传热基本方程式及其相关参数的计算方法

第四章传热,主讲：张廷红邮箱：zhangtinghong,列管冷凝器,1、掌握内容传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及其相关参数的计算方法；傅立叶定律及其应用；传热系数计算及测定方法，换热面积的确定方法；强化传热的方法与途径。2、理解内容热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，有相变传热过程的膜系数计算，列管换热器的选型方法。3、了解内容工业换热器的类型、结构、操作原理。,本章学习要求：,传热即热的传递，由热力学第二定律知，凡是有温差存在的地方，就必然有热的传递。利用热的传递，便能方便地在工艺操作中控制其温度。故传热是轻工生产中的重要单元操作。,对传热的要求不外是以下两种情况：一种是强化传热过程，即要求传热良好，以达到小设备完成大传热量的目的；二是减弱传热过程，以达到节约热能、稳定操作条件等目的。,4.1概述,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。,4.1概述,4.1.1传热过程的分类4.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式（1）直接接触式传热（混合式传热）,（2）间壁式（间接接触式）传热,套管换热器中的换热,4.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式,热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。,（3）蓄热式传热,4.1.1.2根据传热的基本原理,（1）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的与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。（2）对流传热流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。,流体被冷却时,流体被加热时,（3）热辐射因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。,4.1.1.2传热基本概念,（1）传热速率单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）；（2）热通量单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）；（3）非定态、定态传热过程t=f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热；t=f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。,4.2热传导（导热Conduction）,4.2.1傅立叶定律（Flourierslaw）（1）温度场（Temperaturefield）物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场。t=f（x，y，z，）（5-2）温度相同的点所组成的面称为等温面。温度不同的等温面不可能相交，为什么？,（2）温度梯度两等温面的温度差t与其间的垂直距离n之比在n趋于零时的极限，即,4.2.1傅立叶定律（Flourierslaw）,（3）傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，,传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即,（4-3）,4.2.2热导率,物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，越大，导热性能越好。（1）固体的热导率纯金属：t,;非金属：或t,。=0（1+t）式中、0固体分别在温度t、273K时的热导率，W/(mK);温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属材料为正值，1/K。,4.2.2热导率,（2）液体的热导率t,；一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。（3）气体的热导率气体的很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体=f(t)，t,。,4.2.2热导率,固体、液体、气体的热导率的大致范围：金属固体非金属固体液体气体金属固体：101102W/(mK)；建筑材料：10-110W/(mK)；绝缘材料：10-210-1W/(mK)；液体：10-1W/(mK)；气体：10-210-1W/(mK)；,4.2.3平壁的稳定热传导,（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1及t2，且t1t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x方向的一维定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立叶定律可写成,积分上式,4.2.3平壁的稳定热传导,传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：,（4-4）,b或A或，R。上式为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？,4.2.3平壁的稳定热传导,（2）多层平壁稳定热传导,应用合比定律，得,推广到n层平壁,（5-6）,4.2.3平壁的稳定热传导,从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。,此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。,（4-6）,4.2.3平壁的稳定热传导,将上式写成热通量的形式为,（4-6）,4.2.3圆筒壁的稳定热传导,（1）单层圆筒壁稳定热传导有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成,积分,4.2.3圆筒壁的稳定热传导,4.2.3圆筒壁的稳定热传导,式中b=r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2lrm，而,称为对数平均半径。当r2/r12，K2，K几乎完全取决于2。因此要提高K值关键在于提高较小的一个值。,4.3.5总传热系数,注：传热间壁为圆筒壁时，dA1dA2dAm，存在基准问题，由于换热器系列中均为外表面积A1，故没有特别说明情况下，均以外表面积为基准；但不论采用哪种基准计算得到的传热量Q相同；下标1代表管外，2代表管内（ms1cp1代表热流体，ms2cp2代表冷流体），K与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等参数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；在应用总传热速率方程时，若K以外表面积为基准，则A=A1；若K以内表面积为基准，则A=A2；,4.3.6传热面积的计算,4.3.7平均温度差tm的计算,4.3.7.1恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽冷凝和饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处的温度均为T，冷流体在换热器中处处温度均为t，故：,4.3.7平均温度差tm的计算,4.3.7.2变温差传热在实际中常见的是变温差传热，两流体在换热器中不同位置传热温度差t不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样，但最基本的有两种形式：逆流、并流,图5-13两侧流体均无相变时的温度变化,图5-13一侧流体相变时的温度变化,4.3.7平均温度差tm的计算,4.3.7平均温度差tm的计算,（1）以逆流为例导出计算平均温度差tm的通式取一微元传热面dA经dA的传热速率为dQ=K（T-t）dA=KtdA对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）dQ=-ms1cp1dT=-ms2cp2dt对整个换热器进行热量衡算设Q损=0，cp1、cp2分别取平均温度下的平均值，可以认为是常数，冷、热流体均无相变化，Q=ms1cp1（T1-T2）=ms2cp2（t2-t1）,4.3.7平均温度差tm的计算,导出计算tm的通式,4.3.7平均温度差tm的计算,令,对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算tm的通式,t1热流体进口侧的传热温差，；t2热流体出口侧的传热温差，。,传热基本方程式,4.3.7平均温度差tm的计算,（2）讨论tm由逆流推导得出，但同样适用于并流逆流：t1=T1-t2，t2=T2-t1,并流：t1=T1-t1，t2=T2t2,若max(t1,t2)/min(t1,t2)tm并，若Q相同，则A逆自然对流（2）流体流动形态流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。湍流层流,4.4.1对流给热系数的影响因素,（3）流体的性质影响对流给热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘度、密度等。如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）相变（无相变、沸腾、冷凝）,4.4.1对流给热系数的影响因素,补充：自然对流环流流速,流动的推动力为密度不同引起的静压差，则,4.4.1对流给热系数的影响因素,自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流(如图a所示)，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流(如图b所示)，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,（1）获得给热系数的方法分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。数值法：数值求解法是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,（2）因次分析在对流给热中的应用根据前面的分析可知，影响对流给热系数的因素有（无相变）：（1）流体物性：、cp（2）流动状态：u（3）传热面特征尺寸：l（4）自然对流：Tg（视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）所以对流给热系数是以上七个变量的函数：,令,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,对SI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度L、质量M、时间T、温度；所以关联式中各变量的因次分别为：,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,把以上因次代入关联式,根据因次一致性原则：,解得：,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征流体流动型态对对流给热的影响；强制对流时影响显著，自然对流时影响微小；,4.4.2因次分析在对流给热中的应用,普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体Pr1，气体Pr104的公式算出Re104值，然后乘以校正系数f2,（4）圆形弯管内作强制对流时的流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。,4.4.3强制对流时的对流给热系数,（5）非圆形直管内作强制对流时的用上述关联式，但式中的d要用代替de,采用专用的关联式如对套管环隙，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：,这种方法简便，但计算结果不够准确。,适用条件：Re=12000220000，d2/d1=1.6517，特征尺寸为de，定性温度取tm=(t1+t2)/2。也可计算其他流体在环隙中作强制湍流时的。,4.4.3强制对流时的对流给热系数,4.4.3.2流体在管外作强制对流时的（1）流体垂直流过单根管的（2）流体横向流过管束的,C1、C2和n的值见表5-11。上式的适用范围及约束条件：a、Re=50007000和x1/d=1.25，x2/d=1.25；b、特征尺寸取管外径；c、定性温度tm=(t1+t2)/2;d、流速取各排最窄通道处的流速。由于各列的不同，可按下式求出整个管束的平均：,4.4.3强制对流时的对流给热系数,（3）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的a、查图5-30；b、当Re=2000106时,适用条件：、换热器管间装有割去25%（面积）的圆缺形折流挡板；、Re=2000106；、定性温度tm=(t1+t2)/2;、tWm=(tW1+tW2)/2求W；、特征尺寸de（根据管束排列方式而定）;、管外的流速根据流体流过的最大截面积S计算。,4.4.3强制对流时的对流给热系数,（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。（5）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数,4.4.3强制对流时的对流给热系数,4.4.3.3提高对流给热系数的途径（1）从层流转变为湍流时，Re，应力求使流体在换热器中达到湍流流动；（2）圆形直管时，,（4）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，但能耗。,4.4.4流体作自然对流时的对流给热系数,自然对流时的大小和流体的物性、传热面的大小、形状、位置及传热面与流体间的温度差都有关系，情况复杂，仅限于讨论大空间（指边界层不受干扰）的自然对流。给热的特征数普遍关联式为：Nu=f(Gr,Pr)，在一定范围内可用幂函数表示,适用范围及条件：大容积（大空间）的自然对流；定性温度取膜温t膜=(tw+tm)/2;特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；t=tw-t。,或,4.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数,（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻如果加热介质是饱和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施。如果加热介质是过热蒸汽，且twts时，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热，此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数。因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数。,4.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数,（2）膜状冷凝和滴状冷凝膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，蒸汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂沾污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。实验结果表明，滴状冷凝的比膜状冷凝的大几倍甚至几十倍。但是滴状冷凝在工业上没有现实意义，难以实现，在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。,4.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数,（3）蒸汽冷凝时的理论推导,特征尺寸H取管长或板高，冷凝潜热r按饱和温度取，其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。推导上式的条件：冷凝液膜为层流；蒸汽u=0，对液膜无摩擦阻力；冷凝潜热以热传导方式通过液膜；冷凝液物性为常数。,平均,b、单根水平管外,a、垂直管外或垂直板侧,4.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数,实验结果a、垂直管外或垂直板侧,使用范围及条件：特征尺寸H取管长或板高；冷凝液膜为层流，Re1800,4.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数,b、单根水平管外实验结果和理论推导公式所得结果基本相符,在其它条件相同时,一般Ldo，垂直直排,4.4.6液体沸腾时的对流给热系数,对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：大容积沸腾：传热面浸沉浸在无强制对流液体中发生的沸腾现象。管内沸腾：流体在一定压差下流过加热管发生沸腾现象，沸腾过程受液体流速的影响，且沸腾产生的气泡无法脱离流体而随流体一起流动，形成复杂的气液两相流。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾复杂得多。根据沸腾温度分为：过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。,4.4.6液体沸腾时的对流给热系数,（1）沸腾现象,汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为汽化核心。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的比无相变时的大得多。沸腾无相变,4.4.6液体沸腾时的对流给热系数,如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明t对的影响：,t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。tt5C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。,4.4.6液体沸腾时的对流给热系数,t25C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使降低，此阶段称为不稳定膜状沸腾。t250C时，气膜稳定，由于加热面温度高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于常压水在大容器内沸腾时临界点为tc=25C。,4.4.6液体沸腾时的对流给热系数,（2）影响沸腾传热的因素液体和蒸汽的性质，主要包括表面张力、cp、r、L、V等；操作压力和温度差；加热表面的粗糙情况和表面物理性质。,4.5传热过程的强化,几种传热过程对流给热系数的比较：相变无相变，强制自然，湍流层流，水平垂直，错排直排，滴状膜状，核状膜状,4.5.1增大传热面积传热面增大，传热量增大，设备体积增大，投资费用增大，这种方法是一种简单的强化传热方法，即换一台同样型式但传热面面积大的换热器。另一种方法是增大单位体积换热器的传热面积，如在管外增加螺旋翅片，以增加传热面积。,4.5.2增大传热推动力,逆流的推动力大于并流，可以将并流换热器改为逆流换热器。,生产实际中传热温差往往受到客观条件（如蒸汽压力、气温、水温等）与工艺条件（如热敏性物料、冰点等）的制约，不能随意变动。因此利用提高对数平均温度差（总传热推动力）来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定（经验设计、优化设计），且：,4.5.3减小传热阻力，增大传热系数,（1）减小污垢热阻的方法有：停车除垢；在流体中加热阻垢剂。,4.5.3减小传热阻力，增大传热系数,（2）增大对流给热系数的方法主要有：增大流体的流速流速增大，流体的湍动程度提高，层流底层厚度减小，对流传热阻力减小，对流给热系数增大，如圆形直管管内湍流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。,增强流体的湍动、扰动程度流体在管内的流速不变，但增加管内壁粗糙度或在管内增加麻花铁、金属卷片等添加物，增强管内流体的扰动，减小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；在管外壁装翅片或管外即壳程安装挡板增强管外流体的扰动，增大管外流体的对流给热系数。,4.5.3减小传热阻力，增大传热系数,在流体中添加固体颗粒一方面，固体颗粒的扰动与搅拌作用，增加流体的对流给热系数，另一方面，固体颗粒不断撞击管壁降低了污垢层的形成和增长。在气体中喷入液滴气体传热能力低，当液滴落于管壁上时，气相传热转变为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。讨论：以上措施孤立起来看是可以强化传热过程的，但实际应用中应具体问题具体分析：（1）若污垢结垢严重，Rs1、Rs2很大时，强化传热首先应进行除垢；,4.5.3减小传热阻力，增大传热系数,（2）若结垢不严重，污垢热阻可以忽略时，如新设备,间壁的导热热阻较小，与流体的对流热阻相比可忽略时,若12，如用蒸汽冷凝加热管内流体，则：,此时增大传热系数的措施应设法提高2，而不应去提高1；反之亦然；若12，要强化传热，必须同时增大1和2，否则只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明显。,4.5.3减小传热阻力，增大传热系数,（3）对相变一侧的流体对流给热系数很大，再提高其对流给热系数对强化传热已没有多大作用；结论：间壁两侧流体传热，由对流、导热五个步骤串联而成，因此传热过程速率受五个步骤中传热速率最慢的所控制，即受热阻最大的步骤所控制；要强化传热过程，必须减小热阻最大的传热过程的传热阻力，增大给热系数。,4.5.4沸腾给热过程的强化,（1）沸腾给热中，汽泡产生与运动情况影响极大；粗糙的加热面能提供更多的汽化核心，当粗糙度达到一定程度后，对沸腾传热强化不再有影响，铜表面用机械方法或腐蚀的方法使之粗糙，给热系数提高80%；（2）液体的表面张力小，容易脱离传热面，在沸腾液体中加热少量添加剂（如丙酮、乙醇、甲基乙基酮等）改变液体表面张力，可提高给热系数20100%;（3）过热度越大，核状沸腾速率越大；（4）沸腾压力增大，核状沸腾速率增大；（5）尽量保持核状沸腾，避免膜状沸腾。,4.5.5冷凝给热过程的强化,饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键；所以，冷凝传热的强化要设法破坏冷凝液膜。（1）蒸汽的选择,在所有的物质中水蒸汽的冷凝给热系数最大，一般为104左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103以下。（2）不凝性气体的排放实验证明：当蒸汽中含空气量达1%时，对流给热系数下降60%左右；所以涉及蒸汽冷凝传热的设备应设有排放口，定期排放不凝性气体。,4.5.5冷凝给热过程的强化,（3）冷凝液的排放蒸汽冷凝形成的冷凝液在传热面上形成液膜，应及时排除，减小液膜厚度，降低传热阻力（疏水器）。（4）过热蒸汽的影响温度高于操作压强下的饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触，壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程，传热效果差；过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触，发生冷凝现象，但对过热蒸汽先冷却到饱和温度后冷凝，蒸汽放出的热量包括显热和潜热，工业上通常将过热蒸汽按饱和蒸汽计算，因为显热与潜热相比很小可忽略。,4.5.5冷凝给热过程的强化,（5）蒸汽流速与流向的影响蒸汽流速较小u10m/s时，要考虑蒸汽流速的影响；当蒸汽与冷凝液流动方向一致时，蒸汽加速了冷凝液的流动，使冷凝液膜厚度减小，增大；当蒸汽与冷凝液流动方向相反时，有两种情况：u较小，阻碍冷凝液流动，使液膜厚度增大，减小；u较大，蒸汽会冲散冷凝液使传热面上液膜厚度减小，增大；故冷凝液排放口一般装于换热器底部，而蒸汽进口在换热器顶部，出口在换热器底部；保证蒸汽充满换热器壳程空间，并且避免蒸汽与冷凝液的逆向流动，保持较好的传热效果。,4.5.5冷凝给热过程的强化,（6）蒸汽冷凝壁面的结构由于蒸汽冷凝在传热面上产生冷凝液，如何改善传热面结构，以利于降低冷凝液液膜厚度，也能强化蒸汽冷凝给热；如：在垂直管外表面开若干纵向凹槽，安装若干金属丝等，冷凝液由于表面张力作用进入凹槽或金属丝圈内，从而降低了传热面上液膜的厚度，达到强化传热目的（管外冷凝）。管内安装内插物，螺旋线圈、麻花铁等分散冷凝液（管内冷凝）。,（7）冷凝方式滴状冷凝的传热效果优于膜状冷凝，但工业上滴状冷凝难以实现，它是强化蒸汽冷凝给热的重要研究课题之一。,4.5.6新型传热设备及强化传热技术研究发展方向,（1）热管换热器。（2）管内填充物更加规范、理论化。（3）翅片由管外进入管内，研究表明其传热效果由于在管内加填充物。（4）超声波强化传热超声波不仅具有减缓污垢形成速度，又能破坏已形成污垢的双重作用，一般能提高传热系数6080%，可避免停车除垢，延长设备使用寿命，减轻劳动强度，无化学污染，是一项新型高效的强化传热技术。（5）磁控电导流体强化传热磁场振荡（压力波发生器，正弦振荡）,4.5.6新型传热设备及强化传热技术研究发展方向,（6）电水动力学EHD强化传热电场对传热的强化效果早在1916年就以发现，但未着手研究。该方法可适用于弱导电和强导电流体，应用范围广；功耗低、电压小、电流小；但强化传热效果显著，对无相变流体传热系数可增大100倍，对冷凝传热可提高6倍，沸腾传热提高50倍；对其机理研究逐步成为重要的研究领域（目前国内研究较少）；（7）纳米流体强化传热纳米级金属、非金属氧化物具有高分散性，可形成稳定的悬浮液是良好的换热介质。流体中添加固体颗粒易堵塞、破损，工业应用受到一定限制，纳米粒子克服了该缺点；其强化传热原理在于：增加传热面、热容量；增大液体导热系数；粒子间、粒子与流体间、粒子与壁面间的碰撞强化传热，水中加5%纳米粒子，其导热系数增加150%。.,4.6传热过程的计算,不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方程式及、K计算式求解的过程，即,在使用以上几个方程时，应注意适用条件及不同情况下简化式，并且要弄清楚Q、K等参数与哪些因素（d、n、ms）有关。,4.6.1传热设计型计算,（1）设计任务：已知一定流量的热流体（冷流体）从T1冷却至T2（从t1加热至t2）；冷却介质的进口温度t1（加热介质的进口温度T1）；（2）计算目的：求传热面积（从而确定其他尺寸）或已有传热设备是否可用；（3）计算步骤：根据换热任务确定换热器负荷Q=ms1cp1(T1-T2)或Q=ms2cp2(t2-t1)根据经验方法温度推动力510或由优化方法（经济上总费用最小）确定冷却介质出口温度t2（加热介质出口温度T2）；计算传热推动力tm；计算冷、热流体对流给热系数及总传热系数；由传热速率方程式计算传热面积。,4.6.1传热设计型计算,（4）设计型计算中参数的选择为确定所需传热面积，必须知道平均推动力tm和传热系数K。,为求K，必须计算1、2，因此必须决定：冷、热流体各走管内还是管外；选择适当的流速。同时还必须选择适当的污垢热阻。,为计算tm，设计者必须：选择流体的流向，即决定采用逆流、并流还是其他复杂流动方式；选择冷却介质的出口温度t2或加热介质的出口温度T2。,4.6.1传热设计型计算,例4-6有一套管换热器，由573.5mm与894.5mm的钢管组成。甲醇在内管流动，流量为5000kg/h，由60冷却到30，甲醇侧的对流传热系数2=1512W/(m2)。冷却水在环隙中流动，其入口温度为20，出口温度拟定为35。忽略热损失、管壁及污垢热阻，且已知甲醇的平均比热为2.6kJ/(kg)，在定性温度下水的粘度为0.84cP、导热系数为0.61W/(m2)、比热为4.174kJ/(kg)。试求：（1）冷却水的用量；（2）所需套管长度；（3）若将套管换热器的内管改为483mm的钢管，其它条件不变，求此时所需的套管长度。,4.6.1传热设计型计算,例4-7将流量为2200kg/h的空气在列管式预热器内从20加热到80。空气在管内作湍流流动，116的饱和蒸汽在管外冷凝。现因工况变动需将空气的流量增加20%，而空气的进、出口温度不变。问采用什么方法（可以重新设计一台换热器，也可仍在原预热器中操作）能够完成新的生产任务？请作出定量计算（设管壁及污垢的热阻可略去不计）。,4.6.1传热设计型计算,例4-8在套管换热器中用水冷却煤油。水的流率为600kg/h，入口温度为15。煤油的流率为400kg/h，入口温度为90。两流体并流流动。操作条件下的煤油比热为2.19kJ/（kg）。已知换热器基于外表面积的总传热系数为860W/（m2）。内管为直径383mm、长6m的钢管。试求：（1）油的出口温度T2；（2）其余条件均不变而使两流体作逆流流动，此时换热管长度应为若干米。,4.6.2传热操作型计算,操作型计算问题主要可分为两大类。第一类操作型问题：计算条件：换热器的主要结构尺寸A、n、d等，工艺流体（可以是冷流体也可以是热流体）和换热介质（可以是加热介质或冷却介质）的流量