1、化工原理第四章-传热一、传热在化学工程中的应用一、传热在化学工程中的应用二、传热的基本方式二、传热的基本方式热传导热传导(conduction);热对流热对流(convection);热辐射热辐射(radiation)。化工产品加工过程中的温度控制以及各种单元操作（如裂化工产品加工过程中的温度控制以及各种单元操作（如裂解、重整、聚合等）对温度有一定的要求。解、重整、聚合等）对温度有一定的要求。热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传热机理不同，传热的基本方式有三种：4.1 概述概述 1、热传导、热
2、传导 气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动导电体：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非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体液体 机理复杂机理复杂特点：特点：静止介质中的传热，静止介质中的传热，没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移强制对流：强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。有可能同
3、时发生自然对流和强制对流。自然对流：自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。2、热对流、热对流 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。对流。热对流仅发生在流体中。3、热辐射、热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，
4、而不需要任何介质。介质。任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴随着出现的。随着出现的。冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式一、直接接触式一、直接接触式板式塔板式塔二、间壁式二、间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2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热载体及其选择
5、热载体及其选择 加热剂加热剂：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：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。传热速率传热速率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。一、基本概念一、基本概念非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 二、稳态与非稳态传热二、稳态与非稳态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ,0 tA
6、Qq 式中 A总传热面积，m2。冷流体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热流体对流热传导对流)()()(321)3()2()1(QQQ三、冷热流体通过间壁的传热过程三、冷热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体式中 K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)；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。总热阻总传热推动力KAttKAQ/1mm总传热速率方程：稳态传热：QQQQ321 温度场温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场分布，称为温度场.式中：式中：t 温度；温度；
7、x,y,z 空间坐标；空间坐标；时间。时间。物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t=f(x，y，z，)4.2 热传导热传导一、一、傅立叶定律傅立叶定律1 1 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 不稳定温度场不稳定温度场 ,zyxft 稳定温度场稳定温度场 zyxft,0t 一维温度场：一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,)等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。t1t2t1t2等温面Q等温面的特点等温面的特点
8、：（1）等温面不能相交；）等温面不能相交；（2）沿等温面无热量传递。）沿等温面无热量传递。注意注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。程度以沿与等温面的垂直方向为最大。xxtxxt),(),(xtxxtxxtgradtx),(),(lim0 对于一维温度场，等温面对于一维温度场，等温面x及及(x+x)的温度分别为的温度分别为t(x,)及及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：，则两等温面之间
9、的平均温度变化率为：温度梯度温度梯度:温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加温度增加的方向为正。的方向为正。t+tt-ttnQdAxtdAdQ 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比比，即，即 式中式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，w A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal c
10、onductivity)，w/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。2 傅立叶定律傅立叶定律热导率热导率 xtqxtdAdQ/在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量 =f(结构结构,组成组成,密度密度,温度温度,压力）压力）金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 表征材料导热性能的表征材料导热性能的物性物性参数参数1.固体热导率固体热导率 金属材料金属材料 10102 W/(mK)建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK)绝热材料绝热材料 10-210-1 W/(mK)1(0at 在一定温度范围
11、内：在一定温度范围内：对大多数金属材料对大多数金属材料a 0 ，t 2.液体热导率液体热导率 金属液体金属液体 较高，非金属液体较高，非金属液体 低；低；非金属液体水的非金属液体水的 最大；最大；水和甘油：水和甘油：t ，其它液体：其它液体：t ，0.090.6 W/(mK)3.气体热导率气体热导率 t ，一般情况下，一般情况下，随随p的变化可忽略；的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.0060.4 W/(mK)平壁壁厚为平壁壁厚为b，壁面积为，壁面积为A；壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不随不随温度变化，视为常数；温度变化，视为常数
12、；平壁的温度只沿着垂直于壁面平壁的温度只沿着垂直于壁面的的x轴方向变化，故等温面皆为垂轴方向变化，故等温面皆为垂直于直于x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t1及及t2恒定。恒定。二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导1 单层平壁的热传导单层平壁的热传导傅立叶定律：xtAQdd边界条件为：xtt01时，2ttbx 时，取dx的薄层，作热量衡算：得：QdxAdtbtt012 不随t而变 AbttttAbQ2121)(式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s；A 平壁的面积，m2；b 平壁的厚度，m；平壁的热导率，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 平壁两侧的温度，。讨论：
13、QtR推动力热阻ttt()12RbA2分析平壁内的温度分布QdxAdtbtt012 上限由2ttbx 时，xxtt时，AQxttttAxQ11)(1可表示为推动力：热阻：为 不随t变化，tx成呈线形关系。)1(0at3当随t变化时()/122若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。如：1t1，2t2如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为假定各层壁的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系，各层材质均匀，导热系数分别为数分别为1，2，3，皆视为常，皆视为常数；数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面上温
14、度相等，各等接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于温面亦皆为垂直于x轴的平行平轴的平行平面。面。壁的面积为壁的面积为A，在稳定导热过，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。2 多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导)(21111ttAbQ121111tttAbQ33133tAbQ2222tAbQ第一层第一层 第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q321332211)(tttAbAbAbQ)()(33221141332211321AbAbAbttAbAbAbtttQ32141321321RRRttRRRtttQRttA
15、bttQnniiiin11011同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚，中间夹层厚10cm，填以绝热材，填以绝热材料。砖墙的热导率为料。砖墙的热导率为0.70w/mk，绝热材料的热导率为，绝热材料的热导率为0.04w/mk，墙外表面，墙外表面温度为温度为10，内表面为，内表面为-5，试计算进入冷库的热流密度及绝热材料与砖，试计算进入冷库的热流密度及绝热材料与砖墙的两接触面上的温度。墙的两接触面上的温度。2
16、33221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t31.970.012.027.5101112bqtt1.4)5(70.012.027.54333tbqt解：解：根据题意，已知根据题意，已知t1=10，t4=-5，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=3=0.70w/mk，2=0.04w/mk。按按热流密度热流密度公式计算公式计算q：Qt2t1r1rr2drL设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r1，内，内壁温度为壁温度为t1，外半径为，外半径为r2，外，外壁温度为壁温度为t2。温度只沿半径方
17、向变化，温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半壁与平壁不同点是其面随半径而变化。径而变化。在半径在半径r处取一厚度为处取一厚度为dr的的薄层，若圆筒的长度为薄层，若圆筒的长度为L，则半径为则半径为r处的传热面积为处的传热面积为A=2rL。三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导1 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导drdtrLdrdtAQ2根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为边界条件 rrtt11时，rrtt22时，得：Qdrrldtrrtt12122 设不随t而变 Q
18、l ttrrl ttrr22112211221()ln()ln式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s；热导率，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 圆筒壁两侧的温度，；r1,r2 圆筒壁内外半径，m。讨论：1上式可以为写 12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ热阻推动力RtAbttm)(21Arl2brr21AAAAAm2121ln/对数平均面积1212lnrrrrrm对数平均半径2 rr212AAAm1223圆筒壁内的温度分布Ql ttrrttQlrr 221111 lnlnQdrrldtrrtt12122 上限从rrtt22时，改为rrtt时，
19、tr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。r1r2r3r4t1t2t3t4 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。即经过各单层壁所传导的热量。如图所示：以三层圆筒壁为例。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各层材料的导热系数各层材料的导热系数1，2，3皆视为常数；皆视为常数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温接触的表面温度相
20、等，各等温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。2 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ 多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。对于第一、对于第一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过
21、各层热量的一般公式为 注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。相同的，但是热通量却不相等。例例 在一在一 603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管。现用热电偶测得管内壁温度为内壁温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管壁的导热系数，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长
22、的热损失及两层保温层界面的温度。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mmwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010
23、265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 对流传热对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。切相关。当流体作当流体作层流流动层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以递，主要以热传导热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。（亦有较弱的自然对流）的方式进行。4.3 对流传热对流传热一、对流传热的基本概念一、对流传热的基本概念传热过程传热过程高温
24、流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传热边界层传热边界层（thermal boundary layer）：温度边界层。温度边界层。有温度梯度较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层传热的热阻即主要集中在此层中中。温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍
25、流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图式中式中 Q对流传热速率，对流传热速率，W；A传热面积，传热面积，m2 t对流传热温度差，对流传热温度差，t=T-TW或或t=t-tW，；T热流体平均温度，热流体平均温度，；TW与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度，；t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，；tW与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，；a对流传热系数对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。RtATTQw1 简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为简化
26、处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜的有效膜内，但有效膜的厚度内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以又难以测定，所以以代替代替/t 而用下式而用下式描述对流传热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q=A（T-Tw）二、对流传热速率二、对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律Q=A（tw-t）三、三、影响对影响对流传热系数流传热系数的主要因素的主要因素1.引起流动的原因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.流体的物性流体的物性 ，cp 5.是否发生相变是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变4.传热面的形状，大小
27、和位置传热面的形状，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.流动形态流动形态 层流、湍流 湍 层 ),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度，长度L，时间，时间T，温，温度度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即四、对流传热
28、中的四、对流传热中的因次分析因次分析准数符号及意义准数符号及意义准数名称准数名称符号符号意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nu=l/表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re=lu/确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cp/表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数 准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范
29、围。数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注意以下几点：1、应用范围、应用范围2、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。3、定性温度、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：三种取法：进、出口流体
30、的平均温度，壁面平均温度，流体和进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。壁面的平均温度（膜温）。4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。的单位制度。简化：简化：强制对流强制对流 Nu=f(Re,Pr)自然对流自然对流 Nu=f(Pr,Gr)npiicudd)()(023.08.0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。应用范围应用范围：Re10000，0.7Pr50。若。若
31、L/di10000，0.7Pr60。特性尺寸特性尺寸 取管内径取管内径定性温度定性温度 除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。当液体被加热时当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时当液体被冷却时（/w）0.14=0.95 对于气体，不论加热或冷却皆取对于气体，不论加热或冷却皆取1。1.1.2 高粘度流体高粘度流体 例：例：常压下，空气以常压下，空气以15m/s的流速在长为的流速在长为4m，603.5mm的的钢管中流动，温度由钢管中流动，温度由150升到升到250。试求管壁对空气的对流。试求管壁对空气的对流传热系数。传热系数
32、。解：此题为空气在圆形直管内作强制对流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度定性温度 t=（150+250）/2=200 查查200时空气的物性数据（附录）如下时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5)=2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.0392
33、8=0.688.444.60053.003928.0NudW/m2 本题中空气被加热本题中空气被加热,k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 应用范围：应用范围：Re2300，0.6Pr10。特性尺寸
34、：取管内径特性尺寸：取管内径di 定性温度：定性温度：除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的取壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。算术平均值。1.2 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：应用范围：Re50；当管子较短，当管子较短，l/d 膜膜 冷凝过程的热阻冷凝过程的热阻冷凝液膜冷凝液膜膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝
35、时的对流传热系数1.1水平管束外水平管束外41032327250 tdngr /.2Wsttt 定性温度：定性温度：tSr，其它，其它膜温膜温 n水平管束在垂直列上的管数水平管束在垂直列上的管数r饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热1.2蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝4Re44memqSdu SqM qm冷凝液量，冷凝液量，kg/sM冷凝负荷，冷凝负荷，kg/s.m层流层流413213.1 tlgr Re1800湍流湍流4.0312320077.0Reg 特性尺寸：管或板高特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温定性温度：膜温 1.3 影响因素和强化措施影响因素和强
36、化措施(1)液体物性液体物性 ，r (2)不凝气体不凝气体 不凝气体存在，导致不凝气体存在，导致 ，需定期排放。，需定期排放。(3)蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向（u10m/s）同向时，同向时，t，；反向时，；反向时，t，；u ，(4)蒸汽过热蒸汽过热 r=r+cp(tv-ts)影响较小影响较小(5)强化措施：强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度目的：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；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。垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。对液体对流加热时，在液相内部伴有由液相变成气相的对液体对流加热时，
37、在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为过程称为沸腾沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：(1)管内沸腾管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。：液体在管内流动时受热沸腾。(2)大溶积沸腾（池内沸腾）大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。中，液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。2 2 液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾时的对流传热系数2.12.1沸腾传热的特点沸腾传热的特点汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度过热度：t=tWts
38、 汽化核心汽化核心：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 2.2 沸腾曲线沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 250C t25C工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾优点：大，tW小2.3 影响因素及强化措施影响因素及强化措施（1）液体的性质）液体的性质 ,（2）温度差）温度差 核状沸腾阶段核状沸腾阶段:t2.5，t （3）操作压力）操作压力stp（4）加热面）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，新的、洁净的、粗糙的加热面，大大 （5）强化措施）强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；加表面活性剂（
39、乙醇、丙酮等）加表面活性剂（乙醇、丙酮等）对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：式。在应用这些方程时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。或是自然对流，是否有相变等。2、选定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选、选定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式的使用条件。用的公式的使用条件。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，、当流体的流动类型不能确定时，采用试差
40、法进行计算，再进行验证。再进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结对流传热系数小结4.4 传热过程计算传热过程计算dA t2G1，T1G2，t1 T2热流体 固体壁面一侧固体壁面一侧 另一侧固体壁面另一侧 冷流体对流3Q热传导2Q对流1Q)(tTKdAdQtwTw对流对流导热冷流体热流体tTQ4.4.1 总传热速率方程总传热速率方程式中式中 Q传热速率，传热速率，W；tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，；A传热面积，传热面积，m2；K总传热系数，总传热系数，W/(m2)。m mQKAt（一）恒温传热（一）恒温传热4.4.2 传热平均温
41、度差传热平均温度差 两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒稳定的恒温传热温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。t=T-t式中式中 T热流体的温度热流体的温度；t冷流体的温度冷流体的温度。在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即
42、为稳定的变温传热过程稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：。该过程又可分为下列两种情况：(1)间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体。(2)间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动平均温度差与两种流体的
43、流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。方向大致可分为下列四种情况。(二）二）变温传热变温传热 并流并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：逆流逆流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。错流错流 参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。折流折流简单折流：简单折流：一侧流
44、体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。复杂折流：复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。参与热交换的双方流体均作折流。T2T1t1t2T1T2t1t2图图 两侧流体变温时的温度变化两侧流体变温时的温度变化并流并流逆流逆流错流错流折流折流12121212图图 换热器中流体流向示意图换热器中流体流向示意图常量phhcWdTdQ常量pcccWdtdQ假设：假设：传热为稳定操作过程。传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。两流体的比热为常量。总传热系数为常量（总传热系数为常量（K
45、不随换热器的管长而变化）。不随换热器的管长而变化）。换热器的热损失可忽略。换热器的热损失可忽略。以逆流为例：热量衡算微分方程为以逆流为例：热量衡算微分方程为 dQ=-Wh cphdT=Wc cpcdt 根据假定，则有根据假定，则有（1）逆流和并流时的平均温度差）逆流和并流时的平均温度差QT和和Qt为为直线关系直线关系，即，即 T=mQ+k t=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)温度温度T1传热量传热量QT2t1t1t2t20从上式可以看出：从上式可以看出：tQ关系呈直线，其斜率为关系呈直线，其斜率为QttdQtd21)(QtttdSKtd21)(将总传热速率微分方程代入上式，则有将总
46、传热速率微分方程代入上式，则有由于由于K为常量，积分上式有为常量，积分上式有SttdSQttttdK01221)(1dQ=KtdSSQttttK1212ln1mtKSttttKSQ1212ln 式中式中tm称为对数平均温差。当称为对数平均温差。当t2/t1 2时，可用时，可用（t2+t1）/2代替对数平均温度差。代替对数平均温度差。1212lntttttm注：注：（1）应用上式求）应用上式求tm时，取换热器两端的时，取换热器两端的t中数值中数值 大的为大的为t2，小的为，小的为t1。（2）上式对并流也适用。）上式对并流也适用。例例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温现用一列管式
47、换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为度为100,出口温度为出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温；某反应物在管内流动，进口温度为度为250，出口温度为，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。均温度差。解：并流解：并流 逆流逆流65160180100250ln)160180()100250(ln2121tttttm 7.84100180160250ln)100180()160250(ln2121tttttm 逆流操作时，因逆流操作时，因t2/t1 2，则可用算术平均值，则可用算术平均值8528090221tttm 由上例可知：由上例可知：当
48、流体进、出口温度已经确定时，逆流当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。操作的平均温度差比并流时大。在换热器的传热量在换热器的传热量Q及总传热系数及总传热系数K值相同的条件下，采用值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作。体的温度有限制时才采用并流操作。注：流体流动方向的选择注：流体流动方向的选择流向的选择流向的选择1.所需传热面积所需传热面积并并并
49、并逆逆逆逆mmtKAtKAQ 逆逆并并mmtt 并并逆逆AA 逆流优于并流。逆流优于并流。2.载热体消耗量载热体消耗量t1t2T1T1T2并并T2逆逆加热任务：加热任务：t1t2（T2并并）min=t2（T2逆逆）min=t1逆逆并并)()(2121TTTT 1111()()mPmPqcqc 并并逆逆 逆流优于并流。逆流优于并流。3.温度差分布温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。逆流时的温度差分布更均匀。T2并流并流T1t1t2t1t2T1T2逆流逆流4.并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，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。或生产工艺要
50、求温度不能过高或过低的场合。方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差tm逆逆，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数t,即即 tm=ttm逆逆 校正系数校正系数t与冷、热两种流体的温度变化有关，是与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和和P的函数，即的函数，即 t=f(R，P)式中式中 R=(T1-T2)/(t2-t1)=热流体的温降热流体的温降/冷流体的温升冷流体的温升 P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流体的温升冷流体的温升/两流体的最初温差两流体的最初温差 根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和和P
