掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法; 熟悉各种热交换设备

1、p 掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；p 熟悉各种热交换设备的结构和特点；熟悉各种热交换设备的结构和特点；p 掌握稳定传热过程的计算；掌握稳定传热过程的计算；p 了解强化传热和热绝缘的措施了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点本章重点和难点热传导热传导:借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。动而引起的热量传递。热传导通常发生在固体或层流流体中。热传导通常发生在固体或层流流体中。传热有三种基本方式传热有三种基本方式热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的热的传递是由于系统内或物体内温度

2、不同而引起的 强制对流强制对流 自然对流自然对流热辐射：热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。热对流：热对流：流体各部分之间发生相对位移所引起的热流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递。传递。 热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。 上述三种传热方式很少单独出现，上述三种传热方式很少单独出现，往往是相互伴随着出现的。往往是相互伴随着出现的。温度场温度场: 某一瞬间空间中各点的温度分布。某一瞬间空间中各点的温度分布。 物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x，y，z，)不稳定温度场：不

3、稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场：稳定温度场：若温度不随时间而改变。若温度不随时间而改变。 等温面：等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。 因为空间同一点不能同时具有两个不同的因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。温度，所以不同的等温面彼此不能相交。 温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。xxtxxt),(),(xtxxtxxtgradtx),(),(lim0对于一维温度场，等

4、温面对于一维温度场，等温面x及及(x+x)的温度分别为的温度分别为t(x,)及及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：则两等温面之间的平均温度变化率为： 温度梯度温度梯度:ndSQt/nt+ttt-t沿等温面将无热量传递；沿等温面将无热量传递；沿和等温面相交的任何方向，有热量的传递；沿和等温面相交的任何方向，有热量的传递；与等温面垂直方向的温度梯度最大。与等温面垂直方向的温度梯度最大。 式中的式中的负号负号指热流方向和温度梯度方向相反指热流方向和温度梯度方向相反。 导热系数导热系数 表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，与物质的

5、组成、结构、密度、温度及压强有关。与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。xtdAdQ傅立叶定律傅立叶定律 单位时间内传导的热量与温度梯单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比度及垂直于热流方向的截面积成正比平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导dxdtAQRtAbttttAbQ2121)(t1t2Qbtt1t2obx单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导 Qb1b2b3xtt1t2t3t4RttAbttQnniiiin11011单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导 drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQQt2t1

6、r1rr2drL圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导 12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAm或或多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 r1r2r3r4t1t2t3t4niiiiinrrttLQ1111ln1)(2 对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。速率都是相同的，但是热通量却不相等。对流传热对流传热温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向传热过程传热过程高温流体

7、高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较流体大导热系数较流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传热边界层：传热边界层：温度边界层。温度梯度较大的区域。温度边界层。温度梯度较大的区域。传热的热阻主要在传热边界层中此层中传热的热阻主要在传热边界层中此层中。对流传热示意图对流传热示意图RtATTQw1上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律Q= A（T-Tw）对流传热速率对流传热速率或或1、

8、流体的状态：、流体的状态：是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；2、流体的物理性质：、流体的物理性质：密度密度、比热比热cp、导热系数导热系数、粘度粘度等；等；3、流体的运动状况：、流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；4、流体对流的状况：、流体对流的状况：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流；5、传热表面的形状、位置及大小：、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。水平放置等。 影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素准数符号及意义

9、准数符号及意义 应用范围应用范围 特性尺寸特性尺寸 定性温度定性温度 准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。量必须用统一的单位制度。在应用关联式时应注意以下几点在应用关联式时应注意以下几点对流传热系数主要关联式对流传热系数主要关联式 npiicudd)()(023.08 .0蒸汽冷凝的两种方式蒸汽冷凝的两种方式p 膜状冷凝：膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，形成一层完整的膜。在冷凝液润湿壁面，形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。p 滴状冷凝：滴状冷凝：冷凝液不能润湿壁面，冷凝液在壁

10、面上形冷凝液不能润湿壁面，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。的饱和温度与壁面温度之差。膜状冷凝的热阻通常要大于滴壮冷凝的热阻；膜状冷凝的热阻通常要大于滴壮冷凝的热阻；在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程；在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程；在冷凝器的设计时，常按膜状凝来处理。在冷凝器的设计时，常按膜状凝来处理。 不凝性气体的影响不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷

11、凝对流传热系数降低面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。 蒸汽流速和流向的影响蒸汽流速和流向的影响 冷却壁面的高度及布置方式冷却壁面的高度及布置方式 流体物性流体物性影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：沸腾传热的应用：沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。 管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。如升膜式、降管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。如升膜式、降膜式蒸发器等。膜式蒸发器等。 大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。如锅炉等。体在壁面受热沸腾。如锅

12、炉等。工业上沸腾的方法有两种工业上沸腾的方法有两种1、液体沸腾时，沸腾液表面的温度略高于蒸汽温度。、液体沸腾时，沸腾液表面的温度略高于蒸汽温度。2、在沸腾液层中，只有靠近加热面、在沸腾液层中，只有靠近加热面25mm的一层薄液层中，的一层薄液层中， 才有温度的急剧变化，其余部分的液体温度几乎相等。才有温度的急剧变化，其余部分的液体温度几乎相等。3、液体沸腾的主要特征是气泡的形成和运动。、液体沸腾的主要特征是气泡的形成和运动。 液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（气泡）只在加热面上某些液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（气泡）只在加热面上某些粗糙不平的点上发生，这些产生气泡的点称为粗糙不平的点上发生，这些

13、产生气泡的点称为汽化中心汽化中心。沸腾传热的特点沸腾传热的特点：1.自然对流阶段：自然对流阶段：温差小，无明显沸腾现象。此阶段温差小，无明显沸腾现象。此阶段和和q均很小，且随均很小，且随着温差增大而缓慢增加。着温差增大而缓慢增加。2. 泡核沸腾阶段：泡核沸腾阶段：由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段和和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。沸腾越强烈。液体沸腾传热过程分为以下四个阶段液体沸腾传热过程分为以下四个阶段3. 膜状沸腾阶段：膜

14、状沸腾阶段：汽化核心过多而联结成不稳定气膜，此膜将加热面与汽化核心过多而联结成不稳定气膜，此膜将加热面与液体隔开，温差增大时，液体隔开，温差增大时， 和和q反而反而 下降。下降。第一临界点第一临界点4. 稳定膜状沸腾阶段：稳定膜状沸腾阶段：气膜趋于稳定，表面温度升高以后，辐射传热气膜趋于稳定，表面温度升高以后，辐射传热占主导地位。占主导地位。第二临界点第二临界点泡核沸腾在工业上具有重要意义。泡核沸腾在工业上具有重要意义。能量恒算能量恒算对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有 Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)稳定传热的计

15、算稳定传热的计算若换热器中流体若换热器中流体无相变无相变时，流体的比热不随温度而变，则有时，流体的比热不随温度而变，则有 Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若换热器中的热流体若换热器中的热流体有相变有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有，如饱和蒸汽冷凝时，则有 Q=Whr=Wccpc(t2-t1)当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有 Q=Whr+cph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)dQ=K(T-t)dS=KtdS总传热速率方程总传热速率方程 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的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

16、不同，总传热系数的数值也不同。传热面积不同，总传热系数的数值也不同。dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中式中 Ki、Ko 、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积 的总传热系数，的总传热系数， w/（m2 ） Si、So、Sm换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积， m2 在工程大多以外表面积为基准。在工程大多以外表面积为基准。 总传热系数的计算式总传热系数的计算式总传热系数总传热系数ososiioRbRk111p 总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。总热阻是由

17、热阻大的那一侧的对流传热所控制。p 当两个对流传热系数相差不大时，欲提高当两个对流传热系数相差不大时，欲提高K值，关键在于提高对值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的流传热系数较小一侧的。p 若两侧的若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高才能提高K值。值。p 若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。除污垢。t=T-t传热平均温度差的计算传热平均温度差的计算变温传热：变温传热：(逆流和并流时的平均温度差逆流和并流时的平均温度差)1212lntttttm恒温传热恒温传热: 当

18、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。时大。 在换热器的传热量在换热器的传热量Q及总传热系数及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却介质的用操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却介质的用量。量。 在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作。时才采用并流操作。逆流操作和并流操作逆流操作和并流操作强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。传热的强化传热的强化加大传热面积加大传热面积 实践中，可采用翅片或螺旋翅片管。实践中，可采用翅片或螺旋翅片管。增加平均温度差增加平均温度差 实践中常采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸实践中常采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。汽的压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流