传热优秀公开课课件

第一节概述返回第四章传热一、传热过程的应用（1）物料的加热或冷却（2）热量与冷量的回收利用（3）设备与管路的保温2023/3/301二、传热的基本方式

（一）热传导气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果

固体导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动实现液体机理复杂特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移2023/3/302（二）热对流（三）热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。

自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介

特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动2023/3/303传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。热流密度q（热通量）

：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s.m2)或W/m2。（二）传热速率与热流密度2023/3/305非稳态传热

（三）稳态与非稳态传热

稳态传热

2023/3/306（四）两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流传导冷流体Q热流体稳态传热：2023/3/307一、傅立叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。

（一）温度场和等温面非稳态温度场

稳态温度场

等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。

第二节热传导不同温度的等温面不相交。2023/3/309（二）温度梯度

nnxt+ttxQ方向：法线方向，以温度增加的方向为正。2023/3/3010（三）傅立叶定律式中dQ──热传导速率，W或J/s；

dA──导热面积，m2；t/n──温度梯度，℃/m或K/m；

──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。负号表示传热方向与温度梯度方向相反2023/3/30111.固体热导率

金属材料10～102W/(m•K)

建筑材料10-1～10W/(m•K)

绝热材料10-2～10-1W/(m•K)在一定温度范围内：对大多数金属材料a<0，t

对大多数非金属材料a>0

，

t

2023/3/30132.液体热导率金属液体较高，非金属液体低；非金属液体水的最大；水和甘油：t

，其它液体：t

，0.09～0.6W/(m·K)2023/3/30143.气体热导率

t

，

一般情况下，随p的变化可忽略；

气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.006～0.4W/(m·K)2023/3/3015积分：2023/3/3017（二）多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t32023/3/3018各层的温差2023/3/3019四、圆筒壁的稳态热传导

（一）单层圆筒壁的热传导

特点：传热面积随半径变化，

A=2rl(2)一维温度场，t沿r变化。2023/3/3021在半径r处取dr同心薄层圆筒积分2023/3/3022讨论：——对数平均面积热阻令——对数平均半径2023/3/3023（二）多层圆筒壁的热传导2023/3/3025三层：n层圆筒壁：

2023/3/3026式中 Q──对流传热速率，W；1

、2

──热、冷流体的对流传热系数，

W/(m2·K)；

T、TW、t、tW──热、冷流体的平均温度及

平均壁温，℃。

冷流体：热流体：牛顿冷却定律2023/3/3029（一）影响因素2.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制

>自然

二、对流传热系数的影响因素1.流动状态湍流

>层流

2023/3/3030自然对流的产生：设热处：t2，2；冷处：t1，1——体积膨胀系数，1/C.或而得：或2023/3/3031由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板2023/3/30325.是否发生相变相变

>无相变4.传热面的形状，大小和位置形状——管、板、管束等；大小——管径、管长、板厚等；位置——管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流体的物性

，，，cp

2023/3/3033三、对流传热的特征数关系式变量数8个基本因次4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4无相变时2023/3/30341.

努塞尔特（Nusselt

）数表示对流传热系数的特征数2.

雷诺（Reynolds）数反映流体的流动状态对对流传热的影响2023/3/30353.

普兰特（Prandtl）数反映流体的物性对对流传热的影响4.

格拉斯霍夫（Grashof）准数表示自然对流对对流传热的影响一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)简化：强制对流Nu=f(Re,Pr)

自然对流Nu=f(Pr,Gr)2023/3/3036使用准数关联式时注意：1.应用范围2.特征尺寸3.

定性温度强制对流自然对流无相变有相变蒸汽冷凝液体沸腾2023/3/3037四、无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流1.

圆形直管内的强制湍流流体被加热n=0.4流体被冷却n=0.3（1）应用范围：Re>104,Pr=0.7~160,L/d>60,

气体或低粘度的液体（<2水）（2）定性温度：流体进出口的算术平均值（3）特征尺寸：管内径2023/3/3038讨论：（1）加热与冷却的差别：液体气体2023/3/3039物性一定时：（2）影响因素：2023/3/3040公式修正：（1）当L/d<60，乘校正系数；（2）高粘度液体（>2水）工程处理：加热：冷却：2023/3/3041（3）弯管（4）非圆形管道用当量直径计算。2023/3/30422.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数2300<Re<1042023/3/30433.圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。对于液体2023/3/3044自然对流可以忽略：Gr<25000自然对流不能忽略：Gr>25000乘校正因子：适用范围：定性温度：特征尺寸：管内径2023/3/3045（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过2023/3/3046应用范围：Re=5000~70000;x1/d=1.2~5;x2/d=1.2~5

特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值Nu=C

RenPr0.4平均对流传热系数：2023/3/30472．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形2023/3/3048设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。圆缺形折流挡板：

定性温度：应用范围：Re=2×103～1062023/3/3049正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）当量直径ded0tt2023/3/3050（2）流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折流挡板间距离，m；

D——换热器壳径，m；2023/3/3051（三）自然对流时的对流传热系数定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度H

水平管为管外径d0各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。

2023/3/30521.蒸汽冷凝方式五、流体有相变时的对流传热滴>膜

（1）膜状冷凝（2）滴状冷凝冷凝过程的热阻——冷凝液膜（一）蒸汽冷凝时的对流传热2023/3/30532.膜状冷凝时的对流传热系数（1）水平管束外定性温度：tSr，其它膜温

n——水平管束在垂直列上的管数r——比汽化热2023/3/3054（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝qm——冷凝液量，kg/sM——冷凝负荷，kg/s.m2023/3/3055层流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温

2023/3/30563.影响因素和强化措施(1)液体物性，，

，

r

(2)不凝气体

不凝气体存在，导致，需定期排放。(3)蒸汽流速与流向（u>10m/s）同向时，t，；反向时，t，；u，(4)蒸汽过热

r’=r+cp(tv-ts)影响较小2023/3/3057(5)强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。2023/3/3058（二）液体沸腾时的对流传热大容积沸腾管内沸腾1.沸腾现象在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层2023/3/3059沸腾必要条件：

过热度t=（t－ts）>0

存在汽化核心推动力（tw－ts）沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、膜状沸腾

工业上采用核状沸腾大，tW小水沸腾曲线2023/3/30602.影响因素及强化措施（1）液体的性质（2）温度差核状沸腾阶段:t2.5，，t

（3）操作压力2023/3/3061（4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大

（5）强化措施表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2023/3/3062第四节传热过程计算返回总传热速率方程式中Q──传热速率，W；

tm──两流体的平均温度差，℃；

A──传热面积，m2；

K──总传热系数，W/(m2·℃)。2023/3/3063（一）恒温传热（二）变温传热tm与流体流向有关一、传热平均温度差逆流并流错流折流2023/3/30641.逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流2023/3/3065以逆流为例推导tm假设：（1）稳态流动，qm1、qm2为常数；（2）cp1、cp2为常数；（3）K沿管长不变化；（4）热损失忽略不计。AT2t1t2T1dTdtdAt2t1t=T-t对于微元：2023/3/3066T1T2t2t1Q而2023/3/3067逆流、并流均适用；当t2/t1<2，则可用算术平均值。——对数平均温度差2023/3/30682.错流与折流查图

<1tm<tm逆——>0.9若

<0.8，温差损失大，传热不稳定；应改变流型2023/3/3069（三）流向的选择1.所需传热面积逆流优于并流。2023/3/30702.载热体消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加热任务：t1t2（T2并）min=t2（T2逆）min=t1逆流优于并流。2023/3/30713.温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4.并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。2023/3/3072二、总传热系数K——总传热系数，W/(m2·K)twTw管内对流管外对流导热冷流体热流体tTdQdQ1dQ3dQ2（一）总传热系数计算2023/3/3073管内对流管外对流管壁热传导稳态传热

2023/3/3074（1）平壁dA=dA1=dA2=dAm讨论：（2）以外表面为基准(dA=dA1)2023/3/3075K1——以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm——对数平均直径，m以内表面为基准：d1/d2<2可用算术平均值2023/3/3076（二）污垢热阻

Rd1、Rd2——传热面两侧的污垢热阻，(m2·K)/W（三）提高K值的讨论

设法减小控制热阻。（1）减小污垢热阻——防结垢、及时清洗。2023/3/3077（2）若污垢热阻与壁阻可忽略时，有或若则当1、2相差较大时：若则或应提高较小，进而提高K。当1、2相差不大时，二者应同时提高。2023/3/3078三、壁温的计算稳态传热

（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTW2023/3/3079TW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温度

（3）两侧有污垢（2）当tW=TW

2023/3/3080四、传热计算总传热速率方程热量衡算式

(热负荷)无相变

有相变

应用条件：定态流动，qm为常数；

cP为常数；

K为常数；忽略热损失。2023/3/30811.设计型计算已知：qm1、T1、T2（生产任务），t1、qm2等求：传热面积A或校核换热器是否合适步骤

:（1）计算热负荷；（2）计算tm；（3）计算1、2及K；（4）计算A若A实

>A计

或Q换>Q需要，换热器合适。2023/3/3082二、操作型计算（1）已知：换热器A，qm1、T1，qm2

、t1

求：出口T2、t2（2）已知：换热器A，qm1、T1，T2

、t1

求：qm2、

t2注意：列管式换热器中流通面积传热面积2023/3/3083一、基本概念1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。特点：能量形式的转换不需要任何介质第五节热辐射2023/3/3084QQQNQ能量守恒定律：

——吸收率

——反射率

——穿透率

3.物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q

；被反射Q

；穿过物体Q

2023/3/3085

黑体：白体(镜体)：透热体：灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体固体、液体：=0+=1

气体：=0+=12023/3/3086二、物体的辐射能力物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E表示,W/m2──黑体辐射常数,5.669×10-8W/(m2.K4)（一）黑体斯蒂芬-波尔茨曼定律四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感Cb──黑体辐射系数,5.669W/(m2.K4)2023/3/3087（二）实际物体黑度：

<1

=f(物体的种类、表面温度、表面状况)C——灰体的辐射系数，C=Cb是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度

——实验测定2023/3/3088（三）克希霍夫定律对灰体:热交换达到平衡时T1=T2,q=0任意物体:T1>T21

2=1E1Eb（1-1）Eb1Eb

Ⅰ灰体

Ⅱ黑体

克希霍夫定律2023/3/3089结论：（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大（2）=

同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等（3）＜１，E＜Eb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大2023/3/3090（一）辐射传热速率四、两固体间的相互辐射①两面积无限大的平行平板②两平面有限大的平行平板2023/3/3091③一物体被另一物体包围若外围为黑体，1=1

或A2》A1，则C1-2=C1=Cb12023/3/3092

1.温度的影响

ＱT4；低温可忽略，高温可能成为主要方式

2.几何位置的影响

3.表面黑度的影响

Ｑ，可通过改变大小强化或减小辐射传热

4.辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）（二）影响辐射传热的主要因素2023/3/3093五、高温设备及管道的热损失对流：

辐射：

令=1

总热损失：

T——对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)2023/3/3094（1）空气自然对流，tW<150C（2）空气沿粗糙壁面强制对流管道及圆筒壁保温层外空气速度u>5m/s平壁保温层外空气速度u<=5m/s2023/3/3095一、换热器的分类按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器按冷、热流体热量交换方式分类混合式、蓄热式、间壁式第六节换热器2023/3/3096二、间壁式换热器的类型（一）夹套换热器优点：结构简单缺点：

A小釜内小强化措施：釜内加搅拌釜内加蛇管外循环2023/3/3097（二）蛇管换热器1.沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高K优点：结构简单管内能耐高压缺点：

管外小2023/3/30982.喷淋式优点：结构简单管内能耐高压管外比沉浸式大缺点：喷淋不易均匀占地面积大2023/3/3099（三）套管换热器优点：结构简单能耐高压

(K)或tm大缺点：结构不紧凑A/V小接头多，易漏2023/3/30100（四）列管换热器管板、管束、封头、壳体2023/3/301011.固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。——加热补偿圈（膨胀节）当管内外流体温差Δt>

50℃

时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：2023/3/301022.浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂2023/3/301033.U型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。2023/3/30104三、列管换热器的选用1.根据工艺任务，计算热负荷2.计算tm3.依据经验选取K，估算A4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u先按单壳程多管程计算，如果<0.8，应增加壳程数；由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。2023/3/301055.