传热及传热设备概论(共120页).ppt

1、安全工程专业专业基础课安全工程专业专业基础课安全工程专业课件安全工程专业课件本章重点掌握三种传热方式的根本定律和计算方法。掌握三种传热方式的根本定律和计算方法。重点掌握对流传热及其计算。重点掌握对流传热及其计算。了解换热器的类型、结构。掌握列管式换热器的结构、了解换热器的类型、结构。掌握列管式换热器的结构、设计及选用。设计及选用。了解新型换热器的结构及原理。掌握强化传热的途径。了解新型换热器的结构及原理。掌握强化传热的途径。安全工程专业课件安全工程专业课件本章主要内容n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 热传导热传导n第三节第三节 对流传热对流传热n第四节第四节 传热计算传热计算n第五章第五

2、章 辐射传热辐射传热n第六章第六章 换热器换热器n小结、习题课小结、习题课安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，这些性质的变化都涉及热能的传递。这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反响：向反响器提供热量或从反响器移走热量；蒸发、化学反响：向反响器提供热量或从反响器移走热量；蒸发、蒸馏、枯燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或蒸馏、枯燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用和废低温设备

3、：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用和废热回收。热回收。化工生产的传热问题化工生产的传热问题安全工程专业课件安全工程专业课件热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；热对流：流体质点微团发生宏观相对位移而引起的传热热对流：流体质点微团发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热外现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热外表与接触流体的传热也称为对流传热；表与接触流体的传热也称为对流传热；热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介

4、质作媒介。在高温情况下，辐射传射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。热成为主要传热方式。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件 一热传导一热传导 气体气体 分子做不规那么热运动时相互碰撞的结分子做不规那么热运动时相互碰撞的结果；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：静止介质中的传热，没有物质的宏观位特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移。移。第三章第三章

5、传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件二热对流二热对流自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。三热辐射三热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。能量转移、能量形式的转化。能量转移、能量形式的转化。不需要任何物质作媒介不需要任何物质作媒介 。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一

6、节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件二、典型的换热设备 直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。 间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。体间壁进行热量的交换。套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进热溶液出第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专

7、业课件列管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 445 7二典型的换热设备第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件传热过程的根本问题 载热体用量确实定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。 解决这些问题需要两个根本关系式假设忽略过程热损失吸放QQ传热速率(热流量) Q ：单位时间内所交换的热量(W)传热通量(热流密度) q：单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2)第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第

8、三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述一间壁式换热器一间壁式换热器三、流体通过间壁换热过程三、流体通过间壁换热过程冷流体冷流体t1t2热流体热流体T1T2夹套式换热器夹套式换热器安全工程专业课件安全工程专业课件传热速率传热速率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，单位热面传递的热量，单位 J/s或或W。热流密度热流密度q 热通量热通量 ：单位时间内通过单位传热面积传：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位递的热量，单位 J/(s. m2)或或W/m2。二传热速率与热流密度二传热速率与热流密度AQq 第三章第三章 传热及传

9、热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件三稳态与非稳态传热三稳态与非稳态传热 非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件管壁内侧管壁内侧热流体热流体对流对流)(1)1(Q四两流体通过间壁的传热过程四两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流对流对流 传导传导冷冷流流体体Q热热流流体体管管壁壁外外侧侧管管壁壁内内侧侧热热传传导导)(2)2(Q冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧对流对流)(3)3(Q稳态传热：稳态传热：QQQQ 3

10、21第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件式中式中 tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，或或K； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2)或或W/(m2K)。总总热热阻阻总总传传热热推推动动力力 KAttKAQ/1mm五总传热速率方程五总传热速率方程第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第一节第一节 概述概述安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导一、热传导根本概念一、热传导根本概念温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。温度场：某时刻

11、，物体或空间各点的温度分布。 一温度场和等温面一温度场和等温面非稳态温度场非稳态温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。组成的面。 不同温度的等温面不相交。不同温度的等温面不相交。安全工程专业课件安全工程专业课件二温度梯度二温度梯度 ntnttgradn 0limn n xt+ ttxnt Q 方向：法线方向，以温度增加的方向为正。方向：法线方向，以温度增加的方向为正。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导温度梯度：两等温面的温度差与其温度梯度：两等

12、温面的温度差与其间的法线距离之比称为温度梯度，间的法线距离之比称为温度梯度，即即:安全工程专业课件安全工程专业课件ntAQ dd 式中式中 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； dA 导热面积，导热面积，m2； t/ n 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度梯度方向相反第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比，单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比，即即:二、傅里叶定律二、傅里叶定律Fourier安

13、全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导三、热导率三、热导率/热传导系数热传导系数热导率：热导率：表示物质导热能力的物理量，称为热导率。表示物质导热能力的物理量，称为热导率。热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关固体的热导率：固体的热导率：金属的热导率较大，且随温度升高而略有下金属的热导率较大，且随温度升高而略有下降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别精确的计算时，我们可认为固体的热导率是常数。精确的计算时

14、，我们可认为固体的热导率是常数。液体的热导率：液体的热导率：非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油外，热导率随温升而降。外，热导率随温升而降。气体的热导率：气体的热导率：气体的热导率很小，不利于传热而有利于保气体的热导率很小，不利于传热而有利于保温。故一般的保温材料都是多孔的。温。故一般的保温材料都是多孔的。安全工程专业课件安全工程专业课件ntqntdAdQ / 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

15、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三、热传导系数三、热传导系数第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件1.固体固体热传导系数热传导系数/ /热导率热导率 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 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件2.液体液体热传导系数热传导系数/

16、热导率热导率 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)第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件3.气体气体热传导系数热传导系数/热导率热导率 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)第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课

17、件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导n4.热传导系数与温度的关系热传导系数与温度的关系n二者根本上呈直线关系，金属和体液的热传导系数随二者根本上呈直线关系，金属和体液的热传导系数随温度增加而减少温度增加而减少(水例外水例外)，气体与非金属热传导系数随，气体与非金属热传导系数随温度增加而增加。温度增加而增加。n5.热传导系数与压强关系热传导系数与压强关系n固体和液体的热传导系数与压强根本无关，气体在压固体和液体的热传导系数与压强根本无关，气体在压强很高强很高(大于大于200MPa) 或很低或很低(小于小于2700Pa)时热传导系时热传导系数随压强

18、增加而增大或随压强降低而减小。数随压强增加而增大或随压强降低而减小。安全工程专业课件安全工程专业课件t1t2btxdxQ 一单层平壁热传导一单层平壁热传导 假设：假设：材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数；一维温度场，一维温度场，t沿沿x变化；变化； A/b很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导四、平壁的稳态热传导四、平壁的稳态热传导安全工程专业课件安全工程专业课件xtAntAQdd 210ttbAdtQdx )(21ttbAQ 积分：积分：热阻热阻推动力推动力 RtAbttQ 21第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二

19、节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件 二多层平壁热传导二多层平壁热传导假设：假设：各层接触良好，接触面各层接触良好，接触面两侧温度相同。两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件AbttAbttAbttQ334322321121 总热阻总热阻总推动力总推动力 iRttAbAbAbttt41332211321 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 各层的温差各层的温差第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工

20、程专业课件安全工程专业课件结论：结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。各层温差与热阻成正比。推广至推广至n层：层： niiinniiiAbttAbtQ1111 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件 一单层圆筒壁的热传导一单层圆筒壁的热传导 特点特点：传热面积随半径变化，传热面积随半径变化， A=2 rl(1)(2) 一维温度场，一维温度场，t沿沿r变化。变化。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二

21、节 热传导热传导五、圆筒壁的稳态热传导五、圆筒壁的稳态热传导安全工程专业课件安全工程专业课件在半径在半径r处取处取dr同心薄层圆筒同心薄层圆筒rtrlrtAQdddd 2 积分积分 21212ttrrrldtQdr 1221ln)(2rrttlQ 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件讨论：讨论：RttlrrttQ2112212ln 1212ln2AAAAlrAmm 12rrb 对数平均面积对数平均面积热阻热阻令令1212lnrrrrrm 对数平均半径对数平均半径1212122lnrrrrlrrR mAb 第三章第三章 传热及传热设

22、备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导mAbttQ 21 又又rr212一般一般 时，时，221rrrm 安全工程专业课件安全工程专业课件 二多层圆筒壁的热传导二多层圆筒壁的热传导第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件 31141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQ 三层：三层：n n层圆筒壁：层圆筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设

23、备第二节第二节 热传导热传导安全工程专业课件安全工程专业课件1.对流传热过程对流传热过程dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T2第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热一、对流传热及其类型一、对流传热及其类型流体流过与流体平均温度不同的流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时的热交换过程在工程固体壁面时的热交换过程在工程上称为对流传热或上称为对流传热或“传热过程。传热过程。安全工程专业课件安全工程专业课件ttWTWTA2A1传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T tl 湍流主体湍流主体温度梯度小，热对流为主温度梯度小，热对流为主l 层流内层层流

24、内层温度梯度大，热传导为主温度梯度大，热传导为主l 过渡区域过渡区域热传导、热对流均起作用热传导、热对流均起作用第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热n对流传热过程大致可分四种根本类型对流传热过程大致可分四种根本类型n(1) 流体强制对流传热流体强制对流传热n 假设由于水泵、风机或其它外力作用引起流体运假设由于水泵、风机或其它外力作用引起流体运动，那么称为强制对流。动，那么称为强制对流。 n(2) 流体自然对流传热流体自然对流传热n 假设由于运动是因流体内部

25、各处温度不同引起局假设由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密度差异所致，那么称为自然对流。部密度差异所致，那么称为自然对流。 2.对流传热的类型对流传热的类型安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热n(3) 蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热n蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽放热并凝成液体，冷凝液在重力作用下沿壁面流下，放热并凝成液体，冷凝液在重力作用下沿壁面流下，这种传热类型叫蒸汽冷凝传热。这种传热类型叫蒸汽冷凝传热。n(4) 液体沸腾传热液体沸腾传热n液体从固体壁面取得热量

26、而沸腾，在液体内部产生气液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生气泡，气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热泡，气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热类型叫液体沸腾传热。类型叫液体沸腾传热。n(1)(2)类型的传热为液体无相变的传热，类型的传热为液体无相变的传热，(3)(4)类型的传类型的传热为流体有相变的传热。热为流体有相变的传热。2.对流传热的类型对流传热的类型安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热二、对流传热速率与对流外表传热系数二、对流传热速率与对流外表传热系数式中式中 Q 对流传热速率对流传热速率，W； 1

27、 、 2 热、冷流体的热、冷流体的对流传热系数对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的热、冷流体的平均平均温度及温度及平均平均壁温，壁温，。 )(11WTTAQ )(22ttAQW 冷流体：冷流体：热流体：热流体：牛顿冷却定律牛顿冷却定律安全工程专业课件安全工程专业课件三、对流外表传热系数三、对流外表传热系数的影响因素的影响因素第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热n1.流体的流动状态流体的流动状态n 湍流湍流 层流层流n2.引起流动的原因引起流动的原因n自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。自然对流：由于流体内部密度差而引

28、起流体的流动。n强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。n 强制强制 自然自然 安全工程专业课件安全工程专业课件自然对流的产生：自然对流的产生：设设 热处：热处：t2， 2； 冷处冷处：t1， 1 体积膨胀系数，体积膨胀系数，1/ C.tVVV 112 )1(12tVV 或或而而22 mV 11 mV 得：得：或或)1(21t ) t1(1112 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件由温度差而产生的单位体积的升力：由温度差而产生的单位体积的升力： tggtg 22221)1(加热板加热板冷却

29、板冷却板第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件5. 是否发生相变是否发生相变 相变相变 无相变无相变4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置 形状形状管、板、管束等；管、板、管束等； 大小大小管径、管长、板厚等；管径、管长、板厚等； 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流体的物性流体的物性 cp-单位体积流体所具有的热容量，单位体积流体所具有的热容量， -粘度粘度， -热传导系数热传导系数，-体积膨胀系数。体积膨胀系数。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节

30、对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热n6.流体的温度流体的温度n温度升高，附加的自然对流强度增大。温度升高，附加的自然对流强度增大。n7.温度边界层温度边界层n假定以流体温度假定以流体温度t满足满足tw-t=0.99(tw-t )的等温面为分的等温面为分界面，在此分界面与壁面间的流动层称为温度边界层，界面，在此分界面与壁面间的流动层称为温度边界层，通常对流外表传热系数等于流体热传导系数与有效层通常对流外表传热系数等于流体热传导系数与有效层流膜厚度之商，但有效层流膜厚度难以确定，因此要流膜厚度之商，但有效层流膜厚

31、度难以确定，因此要靠实验测得。靠实验测得。安全工程专业课件安全工程专业课件四、对流传热的特征数及特征数关联式确实定方法四、对流传热的特征数及特征数关联式确实定方法1. 用量纲分析法确定有关特征数用量纲分析法确定有关特征数变量数目：变量数目： 8个个根本量纲根本量纲 4个：长度个：长度L，时间，时间T，质量，质量M，温度，温度无量纲特征数无量纲特征数8-4=4),(LtgCufp无相变时无相变时第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件1. 努塞尔特努塞尔特Nusselt 数数 LNu 表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数

32、2. 雷诺雷诺Reynolds数数 uL Re反映流体的流动状态反映流体的流动状态对对流传热的影响对对流传热的影响第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件3. 普兰特普兰特Prandtl数数 Cp Pr反映流体的物性对对流传热的影响反映流体的物性对对流传热的影响4. 格拉斯霍夫格拉斯霍夫Grashof准数准数223 tgLGr 表示自然对流表示自然对流对对流传热的影响对对流传热的影响一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)简化：强制对流简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流自然对流 Nu=f (Pr,

33、Gr)第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件使用特征数关联式时应注意：使用特征数关联式时应注意：1. 定性温度：流体进出口的平均温度、壁面的平均温度、定性温度：流体进出口的平均温度、壁面的平均温度、流体和壁面的平均温度。流体和壁面的平均温度。2. 定型尺寸：传热面几何特征的长度。定型尺寸：传热面几何特征的长度。3. 特征速度：流体的速度。特征速度：流体的速度。4. 热流方向对外表传热系数热流方向对外表传热系数的影响的影响 要说明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的，要说明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的，还需要指明热流方向。

34、还需要指明热流方向。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件五、无相变时对流传热系数的经验关联式五、无相变时对流传热系数的经验关联式一流体在管内作强制对流一流体在管内作强制对流1. 圆形直管内的强制湍流圆形直管内的强制湍流nmCNuPrRe 1应用范围：应用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体气体或低粘度的液体2 水水2定性温度：流体进出口的算术平均定性温度：流体进出口的算术平均 值值3特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径nNuPrRe023. 08 . 0 流体被加热流体被加热 n=0.4流

35、体被冷却流体被冷却 n=0.3第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件讨论：讨论：1加热与冷却的差异：加热与冷却的差异： ,WRettt加加热热液体液体3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 液液体体冷冷却却加加热热 气体气体 , Ret加加热热3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 气气体体冷冷却却加加热热 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件2 . 08 . 08 . 018 . 08 . 0023. 0)()(023. 0duCpCpuddnnnn物性一

36、定时：物性一定时：2 .08 .0du2影响因素：影响因素：第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件公式修正：公式修正：1当当L/d 2 水水14. 0)(PrRe027. 033. 08 . 0WNu工程处理：工程处理：加热：加热：冷却：冷却：05.1)(14.0 W 95.0)(14.0 W 7 . 011 ld 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件3 弯管弯管弯弯管管的的曲曲率率半半径径）（直直弯弯直直弯弯 RRd77. 11 4非圆形管道非圆形管道neeu

37、ddPr)(023. 08 . 0 实实 用当量直径计算。用当量直径计算。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件2. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 8 . 15Re1061 ff校正系数校正系数湍湍过过湍湍过过 2300 Re 104第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件3. 圆形直管内强制层流圆形直管内强制层流1随热流方向不同，速随热流方向不同，速度分布情况不同；度分布情况不同；2自然对流造成了径自然对流造成了

38、径向流动，强化了对流传热向流动，强化了对流传热过程。过程。对于液体对于液体第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件14. 031)()Pr(Re86. 1WLdNu 自然对流可以忽略：自然对流可以忽略： Gr 25000乘校正因子：乘校正因子： )Gr.(.f310150180 适用范围：适用范围：10)Pr(Re Ld670060 Pr.Re2300 定性温度：定性温度：221tttm 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件二流体在

39、管外强制对流传热二流体在管外强制对流传热1. 流体在管束外垂直流过流体在管束外垂直流过第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件 应用范围：应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值定性温度：进、出口温度平均值Nu=C Ren Pr0.4112212nnmn A A AAAA 平均对流传热系数：平均对流传热系数：第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程

40、专业课件安全工程专业课件2流体在换热器管间的流动流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形折流挡板形式：圆缺形、圆环形第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件设置折流挡板目的设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的 。圆缺形折流挡板：圆缺形折流挡板： 14. 03/155. 0PrRe36. 0 WNu 定性温度：定性温度：221tttm 应用范围：应用范围：Re=2103106第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全

41、工程专业课件正方形排列：正方形排列：正三角形排列：正三角形排列：特征尺寸：特征尺寸：1当量直径当量直径de0202)785. 0(4ddtde 0202)785. 023(4ddtde d0tt第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件2流速流速u按流通截面最大处的截面计算：按流通截面最大处的截面计算：式中式中 h两块折流挡板间距离，两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，换热器壳径，m；)1(0tdhDS 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件三自然对流时的对流传热

42、系数三自然对流时的对流传热系数nGrCNu)(Pr定性温度：膜温定性温度：膜温tm+tw/2特征尺寸：垂直的管或板为高度特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径水平管为管外径d0各种情况下的各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。值及特征尺寸不同。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第三节第三节 对流传热对流传热安全工程专业课件安全工程专业课件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 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备

43、第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件一恒温传热一恒温传热tTt m二变温传热二变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关一、传热平均温度差一、传热平均温度差逆流逆流并流并流错流错流折流折流第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件1. 逆流与并流逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件以逆流为例推导以逆流为例推导 tm假

44、设：假设：1稳态流动，稳态流动，qm1、 qm2为常数；为常数； 2cp1、cp2为常数；为常数； 3K沿管长不变化；沿管长不变化； 4热损失忽略不计。热损失忽略不计。AT2t1t2T1dTdtdA t2 t1 t=T-t对于微元：对于微元：11mpdQqc dT 22mpdQqc dt 11.mpdQqcConstdT 22.mpdQqcConstdt 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件T1T2t2t1Q1t 2t tTt QttdQtd12)( 而而)(tTKdAdQ QtttdAKtd12)( dAQtttKt

45、d12)( AttdAQttttdK01221)(1第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件AQttttK1212ln1 mtKAttttKAQ 1212ln1212lntttttm 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用； 当当t2/t12，那么可用算术平均值。，那么可用算术平均值。对数平均温度差对数平均温度差第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件逆逆mmtt ),(流流型型RPf 1221ttTTR 冷冷流流体体温温升升热热流流体体温温降降1112t

46、TttP 两两流流体体初初温温差差冷冷流流体体温温升升2. 错流与折流错流与折流查图查图 1 tm 0.9假设假设 0.8，温差损失大，传热不稳定；，温差损失大，传热不稳定； 应改变流型应改变流型第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件三流向的选择三流向的选择1. 所需传热面积所需传热面积并并并并逆逆逆逆mmtKAtKAQ 逆逆并并mmtt 并并逆逆AA 逆流优于并流。逆流优于并流。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件2. 载热体消耗量载热体消耗量

47、t1t2T1T1T2并并T2逆逆加热任务：加热任务：t1t2T2并并min=t2T2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。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件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。或生产工艺要求温度不

48、能过高或过低的场合。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件二、总传热系数二、总传热系数AKtTtTAKQd1)(dd K总传热系数，总传热系数，W/(m2K)twTw管内对流管内对流管外对流管外对流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ2一总传热系数计算一总传热系数计算第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件 管内对流管内对流)(ddw223ttAQ )(ddw111TTAQ 管外对流管外对流)(ddwwm2tTbAQ 管壁热传导管

49、壁热传导稳态传热稳态传热 321ddddQQQQ 22wmww11wd1dd1dAttAbtTATTQ 22m11d1dd1AAbAtT 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件22m11d1dd1d1AAbAAK 1平壁平壁 dA=dA1=dA2=dAm21111 bK讨论：讨论：2以外外表为基准以外外表为基准 (dA=dA1) 212m111dd1dd11AAAAbK 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件212m111111ddddbKdlA

50、K1以外外表为基准的总传热系数，以外外表为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，对数平均直径，m2121mln/ )(ddddd 2m21212111 ddbddK以以内表面内表面为基准：为基准：d1/d2A计计 或或 Q换换 Q需要，需要， 换热器适宜。换热器适宜。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件二、操作型计算二、操作型计算1：换热器：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口求：出口T2、t22：换热器：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t2注意：列管式换热器

51、中注意：列管式换热器中流通面积流通面积224dnA 流通流通传热面积传热面积ldnA1 传传热热第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第四节第四节 传热过程计算传热过程计算安全工程专业课件安全工程专业课件一、根本概念一、根本概念1. 辐射：物体通过辐射：物体通过电磁波来传递能量电磁波来传递能量的过程。的过程。2. 热辐射：物体由于热辐射：物体由于热的原因热的原因以电磁波的形式向以电磁波的形式向 外发射能量的过程。外发射能量的过程。 特点：特点： 能量形式的转换能量形式的转换 不需要任何介质不需要任何介质第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件

52、安全工程专业课件Q Q Q NQ能量守恒定律：能量守恒定律：QQQQ 吸收率吸收率 反射率反射率 穿透率穿透率 QQ QQ QQ 1 DRA 3. 物体对热辐射的作用物体对热辐射的作用总能量总能量Q；被物体吸收；被物体吸收Q ；被反射；被反射Q ；穿过物体；穿过物体Q 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件 黑体：黑体：1 白体白体(镜体镜体)：1 透热体：透热体：1 灰体：灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体固体、液体：固体、液体： =0 + =1 气体：气体： =0 + =1第三

53、章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件二、物体的辐射能力二、物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位外表积、单位时间内所发射的物体在一定温度下，单位外表积、单位时间内所发射的全部辐射能全部辐射能(波长从波长从0到到), E表示表示, W/m2 黑体辐射黑体辐射常数常数, 5.669 10-8W/(m2 .K4)一黑体一黑体4bET 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律四次方定律说明，热辐射对温度特别敏感四次方定律说明，热辐射对温度特别敏感4()100bTC Cb黑体辐射黑体辐射系数系数, 5.669W/(m2 .K4)第三章第三章

54、传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件 二实际物体二实际物体黑度：黑度： bEE T2 1 2=1E1Eb（1- 1）Eb 1Eb 灰体灰体 黑体黑体 克希霍夫定律克希霍夫定律第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件 结论：结论：1物体的辐射能力越强，其吸收率越大物体的辐射能力越强，其吸收率越大2= 同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等3 ，E Eb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大

55、第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件一辐射传热速率一辐射传热速率三、两固体间的相互辐射三、两固体间的相互辐射44121 21 2()() 100100TTQCA 1 212bCC 两面积无限大的平行平板两面积无限大的平行平板两平面有限大的平行平板两平面有限大的平行平板1 212111bCC 1 1 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件 一物体被另一物体包围一物体被另一物体包围1 1 2112211(1)bCCAA 假设外围为黑体，假设外围为黑体， 1=1 或或

56、 A2 ?A1，那么那么 C1-2=C1=Cb1第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件 1. 温度的影响温度的影响 T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式；低温可忽略，高温可能成为主要方式 2. 几何位置的影响几何位置的影响 3. 外表黑度的影响外表黑度的影响 ，可通过改变，可通过改变大小强化或减小辐射传热大小强化或减小辐射传热 4. 辐射外表间介质的影响辐射外表间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板减小辐射散热，在两换热面加遮热板 小热屏小热屏二影响辐射传热的主要因素二影响辐射传热的主要因素第三章第三章 传热及传热设备

57、传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件四、高温设备及管道的热损失四、高温设备及管道的热损失对流：对流： )(WWCCttAQ 辐射：辐射： 44WW21R)100()100(TTACQ 令令 =1 )()100()100(WWRWW44WW21RttAttttTTACQ 总热损失：总热损失： )()()(WWTWWRCRCttAttAQQQ T对流对流-辐射联合传热系数，辐射联合传热系数，W/(m2.K) 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件1空气自然对流，空气自然对流，tW5m/s )(

58、07. 08 . 9WTtt 平壁保温层外平壁保温层外u2 . 42 . 6T 空气速度空气速度u 50 时，需考虑时，需考虑温度热补偿温度热补偿。根。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：据热补偿方式不同，列管式换热器分为：第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件2. 浮头式浮头式特点：可完全消除热应力特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修便于清洗和检修, 结构复杂结构复杂第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件3. U型管式型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清

59、洗。特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工程专业课件三、列管换热器的选用三、列管换热器的选用1. 根据工艺任务，计算热负荷根据工艺任务，计算热负荷2. 计算计算 tm3. 依据经验选取依据经验选取K，估算，估算A4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定确定冷热流体流经管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程计算，如果先按单壳程多管程计算，如果 0.8，应增加壳程数；，应增加壳程数； 由由u和和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备第五节第五节 辐射传热辐射传热安全工程专业课件安全工