化工原理第六章-传热

第6章传热6.1.1概述6.1.2传热过程6.1概述6.1.1概述加热或冷却换热保温一、传热在化工中的应用传热设备在化工厂设备投资中可占到40%左右

削弱传热过程

二、化工生产过程对传热过程的要求

强化传热过程三、传热过程冷热流体的接触方式1.直接接触式(混合式传热)液体气体2.蓄热式结构较简单耐高温低温流体高温流体设备体积大有一定程度的混合缺点：优点：3.间壁式

传热面为内管壁的表面积

套管换热器列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积

热流体T1T2冷流体t1t2间壁式传热的3步骤：

a.热流体靠对流传热将热量Q传给金属壁一侧——给热；

b.热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热；

c.热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。四、热载体及其选择

加热剂：热水、饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等

用电加热冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却温度

30C水加热温度

180C饱和水蒸气热负荷Q’：工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位

J/s或W。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。6.1.2(间壁式换热器的)传热过程一、基本概念三、换热器的热流量（Q）定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化。式中K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；

Q──传热速率，W或J/s；

A──总传热面积，m2；

tm──两流体的平均温差，℃或K。总传热速率方程：四、非定态传热过程一段时间内所传递的累积总热量QT

1.热传导特点：没有物质的宏观位移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：晶格结构的振动现液体机理复杂五、传热机理热传导：热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。热对流：流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。

热辐射：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。

自然对流强制对流特点：能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介

2.对流3.热辐射6.2.1傅立叶定律和热导率6.2.2通过平壁的定态热传导6.2.3通过圆筒壁的定态热传导6.2.4通过多层壁的热传导6.2热传导一、有关热传导的基本概念式中 t──某点的温度，℃；

x,y,z──某点的坐标；

τ──时间。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6.2.1傅立叶定律和导热系数非定态温度场

定态温度场

等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。

不同温度的等温面不相交。2.温度梯度

温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增大的方向为正。一维定态热传导dt/dx二、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用热通量来表示对一维定态热传导

2.

是分子微观运动的宏观表现。三、导热系数1.

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）3.各种物质的导热系数

金属固体

>

非金属固体

>

液体

>

气体

在一定温度范围内：式中

0,──0℃,t℃时的导热系数，W/(m·K)；

a──温度系数。对大多数金属材料a<0，t

对大多数非金属材料a>0

，

t

①固体

金属：

纯金属>

合金非金属：同样温度下，

越大，

越大。②液体金属液体

较高，非金属液体低，水的

最大。

t

，

（除水和甘油）③气体一般来说，纯液体的大于溶液

t

，

气体不利用导热，但可用来保温或隔热。6.2.2通过平壁的定态热传导假设：(1)高度和宽度远大于厚度；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。取dx的薄层，作热量衡算：

定态温度场

傅立叶定律：

边界条件：

设

不随t而变

讨论：

1．推动力热阻2．平壁内的温度分布

a.

不随t变化或取平均值b.

随t变化：t～x呈抛物线关系。平壁内温度呈线性分布6.2.3通过圆筒壁的定态热传导

假定：(1)定态温度场；(2)一维温度场。取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：定态温度场傅立叶定律边界条件设

不随t而变式中 Q──热流量或传热速率，W或J/s；

──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──圆筒壁两侧的温度，℃；

r1,r2──圆筒壁内外半径，m。讨论：1．对数平均面积推动力阻力平壁的定态热传导2．3．圆筒壁内的温度分布t～r成对数曲线变化(假设

不随t变化)4．平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。圆筒壁平壁一、推动力和阻力的加和性

6.2.3通过多层壁的定态导热过程以3层为例

推广至n层：推动力阻力二、各层的温差思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2例:内径为15mm，外径为19mm的钢管，其

1

为20W/m℃，其外包扎一层厚度为30mm，

2为0.2W/m℃的保温材料，若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃,试求:(1)每米管长的热损失;(2)保温层中的温度分布。

例:有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比

2/1=5，此时单位时间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q’，求Q’/Q=？6.3.1对流给热过程分析6.3.2对流给热过程的数学描述6.3.3无相变时对流传热系数的经验关联式6.3对流给热6.3.1对流给热过程分析一、对流给热的温度分布1.热边界层或温度边界层流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁面处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。

2.层流流动主要依靠热传导方式来进行热量传递3.湍流流动层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度小，对流方式过渡区域热传导和对流方式4.对流给热过程的强化减少层流底层的厚度

二、对流给热过程的分类流体在传热过程中是否有相变化流体无相变的给热过程流体有相变的给热过程强制对流给热自然对流给热蒸汽冷凝给热液体沸腾给热三、强制对流与自然对流1.强制对流流体在外力(如泵、风机或其他势能差)作用下引起的宏观流动湍流时对流给热的阻力主要集中在壁面附近2.自然对流—a处的密度研究对象:一高度为L的垂直平板与液体间的给热—b处的密度较小

说明：

①自然对流的强弱与加热面的位置密切有关。除上述垂直放置以外，加热面也可以水平放置。问：采暖器、制冷空调应安装在房间的上方还是下方？为什么？②环流速度除取决于温差外，还取决于流动阻力。因而与流体的性质、流动空间的几何形状与尺寸有关。6.3.2对流给热过程的数学描述

有效膜理论：在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜内。一、牛顿冷却定律TTWttW

t总有效膜厚度湍流区虚拟膜厚度层流底层膜厚度有效膜是集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜

令

─对流传热系数，W/(m2·℃)流体被冷却：TTWttW

t牛顿冷却定律：流体被加热：1.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝

t。2.复杂问题简单化表示。说明：二、获得给热系数的方法1.解析法2.数学模型法3.因次分析法4.实验法三、影响对流给热系数

的因素及无因次化①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

>自

②流体的物性

，

，

，cp

1.影响因素⑤是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾

相变

>无相变④传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。③流动形态层流、湍流

湍

>层

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度

变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响3.实验安排及结果整理②不同Pr的流体在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以强制湍流为例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流体，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(ARea)定性温度的取法：四、应用准数关联式的注意事项2．特性尺寸3．准数关联式的适用范围。1．定性温度:确定物性参数数值的温度称为~。取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。a.流体进出口温度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均温度tw;c.流体与壁面的平均温度称为平均膜温t=(tm+tW)/2。一、流体在管内的强制对流适用范围：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3无相变时对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流流体被加热时，b＝0.4；被冷却时，b＝0.3。定性温度取tm＝(t2＋t1)/2注意事项：

特征尺寸为管内径di

u,u0.8

d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体

强化措施：(1)高粘度流体

适用范围:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性温度取tm；特征尺寸为di液体被加热1.05液体被冷却0.95气体冷却或加热1(2)短管l/d<60(3)过渡流（2000<Re<10000)(4)弯曲管

(5)非圆形管强制湍流a.当量直径法b.实验法套管环隙:水-空气系统12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1为内管外径，d2为外管内径用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算适用范围：例:一列管式换热器，由38根

25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃加热到80℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：①管壁对苯的对流传热系数；②管子换为

19×2mm，管壁对苯的对流传热系数；③当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？已知：苯的物性特点：2.圆形管内强制层流①物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。

热流方向对层流速度分布的影响③层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

②层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。

适用范围：定性温度：二、管外强制对流的对流传热系数

1.流体在管束外垂直流过在换热器内单排管：整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do2．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆盘形、圆缺形壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：定性温度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：当量直径ded0tt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；

do——管子的外径，m；

t——相邻两管中心距，m。注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。提高壳程对流传热系数的措施：3）加强湍动2）de↓1）u↑缺点:阻力损失↑三、大空间的自然对流传热

特征尺寸：垂直的管或板为高度,水平管为管外径注意：A,b与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。定性温度：膜温⑤是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾

相变

>无相变④传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。③流动形态层流、湍流

湍

>层

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度

变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响3.实验安排及结果整理②不同Pr的流体在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以强制湍流为例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流体，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(Area)定性温度的取法：四、应用准数关联式的注意事项2．特性尺寸3．准数关联式的适用范围。1．定性温度:确定物性参数数值的温度称为~。取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。a.流体进出口温度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均温度tw;c.流体与壁面的平均温度称为平均膜温t=(tm+tW)/2。一、流体在管内的强制对流适用范围：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3无相变时对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流流体被加热时，b＝0.4；被冷却时，b＝0.3。定性温度取tm＝(t2＋t1)/2注意事项：

特征尺寸为管内径di

u,u0.8

d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体

强化措施：(1)高粘度流体

适用范围:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性温度取tm；特征尺寸为di流体被加热1.05流体被冷却0.95气体冷却或加热1(2)短管l/d<60(3)过渡流（2000<Re<10000)(4)弯曲管

(5)非圆形管强制湍流a.当量直径法b.直接实验法套管环隙:水-空气系统12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1为内管外径，d2为外管内径用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算适用范围：例:一列管式换热器，由38根

25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃加热到80℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：①管壁对苯的对流传热系数；②管子换为

19×2mm，管壁对苯的对流传热系数；③当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？已知：苯的物性特点：2.圆形管内强制层流③层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

②层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。

①物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。

热流方向对层流速度分布的影响适用范围：若定性温度：二、管外强制对流的对流传热系数

1.流体在管束外垂直流过在换热器内单排管：整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do2．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：定性温度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：当量直径ded0tt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；

do——管子的外径，m；

t——相邻两管中心距，m。注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。提高壳程对流传热系数的措施：3）加强湍动2）de↓1）u↑缺点:阻力损失↑三、大空间的自然对流传热

特征尺寸：垂直的管或板为高度,水平管为管外径注意：A,b与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。定性温度：膜温6.4.1沸腾给热一、沸腾给热1.概念液体与高温流体壁面接触被汽化，并产生汽泡的过程称为沸腾。2.工业应用再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉设备的尺寸与形状大容积沸腾

管内沸腾(强制对流沸腾）

管内液流的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度过冷沸腾：若液流主体温度低于饱和温度，而加热表面上有气泡产生，称为过冷沸腾热量的传递:通过汽化—冷凝过程实现

饱和沸腾：当液流主体温度达到饱和温度，则离开加热面的气泡不再重新凝结。这种沸腾称为饱和沸腾。3.液体在加热面上沸腾的分类二、气泡形成的条件过热度：

t=tW－ts

汽化核心：一般为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

搅动液层沸腾给热时，气泡的生成和脱离对该薄层液体产生强烈扰动，使热阻大为降低。沸腾给热的热阻集中于紧贴加热表面的液体薄层内。三、大容积饱和沸腾曲线

①AB段—表面汽化阶段②BC段——核状沸腾阶段2.2C<t<55

C

③CD段——不稳定膜状沸腾阶段④DE段——稳定膜状沸腾阶段

t＞250C

t<2.2

C

55C<t<250

C

工业上：核状沸腾优点：

大，tW小四、沸腾传热的影响因素及强化措施强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）在核状沸腾阶段温差提高，

1.液体的性质2.温差3.操作压强新的、洁净的、粗糙的加热面4.加热面强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒6.4.2冷凝给热一、

冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝二、冷凝过程的热阻三、蒸汽冷凝的

1.水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子数；

r——汽化潜热（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：定性温度：膜温t=(t+tw)/2管外径do液膜的厚度

湍流2.竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re<1800适用条件：Re>1800特性尺寸l：定性温度：膜温

管外径或板高H同向时，；反向时，；u四、冷凝传热的影响因素和强化措施1.流体物性冷凝液

,

；2.温差液膜层流流动时，t=t－tW

，,3.不凝性气体不凝气体存在，导致，定期排放。4.蒸汽流速与流向（u>10m/s）冷凝液

,；潜热r

,

5.蒸汽过热

6.冷凝面的形状和位置目的：减少冷凝液膜的厚度垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列包括冷却和冷凝两个过程。6.5.1固体辐射6.5.2

高温设备及管道的热损失6.5热辐射一、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：能量传递的同时还伴随着能量形式的转换；不需要任何介质。6.5.1固体辐射能量守恒定律：二、能量守恒定律的应用穿透率反射率吸收率黑体：白体（镜体）：透热体：a,r,d

=f(物体性质、温度、表面、辐射波长）固体、液体：气体：r=0a+d=1d=0

r+a=1a=1r=1d=1三、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

），W/m2。物体的单色辐射能力：物体在一定温度下，发射某种波长的能力；以E

表示，单位W/m3。辐射能与单色辐射能的关系：普朗克定律

0──黑体辐射常数，=5.67×10-8W/(m2.K4)；C0──黑体辐射系数，=5.67W/(m2.K4)——斯蒂芬-波尔茨曼定律1.辐射能力

四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感。四、黑体的辐射能力与吸收能力2.吸收能力

a=1

五、实际物体的辐射能力与吸收能力1.辐射能力物体的黑度：

<1

说明：①黑度表示实际物体接近黑体的程度②影响物体黑度

的因素

物体的种类、表面温度、表面状况、波长③物体的黑度是物体的一种性质，只与物体本身的情况有关，与外界因素无关，其值可用实验测定.④物体的黑度不单纯是颜色的概念——以黑度表征2.吸收能力①特点a.部分吸收a<1b.对不同波长的辐射能吸收的程度不同

c.影响因素：物体本身的情况(物体种类，表面温度，表面头部等)，辐射物体的情况（即所辐射的波长）②结论：实际物体的吸收率a比黑度

更复杂。六、灰体的辐射能力和吸收能力1.灰体以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。①灰体的吸收率不随辐射线的波长而变。②灰体为不透热体，即a+r=12.灰体的特点3.灰体的吸收能力——吸收率a克希霍夫定律4.灰体辐射能力表征——黑度

七、两固体间的相互辐射任意放置的灰体1和2，其面积分别为A1和A2，表面温度分别为T1和T2不变。两灰体表面的辐射能力和吸收率分别为E1、E2和a1、a2。——系统黑度

式中 Q12——高温物体1向低温物体2传递的热量，W；

1-2——几何因子或角系数；

A——辐射面积，m2；

T1——高温物体的温度，K；

T2——低温物体的温度，K。讨论

①对两块相距很近而面积足够大的平行板，

1-2=1。即物体的相对位置对辐射传热已无影响。②一物体被另一物体包围时的辐射A1/A2≈1A1/A2≈0不必知道ε2和A2即可求出Q12。大房间内高温管道的辐射散热，气体管道内热电偶测温的辐射误差计算都属于此种情况。3.影响辐射传热的因素Ｑ

T4，

低温时可忽略，高温时可能成为主要方式

①温度的影响②几何位置的影响③表面黑度的影响Ｑ，可通过改变黑度的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（黑度较小的热屏）。6.5.2

高温设备及管道的热损失对流散热：

辐射散热：

令

=1

总热损失：

对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)空气自然对流，当tW<150

C时空气速度u<=5m/s时管道及圆筒壁保温层外空气速度u>5m/s时平壁保温层外(2)空气沿粗糙壁面强制对流6.6.1传热过程的数学描述6.6.2传热过程基本方程式6.6.3换热器的设计型计算6.6.4换热器的操作型计算6.6.5非定态传热过程的拟定态处理6.6.6变系数的传热过程计算6.6传热过程的计算6.6.1传热过程的数学描述一、热量衡算微分方程式研究对象:微元传热面积dA

假设：①热、冷流体的质量流量为常数；②热、冷流体的热容cp1、cp2及K沿传热面不变；③忽略换热器的热损失；④过程系定态传热。热量衡算式：热流体：冷流体：二、微元传热速率方程式热流体→壁面内壁面→外壁面壁面→冷流体定态传热

twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ总传热系数，W/(m2·K)总热阻管内热阻管壁热阻管外热阻三、传热系数和热阻1.K的计算①圆管基于内表面积的总传热系数基于外表面积的总传热系数②平壁dA=dA1=dA2=dAm2.污垢热阻Rs

传热管外侧的污垢热阻，m2·K/W传热管内侧的污垢热阻，m2·K/W3.阻力控制步骤若忽略管壁热阻与污垢热阻要提高K，必须设法提高α2的值。要提高K，必须设法提高α1的值。四、壁温的计算忽略金属壁的热阻，即Tw≈tw

6.6.2传热过程基本方程式一、传热过程的积分表达式传热速率方程热流体放出的热量冷流体吸收的热量二、逆流流动时操作线与推动力的变化规律1.操作线控制体：冷流体入口端和任意截面间热量衡算：——操作线

2推动力的变化规律三、传热基本方程式

T1T2t2t1——传热过程基本方程式

——对数平均推动力

传热过程基本方程式成立的条件是操作线为直线四、对数平均推动力1.通常将温差较大者作为Δt1,较小者作为Δt2

2.对数平均推动力恒小于算术平均推动力

3.当0.5＜Δt1/Δt2＜2时，用算术平均Δtm=(Δt1+Δt2)/2代替对数平均值,其误差不超过4%。4.当Δt1或Δt2等于零时，Δtm=04.上式适用于并流及一侧流体有相变的情况。6.6.3换热器的设计型计算

一、设计型计算的命题方式设计任务（示例)：将流量为qm1的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2。设计条件：可供使用的冷却介质即冷流体的进口温度t1。计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其它有关尺寸。某列管式冷凝器的列管规格为Φ25mm×2.5mm。有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，冷却水的流量为2.5kg/s。在新使用时，冷却水的进、出口温度分别为20℃和30℃。使用一段时间后，由于生成垢层，在冷却水进口温度和流量不变的情况下，冷却水的出口温度降为26℃。已知基于外表面的传热面积为16.5m2，有机蒸汽的冷凝温度为80℃，求水垢层的热阻。有一套管换热器，内管为φ54ｍｍ×２ｍｍ，外管为φ116ｍｍ×４ｍｍ的钢管。现用120℃的饱和水蒸汽加热苯，将苯由50℃加热至80℃，苯在内管中以4000kg/h的流量流动，试求：(1)加热蒸汽消耗量；(2)所需套管的有效长度；(3)由于某种原因，加热蒸汽的温度降为110℃，苯的出口温度将变为多少？(假设α苯不变)已知：在50～80℃范围内，苯的物性为：Ｃp

＝1.86kJ/kg·℃，钢的导热系数为45W/m·℃，苯侧的对流传热系数α苯＝980W/(m2℃)，120℃时水蒸汽冷凝潜热ｒ＝2205kJ/kg，蒸汽侧对流传热系数α汽＝10000W/m2·℃，壁两侧垢层热阻及换热器热损失均可忽略，加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出。二、设计型问题的计算方法以热流体的冷却为例：KT1、T2、t1、t2、流动方向流动通道三、选择的依据①从传质速率看，即从推动力看：比较基准：T1、T2、t1、t2相同

逆流优于并流1.流动方式的选择②从平衡看，即从qm2,min看：比较基准：逆流优于并流qm1、T1、T2、t1相同

节省冷却介质回收热量的温位高，可利用价值大③宜用并流的情况

对热敏性物料，并流操作可避免出口温度过高而影响产品质量。

在某些高温换热器中，逆流操作因冷却流体的最高温度t2和T1集中在一端，会使该处的壁温特别高。为降低该处的壁温可采用并流，以延长换热器的使用寿命。2.冷却介质的出口温度的选择目标函数：t2过高(t2-t1)↑,qm2↓，回收能量价值↑动力消耗↓，操作费用↓△tm↓A↑设备费用↑经验：△tm＞10℃t2不宜过高。t2＜45℃。若水为冷却介质6.6.4换热器的操作型计算一、计算命题与计算方法1.第一类命题内容：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物理性质，冷、热流体的流量和进口温度以及流体的流动方式。

求：计算目的：求某些参数改变后冷、热流体的出口温度及换热器的传热能力。计算方法:

以热流体的冷却为例分析。求T2，t2。计算目的：求某些参数改变后所需冷流体（或热流体）的流量及出口温度。2.第二类命题

给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物理性质，热流体（或冷流体）的流量和进、出口温度，冷流体（或热流体）的进口温度以及流动方式。以热流体的冷却为例分析。求qm2，t2。

试差法求出t2

求出qm2计算目的：判断现有换热器对指定的传热任务是否适用。3.换热器校核计算给定条件：换热器的传热面积及有关尺寸，传热任务。三、传热过程的调节措施：增大冷却剂用量原工况：热流体

qm1，T1，T2，α1

；冷流体qm2，t1，t2，α2新工况：热流体

qm1↑，T1，T2

不变，如何调节？②

或△tm和K皆有较大变化qm2↑调节作用来自K和△tm△tm↑qm2↑调节作用来自△tm①

调节原因分析：qm2↑△

tm基本不变热流体给热为控制步骤无调节作用冷流体给热为控制步骤调节作用来自K的增大③(t2-t1)较小

冷却介质流量的调节，改变了换热器内传热过程的速率。传热速率的改变，可能来自△tm的变化，也可能来自K的变化，而多数是由两者共同引起的。

结论：6.6.5传热单元数法

一、逆流操作

——传热单元数——换热器的热效率二、并流操作

蒸汽热容可视为无穷大，因此R2=0。三、一侧流体发生相变6.6.6非定态传热过程的拟定态处理一、过程特点1.热流体饱和蒸汽的温度T不变。

2.釜内液体混合均匀，液体温度t保持均一。

3.任何时刻的热流密度q与加热面的位置无关。

二、釜内液体温度t与时间τ的关系研究范围：dτ时间段前提：忽略热损失与壁面温升热量衡算式：

式中m——釜内液体的质量，kg；

cp——釜内液体的比热容，J/