化工原理 第四章 传热

1、返回1第四章 传热返回24.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用4.1.2 4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式4.1.3 4.1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式4.1.4 4.1.4 热载体及其选择热载体及其选择4 4. .1 1. .5 5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程返回34.1.1 4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用加热或冷却换热 保温 强化传热过程 削弱传热过程 返回44.1.2 4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 一、热传导 热量从物体内温度

2、较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 特点：没有物质的宏观位移气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体 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来实现的液体 机理复杂返回5 二、对流二、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。 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。 自然对流 强制对流 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 返回64.1.3 4.1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式一、直接接触式一、直接接触式冷水蒸气不凝性气体优点：设备简单传热效果好缺点：设备体积大有一定程度

3、的混合返回7 二、蓄热式二、蓄热式优点：结构较简单耐高温缺点：设备体积大有一定程度的混合低温流体高温流体返回8三、间壁式三、间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2返回9列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t2返回104.1.4 4.1.4 热载体及其选择热载体及其选择 加热剂加热剂：热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热冷却剂冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等 冷却温度30C 水 加热温度180C 饱和水蒸气返回11热负荷热负荷Q：工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位 J/s或W。传热速

4、率传热速率Q：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 J/s或W。热流密度热流密度q：热通量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。4.1.5 4.1.5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程一、基本概念一、基本概念返回12非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 二、稳态与非稳态传热二、稳态与非稳态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 tAQq 式中 A总传热面积，m2。返回13冷流体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热流体对流热传导对流)()()(321)3()2() 1 (QQQ三、冷热流体通过间壁的传热过程三、冷热流体通

5、过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体返回144.2 4.2 热传导热传导4.2.1 4.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念4.2.2 4.2.2 傅立叶定律傅立叶定律4.2.3 4.2.3 导热系数导热系数4.2.4 4.2.4 通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导4.2.5 4.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导通过圆筒壁的稳定热传导返回154.2.1 4.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念,zyxft 式中 t 某点的温度，； x,y,z 某点的坐标； 时间。温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 (1)(1)温度场和等温温度场和等温面

6、面返回16不稳定温度场不稳定温度场 ,zyxft 稳定温度场稳定温度场 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Qzyxft,0t返回17(2)(2)温度梯度温度梯度 ntnttgradn0limt+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点点的概念。 温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 一维稳定热传导dxdt /返回184.2.2 4.2.2 傅立叶定律傅立叶定律 ntAQdd式中 dQ 热传导速率，W或J/s； dA 导热面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 导热系

7、数，W/(m)或W/(mK)。返回19 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好qQAtn dd 用热通量来表示 对一维稳态热传导 dxdtAQdd返回20(2) 是分子微观运动的宏观表现。4.2.3 4.2.3 导热系数导热系数 qtn/(1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量 = f(结构,组成,密度,温度,压力）(3) 各种物质的导热系数金属固体 非金属固体 液体 气体 返回21)1 (0at在一定温度范围内：式中 0, 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。 对大多数金属材料a 0 ， t 1)固体 金属：纯金属 合金 非金属：

8、同样温度下，越大， 越大。返回222)液体 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。 t （除水和甘油）3)气体 一般来说，纯液体的大于溶液 t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。返回23 4.2.4 通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导 一、一、 通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导 假设：假设：(1) A大，b小；(2) 材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。t1t2btxdxQxQx+dx返回24取dx的薄层，作热量衡算： QQx Actxx dxpd对于稳定温度场 t 0constQQQdxxx傅立叶定律： xtAQdd边界条件为： xtt01时，2ttbx

9、时，返回25得： QdxAdtbtt012 设不随t而变 AbttttAbQ2121)(式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s； A 平壁的面积，m2； b 平壁的厚度，m； 平壁的导热系数，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 平壁两侧的温度，。返回26讨论： QtR推动力热阻ttt()12RbA2分析平壁内的温度分布QdxAdtbtt012 上限由2ttbx 时，xxtt时，AQxttttAxQ11)(1可表示为推动力：热阻：为返回27 不随t变化， tx成呈线形关系。)1 (0at3当随t变化时() /122若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。 如：1t1，2t2返回28 二、二、

10、通过多层平壁的稳定热传导通过多层平壁的稳定热传导 假设：假设：(1) A大，b小；(2) 材料均匀；(3) 温度仅沿x变化，且不随时间变化。(4) 各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3返回29AbttAbttAbttQ334322321121总热阻总推动力iiiiiiiRttAbttAbt413141推广至n层： QttbAttRniiinniin111111返回30三、各层的温差三、各层的温差 ttttttbAbAbARRR122334112233123:思考： 厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t3

11、t4312返回31 4.2.5 4.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导通过圆筒壁的稳定热传导 一、一、 通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热传导假定：假定：(1) 稳定温度场；(2) 一维温度场。返回32取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：trldrQQdrrr2对于稳定温度场 t 0constQQQdrrr傅立叶定律 QAtr ddrtrlrtAQdd2dd返回33边界条件 rrtt11时，rrtt22时，得：Qdrrldtrrtt12122 设不随t而变 Ql ttrrl ttrr22112211221 ()ln()ln式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s； 导热系数，W/(m)或W

12、/(mK)； t1,t2 圆筒壁两侧的温度，； r1,r2 圆筒壁内外半径，m。返回34讨论：1上式可以为写 12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ热阻推动力RtAbttm)(21Arl2brr21AAAAAm2121ln/对数平均面积返回352 rr212AAAm1223圆筒壁内的温度分布Ql ttrrttQlrr 221111 lnlnQdrrldtrrtt12122 上限从rrtt22时，改为rrtt时，tr成对数曲线变化(假设不随t变化)返回364平壁：各处的Q和q均相等； 圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。 二、通过多层圆筒壁的稳定

13、热传导二、通过多层圆筒壁的稳定热传导3111343323221211ln1)4(2ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2iiiirrttLrrttLrrttLrrttLQ返回37对于n层圆筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2332211222lqrlqrlqrQ332211qrqrqr式中 q1,q2,q3分别为半径r1,r2,r3处的热通量。返回381.1.有一燃烧炉有一燃烧炉, ,炉壁由三种材料组成炉壁由三种材料组成, ,最内层是耐火最内层是耐火砖砖, ,中间为保温砖中间为保温砖, ,最外层是建筑砖最外层是建筑砖. . 已

14、知耐火砖厚度为已知耐火砖厚度为150mm,150mm,1 1=1.06w/(m=1.06w/(m); ); 保温砖的厚度为保温砖的厚度为310mm, 310mm, 2 2=0.15w/(m=0.15w/(m); ); 建筑砖的厚度为建筑砖的厚度为240mm, 240mm, 3=0.69w/(m3=0.69w/(m). ). 今测得炉的内壁温度为今测得炉的内壁温度为10001000, ,耐火砖与保温砖之间耐火砖与保温砖之间界面处的温度为界面处的温度为946946. . 求求:1.:1.单位面积的热损失单位面积的热损失;2.;2.保温砖与建筑砖之间的保温砖与建筑砖之间的界面温度界面温度;3.;3.

15、建筑砖外侧温度建筑砖外侧温度. .习题习题返回解：本题为稳态三层平壁的热传导则有123qqq211211.061000946381.6/0.15qttWmb设保温层与建筑砖的界面温度为3t设建筑砖外表面温度为4t222233230.15946381.6/0.31157.3qtttWmbt233344340.69157.3381.6/0.2424.6qtttWmbt返回402.2.某平壁燃烧炉由一层耐火砖与一层普通砖砌成某平壁燃烧炉由一层耐火砖与一层普通砖砌成, ,两两层的厚度均为层的厚度均为100mm,100mm,其导热系数分别为其导热系数分别为0.9w/(m0.9w/(m) )和和0.7w/

16、(m0.7w/(m).).待操作稳定后待操作稳定后, ,测得炉膛的内表面温测得炉膛的内表面温度为度为700700, ,外表面的温度为外表面的温度为130130, ,为了减少燃烧炉为了减少燃烧炉的热损失的热损失, ,在普通砖外表面增加一层厚度为在普通砖外表面增加一层厚度为40mm,40mm,导导热系数为热系数为0.06w/(m0.06w/(m) )的保温材料的保温材料. .操作稳定后操作稳定后, ,又测又测得炉内表面的温度为得炉内表面的温度为740 740 , ,外表面的温度为外表面的温度为9090. .两层砖的导热系数不变两层砖的导热系数不变, ,计算加保温层后炉壁的热损计算加保温层后炉壁的热

17、损失比原来的减少百分数失比原来的减少百分数? ?返回解：加保温层前单位面积炉壁的热损失为 此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为： W/m2加保温层后单位面积炉壁的热损失为 此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为： 故加保温层后热损失比原来减少的百分数为： 1SQ 22447.01.09.01.01307002211311bbttSQ 2SQ 2332211412W/m7060600407010901090740.bbbttSQ %.%SQSQSQ56810022447062244100121返回423.连续式加热炉由粘土砖和硅藻土转两层组成，已连续式加热炉由粘土砖和硅藻土转两层组成，已知

18、 粘 土 砖 的 内 壁 温 度 为知 粘 土 砖 的 内 壁 温 度 为 t1= 1 1 8 0 ，b1=230mm,1=0.7+0.00058t w/m.硅藻土砖外壁硅藻土砖外壁面面t3=100,b2=115mm,2=0.0395+0.00019t w/m,求求t2。采用试算法采用试算法返回解：设 则有21000t 11180 10000.70.000581.33222W/(m )21000 1000.03950.000191.442W/(m )2121180 10001111.96/0.230.1151.33220.144tqWmRR111191.976btq211988ttt假设的 与

19、计算出来的不一致需继续假设2t返回444.在一在一60mm3.5mm的钢管外包有两层绝缘材料的钢管外包有两层绝缘材料,里里层为层为40mm的氧化镁粉的氧化镁粉,平均导热系数为平均导热系数为0.07w/(m).外外层为层为20mm的石棉层的石棉层,其平均导热系数为其平均导热系数为0.15w/(m).现现测得内壁的温度为测得内壁的温度为500,最外层的温度为最外层的温度为80,管壁的管壁的导热系数为导热系数为45w/(m).求每米管长的热损失求每米管长的热损失.返回解：10.060.0035 20.02652rm20.02650.00350.03rm30.030.040.07rm40.070.02

20、0.09rm143241122332191/111ttqWmrrrInInInrrr假设两保温层界面温度为 133211222191/11ttqWmrrInInrr3t3132t 解得 返回465.已知蒸汽管道外径已知蒸汽管道外径D=426mm,保温层厚保温层厚426mm,导热导热系数系数0.615w/(m).保温层内、外温度分别为保温层内、外温度分别为t2=177, t3=38,求每米管长的热损失及保温层温度分布求每米管长的热损失及保温层温度分布.返回解：23426213,2134266392rmm rmm23322489/ttQWmrLInr假设保温层半径为r处的温度为t，则有222489

21、/12719.4ttWmrInrtInr 返回486.6.外径为外径为100mm100mm的蒸汽管外包一层的蒸汽管外包一层50mm50mm厚的绝缘材厚的绝缘材料料A,A,A A=0.05w/(m=0.05w/(m););其外再包一层其外再包一层25mm25mm厚的绝厚的绝缘材料缘材料B,B,B B=0.075w/(m=0.075w/(m),),若绝缘层若绝缘层A A的内表面的内表面及绝缘层及绝缘层B B的外表面温度分别为的外表面温度分别为170170及及3838. . 求求:1.:1.每米管长的热损失每米管长的热损失;2.AB;2.AB两种材料的界面温两种材料的界面温度度;3.;3.若将两种材

22、料保持各自厚度若将两种材料保持各自厚度, ,但对调一下位但对调一下位置置, ,比较其保温效果比较其保温效果.(.(温度不变温度不变) )课后练习课后练习返回494.3 4.3 对流传热对流传热4.3.1 4.3.1 对流传热对流传热速率方程和对流传热系数速率方程和对流传热系数4.3.2 4.3.2 对流传热对流传热机理简介机理简介4.3.3 4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径4.3.4 4.3.4 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素4.3.5 4.3.5 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立4.3.6 4.3.6 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时

23、对流传热系数的经验关联式4.3.7 4.3.7 有相变时对流传热系数的经验关联式有相变时对流传热系数的经验关联式返回对流传热问题的分类根据流体在传热过程中的状态可分为两类：根据流体在传热过程中的状态可分为两类：流体无相变的对流传热流体在传热过程中不发生相变化，分为两种情况：流体在传热过程中不发生相变化，分为两种情况：强制对流传热：外力作用强制对流传热：外力作用流动流动 自然对流传热：温度差自然对流传热：温度差密度差密度差流动流动 流体有相变的对流传热流体在传热过程中发生相变化，分为两种情况：流体在传热过程中发生相变化，分为两种情况：蒸气冷凝：气体在传热过程中冷凝为液体蒸气冷凝：气体在传热过程中

24、冷凝为液体液体沸腾：液体在传热过程中沸腾气化变成气体液体沸腾：液体在传热过程中沸腾气化变成气体返回1.对流传热速率方程对流传热推动力对流传热速率系数 推动力对流传热阻力d()d1dWWTTQTTSS牛顿冷却定律，给热方程-局部对流传热系数，W m-2-.1对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数返回1tQStS对流传热热阻工程中使用平均对流传热系数热流体在管内流动，冷流体在管外流动()iWidQTTdS()oWodQtt dS对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应套管式换热器中对流传热速率方程表达式温度差的平均值返回531. 牛顿冷却定律是一种推论，假

25、设Qt。 QA ttttAtRww()1tttwRA12. 复杂问题简单化表示。 推动力：阻力：返回2.对流传热系数QSt定义：单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率W/（m2 . ）反映对流传热的快慢，不是物性，是参数强制 自然； 相变 无相变； 液 气影响因素多()pf l,u,c ,. 返回55d dt tA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体层流底层层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心湍流核心温度梯度小，对流方式过渡区域过渡区域热传导和对流方式4.3.2 对流传热机理简介1.对流传热分析 返回2.热边界层 （1）热边界层定义：近壁处，流体温度显著变化的区域。 tttt-t(t-tW

26、)/ (t-t)=0.99t-ttW 流体被平壁冷却温度边界层u0tyt返回ttt(tW-t)/ (tW-t)=0.99tW t 流体被平壁加热温度边界层0tytu返回热边界层的形成过程返回（2）热边界层的厚度)(99. 0ttttww（3）热边界层的特点0dydt层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻 0dydt（4）热边界层发展过程dt21max,d圆管内层内（近处）：集中全部的温差和热阻 返回（5）热边界层与流动边界层关系 ttt(tW-t)/ (tW-t)=0.99tW t 流体被平壁加热温度边界层0tytu返回du/dydu/dyuuuu/u=0.99uuuuu/u=0.99层流内层

27、湍流边界层层流边界层平板上的流动边界层返回区别区别：本质不同，厚度不一定相等。联系联系：研究问题方法相似，两者密切相关。流动边界层对热边界层的影响流动边界层对热边界层的影响：湍流区：湍流区：质点相互混合交换热量， 温差小。缓冲层：缓冲层：质点混合、分子运动共同作用，温度变化平缓。层流内层：层流内层：导热为主，热阻大、温差大。 说明：说明：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。返回4.3.3 保温层的临界直径保温层内表面温度t1,环境温度tf,保温层内 、外半径ri,ro假设：传热过程：保温层的热传导；保温层外壁与环境空气的对流传热条件：对流

28、传热热阻1/S；传热面积2roL；对流传热系数；返回传热速率：1f1fo12iotttt=r11RRln2 Lr2 r LQ 总推动力总热阻对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径保温层热传导热阻R1；外壁与空气的对流传热热阻R21f2oo2ooio112 L(tt )rrdQ0drln(r /r )1r返回o/r 习惯上以rc表示Q最大时的临界半径cc/ or 2 /rd Qdodco2 /d ocdd返回664.3.4 影响对流传热系数影响对流传热系数 的因素的因素1.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强 自

29、 2.流体的物性流体的物性 ，cp 返回675. 是否发生相变是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 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：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。3.流动形态流动形态 层（滞）流、湍流 湍 层 返回684.3.5 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析一、因次分析 式中 l特性尺寸； u特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。f(u，l，cp，gt)gka

30、GrCNuPrRe返回69 lNu duRepcPr223tlgGrgkpatlgcduCl)()()(223Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响返回70定性温度的取法：二、定性温度、特性尺寸的确定二、定性温度、特性尺寸的确定2特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。2) 1 (21tttm2)2(mWtt膜温3准数关联式的适用范围。1确定物性参数数值的温度称为定性温度。返回71一、流体在管内的强制对流一、流体在管内的强制对流kNuPrRe023. 08 . 0kpcdud)(

31、)(023. 08 . 0适用范围： Re10000，0.7Pr120，604.3.6 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式1圆形直管内的湍流返回72 特征尺寸为管内径di 流体被加热时，k0.4；被冷却时，k0.3。221tttm注意事项：注意事项： 定性温度取返回73强化措施：强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 8 . 018 . 02 . 08 . 08 . 0023. 0)()(023. 0kkpkpcducdud返回74以下是对上面的公式进行修正：(1)高粘度高粘度 14. 0318 . 0)(PrRe027. 0wN

32、u0 . 1)(95. 005. 1)(14. 0冷却或加热气体液体被冷却液体被加热wRe10000，0.7Pr60定性温度取tm；特征尺寸为di返回75(2) l/di60 d (3) 过渡流（2300Re10000) d 1Re10618 . 15f117 . 0ldf(4) 弯曲管内 d 1 1.771idfR 返回76(5) 非圆形管强制湍流1) 当量直径法2) 直接实验法套管环隙 : 水-空气系统318 . 05 . 012PrRe)(02. 0ddde适用范围： 12000Re膜 返回982. 冷凝过程的热阻：液膜的厚度d3. 蒸汽冷凝的1）水平管束外413/232725. 0tl

33、ngr式中 n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外径do2Wsttt定性温度：膜温 返回99湍流2）竖壁或竖管上的冷凝层流413213. 1tlgr适用条件：Re1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温 4 . 031232Re0077. 0g例题：P258 4-16返回例题：例题：温度为温度为120 的饱和水蒸气在单根管外冷凝，的饱和水蒸气在单根管外冷凝，管外径为管外径为60mm，管长为，管长为1m，管外壁面温度，管外壁面温度为为100 .试计算：（试计算：（1）管子垂直放置时的）管子垂直放置时的水蒸气对流传热系数；（水蒸气对流传热系数；（2）

34、冷凝液膜从层）冷凝液膜从层流转变为湍流时的临界高度；（流转变为湍流时的临界高度；（3）管子水）管子水平放置时的水蒸气冷凝对流传热系数。平放置时的水蒸气冷凝对流传热系数。返回325312342120 1001102110951/,68.5 10/()25.9 10120/120 100201.16670/()4Re9341800swtkg mWm Kpa sJKgtttlmgWmKl tl t 解：定性温度为查水的物性常数，水蒸气的汽化热 =2205 10，假设液膜为层流=1 3检验即假设正确返回1234145332112323444Re1800Re1.1342.3971.1340.060.72

35、51.13ceccecoollltRgltltRlmtgggdtlt 冷凝液膜从层流转变为湍流的临 界高度为临界，由得：代入中管子水平放置时特征尺寸为d将与相除114420.7250.72530.0666701.38671/ ()oldWmK 得：返回1034冷凝传热的影响因素和强化措施1) 流体物性 冷凝液 d, ；冷凝液,；潜热r d, 2) 温差 液膜层流流动时，t=tstW，d,3) 不凝气体 不凝气体存在，导致 ，定期排放。4）蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，d ；反向时， d ； u 返回1045) 蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。6) 冷凝面的

36、形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列返回105沸腾种类沸腾种类 1）大容积沸腾大容积沸腾 2）管内沸腾 1. 1. 汽泡产生的条件汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度过热度：t=tWts 汽化核心汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层 二、二、 液体沸腾液体沸腾返回1062. 沸腾曲线沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 25C t5C工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾 250C t25C 优点：大，tW小ABCD返回1073、沸腾传热的影响因素及强化措施、沸腾

37、传热的影响因素及强化措施1）液体的性质 ,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2）温差 在核状沸腾阶段温差提高， 3）操作压强stp返回1084）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒返回选用对流传热系数关联式的注意事项选用对流传热系数关联式的注意事项1.1.针对所要解决的传热问题类型，选择适当的关针对所要解决的传热问题类型，选择适当的关联式联式2.2.要注意关联式的应用范围、特征尺寸的选择和要注意关联式的应用范围、特征尺寸的选择和定性温度的确定定性温度的确定3.3.应注意正确使用各物理量的单位，各准数的量应注意正确使用各物理量的单位，各准数的量纲应为纲应为

38、1 1，对于纯经验式必须使用公式所要求的，对于纯经验式必须使用公式所要求的单位单位4.4.应注意学会分析关联式中各物理量对应注意学会分析关联式中各物理量对的影响，的影响，其影响大小可通过指数的大小来判断其影响大小可通过指数的大小来判断返回1104.4 4.4 传热过程的计算传热过程的计算4.4.1 4.4.1 总传热系数和总传热速率总传热系数和总传热速率4.4.2 4.4.2 热量衡算和传热速率方程间的关系热量衡算和传热速率方程间的关系4.4.3 4.4.3 传热平均温度差传热平均温度差4.4.4 4.4.4 壁温的计算壁温的计算4.4.5 4.4.5 传热效率传热单元数法传热效率传热单元数法

39、4.4.6 4.4.6 传热计算示例传热计算示例返回1114.4.1 4.4.1 热量衡算热量衡算无热损失：放吸QQ热流体G1, T1,cp1,H1T2 H2冷流体G2, t2,cp2,h1t2 h2返回112无相变时无相变时 12221112222111hhGHHGQttcGTTcGQpp热量衡算：式中 Q 热冷流体放出或吸收的热量，J/s； G1,G2热冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热冷流体的比热容， J/(s. ) ； h1,h2 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 热流体的进出口焓， J/kg 。返回113相变时相变时 122221112221ttcGTTcrGQ

40、ttcGrGQpspp热量衡算：式中 r 热流体的汽化潜热，kJ/kg； TS 热流体的饱和温度，。11122221()()ppGcTTG ctt传热计算的出发点和核心：返回1144.4.2 4.4.2 总传热系数和总传热速率方程总传热系数和总传热速率方程dA t2G1，T1G2，t1 T2返回115热流体 固体壁面一侧固体壁面一侧 另一侧固体壁面另一侧 冷流体对流3Q热传导2Q对流1Q)(tTKdAdQtwTw对流对流导热冷流体热流体tTQ可参照对流传热速率方程将换热器中任一微圆面积，两流体温度差为推动力的传热速率方程返回116（3）管内对流)(111wTTdAdQ)(2wwmtTdAbdQ

41、)(223ttdAdQw（1）管外对流（2）管壁热传导对于稳定传热 321dQdQdQdQ返回117221122111111dAdAbdAtTdAttdAbtTdATTdQmwmwww2211111dAdAbdAKdAm式中 K总传热系数，W/(m2K)。KdAtTdQ1返回118讨论：讨论：1当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm21111bK2以外表面为基准(dA=dA1): 212111111dAdAdAdAbKm212111111ddddbKdlAm返回119式中 K1以换热管的外表面为基准的总传热系数； dm换热管的对数平均直径。2121ln/ )(dddddm以壁表面为基准

42、：221212111mddbddK2211111ddbddKmmm以内表面为基准：221dd近似用平壁计算返回12031/K值的物理意义 总热阻总推动力KdAtTtTKdAdQ1)()(内侧的热阻壁阻外侧的热阻总热阻212111111ddddbKm返回121 二、总传热速率方程二、总传热速率方程)(tTKdAdQQAmdAtKdQ00mtKAQ式中 K平均总传热系数； tm平均温度差。 总传热速率方程（1）求K平均值。（2）热量衡算式与传热速率方程间的关系。（3）tm的求解。返回122三、污垢热阻三、污垢热阻 212212111111ddddRddbRKm式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，

43、m2K/W。返回123一、恒温传热一、恒温传热mttTt二、变温传热二、变温传热tm与流体流向有关4.4.3. 4.4.3. 传热平均温度差传热平均温度差逆流并流错流折流返回1241、逆流和并流时的、逆流和并流时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1 t2tAt1T2T1逆流逆流并流并流返回125以逆流为例推导mt假设：1）定态传热、定态流动，G1、 G2一定 2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的3）K沿管长不变化。4）热损失忽略不计。2121lntttttm211tTt122tTt返回126T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1Tt返回1271）也适用于并流

44、 T2t1t2T1At2t1111tTt222tTt返回1282）较大温差记为t1，较小温差记为t2；3）当t1/t22，则可用算术平均值代替2/ )(21tttm21tttm4）当t1t2返回129mmtt流型）,(RPf1221ttTTR冷流体温升热流体温降1112tTttP两流体初温差冷流体温升mt：逆流时的平均温度差：逆流时的平均温度差2、错流、折流时的、错流、折流时的mt返回1304.4.4 4.4.4 壁温的计算壁温的计算稳态传热 221111AttAbtTATTtKAQwmWwWm11AQTTWmWWAbQTt22AQttW1大，即b/Am小，热阻小，tW=TW返回13121)(

45、)(tTTTWWTW接近于T，即大热阻小侧流体的温度。 3两侧有污垢 2221111)1(1)1(ARttAbtTARTTtKAQwmWwWm2当tW=TW，得 2211/1/1AAtTTTWW返回132一、传热效率一、传热效率maxQQ最大可能传热速率实际传热速率传热效率最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差 变化的传热速率。理论上最大的温差：11tT 4.4.5 4.4.5 传热效率传热单元数法（自学）传热效率传热单元数法（自学）返回133热容流量：mscp 由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化最小值流体： 热容流量最小的流体为最小值流体。)()(12222111ttcmTTcm

46、Qpspsmin1s1)(m pspcmc当1121111121111)()(tTTTtTcmTTcmpsps返回134min2s2)(m pspcmc当1112112212222)()(tTtttTcmttcmpsps二、传热单元数二、传热单元数dAtTKdtcmdTcmdQpsps)(2211返回135ApsTTcmKdAtTdT01121传热单元数：11211psmcmKAtTTNTU传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于 平均温度差的倍数。22122psmcmKAtttNTU同理：返回136三、传热效率与传热单元数的关系根据热量衡算和传热速率方程导出：min1s1)(m pspcmc

47、2211R1Cpspscmcm111pscmKANTU 11211tTTT逆流：并流：)1 (exp)1 (exp1111111RRRCNTUCCNTU11111)1 (exp1RRCCNTU返回137逆流：并流：)1 (exp)1 (exp1222222RRRCNTUCCNTU22221)1 (exp1RRCCNTUmin2s2)(m pspcmc1122R2Cpspscmcm222pscmKANTU11122tTtt绘图),(RiiiCNTUf返回1384.4.6 4.4.6 传热计算示例传热计算示例1.试计算压力为试计算压力为150kpa流量为流量为1500kg/h的饱和的饱和水蒸气冷凝

48、后，并降温至水蒸气冷凝后，并降温至50时所放出的热量。时所放出的热量。返回1392.现测定一传热面积为现测定一传热面积为2m2的列管换热器的总的列管换热器的总传热系数传热系数K值。已知热水走管程，测得其流量值。已知热水走管程，测得其流量为为1500kg/h，进口温度为，进口温度为80，出口温度为，出口温度为50，冷水走壳程，测得进口的温度为，冷水走壳程，测得进口的温度为15，出口为出口为30，逆流流动。，逆流流动。返回1403.现用一列管换热器加热原油，原油进口温度现用一列管换热器加热原油，原油进口温度为为100，出口温度为，出口温度为150。某反应物作为加。某反应物作为加热剂，进口温度为热剂

49、，进口温度为250，出口温度为，出口温度为180。求：并流与逆流的平均温度差若原油流量求：并流与逆流的平均温度差若原油流量为为1800kg/h,比热容为比热容为2kJ/(kg),总传热系数总传热系数为为100w/(m2),求并流、逆流时所需的传热面求并流、逆流时所需的传热面积若要求加热剂出口温度降至积若要求加热剂出口温度降至150,求此时求此时并流和逆流的平均温度差和所需的传热面积，并流和逆流的平均温度差和所需的传热面积，逆流时的加热剂量减少多少？（假设加热剂的逆流时的加热剂量减少多少？（假设加热剂的比热容和总传热系数不变）比热容和总传热系数不变）返回1414.有一套管换热器，传热管为有一套管

50、换热器，传热管为25mm2.5mm钢管，钢管，CO2气体在管内流动，气体在管内流动，对流传热系数为对流传热系数为40w/(m2),冷却水在传热管外冷却水在传热管外流动，对流传热系数为流动，对流传热系数为3000w/(m2),求：总求：总传热系数若管内传热系数若管内CO2气体的对流传热系数增气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多少？若管外水的大一倍，总传热系数会增加多少？若管外水的对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多少？少？ 返回1424.5 4.5 热辐射热辐射4.5.1 4.5.1 基本概念基本概念4.5.2 4.5.2 物体的辐射能力物体

51、的辐射能力4.5.3 4.5.3 两固体间的相互辐射两固体间的相互辐射4.5.4 4.5.4 高温高温设备及管道的热损失设备及管道的热损失返回1434.5.1 4.5.1 基本概念基本概念1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 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。 特点：特点： 能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 不需要任何介质。返回144QRQDQANQ能量守恒定律：DRAQQQQ式中 吸收率； 反射率； 穿透率。 AQQARQQRDQQD1DRA 3. 热辐射对物体的作用总能量Q；被物体吸收QA ；被反射QR ；穿过物体QD 返回145 黑体：黑体：1

52、A白体（镜体）：白体（镜体）：1R透热体透热体：1DA,R,D = f(物体性质、温度、表面、辐射波长）灰体灰体：指能以相同的吸收率吸收所有波长 的辐射能的物体。固体、液体： D=0 R+A=1气体： R=0 A+D=1返回1464.5.2 4.5.2 物体的辐射能力物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从全部辐射能（波长从0到到 ），W/m2。 物体的单色辐射能力：物体在一定温度下，发射某某种波长种波长的能力；以E表示，单位W/m3。辐射能与单色辐射能的关系：dEE01/5102TcecE普朗克定律返回147Km104387. 1mW10743. 3

53、222161cc其中式中 0黑体辐射常数，=5.67 10-8W/(m2 .K4)； C0黑体辐射系数，=5.67W/(m2 .K4)斯蒂芬-波尔茨曼定律一、黑体一、黑体404000)100(TCTdEEo四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感。返回148 二、二、 实际物体实际物体物体的黑度： 0EE T2A1 A2=1对灰体:011EAEQ热交换达到平衡时 T1=T2,Q=0011EAE 011EAE任意物体:0EAEE1E0（1-A1）E0A1E0 灰体 黑体 克希霍夫定律返回150结论：（1）任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同，且等于同温度下绝对黑体的发射能力。物体的发射能力越强，其

54、吸收率越大。（2）A= 即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。（），即在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。返回151一、两无限大平行灰体壁面间的相互辐射一、两无限大平行灰体壁面间的相互辐射4.5.3 4.5.3 两固体间的相互辐射两固体间的相互辐射返回1522121EEq2121211221AAAAEAEAq设 T1 T2E1、E21、2面在温度T1 、T2下的发射能力；E1、E21、2面发射的总能量。12222111)1 ()1 (EAEEEAEE两平面间单位面积的辐射热量：返回153)100()100(111424121021TTCq021210211111111CC

55、CCC令：将22114202241011)100()100(AATCETCE代入：总发射系数返回154)100()100(4241211221TTACQ式中 A平面的传热面积； 1-2角系数(物体1发射辐射能被2拦截分率)。两平面的面积有限时：)100()100(42412121TTACQ返回155二、一物体被另一物体包围时的辐射二、一物体被另一物体包围时的辐射1)11(11) 11(12211221121OoCCAACAACC返回156讨论：1）很大的物体2包住物体1：0121CC 2）物体2恰好包住物体1：11121021CC3）情况1和2间的情况：) 11(12211021AACCA=A

56、1A=A1A=A1返回157三、影响辐射传热的因素三、影响辐射传热的因素1. 温度的影响 T4 ， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式2. 几何位置的影响3. 表面黑度的影响 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。4. 辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热屏）。返回1584.5.4 4.5.4 高温高温设备及管道的热损失设备及管道的热损失对流散热： )(ttAQWWCC辐射散热： 4421)100()100(TTACQWWR令=1 )()100()100(4421ttAttttTTACQWWRWWWWR总热损失： )()()(ttAttAQQQWWTWWRCRC式中 T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)。 返回159(1)空气自然对流，当tW150C时平壁保温层外)(07. 08 . 9ttWT)(052. 04 . 9ttWT(2) 空气沿粗糙壁面强制对流空气速度u5m/s时 返回1