传热过程及换热器学习教案

1、会计学1传热传热(chun r)过程及换热器过程及换热器第一页，共69页。4.1 化工生产中的传热过程及换热器化工生产中的传热过程及换热器 1、化工生产中的传热过程、化工生产中的传热过程传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就是说温存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接化工中很多过程都直接(zhji)或间接的与传热有关。或间接的与传热有关。但是进行传热的但是进行传热的 目的不外

2、乎是以下三种：目的不外乎是以下三种： 1.加热或冷却加热或冷却 2.换热换热 3.保温保温可见，传热过程是普遍存在的。可见，传热过程是普遍存在的。 第1页/共69页第二页，共69页。2 2、 传热基本方式传热基本方式 一个物系或一个设备只要存在一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量加入时，热量 就总是就总是(zn sh)(zn sh)会自会自动地从高温物体传递到低温物体。根据动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方传热的机理不同，热传递有三种基本方式：传导传热，对流传热和热辐射。化式：传导传热，对流

3、传热和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。三种基本方式。第2页/共69页第三页，共69页。（1 1）传导传热）传导传热 一个物体的两部分连续存在温差，热就要从一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等(xingdng)(xingdng)为止，这种传热方式就称为热传导。为止，这种传热方式就称为热传导。物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由

4、电子运动在晶格之间；固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递；液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。气体：分子的不规则运动。第3页/共69页第四页，共69页。（2 2） 对流传热对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中热的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不

5、同可分为相对位移。据引起对流的原因不同可分为(fn (fn wi)wi)：自然对流和强制对流。：自然对流和强制对流。 热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。和热对流。第4页/共69页第五页，共69页。（3 3）辐射传热）辐射传热 热辐射是一种通过电磁波传递热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方能量的过程。一切物体都能以这种方式式(fngsh)(fngsh)传递能

6、量，而不借助任传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式是主要方式(fngsh)(fngsh)。第5页/共69页第六页，共69页。3、间壁式换热器、间壁式换热器单程单程(dnchng)列管列管式换热器式换热器1 外壳外壳 2管束管束 3、4接管接管 5封封头头 6管板管板 7挡板挡板 第6页/共69页第七页，共69页。 套管套管(to un)式换式换热器热器1内管内管 2外管外管热热冷冷间壁间壁(jinb)第7页/共69页第八页，共69页。双程列管式换热器双程列管式换热器1壳体壳体 2管束管束(gunsh) 3挡板挡板 4隔隔板板第8页/共6

7、9页第九页，共69页。4.2 传导传热传导传热传热的一些基本概念传热的一些基本概念1、温度场、温度场 物体内各点温度的分布情况，称为物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物体内任一点的温度是该点的位温度场。由于物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可表为：置和时间的函数，因而温度场可表为：t=f(x,y,z,) 式中式中 t-温度；温度；x,y,z-任一点的空间座标；任一点的空间座标；-时间；时间； 如果温度场内各点的温度随时间而变化如果温度场内各点的温度随时间而变化(binhu)，此温度场称为不稳定温度场，如果，此温度场称为不稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化各点温度

8、不随时间而变化(binhu)，则称为稳，则称为稳定温度场，由于物体内各点温度的分布情况一定温度场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一般情况下很难找到其数般都比较复杂，因而一般情况下很难找到其数学表达式。学表达式。第9页/共69页第十页，共69页。2、等温面在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称为等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程(kchng)中所指的等温面一般是平面。3、温度梯度从任一点起，沿等温面移动，由于温度不发生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向移动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的变化在与等温面垂直的方向最大。如图所示。第10页

9、/共69页第十一页，共69页。对于(duy)冷热流体分别流过管外和管内时发生的热量传递的情况，其传热面积为A=dL，d可为管内径或外径，L为管长，可人为指定，如图中的B。4、传热面积、传热面积A 在传热过在传热过程程(guchng)中，垂直中，垂直于热量传递方向的截面积于热量传递方向的截面积，称为传热面积，以，称为传热面积，以A表表示。对于平面壁，传热面示。对于平面壁，传热面积即为积即为A，如图，如图3-6中的中的A；第11页/共69页第十二页，共69页。5、传热速率Q单位时间内通过全部传热面积所传递的热量称为传热速率以Q表示，单位为J/s或w即瓦。显然，Q数值的大小即表示传热过程的快与慢。6

10、、恒压比热Cp指压强恒定时（常指1atm绝对压）单位质量物质(wzh)温度升高1K时所需的热量，单位为J/kgK。Cp值一般是温度的函数，但本课程把它作常数来处理，或者采用平均值。第12页/共69页第十三页，共69页。7、定态传热与非定态传热与流体流动中有定态流动和非定态流动一样，传热过程有定态传热与非定态传热，若传热系统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变化，则称此传热过程为定态传热。其特点是单位时间内通过(tnggu)传热面积的热量是常量，即传热速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属于定态传热。若传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，则称此传热过程为非定态传热过程，在这种情况下

11、，传热速率不再是常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属于非定态传热。第13页/共69页第十四页，共69页。8、加热剂与冷却剂在传热过程中，按照传热的目的可将载热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进行加热的载热体，称为加热剂，常用来作加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使物料冷却的载热体，称为冷却剂，常用来作冷却剂的有冷水，空气(kngq)等；如果要把物料的温度降到0以下，此时的冷却剂又称冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下，使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要仔细的权衡和选择。第14页/共69页第十五页，共69页。1 1、传导传热的基本方程式、传导传热的基本

12、方程式-傅立叶定律傅立叶定律(dngl)(dngl)在一质量均匀的平板内，当在一质量均匀的平板内，当t1 t2t1 t2热量以导热方式通热量以导热方式通过物体过物体, ,从从t1t1向向t2t2方向传递方向传递, ,如图所示。如图所示。第15页/共69页第十六页，共69页。 取热流方向微分长度取热流方向微分长度dd，在，在dtdt的瞬时传递的热量为的瞬时传递的热量为Q Q，实验证，实验证明，单位明，单位(dnwi)(dnwi)时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：成正比，即： dQdAdt/d dQdAdt/d写成等式为：写成等式为

13、： dQ/d= -Adt/ d dQ/d= -Adt/ d = Q/ = -Adt/ d = Q/ = -Adt/ d式 中式 中 Q - Q - 导 热 速 率 ，导 热 速 率 ， w ; A -w ; A - 导 热 面 积 ，导 热 面 积 ， m 2m 2 ；dt/d-dt/d-温度梯度，温度梯度，K/mK/m；-比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，w/mKw/mK；由；由于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，称为于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，称为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均导热基本方程式，也称为

14、傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均适用。适用。第16页/共69页第十七页，共69页。导热系数导热系数 导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数一。导热系数的值越大，表示其导热性能越好。物质的导的值越大，表示其导热性能越好。物质的导热性能，也就是热性能，也就是数值的大小与物质的组成、结构、密度、数值的大小与物质的组成、结构、密度、温度以及压力等有关。温度以及压力等有关。的物理意义为：当温度梯度为的物理意义为：当温度梯度为1K/m1K/m时，每秒钟通过时，每秒钟通过1m21m2的导热面积而传导的热量，其单位的导热面积而传导的热

15、量，其单位( d n w i )( d n w i ) 为为 W / m KW / m K 或或 W / m W / m 。各种物质的各种物质的可用实验的方法测定。一般来说，金属的可用实验的方法测定。一般来说，金属的值值最大，固体非金属的最大，固体非金属的值较小，液体更小，而气体的值较小，液体更小，而气体的值最值最小 。 各 种 物 质 的 导 热 系 数 的 大 致 范 围 如 下 ：小 。 各 种 物 质 的 导 热 系 数 的 大 致 范 围 如 下 ： 金属金属 2.3 2.3420 w/mK420 w/mK； 建筑材料建筑材料 0.25 0.253 w/mK3 w/mK 绝缘材料绝缘

16、材料 0.025 0.0250.25 w/mK0.25 w/mK；液体；液体 0.09 0.090.6 0.6 w/mKw/mK 气体气体 0.006 0.0060.4 w/mK0.4 w/mK。第17页/共69页第十八页，共69页。 物物 料料w/m物物 料料w/m铝铝204204石棉石棉0.150.15紫铜紫铜6565混凝土混凝土1.281.28黄铜黄铜9393绒毛毯绒毛毯0.0460.046铜铜383383松木松木0.140.140.380.38铅铅3535建筑用砖砌建筑用砖砌0.70.70.80.8钢钢4545耐火砖砌耐火砖砌1.041.04不锈钢不锈钢1717绝热砖砌绝热砖砌0.12

17、0.120.120.12铸铁铸铁4545909085%85%氧化镁粉氧化镁粉0.070.07银银411411锯木屑锯木屑0.070.07镍镍8888软木软木0.0430.043铝铝204204石棉石棉0.150.15第18页/共69页第十九页，共69页。2、间壁式换热器壁面的热传导、间壁式换热器壁面的热传导 (1) 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向的热量传递方向(fngxing)变化、但不随时间

18、变化。变化、但不随时间变化。第19页/共69页第二十页，共69页。，传热面积，传热面积A A和导热系数和导热系数 也是常量，按傅里也是常量，按傅里叶定律分离变量叶定律分离变量(binling)(binling)并积分可得并积分可得 = Q/= A(t1-t2)/ = Q/= A(t1-t2)/ 第20页/共69页第二十一页，共69页。(2)圆筒壁的定态传热圆筒壁的定态传热(chun r)圆筒的内半径为圆筒的内半径为r1,r1,外半径外半径为为r2r2，长度为，长度为L L。若在半径。若在半径为为r r处取一微分厚度处取一微分厚度drdr，则，则传热传热(chun r)(chun r)面积面积A

19、=2rLA=2rL可以看成是常数。可以看成是常数。由傅立叶定律，通过这一由傅立叶定律，通过这一微分厚度微分厚度drdr的圆筒壁的导的圆筒壁的导热速率为：热速率为：=-Adt=-Adtdd =-2rldt/dr =-2rldt/dr第21页/共69页第二十二页，共69页。将将作常数作常数(chngsh)(chngsh)处理，则处理，则可积分：可积分：22112rtrtdrldtr 12212()1/lnl ttrr整理(zhngl)得：改写(gixi)之=122()/ml ttr 12/()mmtttAA 12rr2121lnmrrrrr2121lnmAAAAA筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即

20、筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即 2的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和和Am，21/rr第22页/共69页第二十三页，共69页。(3)(3)多层壁面的定态热传导多层壁面的定态热传导A1 2 3 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3= =ti ii iAi第23页/共69页第二十四页，共69页。第24页/共69页第二十五页，共69页。 此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比(zhngb)。 这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导

21、。这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。 第25页/共69页第二十六页，共69页。多层圆筒壁多层圆筒壁 与多层平面壁相同的推导与多层平面壁相同的推导(tudo)(tudo)方法，从单层圆方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式如下：筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式如下：第26页/共69页第二十七页，共69页。4.3 4.3 对流传热对流传热 1 1、对流传热的机理、对流传热的机理 对流传热是流体各部份质点发生宏对流传热是流体各部份质点发生宏观的相对位移所产生的对流运动来传递观的相对位移所产生的对流运动来传递热量的过程。在化工热量的过程。在化工(hugng)(hu

22、gng)生产中生产中常遇到流体流经固体壁面时，温度较高常遇到流体流经固体壁面时，温度较高的热流体将热量传递给固体壁面，或温的热流体将热量传递给固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量传递给流经它度较高的固体壁面将热量传递给流经它的冷流体。这两种情况都属于对流传热，的冷流体。这两种情况都属于对流传热，工程中常称为给热工程中常称为给热 。第27页/共69页第二十八页，共69页。 由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体流动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁面时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流流动时形成湍流边界层，但靠

23、近壁面处总有一层滞流内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是沿管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流体，都必然要通过滞流内层。流体作湍流流动时，主体流中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动(midng)，并有旋涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度急剧下降。 第28页/共69页第二十九页，共69页。 对流传热(chun r)时沿热流方向的温度分布情况及传热(c

24、hun r)边界层的厚度第29页/共69页第三十页，共69页。对流传热方程式对流传热方程式-牛顿冷却定律牛顿冷却定律根据以上对对流传热机理的分析，可将复杂根据以上对对流传热机理的分析，可将复杂(fz)(fz)的对流传热过程用较为成熟的导热原的对流传热过程用较为成熟的导热原理来处理。据傅立叶定律，当高温流体与固理来处理。据傅立叶定律，当高温流体与固体壁面对流传热时，可得：体壁面对流传热时，可得：由于由于(yuy)(yuy)传热边界层厚度难以确定。工程上令：传热边界层厚度难以确定。工程上令： h=/t h=/t =hA(T-t) =hA(T-t) =hA =hAt tA-传热面积；传热面积；m2T

25、-热流体热流体(lit)主体温度，主体温度，K；t-冷流体冷流体(lit)主体温度，主体温度，K；h-表面传热系数，表面传热系数，W/（m2K);t -冷热流体冷热流体(lit)温差温差;= A(t1-t2)/第30页/共69页第三十一页，共69页。2 2、对流传热系数的影响因素及其求取、对流传热系数的影响因素及其求取传热系数传热系数 在对流传热机理的分析中，把对流传热看作是通过在对流传热机理的分析中，把对流传热看作是通过热边界层的导热热边界层的导热(dor)(dor)，而热边界层一般情况下是很薄，而热边界层一般情况下是很薄的。它象一层很薄的膜的。它象一层很薄的膜 一样附在传热壁上，故传热分系

26、一样附在传热壁上，故传热分系数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由牛顿数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由牛顿冷却定律得到冷却定律得到 传热系数h表示当流体与壁面间的温度差为1K时，单位时间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，h越大，单位时间内传递的热量就越多，所以传热系数反映(fnyng)对流传热的强度。 h=At第31页/共69页第三十二页，共69页。传热情况传热情况h h范围范围h h常用值常用值备注备注蒸汽的滴状冷凝蒸汽的滴状冷凝40000400001200001200004000040000蒸汽的膜状冷凝蒸汽的膜状冷凝50005000150001500010000

27、10000氨的冷凝氨的冷凝93009300卧式冷凝器卧式冷凝器苯蒸汽冷凝苯蒸汽冷凝70070016001600C C3 3C C4 4的冷凝的冷凝93093012401240汽油的冷凝汽油的冷凝93093012101210水的沸腾水的沸腾1000100030000300003000300050005000强制对流有强制对流有较大值较大值 水的加热或冷却水的加热或冷却2002005000500040040010001000油的加热或冷却油的加热或冷却505010001000200200500500一些一些(yxi)(yxi)流体的流体的h h值值W/W/（m2Km2K）第32页/共69页第三十三

28、页，共69页。影响传热分系数的因素影响传热分系数的因素 实验实验(shyn)(shyn)证明，影响传热分系数的主要因素有：证明，影响传热分系数的主要因素有： （1 1） 流体的流动型态流体的流动型态 流体的流动型态分为滞流和湍流，这流体的流动型态分为滞流和湍流，这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导热方式进两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导热方式进行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程以对流方式进行，行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流道内，流动时型态由传热强度高，传热分系数大。在一定的流道内，流动

29、时型态由ReRe数数决定，决定，ReRe数越大，流体的湍动程度越大，滞流底层越薄，传热边界数越大，流体的湍动程度越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越大。层也越薄，传热分系数就越大。 对一定的流体和设备来说。对一定的流体和设备来说。ReRe数主要决定于流体的流速数主要决定于流体的流速u u。因。因此，若使此，若使ReRe数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力也会增加，数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功率消耗过大，通常消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功率消耗过大，通常要使热交换器里流体的要使热交换器里流体的ReRe

30、数在数在5000050000以下。对于粘度很高的流体即以下。对于粘度很高的流体即使使ReRe数在数在5000050000时，功率消耗也过大，只能采用较小的时，功率消耗也过大，只能采用较小的ReRe数。数。第33页/共69页第三十四页，共69页。（2 2）流体的对流情况）流体的对流情况 分自然对流和强制对流。自然对流是分自然对流和强制对流。自然对流是由于密度差而引起的流动由于密度差而引起的流动(lidng)(lidng)，流速较低；而强制对流，流速较低；而强制对流时，流体是在处力强制作用下流动时，流体是在处力强制作用下流动(lidng)(lidng)，流速较大。因，流速较大。因此，强制对流有较大

31、的传热分系数。此，强制对流有较大的传热分系数。（3 3）流体的物理性质）流体的物理性质 流体的物理性质对对流传热过程也有流体的物理性质对对流传热过程也有影响。影响较大的物性参数有导热系数影响。影响较大的物性参数有导热系数、比热、比热cpcp、密度、密度、和粘度和粘度等。其中等。其中、cpcp、值增大对传热有利，而值增大对传热有利，而值增值增大则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当大则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当流体和壁面间的温度差比较大时，同一截面上流体的温度分流体和壁面间的温度差比较大时，同一截面上流体的温度分布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传热

32、过布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传热过程产生影响。程产生影响。 流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度升的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度升高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚度减高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚度减小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，则会对小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，则会对传热过程不利。对气体来说，温度变化不仅影响到气体的粘传热过程不利。对气体来说，温度变化不仅影响到气体的粘度，

33、还影响到气体的密度，情况更为复杂。度，还影响到气体的密度，情况更为复杂。第34页/共69页第三十五页，共69页。（4）传热面的形状、大小和位置流体流过曲面或局部障碍地方，由于出现边界层分离，漩涡而使湍动更加激烈。这样，流体微团的漩涡运动能更深地渗入到邻近壁面的地方，使滞流底层厚度减薄。因此，传热壁面的形状、大小和位置对传热过程都有影响。流体在管外横向流过管束时，从滞流向湍流(tunli)过渡的临界Re数只在200左右，管子尺寸愈小，则边界层脱离愈早，边界层愈薄，因此，传热分系数越大。这个结论对于管内流动也相同。第35页/共69页第三十六页，共69页。准数准数准数的形式准数的形式准数的物理涵义准

34、数的物理涵义ReRe雷诺雷诺ReynoldsReynoldsRe=du/Re=du/流体流动形态和湍动程度流体流动形态和湍动程度P rP r 普 兰 德普 兰 德PrandtlPrandtlPr=CPr=Cp p/流体的物理性质对对流传流体的物理性质对对流传热的影响热的影响GrGr格拉斯霍夫格拉斯霍夫GrashofGrashofGr=LGr=L3 32 2ggt/t/2 2自然对流对对流传热系数自然对流对对流传热系数的影响的影响N uN u 努 赛 尔努 赛 尔NusseltNusseltNu=hNu=hd/d/被决定准数，包括有对流被决定准数，包括有对流传热系数传热系数的准数。反映的准数。反

35、映对流传热的强弱程度对流传热的强弱程度无因次准数符号无因次准数符号(fho)(fho)及意义及意义第36页/共69页第三十七页，共69页。式中各准数所含的物理量：式中各准数所含的物理量：h-h-对流传热系数，对流传热系数，w/m2Kw/m2K；u-u-流速，流速，m/sm/s；-流体流体(lit)(lit)的密度，的密度，kg/m3kg/m3；d-d-传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管外径或平板高度，外径或平板高度，m m；-导热数，导热数，w/mkw/mk；-流体流体(lit)(lit)的粘度，的粘度，kg/mskg/ms；Cp-Cp

36、-流体流体(lit)(lit)的定压比热，的定压比热，J/kgkJ/kgk；-流体流体(lit)(lit)的体积膨胀系数，的体积膨胀系数，1/1/或或1/K1/K；g-g-重力加速度，重力加速度，m/s2m/s2；t-t-流体流体(lit)(lit)与壁面的温度差，与壁面的温度差，或或K K。第37页/共69页第三十八页，共69页。 a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式流体在圆管中作强制湍流时，流体在圆管中作强制湍流时，Gr准数影响可忽略，准数影响可忽略，故：故： Nu=f(Re,Pr)对于气体和粘度小于水粘度两倍的液体，可采用下对于气体和粘度小于

37、水粘度两倍的液体，可采用下式计算式计算(j sun)传热分系数：传热分系数： Nu=0.023Re0.8Prn 或或 h应用应用(yngyng)(yngyng)范围：（范围：（1 1）Re104Re104；（；（2 2）Pr=0.7Pr=0.7120120；（；（3 3）管子的）管子的长径比长径比L/d 50L/d 50；（4 4）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；（5 5）管内流体被加热时，）管内流体被加热时，n=0.4n=0.4；管内流体被冷却时，；管内流体被冷却时，n=0.3n=0.3；（6 6）d d为管子内径为管子内径第38页/共69页第三

38、十九页，共69页。b、有相变时的传热系数化工生产中蒸馏、蒸发、用蒸汽加热、冷凝(lngnng)等操作中都涉及有相变情况下的对流传热过程，下面分别介绍沸腾和冷凝(lngnng)时的情况。如液体通过固体壁面被加热而沸腾时，液体吸收大量的热而发生相变，沸腾传热过程中最主要的特征是液体内部有气泡生成。在一般情况下气液两相处于平衡状态，液体的沸点等于该液体所处压力下相对应的饱和温度ts。如果固体壁面的温度高于液体的饱和温度ts,则就可能发生沸腾。如果液体的温度低于饱和温度ts，则这个过程称为过冷沸腾或局部沸腾。如果液体保持饱和温度，这样的过程就是通常所说的饱和沸腾或整体。第39页/共69页第四十页，共6

39、9页。以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度twtw与与1atm1atm下水的饱和温度下水的饱和温度tsts的温差较小，的温差较小，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积膨胀，密度下降，形成自然对流，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积膨胀，密度下降，形成自然对流，当液体上升到表面时就发生气化。在区域当液体上升到表面时就发生气化。在区域、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固体壁面上某些凸凹不平的过热度较大的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，体壁面上某些凸凹不平的过热度较大

40、的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，当形成气泡核心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，热量不当形成气泡核心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大(zn d)(zn d)，当气泡长大到某一直径，当气泡长大到某一直径后它就会脱离壁面上升。后它就会脱离壁面上升。 h第40页/共69页第四十一页，共69页。 开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体

41、由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体所占据，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在所占据，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当tw-tstw-ts温度差再

42、增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气温度差再增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气泡在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜把壁面遮盖起来。蒸泡在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜把壁面遮盖起来。蒸汽膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽汽膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽膜才能传递膜才能传递(chund)(chund)到液体中去从而使对流传热系数降低。到液体中去从而使对流传热系数降低。这就是第这就是第区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁面有很高的温度，辐射的影响加大，对流传热系数又增大。面有很高的温度，辐射的影响加大，对流传热

43、系数又增大。第41页/共69页第四十二页，共69页。在冷凝过程中，管壁或板壁的温度比蒸汽的饱和温度低，则冷凝液就在管或板壁面上形成。当饱和蒸汽在壁面冷凝时放出潜热，凝结为液体。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下流动，如果冷凝液能润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝称为膜状冷凝。在膜状冷凝时放出的潜热就要通过液膜才能传递给冷却壁面。在液膜中存在(cnzi)温度梯度，故这层液膜就有一定的热阻。若液体不润湿壁面，在壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁面落下，这种过程称为滴状凝结。由于滴状冷凝的固体壁面大部分面积直接暴露在蒸汽中，故滴状

44、冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数要高。为了使对流传热系数高，就必须使冷凝保持滴状冷凝。为此采取不同的表面涂层和蒸汽添加剂，使液滴不能润湿冷凝壁面。无论是沸腾或冷凝，相变一侧的传热分系数的值都很大，故在一般的传热计算中，相变一侧的热阻可忽略不计。第42页/共69页第四十三页，共69页。例:列管式冷凝器中，用水冷凝有有机物蒸汽，水以0.5m/s的流速(lis)在252的钢管中流动，进出管的温度分别为20和40。试求管壁对水的传热分系数。解：据题意水在圆直管中流动，须判断其流动型态，水的定性温度为：t定(20+40)/2=3030的水的各种物性数据查附表得：=995.7kg/m3=80.0

45、710-5PasCP=4.174kJ/kg=61.7610-2w/m以上条件以上条件(tiojin)(tiojin)满足满足DittusDittus公式，公式，水被加热，水被加热，n=0.4n=0.4，将各项数值代入：，将各项数值代入： h=0.023(61.7610-2/2110-3)130570.85.410.4=2607w/m2=2.607kw/m2第43页/共69页第四十四页，共69页。4.44.4间壁式热交换体计算间壁式热交换体计算 1 1、传热总方程、传热总方程 化工生产中最常用到的传热操作是热流体化工生产中最常用到的传热操作是热流体(lit)(lit)经管壁向冷流经管壁向冷流体体

46、(lit)(lit)传热的过程。该过程称为热交换或换热，这种间壁两传热的过程。该过程称为热交换或换热，这种间壁两侧流体侧流体(lit)(lit)的传热如图所示。的传热如图所示。 当冷、热流体分别从间壁（管壁或平当冷、热流体分别从间壁（管壁或平面壁）两侧流过的时候热流体一边流动温度面壁）两侧流过的时候热流体一边流动温度逐渐降低，而冷流体则一边流动温度逐渐升逐渐降低，而冷流体则一边流动温度逐渐升高。很显然，热流体将热量从热流体主体以高。很显然，热流体将热量从热流体主体以对流对流(duli)(duli)传热的方式传递给间壁，而后传热的方式传递给间壁，而后热量以导热的方式从间壁的一侧传向另一侧，热量以

47、导热的方式从间壁的一侧传向另一侧，最后热量从冷流体一侧的间壁以最后热量从冷流体一侧的间壁以 对流对流(duli)(duli)传热的方式传递到冷流体的主体，传热的方式传递到冷流体的主体，这就是热交换的总的过程。整个传热过程由这就是热交换的总的过程。整个传热过程由对流对流(duli)-(duli)-导热导热-对流对流(duli)(duli)三个三个部分串联组成，因而整个过程也称总传热。部分串联组成，因而整个过程也称总传热。第44页/共69页第四十五页，共69页。1 2 3 1 = h1A(T-Tw)=2 = A(A(Tw-t-tw w)/)/= Tw-t-tw/w/T-Tw1h1A = 1 =2

48、=3=T-t/A A 13 = tw - t /h2A111+h1A1A Ah2A2 =KAt第45页/共69页第四十六页，共69页。2、传热系数、传热系数K 例:夹套反应釜的内径为800mm，釜壁碳钢板(gngbn)厚8mm(=50w/mk),衬搪瓷厚3mm（1.0w/mk)，夹套中通入饱和蒸汽（=10000w/m2k)，蒸汽温度为120，釜内有机物（=250w/m2k)温度为80，试求该条件下的K值。第46页/共69页第四十七页，共69页。3 3、传热过程平均温度差、传热过程平均温度差 传热平均温度差传热平均温度差tmtm是指热交换器里参是指热交换器里参予热交换的冷热流体温度的差值。根据两

49、流予热交换的冷热流体温度的差值。根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况，现分别予为恒温传热与变温传热两种情况，现分别予以讨论。以讨论。 (1) (1)、定态恒温传热、定态恒温传热 若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之度差就显得十分简单，即为两流体温度之差：差： tm=T-t tm=T-t 这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷

50、凝另一侧则是液体沸腾的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾(fitng)(fitng)气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。会有这种恒温传热的例子。第47页/共69页第四十八页，共69页。(2)、定态变温传热间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。变温传热时，两流体的温度差t也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差tm，tm是指整个传热壁面的温度差的平均值。tm计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对(xingdu)流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型

51、，如图所示。（1 1）并流）并流 参与热交换的两流参与热交换的两流体体(lit)(lit)流向相同。流向相同。 （2 2）逆流）逆流 参与热交换的两流参与热交换的两流体体(lit)(lit)流向相反。流向相反。（3 3）错流）错流 参与热交换的两流参与热交换的两流体体(lit)(lit)流向相互垂直。流向相互垂直。（4 4）折流）折流 分简单折流和复杂分简单折流和复杂折流两种情况。折流两种情况。 第48页/共69页第四十九页，共69页。错流和折流的情况比较复杂，本课程(kchng)不予讨论，仅讨论并流和逆流传热平均温度差的计算。第49页/共69页第五十页，共69页。 122112121212l

52、nlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 第50页/共69页第五十一页，共69页。平均平均(pngjn)温差温差: 例例: 在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从120降到降到70，冷流体温度由，冷流体温度由20升到升到60，试比较，试比较(bjio)并流与逆流并流与逆流的传热平均温度差。的传热平均温度差。解：并流传热时：解：并流传热时： t1=120-20=100120-70 t2=70-60=1020-60 tm=(100-10)/ln(100/10)=39.1逆流传热时：

53、逆流传热时：120-70 t1=120-60=6060100即可达到湍流。1 流体流体(lit)流经的路径选择流经的路径选择(一)选用和设计中应考虑的问题选择的原则第56页/共69页第五十七页，共69页。系列标准规定采用252.5mm,192mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准(ujibiozhn)规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑,但正方形排列的管束清洗方便。换热管规格换热管规格(gug)及排列及排列抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求

54、(yoqi)来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求(yoqi)。第57页/共69页第五十八页，共69页。折流挡板折流挡板(dn bn)第58页/共69页第五十九页，共69页。确定流动路径，根据(gnj)任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据(gnj)温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积(minj)A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格(gug)，计算管、壳程流体压降，检查

55、结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格(gug)的设备，重新计算压降至满足要求。(二二) 列管换热器的选用和设计的步骤列管换热器的选用和设计的步骤计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2,计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。第59页/共69页第六十页，共69页。 强化传热的途径强化传热的途径 一、增大传热面积一、增大传热面积A A传热速率与传热面积成正比，传热面传热速率与传热面积成正比，传热面积

56、增加可以使传热强化。需要注意的积增加可以使传热强化。需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面是，只有热交换器单位体积内传热面积增大，传热才能强化。这只有改进积增大，传热才能强化。这只有改进传热面结构才能做到。例如，采用小传热面结构才能做到。例如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，可以提高单位体积热交换替光滑管，可以提高单位体积热交换器的传热面积。我国浮头式热交换器器的传热面积。我国浮头式热交换器系列由系列由2525管改为管改为(i wi)19(i wi)19管后，管后，在壳径在壳径D=500D=500900mm900mm时，传热面积可时，传热面积

57、可增加增加42%42%，单位传热面积的金属消耗量，单位传热面积的金属消耗量可降低可降低212131%31%。一些新型的热交换器，。一些新型的热交换器，象板式、翅片式在增大传热面积方面象板式、翅片式在增大传热面积方面取得了较好的效果。列管式热交换器取得了较好的效果。列管式热交换器每立方米体积内的传热面积为每立方米体积内的传热面积为4040160m2,160m2,而板式热交换器每立方米体积而板式热交换器每立方米体积内能布置的传热面积为内能布置的传热面积为2502501500m2,1500m2,板翅式更高，一般能达到板翅式更高，一般能达到2500m2,2500m2,高的高的可达可达4350m2435

58、0m2以上。以上。第60页/共69页第六十一页，共69页。 二、增大传热温度差二、增大传热温度差tmtm增大传热温度差是强化传热的方法之一。传热温度差主要是由物料和载增大传热温度差是强化传热的方法之一。传热温度差主要是由物料和载热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热体的温度则与选择的载热体有关。载热体的种类很多，温度范围各不相体的温度则与选择的载热体有关。载热体的种类很多，温度范围各不相同，但在选择时要考虑技术上可行和经济上合理。例如，水蒸汽是工业同，但在选择时要考虑技术上可行和经济上合理。例如，水蒸汽是工业

59、上常用的加热剂，如前所述，水蒸汽有许多优点，但水蒸汽作为加热剂上常用的加热剂，如前所述，水蒸汽有许多优点，但水蒸汽作为加热剂使用其温度通常不超过使用其温度通常不超过180180。蒸汽温度到。蒸汽温度到200200时，温度每上升时，温度每上升2.52.5就要提高就要提高(t go)(t go)一个大气压，到一个大气压，到250250时，温度每上升时，温度每上升1.31.3时就会提时就会提高高(t go)(t go)一个大气压。使用高压蒸汽会使设备庞大，技术要求高，经一个大气压。使用高压蒸汽会使设备庞大，技术要求高，经济效益低，安全性下降。因此，当加热温度超过济效益低，安全性下降。因此，当加热温度

60、超过200200时，就要考虑采时，就要考虑采用其他加热剂，如矿物油、联苯混合物，甚至采用熔盐、液态金属等。用其他加热剂，如矿物油、联苯混合物，甚至采用熔盐、液态金属等。由于载热体的选择受到一些条件的限制，因此，温度变化的范围是有限由于载热体的选择受到一些条件的限制，因此，温度变化的范围是有限的。的。第61页/共69页第六十二页，共69页。三、增大传热总系数三、增大传热总系数K K强化传热是主要的是增大强化传热是主要的是增大K K值，要提高值，要提高K K值就要必须减小各值就要必须减小各项热阻，而且应该从热阻最大处着手。若内、外侧垢层为项热阻，而且应该从热阻最大处着手。若内、外侧垢层为主要热阻时