第4章传热4、5、6

1、传热计算传热计算 设计计算设计计算 操作计算操作计算 根据生产任务的要求，确定换热器的根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。以便设计或选用换热器。 判断一个换热器能否满足生产任务的判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。化对换热器传热能力的影响。 依据：总传热速率方程和热量恒算依据：总传热速率方程和热量恒算4.4 传热过程计算传热过程计算校核计算校核计算 一、热量衡算一、热量衡算 热量衡算是反映热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化

2、的相互关系两流体在换热过程中温度变化的相互关系 对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：收的热量。即： 换热器的热量衡算式换热器的热量衡算式应用：应用：计算换热器的传热量计算换热器的传热量 若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时下的比热时 1221mh phmcpcQ q cTTq ctt 1221mhmcQqHHqhh 若换热器中热流体有相变化，

3、例如饱和蒸汽冷凝，冷凝若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。液在饱和温度下离开。 若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器 21mhmcpcQqrqctt 221()()mhphSmcpcQqrcTTq ctt 二、总传热速率方程二、总传热速率方程 通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：tdSKdStTKdQ)(总传热速率微分方程总传热速率微分方程 or 传热基本方程传热基本方程 K局部总传热系数，（

4、局部总传热系数，（w/m2） 物理意义：物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。传热速率。 当取当取t和和k为整个换热器的平均值时，对于整个换热为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：器，传热基本方程式可写成：mtKSQ或或K换热器的平均传热系数，换热器的平均传热系数，w/m2K KStQm1/KS1总传热热阻总传热热阻 注意：注意：其中其中K必须和所选择的传热面积相对应必须和所选择的传热面积相对应，选择的传，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。热面积不同，总传热系数的数值不同。传热基本方程可分别表示为：传

5、热基本方程可分别表示为：mmmmmiitSKtSKtSKQ00式中：式中： Ki、Ko、Km分别为管内表面积、外表面积和内外分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，侧的平均表面积的传热系数，w/m2K Si、So、Sm换热器管内表面积、外表面积和内外侧换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，的平均面积，m2。 注：工程上大多以外表面积为计算基准注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标不再加下标“o”三、传热的平均温度差三、传热的平均温度差恒温差传热：恒温差传热：变温差传热：变温差传热： 传热温度差传热温度差不随位置而变不随位置而变的传热的传热 传热温度差传热温

6、度差随位置而改变随位置而改变的传热的传热 传热传热流动形式流动形式 并流并流 ：逆流逆流 ：错流错流 ：折流折流 ：两流体两流体平行而同向平行而同向的流动的流动 两流体两流体平行而反向平行而反向的流动的流动 两流体两流体垂直交叉垂直交叉的流动的流动 一流体只一流体只沿一个方向流动沿一个方向流动，而，而另一流体另一流体反复折流反复折流 恒温传热恒温传热mttTt变温传热变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关逆流逆流并流并流错流错流折流折流1、逆流和并流时的、逆流和并流时的 tmt2t1T1T2t1t2T1T2 t2tSt1T2T1 t2tSt1T2T1逆流逆流并流并流假定：假定： （1）换热

7、器在稳定情况下操）换热器在稳定情况下操作；（作；（2）流体的比热容均为）流体的比热容均为常量，且传热系数常量，且传热系数k沿换热面沿换热面而不变；（而不变；（3）换热器无热损）换热器无热损失失 以逆流为例，推导平均温差以逆流为例，推导平均温差1212lnmttttt 对数平均温度差对数平均温度差 若两流体若两流体并流流动并流流动，同样可得到，同样可得到相同的结果相同的结果。212tt当当时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。 2、错流和折流时的平均温度差、错流和折流时的平均温度差 错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德错流和折流的平均温度差，常采用

8、安德伍德和鲍曼提出的图算法。和鲍曼提出的图算法。 先按逆流时计算对数平均温度差先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，在逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数乘以考虑流动型式的温度修正系数t，得到实得到实际平均温度差际平均温度差tm。逆逆mmtt ),(流型流型RPf 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； 应改变流型应改变流型1112tTttP冷冷流流体体的的温温升升两两流流体体的的最最初初温温差差1221ttTTR热热流流体体的的温温降降冷冷流流体体的的温温升升3不同流动型式的比较不同流动型式的比较(1) 在进、出口温度相同的条件下，逆流的平均

9、温度差最大在进、出口温度相同的条件下，逆流的平均温度差最大，并流的平均温度差最小，其他形式流动的平均温度介于，并流的平均温度差最小，其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。于并流及其他形式流动。当换热器的传热量当换热器的传热量Q及总传热系数及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。所以，换热所以，换热器应当尽量器应当尽量采用逆流流动采用逆流流动

10、，尽可能，尽可能避免并流流动。在某些避免并流流动。在某些生产工艺有特殊要求时生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流应采用并流操作。操作。 当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无就无所谓并流和逆流了，所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。相同，平均温度就相等。 (3)采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，采用折流和其他复杂流动的目的是为了

11、提高传热系数，其其代价是平均温度差相应减小代价是平均温度差相应减小，温度修正系数，温度修正系数是用来表示是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在一般在设计时最好使设计时最好使 0.9，至少不能使，至少不能使 0.8。否则应另。否则应另选其他流动型式，以提高选其他流动型式，以提高 。四、总传热系数四、总传热系数1、总传热系数、总传热系数K的来源的来源1) 生产实际的经验数据生产实际的经验数据 2) 实验测定实验测定 3) 分析计算分析计算 2、传热系数、传热系数K的计算的计算 流体通过管壁的传热包括：流体通过管壁的传热包

12、括：1) 热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热owodSTTdQ 2) 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 mwwdSbtTdQ3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热管壁与流动中的冷流体的对流传热 iwidSttdQ间壁换热器总传热速率为：间壁换热器总传热速率为： 0dStTKdQTtKdStTdQ01001dSTTW11RtmWWdSbtT22RtiiwdStt133Rt利用串联热阻叠加原则：利用串联热阻叠加原则：RTdQ321321RRRtttiimdSdSbdSKdS111000若以外表面为基准若以外表面为基准 iimdSdSdSbdSK0

13、0011dlddSmmdddSdS00iidddSdS00,iimdddbdK0001100011miiKbdddd或或基于外表面积总传热系数计算公式基于外表面积总传热系数计算公式同理：同理： iimiidddbdK0011001ddbddKiiimm3、污垢热阻、污垢热阻 在计算传热系数在计算传热系数K值时，值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻一般不可忽视，污垢热污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。间等因素有关。 若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和和Rs0表示，根据表

14、示，根据串联热阻叠加原则，串联热阻叠加原则， 0000011SSimiiiKbdddRRddd当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，0111iK若若0i则则oK11总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。提高提高K值，关键在于值，关键在于提高提高对流传热系数对流传热系数较小一侧的较小一侧的。两侧的两侧的相差不大相差不大时，则必须时，则必须同时提高两侧的同时提高两侧的，才能提高才能提高K值。值。污垢热阻为控制因素时污垢热阻为控制因素时，则必须，则必须设法减慢污垢形成速率或设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。及时清除污垢。五、传

15、热面积的计算五、传热面积的计算1、传热系数、传热系数K为常数为常数 mtKQS其中：其中： 例题例题4-16 2、传热系数、传热系数K为变数为变数 （暂时不研究）（暂时不研究）)(tTKdQdS 1221mh phmc pcQ q cTTq ctt 积分积分 ： 21)(,ttCPCdttTKCWS 不能用解析法求解时，可采用数值积分、图解积分或不能用解析法求解时，可采用数值积分、图解积分或分段计算的方法。分段计算的方法。 将每段中的物性、传热系数将每段中的物性、传热系数Kj视为常量，分段计算传视为常量，分段计算传热温差热温差tmj和相应的热流量和相应的热流量Qj及传热面积及传热面积Sj， j

16、cCPCjtCWQ,或jhhPhjtCWQ,mjjjjtKQS/总传热面积总传热面积 ： mjjjjtKQSS六、壁温的计算六、壁温的计算已知：管内、外流体的平均温度已知：管内、外流体的平均温度T、t，忽略管壁热阻忽略管壁热阻求：壁温求：壁温tW方法：方法：试差法试差法步骤：步骤： 假设假设tW求管内、外的求管内、外的i、0核算核算tW00011wwssiiiTtttRRSS辐射传热辐射传热基本概念基本概念 辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。 电磁波波谱：电磁波波谱： 其中波长为其中波长为 0.4 20 m的可见光与部分红外的可见光与部分红外线称为热射

17、线，在辐射传热中，起决定作用。线称为热射线，在辐射传热中，起决定作用。 直线传播、反射定律和折射定律直线传播、反射定律和折射定律紫外线紫外线 可见光可见光 红外线红外线 微波微波 0.4 m 0.76 m 20 m设：投射到某物体上的总辐射能为设：投射到某物体上的总辐射能为Q，其中能量其中能量Q被吸收，能量被吸收，能量Q被反射，能量被反射，能量Q透过，则透过，则Q 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=1=1 的物体称为黑体的物体称为黑体 =1 的物体称为镜体或绝对白体的物体称为镜体或绝对白体=1 的物体称

18、为透热体的物体称为透热体 实际物体的实际物体的、的大小决定于物体的性质、表的大小决定于物体的性质、表面状况、温度及辐射线的波长等。面状况、温度及辐射线的波长等。 灰体：以相同的吸收率且部分地吸收由灰体：以相同的吸收率且部分地吸收由0到到 的所的所有波长范围的辐射能的物体；灰体是不透热体，有波长范围的辐射能的物体；灰体是不透热体，+=1。物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力：物体的辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，用内所发射的全部波长的总能量，用E表示，单位为表示，单位为 W/。一、

19、普朗克定律一、普朗克定律 揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律。揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律。二、斯蒂芬二、斯蒂芬波尔茨曼（波尔茨曼（StefanBoltzmann)定律，定律， 揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系。揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系。 黑体的辐射能力黑体的辐射能力为为 Eb= oT4=Co(T/100)4; (四次方定律四次方定律)式中：式中： o-黑体的辐射常数，黑体的辐射常数， o =5.67 10-8 W / ( m2K4) C0=黑体的辐射系数黑体的辐射系数C0= 5.67 W/ ( m2K4) 灰体灰体的辐射能力的辐射能力: E=C(T/100)

20、4;式中：式中：C-灰体的辐射系数灰体的辐射系数, W/ ( m2K4);C与与物体的性质、表面状物体的性质、表面状况及温度等有关。况及温度等有关。 C T2， 板板1、2间的辐射传热情况如图间的辐射传热情况如图所示，辐射传热的热通量为所示，辐射传热的热通量为 q=E1-A1Eb 当两板达到热平衡，即当两板达到热平衡，即T1=T2时，时，q=0，故故 E1=A1Eb 或或 E1/A1=Eb 一般物体一般物体E、A间的关系式为间的关系式为 E1/A1= E2/A2= =E/A=Eb = f(T) (4-105) 式式4-105为为克希霍夫定律克希霍夫定律表达式，物体的辐射能力和吸收率表达式，物体

21、的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。度有关。 与黑体的定义式比较可见，物体的吸收率与黑体的定义式比较可见，物体的吸收率A和黑度和黑度 在数值在数值上是相等的。上是相等的。AEEb两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热 两块相距不远尺寸很大的灰体平板间的辐射传热情况如图所示两块相距不远尺寸很大的灰体平板间的辐射传热情况如图所示; 实际两物体间的辐射传热时，必须考虑两物体的吸收率、形状、实际两物体间的辐射传热时，必须考虑两物体的吸收率、形状、大小、相互间位置与距离等的影响。大小、相互间位置与距离等的影响

22、。 实际两物体间的辐射传热速率为实际两物体间的辐射传热速率为)100T()100T(SCQ42412121式中：式中：Q1-2辐射传热速率，辐射传热速率，W;C1-2:总辐射系数总辐射系数S辐射面积；辐射面积； m2;T1、T2- 物体物体1、2表面的热力学温表面的热力学温度；度；K - 角系数，见表角系数，见表4-13;02121021C1C1C11111CC一、换热器的类型一、换热器的类型根据传热原理和根据传热原理和实现热交换的方法实现热交换的方法间壁式间壁式混合式混合式蓄热式蓄热式换热面的型式换热面的型式 管式管式板式板式翅片式翅片式4.6 换热器换热器二、间壁式换热器的类型二、间壁式换

23、热器的类型（一）夹套换热器（一）夹套换热器优点：优点： 结构简单结构简单缺点：缺点： 换热面积小换热面积小 釜内釜内 小小强化措施：强化措施： 釜内加搅拌釜内加搅拌 釜内加蛇管釜内加蛇管 外循环外循环（二）蛇管换热器（二）蛇管换热器1. 沉浸式沉浸式强化措施：强化措施：容器内加搅容器内加搅拌器，提高拌器，提高K优点：优点： 结构简单结构简单 管内能耐高压管内能耐高压缺点：缺点： 管外管外 小小2. 喷淋式喷淋式优点：优点： 结构简单结构简单 管内能耐高压管内能耐高压 管外管外 比沉浸式大比沉浸式大缺点：缺点： 喷淋不易均匀，占地面积大喷淋不易均匀，占地面积大（三）套管换热器（三）套管换热器优点：优点： 结构简单结构简单 能耐高压能耐高压 (K)或或 tm大大缺点：缺点： 结构不紧凑结构不紧凑S/V小，接头多，易漏小，接头多，易漏特点：特点： 结构