化工基础第四章传热-课件

第一节概述第四章传热一、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12024/4/2第一节概述第四章传二、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22024/4/2二、传热的基本方式（一）热传导气体分子做不规则热精品资料3精品资料3你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”44（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52024/4/2（二）热对流（三）热辐射自然对流：由于流体内温度不同三种类型换热器(1)直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗澡”吧，老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加热，此即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。6三种类型换热器(1)直接混合式——将热流体与冷流体直接混(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体、此即蓄热式换热器。如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。7(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图所示。8(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用夹套式换热器9夹套式换热器9热流体

T1T2t2t1冷流体套管式换热器（1—内管2—外管）10热流体T2t2t1套管式换热器（1—内管2—外单程列管式换热器1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板11单程列管式换热器11双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板12双程列管式换热器12三、两流体通过间壁换热过程冷流体t1t2热流体T1T2（一）间壁式换热器夹套式换热器132024/4/2三、两流体通过间壁换热过程冷流体t1t2热流体T1T2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142024/4/2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非稳态传热

（三）稳态与非稳态传热

稳态传热

稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。152024/4/2非稳态传热（三）稳态与非稳态传热稳态传热（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：162024/4/2（四）两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流传导冷式中

tm──两流体的平均温度差，℃或K；

A──传热面积，m2；

K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)。（五）总传热速率方程172024/4/2式中tm──两流体的平均温度差，℃或K；（五）总传一、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。182024/4/2一、傅立叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。（（二）温度梯度

n

n

xt+ttxQ方向：法线方向，以温度增加的方向为正。192024/4/2（二）温度梯度nnxt+ttxQ方向：法线方向，（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202024/4/2（三）傅立叶定律式中dQ──热传导速率，W或J/二、热导率

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212024/4/2二、热导率在数值上等于单位温度梯度下的热通量1.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

222024/4/21.固体热导率金属材料10～102W/(m•K)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)232024/4/22.液体热导率金属液体较高，非金属液体低；0.09～03.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)242024/4/23.气体热导率t，0.006～0.4W/(m·t1t2btxdxQ三、平壁的稳态热传导（一）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；A/b很大，忽略端损失。252024/4/2t1t2btxdxQ三、平壁的稳态热传导（一）单层平壁热传积分：262024/4/2积分：262024/4/1（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。t1t2b1txb2b3t2t4t3272024/4/2（二）多层平壁热传导假设：t1t2b1txb2b3t2t4各层的温差282024/4/2各层的温差282024/4/1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：

292024/4/2结论：推广至n层：292024/4/1四、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=2

rl(2)一维温度场，t沿r变化。302024/4/2四、圆筒壁的稳态热传导（一）单层圆筒壁的热传导特点：30在半径r处取dr同心薄层圆筒积分312024/4/2在半径r处取dr同心薄层圆筒积分312024/4/1讨论：——对数平均面积热阻令——对数平均半径322024/4/2讨论：——对数平均面积热阻令——对数平均半径322024/4一般时，332024/4/2一般时，332024/4/1（二）多层圆筒壁的热传导342024/4/2（二）多层圆筒壁的热传导342024/4/1三层：n层圆筒壁：

352024/4/2三层：n层圆筒壁：352024/4/1【例】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。解：换热器的热流密度

W/m代入数据得36【例】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热【例4-2】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。解：换热器的热流密度

W/m代入数据得37【例4-2】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成：耐火砖k1=1.4W/(m·K),b1=225mm保温砖k2=0.15W/(m·K),b2=115mm保温砖k3=0.8W/(m·K),b3=225mm今测得其内壁温度为930℃，外壁温度为55℃，求单位面积的热损失。

解：由串联热阻的概念W/m238【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成：W/m238一、对流传热过程第三节对流传热dAqm2，

t2qm1，T1qm2，t1

qm1，T2392024/4/2一、对流传热过程第三节对流传热dAqm2，t2qm1传热过程高温流体湍流主体层流底层壁面两侧层流底层湍流主体低温流体湍流主体对流传热温度分布均匀层流底层导热温度梯度大壁面导热(导热系数较流体大)有温度梯度不同区域的传热特性：传热边界层（thermalboundarylayer）：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向对流传热示意图40传热过程高温流体湍流主体不同区域的传热边界层（therm传热过程高温流体湍流主体壁面两侧层流底层湍流主体低温流体湍流主体对流传热温度分布均匀层流底层导热温度梯度大壁面导热(导热系数较流体大)有温度梯度不同区域的传热特性：传热边界层（thermalboundarylayer）：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向对流传热示意图41传热过程高温流体湍流主体不同区域的传热边界层（thermalttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体

T

t湍流主体温度梯度小，热对流为主层流内层温度梯度大，热传导为主过渡区域热传导、热对流均起作用422024/4/2ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt湍流主体式中 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432024/4/2式中 Q──对流传热速率，W；冷流体：热流体：牛顿（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

442024/4/2（一）影响因素2.引起流动的原因强制>自然二、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452024/4/2自然对流的产生：设热处：t2，2；冷处：t1，1由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板462024/4/2由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板462024/45.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

472024/4/25.是否发生相变4.传热面的形状，大小和位置3.流体三、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482024/4/2三、对流传热的特征数关系式变量数8个无相变时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492024/4/21.努塞尔特（Nusselt）数表示对流传热系数的特征数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)502024/4/23.普兰特（Prandtl）数反映流体的物性对对流传热的影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512024/4/2使用准数关联式时注意：强制对流无相变有相变蒸汽冷凝51202四、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522024/4/2四、无相变时对流传热系数的经验关联式流体被加热n=0.4讨论：（1）加热与冷却的差别：液体气体532024/4/2讨论：液体气体532024/4/1物性一定时：（2）影响因素：542024/4/2物性一定时：（2）影响因素：542024/4/1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：552024/4/2公式修正：（1）当L/d<60，乘校正系数（3）弯管（4）非圆形管道用当量直径计算。562024/4/2（3）弯管（4）非圆形管道用当量直径计算。562024/42.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数2300<Re<104572024/4/22.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数2300<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582024/4/23.圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，速度分布情况自然对流可以忽略：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592024/4/2自然对流可以忽略：Gr<25000自然对流不能忽略（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过602024/4/2（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过60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：612024/4/2应用范围：Re=5000~70000;x1/d2．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形622024/4/22．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形622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=2×103～106632024/4/2设置折流挡板目的：圆缺形折流挡板：定性温度：应用范围：Re正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）当量直径ded0tt642024/4/2正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）当量直径ded0t（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；652024/4/2（2）流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——（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。

662024/4/2（三）自然对流时的对流传热系数定性温度：膜温（tm+tw）/1.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672024/4/21.蒸汽冷凝方式五、流体有相变时的对流传热滴>膜2.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682024/4/22.膜状冷凝时的对流传热系数（1）水平管束外定性温度：tS（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.m692024/4/2（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝qm——冷凝液量，kg层流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温

702024/4/2层流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性影响冷凝传热的因素①蒸汽的流速和流向

蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度↓δ↓α↑

若逆向流动，液膜厚度↑δ↑α↓

蒸汽的流速较大，液膜吹跑δ↓↓α↑↑②冷凝液膜两侧的温度差Δt

当液膜呈滞流流动时，若Δt加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，α↓③蒸汽中不凝气体含量的影响：

若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降，蒸汽中含1%空气，则α下降60%。71影响冷凝传热的因素71④冷凝壁面的影响

如对于翅片管和螺旋管

δ↓α↑s↑α↑⑤冷凝管的方位：

对于水平管：

对于垂直管:⑥流体的物性：

r（潜热）、ρ、λ↑α↑；μ↓α↑72④冷凝壁面的影响

如对于翅片管和螺旋管

δ↓α↑s↑α2液体沸腾时的对流传热系数

2.1液体沸腾的基本概念

液体的沸腾:当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有导热过程又有对流传热过程。包括大容积沸腾、管内沸腾。

大容积沸腾:将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾（池式沸腾）。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的自然对流，另一方面又因气泡运动所导致的液体运动。

管内沸腾:液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。732液体沸腾时的对流传热系数732.2液体沸腾曲线

大容积饱和液体沸腾的情况随温度差△t（壁温与液体饱和温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。1、AB段：表面汽化:温度差△t

较小时，在加热表面的液体内产生自然对流，仅在液体表面发生蒸发，没有气泡逸出，沸腾传热系数α和热通量q都较低。2、BC段：核状沸腾：当△t升高时，加热表面的局部位置产生气泡，气泡产生的速度随△t上升而增加，由于气泡的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，α和q

急剧增大。α温度差ΔtqABCDα线

q线自然对流核状沸腾膜状沸腾E742.2液体沸腾曲线

α温度差ΔtqABCDα线q线自然3、CD段：不稳定膜状沸腾或部分核状沸腾：当

△t增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着

△t的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反而下降。4、DE段：当达到D点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随△t增大，α不变，q又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为膜状沸腾。临界点△tc和qc

：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷qc

和临界温度△tc

。由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。753、CD段：不稳定膜状沸腾或部分核状沸腾：当△t增大到某76762.3影响沸腾传热的因素

①

温度差△t

：

△t是控制沸腾给热过程的重要参数，控制△t不大于△tc

，使操作处于核状沸腾。在△t≤

△tc

时，，

△t↑，α↑。

②操作压强：提高沸腾压强相当于提高液体的ts↑

，使液体的表面张力

σ和粘度μ均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸腾传热。在相同的

△t下，α和q都提高。

③

液体性质的影响液体的ρ，μ，λ

和表面张力σ

，汽化潜热r等均对沸腾传热有重要影响。一般认为：

λ↑（导热能力↑）或ρ↑（自然对流↑）

α↑

μ或σ↓（气泡易于脱离↑）

α↑772.3影响沸腾传热的因素77④

加热表面加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。表面粗糙度ε↑，σ↓，气泡核心数↑α↑

表面油污↑，σ↑

α↓

2.4沸腾传热系数的计算由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：莫斯金斯基经验式：R为对比压强；p为操作压强；pc为临界压强78④

加热表面2.4沸腾传热系数的计算由于沸腾传热过程复杂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792024/4/22.影响因素及强化措施（2）温度差792024/4/1（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）802024/4/2（4）加热面（5）强化措施802024/4/1第四节传热过程计算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·℃)。812024/4/2第四节传热过程计算总传热速率方程式中Q─传热平衡方程以某换热器为衡算对象，列出稳定传热时的热量衡算方程。82传热平衡方程以某换热器为衡算对象，列出稳定传热时的热量衡算（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832024/4/2（一）恒温传热（二）变温传热tm与流体流向有关一、传热平均1.逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流842024/4/21.逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2t2tA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。AT2t1t2T1dTdtdA

t2

t1

t=T-t对于微元：852024/4/2以逆流为例推导tm假设：（1）稳态流动，qm1、qm2为T1T2t2t1Q而862024/4/2T1T2t2t1Q而862024/4/1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872024/4/2逆流、并流均适用；——对数平均温度差872024/4/1例现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100℃,出口温度为160℃；某反应物在管内流动，进口温度为250℃，出口温度为180℃。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。解：并流逆流℃

℃

T1T2t1t2并流T2T1t1t2逆流88例现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为逆流操作时，因Δt2/Δt1<2，则可用算术平均值℃

由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。

在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。(Why?)

在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对热敏性物料加热时，物料的出口温度有限制时才采用并流操作。

——流体流动方向的选择89逆流操作时，因Δt2/Δt1<2，则可用算术平均值℃∵1.△tm(逆流)>△tm(并流)图3-19逆流和并流温度差的计算Q=KS△tm

当Q,K一定时，△tm↑,S↓,设备费下降2.逆流可以节约冷却水的用量90∵1.△tm(逆流)>△tm(并流)图3-192.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912024/4/22.错流与折流查图<1tm<tm逆—例:1在一双管程列管换热器中，壳方通入饱和水蒸气加热管内的空气。110℃的饱和水蒸气冷凝成同温度的水，将空气由20℃加热至80℃。试计算：

(1)换热器第一管程出口空气的温度；

(2)第一管程内的传热量占总传热量的百分数。解：(1)对双管程传热则:92例:1在一双管程列管换热器中，壳方通入饱和水蒸气加热管内的第一管程传热:(2)第一管程内传热量:总传热量:93第一管程传热:(2)第一管程内传热量:总传热量:93例2:在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管程湍流流动，并由20℃加热到106℃。列管换热器的管长为4m，内有Φ19mm×2mm的列管25根。若换热器的热负荷为125kw，蒸汽冷凝传热系数为7000w/(m2℃)，油侧垢层热阻为0.0005(m2℃)/w，管壁热阻和蒸汽侧垢热阻可忽略。试求：(1)管内油侧对流传热系数；(2)油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度不变，假设油的物性不变，求油的出口温度；(3)油的流速增加一倍，保持油进、出口温度不变，求饱和蒸汽的温度。94例2:在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为16解：95解：9596969797解得T’=185.5℃98解得T’=185.5℃98（三）流向的选择1.所需传热面积

逆流优于并流。992024/4/2（三）流向的选择1.所需传热面积逆流优于并流。9922.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。1002024/4/22.载热体消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加热任务：t13.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。1012024/4/23.温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。T2并流T1t1t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1022024/4/2二、总传热系数K——总传热系数，W/(m2·K)twTw管内管内对流管外对流管壁热传导稳态传热

1032024/4/2管内对流管外对流管壁热传导稳态传热1032024/（1）平壁dA=dA1=dA2=dAm讨论：（2）以外表面为基准(dA=dA1)1042024/4/2（1）平壁dA=dA1=dA2=dAm讨论：（2）以外表K1——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1052024/4/2K1——以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)以内表面（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。1062024/4/2（二）污垢热阻Rd1、Rd2——传热面两侧的污垢热阻，(m（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。1072024/4/2（2）若污垢热阻与壁阻可忽略时，有或若则当1、2相三、壁温的计算稳态传热

（1）

大，b/

Am小（壁阻小）tW

TW1082024/4/2三、壁温的计算稳态传热（1）大，b/Am小（壁阻小）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

1092024/4/2TW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温度（3）两侧有污垢例3在一由Ø25×2.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500℃,出口400℃。管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数α1=250W/m2·℃，水沸腾的对流传热系数α2=10000W/m2·℃。忽略管壁的污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。解：(a)总传热系数以管子内表面积S1为基准110例3在一由Ø25×2.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内(c)计算单位面积传热量

℃(d)管壁温度

Q/S1=K1Δtm=242×271=65580W/m2T----热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值

T=(500+400)/2=450℃管内壁温度(b)平均温度差在p=981kN/m2，水的饱和温度为179℃℃111(c)计算单位面积传热量管外壁温度℃

由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。112管外壁温度℃由此题计算结果可知：由于水沸腾对四、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。1132024/4/2四、传热计算总传热速率方程热量衡算式无相变有相变应用条件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。1142024/4/21.设计型计算步骤:（1）计算热负荷；若A实>A计二、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1152024/4/2二、操作型计算注意：列管式换热器中流通面积传热面积11520一、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1162024/4/2一、换热器的分类按用途分类按冷、热流体热量交换方式分二、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1172024/4/2二、间壁式换热器的类型（一）夹套换热器优点：1172024/（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1182024/4/2（二）蛇管换热器1.沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高K2.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1192024/4/22.喷淋式优点：缺点：1192024/4/1（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1202024/4/2（三）套管换热器优点：缺点：1202024/4/1（四）列管换热器管板、管束、封头、壳体1212024/4/2（四）列管换热器管板