环境工程原理第四章传热

1、1第一节第一节 概概 述述 第四章第四章 传传 热热 一、传热过程的应用一、传热过程的应用（1 1）物料的加热或冷却）物料的加热或冷却（2 2）热量与冷量的回收利用）热量与冷量的回收利用 （3 3）设备与管路的保温）设备与管路的保温2二、传热的基本方式二、传热的基本方式 （一）热传导（一）热传导 气体气体 分子不规则热运动分子不规则热运动 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：特点：静止介质中的传热，静止介质中的传热，没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移3（二）热

2、对流（二）热对流 （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。 自然对流自然对流：由于流体内密度不同造成的浮升力：由于流体内密度不同造成的浮升力 引起的流动。引起的流动。 强制对流强制对流：流体受外力作用而引起的流动。：流体受外力作用而引起的流动。 能量转移能量转移、能量形式的转化能量形式的转化 不需要任何物质作媒介不需要任何物质作媒介 特点：特点：流动介质中的传热，流体作流动介质中的传热，流体作宏观宏观运动。运动。意义：意义：流体与固体壁面之间的传热过程。流体与固体壁面之间的传热过程。4三、基本概念三、基本概念 传热速率传热速率

3、Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位个传热面传递的热量，单位 J/s或或W。（一）传热速率与热流密度（一）传热速率与热流密度AQq 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：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位积传递的热量，单位 J/(s. m2)或或W/m2。5非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ（二）稳态与非（二）稳态与非稳稳态传热态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0t一维稳态传热一维稳态传热 xftqQ,6温度场温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。：某时刻，物体或空间各点的温

4、度分布。 （三）温度场（三）温度场非非稳稳态态温度场温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft,一维稳态温度场一维稳态温度场 xft 7等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点：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。 性质性质：（四）等温面（四）等温面l各等温面不相交；各等温面不相交；l同一等温面上的各点无热量传递；同一等温面上的各点无热量传递；l等温面法线方向上的温差变化率最大等温面法线方向上的温差变化率最大n n xt+ ttxnt Q8（五）温度梯度（五）温度梯度 ntnttgradn0limn n xt+ ttxnt Q 说明说明：l温度梯度是

5、向量，方向垂直于等温面，为法温度梯度是向量，方向垂直于等温面，为法线方向，以温度增加的方向为正。线方向，以温度增加的方向为正。l对于一维稳定温度场：对于一维稳定温度场：dxdttgrad 9四、两流体通过间壁换热过程四、两流体通过间壁换热过程 冷流体冷流体t1t2热流体热流体T1T2（一）间壁式换热器（一）间壁式换热器夹套式换热器夹套式换热器10管壁内侧管壁内侧热流体热流体对流对流)(1)1(Q（二）两流体通过间壁的传热过程（二）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热热流流体体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热传导热传导)(2)2(Q冷冷流流体体管管

6、壁壁外外侧侧对对流流)(3)3(Q稳态传热：稳态传热：QQQQ 32111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（三）总传热速率方程（三）总传热速率方程12一、傅立叶定律一、傅立叶定律 第二节第二节 热传导热传导dxdtAQ式中式中 Q 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； A 导热面积，导热面积，m2； dt/dx 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

7、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dxdtAQq（W/mW/m2 2) )13二、热导率二、热导率 dxdtqdxdtAQ/ 在数值上等于单位温度梯度在数值上等于单位温度梯度(1K/m)下的热通量下的热通量 = 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 表征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数141.1.固体热导率固体热导率 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

8、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 152.2.液体热导率液体热导率 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)163.3.气体热导率气体热导率 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)17t1t2btxdxQ三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导 （一）单层平壁热传导一）单层平壁热

9、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。18xtAQdd 210ttbAdtQdx bAQtt21积分：积分：热阻推动力RtAbttQ21xAQtt1温度分布：温度分布：（直线关系）（直线关系）)(21ttbAQ t1t2btxdxQ19 （二）多层平壁热传导二）多层平壁热传导假设：假设： 一维稳态传热，各层接一维稳态传热，各层接触良好，忽略热损失，触良好，忽略热损失，接触面两侧温度相同。接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t320AbttAbttAbttQ334322

10、321121 总热阻总推动力iRttAbAbAbtttQ41332211321 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 各层的温差各层的温差21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。 tiRi,温度分布为一折线。 任一层内某点的温度（各层内的温度分布）： 第i层，先求ti ，再求tx推广至推广至n层：层： niiinniiiAbttAbtQ1111 xAQttiix22t1t2b11txb2b323t2t4t3思考：思考：

11、 如果如果b1=b2=b3 那么图中哪那么图中哪层的层的值最小？值最小？23四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导 （一）单层圆筒壁的热传导一）单层圆筒壁的热传导 特点：特点：传热面积随半径变传热面积随半径变化，化， A=2 rl(1)(2) 一维温度场，一维温度场，t沿沿r变化。变化。24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 1221ln)(2rrttlQ 讨论：讨论：RttlrrttQ2112212ln 11ln2rrlQttr（对数曲线关系）（对数曲线关系）251212ln2AAAAlrAmm 12rrb 对数平均面积对数平均面积热阻热阻1

12、212122lnrrrrlrrR 令令1212lnrrrrrm 对数平均半径对数平均半径mAb mAbttQ21rr212一般一般 时，时，221rrrm 26 （二）多层圆筒壁的热传导二）多层圆筒壁的热传导2731141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlQrrttlrrttlrrttlQ三层：三层：n层圆筒壁：层圆筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 28小小 结结u 传热的基本方式：传导、对流、热辐射；传热的基本方式：传导、对流、热辐射；u 传热速率方程；传热速率方

13、程；u 傅立叶定律；傅立叶定律；u 平壁热传导；平壁热传导；u 圆筒壁热传导；圆筒壁热传导；29一、对流传热过程一、对流传热过程第三节第三节 对流传热对流传热dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T230ttWTWTA2A1传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T t热流体热流体对流传热管壁内侧管壁内侧热传导管壁外侧管壁外侧对流传热冷流体冷流体l 湍流主体：温度梯度小，热对流为主湍流主体：温度梯度小，热对流为主l 层流内层：温度梯度大，热传导为主层流内层：温度梯度大，热传导为主l 过渡区域：热传导、热对流均起作用过渡区域：热传导、热对流均起作用31简化假定：全部阻力都集中在厚度

14、为简化假定：全部阻力都集中在厚度为t的有效膜内。的有效膜内。AttAQTT/T令：令：阻力推动力AtQ/1ttWTWTA2A1传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T t32式中式中 Q 对流传热速率，对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数，热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及热、冷流体的平均温度及 平均壁温，平均壁温，。 )(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33（一）影响因素（一）影响因素二、对流传热系数的影响因素二、对流传热系数的影响因素 相变化：相变化： 相

15、变相变 无相变无相变1.流体的性质及相状态流体的性质及相状态 影响较大的物性：影响较大的物性：，cp 2.流体的流动状态流体的流动状态 湍流湍流 层流层流343.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：自然对流：单位体积的浮升力单位体积的浮升力 gtgt 体积膨胀系数，体积膨胀系数，1/ C.)1(21t 由密度差而产生的单位体积的浮升力：由密度差而产生的单位体积的浮升力： tggtg 22221)1( 强制强制 自然自然 35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； 水平圆管：水平圆管：d 大小大小 平板、垂直放圆管：长度平板、垂直放圆管：长度

16、l和厚度和厚度H 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。36三、对流传热的特征数关系式三、对流传热的特征数关系式变量数变量数 8 8个个基本因次基本因次 4个：长度个：长度L L，时间，时间T T，质量，质量M M，温度，温度 无量纲特征数无量纲特征数（8-48-4）=4=4),(LtgCufp无相变时无相变时371. 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3. 普兰普兰特（特（P

17、randtl）数）数 Cp Pr反映流体的物性对对流传反映流体的物性对对流传热的影响热的影响384. 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对对流传热的影响的影响一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)或或简化：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, Gr)zyxGrANuPrReyxANuPrRezyGrANuPr1使用准数关联式时注意：使用准数关联式时注意：1. 应用范围应用范围: Re/Pr2. 特征尺寸：特征尺寸：d/de/l/H3. 定性温度定性温度: 流

18、体进出口温度的算术平均值流体进出口温度的算术平均值39强制强制对流对流自然自然对流对流无相变无相变有相变有相变蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾对流传热对流传热管外对流管外对流管内对流管内对流圆形直管圆形直管非圆管道非圆管道弯管弯管湍流湍流层流层流过渡流过渡流对流传热的分类：对流传热的分类：40四、无相变时四、无相变时对流传热系数的经验关联式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 nNuPrRe023. 08 . 0 流体被加热流体被加热 n=0.4流体被冷却流体被冷却 n=0.3（1）应用范围

19、：）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：流体进出口温度的算术平均值）定性温度：流体进出口温度的算术平均值（3）特征尺寸：管内径）特征尺寸：管内径41讨论：讨论：（1）加热与冷却的差别：）加热与冷却的差别： ,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 422 . 08 . 08 . 018 . 08 . 0023. 0)()(023. 0duCpCpud

20、dnnnn物性一定时：物性一定时：2 .08 .0du（2）影响因素：）影响因素：43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 44（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neeuddPr)(023. 08 . 0 实实 用当量直径计算。用当量直径计算。452. 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

21、数 8 . 15Re1061 ff校校正正系系数数湍湍过过湍湍过过 2300 Re 104463. 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，随热流方向不同，速度分布情况不同；速度分布情况不同；（2）自然对流造成了自然对流造成了径向流动，强化了对径向流动，强化了对流传热过程。流传热过程。对于液体对于液体4714. 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

22、 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径48（二）流体在管外强制对流传热（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49 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：502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51设置折流挡板目的

23、：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特征尺寸：特征尺寸：d de e , u, u52（三）自然对流时的对流传热系数（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 C、n n值及特征尺寸不同。值及特征尺

24、寸不同。 531. 蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式五、流体有相变时的对流传热五、流体有相变时的对流传热 滴滴 膜膜 （1）膜状冷凝）膜状冷凝（2）滴状冷凝）滴状冷凝冷凝过程的热阻冷凝过程的热阻冷凝液膜冷凝液膜（一）蒸汽冷凝时的对流传热（一）蒸汽冷凝时的对流传热542. 膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时的对流传热系数（1）水平管束外）水平管束外41032327250 tdngr /.2Wsttt 定性温度：定性温度：t tS Sr r，其它，其它膜温膜温 n水平管束在垂直列上的管数水平管束在垂直列上的管数r比汽化热比汽化热55（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝rt

25、l4Reusude4RetltArqQm56层流层流413213. 1 tlgr Re1800湍流湍流4 . 0312320077. 0Reg 特性尺寸：管或板高特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温定性温度：膜温 573.影响因素和强化措施影响因素和强化措施(3)蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，同向时， t ， ；反向时，；反向时， t ， ； u ，(1) 液体物性液体物性 ， ， r (2) 不凝气体不凝气体 不凝气体不凝气体存在，导致存在，导致 ，需定期排放。，需定期排放。(4) 蒸汽过热蒸汽过热 r=r+cp(tv-ts) 影响较小影响较小58(5) 强化措施：

26、强化措施： 目的：减少冷凝液膜的厚度目的：减少冷凝液膜的厚度 水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。59（二）液体沸腾时的对流传热（二）液体沸腾时的对流传热大容积沸腾大容积沸腾 管内沸腾管内沸腾1. 沸腾现象沸腾现象在粗糙加热面的细小凹缝处：在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心汽化核心 生成汽泡生成汽泡 长大长大 脱离壁面脱离壁面新汽泡形成新汽泡形成搅动液层搅动液层60沸腾必要条件沸腾必要条件： 过热度过热度 t=t=（t tt ts s）00 存在汽化核心存在汽化核心

27、推动力推动力 （twts）水沸腾曲线水沸腾曲线沸腾三个阶段：沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、自然对流、核状沸腾、膜状沸腾膜状沸腾工业上采用核状沸腾工业上采用核状沸腾 大，大，tW小小612. 影响因素及强化措施影响因素及强化措施 ,（2）温度差）温度差 核状沸腾阶段核状沸腾阶段: t2.5， t stp（1）液体的性质）液体的性质 （3）操作压力）操作压力62（4）加热面）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，新的、洁净的、粗糙的加热面， 大大 （5）强化措施）强化措施表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒，定期除垢；表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒，定期除垢；加表面活性剂（乙醇、丙酮等），降低

28、表面张力。加表面活性剂（乙醇、丙酮等），降低表面张力。63小小 结结 对流传热过程对流传热过程对流传热系数的计算：无相变化和有相变化对流传热系数的计算：无相变化和有相变化对流传热的特征准数关联式对流传热的特征准数关联式64 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算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 65管壁一侧热流体对流)(1) 1 (Q管壁另一侧管壁一侧热传导)(2)2(Q冷流体管壁另一侧对流)(3)3(QttWTWTA2A1传热

29、壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T t66一、热量衡算一、热量衡算前提：前提：定态流动；稳态传热；定态流动；稳态传热；cp为常数；为常数；K为常数为常数QQQQ321流体无相变化：流体无相变化：)()(12222111ttcqTTcqQpmpm流体一侧有相变化：流体一侧有相变化：)(12221ttcqrqQpmm)()(1222211ttcqTTcrqQpmspm67（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二、传热平均温度差二、传热平均温度差逆流逆流并流并流错流错流折流折流681. 逆流与并流逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T

30、2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流69对于微元对于微元dA：dtcqdTcqdQpmpm2211ConstcqdQdtConstcqdQdTpmpm221111T1T2t2t1Q2t 1t tTt ConstcqcqdQtTddQdtdQdTpmpm221111)(QttdQtd212. 两流体两端的温度差分别为两流体两端的温度差分别为t1 、t2, t1 t270QtttdAKtd21分离变量并积分：分离变量并积分：KAQtttt2121ln2121lntttttm对数平均温度差对数平均温度差 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用； 当当 t1/ t22，则可用算术

31、平均值。，则可用算术平均值。 当冷热流体的进出口温度一定时，当冷热流体的进出口温度一定时， tm逆逆 tm并并 。 单侧变温时，两种流动方式的平均温度差大小相同。单侧变温时，两种流动方式的平均温度差大小相同。71逆mmtt),(流向RPf1221ttTTR 冷冷流流体体温温升升热热流流体体温温降降1112tTttP 两流体初温差两流体初温差冷流体温升冷流体温升2. 错流与折流错流与折流查图查图 1 tm 0.9若若 0.8，温差损失大，传热不稳定；，温差损失大，传热不稳定；改变流向或增加壳程数改变流向或增加壳程数72（三）流向的比较（三）流向的比较1. 所需传热面积所需传热面积并并并并逆逆逆逆

32、mmtKAtKAQ 逆逆并并mmtt 并并逆逆AA 逆流优于并流。逆流优于并流。732. 载热体消耗量载热体消耗量t1t2T1T1T2并并T2逆逆加热任务：加热任务：t1t2（T2并并）min=t2（T2逆逆）min=t1逆逆并并)()(2121TTTT 1111()()mPmPq cq c 并并逆逆 逆流优于并流。逆流优于并流。)()(12222111ttcqTTcqQpmpm743. 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

33、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能过高或过低的场合。75三、总传热系数三、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）总传热系数计算物理意义：表征间壁两侧流物理意义：表征间壁两侧流 体传热过程的强弱程度。体传热过程的强弱程度。 76 管内对流管内对流)(ddw223ttAQ )(ddw111TTAQ 管外对流管外对流)(ddwwm2tTbAQ 管壁热传导管壁热传导稳态传热稳态传热 321ddddQQ

34、QQ 22wmww11wd1dd1dAttAbtTATTQ 22m11d1dd1AAbAtT 7722m11d1dd1d1AAbAAK （1）平壁或薄壁管）平壁或薄壁管 dA=dA1=dA2=dAm21111 bK讨论：讨论：（2）以外表面为基准）以外表面为基准 (dA=dA1) 212m111dd1dd11AAAAbK 78212m111111ddddbKdlA K1以外表面为基准的总传热系数，以外表面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（3）以内表面为基准：）以内表面为基准：d1/d2A计

35、计 或或 Q换换 Q需要需要， 换热器合适。换热器合适。 五、传热计算五、传热计算842. 操作型计算操作型计算（1）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， T2， qm2 、t1 ，t2 校核传热速率或出口温度是否满足生产要求。校核传热速率或出口温度是否满足生产要求。注意：列管式换热器中注意：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（2）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t285一、基本概念一、基本概念1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 热

36、辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。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五节第五节 热热 辐辐 射射86Q 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 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 87 黑体：黑体：1 白体白体(镜体镜体)：1 透热体：透热体：1 灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体灰体：以相同的吸收

37、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 + =188二、物体的辐射能力二、物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能所发射的全部辐射能(波长从波长从0到到 ), E, W/m2 黑体辐射常数黑体辐射常数, 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表明，热辐射对温度特别敏感四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感4()100bTC Cb黑体辐射系数黑体辐射系数, 5.669W/(m2 .K4)AQE 89

38、 （二）实际物体（二）实际物体黑度：黑度： bEE T2E1Eb（1- 1）Eb 1Eb 灰体灰体 黑体黑体 克希霍夫定律克希霍夫定律bEEq11bEE1191 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92（一）辐射传热速率（一）辐射传热速率四、两固体间的相互辐射四、两固体间的相互辐射44121 21 2()() 100100TTQCA 1 212bCC

39、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 1 193 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 A2 A1，可以无限大平壁计算，可以无限大平壁计算A A2 2 A A1 1, ,则则 C1-2=C1=Cb 194 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. 表面黑度的影响表面黑度的影响 ，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. 辐射表面间介质的影响辐射表

40、面间介质的影响 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95五、高温设备及管道的热损失五、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) 96（1）空气自然对流，）空气自然对流，tW5m/s )(07. 0

41、8 . 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 时时，需考虑温度热补，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：1042. 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1053. U型管式型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。106三、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

42、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，应增加壳程数；加壳程数； 由由u和和qm估算单管程的管子根数，由管子根数估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。当型号的换热器。1075. 核算核算K 分别计算管程和壳程的分别计算管程和壳程的 ，确定垢阻，求出，确定垢阻，求出K，并与估算的，并与估算的K进行比较。如果相差较多，进行比较。如果相差较多，应重新估算。应重新估算。6. 计算计算A 根据计算的根据计算的K

43、和和 tm，计算，计算A，并与选定的换，并与选定的换热器热器A相比，应有相比，应有10%25%的余量。的余量。108(1) 流体流程选择流体流程选择管程：管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体壳程：壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体原则：传热效果好，结构简单，清洗方便原则：传热效果好，结构简单，清洗方便(2) 流体流速的选择流体流速的选择u选择是经济权衡，要避免层流流动选择是经济权衡，要避免层流流动 u K ，在同，在同Q、 tm下下A ，节省设备费，节省设备费uhf ，操作费用增加，操作费用增加109(3) 换热器中管子的规格和排列方式换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：管子的规格： 19