第4章 传热过程

1、 4.1 4.1 化工生产中的传热过程及常见换热器化工生产中的传热过程及常见换热器 4.2 4.2 传导传热传导传热 4.3 4.3 对流传热对流传热 4.4 4.4 间壁式热交换的计算间壁式热交换的计算 4.5 4.5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化 4.1 4.1 化工生产中的传热过程及常见换热器化工生产中的传热过程及常见换热器 4.1.1 4.1.1 化工生产中的传热过程化工生产中的传热过程 化学反应过程中化学反应过程中热量的供给与移出；热量的供给与移出；单元操作中单元操作中的的 蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定

2、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，就需要它们与外界的传热，就需要保温保温；传热过程不但为化工；传热过程不但为化工 生产过程提供了必要的温度条件，而且也是化学工业提生产过程提供了必要的温度条件，而且也是化学工业提 高经济效益、保护环境的重要措施。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 的过程称之为的过程称之为热量传递过程热量传递过程，简称传热过程。，简称传热过程。 传热过程的应用传热过程的应用 加热原料：如原油加热到加热

3、原料：如原油加热到270270左右进入常压炉；左右进入常压炉； 冷却产品：如汽、煤、柴油等产品的冷却；冷却产品：如汽、煤、柴油等产品的冷却； 余热回收：如烟道气的余热回收，废热锅炉的应用等；余热回收：如烟道气的余热回收，废热锅炉的应用等； 设备保温：设备保温：抑制传热抑制传热 强化传热强化传热 工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三 种方式。种方式。 直接接触式直接接触式 在某些传热过程中，热气体的直接水在某些传热过程中，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，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

4、。设备亦简单。 间壁式间壁式 在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流 体直接混合。往往是冷、热流体用间壁隔开来，通过间体直接混合。往往是冷、热流体用间壁隔开来，通过间 壁进行换热，其型式很多。壁进行换热，其型式很多。 蓄热式蓄热式 使热流体流过换热器，将器内固体填充物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。体之间的传热目的。 三种传热方式应用举例三种传

5、热方式应用举例 化工生产对传热的要求有化工生产对传热的要求有两类两类，一是要求热量的，一是要求热量的传传 递速率要高递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能，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量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率减小传热速率。 传热过程也分为传热过程也分为定态传热和非定态传热定态传热和非定态传热两种，换热两种，换热 器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传定态传 热热，反之，称

6、为，反之，称为不定态传热不定态传热。工业生产中的连续换热操。工业生产中的连续换热操 作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时 多属于后者。多属于后者。 定态传热时，传热速率不随时间而变化。定态传热时，传热速率不随时间而变化。 4.1.2 4.1.2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式 传导：传导：热传导、导热热传导、导热 由于分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低由于分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低 温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递 过程称为导热，

7、也称为热传导。过程称为导热，也称为热传导。 机理：分子热运动机理：分子热运动 固体：相邻分子的碰撞固体：相邻分子的碰撞 液体：液体： 气体：分子不规则的热运动气体：分子不规则的热运动 热传导演示实验热传导演示实验 特点：特点： 发生在物体内部或相互接触的物体之间；发生在物体内部或相互接触的物体之间； 物体中粒子不发生宏观的相对位移。物体中粒子不发生宏观的相对位移。 对流：对流：对流传热、热对流对流传热、热对流 机理：机理： 流体质点发生相对的位移和混合，将热流体质点发生相对的位移和混合，将热 量由一处传递到另一处量由一处传递到另一处 特点：特点： 分类：分类： 自然对流：流体内部各处冷、热流体

8、的自然对流：流体内部各处冷、热流体的 密度差异所致密度差异所致 强制对流：借助外加机械能强制对流：借助外加机械能 仅发生在流体中，有相对的宏观位移仅发生在流体中，有相对的宏观位移 辐射：热辐射辐射：热辐射 机理：机理： 高温物体因热的原因而产生的电磁波在高温物体因热的原因而产生的电磁波在 空间传递而被低温物体所吸收并转化为空间传递而被低温物体所吸收并转化为 热能的过程。热能的过程。 特点：特点： 任何物体，只要任何物体，只要T T 0K0K，均存在辐射传热；，均存在辐射传热； 不需要任何中介；不需要任何中介； 传热过程中伴随能量形式的转换。传热过程中伴随能量形式的转换。 三种传热方式的比较：三

9、种传热方式的比较： 传导传导 对流对流 辐射辐射 注：三种传热方式往往共存注：三种传热方式往往共存 4.1.34.1.3间壁式换热器间壁式换热器 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：程包括三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热流体将热量传到壁面一侧； 热量通过固体壁面的热传导；热量通过固体壁面的热传导；壁面的另一侧将热量壁面的另一侧将热量 传给冷流体。传给冷流体。 管式换热器管式换热器的传热面是由管子做成的，包括的传热面是由管子做成的，包括套管式、套管式、 列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；等；

10、 板式换热器板式换热器的传热面是由板材做成的，包括的传热面是由板材做成的，包括夹套式、夹套式、 螺纹板式、螺旋板式螺纹板式、螺旋板式等。等。 换热器的外形换热器的外形 换热器的外形和管束如下图所示换热器的外形和管束如下图所示. 换热器的管束换热器的管束 图图41 套管式换热器套管式换热器 把流体流经管束称为把流体流经管束称为管程管程，该流体称为，该流体称为管程流体管程流体； 把流体流经管间环隙称为把流体流经管间环隙称为壳程壳程，该流体称为，该流体称为壳程流体壳程流体。 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。程数的换热器。 管

11、程，管程流体 壳程，壳程流体 列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的，列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的， 故平均管壁总面积即为它的故平均管壁总面积即为它的传热面积传热面积。 换热器传热的快慢用热流量换热器传热的快慢用热流量来表示。来表示。 热流量热流量是指单位时间通过传热面的流量，其单位是指单位时间通过传热面的流量，其单位 为为W或或kW. 换热器性能的优劣一般用换热器性能的优劣一般用面积热流量面积热流量q来评价。来评价。 面积热流量亦称面积热流量亦称热流密度热流密度，指单位传热面积的热，指单位传热面积的热 流量，单位为流量，单位为W.m-2. 4.2 传导传热传导传热 1.热传

12、导基本方程热传导基本方程傅里叶定律傅里叶定律 当均匀物体当均匀物体 两侧有温度差两侧有温度差(t1-t2)时，热量时，热量 以传导的方式以传导的方式, 由高温向低由高温向低 温传递。单位时间物体的导温传递。单位时间物体的导 热量热量dQ/d与导热面积与导热面积A和温和温 度梯度度梯度dt/d呈正比。写为等呈正比。写为等 式：式： dQdt A dd 如图如图44所示，所示， (4-1) 定态传热时定态传热时： Qdt A d = = dtdtdd温度梯度，温度梯度，KmKm-1 -1，表示传热方向上因距 ，表示传热方向上因距 离而引起温度变化的程度离而引起温度变化的程度； A A 导热面积，导

13、热面积，m m2 2； 比例系数，热导率，也称为导热系数，比例系数，热导率，也称为导热系数，WmWm-1 -1K K- - 1 1。 。 热导率热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之 一。一。热导率越大，物质的导热能力越强热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大。热导率的大 小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强） 等因素有关。等因素有关。 (4-2)(4-2) 通常：金属非金属固体及液体气体导热系数通常：金属非金属固体及液体气体导热系数 定态传热时定态传热时： Qdt A d = = dtd

14、tdd温度梯度，温度梯度，KmKm-1 -1，表示传热方向上因距 ，表示传热方向上因距 离而引起温度变化的程度离而引起温度变化的程度； A A 导热面积，导热面积，m m2 2； 比例系数，热导率，也称为导热系数，比例系数，热导率，也称为导热系数，WmWm-1 -1K K- - 1 1。 。 热导率热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之 一。一。热导率越大，物质的导热能力越强热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大。热导率的大 小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强） 等因素有关。等因素有关。

15、 (4-2)(4-2) 固体的导热系数：固体的导热系数： 纯金属纯金属：T，纯度，纯度 合金纯金属：普通碳钢：合金纯金属：普通碳钢： = 45 W/(mK) 不不 锈锈 钢：钢： = 16 W/(mK) 非金属非金属： T ， 液体的导热系数：液体的导热系数： 1010-1 -1 W/(mK) W/(mK)； 金属液体非金属液体，后者中以水的金属液体非金属液体，后者中以水的为最大；为最大； 纯液体溶液；纯液体溶液； T T （水和甘油除外：（水和甘油除外：T T ）；）； 气体的导热系数：气体的导热系数： 1010-2 -2 W/(mK) W/(mK)； 常压下：常压下：T T ； 一般情况下

16、，气体导热系数与压强无关；一般情况下，气体导热系数与压强无关； 气体不利于导热，利于保温，气体不利于导热，利于保温， 当当0.2 W/(mK)0.2 W/(mK)时，可用作隔热材料，如保时，可用作隔热材料，如保 温棉、玻璃棉等；温棉、玻璃棉等； 2间壁式换热器壁面的热传导间壁式换热器壁面的热传导 平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热 方向导热面积方向导热面积A不发生变化。不发生变化。 如图如图4-5所示的单层所示的单层 平面壁，平面壁，在定态传热条在定态传热条 件下，其热导率不随时件下，其热导率不随时 间发生变化间发生变化，传热面的传

17、热面的 温度沿垂直于壁面的热温度沿垂直于壁面的热 量传递方向变化、但不量传递方向变化、但不 随时间变化随时间变化。 （1）平面壁的定态热传导）平面壁的定态热传导 依据：过程速率依据：过程速率=过程推动力过程推动力/过程阻力，单层平面壁过程阻力，单层平面壁 的热流量也可写为：的热流量也可写为： 12 () / tt A /() t A =t/R = = 式中式中/A称为热阻，记作称为热阻，记作R, 单位：单位：KW-1 圆筒壁面热传导的特点是圆筒壁面热传导的特点是传热面积传热面积A沿热量传递沿热量传递 方向而变化方向而变化，即传热面积，即传热面积A随圆筒的半径而变化。随圆筒的半径而变化。 （2）

18、圆筒壁的定态热传导）圆筒壁的定态热传导 按傅里叶定律分离变量，并积分：按傅里叶定律分离变量，并积分： )( 21 tt AQ (4-3) (4-4) 如图所示，热量由管内壁面向管如图所示，热量由管内壁面向管 外壁面定态传导，考察厚度为外壁面定态传导，考察厚度为dr 的薄层，由傅里叶定律得：的薄层，由傅里叶定律得： 分离变量并积分：分离变量并积分： 2 2 11 2 rt rt drl dt r 整理得：整理得： 12 2 1 2() 1/ln l tt r r dr dt rl d dt A 2 (4-5) 又可改写为：又可改写为： 12 2() / m l tt r 12 /() m m t

19、tt A A 式中式中 12 r r 为圆筒壁厚，为圆筒壁厚， 21 2 1 ln m rr r r r 为半径的对数平均值；为半径的对数平均值； 21 2 1 ln m AA A A A 为面积的对数平均值。为面积的对数平均值。 当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即r2/r12可可 以用算术平均值代替对数平均值计算圆筒壁的以用算术平均值代替对数平均值计算圆筒壁的rm和和 Am。 (4-6) 比较式比较式(4-4)、(4-5)、(4-6)可知，圆筒壁面的热阻为：可知，圆筒壁面的热阻为： m Al rr R 2 )/ln( 12 如图所示为三层不同材如图所

20、示为三层不同材 料组成的复合平面壁。定料组成的复合平面壁。定 态导热时各分层的传热速态导热时各分层的传热速 率分别为：率分别为： （3）多层壁面的定态热传导）多层壁面的定态热传导 第一层第一层 211 1 11 tt A 1111 11 1 Rt A (a) 第二层第二层 第三层第三层 322 2 22 tt A 433 3 33 tt A 3333 33 3 Rt A 2222 22 2 Rt A (b) (c) 因因A1=A2=A3=A, 定态热传导时定态热传导时, 上三式加上三式加 和后得和后得 321 总阻力 总推动力 iiA i t 1 (4-7) 可以看出，可以看出，过程的总推动力

21、为各层推动力之和，过程的总推动力为各层推动力之和， 总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导， 传热推动力和传热阻力具有加和性传热推动力和传热阻力具有加和性。 由过程分析还可得到：由过程分析还可得到： 上式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降上式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降 与该层的热阻呈正比。与该层的热阻呈正比。 ii i AAAA tttt : 33 3 22 2 11 1 321 i i RRRRtttt : 321321 由式由式(4-5)和和(4-6), 按同样方法可推得多层圆筒壁的热按同样方法可推得多层圆筒壁的热 流

22、量式为：流量式为： 对多层壁面的定态热传导，无论多层平壁还是多层对多层壁面的定态热传导，无论多层平壁还是多层 圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。但对但对 多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的 面积热流量不相同，面积热流量不相同，这是由于后者传热面积沿传热方向发这是由于后者传热面积沿传热方向发 生变化之故。生变化之故。 i i t R t mi A i i i i t R t i r i r l i 1 2 1 ln 或或 (4-8) 各层交界面上的温度求取：各层交界面上的温

23、度求取： 1 11 12 A tt 2 22 23 A tt 1 11 33 3 22 2 11 1 12 A AAA t tt 2 22 33 3 22 2 11 1 23 A AAA t tt 或或 或或 式中，对多层平壁因各层的传热面积相等，式中，对多层平壁因各层的传热面积相等，A1, A2, A3可可 消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度 各层面积：各层面积： )( 1iii rr imim lrA , 2 例例41 硫酸生产中硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而 得到的，若沸腾炉的炉壁是由得到的，若沸腾炉的炉壁是由23c

24、m厚的耐火砖（实际各厚的耐火砖（实际各 区段的砖规格略有差异）、区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻厚的保温砖（粘土轻 砖）、砖）、5cm厚的石棉板及厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定厚的钢壳组成。操作稳定 后，测得炉内壁面温度后，测得炉内壁面温度t1为为900，外壁面温度，外壁面温度t5为为80。 试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各 层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖 11 1 05. 1 KmW ，保温砖，保温砖 11 2 2 . 0 KmW 石棉板石棉板

25、11 3 09. 0 KmW ,钢壳钢壳 11 4 40 KmW t1t5t3t2t4 23cm23cm 5cm10cm 21 3 4 900C 80C 解解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：由题意根据多层平壁热流量公式，得： 求耐火砖与保温砖的交界面温度求耐火砖与保温砖的交界面温度t2 21 11 / q tt =806.8 求保温砖与石棉板的交界面温度求保温砖与石棉板的交界面温度t3 32 22 / q tt =317.5 251 5 .425 4 4 3 3 2 2 1 1 mW ttt A q i i 保温砖与石棉板的交界面温度保温砖与石棉板的交界面温度t3 32 22 / q tt

26、 =317.5 石棉板与钢壳的交界面温度石棉板与钢壳的交界面温度t4 43 33 / q tt =81.1 计算结果表明，计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，各分层热阻越大则温度降越大， 沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。 例例4-24-2 A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应 釜的釜壁为釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板厚的不锈钢板( ) 粘附内壁的污垢层厚粘附内壁的污垢层厚l mm ( ( 釜夹套中通入釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸汽饱和水蒸汽 (t1105)进行加热，进行加热， 釜垢层内壁面温度釜垢

27、层内壁面温度t t3 3为为9090，试计算釜壁的面积热流量，试计算釜壁的面积热流量， 并与无污垢层并与无污垢层( (设内壁面温度不变设内壁面温度不变) )作比较。作比较。 11 1 16 KmW 11 2 6 . 0 KmW 解解： 13 i i tt q =7579Wm-2 无污垢层时：无污垢层时： 13 11 / tt q =48000 Wm-2 计算结果表明，计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，污垢层虽薄，但因其热导率很小， 对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。 例例4-34-3 某工厂用规格为某工厂用规格为57mm3.5mm的无缝钢管

28、的无缝钢管 (= 45W.m-1K-1)输送水蒸汽，水蒸汽管外包有绝热层。输送水蒸汽，水蒸汽管外包有绝热层。 第一层是第一层是50 mm厚的玻璃棉毡厚的玻璃棉毡(= 0.046W.m-1K-1)，第二，第二 层是层是20mm厚的石棉板厚的石棉板(= 0.046W.m-1K-1)，已知管内壁，已知管内壁 面温度为面温度为120，石棉板外表面温度为，石棉板外表面温度为30 ，试求每平方试求每平方 米水蒸汽管长的热损失率。若两种绝热材料的用量及密米水蒸汽管长的热损失率。若两种绝热材料的用量及密 度不变，将石棉板作内层，玻璃棉作外层，该水蒸汽管度不变，将石棉板作内层，玻璃棉作外层，该水蒸汽管 的热损失

29、如何？试对两种情况作比较。的热损失如何？试对两种情况作比较。 解解：由题意知，该题是多层圆筒壁面热传导的计算，已：由题意知，该题是多层圆筒壁面热传导的计算，已 知：知：r1=0.025m, r2=0.0285m, r3=0.0785m, r4=0.0985m, 1=45 W.m-1.K-1, 2=0.046 W.m-1.K-1, 3=0.046 W.m- 1.K-1, t1=120 i t R t i r i r l i 1 2 1 ln dQdt A dd 热传导基本方程热传导基本方程傅里叶定律傅里叶定律 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导 )( 21 tt AQ 圆筒壁的定态热传导圆筒壁

30、的定态热传导 12 2() / m l tt r 12 /() m m ttt A A =t/Rm 多层壁面的定态热传导多层壁面的定态热传导 总阻力 总推动力 iiA i t 1 i i RRRRtttt : 321321 i i t R t mi A i i i 多层圆筒壁面的定态热传导多层圆筒壁面的定态热传导 4.3 4.3 对流传热对流传热 对流是三种基本传热方式之一，对流是三种基本传热方式之一， 指由于流体的宏观运动而引起的指由于流体的宏观运动而引起的 热量传递，因此，对流传热只发热量传递，因此，对流传热只发 生在流体中。生在流体中。 工业过程的流动多为湍流状态工业过程的流动多为湍流状

31、态，湍流流动时，流体主，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，截面上，流体主体区的温度差很小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 处总存在处总存在滞流底层滞流底层，层内流体平行移动，垂直于流动方向，层内流体平行移动，垂直于流动方向 的热量以的热量以热传导方式热传导方式进行。进行。 由于流体的热导率很小，故由于流体的热导率很小，故主要热阻及温度差都集中主要热阻及温度差都集中 在滞流底层在滞流底层。 右图为右图为热流体与壁面热

32、流体与壁面对流对流 传热及传热及壁面与冷流体壁面与冷流体的对流传的对流传 热，工程上将湍流主体和过渡热，工程上将湍流主体和过渡 区的热阻区的热阻，折合为相，折合为相 当厚度为当厚度为t的滞流底层热阻，的滞流底层热阻， 流体与壁面之间的温度变化可流体与壁面之间的温度变化可 认为全部发生在厚度为认为全部发生在厚度为t的一的一 个膜层内个膜层内，通常将这一存在温，通常将这一存在温 度梯度的区域称为度梯度的区域称为传热边界层传热边界层。 传热边界层以外，温度是一致传热边界层以外，温度是一致 的、没有热阻的、没有热阻. /() t t A 式中式中流体的热导率，流体的热导率， 11 KmW t传热边界层

33、厚度，传热边界层厚度，m； t对流传热温度差，对流传热温度差， , w TTTK或或 实际上对流传热过程中传热边界层厚度难以确定，以实际上对流传热过程中传热边界层厚度难以确定，以 1/h代替代替t / ： 该式称为该式称为牛顿牛顿（Newton）冷却定律或给热方程冷却定律或给热方程，h为为 表面传热系数表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单 位为位为 12 KmW 将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的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，热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程用热传导基本方程来描述对流传热过程 t

34、tt w , thA hA t )/(1 (4-11) (4-12) 2.对流传热系数的影响因素及其求取对流传热系数的影响因素及其求取 影响影响 h 的因素很多，主要有以下几个方面：的因素很多，主要有以下几个方面： ( , ,) p hfct u d L 影响影响h的主要因素可用下式表示：的主要因素可用下式表示： 流体的种类和性质流体的种类和性质 液体、气体、蒸气，其密度、比热液体、气体、蒸气，其密度、比热 容、粘度等不同，其表面传热系数也不同。容、粘度等不同，其表面传热系数也不同。 流体的流动形态流体的流动形态 滞流、过渡流或湍流时滞流、过渡流或湍流时h各不相同。各不相同。 流速流速u增加，

35、增加，t减小即热阻降低，则减小即热阻降低，则h增大增大。 传热壁面的形状、排列方式和尺寸传热壁面的形状、排列方式和尺寸 流体的对流状态流体的对流状态 强制对流较自然对流时强制对流较自然对流时h为大。为大。 (4-13) 工程上采用工程上采用量纲分析量纲分析的方法，将影响的方法，将影响h诸多因素归诸多因素归 纳为较少的几个量纲为一的特征数群，确定这些纳为较少的几个量纲为一的特征数群，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。性的关联公式。 （1）流体无相变过程表面传热系数的求取）流体无相变过程表面传热系数的求取 描述对流传热过程

36、的特征数关系为：描述对流传热过程的特征数关系为： cba GrANuPrRe 各特征数的含义如下表各特征数的含义如下表4-1所示。所示。 (4-14) 式中，式中，l为定性长度，对圆管为直径为定性长度，对圆管为直径d。 为流体体积膨胀系数，单位为为流体体积膨胀系数，单位为1/K。 体积膨胀系数定义体积膨胀系数定义 也称也称“体胀系数体胀系数”。无论物质是哪种（固体、液体或气体）形态的变化，。无论物质是哪种（固体、液体或气体）形态的变化， 都称之为体膨胀。当物体温度改变都称之为体膨胀。当物体温度改变1 1摄氏度时，其体积的变化和它在摄氏度时，其体积的变化和它在00时时 体积之比，叫做体积之比，叫

37、做“体积膨胀系数体积膨胀系数”。符号用。符号用表示。设在表示。设在00时物质的体积时物质的体积 为为V0V0，在，在tt时的体积为时的体积为VtVt，则体胀系数的定义式为，则体胀系数的定义式为( (见图见图) ) 即有即有Vt=V0Vt=V0（1+t1+t）。）。 由于固体或液体的膨胀系数很小，为计算方便起见，在温度不甚高时，由于固体或液体的膨胀系数很小，为计算方便起见，在温度不甚高时， 可直接用下式计算，无需再求可直接用下式计算，无需再求00时的体积时的体积V0V0 V2=V11+V2=V11+（t2-t1t2-t1） 。 式中式中V1V1是在是在t1t1时的体积，时的体积，V2V2是在是在

38、t2t2时的体积。这一式只适用于固时的体积。这一式只适用于固 体或液体，因为气体物质的膨胀系数值较大，不能运用此式。体或液体，因为气体物质的膨胀系数值较大，不能运用此式。 体积膨胀系数表体积膨胀系数表 水银水银 1 110-410-4 煤油煤油 9.09.010-410-4 酒精酒精 1.11.110-310-3 汽油汽油 1.241.2410-310-3 氢气氢气 3.663.6610-.8210-.8210-410-4 纯水纯水 2.0832.083 氧气氧气 3.673.6710-310-3 氨气氨气 3.803.8010-310-3 空气空气 3.6763.67610-310-3 二氧

39、化碳二氧化碳 3.7413.74110-310-3 一切气体一切气体 1/2731/273 比热容比热容( c )( c ) 1 1、定义：、定义：单位质量单位质量的某种物质，温度的某种物质，温度升高升高11所所 吸收吸收的热量叫做这种物质的比热容。的热量叫做这种物质的比热容。 2 2、单位：、单位：焦焦/ /（千克（千克摄氏度）摄氏度） J/J/（kg kg ） 说明：说明：比热容是物质本身固有的一种属性，只与物质比热容是物质本身固有的一种属性，只与物质 种类有关。种类有关。 3 3、物理意义：、物理意义： c c水 水=4.2 =4.210103 3J/J/（kgkg）表示：）表示： 1k

40、g的水温度升高的水温度升高1 所吸收的热量为所吸收的热量为4.2103J。 （1）强制对流可用下列准数关系式描述：）强制对流可用下列准数关系式描述： Re)(Pr,fNu （2）自然对流可用下列准数关系式描述：）自然对流可用下列准数关系式描述： )(Pr,GrfNu 当流体被加热时，当流体被加热时，m0.4；当流体被冷却时，；当流体被冷却时，m0.3。 4 Re10 ,0.6Pr160 长径比长径比 Ld50，适用于低粘度流体，适用于低粘度流体, ,且过程中无且过程中无 相变化。相变化。 适用范围：适用范围： 化工生产中液体在间壁式换热器化工生产中液体在间壁式换热器圆形管内圆形管内进行进行对流

41、对流 换热换热时，时，h的关联式为的关联式为 m dh NuPrRe023. 0 8 . 0 m d hPrRe023. 0 8 . 0 (4-15) (4-16) 化工生产中有求取各种情况下化工生产中有求取各种情况下h的特征数关联式，的特征数关联式， 供选择使用。但要注意各特征数关联式的适用范围，供选择使用。但要注意各特征数关联式的适用范围， 还要注意还要注意定性温度定性温度和和定性尺寸定性尺寸的选取。的选取。 定性温度定性温度是确定特征数中流体物性参数的温度。是确定特征数中流体物性参数的温度。 特性尺寸特性尺寸指换热器中对传热过程，起主要影响的指换热器中对传热过程，起主要影响的 几何结构尺

42、寸，它决定了特征数中用几何结构尺寸，它决定了特征数中用d 或用或用L，d和和L 分别代表哪一个尺寸。分别代表哪一个尺寸。 例例4-4 在一单程换热器中用在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从的蒸汽将常压空气从20加加 热到热到80,管束为管束为38mm3mm,蒸汽走壳程蒸汽走壳程,空气走管程空气走管程,其其 流速为流速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数求管壁对空气的表面传热系数. 解解: 空气的空气的定性温度定性温度为为t定 定= (20+80)/2=50 查查50下空气的物性数据下空气的物性数据 Cp=1017Jkg-1K-1 =1.9610-5Pas=1093kgm-3 =2.

43、8310-2Wm-1K-1 d=0.032mu=14ms-1 得24983Re du 70.0Pr p c 计算结果表明计算结果表明:空气在管内流动空气在管内流动Re10000, 160Pr0.6, 必必 然符合下式的条件然符合下式的条件 124 . 08 . 0 1 .58PrRe023. 0 KmW d h （2）流体有相变过程的表面传热系数）流体有相变过程的表面传热系数 化工生产中多见的相变给热是化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾液体受热沸腾和和 饱和水蒸汽的冷凝饱和水蒸汽的冷凝。 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热 1 1 沸腾传热沸腾传热 液体沸腾及其分类液体沸腾及其分类 定义定义 液

44、体通过固体壁面被加热的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为气相，即在液相内部产生气泡 或气膜的过程称为或气膜的过程称为液体沸腾液体沸腾. 加加热热 大容积沸腾大容积沸腾( (池内沸腾池内沸腾) )：热表面浸没于大容器内无强制流：热表面浸没于大容器内无强制流 动的液体中所发生的沸腾动的液体中所发生的沸腾 液体沸腾的分类液体沸腾的分类 按加热面的形状分类：按加热面的形状分类： 特点：特点： 汽泡可自由浮升； 汽泡可自由浮升； 传热由自然对流及气泡的扰动产生。传热由自然对流及气泡的扰动产生。 管内强制对流沸腾管内强制对流沸

45、腾：液体在压差作用下以一定流速从加热：液体在压差作用下以一定流速从加热 管内流过而发生的沸腾。管内流过而发生的沸腾。 特点：特点： 汽泡不能自由浮升；汽泡不能自由浮升； 气液混相流动。气液混相流动。 按照液体主体温度分类：按照液体主体温度分类： 过冷沸腾：过冷沸腾： 饱和沸腾：饱和沸腾： 液体主体温度液体主体温度T操作压力下液体的沸点操作压力下液体的沸点TS， 而壁温而壁温TW 液体沸点液体沸点TS ； 汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结 液体主体温度液体主体温度T饱和温度饱和温度TS，而壁温，而壁温TW液液 体沸点体沸点TS ； 汽泡脱离后聚合成较大的气泡汽

46、泡脱离后聚合成较大的气泡 沸腾现象沸腾现象 沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。 汽泡生成的条件汽泡生成的条件：液体必须过热；：液体必须过热； 加热壁面上存在汽化核心。加热壁面上存在汽化核心。 汽化核心：汽化核心： 粗糙表面上微细的凹缝或裂穴处，由于表面张力较小或粗糙表面上微细的凹缝或裂穴处，由于表面张力较小或 吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成；吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成； 与壁面材质、粗糙程度有关；与壁面材质、粗糙程度有关； 液体润湿壁面能力液体润湿壁面能力附着力附着力汽泡易于脱离；汽泡易于脱离； 压力压力P ”脱离直径脱离直径“生成

47、气泡频率生成气泡频率对流传热对流传热 系数系数。 说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断 冲刷热表面，使其附近激烈扰动，故冲刷热表面，使其附近激烈扰动，故沸腾 沸腾 无相变 无相变。 。 饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线 自然对流沸腾区：自然对流沸腾区： t t 较小，壁面处液较小，壁面处液 体轻微过热，产生的体轻微过热，产生的 少量汽泡尚未升浮达少量汽泡尚未升浮达 到自由液面就放热冷到自由液面就放热冷 凝而消失。液体的运凝而消失。液体的运 动主要决定于自然对动主要决定于自然对 流，属于流，属于过冷沸腾过冷沸腾。 自然对流沸腾自然对流沸腾

48、区区 核状沸腾区：核状沸腾区： t t增大，加热面上汽增大，加热面上汽 泡数量增加，促进液泡数量增加，促进液 体扰动，体扰动，值迅速增值迅速增 加。在加。在C C点点值超过值超过 10104 4 W/(m W/(m2 2) ) 。 核状沸腾区核状沸腾区 点点C ：临界点临界点 对应对应tc、c； 如常压水如常压水tc=25 c=5.35104W/(m2K) 膜态沸腾区：膜态沸腾区： t t 增大过增大过C C 点，汽点，汽 泡数大大增加，且生泡数大大增加，且生 成速率脱离速率，成速率脱离速率， 汽泡连成汽膜，汽泡连成汽膜，值值 下降。因汽膜很不稳下降。因汽膜很不稳 定，属于核状沸腾和定，属于核

49、状沸腾和 膜状沸腾共存的过渡膜状沸腾共存的过渡 区。区。 膜态沸腾区膜态沸腾区 稳定膜态沸腾：稳定膜态沸腾： t t 继续增大，汽泡迅速形继续增大，汽泡迅速形 成并互相结合成汽膜覆盖成并互相结合成汽膜覆盖 在加热壁面上，产生稳定在加热壁面上，产生稳定 的膜状沸腾。对流传热系的膜状沸腾。对流传热系 数数值变化不大。值变化不大。 但由于膜内辐射传热的逐但由于膜内辐射传热的逐 渐增强，渐增强，和和q q又随又随 t t的增的增 加而升高加而升高 稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾 当温差较小时当温差较小时( (tt5 2 并流传热时并流传热时 对数平均值对数平均值 算术平均值算术平均值 ，只能采用对数平均值。

50、，只能采用对数平均值。 误差较大为误差较大为 C tt t o t t m 6 .105 ln 2 1 21 C tt t o m 130 2 21 231. 0 m mm t tt 2/ 21 tt说明说明 逆流传热逆流传热 t1=T1-t2=160 t2=T2-t1=100 t1 /t2 =1.6L. 通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的 传热速率传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的，再依据此传热速率可计算换热器所需的传传 热面积热面积等等。 （1）热负荷）热负荷 热负荷的计算根据工艺特点有两种情况：热负荷的计算根据工艺特点有两种情况

51、： 流体在传热中只有相变的场合流体在传热中只有相变的场合 Lqm L 式中式中 qm流体的质量流量，流体的质量流量，kgs-1； L流体的相变热流体的相变热kJkg-1 流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合 式中：式中：cp 流体的定压比热容，流体的定压比热容，kJkg-1K-1； t1, t2 流体传热前后的温度，流体传热前后的温度，K； )( 12 ttcq pmL (4-25) (4-26) 若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热容若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热容 不随温度变化或可取平均温度下的比定压热容时：不随温度变化或可

52、取平均温度下的比定压热容时： L,12,21 ()() p hm cp c cTTqctt m,h q 式中式中L换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJs-1； , , p hp c cc 分别指热、冷流体的比定压热容，分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1； 1221 , ,T T t t分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、 出口温度，出口温度，K。 （2）热量衡算）热量衡算 (4-27) 换热器中冷、热流体进行热交换，若忽略热损失，热换热器中冷、热流体进行热交换，若忽略热损失，热 流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，称之为流体放出的热量等

53、于冷流体吸收的热量，称之为热量恒算热量恒算 式式。热量恒算式热量恒算式和和传热总方程传热总方程是换热器计算的两个基本公是换热器计算的两个基本公 式。式。 若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸汽的冷若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸汽的冷 凝时：凝时： L,21 () m cp c Lqctt m q(4-28) 例例49 在列管换热器中，水以在列管换热器中，水以0.8ms-1的流速流过的流速流过 内径为内径为25mm，长为，长为5m的管束。若管内壁面平均温度的管束。若管内壁面平均温度 为为50，水的进口温度为，水的进口温度为20，试求水的出口温度。，试求水的出口温度。 设管壁对水的平均表面传

54、热系数为设管壁对水的平均表面传热系数为 1850 Wm-2K-1， 热损失可以忽略。热损失可以忽略。 d qm L tw t2 h = 1850 W m-2K-1 Cp t1 )( 12 ttcq pmL 21 () 2 iiw tt h A t d 解解：设水的出口温度为：设水的出口温度为t2，密度取，密度取=1000kgm-3，比定，比定 压热容取压热容取cp=4.187 kJkg-1K-1 换热器的一根管子传热面积换热器的一根管子传热面积Ai和流通面积和流通面积Si；分别为：；分别为： 2 0.02550.3927 ii Ad Lmmm 根据热量衡算和对流热流量方程有：根据热量衡算和对流

55、热流量方程有： 2121 ()() Lmpip q cttuSctt 21 () 2 iiw tt h A t 2422 2 109 . 4025. 0785. 0 4 mmdS ii 由由 L 即上二式相等，代入已知数据求解可得：水的即上二式相等，代入已知数据求解可得：水的 出口温度出口温度 t230.9。 例例 4-104-10 某精馏塔顶气体的全凝器采用的是列管式换热某精馏塔顶气体的全凝器采用的是列管式换热 器，其管束是由直径较大、厚度为器，其管束是由直径较大、厚度为3mm 的钢管的钢管（ 49Wm-1 K -1）组成的，换热器中是用水（管程）以逆组成的，换热器中是用水（管程）以逆 流方

56、式将塔顶出来的有机物蒸气（壳程）全部冷凝下来。流方式将塔顶出来的有机物蒸气（壳程）全部冷凝下来。 有机物蒸气是以丙酮为主要组分的混合物，温度为有机物蒸气是以丙酮为主要组分的混合物，温度为 75，其被冷凝的表面传热系数可取，其被冷凝的表面传热系数可取 h1 = 1 300 Wm- 2 K -1，有机物蒸气全部冷凝下来的热流量为 ，有机物蒸气全部冷凝下来的热流量为422 .2kw； 冷却水的质量流量为冷却水的质量流量为41.5 x 103kg -1 h-1，其进口温度，其进口温度t进 进= 30 ，水的比定压热容取，水的比定压热容取Cp= 4.18 kJ kg-1 K-1，水侧，水侧 的表面传热系

57、数的表面传热系数h2=1 000 Wm-2K-1。试计算该全凝器。试计算该全凝器 需要多大的传热面积才能满足换热要求？需要多大的传热面积才能满足换热要求？ mpcmhmL tKAttcqLq） 进出 ( , d tw 水 30 有机 蒸汽 75 h1 =422.2kW qm = 41.5kg.h-1 h2 mpcmhmL tKAttcqLq） 进出 ( , 21 11 1 hh K 2 21 tt t m 2 1 ln 21 t t m tt t 当2/ 21 tt 用算术平均值用算术平均值 解：解： 求冷却水的出口温度求冷却水的出口温度t 出 出 根据热量平衡根据热量平衡L = qm,hL

58、= qm,c cp(t出 出 - t进进) 即即 ） 出 30(.1018. 4 3600 .105 .41 102 .422 113 13 3 tKkgJ s hkg W 求得求得 t出 出 39 求平均温度差求平均温度差 t m 若换热器取单程，逆流换热方若换热器取单程，逆流换热方 式，则式，则 t 1 = 75一一30 45 t 2 = 75 一一 39 36 ； 因为因为 t 1 / t 2 = 1.25 2 ，可用算术平均值：，可用算术平均值： C tt t m 5 .40 2 21 求传热系数求传热系数 K 因传热面为直径较大、管壁较薄的钢因传热面为直径较大、管壁较薄的钢 管，可按

59、平面壁计管，可按平面壁计，则，则 求传热面积求传热面积 A 根据式根据式(4 一一18)中中 = K Atm 代入已知数据计算有代入已知数据计算有 A = 19 m2 计算表明：在题设条件下，冷凝器需要有计算表明：在题设条件下，冷凝器需要有 19 m2 的的 换热面积才能使精馏塔顶的蒸气全部冷凝下来。换热面积才能使精馏塔顶的蒸气全部冷凝下来。 12 21 .546 11 1 KmW hh K 4.5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化 1换热器的选择换热器的选择 冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等； 冷、热流体的物性参数；冷

60、、热流体的物性参数； 冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。 换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定 合适的合适的换热器类型和规格换热器类型和规格的过程。的过程。 换热器的选择首先要考虑以下事项。换热器的选择首先要考虑以下事项。 （1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。）了解换热任务，掌握基本数据及特点。 2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选 定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。