化工原理 第二章

第二章传热(chuánrè)及传热(chuánrè)设备

化工(huàgōng)原理精品资料第二章传热(chuánrè)及传热(chuánrè)设备传热(chuánrè)基本概念31.1热传导的基本概念与能量衡算31.231.431.3计算31.6计算31.5精品资料CompanyLogo传热基本方式2.1.1传热速率2.1.22.1传热(chuánrè)基本概念精品资料2.1.1传热基本(jīběn)方式热传导简称导热，是指直接接触的系统之间或系统内各部分之间没有宏观的相对运动，仅仅依靠分子(fēnzǐ)、原子及自由电子等微观粒子的热运动而实现热量传递的现象。对流是指流体中各部分质点之间发生宏观相对运动和混合而引起的热量传递过程，即热对流只能发生在流体内部。热辐射简称辐射，是物体因热的原因而产生电磁波在空间的传递现象。精品资料2.1.2传热(chuánrè)速率传热速率Q是指单位时间内通过一台换热器的传热面或某指定(zhǐdìng)传热面的热量。精品资料CompanyLogo热传导基本概念2.2.1傅立叶定律2.2.22.2热传导固体平壁稳态热传导2.2.3固体圆筒壁稳态热传导2.2.4精品资料2.2.1热传导基本概念1．温度场与等温面如果用直角坐标x、y、z来描述(miáoshù)物体内各点的位置，以θ代表时间，t代表温度，那么，在某一瞬间，温度在空间各点分布的综合情况称为温度场。（2-1）

精品资料2.2.1热传导基本概念在某一瞬间，温度(wēndù)场内温度(wēndù)相同的各点组成的面叫等温面，用任何一平面与等温面相切可得到等温线。

精品资料2.2.1热传导基本概念2．温度梯度沿着与等温面相交的任何方向都有温度的变化，这种变化在法线方向上距离最短，单位长度的温度变化最大。为了(wèile)描述这种变化情况，把两相邻等温面之间沿着法线方向的温度差Δt与法向距离Δn之比叫做温度梯度，即（2-1）对于一维稳态温度场，等温线全都垂直于x方向，其温度梯度为（2-2）精品资料2.2.2傅里叶定律(dìnglǜ)实验(shíyàn)研究结果表明，热能总是朝着温度降低的方向传导，其导热速率的大小与温度梯度以及导热面积成正比，数学表达式为=－（2-6）上式称为傅立叶定律，是热传导的基本定律，式中负号表示热传导的方向与温度梯度的方向相反，即热量朝着温度下降的方向传递。

精品资料2.2.3固体(gùtǐ)平壁稳态热传导1.单层平壁热传导精品资料2.2.3固体(gùtǐ)平壁稳态热传导2.多层平壁热传导精品资料2.2.3固体(gùtǐ)平壁稳态热传导表2-1几种常见(chánɡjiàn)表面的接触热阻接触面材料粗糙度，μm温度，℃表压强，kPa接触热阻，m2.℃/W不锈钢（磨光），空气2.5490～200300～25000.264～10－3铝（磨光），空气2.541501200～25000.88～10－4铝（磨光），空气0.251501200～25000.18～10－4铜（磨光），空气1.27201200～200000.7～10－5精品资料2.2.4固体(gùtǐ)圆筒壁稳态热传导1.单层圆筒壁热传导

（2-20）

（2-21）

精品资料2.2.4固体(gùtǐ)圆筒壁稳态热传导2.多层圆筒壁热传导=

精品资料2.2.4固体(gùtǐ)圆筒壁稳态热传导于固体壁的一维稳态热传导的计算问题，虽然有平壁与圆筒壁、单层壁与多层壁之分，但就热传导速率计算式的形式而言，则是完全相同的，即都可采用(cǎiyòng)一般的公式表示之（2-27）

精品资料CompanyLogo牛顿冷却定律2.3.1无相变对流传热系数计算2.3.2有相变对流传热系数计算2.3.32.3对流传(liúchuán)热精品资料2.3对流传(liúchuán)热精品资料2.3.1牛顿冷却(lěngquè)定律流体在单位(dānwèi)时间内流经管道单位(dānwèi)截面的量称为流速。则==（2-29）上式称为牛顿冷却定律，描述了换热器任一截面上的局部对流传热规律。==

精品资料2.3.1牛顿冷却(lěngquè)定律在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但是在工程计算中，常常使用平均对流传热系数来描述整个换热器内的对流传热情况，此时牛顿冷却定律(dìnglǜ)可以表示为=（2-30）实验表明，影响的主要因素有：（1）流体的种类和相变化的情况（2）流体的物理性质（3）流体的流动状况（4）引起流体流动的原因（5）传热表面的形状、大小及位置情况==

精品资料2.3.1牛顿(niúdùn)冷却定律表2-2准数关联(guānlián)式==

准数名称符号及准数式意义努塞尔特准数

表示对流传热系数的准数雷诺准数表示流体流动状态和湍动程度对对流传热的影响普兰特准数表示流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫准数

表示自然对流对对流传热的影响精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算一.无相变时流体在管内流动的计算1．流体在圆形直管内作强制湍流(tuānliú)（1）低粘度流体可应用迪特斯—贝尔特关联式：（2-33）（2）高粘度流体可应用西德尔—泰特关联式：（2-34）

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算2．流体在圆形直管内作强制湍流流体在圆形直管内层流流动时，应考虑自然对流的影响，情况比较复杂，关联(guānlián)式的误差比湍流时的要大。当管径较小，且流体和壁面的温差不大时，自然对流的影响可以忽略，这时可采用西德尔—泰特关联(guānlián)式：（2-35）==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算3．圆形直管内其它情况（1）流体在弯管(wānɡuǎn)内作强制对流（2-35）（2）流体在圆形直管中呈过渡流（2-36）（3）流体在短管内作强制对流（2-27）==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算4．流体在非圆形管内作强制对流此时(cǐshí)，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。的定义式为：（2-39）但有些资料中规定某些关联式采用传热当量直径:（2-40）

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算二、无相变时流体(liútǐ)在管外流动的计算1.流体(liútǐ)在管束外强制垂直流动

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算2.流体(liútǐ)在换热器的管间流动

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算2.2.3.有相变对流(duìliú)传热系数计算1.蒸气冷凝

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算2.液体(yètǐ)沸腾

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算（1）自然(zìrán)对流区（2）泡状（核状）沸腾区（3）膜状沸腾区

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算（1）首先分析所处理的问题是属于哪一类（2）选用(xuǎnyòng)相应的计算式时，应注意被选用(xuǎnyòng)的公式所规定的使用范围，特性尺寸，定性温度等；（3）公式中物性参数的单位要予以注意，按规定代入；（4）流体在圆形直管内作强制湍流的无相变计算，在工程上最为常见，但许多情况下如过渡流、弯管、非圆管等的计算，都是由该式派生而得，应予以充分掌握；（5）蒸汽冷凝与液体沸腾要特别注意对的影响因素。（6）液体沸腾中，温度差、操作压力、流体物性、加热面等都有影响。

==

精品资料2.3.2无相变对流(duìliú)传热系数计算表2-4值的大致(dàzhì)范围

==

传热情况

（W/m-2·K-1）

空气自然对流

5—25

气体强制对流

20—100

水自然对流

200—1000

水强制对流

1000—15000

水蒸汽膜状冷凝

5000—15000

水蒸汽滴状冷凝

400000—120000

水沸腾

2500—25000

有机蒸气冷凝

500—2000精品资料CompanyLogo牛顿冷却定律2.4.1无相变对流传热系数计算2.4.2有相变对流传热系数计算2.4.32.4热辐射对流与辐射联合传热2.4.4精品资料2.4.1辐射(fúshè)传热基本概念1.热辐射及其特点物体温度大于绝对零度即可向外发射辐射能，辐射能以电磁波形式传递，当与另一物体相遇，则可被吸收、反射、透过，其中(qízhōng)吸收的部分又可将电磁波转变为热能。这种仅与物体本身的温度有关而引起的热能传播过程，称为热辐射。（1）物体的热能转化为辐射能，只要物体的温度不变，其发射的辐射能亦不变；精品资料2.4.1辐射(fúshè)传热基本概念（2）物体向外发射辐射能的同时，并不断吸收(xīshōu)周围物体辐射来的能量，结果是高温物体向低温物体传递了能量，称为辐射传热；（3）理论上，热辐射的电磁波波长为零到无穷大，实际上，波长仅在0.4-40的范围是明显的；（4）可见光的波长为0.4-0.8，红外线的波长0.8-40，可见光与红外线统称为热射线；（5）虽然热射线与可见光的波长范围不同，但本质一样。精品资料2.4.1辐射(fúshè)传热基本概念2.辐射能的吸收、反射(fǎnshè)和透过精品资料2.4.1辐射(fúshè)传热基本概念（1）的物体称为绝对黑体或黑体，实际上，的物体是不存在(cúnzài)的，但有些物体接近于黑体。（2）的物体称为绝对白体或镜体，的物体也不存在(cúnzài)，但有些物体性质接近于白体。（3）的物体称为透热体，虽然实际中并不存在(cúnzài)透热体，但是单原子或对称双原子气体可近似为透热体。精品资料2.4.1辐射(fúshè)传热基本概念3.灰体工程上为了处理问题方便起见，提出了“灰体”的概念。所谓灰体，从辐射的角度来讲，在相同温度下，能以相同的吸收率吸收各种波长辐射能的物体，是一种理想化物体，但大多数工程材料都可以近似(jìnsì)为灰体。灰体的特点是：（1）吸收率与波长无关；（2）灰体是不透热体。精品资料2.4.2物体的辐射(fúshè)能力1.斯蒂芬-波尔茨曼定律该定律的描述是：黑体的辐射(fúshè)能力与其表面温度的四次成正比。即：

（2-52）精品资料2.4.2物体的辐射(fúshè)能力2.灰体的辐射能力因为许多工程(gōngchéng)材料的辐射特性近似于灰体，所以通常将实际物体视为灰体来计算其辐射能力E，可用下式计算：（2-53）精品资料2.4.2物体(wùtǐ)的辐射能力3.黑度在计算辐射传热中，由于相同温度下黑体(hēitǐ)的辐射能力最强，通常将灰体辐射能力与同温度下黑体(hēitǐ)辐射能力之比定义为物体的黑度，即（2-54）精品资料2.4.2物体的辐射(fúshè)能力表2-5常用(chánɡyònɡ)工业材料的黑度

材

料

温

度，℃

黑

度红砖耐火砖钢板（氧化的）钢板（磨光的）铝（氧化的）铝（磨光的）铜（氧化的）铜（磨光的）铸铁（氧化的）铸铁（磨光的）

20

--200-600940-1100200-600225-575200-600--200-600330-9100.930.8-0.90.80.55-0.610.11-0.190.039-0.0570.57-0.870.030.64-0.780.6-0.7精品资料2.4.2物体(wùtǐ)的辐射能力4.克希霍夫定律该定律描述(miáoshù)了灰体的辐射能力与其吸收率之间的关系，其表达式为：（2-55）上式说明，任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下黑体的辐射能力，其值仅与物体的温度有关。精品资料2.4.3物体间的辐射(fúshè)传热工业上两固体间的相互(xiānghù)辐射传热计算是很复杂的，一般都把两物体视为灰体，在两灰体间的辐射传热中，相互(xiānghù)进行着辐射能的多次被吸收和多次被反射的过程，应考虑两固体间的吸收率、反射率、形状、大小及两物体间的距离和相互(xiānghù)位置的影响（2-57）精品资料2.4.3物体(wùtǐ)间的辐射传热表2-6值与的计算(jìsuàn)式序号辐射情况S1极大的两平行面S1或S212面积相等的两平行面S1查图2-13

3很大的物体2包住物体1S11

4物体2恰好包住物体1S115介于3、4两种情况之间S11精品资料2.4.3物体间的辐射(fúshè)传热

精品资料2.4.4对流与辐射联合(liánhé)传热为减少热损失或冷损失，许多温度较高或较低的设备，如换热器、塔器、反应器及蒸汽管道等都必需进行保温(bǎowēn)或隔热处理。对流热损失:（2-58）辐射热损失：（2-59）

精品资料CompanyLogo间壁式换热简介2.5.1热量衡算2.5.2总传热速率方程2.5.32.5间壁式换热器传热(chuánrè)计算总传热系数的确定2.5.4平均传热温度差的计算2.5.5换热器的传热计算2.5.6精品资料2.5.1间壁式换热简介(jiǎnjiè)精品资料2.5.1间壁式换热简介(jiǎnjiè)精品资料2.5.2热量(rèliàng)衡算1.无相变化时热负荷(fùhè)计算（1）热焓法（2-65）（2）比热法（2-66）精品资料2.5.2热量(rèliàng)衡算2.有相变化时热负荷计算（1）一侧流体(liútǐ)发生相变化，且处于饱和状态（2-67）（2）一侧流体(liútǐ)发生相变后，又进一步有显热变化（2-68）精品资料2.5.3总传热(chuánrè)速率方程为便于计算，需避开壁温，而直接用已知的冷、热流体的温度进行计算。为此，需要(xūyào)建立以冷、热流体主体温度差为传热推动力的传热速率方程，该方程称为总传热速率方程。内侧热流体至内壁面的对流传热方程：（2-70）精品资料2.5.3总传热(chuánrè)速率方程内壁面至外壁面的热传导方程(fāngchéng)：（2-71）外壁面至外侧冷流体的对流传热方程(fāngchéng)：（2-72）精品资料2.5.4总传热系数的确定(quèdìng)1.理论计算法（1）理论公式当冷、热流体通过管式换热器进行传热时，沿传热方向传热面积是变化的，此时总传热系数K必须和所选择(xuǎnzé)的传热面积相对应，选择(xuǎnzé)的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。精品资料2.5.4总传热系数的确定(quèdìng)（2）污垢(wūgòu)热阻影响表2-7污垢(wūgòu)热阻常见值

流

体

污垢热阻RS

(m2·K/kW)流

体污垢热阻RS(m2·K/kW)水(1m/s,t＞50℃)蒸馏水海水清净的河水未处理的凉水塔用水已处理的凉水塔用水硬水、井水气体空气溶剂蒸气

0.090.090.210.580.260.580.26-0.530.14

水蒸气

优质——不含油

劣质——不含油

往复机排出

液体

处理过的盐水

有机物

燃料油

焦油0.0520.090.1760.2640.1761.0561.76精品资料2.5.4总传热系数的确定(quèdìng)（3）提高(tígāo)K值讨论若不考虑管壁热阻及污垢热阻的影响，且同时将传热面取为平壁或薄管壁时，（2-8）精品资料2.5.4总传热系数的确定(quèdìng)2.经验(jīngyàn)选取法表2-8管壳式换热器中的总传系数K的经验(jīngyàn)值

冷流体

热流体

传热系数K

[]水水850～1700水气体17～280水有机溶剂280～850水轻油340～910水重油60～280有机溶剂有机溶剂115～340水水蒸汽冷凝1420～4250气体水蒸汽冷凝30～300水低沸点烃类冷凝455～1140水沸腾水蒸汽冷凝2000～4250精品资料2.5.4总传热系数的确定(quèdìng)3.经验选取法对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算K值。显然，这样得到的总传热系数K值最为可靠。实测K值的意义，不仅可以为换热器设计提供依据(yījù)，而且可以分析了解所用换热器的性能，寻求提高设备传热能力的途径。

精品资料2.5.5平均传热(chuánrè)温度差的计算1.恒温传热时的当间壁换热器两侧流体均发生饱和相变化时，温度差的计算非常简单。例如(lìrú)蒸发器操作，一侧为饱和蒸气冷凝，热流体保持在恒温T下放热；另一侧为饱和液体沸腾，冷流体保持在恒温t下吸热。因此，换热器间壁两侧流体的温度差处处相等，则：（2-85）

精品资料2.5.5平均传热(chuánrè)温度差的计算2.变温传热(chuánrè)时的

精品资料2.5.5平均(píngjūn)传热温度差的计算

精品资料2.5.5平均传热(chuánrè)温度差的计算（1）并流与逆流时的计算式导出现以逆流操作为例，取微元传热面积dS分析。对于稳态传热，且热损失可忽略(hūlüè)时，由热量衡算得（2-86）

精品资料2.5.5平均传热(chuánrè)温度差的计算（2）其它(qítā)流型的平均温度差计算

精品资料2.5.6换热器的传热(chuánrè)计算1.计算举例[例2-9]在一钢制套管换热器中，用冷水将1kg/s的苯由65℃冷却至15℃，冷却水在φ25×2.5mm的内管中逆流流动，其进出口温度为10℃和45℃。已知苯和水的对流传热系数分别为0.82×103W/(m2·K)和1.7×103W/(m2·K)，在定性温度下水(xiàshuǐ)和苯的比热容分别为4.18×103J/(kg·K)和1.88×103J/(kg·K)，钢材导热系数为45W/(m·K)，又两侧的污垢热阻可忽略不计。试求（1）冷却水消耗量；（2）所需的总管长。

精品资料2.5.6换热器的传热(chuánrè)计算（1）Wc＝0.643kg／s（2）由于(yóuyú)K以管外的传热面积为基准，计算L时应以d0为基准。故所需总管长

精品资料2.5.6换热器的传热(chuánrè)计算2.传热(chuánrè)效率与传热(chuánrè)单元数法（1）传热(chuánrè)效率（2-93）（2）传热(chuánrè)单元数（2-94）

（2-95）精品资料2.5.6换热器的传热(chuánrè)计算3.传热系数与传热单元(dānyuán)数的关系精品资料2.5.6换热器的传热(chuánrè)计算接上图精品资料CompanyLogo换热器类型2.6.1强化传热途径2.6.2管壳式换热器设计2.6.32.6换热设备(shèbèi)精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)1．直接(zhíjiē)接触式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)2．蓄热式换热器精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)3．间壁式换热器1.套管(tàoɡuǎn)式换热器精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)2.蛇管式换热器（1）沉浸(chénjìn)式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（2）喷淋式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)3.管壳式换热器精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（1）固定(gùdìng)管板式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（2）浮头(fútóu)式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（3）U型管式精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（二）板式(bǎnshì)换热器1.夹套式换热器精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)2.螺旋板换热器

精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)3.平板式换热器精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)（三）翅片式换热器1.板翅式换热器

精品资料2.6.1换热器类型(lèixíng)2.翅片管式换热器精品资料2.6.1换热器类型(l