换热器设计传热学基础

郑州大学化工设备研究所： 王培萍电 话：0371-63887306Email: 网 址： ,河南省压力容器技术协作网,换热器设计传热学基础,1.5 化工生产中的传热过程及常见换热器,1.2 传导传热,1.3 对流传热,1.6 间壁式热交换的计算,1.7 传热过程的强化,1. 1 传热基本理论的应用,1.4 热辐射,河南省压力容器技术协作网,3,1.1生产生活中的传热学应用,自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍,a 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,b 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？,(1) 日常生活中的例子：,河南省压力容器技术协作网,4,（2)生产技术领域大量存在传热问题,a 航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却；,b 微电子： 电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵f 新能源：太阳能；燃料电池,河南省压力容器技术协作网,5,(3) 工程实践中大量存在传热问题,例如：热源和冷源设备的选择、配套和合理有效利用；供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究；各种供热设备管道的保温材料及建筑围护结构材料的研制及其热物理性质的测试、热损失的分析计算；各类换热器的设计、选择和性能评价；建筑物的热工计算和环境保护等。,河南省压力容器技术协作网,6,1.2热传导（导热）,1.2.1定义和特征定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,河南省压力容器技术协作网,7,1.2.2导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移,河南省压力容器技术协作网,1.2热传导（导热）,8,河南省压力容器技术协作网,1.2热传导（导热）,9,1.2.3导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。,河南省压力容器技术协作网,1.2热传导（导热）,10,：热流量，单位时间传递的热量W,q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量,平壁的厚度m；,A：垂直于导热方向的截面积m2,：平壁两侧壁温之差,河南省压力容器技术协作网,1.2 传导传热,1.2.1.热传导基本方程傅里叶定律（Fourier）,11,当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x减小的方向传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。,为温度梯度，负号表示热流密度的方向与温度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升高的方向相反。,河南省压力容器技术协作网,1.2 传导传热,12,热导率（导热系数）, 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。单位：w/(m.K),热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。,河南省压力容器技术协作网,13,不同物质的导热性能不同：,0C时：,当 t2 ；管材导热系数为。则由傅立叶定律有： 因稳定过程导热体的导热速率为常数，若导热体的导热系数可视为常数或可取平均值，则上式中仅包含温度t和半径r两个变量。,河南省压力容器技术协作网,1.3.2圆筒壁导热1)单层圆筒壁导热,39,将上式分离变量，并根据r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。即：积分得： 即为圆筒壁的导热热阻。 上式为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。,河南省压力容器技术协作网,1)单层圆筒壁导热,40,上式中 ，为圆筒壁的厚度，m。 若令上式中的 ，称为圆筒壁的对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积计算式，可令 ，称为圆筒壁的平均导热面积。,河南省压力容器技术协作网,1)单层圆筒壁导热,41,故上式可改写为：跟传热平均温度差计算相类似地，当r2/r12时，上式中的对数平均半径也可用算术平均值代替。,河南省压力容器技术协作网,1)单层圆筒壁导热,42,2)多层圆筒壁导热计算,在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。例如，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温材料，以减少热量（或冷量）损失；在反应器或其他容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀；在换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：,河南省压力容器技术协作网,43,例5： 某管道外径为2r，外壁温度为t1，如外包两层厚度均为r（即23r）、导热系数分别为2和3（ 2 / 3=2）的保温材料，外层外表面温度为t2。如将两层保温材料的位置对调，其他条件不变，保温情况变化如何？由此能得出什么结论？解：,设两层保温层直径分别为d2、d3和d4，则d3/d2=2，d4/d3=3/2。导热系数大的在里面：,河南省压力容器技术协作网,2)多层圆筒壁导热计算,44,导热系数大的在外面：,两种情况散热量之比为：,结论：导热系数大的材料在外面，导热系数小的材料放在里层对保温更有利。,河南省压力容器技术协作网,2)多层圆筒壁导热计算,45,1.3热对流与对流换热,河南省压力容器技术协作网,46,1.3.1 定义与特征定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流,对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程,河南省压力容器技术协作网,1.3热对流与对流换热,47,对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差,河南省压力容器技术协作网,1.3热对流与对流换热,48,河南省压力容器技术协作网,49,1.3.2牛顿冷却公式（1701）,h 表面传热系数, 固体壁表面温度, 流体温度,河南省压力容器技术协作网,50,表面传热系数（对流换热系数）, 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。h是表征对流换热过程强弱的物理量。,影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性（、cp)有无相变、壁面形状大小等,河南省压力容器技术协作网,51,1.3.3对流传热机理,对流传热是流体流动过程中发生的热量传递. 工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。,由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。,河南省压力容器技术协作网,52,由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态。,在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。,同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。,河南省压力容器技术协作网,对流传热特点,53,如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，工程上将湍流主体和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为t的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.,河南省压力容器技术协作网,1.3.3对流传热机理,54,式中流体的热导率，,t传热边界层厚度，m；,T对流传热温度差，,或,实际上对流传热过程为：,该式称为牛顿（Newton）冷却定律或给热方程， h为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为,可将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程,河南省压力容器技术协作网,55,例6： 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw = 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解：,暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，,Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。,河南省压力容器技术协作网,56,1.3.4对流换热过程的分类,对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动,对流换热的分类：,1）流动起因：,自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动（Free convection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forced convection）,河南省压力容器技术协作网,57,河南省压力容器技术协作网,1.3.4对流换热过程的分类,58,2）换热表面的几何因素：,内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,3）流动状态：,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动,河南省压力容器技术协作网,1.3.4对流换热过程的分类,59,河南省压力容器技术协作网,1.3.4对流换热过程的分类,60,河南省压力容器技术协作网,61,4）流体有无相变：,单相换热：换热过程中介质无相的变化相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,河南省压力容器技术协作网,1.3.4对流换热过程的分类,62,对流换热分类表,河南省压力容器技术协作网,63,1.3.5对流传热系数的影响因素及其求取,影响h的因素很多，主要有以下几个方面：,影响h的主要因素可用下式表示：,流体的种类和性质； 液体、气体、蒸气，其密度、比热容、粘度等不同。,流体的流动形态： 滞流、过渡流或湍流时h各不相同。,传热壁面的形状、排列方式和尺寸,流体的对流状态： 强制对流较自然对流时h为大。,河南省压力容器技术协作网,64,由于影响h的因素很多，要建立一个通式来求各种对流传热情况下的h是不可能的。工程上采用量纲分析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲合一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。,描述对流传热过程的特征数关系为：,各特征数的含义如下表2-1所示,河南省压力容器技术协作网,1.3.5对流传热系数的影响因素及其求取,65,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,对流传热过程中的准则数,体积膨胀系数,表示浮升力和粘滞力比值的大小的参数，作用类似于雷诺数对强制对流的影响,66,称为雷诺数，表征了给定流场的惯性力与其黏性力的对比关系，也就是反映了这两种力的相对大小。,利用雷诺数可以判别一个给定流场的稳定性，随着惯性力的增大和黏性力的相对减小，雷诺数就会增大，而大到一定程度流场就会失去稳定，而使流动从层流变为紊流。,河南省压力容器技术协作网,对流传热过程中的准则数的物理意义,67,河南省压力容器技术协作网,对流传热过程中的准则数的物理意义,68,努谢尔特（Nusselt）准则，它反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对流换热计算中必须要加以确定的准则。,河南省压力容器技术协作网,对流传热过程中的准则数的物理意义,69,1.3.6对流传热系数关联式,对流传热系数的影响因素h = f ( 物性、流动状态、温度、边界状况),1)流体的种类和相变化的情况,表 2-3 h值的范围,河南省压力容器技术协作网,70,2)流体的物性导热系数 大，h 大；粘度 大，h 小；比热和密度 Cp 大，h 大；体积膨胀系数 大，h 大。3) 流体的温度 流体物性、附加自然对流4)流体的流动状态 滞流小、湍流大,河南省压力容器技术协作网,1.3.6对流传热系数关联式,71,5)流体流动的原因自然对流小、强制对流大6)传热面的形状、位置和大小形状：管、板、环隙、翅片等位置：水平、垂直、管束的排列方式大小：管径、管长、板高、进口效应,河南省压力容器技术协作网,1.3.6对流传热系数关联式,72,1.3.7应用准数关联式应注意的问题a 定性温度 b 特征尺寸c 特征流速d 应用条件,河南省压力容器技术协作网,73,特征尺寸、特征流速和定性温度的确定,特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场的几何特征、流动特征和换热特征。,特征尺寸，它反映了流场的几何特征，对于不同的流场特征尺寸的选择是不同的。流体平行流过平板：流动方向上的长度尺寸；管内流体流动：垂直于流动方向的管内直径；流体绕流圆柱体流动：流动方向上的圆柱体外直径。非圆管：取当量直径4流动截面积/传热周边长,河南省压力容器技术协作网,74,特征流速，它反映了流体流场的流动特征。流体流过平板：来流速度；流体管内流动：管子截面上的平均流速；流体绕流圆柱体流动：来流速度。,定性温度，无量纲准则中的物性量是温度的函数，确定物性量数值的温度称为定性温度。外部流动：来流流体温度和固体壁面温度的算术平均值，称为膜温度；内部流动：管内流体进出口温度的平均值（算术平均值或对数平均值）.,河南省压力容器技术协作网,特征尺寸、特征流速和定性温度的确定,75,1.3.8对流传热膜系数 （无相变）,低粘度流体在管内强制湍流传热：Dittus-Blelter,当液体被加热：n=0.4液体被冷却：n=0.3气体被加热或冷却：n=0.4,河南省压力容器技术协作网,76,上式的适用范围,1）Re104，流体呈湍流状态。2）若Re=2300104属于过渡区，上式计算的传热系数h作修正,河南省压力容器技术协作网,低粘度流体在管内强制湍流传热：,77,上式的适用范围,4）要求管长与管径之比，l/d60。如果l/d60，由于入口处的影响使增加较多，可将【1+（d/l)0.7】进行修正。5）用于粘度小于2倍水的粘度的流体。6）定性温度：液体进出口温度的算术平均值;7) 特征尺寸: 管内径。,河南省压力容器技术协作网, 低粘度流体在管内强制湍流传热：,78,例6 在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从20加热到80,管束为38mm3mm,蒸汽走壳程,空气走管程,其流速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数.,解: 空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50,查50下空气的物性数据,Cp=1017Jkg-1K-1,=1.9610-5Pas,=1093kgm-3,=2.8310-2Wm-1K-1,d=0.032m,u=14ms-1,得,计算结果表明:空气在管内流动Re10000, 160Pr0.6, 必然符合下式的条件,河南省压力容器技术协作网,79,b、高粘度流体Nu=0.027Re0.8Pr0.33(w )0.14:液体在主体平均温度下的粘度w：液体在壁温下的粘度其中（/w）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热(/w）0.14=1.05 ，液体被冷却时（/w）0.14=0.95,河南省压力容器技术协作网,高粘度流体在管内强制湍流传热：,80,由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热时，滞流内层的温度比主体温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却时，情况相反，对于液体Pr1 即 Pr0.4Pr0.3.因此加热时n=0.4。,河南省压力容器技术协作网, 高粘度流体在管内强制湍流传热：,81,流体在管外的强制对流 单根园管、管束,河南省压力容器技术协作网,82,.1流体在管束外强制垂直流动 管束的排列方式：直列 错列正三角形、等边三角形流体在错列管束外流过时 ，平均传热系数由下式计算：流体在直列管束外流过时 ，平均传热系数由下式计算：,河南省压力容器技术协作网,正方形排列 转角正三角形排列 正三角形排列,83,应用范围：Re3000， 特征尺寸：管外径do，流速取最小流通截面速度。管排数为10，不是10排时应进行校正。(二)流体在换热器的管间流动圆环圆盘折流板,河南省压力容器技术协作网,.1流体在管束外强制垂直流动,84,弓形折流板圆弧型折流板有关的计算公式参见教材和有关资料。,河南省压力容器技术协作网,.1流体在管束外强制垂直流动,85,若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。,液体有相变时的对流传热系数,.1 蒸气冷凝,若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作 用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。,滴状冷凝：,膜状冷凝:,河南省压力容器技术协作网,化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。,86,滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍，工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。,87,式中：l管长，m; 分别为膜温下凝液的导热系数W/(m.),密度,kg/m3;和粘度(Pa.s) 冷凝潜热,J/kg; t饱和蒸汽温度与壁面温度的差值。其中，冷凝潜热按膜温tb查取，其余物性按液膜温度tL查取。tL=(tb+tw)/2,河南省压力容器技术协作网,.1 蒸气冷凝,1）竖直平壁：,88,河南省压力容器技术协作网,2）倾斜平壁：,3）单根水平园管：,注意：上述公式只适用于滞流情况,89,对流传热系数仍可用上式计算，但特征尺寸改为n2/3do,n为水平管束垂直列上的管子数。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的n列管子所组成，一般各列管子在垂直方向的管数不相等，若分别为n1,n2,n3,则,4）蒸气在水平管束外的冷凝,河南省压力容器技术协作网,90,若膜层为滞流 Re1800时 h =0.0077(g)0.33Re0.4特征尺寸:l取垂直管或板的高度。定性温度：蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度tm=0.5(ts+tw)下的值。,5）蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝,河南省压力容器技术协作网,91,6）影响冷凝传热的因素,液膜呈滞流时：t冷凝速率 h,液膜两侧温差,凝液物性,见公式,蒸气的流向与速度当蒸汽流动方向与液膜向下流动同方向时,使液膜拉薄,h增加,反之,减小,蒸气中不凝性气体含量的影响,p不凝性气体含量冷凝时形成“气膜” ,河 南 省 压 力 容 器技 术 协 作 网,92,6）影响冷凝传热的因素,过热蒸气 把前面计算式中的潜热改为过热蒸汽与饱和液的焓差,则可用前述饱和蒸汽的公式来计算,冷凝壁面的影响如果系统密封良好,则凝结侧热阻很小.强化膜状凝结传热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度.可用各种带有尖锋的表面使其上冷凝的液膜减薄,并使得凝结的液体尽快排掉.工程上可以采用低肋管或各种类型锯齿管等等.,河 南 省 压 力 容 器技 术 协 作 网,93,液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化，如图为水的沸腾曲线：, 液体沸腾,河南省压力容器技术协作网,94,图4-9 水的沸腾曲线,当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发，如图中AB段曲线；当t逐渐增高时，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为泡核沸腾，如BC段曲线；,沸腾曲线：沸腾随加热面温度与液体饱和温度差而变。,95,工业生产中, 总是设法维持在泡状沸腾下操作。,继续增大t时，产生的气泡大大增多且产生的速度大于脱离加热表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气膜的附加热阻使q和均急剧下降，传热面几乎全部被气膜覆盖称为膜状沸腾。,（t 25）膜状沸腾,河 南 省 压 力 容 器技 术 协 作 网,96,工业上的液体沸腾：,将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容积沸腾；液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。,（t 25）膜状沸腾,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,97,表23 常见流体的表面传热系数大致范围,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,98,表面传热系数的数值范围,河南省压力容器技术协作网,99,1.4热辐射（Thermal radiation）1.4.1定义物体通过电磁波来传递热量的方式。,物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同,辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递,河南省压力容器技术协作网,100,河南省压力容器技术协作网,101,1.4.2辐射换热的特点,不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。,河南省压力容器技术协作网,102,1.4.3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）,黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。（Black body）,黑体的辐射能力与吸收能力最强,Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain.,河南省压力容器技术协作网,103,黑体向外发射的辐射能：, 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，,河南省压力容器技术协作网,1.4.3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）,104,实际物体辐射能力：低于同温度黑体, 实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体的种类、表面状况和温度有关 （Emissivity）,河南省压力容器技术协作网,1.4.3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律,105,对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为 ：,河南省压力容器技术协作网,1.4.3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律,106,实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽真空的目的就是为了减少导热过程的损失；瓶口加塞就是为了减少对流损失；内胆镀银是为减少辐射传热的损失。再如，化工生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热，主要是以热对流和导热相结合的方式进行的。,河南省压力容器技术协作网,1.5 化工生产中的传热过程及常见换热器,107,1.5 传热过程与热阻,传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。,传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成,河南省压力容器技术协作网,108,k 为传热系数，W/(m2 oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1 oC、传热面积A1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。,为热流体与冷流体间的平均温差；,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,109,假设传热过程处于稳态：,屋内热空气的热量通过墙壁和保温层传递给屋外冷空气，这个过程就属于传热过程。,若屋内空气温度为tf1，屋外的空气温度为tf2，传热温差= tf1- tf2。若屋内对流和辐射总换热系数为 ，屋外侧的对流换热系数为 ，墙壁、保温层的厚度分别为 和 ，墙壁、保温层的导热系数分别为 和 。,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,110,从热流体tf1到tw1：,tw1到tw2：,tw2到tw3：,tw3到冷流体：,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,111,表示成热阻的形式，有,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,112,1.5.1热阻分析类比方法对各种转移过程的规律进行分析与比较，充分揭示出相互之间的类同之处，并相互应用各自分析的结论，是研究转移过程的一种行之有效方法。热电类比（热阻分析）是传热学常用的研究方法：即将电学中的欧姆定律及电学中电阻的串并联理论应用于传热学热量传递现象的研究。,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,113,热路与电路的相似性,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,114,1.5.2热阻1）热阻定义：热转移过程的阻力称为热阻。2）热阻分类：不同的热量转移有不同的热阻，其分类较多，如：导热阻、辐射热阻、对流热阻等。对平板导热而言又分：面积热阻RA：单位面积的导热热阻。热阻R：整个平板导热热阻。,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,115,1.5.2热阻3）热阻的特点 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,116,1.5.3导热热阻：,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,117,1.5.4对流换热热阻,河南省压力容器技术协作网,1.5 传热过程与热阻,118,单位面积传热热阻,k越大，传热越好。若要增大k，可增大,河南省压力容器技术协作网,119,例8：一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(mK) ，冬季室外空气温度为tf2=-10, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1= 25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：,由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,河南省压力容器技术协作网,120,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,河南省压力容器技术协作网,1.5 化工生产中的传热过程及常见换热器,1.5.5化工生产中的传热过程,单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温；传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。,系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。,河南省压力容器技术协作网,化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。,传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。,河南省压力容器技术协作网,1.5.5化工生产中的传热过程,工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。,直接接触式 在某些传热过程中，热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦简单。,间壁式 冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热，其型式很多。,河南省压力容器技术协作网,工业上传热的三种基本方式,124,蓄热式 使热流体流过换热器，将器内固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传热目的。,河南省压力容器技术协作网,工业上传热的三种基本方式,125, 间壁式换热器,间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热量通过固体壁面的热传导；壁面的另一侧将热量传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。,河南省压力容器技术协作网,依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。,126,换热器的外形,河南省压力容器技术协作网, 常见换热器,127,换热器的管束,河南省压力容器技术协作网,常见换热器,128,图21为简单的套管换热器,把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。,河南省压力容器技术协作网, 常见换热器,129,图22为单程列管式换热器。,河南省压力容器技术协作网, 常见换热器,130,图23为双管程列管式换热器。,河南省压力容器技术协作网, 常见换热器,1.6间壁式热交换的计算,1.6.1传热总方程,如图：传热过程是热流体给热间壁导热冷流体给热的串联过程。,换热器内进行的大都是定态传热过程：,或,2-10,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性,令,，则传热总方程为：,式中K传热系数称总传热系数，,河南省压力容器技术协作网,1.6间壁式热交换的计算,1.6.1总传热系数K,K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。,表化工中常见传热过程的K值范围,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A，则传热系数为：,若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若A1A2A，即传热系数与传热面积对应时：,河 南 省 压 力 容 器 技 术 协 作 网,1.6.1总传热系数K,若无特殊说明，均为基于管外表面积的K2，其计算式为：,若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存时，传热系数为：,式中,分别表示壁面两侧污垢热阻系数， m2KW-1,河南省压力容器技术协作网,例9某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为1.0m，釜壁铜板厚8mm（=50Wm-1K-1）若釜内壁面结有垢层厚2mm（Rh1=0.002 W-1m2K）夹套中用115的饱和水蒸气进行加热（h19000 Wm-2K-1），釜内有机物温度为80（h2250 Wm-2K-1）。试求该条件下的面积热流量和各热