工学化工原理课程讲义-传热课件

两无限大平壁间辐射有效辐射：

两固体壁面间的有效辐射两无限大平壁间辐射两固体壁面间的有效辐射1φ：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）φ：角系数(总能量被壁面拦截分率)。2024516730.21.00.80.60.4341－圆盘形2－正方形3－长方形（边长比2:1）4－长方形（狭长）21角系数φ平行壁间辐射传热的角系数024516730.21.00.80.60.4341－圆盘形34.5.4气体的热辐射

气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气）——近似透热体，无吸收、发射能力。多原子气体(CO2、H2O蒸气)——高温时具有很强发射和吸收能力。气体热辐射特点：*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。气体发射能力：4.5.4气体的热辐射气体：单、对称双原子气体（H24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热损失：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。4.5.5复5

经验关联式：空气自然对流时，平壁保温层外：圆管保温层外：

空气沿粗糙表面强制对流时，空气流速

u≤5m/shT=6.2+4.2u

空气流速u>5m/s

hT=7.8u0.78经验关联式：空气沿粗糙表面强制对流时，空气流速u≤5m/6(3)绝热层的临界半径设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为：λhtit1R1t∞R2t∞riro绝热层的分析示意图(3)绝热层的临界半径设稳态传热，管道外表面与环境间热损7

热损失与绝热层外半径的关系增加绝热层厚度，热损失一定减小。增加绝热层厚度，热损失可能增加，热损失与绝热层外半径的关系增加绝热层厚度，热损失一定减小8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。绝热层的临界厚度为：r1r2r3圆管外的保温保温层的选择：对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件，9

计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程。

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

传热过程的计算计算类型：设计型计算：已知th1，th2，tc1，qmc，qmh，K求传热面积A；操作型计算：

已知th1，tc1，qmc，qmh，K，A求th2、tc2、Ф。tc2

th1tc1th2计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程。4.6传热10

(2)有相变传热①饱和状态下(2)有相变传热①饱和状态下11说明：①换热过程中各流股热流量间关系；

②各流股间相互制约，热量守恒。②非饱和状态下例：过热蒸气→冷凝→过冷液体又如：过冷液体→沸腾→过热蒸气过热蒸汽冷流体热流体过冷液体说明：①换热过程中各流股热流量间关系；②非饱和状态下124.6.2总传热速率方程

间壁传热过程：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thtcth,wtc,wΦΦ4.6.2总传热速率方程各部分传热13热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ对稳态传热:热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ对稳态传热:14

式中，K—总传热系数，W/（m2·K）。

注意：K与A对应，选Ai、Am

或Ao

故稳态传热时，式中，K—总传热系数，W/（m2·K）。故稳态传154.6.3 传热系数和传热面积K—传热系数，表示换热设备性能的重要参数。(1)K的计算在实际生产中以外表面积Ao作为传热面积。K的来源：实验测定；取生产实际的经验数据；计算求得。4.6.3 传热系数和传热面积K—传热系数，表示换热设备16实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：17圆管中：

平壁：圆管中：平壁：18(2)污垢热阻Rd,i和Rd,o污垢热阻影响：使h↓，热流量↓。

污垢热阻取值：经验数据。

注意：传热系数、污垢热阻的单位。

(3)壁温计算忽略污垢热阻，稳态传热时：

结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。(2)污垢热阻Rd,i和Rd,o污垢热阻影响：使h↓194.6.4平均温度差

(1)恒温传热两侧流体温度恒定：(2)变温传热①一侧有温度变化t’ht’c4.6.4平均温度差(2)变温传热20

沿管长某截面取微元传热面积dA，

②两侧流体均有温度变化传热速率方程：热量衡算方程：tc1tc2th1th2tc1tc2th1th2沿管长某截面取微元传热面积dA，②两侧流体均有温度变化21当qmhcph、qmccpc=常数时，

Φ-th、Φ-tc为线性关系，所以，Φ-(th-tc)也为线性关系。th1tc2th2

传热量dthdtcdAdФtc1Δt=th-tc平均传热温度差的推导ФΔt2Δt1Ф当qmhcph、qmccpc=常数时，th1tc2th22说明：

并流：①逆流：②③进、出口条件相同时，

工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。逆流并流说明：并流：①逆流：②③进、出口条件相同时，23

④一侧流体温度有变化，另一侧恒温时，⑤错流、折流时平均温差

图算法11212一侧流体变温时的温差变化④一侧流体温度有变化，另一侧恒温时，⑤错流、24温度校正系数温度校正系数25原因:

换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。

避免措施:采用多个换热器串联或采用多壳程结构，换热器个数或所需的壳程数,可用图解法确定。说明：th1tc2th2tc1ANs=2无相变换热器设计计算a）校正系数可根据R和P两参数从相应的图中查得。

b）温差校正系数恒小于1。c）当值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。原因:换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。说明：th1t264.6.5传热效率和传热单元数法

设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。

●设计型计算总之，对于设计型计算冷、热流股的温度都已知，或者通过热流量衡算达到已知，无须试差。4.6.5传热效率和传热单元数法总之，对于设计型计算冷、27

●

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。(1)传热效率和传热单元数

①传热效率

●操作型计算若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热28逆流：哪一侧流体能获得最大的温度变化（th1-tc1）max，这将取决于两流体热容量流率(qmcp)的相对大小。tc1th2＝tc1th2th2th1tc1tc2传热温度传热th1＝tc2温度温度传热逆流传热效果示意图逆流：哪一侧流体能获得最大的温度变化（th1-tc1）max29并流：tc1th2＝tc2th1th2th1tc2tc1传热温度温度传热并流传热效果示意图并流：tc1th2＝tc2th1th2th1tc2tc1传30②传热单元数NTU(TheNumberofTransferUnits)温度传热面积tc1th2th1tc2dthdtcdA单程逆流换热器流体温度分布②传热单元数NTU(TheNumberof31③传热效率和传热单元数的关系

传热单元数物理意义：单位传热推动力引起的温度变化；表明了换热器传热能力的强弱。③传热效率和传热单元数的关系传热单元数物理意义：单位传热32[工学]化工原理课程讲义-传热课件33④应用

已知R和NTU，可求得ε，

进而求th2和tc2，可避免试差计算。

④应用

已知R和NTU，可求得ε，34为便于工程计算，将ε、NTU、R之间关系绘制成曲线1.00.64.03.00.02.05.01.00.40.20.00.8NTUε

单程逆流换热器中ε与NTU和R间的关系R=00.250.50.751.0th1tc2th2tc1K=常数为便于工程计算，将ε、NTU、R之间关系绘制成曲线1.00.351.00.64.03.00.02.05.01.00.40.20.00.8NTUε

单程并流换热器中ε与NTU和R间的关系R=00.50.751.0th1tc2th2tc1K=常数0.251.00.64.03.00.02.05.01.00.40.236单壳程多管程（管程数2、4、6）说明：在传热单元数相同时，逆流时换热器的传热效率总是大于并流。

对一组串联的换热器：E1E2E3E4单壳程多管程（管程数2、4、6）说明：在传热单元数相同时，逆37作业：p340293236作业：p34029323638两无限大平壁间辐射有效辐射：

两固体壁面间的有效辐射两无限大平壁间辐射两固体壁面间的有效辐射39φ：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）φ：角系数(总能量被壁面拦截分率)。40024516730.21.00.80.60.4341－圆盘形2－正方形3－长方形（边长比2:1）4－长方形（狭长）21角系数φ平行壁间辐射传热的角系数024516730.21.00.80.60.4341－圆盘形414.5.4气体的热辐射

气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气）——近似透热体，无吸收、发射能力。多原子气体(CO2、H2O蒸气)——高温时具有很强发射和吸收能力。气体热辐射特点：*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。气体发射能力：4.5.4气体的热辐射气体：单、对称双原子气体（H242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热损失：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。4.5.5复43

经验关联式：空气自然对流时，平壁保温层外：圆管保温层外：

空气沿粗糙表面强制对流时，空气流速

u≤5m/shT=6.2+4.2u

空气流速u>5m/s

hT=7.8u0.78经验关联式：空气沿粗糙表面强制对流时，空气流速u≤5m/44(3)绝热层的临界半径设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为：λhtit1R1t∞R2t∞riro绝热层的分析示意图(3)绝热层的临界半径设稳态传热，管道外表面与环境间热损45

热损失与绝热层外半径的关系增加绝热层厚度，热损失一定减小。增加绝热层厚度，热损失可能增加，热损失与绝热层外半径的关系增加绝热层厚度，热损失一定减小46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。绝热层的临界厚度为：r1r2r3圆管外的保温保温层的选择：对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件，47

计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程。

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

传热过程的计算计算类型：设计型计算：已知th1，th2，tc1，qmc，qmh，K求传热面积A；操作型计算：

已知th1，tc1，qmc，qmh，K，A求th2、tc2、Ф。tc2

th1tc1th2计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程。4.6传热48

(2)有相变传热①饱和状态下(2)有相变传热①饱和状态下49说明：①换热过程中各流股热流量间关系；

②各流股间相互制约，热量守恒。②非饱和状态下例：过热蒸气→冷凝→过冷液体又如：过冷液体→沸腾→过热蒸气过热蒸汽冷流体热流体过冷液体说明：①换热过程中各流股热流量间关系；②非饱和状态下504.6.2总传热速率方程

间壁传热过程：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thtcth,wtc,wΦΦ4.6.2总传热速率方程各部分传热51热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ对稳态传热:热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ对稳态传热:52

式中，K—总传热系数，W/（m2·K）。

注意：K与A对应，选Ai、Am

或Ao

故稳态传热时，式中，K—总传热系数，W/（m2·K）。故稳态传534.6.3 传热系数和传热面积K—传热系数，表示换热设备性能的重要参数。(1)K的计算在实际生产中以外表面积Ao作为传热面积。K的来源：实验测定；取生产实际的经验数据；计算求得。4.6.3 传热系数和传热面积K—传热系数，表示换热设备54实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：55圆管中：

平壁：圆管中：平壁：56(2)污垢热阻Rd,i和Rd,o污垢热阻影响：使h↓，热流量↓。

污垢热阻取值：经验数据。

注意：传热系数、污垢热阻的单位。

(3)壁温计算忽略污垢热阻，稳态传热时：

结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。(2)污垢热阻Rd,i和Rd,o污垢热阻影响：使h↓574.6.4平均温度差

(1)恒温传热两侧流体温度恒定：(2)变温传热①一侧有温度变化t’ht’c4.6.4平均温度差(2)变温传热58

沿管长某截面取微元传热面积dA，

②两侧流体均有温度变化传热速率方程：热量衡算方程：tc1tc2th1th2tc1tc2th1th2沿管长某截面取微元传热面积dA，②两侧流体均有温度变化59当qmhcph、qmccpc=常数时，

Φ-th、Φ-tc为线性关系，所以，Φ-(th-tc)也为线性关系。th1tc2th2

传热量dthdtcdAdФtc1Δt=th-tc平均传热温度差的推导ФΔt2Δt1Ф当qmhcph、qmccpc=常数时，th1tc2th60说明：

并流：①逆流：②③进、出口条件相同时，

工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。逆流并流说明：并流：①逆流：②③进、出口条件相同时，61

④一侧流体温度有变化，另一侧恒温时，⑤错流、折流时平均温差

图算法11212一侧流体变温时的温差变化④一侧流体温度有变化，另一侧恒温时，⑤错流、62温度校正系数温度校正系数63原因:

换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。

避免措施:采用多个换热器串联或采用多壳程结构，换热器个数或所需的壳程数,可用图解法确定。说明：th1tc2th2tc1ANs=2无相变换热器设计计算a）校正系数可根据R和P两参数从相应的图中查得。

b）温差校正系数恒小于1。c）当值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。原因:换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。说明：th1t644.6.5传热效率和传热单元数法

设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。

●设计型计算总之，对于设计型计算冷、热流股的温度都已知，或者通过热流量衡算达到已知，无须试差。4.6.5传热效率和传热单元数法总之，对于设计型计算冷、65

●

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。(1)传热效率和传热单元数

①传热效率

●操作型计算若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热66逆流：哪一侧流体能获得最大的温度变化（th1-tc1）max，这将取决于两流体热容量流率(qmcp)的相对大小。tc1th2＝tc1th2th2th1tc1tc2传热温度传热th1＝tc2温度温度传热逆流传热效果示意图逆流：哪一侧流体能获得最大的温度变化（th1-tc1）max67并流：tc1t