函数关系式表示) (2）冷、热流体质量流量为常数，比热容均不随温度改变又:从冷热流体的传热情况分析故:或:即:积分整理:tm为对数平均温差。注意与对数平均半径的类似性当t1/t2 2 时,tm可用算术平均值法代替,误差4%。注意:讨论:（1）此式既适用于逆流，又适用于并流（有相变亦可）逆流、并流比较：I)平均温差大（当冷、热二流体进，出口温度一定时）II)节省冷却剂或加热剂用量b.并流优势I)控制出口端冷

38、流体的温度。II)高粘度流体的加热，使温度迅速升高，增强流动性。a.逆流操作的优点（2）对于错，折流，先按逆流处理，再引入校正系数，注意；1.折流、错流时 0K，均可产生辐射；2.吸收率，反射率，透过率吸收率透过率反射率根据能量守恒：决定于物性，表面状况，温度及辐射线的波长3.透热体，白体，黑体（均为理想物体）（绝对）黑体: a=1 如表面无光泽的黑色物体（绝对）白体： =1 如磨光后的反射体Cu,Al,Ag等金属 透热体： =1 如单原子和对称双原子气体4.固体，液体，与气体的热辐射特点1）固体和液体的热辐射特点2）气体的热辐射特点b.气体的发射和吸收是在整个气体容积内进行的。a.不能透过大

39、多数液体和固体（密度所致）,即结论：1.对热辐射线不能透过的物体，其反射能力越大，吸收能力则越小；反之亦然。 2.只有能够互相照见的物体之间才能进行辐射传热b.其表面情况对热辐射影响较大。 a.在真空和大多数气体（惰性气体和对称双原子气体）中可以完全 透过。非透热体透热体4-5-2物体的辐射能力与StephenBoltzman定律 一.黑体的辐射能力与StephenBoltzman定律 辐射能力一定温度下，物体在单位表面、单位时间内所发射的全部辐射能（整个波长范围），用E表示。（W/m2）黑体辐射能力：（W/m2）其中：应用时通常改写为：其中：StephenBoltzman定律或四次方定律二、

40、 实际物体的辐射能力、黑度与灰体 1、黑度属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关2、实际物体的辐射能力或实际的发射能力在相同温度下小于黑体的发射能力。 由于黑体是全吸收 a=1，故可推论，发射能力（吸收能力）越大的物体，其吸收（发射）能力亦越大。可见:由此可见: 灰体仍是一种理想物体 灰体的吸收率a与辐射能波长无关 对非透热体，其透热率 =0，a+=1工业实际:常见固体当作灰体处理实际物体:对不同波长的辐射能有不同的吸收率，但某些物体这种变化不太大，故可近似地用灰体表示，这也是引入灰体的实际意义一般固体和液体都是非透热体3、灰体: 能以相同的吸收率部分吸收所有波长辐射能的物体4-5-3克希

41、霍夫（Kirchhoff）定律设 两壁非常接近且平行 壁I为灰体，壁II为黑体则: 壁I（灰体）发射能：E被I吸收 aEb被I反射 (1-a）Eb壁II（黑体）发射能： Eb平衡时（温度相同时）：即:一、灰体辐射能力与其吸收率a之间的关系Eb壁I T 壁II Tb 或(1-a）Eb由此可得:同一温度下在其物理意义上的差别：黑度、发射率、可以实验测得和查图。a ：吸收率，难于实验测得。Kirchhoff 定律与比较工程计算中多用物体的黑度代替吸收率 黑体的发射能力Eb只与黑体的温度T有关克希霍夫定律：或 任何灰体的发射能力E与其吸收率a之比均相等，且等于同温度下绝对黑体的发射能力Eb。二、吸收率

42、与黑度之间的关系（数值上）4-5-4两固体间的辐射传热一、辐射传热速率的计算从高温物体1传给低温物体2的辐射传热速率 可用下式计算：角系数总辐射系数,式中:A辐射传热面积，m注意:1. 表示从表面1发射的总热辐射能量到达表面2上的分数。2.若两物体表面积不相等时，A取其中较小的一个。3. 即对于相距很小，面积为A的两平行灰体壁面：角系数 当两平壁相距较远，或表面积不等时，引入角系数一物体被另一物体包围的辐射传热讨论:a. A1A2 此时：中心点辐射b. A1A2 此时：注意：1.要求被包围的表面应为平表面或凸表面2.辐射传热面积A应用被包围的物体表面积A1角系数:类无限大平行平壁辐射【例4-1

43、4】车间内有一高和宽各为3m的炉门（黑度10.70），其表面温度为600，室内温度为27。（1）试求由于炉门辐射而引起的散热速率。（2）若在炉门前25mm处放置一块尺寸和炉门相同而黑度为0.11的铝板作为热屏，则散热速率可降低多少？ 解：（1）放置铝板前由于炉门辐射而引起的散热速率于是又故由于炉门被车间四壁所包围，则以下标1、2和3分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为T3，则当传热达稳态时，炉门对铝板的辐射传热速率必等于铝板对房间的辐射传热速率，此即由于炉门辐射而引起的散热速率。因A1=A3，且两者相距很小，故可认为是两个极大平行平面间的相互辐射，故 （a）故 （2）放置铝板后由于炉门辐

44、射而引起的散热速率炉门对铝板的辐射传热速率为：铝板对房间的辐射传热速率为则： （b）于是：解得： 式中将T3值代入式b，得放置铝板后因辐射引起的散传速率可减少的百分率为二、辐射传热的强化和削弱1、改变物体表面的黑度2、采用遮热板4-5-5设备热损失计算辐射和对流的联合传热1.设备热损失：包括二部分壁面与空气对流热损失辐射热损失自然对流强制对流平壁圆筒壁流速 u5m/s流速 u5m/s对流热损失：辐射热损失：总热损失T的经验计算式：5-102至5-105 略 P285例： 5-23 P285 略4.6 换热器间壁式换热器分类：4.6.1列管式换热器（管壳式换热器）列管式（管壳式）换热器是一种传统

45、的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。一、列管式换热器构造温度补偿问题：1. 浮头补偿-浮头式换热器温差在50以上时，要考虑温度补偿问题二、列管式换热器分类一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。2. 补偿圈补偿-固定管板式换热器换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点:结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。当壳体和管子之间的温差较大(6070 )且壳体承受压力不太高时，可

46、采用补偿圈（又称膨胀节）。3.U型管补偿-U型管式换热器用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。 三、选用、设计原则冷却剂或加热剂的选定： 冷、热流体的走向： 常用的冷却剂有：水、空气、液氨等常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、烟道气、热油、联苯混合物等粘度大的或流量较小的流体- 一般原则：不洁净的或易结垢的流体-腐蚀性流体-压力高的-温度远高于环境的或远低于环境的流体-蒸汽-4.6.2其它类型的间壁式换热器一、夹套式换热器 二、强化管式换热器： 翅片管式-横向传热面积大，传热效率高，总传热系数为光管的四至八倍。三、沉浸式蛇管换热器四、喷淋式换热器五、套管式换热器六、螺旋板换热器：传热效

47、率高传热效率为列管式换热器的13倍阻力小以较低的压力损失，处理大容量蒸气或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其它换热器高。螺旋板式换热器冷入冷出热入热出冷入冷出热入热出七、板式换热器 板式换热器是由一组波纹金属板组成,板上有孔,供传热的两种流体通过。金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹紧螺栓夹紧。 板式换热器作为一种新型、高效、节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用,并且有逐步取代其它类型之趋势. 板式换热器板式换热器 强化管式换热器折流杆换热器八、热管式换热器热管工

48、作原理 一、 热管的组成（典型热管）管壳、吸液芯、工质图2.1 热管示意图1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液 热管：是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理： 在真空状态下，液体的沸点降低； 同种物质的汽化潜热比显热高的多； 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。 从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。 二、 热管的三个区段的划分 * 根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段 * 根据热管内部工质传热传

49、质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段热管简单讲，以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件实验对比三、热管的研究背景 当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。 具有良好导热性的材料有铝(202W/m)、柴铜385W/ m、和银：410W/ m)，但其导热系数只能达到 102W/m的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。 热管的相当导热系数可达105 W/m的数量级为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能 热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。卫星传热例子1 热管技术回顾（发展史）1.1 国际情况1944年，美国通用发动机公司，R.S Gaugler首先提出热管设想及概念。用于冷冻装置专利。1963年，Los Alamos国家