化工原理传热

第四章传热第一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第1页，共173页。4.1概述传热在化工生产中的应用

1.传热的三类应用实例（1）强化传热过程：流体的升温或冷却，产品的分离(蒸发，蒸馏和干燥等)。（2）削弱传热过程：管道，设备的保温或保冷。（3）热能回收利用：废热回收2.伴随传热的流体作用过程：(1)化学过程：吸放热反应；(2)物理过程：耗能，干燥，蒸发等3.传热在化工生产中的重要性：石化产业：传热设备重量占总设备规模的30-40%；传热设备投资占总设备投资的10-20%第二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第2页，共173页。4.1.1传热的基本方式1.热力学第二定律：当无外加功时，系统中热量总是自发地从温度较高的物体（部分）传递到温度较低的物体（部分）可见：热传递产生的原因是由于物体内部或物体之间温度差的存在

注：有外加功时，可以相反，如制冷机工作原理，

本章主要讨论的自发过程。

2.传热的基本方式（1）传导（导热）：物体内部分子通过碰撞或振动将热量以分子动能形式传递给相邻分子，但分子本身不产生宏观位移的一种传热方式。①固体的传热②穿过流体层流内层的传热（热边界层）现象①气体，流体：分子布朗运动时碰撞传热②导电固体：自由电子在晶格中运动传热③非导电固体（流体）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振动传热机理第三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第3页，共173页。（2）对流：流体中质点（微团）产生相对位移引起的热传递。①对流传热只发生在流体中②对流传热的强弱与流体流动状况密切相关特点①自然对流：流体中各点温度不同引起流体密度差异，使轻者上浮，重者下沉。②强制对流：流体因机械搅拌等外加功加入引起的对流对流传热的形式注意点①自然对流与强制对流常在流体中同时发生②化工生产中，强制对流的应用比自然对流更普遍和重要关于对流传热的计算：——牛顿冷却定律：

Q=α·A（T高-t低）

α——对流传热膜系数（w/oC•m2）第四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第4页，共173页。(3)辐射：热能转变为电磁波在空间的传递①热辐射不需任何介质②热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移③理论上，只要物体温度T>0K，均可产生辐射实际上，只有当物体之间温差较大时，辐射传热现象才较突出，一般来说，当物体的温度超过500K时，辐射热能才予以考虑。特点第五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第5页，共173页。1、直接接触式换热和混合式换热器4.1.2传热中冷、热流体热交换的方式第六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第6页，共173页。2、蓄热式换热器和蓄热器第七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第7页，共173页。3、间壁式换热和间壁式换热器第八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第8页，共173页。4.1.3典型间壁式换热器冷流体t1t2热流体T1T2（一）间壁式换热器夹套式换热器第九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第9页，共173页。图4-5单程管壳式换热器1-外壳2-管束3、4-接管5-封头6-管板

7-挡板8-泄水池第十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第10页，共173页。图4-6双程管壳式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板第十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第11页，共173页。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。4.1.4传热速率与热通量第十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第12页，共173页。非稳态传热4.1.5稳态与非稳态传热稳态传热第十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第13页，共173页。

在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介质);起冷却(或冷凝)作用的载热体称为冷却剂(或冷却介质)。4.1.6载热体第十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第14页，共173页。①载热体的温度易调节控制；②载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；④价格便宜，来源容易。工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。选择载热体的原则第十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第15页，共173页。4.2.1基本概念和傅立叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。1.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。4.2热传导不同温度的等温面不相交。2.温度梯度

方向：法线方向，以温度增加的方向为正。nnxt+ttxQ第十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第16页，共173页。3傅立叶定律式中dQ──热传导速率，W或J/s；

dS──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第十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第17页，共173页。4.2.2导热系数

在数值上等于单位温度梯度下的热通量=f(结构,组成,密度,温度,压力）金属固体

>非金属固体

>液体

>气体

表征材料导热性能的物性参数第十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第18页，共173页。1.固体导热系数金属材料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

第十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第19页，共173页。2.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)式中：Xwi—i组分质量分率

0.9—有机液体的水溶液混合物

1.0—纯有机流体混合物混合流体导热系数可按下式计算：第二十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第20页，共173页。3.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。温度越高，压强越大，气体导热系数越大分子动能增大密度增大，分子碰撞频率增加混合气体导热系数计算：yi—气体组分摩尔（体积）分率Mi—i组分气体分子量各种情况及各种物质的导热系数均可查阅手册而得第二十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第21页，共173页。t1t2btxdxQ4.2.3平壁的稳态热传导1单层平壁热传导假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化；S/b很大，忽略端损失。积分：第二十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第22页，共173页。2多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3第二十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第23页，共173页。结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；各层温差与热阻成正比。推广至n层：各层的温差第二十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第24页，共173页。接触热阻由于表面粗糙不平，不同材料构成的界面之间可能出现明显的温度降低而产生接触热阻。因两个接触面间有空穴，而空穴内又充满空气，因此，传热过程包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热传导(高温时还有辐射传热)。一般来说，因气体的导热系数很小，接触热阻主要由空穴造成。接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压强等因素有关，主要依靠实验测定。第二十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第25页，共173页。某燃烧炉的平壁是由一层耐火砖（其λ1=1.047W/(m·k)）与一层普通砖（其λ2=0.814W/(m·k)）砌成，两层厚度均为100mm，操作达到稳定后，测得炉壁的内表面温度是700℃，外表面温度为130℃。为了减少热量损失，在普通砖外表面上增加一层厚度为40mm的保温材料（含85％的氧化镁，λ3=1.047W/(m·k)）。待操作达到稳定后，又测得壁的内表面温度为740℃，外表面（即保温层表面）温度为90℃。试计算加保温层前后，每小时每平方米的壁面各损失热量多少？第二十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第26页，共173页。多层平壁传热：λ1=1.047W/(m·k)，b1=100mm；λ2=0.814W/(m·k)，b2=100mm；λ3=0.07W/(m·k)，b3=40mm加保温层前：t1=700℃，t3=130℃所以加保温层后：t1=740℃，t4=90℃所以第二十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第27页，共173页。4.2.4圆筒壁的稳态热传导1单层圆筒壁的热传导假定：（1）圆筒很长（2）稳定（3）各向同性，密度均匀，同平壁在半径r处取dr同心薄层圆筒积分第二十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第28页，共173页。讨论：—对数平均面积热阻令—对数平均半径一般时，当r→∞时，计算公式类似于平壁公式。第二十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第29页，共173页。

2多层圆筒壁的热传导三层：n层圆筒壁：第三十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第30页，共173页。注：（1）在多层平壁传热中：（2）在多层圆筒壁中：由于故对多层球罐壁导热

球罐壁的传导传热式中可证明第三十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第31页，共173页。例：有一过热蒸汽输送管，管外径d0=320mm，壁温tw0=510℃，外包两层保温层，内层为粉煤灰及熟料泡沫混凝土，其λ1=0.097W/(m·k)，δ1=22mm；外层为石棉硅藻土，其λ2=（0.1622＋0.000169tm）W/(m·k)。若每米长的管子热损失为1395.6W/m，最外层壁温为50℃。试求两层保温层交界处的壁温和外层厚度。第三十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第32页，共173页。解：求两层保温层交界处的壁温对通过多层圆筒壁的传热：其中，所以两层保温层交界处的壁温tw1=215℃第三十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第33页，共173页。2）求外层厚度保温层外层：所以由得：

r2=0.209m

所以外层壁厚δ2=r2-r1=0.027m=27mm第三十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第34页，共173页。4.3对流传热1.基本概念流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程(如间壁式换热器)中占有重要的地位。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾第三十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第35页，共173页。对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。

对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力

=系数×推动力对流传热速率可由牛顿冷却定律描述第三十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第36页，共173页。换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流动，则对流传热速率方程式可分别表示为第三十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第37页，共173页。牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况下α的数值范围。第三十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第38页，共173页。o靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层第三十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第39页，共173页。保温层的临界厚度1.问题的提出：对于圆筒壁的传热存在着相互制约的一对矛盾：一方面，保温层越厚,外层的温度越接近于环境温度，则根据牛顿冷却定律，温差小，热量损失小。另一方面,保温层越厚，S越大热量损失Q越大

结论：必然存在一个最佳保温层厚度δc，使得保温效果最佳。2.假设：（1）空气传热膜系数基本不变（2）传热达到稳定则：又：第四十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第40页，共173页。即有：令：得：于是：（r0——中心至圆筒内壁半径）或应用举例：金属电线的散热问题，解决方法是将其外层包扎一层塑料，这样既可增强散热效果，又可防止电线在环境中腐蚀和漏电，双重作用对球罐壁的导热及热对流时临界保温层厚度，同理可得或第四十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第41页，共173页。如图，设A流体温度T>B流体温度t（1）A流体在平壁上的流动状态主体湍流区→过渡流区→层流内层区→平壁A侧

B流体在平壁上的流动状态平壁B侧→层流内层区→过渡区→主体湍流区（2）传热及温度情况传热方向：因T>t故热量Q从A传向B

温度降低方向T→t换热分析第四十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第42页，共173页。a.湍流区中的传热及温度分布：湍流区中传热方式主要是强制对流（自然对流作用不显著）且由于湍流时，流体质点微团充分混合，故湍流区温度趋于均匀b.过渡流区的传热与温度情况过渡流区中既有对流（强制和自然对流）传热，又有导热，所占比重视具体情况变化。温度沿与流动相垂直方向的变化程度与过渡区厚度成正比c.层流内层区中传热温度情况在层流区中传热方式是导热，流体质点间无混合。液体（气体）的导热系数较小，故该层中的温度变化较大，且与层流内层厚度成正比d.平壁中的传热及温度变化导热，温度基本呈直线变化第四十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第43页，共173页。（3）实际情况简化处理因过渡区及层流内层区厚度无法测定故常将湍流区中为对流给热，层流区及平壁中为传导传热。过渡区合并在湍流区层流区合并在平壁区整个过程简化为：温度湍流主体→过渡层→层流内层→平壁→层流内层→过渡层→湍流主体流体热量A|c|BQ||Tat第四十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第44页，共173页。传热系数热阻总热阻对流给热系数αA（湍流及过渡）导热系数λc（层流及平壁）对流给热系数αB（湍流及过渡流）K——总传热系数即：（平壁型总传热系数K计算公式）第四十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第45页，共173页。假设换热器的热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式可表示为对于整个换热器，其热量衡算式为4.4传热过程计算4.4.1热量恒算第四十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第46页，共173页。若换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝时当冷凝液的温度低于饱和温度时第四十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第47页，共173页。通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即一、总传热速率微分方程第四十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第48页，共173页。总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。总传热速率微分方程第四十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第49页，共173页。显然有管内径管外径平均管径工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。第五十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第50页，共173页。二、总传热系数1.总传热系数的计算总传热系数(简称传热系数)K是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。

K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K值的变动范围较大。

K值的来源：①K值的计算；②实验查定；③经验数据。第五十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第51页，共173页。两流体通过管壁的传热包括以下过程:①热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热；②通过管壁的热传导；③管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。第五十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第52页，共173页。对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即或第五十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第53页，共173页。移项后相加，得上式两边均除以，并利用，得第五十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第54页，共173页。比较第五十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第55页，共173页。基于管内表面积的局部总传热系数基于平均表面积的局部总传热系数基于管外表面积的局部总传热系数得第五十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第56页，共173页。设计中应考虑污垢热阻的影响，即管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。污垢热阻(又称污垢系数)第五十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第57页，共173页。提高总传热系数途径的分析总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻第五十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第58页，共173页。若传热面为平壁或薄管壁，则当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时若管壁外侧对流传热控制，则第五十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第59页，共173页。管壁内侧对流传热控制若管壁内、外侧对流传热控制相当若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制若，则第六十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第60页，共173页。欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。

K值总是接近且永远小于中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于中小者。第六十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第61页，共173页。第六十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第62页，共173页。第六十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第63页，共173页。第六十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第64页，共173页。第六十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第65页，共173页。2.K的实验测定对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。第六十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第66页，共173页。3.总传热系数的经验值某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的经验值列于表4-6。从表4-6可看出，通常经验值的范围较大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若为降低操作费，可选较小的K值；若为降低设备费，可选较大的K值。第六十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第67页，共173页。2.关于总传热系数及强化传热速率的基本手段的讨论（1）垢阻的影响管内外结垢，传热阻增大，总传热系数下降，传热量亦下降（2）强化传热操作的方法根据式可知，使Q增大可采取下列三种方法（1）增大传热面积A.——从设备结构着手，如减小管径，增加管数。但存在二个问题，即：流动阻力增大，制造和运行费上升（2）增大△tm——如采用逆流操作；当一方为蒸汽换热时，增大蒸汽压强，使其温度提高。第六十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第68页，共173页。（3）增大K值——①减小垢阻和降低管壁热阻（勤清洗）②当垢阻和管壁热阻可忽视时，则：K≈1，即在此情况下，K值取决于对流给热系数较小的流体，故应使1增大，效果才显著（瓶颈效应），关于提高值的措施，以后章节有详细讨论。变温差传热的几类情况平均温度差的计算1.在恒温差传热时：2.在变温差传热时：第六十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第69页，共173页。（1）逆流第七十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第70页，共173页。（2）并流第七十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第71页，共173页。（3）一侧发生相变时第七十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第72页，共173页。平壁两侧流体A、B主体湍流区，温度分别为T、t且不随位置而变化，即如图（2）所示。如：两侧同时相变过程或均为全混合状态。对于有流动情况下的平壁与圆筒壁，当二侧无相变时，尽管与流动相垂直的某一截面（T-t）不随时间变化，但会随位置变化（T－t）→（T`－t`）如图（3）所示。3.平均温度差问题的提出问题：式（a）的基本前提是：此时如何用若令：则：或：表示即：解决方法：采用平均方法（算术、对数、几何？）解决表达第七十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第73页，共173页。假定：（1）传热达到稳定，换热器与外界无热交换（热损失为零）（2）冷、热流体流量为常数，比热均不随温度改变（3）传热总系数为常数（或变化时有具体函数关系式表示）4.平均温差公式的推导第七十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第74页，共173页。于是：在微元传热面积dA上所传递的热量从换热器的微元传热面积考虑故冷热流体的温度差又：从冷热流体的传热情况分析故：或：第七十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第75页，共173页。即：积分整理：△tm为对数平均温差。注意与对数平均半径的类似性同理，当△t1/△t2≤2时，△tm可用算术平均值法代替，误差4%。另：当△t1△t2时，利用极限可证明第七十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第76页，共173页。讨论：（1）此式既适用于逆流，又适用于并流（有相变亦可）（2）对于错、折流，先按逆流处理计算△tm，再引入校正函数φ△t，（3）对于K不等于常数，时，而不难导出：第七十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第77页，共173页。3.流向的选择(1)逆流当换热器的传热量Q及总传热系数K一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。若传热面积一定，则可节省加热介质或冷却介质的用量。因而换热器应尽可能采用逆流操作。第七十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第78页，共173页。(2)并流若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。采用折流或其他流动形式的原因，除了为满足换热器的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均温度差较逆流时的低。在选择流向时应综合考虑，φΔt值不宜过低，一般设计时应取φΔt>0.9，至少不能低于0.8，否则应另选其他流动形式。第七十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第79页，共173页。关于逆流操作的优点平均温差大（当二流体进，出口温度一定时）节省冷却剂或加热剂用量并流优势控制出口端冷流体的温度。高粘度流体的加热，使温度迅速升高，增强流动性。思考题：

1、在全混釜夹套中△tm如何计算，（与相变过程相同）；

2、有化学反应的过程（化学反应）总结第八十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第80页，共173页。第八十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第81页，共173页。第八十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第82页，共173页。第八十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第83页，共173页。4.4.5传热单元数法1.定义：传热效率①若以热流体的基准,则因T1一定，故若使（T1-T2）最大，则需使T2=T2min

对于逆流：对于并流：则：即热流体出口温度的极限值是等于冷流体的进口温度第八十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第84页，共173页。②若以冷流体为基准，则：因冷流体出口温度t2的极限是热流体的进口温度T1

即：故：（逆流，以冷流体为基准）或：又故（并流，以冷流体为基准）第八十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第85页，共173页。于是：理由：根据热平衡，当一侧流体取得最大温差时，在传热量不变（一定）时，其msCp必最小，否则，则要求另一侧流体有更大温差，出现假定上的矛盾。即：现要求又根据热平衡于是：与假设矛盾。第八十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第86页，共173页。2.Ε的计算——NTU法由于故定义：传热单元数又可以推得：单程逆流时：单程并流时：式中：——热容流量比第八十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第87页，共173页。特别地：i)当CR=1时，ii)当CR→0时，（类似于相变过程）第八十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第88页，共173页。3.引入ε的意义对于稳定传热的换热过程：以逆流为例：又：（1）（2）（3）当CpT和Cpt已知时，上述3个方程中共有9个变量（1）若T1,T2,t1,t2已知及K,msT或mst已知，则直接可以设计计算换热器A，Q,mst或msT，设计型计算引入ε意义：若ε已知（通过ε-NTU图查取），则可直接计算T1或t1（2）若T1（T2）t1（t2）中任意二个已知，则需用试差法求解Q,t和T及K,A,msT,mst，操作型计算第八十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第89页，共173页。4.应用ε—NTU法优点①不需计算对数平均温差△tm，亦不用试算②对串联换热器，则按下列计算：第九十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第90页，共173页。5.关于引入NTU的意义：又：故：H0——传热单元高度（m）可见：①当H0=1m时，换热器的长度L=NTU②引入NTU和H0概念后，换热器传热面积的计算可简单表示为换热器长度的计算，当H0一定时，设计所要求的NTU越大（换热要求越高），则L越大。③H0只与换热器的K值和结构（n、d）及流体的性质状态有关，而与换热（温度变化）程度无关（K、Cp不随温度变化时）由得第九十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第91页，共173页。4.5.1影响对流传热系数的因素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

4.5对流传热系数关联式1.流动状态

湍流

>层流

第九十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第92页，共173页。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：或第九十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第93页，共173页。由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板第九十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第94页，共173页。5.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

第九十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第95页，共173页。4.5.2对流传热过程的量纲分析变量数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无相变时第九十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第96页，共173页。1.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第九十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第97页，共173页。3.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)第九十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第98页，共173页。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第九十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第99页，共173页。（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4.5.3流体无相变时对流传热系数第一百页，编辑于星期六：十三点四十五分。第100页，共173页。讨论：（1）加热与冷却的差别：液体气体第一百零一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第101页，共173页。物性一定时：（2）影响因素：第一百零二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第102页，共173页。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：第一百零三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第103页，共173页。（3）弯管（4）非圆形管道用当量直径计算。第一百零四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第104页，共173页。2.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数2300<Re<104第一百零五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第105页，共173页。3.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。对于液体第一百零六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第106页，共173页。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：管内径第一百零七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第107页，共173页。（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过第一百零八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第108页，共173页。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：第一百零九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第109页，共173页。2．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形第一百一十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第110页，共173页。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=2×103～106第一百一十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第111页，共173页。正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）当量直径ded0tt第一百一十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第112页，共173页。（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；第一百一十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第113页，共173页。（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。

第一百一十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第114页，共173页。1.蒸汽冷凝方式4.5.4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第一百一十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第115页，共173页。（1）努塞尔(Nusselt)理论公式膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以下假设：①冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导;②蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力;③蒸气冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变;④冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。2.膜状冷凝时的对流传热系数第一百一十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第116页，共173页。对蒸气在垂直管外或垂直平板侧的冷凝蒸汽的饱和温度与壁面温度之差饱和蒸汽的冷凝潜热第一百一十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第117页，共173页。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——比汽化热第一百一十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第118页，共173页。（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.m第一百一十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第119页，共173页。层流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温第一百二十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第120页，共173页。3.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)影响较小第一百二十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第121页，共173页。(6)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。(5)冷凝壁面的影响：冷凝壁面安放冷凝壁面表面第一百二十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第122页，共173页。（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第一百二十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第123页，共173页。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小图4-32水的沸腾曲线临界点第一百二十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第124页，共173页。2.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）操作压力第一百二十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第125页，共173页。（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）第一百二十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第126页，共173页。三、壁温的计算稳态传热（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTW第一百二十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第127页，共173页。TW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

第一百二十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第128页，共173页。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。第一百二十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第129页，共173页。1.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。第一百三十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第130页，共173页。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第一百三十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第131页，共173页。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4.6辐射传热第一百三十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第132页，共173页。QQQNQ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QA

；被反射QR

；穿过物体QD

第一百三十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第133页，共173页。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特点：①灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变；②灰体是不透热体，即A+R=1。固体、液体：D=0A+R=1

气体：R=0A+D=1第一百三十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第134页，共173页。辐射能力辐射能力E

物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。单位为W/m2单色辐射能力单位为W/m3在相同条件下，物体发射特定波长的能力。二、物体的辐射能力第一百三十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第135页，共173页。对黑体，辐射能力和单色辐射能力之间满足

黑体辐射能力黑体单色辐射能力，第一百三十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第136页，共173页。普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力随波长和温度变化的函数关系。，第一百三十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第137页，共173页。图4-34黑体单色辐射能力按波长的分布规律第一百三十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第138页，共173页。图4-34黑体单色辐射能力按波长的分布规律第一百三十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第139页，共173页。斯蒂芬—玻耳兹曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系。黑体的辐射常数斯蒂芬（Stefan）－玻耳兹曼（Boltzmann）定律四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感C0──黑体辐射系数，5.669W/(m2.K4)第一百四十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第140页，共173页。（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=C0是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度

——实验测定第一百四十一页，编辑于星期六：十三点四十五分。第141页，共173页。化学工业中常遇到两固体间的辐射传热。由于大多数固体可视为灰体，在两灰体间的相互辐射中，相互进行着辐射能的多次被吸收和多次被反射的过程，因而比黑体与灰体间的辐射过程要复杂得多。在计算灰体间辐射传热时，必须考虑它们的吸收率(或反射率)、物体的形状和大小及其相互间的位置与距离的影响。现以两个面积很大(相对于两者距离而言)且相互平行的灰体平板间相互辐射为例，推导灰体间辐射传热的计算式。若两板间介质为透热体，且因两板很大，故从一板发射出的辐射能可以认为全部投射在另一板上。由于两平板均是灰体，其D=0，故A+R=1。第一百四十二页，编辑于星期六：十三点四十五分。第142页，共173页。（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>T2A1+A

2=1E1Eb（1-A1）EbA1Eb

Ⅰ灰体

Ⅱ黑体克希霍夫定律第一百四十三页，编辑于星期六：十三点四十五分。第143页，共173页。结论：（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大（2）A=

同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等（3）A＜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第一百四十四页，编辑于星期六：十三点四十五分。第144页，共173页。（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第一百四十五页，编辑于星期六：十三点四十五分。第145页，共173页。③一物体被另一物体包围若外围为黑体，1=1

或A2》A1，则C1-2=C1=Cb1第一百四十六页，编辑于星期六：十三点四十五分。第146页，共173页。

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第一百四十七页，编辑于星期六：十三点四十五分。第147页，共173页。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)第一百四十八页，编辑于星期六：十三点四十五分。第148页，共173页。（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/s第一百四十九页，编辑于星期六：十三点四十五分。第149页，共173页。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4.7换热器第一百五十页，编辑于星期六：十三点四十五分。第150页，共173页。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第一