第三章传热

1、第三章 传 热第一节 概 述11 传热的基本方式热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。传导 是物体中温度较高部分分子，通过碰撞或振动将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子，这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。对流 是流体之间的宏观相对位移所产生的对流运动，将热量由空间中一处传到他处的现象。辐射 是一种以电磁波传递热量的方式。工业的换热方法：间壁式换热、混合式换热和蓄热式换热。12 稳定传热与不稳定传热稳定传热 若传热系统中各点的温度仅随位置变而不随时间变，则此传热过程为稳定传热。不稳定传热 若传热系统中各点的温度既随位置变又随时间而变，则此传热过程为不稳定传热。第二节 热传导21热传导

2、的基本概念和付立叶定律付立叶定律 式中负号表示热流体方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传向低温。 22 导热系数付立叶定律中的比例系数 ，其值等于温度梯度下的热通量。因此，值表示了物质导热能力的大小，是表征物质导热性能的参数，称为导热系数。 23平壁的热传导 1仅限于讨论以下条件的热传导 稳定导热； 平壁面积与平壁厚度相比很大，热量只沿垂直壁面的方向作一维传导； 单层或多层平壁中每层都为均质材料，各层导热系数均为不随温度而变化的常数。 2通过单层平壁的导热速率方程式为： 导热通量表达式为： 3通过多层平壁的导热速度方程，根据串联过程的概念，利用速率与推动力和阻力之间的关系可以表示为： 导热通

3、量可表示为： 24圆筒壁的导热 1讨论仅限于如下条件：稳定导热、热量只沿径向传递的一维导热、无内热源、导热系数为常数。 2单层圆筒壁的导热速率方程：圆筒内外壁面的平均值 其中对于工程计算，当2时，可取或 3多层圆筒壁导热速率方程 应该注意，对于多层圆筒壁传导，通过各层的导热速率都相同，但热通量则由于各层平均传热面积不等而各不相同。 4导热速率与导热温差及热阻的关系 导热速率对于定态传热过程，通过各层的导热速率均相等。第三节 对流传热1.对流传热速率方程流体与壁面间的对流传热速率由牛顿冷却定律表达式：对流传热系数和传热面积以及温度差相对应。2. 对流传热系数的物理意义 称为对流传热系数，表示流体

4、与壁面间温差为时，单位时间通过单位面积以对流传热方式传递的热量。表示了对流传热的强度。第四节 传热计算41 热负荷的确定根据能量衡算，单位时间内热流体放出之热量等于冷流体吸收的热量，即 两流体均无相变化，则若热流体只有相变化而无温度的变化，例如饱和蒸气冷凝时， 42 总传热速率方程冷、热流体通过间壁的传热过程是热流体与壁面的对流传热，壁内的导热和另一侧壁面与冷流体的对流传热三个环节的串联过程。对于稳定传热过程，冷、热流体间的传热速率： 43 平均温度差1恒温传热：2变温传热：逆流或并流 当2时3错流和折流时的 按逆流计算，加以校正，即式中按逆流计算的对数平均温差，温差校正系数，=f(P，R)

5、， 44 总传热系数1.外表面为基准的总传热系数计算式为：2.热面积 传热面积式中：So换热器传热的外表面积，L换热器管长，n换热器的管子根数。第五节 对流传热系数关联式51影响对流传热系数的因数流体物性，主要是比热容、导热系数、密度和黏度；流体的流动状态；流动的原因是强制对流还是流体自然对流；传热面的形状、位置和大小；传热过程中有无相态变化。 52无相变时对流传热系数的关联式由对流传热过程的因次分析知，与对流传热有关的准数有：努塞尔特准数 Nu=；雷诺准数Re= ；普兰特准数 Pr=；格拉斯霍夫准数Gr=。对不同的传热情况，需选用不同的对流传热的关联式，注意关联式的使用条件：适用范围、定性温

6、度、特征尺寸。1 流体在管内作强制对流（1） 流体在圆管内作强制湍流 低黏度流体 (m<2m常温水) Ret Nu=0.023Re0.8Prn 流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。应用范围Re10000，0.7Pr120若 特征尺寸管内径di 。定性温度流体进、出口温度的算数平均值。 高黏度流体 (m>2m常温水) 应用范围Re10000，0.7Pr16700，60特征尺寸管内径di。定性温度除取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。令，为了避免试差，项可取近似值，液体被加热时取1.05；液体被冷却时取0.95；气体被加热和冷却时均用1.0。（2）流体在圆形直管

7、内作强制滞流应用范围Re2300，0.6Pr6700，100。特征尺寸管内径di。定性温度除取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。（3）流体在弯管内作强制对流 式中 弯管中的对流传热系数；直管中的对流传热系数；d管内径；R弯管的弯曲半径。（4）流体在非圆形管中作强制对流仍可采用圆形直管内强制对流关联式，管内径改为当量直径： 流体力学当量直径 传热当量直径在传热计算中，采用流体力学当量直径还是传热当量直径，由具体的关联式决定。 2 流体在管外作强制对流 列管式换热器壳方流体在管间流动时，对流传热系数：当列管式换热器装有圆缺型挡板时（缺口面积为25%的桥题解面积）应用范围Re=2×

8、1×特征尺寸管内径de。定性温度除取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。当量直径的计算管子为正方形排列 管子为正三角形排列 式中t相邻两管之中心距；do管外径。雷诺准数中的速度需根据流过管间的最大截面积A计算，即 式中 h两挡板间的距离；D换热器外壳直径。 53 流体有相变时对流传热系数 1 蒸气在管外膜状冷凝的传热系数 （1） 饱和蒸气在垂直管或垂直板上膜状冷凝Re1800 Re1800特征尺寸取垂直管长或板的高度 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下的值。（2） 蒸气在水平管外冷凝第六节 辐射传热61黑体、镜体、透热体和灰体的概念 黑体：能全

9、部吸收辐射能的物体，其吸收率。黑体又称为绝对黑体。 镜体：又称绝对白体，是指能全部反射辐射能，即反射率的物体。透热体：能透过全部辐射能，即透过全部辐射能，即透过率的物体。 灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到所有波长范围的辐射能物体。 62斯蒂芬波尔茨曼定律 .物体的辐射能力指物体在一定温度下，单位时间内所发射的全部波长的总能量（m2）。 黑体的辐射能力 的表达式斯蒂芬波尔茨曼定律： 63灰体的辐射能力及黑度 黑度：灰体的辐射能力E与同温度下黑体辐射能力之比。即灰体的辐射能力E可由下式表达第七节 换热器1各种类型的换热器的结构及特点套管式换热器套管式换热器是由两种大小不同的标准管连接或焊接

10、而成的同心圆套筒，根据换热要求，可将几段套筒连接起来组成换热器。夹套式换热器夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成，可以焊在器壁上或者用螺钉固定在反应器的法兰盘或者器盖上。在用蒸气进行加热时，蒸气由上部连接管进入夹壁，冷凝水由下部连接管流出。在进行冷却时，则冷却水由下部进入，而由上部流出。板式换热器主要由一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可达到密封的目的，且可用垫片的厚度调节两板间流体通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有两个圆孔和板面上的流道相通，另外两个圆孔则不相通，它们的位置在相邻板上

11、是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过金属板片进行换热。翅片式换热器翅片换热器的构造特点是在管子表面上有径向或轴向翅片。管外装置翅片，既可扩大传热面积，又可增加流体的湍动，从而提高换热器的传热效果。板翅式换热器板翅式换热器的结构型式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板(平隔板)间，夹入波纹状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当地排列，再用钎焊给予固定，即可得到常用的逆、并流和错流的板翅式换热器板翅式换热器的主要优点有： (1)总传热系数高，传热效果好。(2)结构紧凑、轻巧牢固。(3)适应性强、操作范围广。板翅式

12、换热器的缺点有： (1)设备流道小，易堵塞，压力降大；清洗和检修很困难。(2)隔板和翅片由薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。2列管式换热器传热计算的主要内容及方法；选适当的换热器。试算并初选设备规格 (1)确定流体在换热器中的流动途径； (2)根据传热任务计算热负荷Q； (3)确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性； (4)计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数； (5)依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K值； (6)由总传热速率方程，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。 计算管程、壳程压强降 根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止。 核算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K比较K的初设值和计算值，若KK1.151.25，则初选的换热器合适，否则需另设K值，重复以上计算步骤。 上述计算步骤仅为一般原则，设计换热器时，视具体情况