1、1化工原理第四章传热2要求要求：1.掌握热传导的基本原理、傅里叶定律、平壁与圆筒壁的稳定热传导计算；2.掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律；3.掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均温度差、总传热系数进行传热计算；34.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用条件；5.了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途径。重点：重点：对数平均温度差、总传热系数的计算、换热器的计算。4传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求第一节 概述传热的推动力温度差 传热的
2、方向高温向低温 5v一、传热过程的应用物料的加热与冷却热量与冷量的回收利用设备与管路的保温v二、热传递的三种基本方式热传导热对流热辐射 61.热传导（又称导热）热传导（又称导热）热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部分向低温部分传递。特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。条件：系统两部分之间存在温度差。72.对流对流 有温差的流体有温差的流体(或内部或内部)作宏观移动和混合，将热量从高作宏观移动和混合，将热量从高温物体传向低温物体的现象，称对流传热。温物体传向低温物体的现象，称对流传热。特点：流体各部分间有相对位移，热对流仅发生在流体
3、中。特点：流体各部分间有相对位移，热对流仅发生在流体中。自然对流：温度、密度不同引起。自然对流：温度、密度不同引起。强制对流：外力引起。强制对流：外力引起。8非圆管道 特征尺寸应用当量直径de。应用范围：Re10000；速度快，大，传热系数K大，同时可减少结垢。黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比。代入原函数得故将所得乘以修正系数：（二）按冷、热流体的传热方式分类传热阻力由各层热阻之和。Cp 3)温度梯度：两相邻等温面的温度差与两面间的垂直距离之比。（3）蒸气的流速和流向影响管束传热的因素除Re,Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数8m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。固
4、体液体 气体工业生产上一般接近稳态传热。采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量，以物料的加热为例，加热剂的用量Ai，Ao：换热器管内侧和外侧表面积，m2；换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。流体流经管程或壳程【例】在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从100冷却至60，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.说明说明：同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对流；化工过程中，流体流过固体表面时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程，称对流传热；对流传热与流体流动状况密切相关。93.热辐射 因热的
5、原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点：不需要任何介质，可以在真空中传播；不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。10二、间壁传热与速率方程二、间壁传热与速率方程1.间壁式换热器间壁式换热器化工生产中冷热流体间的传热多为间壁对流传热。化工生产中冷热流体间的传热多为间壁对流传热。套管式换热器套管式换热器 列管式换热器列管式换热器冷冷流流体体热热流流体体间间壁壁对流对流 传导传导 对流对流112.传热速率热流密度传热速率热流密度传热速率传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量
6、：单位时间内通过传热面的热量 W。热流密度热流密度q:单位时间单位面积传递的热量，单位时间单位面积传递的热量，W/m2。3.稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热，物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热，反之则非稳态传热。稳态传热的传热速率为常数。反之则非稳态传热。稳态传热的传热速率为常数。工业生产上一般接近稳态传热。工业生产上一般接近稳态传热。4.两流体通过间壁的传热过程两流体通过间壁的传热过程对流对流热传导热传导对流对流以对流方式为主，通常又称对流传热或给热。以对流方式为主，通常又称对流传热或给热。AQq125.传热速率方程传热速率方程
7、经验表明，在稳态传热过程中，传热速率与传热面积经验表明，在稳态传热过程中，传热速率与传热面积A和两流体的温度差成正比。和两流体的温度差成正比。总传热系数、传热面积、推动力是传热过程三大要素。总传热系数、传热面积、推动力是传热过程三大要素。将热阻记为将热阻记为R，则，则Q=tm/R下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。热热阻阻推推动动力力 )/(1KAttKAQmm13 热传导热传导 一、傅立叶定律一、傅立叶定律,zyxft 1.1.温度场和温度梯度温度场和温度梯度1)温度场某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和。142)等温面：温度场中同一时刻
8、下相同温度各点所组成的面。等温面不能相交。3)温度梯度：两相邻等温面的温度差与两面间的垂直距离之比。即等温面上某点法线等温面上某点法线方向上的温度变化方向上的温度变化15ntntntgradtn或0lim温度梯度：dxdtgradt 稳态一维温度梯度：16：导热系数，w/(moC)；Q：导热速率，w；A：导热面积，m2。2.2.傅立叶定律傅立叶定律 通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：dxdtAQ17二、导热系数二、导热系数导热系数的物理意义：单位距离单位传热面积和单位传热温差导热系数的物理意义：单位距离单位传热面积和单位传热温差时的传热速率。时的传热速率。固体导热系数：固体导
9、热系数：固体固体 液体液体 气体气体 金属的导热系数最大，是热的良导体。金属的导热系数最大，是热的良导体。温度温度 纯度纯度 非金属导热系数较小。非金属导热系数较小。温度温度 纯度纯度 对大多数固体：对大多数固体：=0(1+at)=0+a t 0 C时的导热系数时的导热系数 温度系数温度系数dxdtAQ18液体的导热系数：液体的导热系数：液态金属液态金属(与固态金属性质差不多与固态金属性质差不多)非金属液体：水的导热系数最大非金属液体：水的导热系数最大 水和甘油：T 一般液体：一般液体：T 纯液体纯液体 溶液溶液 气体的导热系数：气体的导热系数：T P 变化小变化小 极高极高P 气体导热系数小
10、，保温材料之所以保温一般是材料中空气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空隙充有气体。隙充有气体。19三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导 1.1.单层平壁的热传导单层平壁的热传导 b：平均壁厚，m；t：温度差，oC；Qt1t2btt1bx0t220设材质均匀，不随温度变化。温度也只沿传热方向变化，讨论稳定传热的情况。稳态的一维平壁热传导：dxdtAQx=0,t=t1,x=b,t=t2对上式积分可得：21R：导热热阻，m2oC/w。21RtbttAQqR：导热热阻，oC/w。RtAbttttAbQ2121)(22某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和。说明：对任何物体，辐射能力和吸
11、收率比值为常数，（九）管壳式换热器（列管式）接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。2）膜状冷凝对流传热系数入口效应修正 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较薄，给热系数较大，对于 的换热管，应考虑进口段对给热系数的增加效应。一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。弯管修正 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强三、对流传热中的量纲分析式中n值与热流方向有关，园形直管内高粘度液体无相变传热，给热系数结构：多用于冷却管内的热流体。（4）加热壁面：材料、粗糙度。特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。（2）增强流体的扰动；5mm，水走管内，水侧和油侧的对流传热
12、系数分别为0.多层圆筒壁的热传导（稳态）注：当 r2/r12时，可用算术平均值代替对数平均值。用途：广泛用于超高压生产过程，用于所需传热面积不多的场合。n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，传热阻力传热推动力传热速率 232.2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导 b1b2b3Qtxt1t2t3t424以三层平壁为例：321QQQQAbttAbttAbttQ33432232112132132133221141RRRtttAbAbAbtt25 多层平壁：RtAbttQniiin111多层平壁传热的推动力为总温度差。传热阻力由多层平壁传热
13、的推动力为总温度差。传热阻力由各层热阻之和。并且有各层热阻之和。并且有 t1：t2：t3：t=R1：R2：R3：Ri例4-2 P12526四、圆筒壁的热传导四、圆筒壁的热传导1.1.单层圆筒壁的热传导（稳态）单层圆筒壁的热传导（稳态）Qr1rdrr2t2t1L27drdtrldrdtAQ21221ln2rrttlQ上式积分可得：1221ln21rrlttmAbtt2128面积的对数平均值半径的对数平均值12rrblQq lrrrrrlAmm2ln212121212lnrrrrrm注：当注：当 r2/r12时，可用算术平均时，可用算术平均值代替对数平均值。值代替对数平均值。29 实验测定 通过实
14、验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。9kJ/kg C，=850kg/m3）由80C冷却到30 C。例如内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，当量直径一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；但实际上湍流层内温度相差不大，以平均温度代替。管外流体对流传热控制。缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)；工业生产上一般接近稳态传热。传热阻力由各层热阻之和。吸收率 反射
15、率 透射率固体液体 气体换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算（九）管壳式换热器（列管式）=f(两壁面形状，大小，相对位置，距离等）根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算注意：管程、壳程流速不一样。2.2.多层圆筒壁的热传导（稳态）多层圆筒壁的热传导（稳态）t2t1t3t4r1r2r3r430以三层圆筒壁为例：33322211141mmmAbAbAbttQ34323212141ln21ln21ln21rrlrrlrrlttQ321321RRRtt
16、t31nimiiinAbttQ111对多层圆筒壁：niiiinrrlttQ1111ln21例4-4 P12832第三节第三节 对流传热对流传热对流传热的分析对流传热的分析 温度TTwtwt距离传热壁面滞流内层热流体冷流体33一、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数 热流体热流体 壁壁 冷流体冷流体由于层流内层的存在，由于层流内层的存在，传热方式实际上是：传热方式实际上是：对流对流热传导热传导热传导热传导(壁壁)热传导热传导对流对流湍流时，热阻主要集中湍流时，热阻主要集中在层流内层。在层流内层。对流对流 传导传导 传导传导 传导传导 对流对流Q34对流传热的膜理论模型对流传热
17、的膜理论模型 某一截面上，热流体一侧的推动力热流体湍流层内某一截面上，热流体一侧的推动力热流体湍流层内最高温度壁温。最高温度壁温。但实际上湍流层内温度相差不大，以平均温度代替。但实际上湍流层内温度相差不大，以平均温度代替。由于温度相差不大，热阻也不大。近似设传热热阻全部由于温度相差不大，热阻也不大。近似设传热热阻全部集中在层流内层这一膜内。改变层流内层的有效膜厚度集中在层流内层这一膜内。改变层流内层的有效膜厚度就可以改变传热效果。就可以改变传热效果。传热速率肯定与推动力成正比，与传热面积成正比，传热速率肯定与推动力成正比，与传热面积成正比，但由于膜厚实际上难于测定，就把各种其它因素和膜厚但由于
18、膜厚实际上难于测定，就把各种其它因素和膜厚的影响归纳为一个参数的影响归纳为一个参数。某一侧的传热速率可写为。某一侧的传热速率可写为 该式也称牛顿冷却公式。该式也称牛顿冷却公式。对流传热系数对流传热系数tAQ35化工过程中，流体流过固体表面时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程，称对流传热；自然对流：温度、密度不同引起。温度 纯度 (5)计算，确定污垢热阻，求出K并与选取值比较，直至两者符合为止；传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量 W。(3)压力高流体走管内；参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。取管内径作为特征尺寸；水(u1m/s,t250C：
19、和q急剧下降，然后稳定，原因是气泡数急剧增加，在壁面形成一层气膜，此段称膜状沸腾。582 2）沸腾传热系数的计算）沸腾传热系数的计算3 3）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素（1）液体的性质：液体的导热系数、密度、粘度和表面张力；（2）温度差；（3）操作压强：压强提高，增加；（4）加热壁面：材料、粗糙度。59六、选用六、选用 关联式的注意事项关联式的注意事项(1)针对具体问题选择适当关联式。针对具体问题选择适当关联式。(2)注意公式应用范围、特性尺寸和定性温度的确定。注意公式应用范围、特性尺寸和定性温度的确定。(3)正确使用物理量的单位。正确使用物理量的单位。(4)分析各变量对分析各变量对
20、 的影响。的影响。(5)通常通常 的使用范围如下表：的使用范围如下表：60理论上：热辐射的电磁波波长可以从零到无穷大。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。速度快，大，传热系数K大，同时可减少结垢。特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。(5)计算，确定污垢热阻，求出K并与选取值比较，直至两者符合为止；优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。键是提高较小的给热系数。（2）通过工作液的沸腾气化、蒸气流动、蒸气冷凝实现传热。Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)平行壁间辐射传热的角系
21、数换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。缺点：喷淋不易均匀，安装在室外。(2)计算平均温度差；(5)计算，确定污垢热阻，求出K并与选取值比较，直至两者符合为止；总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。热流体在管内流动，冷流体在管间流动，则对流传热速率方程可表示为:能全部吸收辐射能，即吸收率=1的物体，称为黑体通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：逆流或并流时的平均温差特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。应用范围：Re2300；表表 4-3 4-3 值的范围值的范围换热方
22、式空气自然对流 气体强制对流 水自然对流 水强制对流 水蒸气冷凝 有机蒸气冷凝 水沸腾 w/(m2oC)525 30300 201000 10008000 500015000 5003000 250030000 61第四节第四节 传热计算传热计算Calculation of heat transfer一、热量衡算一、热量衡算 设热流体、冷流体进出口温度分别为设热流体、冷流体进出口温度分别为T1、T2和和t1、t2,热流体、冷流体的定压热容和质量流量分别为热流体、冷流体的定压热容和质量流量分别为cp1、cp2和和qm1、qm2，忽略热损失，两流体均无相变化。，忽略热损失，两流体均无相变化。则则
23、Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)62若热流体为饱和蒸汽冷凝，冷流体无相变，则若热流体为饱和蒸汽冷凝，冷流体无相变，则 Q=qm1r=qm2cp2(t2-t1)蒸汽的汽化潜热蒸汽的汽化潜热 若换热器中热流体发生相变，且发生冷却：211112222122221111TTcqttcrqQttcqTTcrqQpmpmpmpm637-挡板 8-泄水池特征尺寸：取为管内径d1。一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。夹套式 套管（二）沉浸式蛇管换热器气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空隙充有气体。3）增大总传热系数 K考虑污垢热阻时有理论上：热辐射的电磁波波长可以从
24、零到无穷大。在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。（1）t50C时：和q较低，原因是液体内部产生自然对流，液体表面发生蒸发；下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等（3）特别适用低温差的传热。制冷剂蒸汽(含油)管外流体对流传热控制。传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量 W。定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温(3)正确使用物理量的单位。液膜的密度、粘度、导热系数、蒸汽的冷凝潜热不需要任何介质，可以在真空中传播；参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，
25、热流体放出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的。流体的温度差沿换热器表面各点是不同的。当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。使用整个传热面积上的平均温差。平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。流动方式不同，平均传热温差不同。二、传热平均温度差二、传热平均温度差64t2Tt1t1Tt2t1t2T1T2tt参与换热
26、的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。1.恒温传热时的平均温度差恒温传热时的平均温度差65参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。换热器间壁器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒
27、定不变，间壁恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，不变，则换热器的传热温差则换热器的传热温差 亦为定值。亦为定值。mTttTt)t(TKAtKAQ66T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流并流2.变温传热变温传热67假定：假定：在传热过程中，热损失忽略不计；在传热过程中，热损失忽略不计；两流体的比热为常数，不随温度而变；两流体的比热为常数，不随温度而变；总传热系数总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。为常数，不沿传热表面变化。逆流或并流时的平均温差68 122112121212lnln
28、mttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 并流并流逆流逆流平均温差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。平均温差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。工程计算中，当t1/t2 2时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。69【例】【例】在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从100冷却至60，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.5kJ/(kg)，已测得水出口温度为40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和
29、逆流时总传热系数K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。70C3.49206040100ln)2060()40100(,逆mtC3.43406020100ln)4060()20100(,并mt3121115003.5 101006058300W3600pQW CTT2583001.18m1000 49.3mQAK t逆逆2583001.35m1000 43.3A并解：解：逆流和并流的平均温差分别是：传热负荷为：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：7121211121ppWCttWCTT采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量，以物料的加采用逆流传热的另一优点是节约载热
30、体的用量，以物料的加热为例，加热剂的用量热为例，加热剂的用量当当T1、T2、t1和和 t2不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。t1t2T1T2t1t2t2T2t1t1T1t272并流时并流时T T2 2恒大于恒大于t t2 2，但逆流时，但逆流时T T2 2有可能低于有可能低于t t2 2，逆流时热流，逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少。一般都采用逆流
31、操作。并流时为少。一般都采用逆流操作。但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。流较易控制。733.错流和折流时的平均温差错流和折流时的平均温差两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。错流是指两流体在间壁两错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直；侧彼此的流动方向垂直；一
32、种流体作折流流动，另一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。一个方向流动。若两种流体都作折流流动若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称或既有错流又有折流，称为复杂折流。为复杂折流。复杂折流复杂折流错流错流简单折流简单折流74,f P R称为温差修正系数，表示为称为温差修正系数，表示为P和和R两参数的函数两参数的函数式中,mmtt逆错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正再根据流动型式加以修正两流体的最初温差冷流体的温升1112tTttP冷流体的温升热流体的温降1221tt
33、TTR75温差修正系数温差修正系数1，即，即tmtm，逆逆，换热器设，换热器设计时计时值不应小于值不应小于0.8，否，否则不经济。增大则不经济。增大的一个的一个方法就是改用多壳程。方法就是改用多壳程。76三、总传热系数三、总传热系数总传热系数总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数对传热过程的影响，倒数1/K称为传热过程的总热阻。称为传热过程的总热阻。冷、热两流体的温度分别为冷、热两流体的温度分别为T和和t，给热系数分别为给热系数分别为 2和和 1，管壁热侧，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为表面和冷侧表面的温度分别为T
34、w和和tw,间壁两侧面积分别为间壁两侧面积分别为A1和和A2，流，流体通过间壁的热交换经过体通过间壁的热交换经过“对流对流传导传导对流对流”三个串联步骤。三个串联步骤。TwtwTt热流体冷流体QQA1A2b77mwwwmwtKAttAbtTATTAQ)()(2211221111AttAbtTATTQwmwwwKAtTAAbAtTQm11122112211111AAbAKAm冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。TwtwTt热流体冷
35、流体QQA1A2b78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 2.总传热系数22111111dAdAdAbdAKm 221111dddbdm 22111dAdAdAbdAdAdAKmmmmm 22111ddbddmm 792121lnmddddd根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算式中式中 为管壁的为管壁的对数平均直径对数平均直径当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等近似相等2212122121211111mmdd
36、bddAAbAAK21111bK8021111bK21111K若导热热阻很小，则若导热热阻很小，则若 ，则 ，21211K2K若 ，则 ，21111K1K管内流体对流传热控制。管内流体对流传热控制。管外流体对流传热控制管外流体对流传热控制。总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高K值，关值，关键是提高较小的给热系数。键是提高较小的给热系数。8122mQKtA获取获取K K的其他途径：的其他途径：查取查取K值值 在有关传热手册和专著中载有某些情况下在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的的经验数值，
37、但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验较为成熟的经验K值作为设计依据，表值作为设计依据，表4-7列出了一些条件列出了一些条件下经验下经验K值的大致范围，供设计时参考。（值的大致范围，供设计时参考。（P152)实验测定实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算由传热基本方程计算K值：值：82流体种类总传热系数KW/(m2K)水气体1260水水8001800水煤油350左右水有机溶剂280850气体气体1235饱和水蒸气水14004700饱和水蒸气气体30300饱和水蒸气油60350饱和水蒸气沸腾油290870列管换热器总传热系
38、数K的经验数据83污垢热阻污垢热阻 换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。速率显著下降。若污垢系数为若污垢系数为d，则垢层热阻为，则垢层热阻为Rd=1/d。因为垢层导。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足够重视主要热阻，必
39、须给予足够重视。84由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。如管壁内侧和外侧的污垢热是选用污垢热阻的经验数值。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是阻分别是Rd1和和Rd2，则总热阻，则总热阻112121222211ddddRdbdRKdmd85流 体 种 类污垢热阻m2/W流体种类污垢热阻m2/W水(u1m/s,t50)蒸气 海水0.0001 有机蒸汽 0.0002 河水0.0006 水蒸气(不含油)0.0001 井水0.00058 水蒸气废气(含油)0.0002 蒸馏水0.0001 制冷剂蒸汽(含油)0.0
40、004锅炉给水0.00026气体 未处理的凉水塔用水0.00058 空气0.0003 经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004 多泥沙的水0.0006 天然气0.002盐水0.0004 焦炉气0.002污垢热阻的大致数值P14986v例4-14 P149总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高K值，关值，关键是提高较小的给热系数。键是提高较小的给热系数。p 例4-16 P15287四、壁温计算四、壁温计算 传热计算或换热器设计中往往需要壁温数据。但壁温传热计算或换热器设计中往往需要壁温数据。但壁温难测，且随位置而变，所以通常用下列
41、近似计算方法难测，且随位置而变，所以通常用下列近似计算方法估算。估算。冷热流体温度和壁温都以平均温度表示时冷热流体温度和壁温都以平均温度表示时 考虑污垢热阻时有考虑污垢热阻时有)/(1)/()/(12211AttAbtTATTQWmWWW 2221111)1()/(1)1(ARttAbtTARTTQdWmWWdW 88v例4-17 P153管壁温度接近热阻小的那侧流体的温度89五、传热计算示例五、传热计算示例v例例 4-18 P15390v例例 1 重油和原油在套管换热器内并流流动，重油和原油在套管换热器内并流流动，两种油的初温分别为两种油的初温分别为243C和和128C，终温，终温为为167
42、C和和157C。若维持两种油的初温和。若维持两种油的初温和流量不变，而将流体改为逆流，试求此时流量不变，而将流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差。假设在两种情况下，流体的平均温度差。假设在两种情况下，物性和总传热系数均不变，换热器的热损物性和总传热系数均不变，换热器的热损失不计。失不计。91v例例 2 在逆流换热器中，用初温为在逆流换热器中，用初温为20 C的的水将水将1.25kg/s的液体（的液体（Cp=1.9kJ/kg C，=850kg/m3）由）由80 C冷却到冷却到30 C。换热器换热器的列管直径为的列管直径为 25 2.5mm，水走管内，水，水走管内，水侧和油侧的对流传热系数分别为
43、侧和油侧的对流传热系数分别为0.85和和1.70kw/m2 C，忽略污垢热阻，若水的出，忽略污垢热阻，若水的出口温度不高于口温度不高于50 C，计算传热面积。计算传热面积。92例3：在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s、进口温度为1100C；水的流量为0.66785kg/s、进口温度为350C。油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/(kg0C)。换热器的总传热系数为320W/(m20C)。试求水的出口温度及传热量。12222111ttcqTTcqQpmpmmtKAQ93解法：。正确，否则重新假设相等则初设是否相等与初设221222,ttt
44、KSttcWttmpccm T解得 t2=89.8 0C，Q=160.3 kw12222111ttcqTTcqQpmpm94第五节第五节热辐射热辐射v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。v理论上：热辐射的电磁波波长可以从零到无穷大。v实际上：波长在0.420m有实际意义，且大部分能量位于红外线区段（0.820m).v热辐射能:物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。一、一、基本概念基本概念952 辐射能的吸收、反射和透过辐射能的吸收、反射和透过QR QD QA NQ根据能量守恒定律：根据能量守恒
45、定律：QQAQQRQQD吸收率吸收率 反射率反射率 透射率透射率196v灰体灰体：凡能以相同的吸收率且部分地吸收由零到无穷大所有波长范围的辐射能的物体。v灰体的特点：v1、灰体的吸收率不随辐射线的波长而变；v2、灰体是不透热体，+=1。v能全部吸收辐射能，即吸收率=1的物体，称为黑体黑体v能全部反射辐射能，即反射率=1的物体，称为白体白体；v能透过全部辐射能，即透过率=1的物体，称为透热体透热体。一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热体。v一般来说，固体和液体都是不透热体，即=0，+=1。气体则不同，其反射率=0，+=1。工业上，多数物体都可近似视为灰体工业上，多数物体都可近似视为灰体(
46、相差不大相差不大)。97二、物体的辐射能力二、物体的辐射能力v1.黑体的辐射能力黑体的辐射能力v黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比。黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比。v vCb=5.669W/(m2.K),黑体的辐射系数。黑体的辐射系数。v2.实际物体的辐射能力实际物体的辐射能力v实际物体的辐射能力小于黑体的辐射能力。定义实际物体的辐射能力小于黑体的辐射能力。定义黑度黑度 =E/Ebv影响黑度的因素：物种、表面温度、表面状况、影响黑度的因素：物种、表面温度、表面状况、波长等。由实验测定。波长等。由实验测定。44b100TCTEbb98v灰体：对各种波长具有相同吸收率的物体。灰体：
47、对各种波长具有相同吸收率的物体。v大多数工程材料可看成灰体。大多数工程材料可看成灰体。v灰体辐射能力同样用黑度表示。灰体辐射能力同样用黑度表示。v一些材料的黑度见表一些材料的黑度见表4-8。v材料材料 温度温度 C 黑度黑度v红砖红砖 20 0.93v耐火砖耐火砖 0.8 0.9v钢板钢板(氧化的氧化的)200 600 0.8v钢板钢板(磨光的磨光的)940 1100 0.53 0.61v铝铝(磨光的磨光的)225 575 0.039 0.05744b100100TCTCE99三、克希霍夫定律三、克希霍夫定律 的关系吸收率灰体辐射能力AE 设设：A-灰体 B-黑体 A发射辐射能全部被B吸收。B
48、发射辐射能：部分被A吸收-；部分被A反射-；bE1bbEE)1(11热平衡时，对灰体而言：发射辐射能吸收辐射能 bEE11即：EbEbEb)1(E100说明说明：对任何物体，辐射能力和吸收率比值为常数，且等于同温度下，黑体的辐射能力。bEE11变形：说明：同温度下，任一物体吸收率等于黑度说明：同温度下，任一物体吸收率等于黑度。bEE11克希霍夫定律：101四、两固体间的相互辐射四、两固体间的相互辐射在两极大的平行平板间进行的在两极大的平行平板间进行的热辐射可用右图所示过程推导。热辐射可用右图所示过程推导。但对于一般物体间的辐射则保但对于一般物体间的辐射则保留公式形式，只在前面加一系留公式形式，
49、只在前面加一系数，通过实验确定该系数值再数，通过实验确定该系数值再应用于实际。应用于实际。(1-1)E0E0 424121100100TTACQ 102bCCCCC11111112121b21总发射系数：角系数：角系数 (总能量被壁面拦截分率)。=f=f(两壁面形状，大小，相对位置，距离等）103024516730.21.00.80.60.4341圆盘形 2正方形 3长方形（边长比2:1）4长方形（狭长）21角系数 平行壁间辐射传热的角系数104第六节第六节 换热器换热器 Heat exchanger（一）按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器（二）按冷、热流体的传热方式分类两流体直接接触式
50、换热器蓄热式换热器间壁式换热器105 v一、间壁式换热器一、间壁式换热器热热水水溶液溶液夹套式夹套式 套管套管106（一）夹套式换热器为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。107（二）沉浸式蛇管换热器为了强化传热，容器内加搅拌。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。108（三）喷淋式换热器（
