化工原理传热课件(精品)

1、1第4章 传热2主要内容 4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 对流传热系数关联式 4.5 传热过程计算 4.6 辐射传热 4.7 换热器3基本要求l了解热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；l了解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件及注意事项； l了解辐射传热的基本概念及基本定律；l熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径； l了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。44.1 概述第

2、4章 传 热5传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求概述传热的推动力温度差 传热的方向高温向低温 64.1 概述4.1.1 传热的基本方式第4章 传 热71.热传导（又称导热） 若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。 电热炉烧水 相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部热传导(导热)发生在81.热传导（又称导热）热传导的机理 在金属固体中，热传导起因于自由电子的运

3、动； 在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的； 在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。9 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。 热对流仅发生在流体中。 依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：对流2.热对流（对流）自然对流强制对流10 流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。2.热对流（对流）对流传热注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。113.热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是

4、：热辐射 不需要任何介质，可以在真空中传播； 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移； 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。124.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式131. 直接接触式换热和混合式换热器142. 蓄热式换热和蓄热器 热流体 蓄热式 153.间壁式换热和间壁式换热器热流体侧的对流传热 间壁的导热冷流体侧的对流传热三个串联传热环节图4-3 间壁两侧流体间传热对流传热导热对流传热164.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）

5、热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器171. 套管式换热器182. 管壳式换热器壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵向横向192. 管壳式换热器20图4-5 单程管壳式换热器1-外壳 2-管束 3、4-接管 5-封头 6-管板 7-挡板 8-泄水池 2. 管壳式换热器动画212. 管壳式换热器图4-6 双程管壳式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板动画224.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4.1.4 传热速率和热通量23q，单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。RtQdSdQq Q，单位时

6、间内通过传热面的热量，J/s，W。Rtq基本概念传热速率热通量整个传热面的热阻单位传热面积的热阻传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻244.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4.1.4 传热速率和热通量4.1.5 稳态传热和非稳态传热25稳态传热和非稳态传热),(,zyxfTqQ),(,zyxfTqQ如不加说明一般都指稳态传热过程。物理量不随时间而变物理量不随时间变化稳态传热非稳态传热264.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4

7、.1.4 传热速率和热通量4.1.5 稳态传热和非稳态传热4.1.6 载热体及其选择27 在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。1. 定义起加热作用起冷却作用 载热体高温载热体（加热剂）低温载热体（冷却剂）282. 载热体的选择及常用载热体l 载热体的温度易调节控制； l 载热体的饱和蒸气压较低,加热时不易分解； l 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；l 价格便宜，来源容易。 载热体的选择要求加热剂适用温度，热水40100饱和蒸汽100180矿物油180250联苯混合物255380（蒸汽） 熔盐142530烟道气加热剂10

8、00冷却剂 适用温度，水080 空气30盐水015氨蒸汽 非金属固体 液体 气体 T ， 气体， 水，其它液体的 。334.2 热传导4.2.1 基本概念和傅里叶定律4.2.2 导热系数4.2.3 通过平壁的稳态热传导341.单层平壁的热传导假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失。 图4-8 单层平壁热传导35对平壁一维稳态热传导 ddtQSx 积分并整理得12()SQttb1.单层平壁的热传导xtdSdQ热阻推动力Rt Sbtt21 导热热阻单层平壁的热传导速率方程式362.多层平壁的热传导图4-9 三层平壁热传导假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一

9、维稳态； 忽略热损失； 没有接触热阻。 372. 多层平壁的热传导热阻推动力 QSbttSbttSbtt334322321121总热阻总推动力 SbSbSbtt33221141 显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数推广至n层平壁，11niitttQbRS多层平壁的热传导速率方程式382. 多层平壁的热传导 321332211433221:RRRSbSbSbtttttt 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。t1t2123t2t4t3温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。213RRR213213ttt392. 多层平壁的热传

10、导影响因素：接触材料的种类及硬度接触面的粗糙程度接触面的压紧力空隙内的流体性质 接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻接触热阻404.2 热传导4.2.1 基本概念和傅里叶定律4.2.2 导热系数4.2.3 通过平壁的稳态热传导4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导41图4-11 单层圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导假设：一维稳态温度场。Q为常数，但传热面积S和热通量q均随半径而变。42通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 dd(2)ddttQSrLrr 12212ln()ttQLr r积分并整理得微分式 积分式 1.单层圆筒壁的热传导43可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式 其中:

11、圆筒壁的对数平均面积1.单层圆筒壁的热传导或SbttQ21 壁：平mSbttQ )(21 单层圆筒壁的热传导速率方程式21m21lnrrrrr圆筒壁的对数平均半径LrSmm21212/lnSSSSSm注：当 r2/r1TWTTW热流体511. 对流传热速率方程iwidSTTadQ)( owodSttadQ)( 对热流体而言：对冷流体而言：若热流体走管内，冷流体走管外：具体表达式：热流体冷流体twTwtT521. 对流传热速率方程热流体冷流体twTwtT采用平均传热系数表示：tSQ 流体与壁面温差的平均值平均对流传热系数St 1 对流传热热阻牛顿冷却定律思考：写出图示的冷、热流体牛顿冷却定律的具

12、体表达式？牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律。532. 对流传热系数tSQ物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)；反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。542. 对流传热系数 KmWKmW22/10020/255：强制对流自然对流 KmWKmWKmWKmW2222/250002500/150005000/150001000/1000200：水沸腾蒸汽冷凝强制对流自然对流空气中水中无相变有相变 自然强制 gl 总之： KmWKmW22/2

13、000500/150050：蒸汽冷凝强制对流油类中的量级554.3 对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介56 对 流 传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热图4-13 对流传热的温度分布情况1.对流传热分析57层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层传热方式热传导热传导和对流对流1. 对流传热分析温度梯度 较大居中较小热阻 较大居中较小 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。582. 热边界层 靠近壁面的存在温度梯度的薄流

14、体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层图 4-14 平板上的热边界层o59 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即 wddd ()dtQSy 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度2. 热边界层 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为wwd()d1 ( d )TTQTTSS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温 换热器任一截面上热流体的平均温度60wwwdd()()ddttTTyty 因此有 上式为对流传热系数的另一定义式，该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该

15、式求得。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而就愈大。反之，则相反。2.热边界层61 流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。 流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到达到基本稳定的这一段距离称为进口段。2. 热边界层624.3 对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介4.3.3 保温层的临界直径63保温层的临界直径0

16、odrdQ令总阻力总推动力 Q LrrrLttoiof 21ln 211 问题：保温层越厚，保温效果越好吗？c/r c2/d 或临界半径 临界直径 211RRttf omiOfSSrrtt 11 64保温层的临界直径图4-15 保温层的临界直径dc002222 drdQrdrdQr，时当时当 故Q有极大值。654.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程4.4.4 总传热速率方程的应用4.4.5 传热单元数法66换热器的热负荷（传热任务） 21TTcWQphh WrQ 热流体：Wh cph T1冷流体：Wc cpc

17、t1冷流体: t2热流体：T2（1）无相变时：（2）有相变时（无温度变化）：假设无热损失，则：热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。 12ttcWQpcc 67热量衡算式（3）有温变也有相变过程, 需分段计算例: 在1atm下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为60 水,求单位时间放出的热量。120 蒸汽100 蒸汽 100 水 60 水)100120(1gWCQWrQ 2)60100(3水WCQ321QQQQ123684.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数69 通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即

18、d()dQK TtS1.总传热速率微分方程热流体冷流体tT70 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。ood()dQK TtSiid()dQK TtSmmd()dQKTtS总传热速率微分方程1. 总传热速率微分方程71显然有 oiiiooddKSdKSdommmooddKSdKSd管内径管外径平均管径 工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。 1.总传热速率微分方程ldnSooldnSmmldnSii722. 总传热系数 总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数 1

19、/K 称为传热过程的总热阻。 取得K的途径:（1）分析计算（2）实验查定（3）经验数据73 两流体通过管壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热； 通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。2. 总传热系数1）总传热系数的计算热流体冷流体twtTwT74 对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即 iwiwwmowod()d()d()dQTTSTtSttSbwwwwiimod11dddoTTTtttQbSSS或2. 总传热系数移项后相加，得热流体冷流体twtTwToomiidSdSbdStT 11 oomiiWWWWdSdSbdStttTTTdQ

20、11)()()( 75oooiiomd1dQTtdbdSdd2. 总传热系数上式两边均除以 odS，并利用ooooiimmdd,ddSdSdSdSd，得比较 ood()dQK TtSiid()dQK TtSmmd()dQKTtS76iiiimoo11Kbddddmiioomm1Kdbdddoooiimo11Kdbddd基于管内表面积的局部总传热系数 基于平均表面积的局部总传热系数 基于管外表面积的局部总传热系数 得2. 总传热系数77设计中应考虑污垢热阻的影响，即 ooosisooiiimo11ddbdRRKddd管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验

21、值可查附录。2. 总传热系数污垢热阻(又称污垢系数) 因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。78提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻oooosisooiiim11ddbdRRKddd壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻2. 总传热系数792. 总传热系数iK1110对平壁或薄管壁，ddi do dm，且管壁热阻和污垢热阻可以忽略。ioiiosimosoddddRddbRK11100iK管壁内侧对流传热控制io, 若管壁内、外侧对流传热控制相当若io，则io若管壁外侧对流传热控制oK，则80l 欲

22、提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。 l 当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。 o,i 2. 总传热系数812. 总传热系数2）K的实验查定mtKSQ3）总传热系数的经验值（查P229表4-6）在有关传热手册和专著中载有某些情况下 K 的经验数值，可供设计参考。82练 习 题 目思考题作业题: 3、41.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点。2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分？在强化传热中，如何有效地减小热阻？834.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程84 传

23、热为稳态操作过程； 两流体的比热容均为常量(可取为换热器进、出口下的平均值)； 总传热系数K为常量，即K值不随换热器的管长而变化； 换热器的热损失可以忽略。d()dQK TtS为了积分式，作以下简化假定：85( - )QKS T tKS t冷流体温度 热流体温度 1.恒温传热时的平均温度差Tt蒸汽冷凝液体沸腾tSd()dQK TtS861)逆流和并流时的平均温度差逆流并流2.变温传热时的平均温度差图4-16 变温传热时的温度变化(a)逆流 (b)并流87 以逆流为例，推导出计算平均温度差的通式。hhddpQW cT 常量ccddpQW ct常量二、变温传热时的平均温度差dTcWdQphhdtc

24、WdQpcc88因此， 及 都是直线关系，可分别表示为 QTQtTmQktm Qk2. 变温传热时的平均温度差 两式相减) () (kkQmmttTt与Q呈直线关系。89图4-17 逆流时平均温度差的推导2. 变温传热时的平均温度差9021d()dtttQQ21d()dtttK t SQ由前述假定知K为常量，故积分上式可得21m21lnttQKSKS ttt总传热速率方程式2.变温传热时的平均温度差因此tdSKdQ9121m21lnttttt对数平均温度差上式为逆流和并流时计算平均温度差的通式。 在工程计算中，当 时，可用算术平均温度差（ ）代替对数平均温度差，其误差不超过4%。21/2tt

25、m12()/ 2ttt 2.变温传热时的平均温度差922）错流和折流时的平均温度差2.变温传热时的平均温度差图4-18 错流和折流示意图(a)错流 (b)折流错流 折流 93mmttt温差校正系数 ( ,)tf P R 采用安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法 2. 变温传热时的平均温度差2）错流和折流时的平均温度差按逆流计算的对数平均温差 错流和折流的平均温差 9412221111TTRttttPTt热流体的温降冷流体的温升冷流体的温升两流体的最初温度差 温度差校正系数t值可根据P和R两因数从图4-19中的相应图中查得。2. 变温传热时的平均温度差95温差修正曲线 (P

26、232)96 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。 t 通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。 t2. 变温传热时的平均温度差972. 变温传热时的平均温度差3）流向的选择任务:冷流体被加热,求加热剂消耗量。)()(min21minTTcQWphh（1）流体最终温度和载热体消耗量比较:T1T2t1t2并流minmin(）并并，逆逆，hhWW 逆流:t1并流:t2逆流T1T2t1t2982. 变温传热时的平均温度差（2）传热温差的比较Ct4801Ct7029521270480ln7048

27、0并mtCt4201Ct13023247130420ln130420逆mt并逆mmtt500C 20C150C 80C并流500C 80C150C 20C逆流2121lntttttm 992. 变温传热时的平均温度差总结：l 一般情况下，逆流优于并流，工程上，多采用逆流操作：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大，传递相同热量Q，所需传热面积小，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。l 某些情况下，只能采用并流操作：（1）热敏性物料的加热，采用并流可避免出口温度过高影响产品质量；（2）高温换热器中，逆流时t2和T1集中在一端，采用并流，可降低该处壁温，延长换热器使用寿命。

28、100小 结LMTD法-对数平均温差法 1212lntttttm （逆、并流）（其他流动情况）mtmtt1014.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程4.4.4 总传热速率方程的应用1021. 传热面积的计算C 2 .181030ln1030mootSKQ wTTCWQphh118800)3080(190025. 1)(21 170015 .2225.450025. 020258501 )./(7 .4712KmwKo S =？28 .132 .187 .471118800mSo80C50C30C20C能否用并流

29、？2121lntttttm 0000111 miiddbddK1032. 实验测定总传热系数K例:为测定一台列管式换热器的K,将1100m3/h(标态)压缩空气经换热器从140冷却至60,冷却介质为水,水温从28 升到38 (逆流),该换热器规格为:252 2200mm;n=91根。此换热器在此操作条件下K=?mOOtSKQ W31891)60140(10009. 1293. 1360011003)(21TTcWQphh)(21TTcVphh0C100C查哪个温度？27 .152 . 2025. 091mldnSooCtm4 .6032102ln32102140C38C60C28C)./(63

30、.332KmWKo1043. 换热器的操作型计算例：有一逆流操作的换热器,热流体为空气,1100 W/(m2 ),冷却水走管内,22000 W/(m2. )。已知t120 , t285 , T1100 ,T270 ,忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时,试求: （1）水和空气的出口温度t2和T2； （2）热流量Q 比原热量Q增加多少？比较原工况和新工况解：对原工况：)()(2112TTCWttCWQphhpcc mtKSQ 12211221ln)()(tTtTtTtTKS 105 pccphhphhCWCWCWKStTtT1ln1221（原工况）同样： pccphhphhCWCWC

31、WSKtTtT1ln1221（新工况）)/(2 .95200011001111121CmWK )/(2 .97211128 . 01CmWK pccphhpccphhCWCWCWCWKKtTtTtTtT11lnln12211221其中：17. 22112 TTttCWCWpccphh09. 12 pccphhpccphhCWCWCWCW106)()(2112TTCWttCWQphhpccCtCT8 .638 .592234. 1)() (2121TTCWTTCWtKtKQQphhphhmm0946. 0ln1221tTtT1074.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分

32、方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程4.4.4 总传热速率方程的应用4.4.5 传热单元数法108问题：在操作型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传热速率方程式的对数项中)，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，比较麻烦。解决方法：传热单元数（NTU）法手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个。概述1091. 传热效率maxQQ实际的传热量最大可能的传热量换热器的传热效率定义为 假设换热器中流体无相变化及热损失可忽略，则Q可由换热器的热量衡算式得到：hh12cc21ppQW cTTW ctt110最大可能的传热量可用下式表示，maxmin11()()pQW

33、cTt 式中Wcp 称为流体的热容量流率，下标min表示两流体中热容量流率较小者，并称此流体为最小值流体。换热器中可能达到的最大温差 较小者具有较大温差 1. 传热效率111cc2121ccc1111()()ppW cttttW cTtTt 若冷流体为最小值流体，则传热效率为 hh1212hhh1111()()ppW cTTTTW cTtTt如果热流体为最小值流体，则传热效率为1. 传热效率1122. 传热单元数NTUdStTKdtcWdTcWdQpccphh)( 对冷流体：pcccWKdStTdt SpccttcWKdStTdt021pcccWKS cNTU)(基于冷流体的传热单元数113对

34、于热流体，同样可写出基于冷流体的传热单元数基于热流体的传热单元数2. 传热单元数NTUpccttccWKStTdtNTU 21)(phhTThcWKStTdTNTU 12)(1142. 传热单元数NTUpccttccWKStTdtNTU 21)(pcccWdLnK)( 21ttpcctTdtdKncWL ccNTUHL)( 传热单元数的物理意义:传热单元长度，Hc传热单元数(NTU)c管长115 温度的量纲为1的函数，反映传热推动力和传热所要求的温度变化。若传热推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需要的传热单元数愈少。 长度量纲，是传热的热阻和流体流动状况的函数。若总传热系数愈大，即热阻愈小

35、，则传热单元长度愈短，所需传热面积愈小。2.传热单元数NTU传热单元数传热单元长度ccNTUHL)( 21)(ttctTdtNTUdKncWHpccc 1162. 传热单元数NTUmtT)( 温升（或温降）平均传热推动力 即：什么是传热单元数？ 传热单元的个数就是传热单元数。21)(ttctTdtNTUccNTUHL)(HcT2T1t1t2Th2Th1tc1tc2L以逆流为例，将整个传热面分成若干段，每段为一个传热单元，应满足：22112/)()(chchtTtT12cctt117若冷流体为最小值流体，则若热流体为最小值流体，则minccmaxhh, ppCW cCW cminhhmaxcc,

36、 ppCW cCW c3.传热效率与传热单元数的关系118 对一定形式的换热器，可推导出传热效率和传热单元数的关系。3.传热效率与传热单元数的关系单程并流换热器minminmaxminmax1 exp ()(1)1CNTUCCC119对于单程逆流换热器，minminmaxminminminmaxmax1 exp ()(1)1exp ()(1)CNTUCCCNTUCC1）当两流体中任一流体发生相变时 min1 exp ()NTU 3. 传热效率与传热单元数的关系2）当两流体的热容流率相等，即 1NTUNTUminmax1CC时1203. 传热效率与传热单元数的关系说明：对任一流体， 三者之间存在

37、一定的关系，已知两者可求第三者。避免反复试算； 对于并流、错流、折流等复杂流动，均可推导出 的关系式。为便于计算，通常绘成算图（P241图4-224-24 ），以供查用。maxminCCNTU、 maxminCCNTU、 1214. 传热单元数法的应用mphhpccphhtTTCWKSNTUTTttCWCWCCtTTT 21min2112maxmin1121 mpccphhpcctttCWKSNTUttTTCWCWCCtTtt 12min1221maxmin1112 若热流体是最小值流体：若冷流体是最小值流体： 应用传热单元数法的解题思路： 判断最小值流体；1223. 传热效率和传热单元数的关

38、系 确定待求项包含在 哪个参数？ 求出另外两个已知参数； 根据 三者的关系（可查图4-2225，也可用相应公式算，将未知参数求出，进一步求出待求项。maxminCCNTU、 maxminCCNTU、 一般说来，换热器的设计型计算宜用平均温度差法，换热器的操作型计算宜用-NTU法。123例1：逆流操作，空气1100W/ (m2 )，冷却水走管内22000W/(m2)。已知t120，t285，T1100 ，T270 ，忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时，试求(1)t2和T2(2)Q /Q？cphhpcccRcWcWR2 phhpccccWcWR 1221ttTT 46. 0 92.

39、0 cR)/(2.972111228.01CmWK cpcccNTUKKcWSKNTU2 23. 2 pccccWKSNTU 14. 1 cNTUmttt 12)/(2 .952000110011111221CmWK 查p241图4-23有：54. 02 1112tTtt Ct 8 .632phhpccccWcWR 1112tTttc pccccWSKNTU 冷流体为最小值流体，以冷流体作计算基准。124 水 t2 2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 1=1.5 kW/m

40、2K 125 20187. 4801500 . 22 tCt 4 .532 CtTtTtTtTtttttm 9 .76lnln122112211212，逆，逆skJTTcWQphh4 . 8801500 . 2360021621解一： LMTD 法5 . 3102. 05 . 1025. 01121iooddKKmkWKo2894. 0逆逆motLdKQmL56. 1 逆逆逆流时：(以外表面为基准) 水 t2 2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 1=1.5 kW/m2K

41、126Ct 4 .532 CtTtTtTtTtttttm 1 .65lnln221122111212，并并mtdKQLm83. 1 并并外外并并 并流时：Q、t2、Ko与逆流时相同 skJQ4 . 8 KmkWKo2894. 0(以外表面为基准) 水 t1=20 2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t2 1=1.5 kW/m2K 解一： LMTD 法127逆流时：解二： -NTU法代入式(1)得：910.0 478. 0187. 40 . 2 pcphcc538. 020150801

42、50 水 t2 2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 1=1.5 kW/m2K pccphhcWcWCC maxmin1121tTTTh phhhcWKSNTU )1(1)(exp11)(exp1maxminminmaxminmaxminmin CCNTUCCCCNTU 以热流密度最小的热流体为基准计算。1285 . 3102. 05 . 1025. 01121iooddKKmkWKo2894. 0(以外表面为基准)mdKL56. 136000 . 2216910. 0 外

43、外逆逆 解二： -NTU法前面已求得：129解二： -NTU法并流时：478. 0187. 40 . 2 pcphpccphhhcccWcWR538. 020150801501121 tTTTh 07. 1 phhhcWKSNTU代入式(2)得：mdKL83. 136000 . 221607. 1 外外并并 ）（2CC1CC1(NTU)exp1maxminmaxminmin/ 130练 习 题 目思考题作业题: 7、10、141.对数平均温度差值与哪些因素有关？2.试分析平均推动力(tm)法和传热单元(NTU)法间的关系。3.在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8？ 131

44、4.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流传热系数4.5.4 流体有相变时的对流传热系数4.5.5 壁温的估算132a的影响因素1.流体的种类和相变化情况:2.流体的特性: 3.流体的温度4.流体的流动状态:5.流体流动的原因：6.传热面的形状、位置和大小al ag， a相变 a非相变a湍流 a层流a强制对流 a自然对流形状：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。Re;Re ; ;cpcp ； 1334.5 对流传热系数关联式

45、4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析134对流传热分类 :(从大类小类具体情况)对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流(层流) 对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。1351. 3个无因次数群努塞尔数(Nusselt number) 表示对流传热系数的准数； 反映物性的影响。一般，气体的Pr1 lNu 1）2） pc Pr普朗特数(Prandtl number)1361. 3个无因次数群3）4）雷

46、诺数(Reynolds number) 表示惯性力与黏滞力之比，是表征流动状态的准数； 格拉晓夫数(Grashof number)表示自然对流影响的准数。 ul Re223 tlgGr 1372.准数关联式(,)NuRe Pr强制对流（无相变）传热时的准数关联式 (,)Nuf Gr Pr自然对流（无相变）传热时的准数关联式 具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意以下问题。 定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。 特性尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。1384.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流

47、传热系数1391. 流体在管内作强制对流2080.du dNu pcPr 思考： 与u、d有何比例关系？（4-70）1）流体在圆形管内作强制湍流1400.80.023nNuRe Pr 情况流体被加热被冷却液体气体被冷却情况怎样？思考：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？层流底层温度高于平均温度, 减小,层流底层变薄, 变大。Pr1; Pr0.4Pr0.3层流底层温度高于平均温度, 更大,层流底层更厚, 更小。Pr1; Pr0.4Pr0.31411. 流体在管内作强制对流Why？Why？因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。 若使用条件不满足上述条件时，需修正： （1）对于短管，L/

48、d10m/s ） 同向时， ；反向时， ； u （4）不凝气体 ： 不凝气体存在，导致 ，定期排放。（5）冷凝壁面的影响： 沿冷凝液流动方向上液膜增厚， 1491. 蒸汽冷凝 4）膜状冷凝传热的强化减薄冷凝液液膜厚度；l 选择正确的蒸汽流动方向；l在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。1502. 液体沸腾 管内沸腾大容积沸腾产生沸腾现象的必要条件： 有汽化核心液体过热0swttt粗糙不平的地方151 log 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾 过热度（tw-ts） 2. 液体沸腾1）液体沸腾曲线核状沸腾在工业上具有重要意义 优点：大，tW小。动画1522. 液体沸腾2）沸腾传热系数的计算见P

49、260式4-914-953）影响沸腾传热的因素（1）液体的性质 ,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）（3）操作压强stp（2）温差在核状沸腾阶段温差提高，（4）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1534.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流传热系数4.5.4 流体有相变时的对流传热系数4.5.5 壁温的估算自学）1544.5.5 壁温的估算在计算给热系数以及设备的热损失时，需要知道壁温，此外，在选择换热器类型和管材时，也需要壁温数据。 siiwWwsoWoRttbtTRTt

50、Qio11如忽略壁面厚度的影响，wwtT 热阻较小，siiwsoWoRttRttio11tW接近总热阻（ ）较小一侧流体的温度。 sR 1155练 习 题 目思考题1.为什么流体有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数？2为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高？3影响冷凝传热系数的因素有哪些？4. 液体沸腾曲线分为几段？作业题: 15、18156【例】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝温度为40，冷凝传热系数1=7000KW/m2K。冷却水走管内，其进、出口温度分别为32和36，污垢及管壁热阻取为0.0009 m

51、2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试校核该换热器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格 252.5mm；管长l=4m；管程数m=4；总管数N=272根；外壳直径 D=700mm 附：氨冷凝潜热 r=1099kJ/kg 34下水的物性：32994mkg KkgkJcp 174. 42sPa 52102 .74 KmW 6236. 02 97. 4Pr2 157 氨 T=40，950kg/h, 1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程

52、列管式 实需、S比较S24 .852724025. 0mNldS外实kWrWQ0 .290109936009501 12212ttcWrWQp skgW/37.172 CtTtTtttttttm 77. 5lnln12211212，逆，逆mtKQS 需需158smmNdWui/818. 0427202. 04199437.174122222 452102 .21916102 .7402. 0818. 0994Re 4 . 08 . 0PrRe023. 0 Nu4 . 028 . 0222PrRe023. 0id )160Pr7 . 0(2 KmW 24 . 08 . 05 .404397. 4

53、2 .2191602. 06236. 0023. 0 氨 T=40，950kg/h, 1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 32994mkg KkgkJcp 174. 42sPa 52102 .74 KmW 6236. 02 97. 4Pr2 1590009. 07000102. 05 .4043025. 011212RaddKioomtKQS需230 .6877. 56 .739100 .290m 24 .85 mS实实需SSKmWK 26 .739 氨 T

54、=40，950kg/h, 1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 1604.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热4.6.4 对流和辐射的联合传热161辐射辐射能热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程。 物体以电磁波方式传递的能量。 因热的原因引起的电磁波辐射。 概 述但具有实际意义的波长为 0.420 m。可见光：0.40.8 m 很高温度下才有明显作用红外线： 0.820 m 在热辐射中起决定

55、作用从理论上讲，热辐射的波长范围为 0;162基本概念DRAQQQQ 1DRAQQRQAQDQQAAQQRRQQDD吸收率反射率透过率 当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被物体吸收(QA),一部分被反射 (QR), 一部分透过物体(QD)。163基本概念 A=1, R=D=0。例如没有光泽 的黑墨表面，其吸收率 A=0.960.98。 R=1, A=D=0。例如表面抛光的铜，其反射率 R=0.97。 D=1, A=R=0。例如对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。黑体是一种理想化的物理，实际物体只能或多或少接近于黑体，但没有绝对的黑体。引入黑体的概念是理论研究的需要。

56、黑体（绝对黑体）镜体（绝对白体）透热体164基本概念l 固体和液体：D0，AR1l 气体：R0，AD=1一般来说， 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的 物体。工业上常见的固体材料均可视为灰体。 l 灰体是理想物体，实际物体的吸收率与波长有关，但对工业上常见固体材料，吸收率随波长变化不大，可视为灰体；l灰体的吸收率 A 与波长无关；l灰体为不透热体（A+R=1）。灰体1654.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律1661. 普朗克定律 单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射能量，用E表示，单位W/m2。1251 TCbeCE辐射能力普朗克定律1672.

57、斯蒂芬-玻尔兹曼定律0dEEbb0/5112decTc4040100TCTEb黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比黑体的辐射能力：斯蒂芬-波尔兹曼定律1682. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律灰体的辐射能力：bEE 黑度属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关，一般：l 粗糙程度对黑度影响很大，选用时应予标注；l 非金属材料的黑度值很高，一般在0.850.95之间可查P265表4-11。黑度黑体的辐射能力灰体的辐射能力1693. 克希霍夫定律与A的关系bEAEq11bEEA A 灰体 黑体 T T E1 Eb AEb bEA)1 ( l 可由物体的黑度知吸收率；l 善于辐射者必善于吸收；l 两者物

58、理含义不同：A表示由其他物体发射来的辐射能被吸收的分数；e表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数（热平衡时，q=0）1704.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热171E1, R1, T1E2, R2, T2E2板板1(灰体灰体)板板2(灰体灰体)T1 T2E2R1E2R1R2E2R1R22E2R1R222E1, R1, T1E2, R2, T2E1板板1(灰体灰体)板板2(灰体灰体)T1 T2E1R2E2R1R2E1R1R22E1R1R2221. 基本计算式图4-36 平行灰体间的辐射过程1721. 基本计算式 42412121

59、100100TTSCQ 总辐射系数角系数辐射面积净的辐射传热速率173S， 和 C1-2 的计算方法序号辐射情况面积 S角系数总辐射系数 C1-21面积极大相距很近的两平行面S1或S212面积有限且大小相等的两平行面S113很大的物体2包住物体1S114物体2恰好包住物体1，S1=S2S115界于3、4两种情况之间S11 111210 C 111210 C 11122110 AAC021C 01C 17442412121100100TTSCQ2. 影响辐射换热的主要因素与T4成正比，T,Q 。,Q 。为增加电气设备的散热能力，可在其表面涂上黑度很大的油漆；需减少辐射散热时，可在表面渡以黑度很小

60、的银、铝等。用角系数表示，从辐射面积S发射的能量被另一物体截获的分数。如插入热屏，增大热阻，较小Q。4）介质3）几何位置2）表面黑度1）温度1754.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热4.6.4 对流和辐射的联合传热176高温热备的热损失 ttSttSttSQwwTwwRww 辐射传热量对流传热量 4401211100100TTCSEESwwbbw 辐射传热量ttSwwR其中：42412121100100TTSCQaR的经验公式见P270式4-1134-116。对流-辐射联合传热系数1774.7 换热器4.7.1 间壁式换热器的