1、盐城工学院盐城工学院第四章传热及传热设备4.1 概述概述4.2 热传导热传导4.3 对流传热对流传热4.4 流体无相变的对流传热系数流体无相变的对流传热系数4.5 流体有相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数4.6 辐射传热辐射传热4.7 总传热速率和传热过程的计算总传热速率和传热过程的计算4.8 换热器换热器盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院工业换热器工业换热器1 1、混合式换热器、混合式换热器主要特点：主要特点：冷热两种流体间的热交冷热两种流体间的热交换，换，是依靠热流体和冷流体直接接是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的触和混合过程实现的。优点：优点：传热速度快、效率高，
2、设备传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类型。简单，是工业换热器的首选类型。典型设备：典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器塔、混合式冷凝器适用范围：适用范围：无价值的蒸气冷凝，或无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合场合。允许冷热两流体直接接触混合场合。废蒸气冷水热水盐城工学院盐城工学院2、间壁式换热器、间壁式换热器主要特点：主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流
3、体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。优点：优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。用和回收便利。缺点：缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。造价高，流动阻力大，动力消耗大。典型设备：典型设备：列管式换热器列管式换热器、套管式换热器套管式换热器。适用范围：适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。不许直接混合的两种流体间的热交换。盐城工学院盐城工学院单程列管式换热器单程列管式换热器1 外壳外壳 2管束管束 3、4接管接管 5封头封头 6管板管板 7挡板挡板 盐城工学院盐城工学院套管式换热器套管式换热
4、器1内管内管 2外管外管盐城工学院盐城工学院3、蓄热式换热器、蓄热式换热器 简称蓄热器。简称蓄热器。是借助蓄热体将热量是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。在此类换热器由热流体传给冷流体的。在此类换热器中，热、冷流体交替进入，热流体将热中，热、冷流体交替进入，热流体将热量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。从而达到换热的目的。优点：优点：结构简单，可耐高温。结构简单，可耐高温。缺点：缺点：设备体积庞大，传热效率低且两设备体积庞大，传热效率低且两流体有部分混合。流体有部分混合。适用范围：适用范围：常用于高温气体热量的回收常用于高温气体热量的
5、回收或冷却。或冷却。高温流体低温流体蓄热体盐城工学院盐城工学院4、中间载热体式换热器、中间载热体式换热器又称热媒式换热器。又称热媒式换热器。换热原理：换热原理：将两个间壁式换将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，载（称为热媒）连接起来，载热体在高温流体换热器中从热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体。温流体换热器传给冷流体。典型设备：典型设备：空调的制冷循环、空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换太阳能供热设备、热管式换热器等。热器等。适用范围：适用范围：核能工业、冷冻核能工业、冷冻技术及工
6、厂余热利用中。技术及工厂余热利用中。盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院 热传导又称导热热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自，是物质借助分子和原子振动及自由电子运动进行热量传递的过程。由电子运动进行热量传递的过程。导热导热在固体、液体、气体中均可发生。在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言，但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流在流体中对流与传导是同时发生的体中对流与传导是同时发生的。盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工
7、学院 上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的一个物性参数，一个物性参数，越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。导热性能的大小与物导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。质的组成、结构、温度及压强等有关。物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，金属的导热系数最大，非金属次之，而气体最小。而
8、气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查得，本教材附录亦有部分摘录。得，本教材附录亦有部分摘录。dxdtqdxdtAQdxdtAQ盐城工学院盐城工学院气体的导热系数气体的导热系数 与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对导热不利，但却有利于保温和绝热。导热不利，但却有利于保温和绝热。气体的导热系数随着气体的导热系数随着温度的升高而增大温度的升高而增大。而在。而在相当大的压强范围内，气体的导热系数相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的随压强的变化很小变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（，可以忽略不计
9、，只有当压强很高（大大于于200MPa）或很低（）或很低（小于小于2.7kPa）时，才应考虑）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。盐城工学院盐城工学院液体的导热系数液体的导热系数 液体可分为液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体金属液体（液态金属）和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金属液体的导热系数属液体的导热系数随温度的升高而降低随温度的升高而降低。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数
10、亦油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升随温度的升高而降低高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上液体的导热系数基本上与压强无关与压强无关。盐城工学院盐城工学院固体的导热系数固体的导热系数 在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的导热系数属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。，也即合金比纯金属的导热系数要低。非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密
11、程度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密随密度增加而增大度增加而增大；随温度升高而增大。随温度升高而增大。应予指出，应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。算中，为简便起见通常使用平均导热系数。盐城工学院盐城工学院气体液体非金属金属可见，在数值上：物质热导率的大致范围物质热导率的大致范围 物质种类物质种类 热导率热导率 纯金属纯金属 1001400 金属合金金属合金 50500液态金属液态金
12、属 30300非金属固体非金属固体 0.05 50 非金属液体非金属液体 0.55绝热材料绝热材料 0.051 气体气体 0.0050.5盐城工学院盐城工学院tt1Ot2Qx x dxb A图图4-7 单层平壁热传导单层平壁热传导盐城工学院盐城工学院ob1 b2 b3tt1t2t3t4图图4-8 多层平壁稳态热传导多层平壁稳态热传导盐城工学院盐城工学院 例：厚度例：厚度b不同的三种材料构成三层平壁，各不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知层接触良好，已知b1b2b3，导热系数，导热系数123，在稳定传热过程中，各层的热阻，在稳定传热过程中，各层的热阻R之之间的关系为间的关系为_，各层导
13、热速，各层导热速率率Q之间的关系为之间的关系为_。例：如图所示，各层的热阻例：如图所示，各层的热阻R 之间的关系为之间的关系为_。盐城工学院盐城工学院 r drr2t1r1dtt2t图图4-9 单层平壁稳态热传导单层平壁稳态热传导盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院niiiiinrrttLQ1111ln1)(233322211141mmmAbAbAbttQ盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院tA A TTw twt热流体热流体 管壁管壁 冷流体冷流体图图4-12 对流传热的温度分布对流传热的温度分布盐城工学院盐城工学院tA A TTw twt热流体热流体 管壁管壁
14、冷流体冷流体图图4-12 对流传热的温度分布对流传热的温度分布盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院hkahfaGrKNuGrfNutglGrCplulNutglCpluKlPrRePrRePrRe223223，的影响表示自然对流对：格拉斯霍夫准数的影响表示流体的物性对：普兰特准数的影响表示流动状态对：雷诺准数数表示对流传热系数的准：努塞尔准数盐城工学院盐城工学院Nu=0.023Re0.8Prnnpcdud8.0023.0盐城工学院盐城工学院14.03/18.0PrRe027.0wNu盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院14.03/13/13/1PrRe86.1wiLdNu盐城工学院盐城
15、工学院直列直列错列错列盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院，并沿壁面流下润湿表面，形成小液滴滴状冷凝：冷凝液不能一层完整的液膜湿表面，在壁面上形成膜状冷凝：冷凝液能润蒸汽冷凝的方式盐城工学院盐城工学院4/103/232725.0tdnrg盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院t图图4-32常压下水沸腾时常压下水沸腾时与与t的关系的关系 自然对流自然对流 核状沸腾核状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾ABCD盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院QNQRQDQA图图4-28 辐射能的反射、吸收和透过辐射能的反射、吸收和透过QQQQQQDRA1盐城工学院盐城工学院400100ETC
16、盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院 热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行：过程分为三步进行：QQ热流体冷流体thtctwhtwc对流对流热传导图图4-34 流体通过间壁的热量交流体通过间壁的热量交换换（1 1）热流体以对流传热方式将热）热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面；量传给固体壁面；（2 2）热量以热传导方式由间壁的）热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面；热侧面传到冷侧面；（3 3）冷流体以对流传热方式将间）冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。壁传来的热量带走。图中还示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分
17、布情况。盐城工学院盐城工学院热量衡算方程热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化的相反映了冷、热流体在传热过程中温度变化的相互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，若忽略热损失，互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，若忽略热损失，单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量。单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量。对于整个换热器，其热量的衡算式为 图图4-35为一稳态逆流操作的套管式换为一稳态逆流操作的套管式换热器，热流体走管内，冷流体走环隙。热器，热流体走管内，冷流体走环隙。式中式中 Q为整个换热器的传热速率，或称为换热器的热负荷，为整个换热器的传热速率，或称为换热器
18、的热负荷，W；下标；下标1和和2分别表示流体的进口和出口。分别表示流体的进口和出口。图图4-35 套管换热器的传热过程套管换热器的传热过程 盐城工学院盐城工学院 对于换热器的一个微元段，传热面积为dA，冷热流体之间的热量传递满足 式中 为冷热流体质量流率，kg/s；dH表示单位质量流体焓值增量，kJ/kg；dQ为微元传热面积dA上的传热速率，W。下标h和c分别表示热流体和冷流体。如果在换热器中存在热损失，则在换热器中的传热速率为式中Qh为热流体对环境的散热量，W；QC为冷流体对环境的散热量，W。盐城工学院盐城工学院 如前图4-35所示，在换热器中，任取一微元段dl，对应于间壁的微元传热面积dA
19、o，热流体对冷流体传递热量的传热速率可表示为ochochdAKttdAttKdQ1)(微分传热速率方程微分传热速率方程 式中式中K表示局部传热系数，表示局部传热系数，W/（m2）；）；th、tc分别为热流体和冷流体的局部平均温度，分别为热流体和冷流体的局部平均温度，。盐城工学院盐城工学院 由传热热阻的概念，传热速率方程还可以写为KAtRtQmm1式中式中R=1/KA为换热器的总传热热阻，为换热器的总传热热阻，/W。AtKQm 式中式中K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传表示总平均传热系数，简称总传热系数或传热系数，热系数，W/（m2）；）；A为换热器的总传热面积；为换热器的总传热面积；Dt
20、m表示冷热流体的平均传热温差，表示冷热流体的平均传热温差，。对于整个换热器，传热速率方程可写为盐城工学院盐城工学院1.总传热系数的计算图图4-35 套管换热器的传热套管换热器的传热 如图4-35所示，设两流体通过间壁进行换热。在换热器中任取一微元段dl，间壁内、外侧的传热面积分别为dAi和dAo。壁面的导热系数为l，壁厚为b。内、外侧流体的温度分别为T和t，对流传热系数分别为ai和ao。间壁内侧、外侧的温度分别为Tw和tw。据牛顿冷却定律和傅立叶定律内侧 间壁 外侧 盐城工学院盐城工学院 在稳态条件下式中Q为换热器总传热面积上的传热速率，W；(T-t)为传热的总推动力，。盐城工学院盐城工学院
21、传热面为圆筒壁时，传热面为圆筒壁时，A1A2Am，这时总传热系，这时总传热系数数K则随所取的传热面不同而异。则随所取的传热面不同而异。111oooiimoAAbKAA对应于对应于A2 Ai的总传热系数的总传热系数Ki oiomiiiAAAAbK111A1 Ao的总传热系数的总传热系数Ko盐城工学院盐城工学院 对于内、外径分别为di和do，长为L的圆管，总传热系数Ko还可以表示为omoioioddbddK111 式中dm表示管壁的平均直径，m。在工程上，一般以圆管外表面作为传热过程中传热面积的计算基准。对于厚度为b的平壁，由于内、外侧的传热面积相等，其总传热系数K可表示为oibK111(4-42
22、)(4-40)盐城工学院盐城工学院2.污垢热阻如果间壁内、外两侧的污垢热阻分别用Rsi和Rso表示，则根据串联热阻的叠加原理，总传热热阻可以表示为osomoiosiioioRAAbAARAAK111工业上常见流体污垢热阻的大致范围为工业上常见流体污垢热阻的大致范围为0.910-417.610-4m2K/W。(4-41)盐城工学院盐城工学院3.换热器中总传热系数的范围 在进行换热器的传热计算时，通常需要先估计传热系数。表4-7列出了常见的列管式换热器中传热系数经验值的大致范围。热流体冷流体总传热系数K，W/（m2）水水8501700轻油水340910重油水60280气体水17280水蒸气冷凝水1
23、4204250水蒸气冷凝气体30300低沸点烃类蒸汽冷凝（常压）水4551140高沸点烃类蒸汽冷凝（减压）水60170水蒸气冷凝水沸腾20004250水蒸气冷凝轻油沸腾4551020水蒸气冷凝重油沸腾140425表表4-7 列管式换热器中总传热系数的大致范围列管式换热器中总传热系数的大致范围盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院 1.恒温差传热 在换热器中，间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度分别保持不变，这种传热称为恒温差传热。在恒温差传热中，由于两流体的温差处处相等，传热过程的平均温差即是发生相变两流体的饱和温度之差。2.变温差传热 若间壁传热过程中有一侧流体没有相变，则流体的温度沿流
24、动方向是变化的，传热温差也随流体流动的位置发生变化，这种情况下的传热称为变温差传热。在变温差传热时，传热过程平均温差的计算方法与流体的流动排布型式有关。盐城工学院盐城工学院 以逆流传热过程为例，设热流体的进、出口温度分别为T1和T2；冷流体的进、出口温度分别为t1和t2。假定：（1）冷、热流体的比热容）冷、热流体的比热容cpc、cph在整个传热面上都是常量；在整个传热面上都是常量；（2）总传热系数）总传热系数K在整个传热面上不变；在整个传热面上不变；（3）换热器无散热损失。）换热器无散热损失。T2T1t1t2T2T1t1t2T2t1T1t2T1t1T2t2(a)逆流逆流 (b)并流并流盐城工学
25、院盐城工学院t1t2T2T1dAT2t1t2OtT1t2t1dQt=T-tQ图图4-36 平均温度差计算平均温度差计算盐城工学院盐城工学院AtKQm盐城工学院盐城工学院讨论：讨论：1）tm虽是从逆流推导来的，但对并流和单侧传热也适用；4）当t1t2时，21tttm2）习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t2；3）当t1/t22时，tm可用算术平均值代替；tm=(t1+t2)/2盐城工学院盐城工学院 2错流和折流时的传热温差 如图所示，按照冷、热流体之间的相对流动方向，流体之间作垂直交叉的流动，称为错流；如一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复地折流，使两侧流体间并流和逆流交替出现，这种情况称
26、为简单折流。盐城工学院盐城工学院通常采用图算法，分三步：先按逆流计算对数平均温差tm逆；求出平均温差校正系数t；查图t计算平均传热温差：平均温差校正系数t1，这是由于在列管式换热器内增设了折流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实际平均传热温差低于纯逆流时的tm逆。tm=ttm逆t=f(RP)盐城工学院盐城工学院 3.不同流动排布型式的比较 进出口温度条件相同时，逆流的平均温差最大，并流的平均温差最小，对于其他的流动排布型式，其平均温差介于两者之间。在实际的换热器中应尽量采用逆流流动，而避免并流流动。但是在一些特殊场合下仍采用并流流动，以满足特定的生产工艺需要。采
27、用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，然而其代价是减小了平均传热温差。盐城工学院盐城工学院osomoiosiioioRAAbAARAAK111)/(3.3100021.0300010225.0025.0450025.002.0025.000053.002.0025.040112KmW盐城工学院盐城工学院kWQ65.139)306355(9.150.1KTm97.25288306319355ln)288306()319355(31012.2170015.2245250025.0208502511omoiioohdbddhdK240.1197.25575.471139650mTKQAmooAo=n dol=n 0.025 3=11.40m2n=48.4249根根盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院盐城工学院
