传热过程及换热器课件

化学与材料工程学院第四章传热过程及换热器蒋天智化学与材料工程学院第四章化学与材料工程学院4.1化工生产中的传热过程及换热器

1、化工生产中的传热过程传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的目的不外乎是以下三种：

1.加热或冷却2.换热3.保温可见，传热过程是普遍存在的。化学与材料工程学院4.1化工生产中的传热过程及换热器化学与材料工程学院2、传热基本方式

一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：传导传热，对流传热和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。化学与材料工程学院2、传热基本方式化学与材料工程学院（1）传导传热

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而异，具体为：固体金属：自由电子运动在晶格之间；液体和非金属固体：个别分子的动量传递；气体：分子的不规则运动。化学与材料工程学院（1）传导传热化学与材料工程学院（2）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。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流。化学与材料工程学院（2）对流传热化学与材料工程学院（3）辐射传热

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。通常在高温下热辐射才是主要方式。化学与材料工程学院（3）辐射传热化学与材料工程学院3、间壁式换热器单程列管式换热器1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板化学与材料工程学院3、间壁式换热器单程列管式换热器化学与材料工程学院

套管式换热器1—内管2—外管热冷间壁化学与材料工程学院

化学与材料工程学院双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板化学与材料工程学院双程列管式换热器化学与材料工程学院4.2传导传热传热的一些基本概念1、温度场

物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可表为：t=f(x,y,z,τ)

式中

t------温度；

x,y,z-------任一点的空间座标；

τ-------时间；如果温度场内各点的温度随时间而变化，此温度场称为不稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化，则称为稳定温度场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一般情况下很难找到其数学表达式。化学与材料工程学院4.2传导传热化学与材料工程学院

2、等温面

在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称为等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程中所指的等温面一般是平面。

3、温度梯度

从任一点起，沿等温面移动，由于温度不发生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向移动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的变化在与等温面垂直的方向最大。如图所示。化学与材料工程学院

2、等温面在某个时刻相同温度的各点所化学与材料工程学院

对于冷热流体分别流过管外和管内时发生的热量传递的情况，其传热面积为A=πdL，d可为管内径或外径，L为管长，可人为指定，如图中的B。4、传热面积A

在传热过程中，垂直于热量传递方向的截面积，称为传热面积，以A表示。对于平面壁，传热面积即为A，如图3-6中的A；化学与材料工程学院

对于冷热流体分别流过管外和管内时发生的热化学与材料工程学院

5、传热速率Q单位时间内通过全部传热面积所传递的热量称为传热速率以Q表示，单位为J/s或w即瓦。显然，Q数值的大小即表示传热过程的快与慢。

6、恒压比热Cp指压强恒定时（常指1atm绝对压）单位质量物质温度升高1K时所需的热量，单位为J/kg·K。Cp值一般是温度的函数，但本课程把它作常数来处理，或者采用平均值。

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5、传热速率Q单位时间内通过全部传化学与材料工程学院

7、定态传热与非定态传热

与流体流动中有定态流动和非定态流动一样，传热过程有定态传热与非定态传热，若传热系统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变化，则称此传热过程为定态传热。其特点是单位时间内通过传热面积的热量是常量，即传热速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属于定态传热。若传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，则称此传热过程为非定态传热过程，在这种情况下，传热速率不再是常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属于非定态传热。化学与材料工程学院

7、定态传热与非定态传热

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8、加热剂与冷却剂

在传热过程中，按照传热的目的可将载热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进行加热的载热体，称为加热剂，常用来作加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使物料冷却的载热体，称为冷却剂，常用来作冷却剂的有冷水，空气等；如果要把物料的温度降到0℃以下，此时的冷却剂又称冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下，使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要仔细的权衡和选择。化学与材料工程学院

8、加热剂与冷却剂

在传热过化学与材料工程学院1、传导传热的基本方程式----傅立叶定律在一质量均匀的平板内，当t1>t2热量以导热方式通过物体,从t1向t2方向传递,如图所示。化学与材料工程学院1、传导传热的基本方程式----傅立叶定律化学与材料工程学院

取热流方向微分长度dδ，在dt的瞬时传递的热量为Q，实验证明，单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：

dQ∝dA·dt/dδ写成等式为：dQ/dτ=

-λA·dt/dδΦ=

Q/τ=

-λA·dt/dδ式中

Q-导热速率，w;A-导热面积，m2；

dt/dδ-温度梯度，K/m；λ-比例系数，称为导热系数，w/m·K；由于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，称为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均适用。化学与材料工程学院取热流方向微分长度dδ，在dt的化学与材料工程学院导热系数λ

导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数λ的值越大，表示其导热性能越好。物质的导热性能，也就是λ数值的大小与物质的组成、结构、密度、温度以及压力等有关。λ的物理意义为：当温度梯度为1K/m时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量，其单位为W/m·K或W/m·℃。

各种物质的λ可用实验的方法测定。一般来说，金属的λ值最大，固体非金属的λ值较小，液体更小，而气体的λ值最小。各种物质的导热系数的大致范围如下：

金属

2.3～420w/m·K；

建筑材料

0.25～3w/m·K

绝缘材料

0.025～0.25w/m·K；液体

0.09～0.6w/m·K

气体

0.006～0.4w/m·K。化学与材料工程学院导热系数λ化学与材料工程学院

物料

λw/m℃物料λw/m℃铝204石棉0.15紫铜65混凝土1.28黄铜93绒毛毯0.046铜383松木0.14～0.38铅35建筑用砖砌0.7～0.8钢45耐火砖砌1.04不锈钢17绝热砖砌0.12～0.12铸铁45～9085%氧化镁粉0.07②银411锯木屑0.07镍88软木0.043铝204石棉0.15化学与材料工程学院物料λw/m℃物料λw/m化学与材料工程学院2、间壁式换热器壁面的热传导

(1)平面壁的定态热传导同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。化学与材料工程学院2、间壁式换热器壁面的热传导化学与材料工程学院，传热面积A和导热系数

λ也是常量，按傅里叶定律分离变量并积分可得

Φ=Q/τ=λA(t1-t2)/δ

化学与材料工程学院，传热面积A和导热系数λ也是常量，按傅里化学与材料工程学院(2)圆筒壁的定态传热圆筒的内半径为r1,外半径为r2，长度为L。若在半径为r处取一微分厚度dr，则传热面积A=2πrL可以看成是常数。由傅立叶定律，通过这一微分厚度dr的圆筒壁的导热速率为：Φ=-λAdt／dδ=-λ2πrldt/dr化学与材料工程学院(2)圆筒壁的定态传热圆筒的内半径为r1,化学与材料工程学院将λ作常数处理，则可积分：整理得：改写之=筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即＜2的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和Am，

化学与材料工程学院将λ作常数处理，则可积分：整理得：改写之化学与材料工程学院(3)多层壁面的定态热传导

A123λ1λ2λ3

δ1

δ2

δ3Φ=∑△t∑δiλiAi化学与材料工程学院(3)多层壁面的定态热传导A1化学与材料工程学院化学与材料工程学院化学与材料工程学院过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有加和性。由过程分析还可得到：

此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。

这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。

化学与材料工程学院过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各化学与材料工程学院多层圆筒壁

与多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式如下：化学与材料工程学院多层圆筒壁

与多层平面壁相同的推导化学与材料工程学院4.3

对流传热

1、对流传热的机理

对流传热是流体各部份质点发生宏观的相对位移所产生的对流运动来传递热量的过程。在化工生产中常遇到流体流经固体壁面时，温度较高的热流体将热量传递给固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量传递给流经它的冷流体。这两种情况都属于对流传热，工程中常称为给热。化学与材料工程学院4.3

对流传热化学与材料工程学院

由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体流动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁面时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流流动时形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层滞流内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是沿管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流体，都必然要通过滞流内层。流体作湍流流动时，主体流中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有旋涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度急剧下降。

化学与材料工程学院由于对流传热是在流体流动过程中发化学与材料工程学院

对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界层的厚度化学与材料工程学院对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热化学与材料工程学院对流传热方程式------牛顿冷却定律根据以上对对流传热机理的分析，可将复杂的对流传热过程用较为成熟的导热原理来处理。据傅立叶定律，当高温流体与固体壁面对流传热时，可得：由于传热边界层厚度难以确定。工程上令：

h=λ/δt

Φ=hA(T-t)

=hA△tA------传热面积；m2

T------热流体主体温度，K；

t------冷流体主体温度，K；

h------表面传热系数，W/（m2·K);△t------冷热流体温差;Φ=λA(t1-t2)/δ化学与材料工程学院对流传热方程式------牛顿冷却定律由于化学与材料工程学院2、对流传热系数的影响因素及其求取传热系数

在对流传热机理的分析中，把对流传热看作是通过热边界层的导热，而热边界层一般情况下是很薄的。它象一层很薄的膜

一样附在传热壁上，故传热分系数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由牛顿冷却定律得到

传热系数h表示当流体与壁面间的温度差为1K时，单位时间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，h越大，单位时间内传递的热量就越多，所以传热系数反映对流传热的强度。

h=ΦA△t化学与材料工程学院2、对流传热系数的影响因素及其求取传热化学与材料工程学院传热情况h范围h常用值备注蒸汽的滴状冷凝40000～12000040000蒸汽的膜状冷凝5000～1500010000氨的冷凝9300卧式冷凝器

苯蒸汽冷凝700～1600C3～C4的冷凝930～1240汽油的冷凝930～1210水的沸腾1000～300003000～5000强制对流有较大值

水的加热或冷却200～5000400～1000油的加热或冷却50～1000200～500一些流体的h值W/（m2·K）化学与材料工程学院传热情况h范围h常用值备注蒸汽的滴状冷凝4化学与材料工程学院影响传热分系数的因素

实验证明，影响传热分系数的主要因素有：

（1）

流体的流动型态

流体的流动型态分为滞流和湍流，这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导热方式进行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流道内，流动时型态由Re数决定，Re数越大，流体的湍动程度越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越大。

对一定的流体和设备来说。Re数主要决定于流体的流速u。因此，若使Re数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功率消耗过大，通常要使热交换器里流体的Re数在50000以下。对于粘度很高的流体即使Re数在50000时，功率消耗也过大，只能采用较小的Re数。化学与材料工程学院影响传热分系数的因素

实验证明，影化学与材料工程学院（2）流体的对流情况

分自然对流和强制对流。自然对流是由于密度差而引起的流动，流速较低；而强制对流时，流体是在处力强制作用下流动，流速较大。因此，强制对流有较大的传热分系数。

（3）流体的物理性质

流体的物理性质对对流传热过程也有影响。影响较大的物性参数有导热系数λ、比热cp、密度ρ、和粘度μ等。其中λ、cp、ρ值增大对传热有利，而μ值增大则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当流体和壁面间的温度差比较大时，同一截面上流体的温度分布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传热过程产生影响。

流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度升高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚度减小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，则会对传热过程不利。对气体来说，温度变化不仅影响到气体的粘度，还影响到气体的密度，情况更为复杂。化学与材料工程学院（2）流体的对流情况分自然对流和强制对流化学与材料工程学院

（4）传热面的形状、大小和位置

流体流过曲面或局部障碍地方，由于出现边界层分离，漩涡而使湍动更加激烈。这样，流体微团的漩涡运动能更深地渗入到邻近壁面的地方，使滞流底层厚度减薄。因此，传热壁面的形状、大小和位置对传热过程都有影响。流体在管外横向流过管束时，从滞流向湍流过渡的临界Re数只在200左右，管子尺寸愈小，则边界层脱离愈早，边界层愈薄，因此，传热分系数越大。这个结论对于管内流动也相同。

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（4）传热面的形状、大小和位置流体流过化学与材料工程学院准数准数的形式准数的物理涵义Re雷诺ReynoldsRe=duρ/μ流体流动形态和湍动程度Pr普兰德

PrandtlPr=μCp/λ流体的物理性质对对流传热的影响Gr格拉斯霍夫

GrashofGr=L3ρ2βg△t/μ2自然对流对对流传热系数的影响Nu努赛尔NusseltNu=h·d/λ被决定准数，包括有对流传热系数α的准数。反映对流传热的强弱程度无因次准数符号及意义化学与材料工程学院准数准数的形式准数的物理涵义Re雷诺Rey化学与材料工程学院式中各准数所含的物理量：

h-----对流传热系数，w/m2K；

u-----流速，m/s；

ρ-----流体的密度，kg/m3；

d-----传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管外径或平板高度，m；

λ-----导热数，w/m·k；

μ-----流体的粘度，kg/ms；

Cp-----流体的定压比热，J/kg·k；

β-----流体的体积膨胀系数，1/℃或1/K；

g-----重力加速度，m/s2；

△t----流体与壁面的温度差，℃或K。化学与材料工程学院式中各准数所含的物理量：

h-----对流化学与材料工程学院

a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式

流体在圆管中作强制湍流时，Gr准数影响可忽略，故：

Nu=f(Re,Pr)

对于气体和粘度小于水粘度两倍的液体，可采用下式计算传热分系数：

Nu=0.023Re0.8Prn

或h应用范围：（1）Re>104；（2）Pr=0.7～120；（3）管子的长径比L/d>50；

（4）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；

（5）管内流体被加热时，n=0.4；管内流体被冷却时，n=0.3；

（6）d为管子内径化学与材料工程学院

a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联化学与材料工程学院

b、有相变时的传热系数

化工生产中蒸馏、蒸发、用蒸汽加热、冷凝等操作中都涉及有相变情况下的对流传热过程，下面分别介绍沸腾和冷凝时的情况。

如液体通过固体壁面被加热而沸腾时，液体吸收大量的热而发生相变，沸腾传热过程中最主要的特征是液体内部有气泡生成。在一般情况下气液两相处于平衡状态，液体的沸点等于该液体所处压力下相对应的饱和温度ts。如果固体壁面的温度高于液体的饱和温度ts,则就可能发生沸腾。如果液体的温度低于饱和温度ts，则这个过程称为过冷沸腾或局部沸腾。如果液体保持饱和温度，这样的过程就是通常所说的饱和沸腾或整体。化学与材料工程学院

b、有相变时的传热系数

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以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度tw与1atm下水的饱和温度ts的温差较小，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积膨胀，密度下降，形成自然对流，当液体上升到表面时就发生气化。在区域Ⅱ、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固体壁面上某些凸凹不平的过热度较大的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，当形成气泡核心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大，当气泡长大到某一直径后它就会脱离壁面上升。

h化学与材料工程学院

以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面化学与材料工程学院

开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体所占据，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当tw-ts温度差再增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气泡在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜把壁面遮盖起来。蒸汽膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽膜才能传递到液体中去从而使对流传热系数降低。这就是第Ⅲ区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁面有很高的温度，辐射的影响加大，对流传热系数又增大。化学与材料工程学院开始气泡很少，随着温度差的加大，化学与材料工程学院

在冷凝过程中，管壁或板壁的温度比蒸汽的饱和温度低，则冷凝液就在管或板壁面上形成。当饱和蒸汽在壁面冷凝时放出潜热，凝结为液体。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下流动，如果冷凝液能润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝称为膜状冷凝。在膜状冷凝时放出的潜热就要通过液膜才能传递给冷却壁面。在液膜中存在温度梯度，故这层液膜就有一定的热阻。若液体不润湿壁面，在壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁面落下，这种过程称为滴状凝结。由于滴状冷凝的固体壁面大部分面积直接暴露在蒸汽中，故滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数要高。为了使对流传热系数高，就必须使冷凝保持滴状冷凝。为此采取不同的表面涂层和蒸汽添加剂，使液滴不能润湿冷凝壁面。

无论是沸腾或冷凝，相变一侧的传热分系数的值都很大，故在一般的传热计算中，相变一侧的热阻可忽略不计。化学与材料工程学院

在冷凝过程中，管壁或板壁的温度比蒸汽的化学与材料工程学院

例:列管式冷凝器中，用水冷凝有有机物蒸汽，水以0.5m/s的流速在φ25×2的钢管中流动，进出管的温度分别为20℃和40℃。试求管壁对水的传热分系数α。

解：据题意水在圆直管中流动，须判断其流动型态，水的定性温度为：

t定(20+40)/2=30℃

30℃的水的各种物性数据查附表得：

ρ=995.7kg/m3μ=80.07×10-5Pa·s

CP=4.174kJ/kg·℃λ=61.76×10-2w/m·℃以上条件满足Dittus公式，水被加热，n=0.4，将各项数值代入：

h=0.023×(61.76×10-2/21×10-3)×130570.8×5.410.4

=2607w/m2·℃=2.607kw/m2·℃化学与材料工程学院

例:列管式冷凝器中，用水冷凝有有化学与材料工程学院

4.4间壁式热交换体计算

1、传热总方程

化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁向冷流体传热的过程。该过程称为热交换或换热，这种间壁两侧流体的传热如图所示。

当冷、热流体分别从间壁（管壁或平面壁）两侧流过的时候热流体一边流动温度逐渐降低，而冷流体则一边流动温度逐渐升高。很显然，热流体将热量从热流体主体以对流传热的方式传递给间壁，而后热量以导热的方式从间壁的一侧传向另一侧，最后热量从冷流体一侧的间壁以

对流传热的方式传递到冷流体的主体，这就是热交换的总的过程。整个传热过程由对流---导热---对流三个部分串联组成，因而整个过程也称总传热。化学与材料工程学院

4.4间壁式热交换体计算

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Φ1Φ2Φ3

Φ1=h1A(T-Tw)=Φ2=λA(Tw-tw)/δ=

Tw-tw/T-Tw1h1AΦ=Φ1=Φ2=Φ3Φ=T-t/λA1Φ3=tw

-t/h2A

111δ++h1A1λAh2A2Φ=KA△t化学与材料工程学院

Φ1Φ2化学与材料工程学院

2、传热系数K

例:夹套反应釜的内径为800mm，釜壁碳钢板厚8mm(λ=50w/m·k),衬搪瓷厚3mm（λ1.0w/m·k)，夹套中通入饱和蒸汽（α=10000w/m2·k)，蒸汽温度为120℃，釜内有机物（α=250w/m2·k)温度为80℃，试求该条件下的K值。化学与材料工程学院

2、传热系数K

例:夹套反应釜的内径化学与材料工程学院

3、传热过程平均温度差

传热平均温度差△tm是指热交换器里参予热交换的冷热流体温度的差值。根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况，现分别予以讨论。

(1)、定态恒温传热

若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之差：

△tm=T-t

这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。化学与材料工程学院

3、传热过程平均温度差化学与材料工程学院

(2)、定态变温传热

间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。

变温传热时，两流体的温度差△t也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差△tm，△tm是指整个传热壁面的温度差的平均值。△tm计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图所示。（1）并流

参与热交换的两流体流向相同。

（2）逆流

参与热交换的两流体流向相反。

（3）错流

参与热交换的两流体流向相互垂直。

（4）折流

分简单折流和复杂折流两种情况。

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(2)、定态变温传热

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错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，仅讨论并流和逆流传热平均温度差的计算。

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错流和折流的情况比较复杂，化学与材料工程学院

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平均温差:

例:在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从120℃降到70℃，冷流体温度由20℃升到60℃，试比较并流与逆流的传热平均温度差。

解：并流传热时：

△t1=120-20=100℃

120-------------->70

△t2=70-60=10℃

20--------------->60

△tm=(100-10)/ln(100/10)=39.1℃

逆流传热时：

120-------------->70

△t1=120-60=60℃

60<--------------20

△t2=70-20=50℃

△tm=(60-50)/ln(60/50)=54.9℃化学与材料工程学院

平均温差:

例:在套管式换热器中，冷化学与材料工程学院

4、热负荷及热量衡算

(1)热负荷

热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用QL表示，单位为W。设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率Q。当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，Q应大于QL。

由热量衡算得到的是工艺热负荷QL。如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有：

QL=qmcp(t2-t1)若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有：

QL=qmL

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4、热负荷及热量衡算化学与材料工程学院

(2)热量衡算

Q吸

=Q放

在列管式热交换器中，用饱和温度为126℃的蒸汽将470m3/hr的某一溶液从40℃加热到45℃，采用φ38*3*2000mm的钢管（λ=46.5w/m·K）,试计算所需传热面积的管数n.

已知：水蒸汽

h1=11600w/m2·K；某溶液h2=3700w/m2·K；

ρ=1320kg/m3；Cp=3.4kJ/kg·K；某酒精蒸汽冷凝器的传热面积为5m2,酒精蒸汽冷凝温度为78℃，冷凝热为845KJ/kg。冷却水初温为20℃，终温为35℃，若K=800w/m2·K，问此冷凝器能否冷凝350kg/hr的酒精蒸气？化学与材料工程学院

(2)热量衡算

在列管式热交换器化学与材料工程学院

水以2m/s的速度流过内径25mm，长5m的薄壁钢管，管外用某气体冷凝方式供热，其温度为350K，h气很大。水的进出口温度分别为290K及295K。若水的流速增加一倍，则出口温度是多少？（△tm可用算术平均值，管壁热阻可忽略）化学与材料工程学院

水以2m/s的速度流过内径25化学与材料工程学院

4.5换热器的选择及传热的过程强化化学与材料工程学院

4.5换热器的选择及传热的过程强化化学与材料工程学院⑴不清洁易结垢的物料流过易于清洗的一侧管内易于清洗；⑵需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管程；⑶腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；⑷压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；⑸蒸汽走壳程，冷凝液易于排出；⑹被冷却的流体一般走壳程，便于散热；⑺粘度大流量小流体选壳程，壳程Re>100即可达到湍流。1流体流经的路径选择(一)选用和设计中应考虑的问题选择的原则化学与材料工程学院⑴不清洁易结垢的物料流过易于清洗的一侧管化学与材料工程学院系列标准规定采用φ25×2.5mm,φ19×2mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑,但正方形排列的管束清洗方便。换热管规格及排列抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。化学与材料工程学院系列标准规定采用φ25×2.5mm,φ19化学与材料工程学院折流挡板化学与材料工程学院折流挡板化学与材料工程学院⑴确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。⑵依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。⑶计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。(二)列管换热器的选用和设计的步骤⑷计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2,计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.15～1.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。化学与材料工程学院⑴确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确化学与材料工程学院

强化传热的途径

一、增大传热面积A传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热强化。需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面积增大，传热才能强化。这只有改进传热面结构才能做到。例如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，可以提高单位体积热交换器的传热面积。我国浮头式热交换器系列由φ25管改为φ19管后，在壳径D=500～900mm时，传热面积可增加42%，单位传热面积的金属消耗量可降低21～31%。一些新型的热交换器，象板式、翅片式在增大传热面积方面取得了较好的效果。列管式热交换器每立方米体积内的传热面积为40～160m2,而板式热交换器每立方米体积内能布置的传热面积为250～1500m2,板翅式更高，一般能达到2500m2,高的可达4350m2以上。化学与材料工程学院

强化传热的途径化学与材料工程学院

二、增大传热温度差△tm增大传热温度差是强化传热的方法之一。传热温度差主要是由物料和载热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热体的温度则与选择的载热体有关。载热体的种类很多，温度范围各不相同，但在选择时要考虑技术上可行和经济上合理。例如，水蒸汽是工业上常用的加热剂，如前所述，水蒸汽有许多优点，但水蒸汽作为加热剂使用其温度通常不超过180℃。蒸汽温度到200℃时，温度每上升2.5℃就要提高一个大气压，到250℃时，温度每上升1.3℃时就会提高一个大气压。使用高压蒸汽会使设备庞大，技术要求高，经济效益低，安全性下降。因此，当加热温度超过200℃时，就要考虑采用其他加热剂，如矿物油、联苯混合物，甚至采用熔盐、液态金属等。由于载热体的选择受到一些条件的限制，因此，温度变化的范围是有限的。化学与材料工程学院

二、增大传热温度差△tm化学与材料工程学院

三、增大传热总系数K强化传热是主要的是增大K值，要提高K值就要必须减小各项热阻，而且应该从热阻最大处着手。若内、外侧垢层为主要热阻时，应设法阻止或减小垢层的生成，或采取定期清洗等措施。若两侧的对流给热系数相差很大，应把重点放在提高较小的α值方面。若两侧的给热系数都比较小时，则应设法使两个α值同时提高。对于在传热过程中无相变化的流体，增大流速和改变流动条件都可以增加流体的湍动程度，从而提高对流给热系数。例如增加列管换热器的管程数和壳体中的挡板数，使用翅片管换热器，以及在板式换热压制各种沟槽等；但同时应考虑到对于流动阻力和清洗、检修等方面的影响。

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三、增大传热总系数K化学与材料工程学院污垢热阻

换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。

若垢层厚度为⊿s，垢层导热系数为λs，则垢层热阻为Rs=⊿s/λs。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足够重视。

由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2，则总热阻化学与材料工程学院污垢热阻换热器在运行一段时化学与材料工程学院用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则式中K2为清洁表面的总传热系数，K2′是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定Rf值。化学与材料工程学院用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则式中化学与材料工程学院流体种类污垢热阻m2·℃/W流体种类污垢热阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸气

海水0.0001

有机蒸汽0.0002

河水0.0006

水蒸气(不含油)0.0001

井水0.00058

水蒸气废气(含油)0.0002

蒸馏水0.0001

制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体

未处理的凉水塔用水0.00058

空气0.0003

经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004

多泥沙的水0.0006

天然气0.002盐水0.0004

焦炉气0.002污垢热阻的大致数值化学与材料工程学院流体种类污垢热阻流体种类污垢热阻水(化学与材料工程学院【例4-7】在双管程列管式换热器中用0.3MPa(表压)的饱和蒸汽将流量为2000kg/h的某溶液从20℃加热至80℃，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有46根f25×2.5mm的管子，已知溶液的比热CP=2.8kJ/(公斤·K)，密度r=850kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2·K),传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定：

⑴溶液在管内的流速；⑵蒸汽的消耗量；⑶换热管的长度。化学与材料工程学院【例4-7】在双管程列管式换热器中化学与材料工程学院解：⑴溶液的体积流量：管程流通截面积：管内平均流速：⑵查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热r=2140kJ/kg,蒸汽消耗量化学与材料工程学院解：⑴溶液的体积流量：管程流通截面积：管化学与材料工程学院⑶表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度ts=142.9℃,传热温差：根据传热速率方程换热管长度：化学与材料工程学院⑶表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度t化学与材料工程学院第四章传热过程及换热器蒋天智化学与材料工程学院第四章化学与材料工程学院4.1化工生产中的传热过程及换热器

1、化工生产中的传热过程传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的目的不外乎是以下三种：

1.加热或冷却2.换热3.保温可见，传热过程是普遍存在的。化学与材料工程学院4.1化工生产中的传热过程及换热器化学与材料工程学院2、传热基本方式

一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：传导传热，对流传热和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。化学与材料工程学院2、传热基本方式化学与材料工程学院（1）传导传热

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而异，具体为：固体金属：自由电子运动在晶格之间；液体和非金属固体：个别分子的动量传递；气体：分子的不规则运动。化学与材料工程学院（1）传导传热化学与材料工程学院（2）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。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流。化学与材料工程学院（2）对流传热化学与材料工程学院（3）辐射传热

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。通常在高温下热辐射才是主要方式。化学与材料工程学院（3）辐射传热化学与材料工程学院3、间壁式换热器单程列管式换热器1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板化学与材料工程学院3、间壁式换热器单程列管式换热器化学与材料工程学院

套管式换热器1—内管2—外管热冷间壁化学与材料工程学院

化学与材料工程学院双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板化学与材料工程学院双程列管式换热器化学与材料工程学院4.2传导传热传热的一些基本概念1、温度场

物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可表为：t=f(x,y,z,τ)

式中

t------温度；

x,y,z-------任一点的空间座标；

τ-------时间；如果温度场内各点的温度随时间而变化，此温度场称为不稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化，则称为稳定温度场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一般情况下很难找到其数学表达式。化学与材料工程学院4.2传导传热化学与材料工程学院

2、等温面

在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称为等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程中所指的等温面一般是平面。

3、温度梯度

从任一点起，沿等温面移动，由于温度不发生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向移动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的变化在与等温面垂直的方向最大。如图所示。化学与材料工程学院

2、等温面在某个时刻相同温度的各点所化学与材料工程学院

对于冷热流体分别流过管外和管内时发生的热量传递的情况，其传热面积为A=πdL，d可为管内径或外径，L为管长，可人为指定，如图中的B。4、传热面积A

在传热过程中，垂直于热量传递方向的截面积，称为传热面积，以A表示。对于平面壁，传热面积即为A，如图3-6中的A；化学与材料工程学院

对于冷热流体分别流过管外和管内时发生的热化学与材料工程学院

5、传热速率Q单位时间内通过全部传热面积所传递的热量称为传热速率以Q表示，单位为J/s或w即瓦。显然，Q数值的大小即表示传热过程的快与慢。

6、恒压比热Cp指压强恒定时（常指1atm绝对压）单位质量物质温度升高1K时所需的热量，单位为J/kg·K。Cp值一般是温度的函数，但本课程把它作常数来处理，或者采用平均值。

化学与材料工程学院

5、传热速率Q单位时间内通过全部传化学与材料工程学院

7、定态传热与非定态传热

与流体流动中有定态流动和非定态流动一样，传热过程有定态传热与非定态传热，若传热系统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变化，则称此传热过程为定态传热。其特点是单位时间内通过传热面积的热量是常量，即传热速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属于定态传热。若传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，则称此传热过程为非定态传热过程，在这种情况下，传热速率不再是常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属于非定态传热。化学与材料工程学院

7、定态传热与非定态传热

化学与材料工程学院

8、加热剂与冷却剂

在传热过程中，按照传热的目的可将载热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进行加热的载热体，称为加热剂，常用来作加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使物料冷却的载热体，称为冷却剂，常用来作冷却剂的有冷水，空气等；如果要把物料的温度降到0℃以下，此时的冷却剂又称冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下，使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要仔细的权衡和选择。化学与材料工程学院

8、加热剂与冷却剂

在传热过化学与材料工程学院1、传导传热的基本方程式----傅立叶定律在一质量均匀的平板内，当t1>t2热量以导热方式通过物体,从t1向t2方向传递,如图所示。化学与材料工程学院1、传导传热的基本方程式----傅立叶定律化学与材料工程学院

取热流方向微分长度dδ，在dt的瞬时传递的热量为Q，实验证明，单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：

dQ∝dA·dt/dδ写成等式为：dQ/dτ=

-λA·dt/dδΦ=

Q/τ=

-λA·dt/dδ式中

Q-导热速率，w;A-导热面积，m2；

dt/dδ-温度梯度，K/m；λ-比例系数，称为导热系数，w/m·K；由于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，称为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均适用。化学与材料工程学院取热流方向微分长度dδ，在dt的化学与材料工程学院导热系数λ

导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数λ的值越大，表示其导热性能越好。物质的导热性能，也就是λ数值的大小与物质的组成、结构、密度、温度以及压力等有关。λ的物理意义为：当温度梯度为1K/m时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量，其单位为W/m·K或W/m·℃。

各种物质的λ可用实验的方法测定。一般来说，金属的λ值最大，固体非金属的λ值较小，液体更小，而气体的λ值最小。各种物质的导热系数的大致范围如下：

金属

2.3～420w/m·K；

建筑材料

0.25～3w/m·K

绝缘材料

0.025～0.25w/m·K；液体

0.09～0.6w/m·K

气体

0.006～0.4w/m·K。化学与材料工程学院导热系数λ化学与材料工程学院

物料

λw/m℃物料λw/m℃铝204石棉0.15紫铜65混凝土1.28黄铜93绒毛毯0.046铜383松木0.14～0.38铅35建筑用砖砌0.7～0.8钢45耐火砖砌1.04不锈钢17绝热砖砌0.12～0.12铸铁45～9085%氧化镁粉0.07②银411锯木屑0.07镍88软木0.043铝204石棉0.15化学与材料工程学院物料λw/m℃物料λw/m化学与材料工程学院2、间壁式换热器壁面的热传导

(1)平面壁的定态热传导同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。化学与材料工程学院2、间壁式换热器壁面的热传导化学与材料工程学院，传热面积A和导热系数

λ也是常量，按傅里叶定律分离变量并积分可得

Φ=Q/τ=λA(t1-t2)/δ

化学与材料工程学院，传热面积A和导热系数λ也是常量，按傅里化学与材料工程学院(2)圆筒壁的定态传热圆筒的内半径为r1,外半径为r2，长度为L。若在半径为r处取一微分厚度dr，则传热面积A=2πrL可以看成是常数。由傅立叶定律，通过这一微分厚度dr的圆筒壁的导热速率为：Φ=-λAdt／dδ=-λ2πrldt/dr化学与材料工程学院(2)圆筒壁的定态传热圆筒的内半径为r1,化学与材料工程学院将λ作常数处理，则可积分：整理得：改写之=筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即＜2的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和Am，

化学与材料工程学院将λ作常数处理，则可积分：整理得：改写之化学与材料工程学院(3)多层壁面的定态热传导

A123λ1λ2λ3

δ1

δ2

δ3Φ=∑△t∑δiλiAi化学与材料工程学院(3)多层壁面的定态热传导A1化学与材料工程学院化学与材料工程学院化学与材料工程学院过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有加和性。由过程分析还可得到：

此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。

这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。

化学与材料工程学院过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各化学与材料工程学院多层圆筒壁

与多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式如下：化学与材料工程学院多层圆筒壁

与多层平面壁相同的推导化学与材料工程学院4.3

对流传热

1、对流传热的机理

对流传热是流体各部份质点发生宏观的相对位移所产生的对流运动来传递热量的过程。在化工生产中常遇到流体流经固体壁面时，温度较高的热流体将热量传递给固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量传递给流经它的冷流体。这两种情况都属于对流传热，工程中常称为给热。化学与材料工程学院4.3

对流传热化学与材料工程学院

由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体流动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁面时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流流动时形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层滞流内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是沿管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流体，都必然要通过滞流内层。流体作湍流流动时，主体流中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有旋涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度急剧下降。

化学与材料工程学院由于对流传热是在流体流动过程中发化学与材料工程学院

对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界层的厚度化学与材料工程学院对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热化学与材料工程学院对流传热方程式------牛顿冷却定律根据以上对对流传热机理的分析，可将复杂的对流传热过程用较为成熟的导热原理来处理。据傅立叶定律，当高温流体与固体壁面对流传热时，可得：由于传热边界层厚度难以确定。工程上令：

h=λ/δt

Φ=hA(T-t)

=hA△tA------传热面积；m2

T------热流体主体温度，K；

t------冷流体主体温度，K；

h------表面传热系数，W/（m2·K);△t------冷热流体温差;Φ=λA(t1-t2)/δ化学与材料工程学院对流传热方程式------牛顿冷却定律由于化学与材料工程学院2、对流传热系数的影响因素及其求取传热系数

在对流传热机理的分析中，把对流传热看作是通过热边界层的导热，而热边界层一般情况下是很薄的。它象一层很薄的膜

一样附在传热壁上，故传热分系数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由牛顿冷却定律得到

传热系数h表示当流体与壁面间的温度差为1K时，单位时间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，h越大，单位时间内传递的热量就越多，所以传热系数反映对流传热的强度。

h=ΦA△t化学与材料工程学院2、对流传热系数的影响因素及其求取传热化学与材料工程学院传热情况h范围h常用值备注蒸汽的滴状冷凝40000～12000040000蒸汽的膜状冷凝5000～1500010000氨的冷凝9300卧式冷凝器

苯蒸汽冷凝700～1600C3～C4的冷凝930～1240汽油的冷凝930～1210水的沸腾1000～300003000～5000强制对流有较大值

水的加热或冷却200～5000400～1000油的加热或冷却50～1000200～500一些流体的h值W/（m2·K）化学与材料工程学院传热情况h范围h常用值备注蒸汽的滴状冷凝4化学与材料工程学院影响传热分系数的因素

实验证明，影响传热分系数的主要因素有：

（1）

流体的流动型态

流体的流动型态分为滞流和湍流，这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导热方式进行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流道内，流动时型态由Re数决定，Re数越大，流体的湍动程度越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越大。

对一定的流体和设备来说。Re数主要决定于流体的流速u。因此，若使Re数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功率消耗过大，通常要使热交换器里流体的Re数在50000以下。对于粘度很高的流体即使Re数在50000时，功率消耗也过大，只能采用较小的Re数。化学与材料工程学院影响传热分系数的因素

实验证明，影化学与材料工程学院（2）流体的对流情况

分自然对流和强制对流。自然对流是由于密度差而引起的流动，流速较低；而强制对流时，流体是在处力强制作用下流动，流速较大。因此，强制对流有较大的传热分系数。

（3）流体的物理性质

流体的物理性质对对流传热过程也有影响。影响较大的物性参数有导热系数λ、比热cp、密度ρ、和粘度μ等。其中λ、cp、ρ值增大对传热有利，而μ值增大则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当流体和壁面间的温度差比较大时，同一截面上流体的温度分布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传热过程产生影响。

流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度升高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚度减小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，则会对传热过程不利。对气体来说，温度变化不仅影响到气体的粘度，还影响到气体的密度，情况更为复杂。化学与材料工程学院（2）流体的对流情况分自然对流和强制对流化学与材料工程学院

（4）传热面的形状、大小和位置

流体流过曲面或局部障碍地方，由于出现边界层分离，漩涡而使湍动更加激烈。这样，流体微团的漩涡运动能更深地渗入到邻近壁面的地方，使滞流底层厚度减薄。因此，传热壁面的形状、大小和位置对传热过程都有影响。流体在管外横向流过管束时，从滞流向湍流过渡的临界Re数只在200左右，管子尺寸愈小，则边界层脱离愈早，边界层愈薄，因此，传热分系数越大。这个结论对于管内流动也相同。

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（4）传热面的形状、大小和位置流体流过化学与材料工程学院准数准数的形式准数的物理涵义Re雷诺ReynoldsRe=duρ/μ流体流动形态和湍动程度Pr普兰德

PrandtlPr=μCp/λ流体的物理性质对对流传热的影响Gr格拉斯霍夫

GrashofGr=L3ρ2βg△t/μ2自然对流对对流传热系数的影响Nu努赛尔NusseltNu=h·d/λ被决定准数，包括有对流传热系数α的准数。反映对流传热的强弱程度无因次准数符号及意义化学与材料工程学院准数准数的形式准数的物理涵义Re雷诺Rey化学与材料工程学院式中各准数所含的物理量：

h-----对流传热系数，w/m2K；

u-----流速，m/s；

ρ-----流体的密度，kg/m3；

d-----传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管外径或平板高度，m；

λ-----导热数，w/m·k；

μ-----流体的粘度，kg/ms；

Cp-----流体的定压比热，J/kg·k；

β-----流体的体积膨胀系数，1/℃或1/K；

g-----重力加速度，m/s2；

△t----流体与壁面的温度差，℃或K。化学与材料工程学院式中各准数所含的物理量：

h-----对流化学与材料工程学院

a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式

流体在圆管中作强制湍流时，Gr准数影响可忽略，故：

Nu=f(Re,Pr)

对于气体和粘度小于水粘度两倍的液体，可采用下式计算传热分系数：

Nu=0.023Re0.8Prn

或h应用范围：（1）Re>104；（2）Pr=0.7～120；（3）管子的长径比L/d>50；

（4）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；

（5）管内流体被加热时，n=0.4；管内流体被冷却时，n=0.3；

（6）d为管子内径化学与材料工程学院

a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联化学与材料工程学院

b、有相变时的传热系数

化工生产中蒸馏、蒸发、用蒸汽加热、冷凝等操作中都涉及有相变情况下的对流传热过程，下面分别介绍沸腾和冷凝时的情况。

如液体通过固体壁面被加热而沸腾时，液体吸收大量的热而发生相变，沸腾传热过程中最主要的特征是液体内部有气泡生成。在一般情况下气液两相处于平衡状态，液体的沸点等于该液体所处压力下相对应的饱和温度ts。如果固体壁面的温度高于液体的饱和温度ts,则就可能发生沸腾。如果液体的温度低于饱和温度ts，则这个过程称为过冷沸腾或局部沸腾。如果液体保持饱和温度，这样的过程就是通常所说的饱和沸腾或整体。化学与材料工程学院

b、有相变时的传热系数

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以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度tw与1atm下水的饱和温度ts的温差较小，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积膨胀，密度下降，形成自然对流，当液体上升到表面时就发生气化。在区域Ⅱ、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固体壁面上某些凸凹不平的过热度较大的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，当形成气泡核心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大，当气泡长大到某一直径后它就会脱离壁面上升。

h化学与材料工程学院

以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面化学与材料工程学院

开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体所占据，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当tw-ts温度差再增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气泡在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜把壁面遮盖起来。蒸汽膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽膜才能传递到液体中去从而使对流传热系数降低。这就是第Ⅲ区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁面有很高的温度