《化工单元操作》传热与传热设备课件

化工单元操作化工单元操作传热与传热设备传热与传热设备4.1概述(1)传热原理热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向：传热极限：传热推动力：高温→低温温度相等温度差传热应用：科研、生产、生活4.1概述传热方向：高温→低温温度相等温度差传热应用：科(2)传热的基本方式热传导：对流：辐射：

实际传热过程：固体的主要传热方式分子无规则热运动，使相邻分子间传热传热速率相对较慢单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热传热速率与流动状态密切相关物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触物体温度↑，热辐射能力↑。三种方式同时存在(2)传热的基本方式固体的主要传热方式流体主要传热方式物体发

传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。典型换热设备：间壁式换热器(冷,热流体间换热)(4)传热在工业的应用

（3）稳态传热和非稳态传热

稳态传热：各点温度分布不随时间而改变非稳态传热：各点温度随位置和时间而变传热的目的：(4)传热在工业的应用（3）稳态传热和列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-

(5)

本章研究的主要问题1）三种传热机理（计算热流量）2）换热器计算（设计、校核）3）换热设备简介(5)本章研究的主要问题热传导机理

气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。

液体：

分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递。

固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。4.2

热传导（导热）热传导机理4.2热传导（导热）4.2.1基本概念和傅立叶定律（1）温度场

指：所研究的具有一定温度分布的空间范围。稳态温度场：

非稳态温度场：稳态传热：稳态温度场中的传热各点热流量不随时间变化4.2.1基本概念和傅立叶定律稳态温度场：稳

（2）描述温度场特性的几个参数①等温面

指：具有相同温度的点组成的面

特点：等温面不会相交

②温度梯度

指：沿等温面法线方向的温度变化率方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直（2）描述温度场特性的几个参数方向：沿温度增高方（3）热流量：Φ，w(J/s)

热流密度：（4）

傅立叶定律

λ：热导率，w/mK，w/m℃

A：传热面积，m2垂直于热流方向的面积

-：Φ与方向相反(热流量从高温低温)（3）热流量：Φ，w(J/s)（4）傅立叶定律λ：热导付立叶定律表明：付立叶定律表明：4.2.2热导率说明：●物性参数，标志物质导热性能(书P239-240)●

影响因素：λ=f(材料,结构,温度,湿度,压强)

定义式:

4.2.2热导率说明：定义式:《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件一般规律：气体-

液体-

固体-一般规律：气体-t1t24.2.3平壁的稳态导热(1)单层平壁稳态导热

条件：平壁、一维稳态导热(x方向)内容：热流量计算、温度分布

对平壁做热量衡算：对稳态传热：t1t24.2.3平壁的稳态导热对稳态传热：①热导率为常数①热导率为常数平壁内的温度分布：

即：沿壁厚方向，温度分布为一直线.平壁内的温度分布：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线.

②热导率和温度有关方法一方法二：按λ=const公式做，把λλm②热导率和温度有关方法二：按λ=const公式做，把λ即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度分布：即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度(2)多层平壁的稳态导热

条件：多层平壁

一维稳态导热(x方向)

则：(2)多层平壁的稳态导热2、各层厚度相同时，哪层温差大

问题：1、多层平壁温度分布()2、各层厚度相同时，哪层温差大问题：1、多L与平壁稳态导热的异同点相同点：一维稳态导热，Φ=常数不同点：①热流方向（径向）②传热面积沿径向不同4.2.4长圆筒壁的稳态导热③L与平壁稳态导热的异同点4.2.4长圆筒壁的稳态导热③计算热流量①单层圆筒壁沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：计算热流量《化工单元操作》传热与传热设备课件②多层圆筒壁②多层圆筒壁(2)圆筒壁内温度分布

可由傅立叶定律得出：

即：沿半径方向，温度分布为非线性.(2)圆筒壁内温度分布即：沿半径方向，温度分布为非线性.4.2.5圆球壁的稳态导热（自学）

热流量：

温度分布：非线性4.2.5圆球壁的稳态导热（自学）温度分布：非线性稳态导热时，平板上两层保温材料的温度分布如图，（A、B两层厚度相等），则：A层的热导率

B层的热导率；大于ABxt提出问题?稳态导热时，大于ABxt提出解：换位置：一蒸汽管外壁温为160℃，管外径为100，采用石棉及85%氧化镁粉保温，保温层厚度均为5cm，石棉保温层在内侧，设环境温度为40℃。(1)试求单位管长的热损失，(2)将保温层位置交换，热损失有何变化？r1r2r3解：换位置：一蒸汽管外壁温为160℃，管外径为100，采用石小结:概述◆传热的基本方式:热传导、对流、辐射◆稳态传热与非稳态传热2.热传导①

基本概念：温度场、等温面、温度梯度、②傅立叶定律：③热导率：实验方法测定④热传导计算小结:概述③热导率：实验方法测定④热传导计算▲热流量计算：▲热流量计算：▲温度分布平壁：每层为线性分布，层间斜率不同圆筒壁：沿径向非线性分布▲温度分布（1）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。是流体的主要传热方式。对流传热与流体流动状况密切相关湍动程度越高，对流的传热速率越大。

层流流体：热传导；

湍流流体：对流传热为主，包括热传导。分类：自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。

强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。（2）对流传热

工程上，指流体和固体壁面间的传热过程包括对流传热和热传导4.3对流传热（1）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。4.3流体主体热边界层内4.3.1热边界层的概念

（1）热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。流体主体热边界层内4.3.1热边界层的概念（2）热边界层的厚度（3）热边界层内（近壁处）

认为：集中全部的温差和热阻热边界层外（流体主体）认为：等温区，无温差和热阻（4）热边界层同样有一个发展过程圆管内，（2）热边界层的厚度（3）热边界层内（近壁处）热边界层（5）热边界层与流动边界层关系

区别：本质不同；厚度不一定相等。

联系：研究问题方法相似；两者密切相关：分析湍流流动的传热边界层湍流区：缓冲层：层流内层：

质点通过相互混合传热，温度变化小；质点混合、分子运动共同作用传热，温度变化平缓。流体层流，质点不相混合，热传导为主，热阻大，温差大。（5）热边界层与流动边界层关系分析湍流流动的传热边界层质点通结论：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。结论：流动边界层对传热边界层影响显著，热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1th2tc1tc2th,wtc,w4.3.2对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律说明：①实验定律；②对壁两侧流体(冷、热)均适用热流体：冷流体：

③

h是计算关键，一般由实验测定；热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1（2）对流传热过程的简化模型

①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流,导热导热

研究方法：计算各层的热流量②简化模型

有效膜（虚拟膜）：

集中全部温差，以热传导方式传热。优点：把对流传热问题→导热问题（2）对流传热过程的简化模型

（1）流动状态湍动↑，

代价：湍动↑，动力消耗↑。4.4表面传热系数的经验关联4.4.1影响表面传热系数的因素

（2）流动原因

强制对流，外部机械作功，一般流速较大，h也较大。

自然对流，由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小，h也较小。（1）流动状态湍动↑，动力消耗↑。4.4表面传热系数的（3）流体的物性

λ：

ρ：

CP：

：

问题：查取物性的温度

定性温度：计算表面传热系数的特征温度一般，（3）流体的物性问题：查取物性的温度（4）传热面条件的影响壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾无相变传热：强制对流、自然对流一般的，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，蒸汽冷凝，（4）传热面条件的影响4.4.2无相变时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析①优点：②依据：③步骤：减少实验次数物理方程各项量纲一致（2）描述对流传热的四个重要无量纲数4.4.2无相变时对流传热过程的量纲分析减少实验次数物理（3）无量纲准数的物理意义

①努赛尔数▲反映对流传热的强弱，包含表面传热系数

▲努赛尔数恒大于1②雷诺数

▲反映流动状态对h的影响。l：特征尺寸，平板--流动方向的板长管--管径或当量直径（3）无量纲准数的物理意义▲反映对流传热的强弱，包含表面传③普朗特数

▲反映热扩散和动量扩散的相对大小；▲反映流动边界层和热边界层的相对厚度▲反映流体物性对传热的影响▲使用时注意：*查取定性温度下的物性；*计算所用单位③普朗特数▲反映热扩散和动量扩散的相对大小；▲反映▲物理意义：反映自然对流的强弱程度

④格拉晓夫数（浮升力特征数）强制对流：自然对流：混合对流：▲物理意义：反映自然对流的强弱程度④格拉晓夫数（浮升力4.4.3

无相变时对流传热无相变对流传热：其中，（1）无相变管内强制对流一般关系式：流动状态不同，则c,m,n不同。其规律见图4.4.1传热流动状态划分（区别于流体流动时规律）层流湍流过渡流4.4.3无相变时对流传热（1）无相变管内强制对流流动状

流体被加热，n=0.4

流体被冷却，n=0.3

原因：书P257自学①园形直管内湍流流体的表面传热系数

a)一般流体定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径di说明：▲▲保证流体达到传热湍流；适用条件：流体被加热，n=0.4①园形

原因：避开传热进口段，保证稳态传热。

传热进口段：传热正在发展，h不稳定(随管长增加h减小)动画原因：避开传热进口段，保证稳态传热。动画传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度层流湍流

▲

经验公式，有一定误差保证流体低粘度传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度▲经验公近似取：液体被加热液体被冷却适用条件：

b)

粘度较大流体定性温度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管内径dic)流体流过短管（l/d<50）影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。

计算：采用以上各式，并加以校正近似取：液体被加热b)粘度较大流体定性温度：tm=(t1+d)圆形直管内过渡流时表面传热系数过渡流：

计算：采用湍流公式，但需加以校正。说明：设计换热器时，一般避免过渡流。d)圆形直管内过渡流时表面传热系数采用湍流公式，但

e)圆形直管内强制层流

特点：1）传热进口段的管长所占比例较大

2）热流方向不同，也会影响。

3）自然对流的影响，有时不可忽略计算：适用条件：定性温度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管内径die)圆形直管内强制层流定性温度：tm=(t1+t2)/2

f)圆形弯管内的强制对流特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流

后果：流体湍动程度增加，使h增加；

同时，流动阻力损失增加。计算：g)非圆形管内强制对流方法1、采用圆形管内相应的公式计算

但特征尺寸采用当量直径2、最好采用专用、经验公式。如：套管环隙f)圆形弯管内的强制对流g)非圆形管内强制对《化工单元操作》传热与传热设备课件有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）例：水4.4.4蒸汽冷凝与液体沸腾②相变过程有其特殊传热规律③饱和相变温度恒定，与压力对应，便于控制。例：工厂中，常用压力表示饱和水蒸汽的等级有相变对流传热的特点4.4.4蒸汽冷凝与液体沸腾②相变(1)蒸汽冷凝机理▲蒸汽侧实际为蒸汽相和凝液相共存。▲传热热阻几乎全部集中在凝液相中

冷凝方式：①膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面②滴状冷凝凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），有裸露壁面，直接传递相变热。问题：比较两种冷凝方式的表面传热系数

h滴状冷凝>h膜状冷凝，相差几倍到几十倍但工业操作：多为膜状冷凝(成熟)(1)蒸汽冷凝机理(2)膜状冷凝表面传热系数①努塞尔方程研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝方法：真实模型→简化模型→数学模型求解◆膜状冷凝的真实过程h(2)膜状冷凝表面传热系数◆膜状冷凝的真实过程膜状冷凝传热膜系数的经验关联受力分析、质量衡算、热量衡算实验①垂直管外或壁面上的冷凝

1）液膜层流2）液膜湍流

膜状冷凝传热膜系数的经验关联2）液膜湍流

特征尺寸b：取管长l

此式和实验结果基本一致。

②水平管冷凝表面传热系数

1）水平单管外冷凝理论计算：将竖壁对方位角做积分（0-1800）

层流时，蒸汽冷流体

2）水平管束外的冷凝

与单管外冷凝的区别各排管子相互影响，传热系数依次下降第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响。凝液量增加，液膜变厚，表面传热系数依次下降；扰动加剧，表面传热系数依次增加。2）水平管束外的冷凝与单管外冷凝的区别各排《化工单元操作》传热与传热设备课件3）水平管内冷凝特点：考虑蒸汽流速对h的影响

(1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出，可采用管外冷凝公式计算。(2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动，应参考有关公式。蒸汽凝液不凝气3）水平管内冷凝蒸汽凝液不凝气(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温度差：

流体物性的影响：

不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。

蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于蒸气饱和温度，壁面无冷凝发生，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，壁面有冷凝发生，按饱和蒸汽冷凝处理。

蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；流速较大时，蒸气与液膜流动同向，h增大；流速较大时，蒸气与液膜流动反向，h减小。(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温冷凝表面传热系数通常远大于对流表面传热系数tts冷凝表面传热系数通常远大于对流表面传热系数tts小结:管外强制对流

(a)流体横向流过单根管外(b)流体横向流过管束的表面传热系数

(c)流体在列管换热器管壳间的传热任一排管子：小结:(b)流体横向流过管束的表面传热系数(c)流体在◆当量直径

正方形排列正三角形排列

◆流速(2)自然对流传热◆当量直径正三角形排列◆流速(2)自然对流传(3)蒸汽冷凝1)蒸汽冷凝机理冷凝方式：①膜状冷凝②滴状冷凝两种冷凝方式的表面传热系数:h滴状冷凝>h膜状冷凝2)膜状冷凝表面传热系数◆

垂直管外或壁面上的冷凝

1）液膜层流2）液膜湍流

(3)蒸汽冷凝1)蒸汽冷凝机理2)膜状冷凝表面传热◆水平单管外冷凝◆

水平管束外的冷凝◆单根水平圆管与垂直圆管的表面传热系数之比◆水平单管外冷凝◆水平管束外的冷凝◆单根水平圆管与垂直

沸腾:

沸腾时，液体内部有气泡产生，气泡产生和运动情况，对h影响极大。沸腾分类：

①按设备尺寸和形状不同

池式沸腾（大容积饱和沸腾）

强制对流沸腾（有复杂的两相流）

②按液体主体温度不同

过冷沸腾：液体主体温度t<ts，气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：（常用）

t≥ts，气泡进入液体主体后不会冷凝。液体沸腾传热及其影响因素液体主体t<ts液体主体

t≥ts

沸腾:沸腾时，液体内部有气泡产生，液体沸腾传热及(1)大容积饱和沸腾传热机理①气泡能够存在的条件：abcd气泡的生成过程

气泡的力平衡plpvrσσ(1)大容积饱和沸腾传热机理abcd气泡的生成过程2）必须有汽化核心②汽泡产生的条件

1）液体必须过热提供必须的汽化热量●无汽化核心，气泡不会产生●液体过热度增大，汽化核心数增多汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。2）必须有汽化核心②汽泡产生的条件●无汽化核心，气泡实验条件:

大容积、饱和沸腾(2)大容积饱和沸腾曲线曲线获得：实验条件:大容积、饱和沸腾AB段：自然对流，无汽泡产生，h缓慢增加CD段：核状、膜状共存，膜覆盖为主，Δt↑，h↓DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，Δt↑，h↓

而后辐射作用加强，Δt↑，h↑曲线分析:BC段：核状沸腾**过热度↑,汽化核心数↑,气泡产生和长大速度↑,h↑**汽膜覆盖↑，使h↓

当两者作用相抵消，出现转折点—临界点（C点）

临界值：Δt、q、AB段：自然对流，无汽泡产生，h缓慢增加CD段：核状、问题：工业上，应在哪个区域操作?

严格控制在核状沸腾区问题：沸腾时，何处热阻集中靠近加热面的液体薄层内（同对流传热），但由于气泡产生，使液体扰动↑，因此：问题：工业上，应在哪个区域操作?严格控制在核状沸(3)影响的因素①物性

②压力

③温度差

④加热壁面的影响不同阶段，影响不同

粗糙壁面,h↑，光滑的壁面,h↓；

被油脂污染的壁面,h↓，清洁表面,h↑；

水平管束沸腾传热，上排管h↓。(3)影响的因素不同阶段，影响不同

粗糙壁面,(4)沸腾传热膜系数参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。（a）水在105~4*105Pa压力下的核状沸腾（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾(4)沸腾传热膜系数（b）不同液体在不同清洁面上的核状4.5辐射传热热辐射举例：太阳能、裂解炉、红外灯、高温设备散热本节解决的问题：（1）何谓热辐射（2）辐射传热的基本概念、特点（3）辐射传热的基本规律（4）辐射传热的传热量计算发射辐射能吸收辐射能4.5辐射传热发射辐射能吸收辐射能4.5.1辐射传热基本概念

(1)热辐射绝对温度大于0的物体，都不停地以电磁波的形式向外辐射能量。同时不断吸收来自外界的辐射能。物体以电磁波的形式向外发射能量的过程,称为热辐射。一定波长内(0.4-40μm，主要是可见光和红外光)，具有热效应。*以电磁波形式传播，不需要任何介质进行传递。*两次能量形式转化--内能1

→电磁波能→内能2

热辐射可穿越真空，但对流、热传导不能能在均一介质中作直线传播服从光的反射、折射定律(2)特点

(3)辐射传热的规律4.5.1辐射传热基本概念绝对温度大于0的物体，都不停地以吸收率反射率透射率

黑体：能全部吸收辐射能的物体A=1；

白体：能全部反射辐射能的物体R=1；

透热体：能全部透过辐射能的物体D=1

灰体：能以相同的吸收率A，吸收全部波长辐射能的物体。工业上，多数物体都可近似视为灰体(A相差不大)。吸收率反射率透射率黑体：能全部吸4.5.2发射能力和辐射基本定律

(1)

发射能力E(辐射能力)W/m2

指：一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全部波长的总能量。一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总能量。△单色发射能力Eλ：W/m2

指：△黑体的发射能力E0：4.5.2发射能力和辐射基本定律一定温度下，单位时间，单(2)辐射基本定律①普朗克定律

(2)辐射基本定律《化工单元操作》传热与传热设备课件

灰体的发射能力实验证明：

②斯蒂芬-波尔茨曼定律表明黑体的发射能力与温度的关系C：灰体的发射系数C<C0

C=f(物性、温度、表面)灰体的发射能力②斯蒂芬-波尔茨曼定律C：

表明灰体接近黑体的程度，

ε可由实验测定（书P283表4.5.1）黑度（发射率）③克希霍夫定律

设：A---灰体

B---黑体

A发射辐射能：全部被B吸收

B

发射辐射能：被A吸收---

被A反射---A，灰体，E1，A1B，黑体，E0，A0E1E0表明灰体接近黑体的程度，黑度（发射率）③克希霍夫定热平衡时，即：对任何物体，发射能力和吸收率比值为常数，且等于同温度下，黑体的发射能力。

即：同温度下，任一物体吸收率等于黑度。A，灰体，E1，A1B，黑体，E0，A0E1E0热平衡时，即：对任何物体，发射能力和吸收率比值为常数，T2两无限大平壁间辐射有效辐射：

4.5.3 固体表面间的辐射传热固体：可视为灰体，A=常数，A+R=1

辐射在固体表面进行T2两无限大平壁间辐射4.5.3 固体表面间的辐射传

φ：角系数(总能量被壁面拦截分率)。φ=f(两壁面形状，大小，相对位置，距离等）几种简单情况的角系数(见P285表4.5.2，图4.5.5)φ：角系数(总能量被壁面拦截分率)。4.5.4气体的热辐射

气体：单、对称双原子气体---近似透热体。多原子气体(CO2、H2O汽)---高温时具有很强发射和吸收能力。

气体辐射特点：*选择性--只发射和吸收某一波长范围的辐射能；*容积辐射特性--吸收和发射在整个体积内进行；

热辐射穿过气体层时，辐射能量被沿途气体分子吸收而逐渐减少。4.5.4气体的热辐射气体：单、对称双指：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。例：设备表面的热损失，对流+热辐射间壁换热过程中，对流+导热

(2)设备热损失计算热损失：4.5.5复合传热与设备热损失的计算

(1)复合传热tw环境t指：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。4.5.5复

经验关联式（空气自然对流时）：平壁保温层外：圆管保温层外：经验关联式（空气自然对流时）：保温层ri,tir0,t0环境(3)绝热层的临界半径

问题：加保温层是否一定能保温?

设：稳态传热，管道外表面与环境间热损失：保温层ri,tir0,t0环境(3)绝热层的临界半径设：稳保温层的选择：对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件：应从λ、hT两方面考虑，选择合适的保温层材质。

增加绝热层厚度，热损失可能增加，增加绝热层厚度，热损失一定减小。保温层的选择：应从λ、hT两方面考虑，4.6

传热过程计算

基本理论：热量衡算方程

传热速率方程

4.6传热过程计算基本理论：热量衡算方程4.6.1热流量衡算方程稳态传热，忽略热损失时，冷流体吸收热量=热流体放出热量

(1)无相变传热4.6.1热流量衡算方程(2)有相变传热

一侧有相变：两侧均有相变：目的：①计算换热过程中，各流股的热流量间关系。②各流股间相互制约，热量守恒。(2)有相变传热目的：4.6.2总传热速率方程

温度不太高时，间壁传热过程为：热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1th2tc1tc24.6.2总传热速率方程热流体冷流体对流传热对流传热Q导各部分传热速率方程：管内侧流体：管壁导热：管外侧流体：对稳态传热:热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1th2tc1tc2各部分传热速率方程：热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-

其中，th-tc：总传热温差，即冷、热流体温度差

A：传热面积m2，

K：总传热系数，W/m2K

注意：*K与A对应，选Ai、Am或Ao

其中，th-tc：总传热温差，即冷、热流体温度差(1)K的计算工程上规定，以传热管外表面积A0为基准，*实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻

4.6.3 总传热系数KK：表明传热过程的热阻大小。热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1th2tc1tc2(1)K的计算4.6.3 总传热系数KK：表明传热过程圆管中：

平壁：

常用K值范围见P295表4.6.2圆管中：平壁：常用K值范围见P294.6.4平均传热温差

(1)恒壁温传热

两侧流体温度恒定：(2)变温传热①一侧有温度变化4.6.4平均传热温差(2)变温传逆流并流②两侧流体均有温度变化逆流并流②两侧流体均有温度变化

沿管长某截面取微元传热面积dA，

传热速率方程：

热量衡算方程：当qmhcph、qmccpc=常数时，

Φ-th、Φ-tc为线性关系，

Φ-(th-tc)也为线性关系。沿管长某截面取微元传热面积dA，当qmhcph、qmcc《化工单元操作》传热与传热设备课件逆流并流逆流并流说明：①逆流：并流：②③进、出口条件相同时（书P298例），

工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）说明：②③进、出口条件相同时（书P298例），④一侧有变化，另一侧恒温时,⑤错流、折流时平均温差图算法④一侧有变化，另一侧恒温时,⑤错流、折流时平均温差

设计型计算操作型计算已知:T1,T2,t1,t2,qmc,qmh,K

求:传热面积A已知:T1,t1,qmc,qmh,K,A

求:T2

、t24.6.5传热效率和传热单元数法

问题的提出:

设计型计算无需试差法,操作型计算需用试差法。设计型计算

●设计型计算

总之，对于设计型计算冷热流股的温度都已知，或者说可以通过热流量衡算达到已知，无需试差。●设计型计算总之，对于设计型计算冷热流股的温度都已知，●

操作型计算已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体，若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热单元数法，则能避免试差而方便地求得其解。●操作型计算若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热单(1)

传热效率和传热单元数

①传热效率(1)传热效率和传热单元数①传热效率②传热单元数NTU(TheNumberofTransferUnits)t1t2T1T2温度dTdtdA传热面积②传热单元数NTU(TheNumberofT《化工单元操作》传热与传热设备课件③传热效率和传热单元数的关系

③传热效率和传热单元数的关系

查图4.6.10及4.6.11P305查图4.6.10及4.6.11P305◆应用

已知R和NTU，可求得ε

，进而求T2

和t2

，可避免试差计算。

《化工单元操作》传热与传热设备课件小结:传热过程的计算（1）传热过程的热流量衡算无相变传热有相变传热小结:无相变传热总传热系数和表面传热系数对流对流热传导冷物流热物流TQT1T2T3h1h2h3Q1Q2Q3TU=f(hi)总传热系数和表面传热系数对流对流热传导冷物流热物流TQT（2）传热速率方程间壁式传热各部分传热速率方程：管内侧流体：管壁导热：管外侧流体：热流体冷流体对流传热对流传热Q导热th1th2tc1tc2对稳态传热，（2）传热速率方程间壁式传热各部分传热速率方程：热注意：*K与A对应，选Ai、Am或Ao热阻注意：*K与A对应，选Ai、Am或Ao实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻，工程上规定，以传热管外表面积Ao为基准，圆管中：实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻，圆管中：（3）壁温计算利用两侧的传热速率方程，或管壁的导热方程结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度（3）壁温计算结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度（4）平均温度差的计算（4）平均温度差的计算错流、折流时平均温差图算法错流、折流时平均温差

（5）平均传热温差

1)恒壁温传热

2)变温传热

说明：①逆流：并流：（5）平均传热温差2)变温传热◆进、出口条件相同时◆一侧有变化，另一侧恒温时◆错流、折流时平均温差◆进、出口条件相同时◆一侧有变化，另一侧恒温时◆错流、折流

（6）传热效率和传热单元数法①

传热效率

②传热单元数NTU(qmCp)c较小(qmCp)h较小（6）传热效率和传热单元数法①传热效率②传热单元数N③

传热效率和传热单元数的关系

查图4.6.10及4.6.11P305③传热效率和传热单元数的关系查图4.6.10及4.6.11.按用途分类

加热器、冷却器、冷凝器、再沸器。2.按传热特征分类

直接接触式换热器；蓄热式换热器；

间壁式换热器。

4.7换热设备1.按用途分类4.7换热设备《化工单元操作》传热与传热设备课件二

.间壁式换热器

1.管式换热器沉浸蛇管式;P282

喷淋式冷却器;p282

套管式换热器;

列管式换热器:I,II,（空冷，翅片管P302)

2.板式换热器

夹套式换热器;P282螺旋板式换热;p300

波纹板式换器;

板翅式换热器.二.间壁式换热器1.管式换热器套管式换热器◎结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。

◎优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。套管式换热器◎结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，夹套式换热器夹套式换热器沉浸式蛇管换热器◎结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。

◎优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。

◎缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。沉浸式蛇管换热器◎结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成喷淋式换热器◎结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。

◎优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。

◎缺点：喷淋不易均匀。

喷淋式换热器◎结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固板式换热器板式换热器《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件热管热管三、列管式换热器

固定管板式浮头式U型管式

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。

◎优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。

◎结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。三、列管式换热器

固定管板式浮头式U型管式

T1T2t1t21)单程壳体、传热管

2)多程◆多管程：分程隔板单管程→双管程时，

流通截面积：

传热面积：1列管式换热器的结构作用：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，

hi↑，强化传热。T1T2t1t2◆多壳程：

相当于单壳程串联，传热面积↑。T1T2t1t21)单程1列管式换热器的结构2.列管式换热器分类及特点1).固定管板式换热器

2).浮头式换热器

3).U形管式换热器

2.列管式换热器分类及特点1).固定管板式换热器1).固定管板式换热器

结构简单,成本低壳程不易机械清洗可能产生较大的热应力使用场合:

壳程流体不易结垢或容易化学清洗

壳体与传热管壁温度之差小于50C,否则加膨胀节1).固定管板式换热器《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件2).浮头式换热器

结构较为复杂,成本高,

消除了温差应力

应用广泛.2).浮头式换热器

3).U形管式换热器特点两者兼顾.3).U形管式换热器《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件安装：常用形式：弓形，圆盘形

T1T2t1t2折流挡板作用：代价：提高壳程流体湍动程度(Re>100即达湍流)↑h0，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用壳体阻力↑，系统动力消耗↑。安装：弓形，圆盘形T1T2t1t2折流挡板提高壳程《化工单元操作》传热与传热设备课件

弓形圆盘形弓形圆盘形《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件温度补偿原因：

补偿方法：作用：管、壳温度不同，产生热应力，Δt>50℃时，管弯曲、断裂或管板变形固定管板式--加膨胀节浮头、U形管式—本身具有补偿能力消除热应力温度补偿管、壳温度不同，产生热应力，固定管板式--加膨胀节消《化工单元操作》传热与传热设备课件4.7.2列管式换热器的设计和选用

要求：根据生产任务(th1,th2,tc1,tc2,qmc,qmh,K)

设计或选择：合适的换热器

(计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等）步骤:(1)选择流程

(2)流速的选择

(3)计算平均传热温差

(4)估算传热面积A(5)确定单壳程内的管程数Np(6)确定壳体内径Di(7)选择、设计换热器

(8)换热器核算th1th2tc1tc24.7.2列管式换热器的设计和选用th1th2tc1tc2(1)选择流程一般原则

管程：壳程：

△不清洁、易结垢流体；△腐蚀性物料；△压力高的物料；△需提高流速强化传热的流体。▲粘度大的物料；▲被冷却的物料；▲蒸气冷凝和液体沸腾。(2)流速的选择

同时考虑传热和流动阻力两方面，选择常用的流速范围（书P311表4.7.1）必要时，采用多管程结构一般的，流速：管程>壳程气体>液体(1)选择流程一般原则△不清洁、易结垢流体；▲粘度大的(3)计算平均传热温差查书P301图4.6.6：εΔt<0.8时，用单壳程不稳定原因：换热器内出现温度交叉或温度逼近现象，使传热效率降低。避免措施：采用多壳程或多个换热器串联th1ht2tc1tc2(3)计算平均传热温差查书P301图4.6.6：εΔt<1）两流体无温度交叉(εΔt>0.8)时，用单壳程；2）有温度交叉时，●试差法P301图4.6.6●图解法P312图4.7.10壳程数Ns(或换热器个数)确定：计算传热温差：(4)估算传热面积A

方法：假设K值（书P295表4.6.2）为增大裕度，假设值可选小。(5)确定单壳程内的管程数Np1）选择管规格1）两流体无温度交叉(εΔt>0.8)时，用单壳程；壳程数单管程时管根数n：

单管程时管长：3）选择管排列方式

★正方形

★正三角形

★同心圆

4）确定管程数Np（一个壳程内）

2）选择管长，系列标准单管程时管根数n：3）选择管排列方式2）选择管长，系列标准

管程数：

单壳程内传热管数目：(6)确定壳体内径Di

单管程：多管程：(7)选择换热器

1）选择标准系列书P427附录U2）根据设计参数，自行加工定做管程数：(6)确定壳体内径Di(7)选择换热器管程阻力：

壳程阻力：(8)换热器核算

1）阻力计算管程阻力：(8)换热器核算2）传热系数K校核按照选定换热器，计算K计

需满足：3）传热面积A校核计算传热面积A计

设：换热器实际传热面积Ap

需满足：传热面积裕度：2）传热系数K校核3）传热面积A校核设：换热器实际传热面积A1、估计传热面积

2、初步结构设计

3、核算阻力

4、核算传热能力详见《化工原理课程设计》设计示例书P316例4.7.1总结设计步骤1、估计传热面积总结设计步骤4.7.3 换热器的传热强化途径强化方法：提高K、A或Δtm问题：强化传热的目的经济观点：↓传热面积，使设备费用降低。（1）提高K值①

降低污垢热阻；②提高表面传热系数问题：提高哪一侧h最有效

*若hi<<h0，提高h小(hi)的一侧；*两侧h相近，应同时提高两侧流体的h。4.7.3 换热器的传热强化途径强化方法：提高K、A或Δtm●提高表面传热系数h的方法*无相变传热

1）提高管内流速

作用：

代价：

经济优化：↑扰动，↑K，强化传热（热流量相同时，A↓，设备费用↓）；流动阻力↑，动力消耗↑，操作费用↑。

选择适宜流速，使总费用最低。●提高表面传热系数h的方法作用：↑扰动，↑K，强化传提高流速的方法：非工艺物流：工艺物流：壳程：管程：改变流量减小流通截面积增加折流挡板数目

单管程→双(多)管程T1T2t1t2T1T2t1t2流通截面积：

传热面积：提高表面传热系数的h的方法

2）制造人工粗造表面

3）加设扰流元件提高流速的方法：非工艺物流：改变流量减小流通截面积增加折流挡●

提高表面传热系数的h的方法*有相变传热

冷凝：1）采用滴状冷凝，

2）及时排放不凝气体，

3）气、液流向一致，

4）合理布置冷凝面，

5）利用表面张力（沟槽，金属丝）

沸腾：

1）保持核状沸腾，

2）制造人工表面，增加汽化核心数。

●提高表面传热系数的h的方法

（2）提高传热推动力

限制：

适用：

例：两侧均为工艺物流时，不能任意改动。一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时，其进口温度可调。

增加加热蒸汽压力，

降低冷却水进口温度

（3）增加传热面积改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。如：翅片管换热器、板翅换热器

P331图4.7.22，图4.7.24T1T2t1t2（2）提高传热推动力两侧均为工艺物流时，不能任意改动。光直翅片锯齿翅片多孔翅片错流逆流光直翅片锯齿翅片多孔翅片错流逆流纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管缩放管纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管缩放管化工单元操作化工单元操作传热与传热设备传热与传热设备4.1概述(1)传热原理热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向：传热极限：传热推动力：高温→低温温度相等温度差传热应用：科研、生产、生活4.1概述传热方向：高温→低温温度相等温度差传热应用：科(2)传热的基本方式热传导：对流：辐射：

实际传热过程：固体的主要传热方式分子无规则热运动，使相邻分子间传热传热速率相对较慢单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热传热速率与流动状态密切相关物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触物体温度↑，热辐射能力↑。三种方式同时存在(2)传热的基本方式固体的主要传热方式流体主要传热方式物体发

传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。典型换热设备：间壁式换热器(冷,热流体间换热)(4)传热在工业的应用

（3）稳态传热和非稳态传热

稳态传热：各点温度分布不随时间而改变非稳态传热：各点温度随位置和时间而变传热的目的：(4)传热在工业的应用（3）稳态传热和列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-

(5)

本章研究的主要问题1）三种传热机理（计算热流量）2）换热器计算（设计、校核）3）换热设备简介(5)本章研究的主要问题热传导机理

气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。

液体：

分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递。

固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。4.2

热传导（导热）热传导机理4.2热传导（导热）4.2.1基本概念和傅立叶定律（1）温度场

指：所研究的具有一定温度分布的空间范围。稳态温度场：

非稳态温度场：稳态传热：稳态温度场中的传热各点热流量不随时间变化4.2.1基本概念和傅立叶定律稳态温度场：稳

（2）描述温度场特性的几个参数①等温面

指：具有相同温度的点组成的面

特点：等温面不会相交

②温度梯度

指：沿等温面法线方向的温度变化率方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直（2）描述温度场特性的几个参数方向：沿温度增高方（3）热流量：Φ，w(J/s)

热流密度：（4）

傅立叶定律

λ：热导率，w/mK，w/m℃

A：传热面积，m2垂直于热流方向的面积

-：Φ与方向相反(热流量从高温低温)（3）热流量：Φ，w(J/s)（4）傅立叶定律λ：热导付立叶定律表明：付立叶定律表明：4.2.2热导率说明：●物性参数，标志物质导热性能(书P239-240)●

影响因素：λ=f(材料,结构,温度,湿度,压强)

定义式:

4.2.2热导率说明：定义式:《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件《化工单元操作》传热与传热设备课件一般规律：气体-

液体-

固体-一般规律：气体-t1t24.2.3平壁的稳态导热(1)单层平壁稳态导热

条件：平壁、一维稳态导热(x方向)内容：热流量计算、温度分布

对平壁做热量衡算：对稳态传热：t1t24.2.3平壁的稳态导热对稳态传热：①热导率为常数①热导率为常数平壁内的温度分布：

即：沿壁厚方向，温度分布为一直线.平壁内的温度分布：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线.

②热导率和温度有关方法一方法二：按λ=const公式做，把λλm②热导率和温度有关方法二：按λ=const公式做，把λ即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度分布：即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度(2)多层平壁的稳态导热

条件：多层平壁

一维稳态导热(x方向)

则：(2)多层平壁的稳态导热2、各层厚度相同时，哪层温差大

问题：1、多层平壁温度分布()2、各层厚度相同时，哪层温差大问题：1、多L与平壁稳态导热的异同点相同点：一维稳态导热，Φ=常数不同点：①热流方向（径向）②传热面积沿径向不同4.2.4长圆筒壁的稳态导热③L与平壁稳态导热的异同点4.2.4长圆筒壁的稳态导热③计算热流量①单层圆筒壁沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：计算热流量《化工单元操作》传热与传热设备课件②多层圆筒壁②多层圆筒壁(2)圆筒壁内温度分布

可由傅立叶定律得出：

即：沿半径方向，温度分布为非线性.(2)圆筒壁内温度分布即：沿半径方向，温度分布为非线性.4.2.5圆球壁的稳态导热（自学）

热流量：

温度分布：非线性4.2.5圆球壁的稳态导热（自学）温度分布：非线性稳态导热时，平板上两层保温材料的温度分布如图，（A、B两层厚度相等），则：A层的热导率

B层的热导率；大于ABxt提出问题?稳态导热时，大于ABxt提出解：换位置：一蒸汽管外壁温为160℃，管外径为100，采用石棉及85%氧化镁粉保温，保温层厚度均为5cm，石棉保温层在内侧，设环境温度为40℃。(1)试求单位管长的热损失，(2)将保温层位置交换，热损失有何变化？r1r2r3解：换位置：一蒸汽管外壁温为160℃，管外径为100，采用石小结:概述◆传热的基本方式:热传导、对流、辐射◆稳态传热与非稳态传热2.热传导①

基本概念：温度场、等温面、温度梯度、②傅立叶定律：③热导率：实验方法测定④热传导计算小结:概述③热导率：实验方法测定④热传导计算▲热流量计算：▲热流量计算：▲温度分布平壁：每层为线性分布，层间斜率不同圆筒壁：沿径向非线性分布▲温度分布（1）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。是流体的主要传热方式。对流传热与流体流动状况密切相关湍动程度越高，对流的传热速率越大。

层流流体：热传导；

湍流流体：对流传热为主，包括热传导。分类：自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。

强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。（2）对流传热

工程上，指流体和固体壁面间的传热过程包括对流传热和热传导4.3对流传热（1）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。4.3流体主体热边界层内4.3.1热边界层的概念

（1）热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。流体主体热边界层内4.3.1热边界层的概念（2）热边界层的厚度（3）热边界层内（近壁处）

认为：集中全部的温差和热阻热边界层外（流体主体）认为：等温区，无温差和热阻（4）热边界层同样有一个发展过程圆管内，（2）热边界层的厚度（3）热边界层内（近壁处）热边界层（5）热边界层与流动边界层关系

区别：本质不同；厚度不一定相等。

联系：研究问题方法相似；两者密切相关：分析湍流流动的传热边界层湍流区：缓冲层：层流内层：

质点通过相互混合传热，温度变化小；质点混合、分子运动共同作用传热，温度变化平缓。流体层流，质点不相混合，热传导为主，热阻大，温差大。（5）热边界层与流动边界层关系分析湍流流动的传热边界层质点通结论：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。结论：流动边界层对传热边界层影响显著，热流体冷