第四章传热(应化)(化工传递过程)

1、1第四章第四章 传热传热 ( Heat transfer)2第四章第四章 传热传热 ( Heat transfer)第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流传热对流传热第四节第四节 传热过程计算传热过程计算第五节第五节 对流传热系数经验关联式对流传热系数经验关联式第六节第六节 辐射传热辐射传热第七节第七节 换热器换热器3第一节第一节 概述（概述（Introduction）4.1.0 传热的基本定义传热的基本定义4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式4.1.3 冷热流体接触方式冷热流体接触方式 4

2、.1.4 传热速率和热通量传热速率和热通量4.1.5 稳定传热和不稳定传热稳定传热和不稳定传热4.1.5 载热体及其选择载热体及其选择4第一节第一节 概述（概述（Introduction）4.1.0 传热的基本定义传热的基本定义 系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为过程称之为热量传递过程热量传递过程，简称传热。，简称传热。4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用l 对物料进行加热、冷却、汽化或冷凝对物料进行加热、冷却、汽化或冷凝l 减少热损失，对高温及低温设备或管道保温或隔热减少热损失，对高温及低温设备或管道

3、保温或隔热l 工业废热的回收与利用工业废热的回收与利用 n 强化传热过程强化传热过程n 削弱传热过程削弱传热过程54.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 工业生产中导热存在于：固体内部、接触良好的工业生产中导热存在于：固体内部、接触良好的固体之间、换热器壁面、流体的层流内层固体之间、换热器壁面、流体的层流内层。一、一、 热传导热传导 (Conduction ) 物体内质点不发生物体内质点不发生宏观宏观的相对位移，的相对位移，由微观粒子由微观粒子的热运动所引起的热量传递过程。的热运动所引起的热量传递过程。l 金属金属自由电子的运动自由电子的运动l 气体气体分子无规则热运动分子无规则热运

4、动l 非金属、液体非金属、液体分子、原子振动分子、原子振动 第一节第一节 概述概述-导热导热6 工业生产中，对流传热发生在固体壁面与流体之间，工业生产中，对流传热发生在固体壁面与流体之间，同时伴有热传导同时伴有热传导 。二、二、 对流对流 (Convection)流体质点间发生宏观相对位移而引起的热量传递。流体质点间发生宏观相对位移而引起的热量传递。按引起质点运动的原因分为：自然对流和强制对流。按引起质点运动的原因分为：自然对流和强制对流。第一节第一节 概述概述 自然对流：温度差产生密度差，使流体运动。自然对流：温度差产生密度差，使流体运动。 强制对流：依靠外力（泵、风机、搅拌等）强制对流：依

5、靠外力（泵、风机、搅拌等） 使流体运动。使流体运动。-对流传热对流传热7 物体因热的原因发出辐射能，物体因热的原因发出辐射能，以电磁波的形式传以电磁波的形式传递热量递热量的过程。的过程。l 只有温度较高时才成为主要传热方式只有温度较高时才成为主要传热方式l 不需任何介质，且伴随电磁能与热能的能量形式不需任何介质，且伴随电磁能与热能的能量形式 的转换的转换三、三、 热辐射热辐射 (Radiation )第一节第一节 概述概述 实际生产中的传热过程很少是以一种方式进行，实际生产中的传热过程很少是以一种方式进行，而是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热而是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换

6、热就是热对流和热传导的串联过程。对流和热传导的串联过程。84.1.3 传热中冷、热流体的接触方式传热中冷、热流体的接触方式 一、直接混合式一、直接混合式-常用于热气体的水冷或热水的空冷。常用于热气体的水冷或热水的空冷。 第一节第一节 概述概述 9二、蓄热式二、蓄热式常用于气体余热的利用第一节第一节 概述概述-冷、热流体交替通过蓄热室传递热量101内管 2外管三、间壁式三、间壁式第一节第一节 概述概述-冷、热流体用间壁隔开，其型式很多。冷、热流体用间壁隔开，其型式很多。11第一节第一节 概述概述( (间壁式）传热步骤：间壁式）传热步骤：（1 1）热流体将热量传递至热流体将热量传递至固体壁面左侧（

7、固体壁面左侧（对流传热对流传热）（2 2）热量自壁面左侧传递热量自壁面左侧传递至壁面右侧（至壁面右侧（导热导热）（3 3）热量自壁面右侧传递热量自壁面右侧传递至冷流体（至冷流体（对流传热对流传热）热热流流体体冷冷流流体体对流传热对流传热对流传热对流传热Q Q导热导热T1T2t1t2（4 4）总传热面积：总传热面积：dlnA固体间壁固体间壁（1）（2）（3）12热通量热通量q（热流密度）：（热流密度）：单位传热面的传热速率，W/m2AdQdq 传热速率传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量，J/s或W。 对于定态传热，通过换热器各传热面的传热速率为对于定态传热，通过换热器各传热面的传热速率为定值

8、，而热通量与所选择的面积有关，选内侧、外侧和定值，而热通量与所选择的面积有关，选内侧、外侧和平均面积时平均面积时q q值不同。值不同。4.1.4 传热速率和热通量传热速率和热通量第一节第一节 概述概述m0iAAA13第一节第一节 概述概述传热速率（传热速率（Q）通式：）通式：tqRtQR阻力（热阻）推动力（温差）传热速率KAttKAQmm1R：整个传热面的热阻，R：单位传热面积的热阻K：比例系数，总传热系数，W/m2K144.1.5 稳定传热和不稳定传热稳定传热和不稳定传热第一节第一节 概述概述稳定传热：稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位在传热体系中各点的温度只随换热器的位 置的变

9、化而变，不随时间而变置的变化而变，不随时间而变 特点：特点：传热速率为常量，热通量不一定为常数。传热速率为常量，热通量不一定为常数。不稳定传热：不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的若传热体系中各点的温度，既随位置的 变化，又随时间变化。变化，又随时间变化。 特点：特点：传热速率、热通量均为变量。传热速率、热通量均为变量。 化工过程中连续生产主要为化工过程中连续生产主要为。154.1.6 载热体及其选择载热体及其选择第一节第一节 概述概述1. 1. 载热体载热体-提供或取走热量的流体提供或取走热量的流体（1 1）加热介质（加热剂）加热介质（加热剂）热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔

10、盐、烟道气等热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气等（2 2）冷却介质（冷却剂）冷却介质（冷却剂） 水、空气、盐水、氨蒸汽等水、空气、盐水、氨蒸汽等2. 2. 选用原则选用原则温度易调，不易分解，无毒无害，便宜，易得温度易调，不易分解，无毒无害，便宜，易得16第一节第一节 概述概述 表表41 常用加热剂及其适用温度范围常用加热剂及其适用温度范围 表表42 常用冷却剂及其适用温度范围常用冷却剂及其适用温度范围17第二节第二节 热传导热传导（Conduction）4.2.1 傅里叶定律傅里叶定律4.2.2 导热系数导热系数4.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导4.2.4 圆筒壁

11、的定态热传导圆筒壁的定态热传导18 1. 温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布情况4.2.1 傅里叶定律傅里叶定律一、一、 温度场温度场(Temperature Field)和温度梯度和温度梯度),(zyxft ),(zyxft 定态温度场：)(xft 定态一维温度场：t1 t2 t1t2等温面等温面Q 等温面：等温面：同一时刻温度场中同一时刻温度场中温度相同温度相同各点所组成的面。各点所组成的面。温度不同的等温面彼此不相交；温度不同的等温面彼此不相交；沿等温面无热量传递；沿等温面无热量传递；沿与等温面相交的任何方向有热量传递。沿与等温面相交的任何方向有热量传递。19 2. 温度梯度温度

12、梯度(Temperature Gradient)ntnttgradn0lim)(xddttgrad)(定态一维温度场： 垂直于等温面(法线方向），以温度增加的方向为正。 温度沿等温面垂直方向的变化率，为矢量。4.2.1 傅里叶定律傅里叶定律20dxtdAdxdtAQ二、二、 傅立叶定律傅立叶定律 (Fouriers law)A 导热面积，m2 导热系数，W/mQ 导热速率，W实践证明：导热速率与温度梯度及传热面积成正比。实践证明：导热速率与温度梯度及传热面积成正比。“”“”号表示导热方向总号表示导热方向总是和温度梯度方向相反是和温度梯度方向相反。4.2.1 傅里叶定律傅里叶定律21dxdtqx

13、dtdAQl 物质的物理性质之一物质的物理性质之一，越大越大, ,导热性能越好导热性能越好 4.2.2 导热系数导热系数l 定义式定义式单位温度梯度下的热通量单位温度梯度下的热通量l 与组成、结构、温度等有关，用与组成、结构、温度等有关，用实验实验测定。测定。l 气体液体非金属固体金属固体表表43 物质导热系数的数量级物质导热系数的数量级.),(pt22（3）气体）气体（2）液体）液体l 液体中，水最大。液体中，水最大。l T，水和甘油水和甘油，其它略，其它略导热系数很小，不利于导热，适于保温隔热。导热系数很小，不利于导热，适于保温隔热。T ，)1 (0ta（1）固体：）固体：a 温度系数，对

14、大多数金属，温度系数，对大多数金属，a 0-导热系数关联式导热系数关联式 4.2.2 导热系数导热系数234.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导一、单层平壁（一、单层平壁（Flat-walled）的定态热传导）的定态热传导假设：假设： 材料均匀，材料均匀，为常数；为常数； 面积与厚度相比无限大，面积与厚度相比无限大，忽略端热损失；忽略端热损失； 温度仅沿温度仅沿x方向方向变化，且变化，且不随时间变化不随时间变化一维一维稳态热传导。稳态热传导。t1t2txdxQA244.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导210ttbAdt-QdxdxdtAQ)(21ttAbQ阻力推动力RtA

15、btt21RtbtAQqxqtxAQtt1125二、多层平壁的定态热传导二、多层平壁的定态热传导4.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导假设：假设： 面积相对于厚度无限大；面积相对于厚度无限大； 各层材料均匀；各层材料均匀； 温度仅沿温度仅沿x x变化，不随时间变化，不随时间变化变化维稳态热传导；维稳态热传导； 各层接触面两侧温度相同。各层接触面两侧温度相同。t1t2 b11tx b2 b323t2t4t326321QQQQ定态下：Abtt1121Abtt2232Abtt3343222322QRAbQttt333433QRAbQttt111211QRAbQttt4.2.3 平面壁的定态

16、热传导平面壁的定态热传导27AbAbAbttRRRtQ33221141321)(321321RRRQtttt总阻力总推动力321332211321:RRRAbAbAbttt4.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导n1ii1n11n1i1RttAQniiiiibttn层平面壁：284.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导【例例】 一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成，由内至外：一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成，由内至外： 耐火砖，厚度耐火砖，厚度150mm，导热系数，导热系数1.05W/m. 保温砖，厚度保温砖，厚度290mm，导热系数，导热系数0.15W/m. 普通砖，厚度普通砖，

17、厚度228mm，导热系数，导热系数0.81W/m. t1=1016, t4=34。求单位面积的热损失及接触面温度。求单位面积的热损失及接触面温度。解：各层间温度如图所示33221141bbbttAQq2/5 .41681. 0228. 015. 029. 005. 115. 0341016mW294.2.3 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导5 .9565 .5910165 .595 .4161429. 011211tttqRt4 .1511 .8055 .9651 .8055 .416933. 122322tttqRt4 .117344 .151433ttt304.2.3 平面壁的定态热传

18、导平面壁的定态热传导2. 总阻力总阻力为各层热阻之和。即对多层壁面的定态热传为各层热阻之和。即对多层壁面的定态热传 导，传热推动力和传热阻力具有加和性；导，传热推动力和传热阻力具有加和性；3. 多层壁多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热面的定态热传导，各分层温度降与该层的热 阻呈正比。阻呈正比。可以看出：可以看出：1 1. . 过程的总推动力为各层推动力之和；过程的总推动力为各层推动力之和；314.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导一、单层圆筒壁一、单层圆筒壁(Cylinder)的热传导的热传导drdtrLdrdtAQ)2(分离变量，积分得：温度分布为曲线LRtLrrttrr

19、ttLQ2lnln1)(212211221 传热面积传热面积A沿热量传递方向沿热量传递方向而变化，即传热面积而变化，即传热面积A随圆筒的随圆筒的半径而变化。半径而变化。324.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导mAbttQ21221rrrm写成类似平壁导热速率方程形式：LrrrrrLAmm2ln)(21212则：对数平均半径(Logarithmic Mean Radius)rr212当当 时，用算术平均值代替对数平均值（时，用算术平均值代替对数平均值（4%），），LrrttQ2ln1221令：b = r2-r133二、多层圆筒壁的热传导二、多层圆筒壁的热传导4.2.4 圆筒壁的定态热

20、传导圆筒壁的定态热传导344.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导321321RRRtttQ类似于多层平面壁，对三层圆筒壁：类似于多层平面壁，对三层圆筒壁：LrrLrrLrrtt334223112412ln2ln2ln33322211141mmmAbAbAbtt*bi 为层的厚度Ami为各层平均面积354.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导niinniimiinniiiinRttAbttrrLttQ1111111111ln21364.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导【例例】在在60mm3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为的钢管外包有两层绝热材料，里层为40m

21、m的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/（mK）；外层为）；外层为20mm的石棉层，平均导热系数的石棉层，平均导热系数=0.15W/（mK）。测得管内壁）。测得管内壁温度温度500oC，最外层温度，最外层温度80oC，管壁导热系数，管壁导热系数=45W/（mK）。）。求每米长的管道上的热损失和两层保温层面的温度。求每米长的管道上的热损失和两层保温层面的温度。解（解（1）求每米管）求每米管长长的的热损热损失失Q/Lr1=53/2=26.5(mm), r2=60/2=30(mm)r3=30+40=70(mm),r4=70+20=90(mm)t1= 500oC，t4= 80o

22、C1=45W/(mK), 2=0.07W/(mK)3=0.15W/(mK）37 4.2.4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导)70/90ln()15.0/1(8024.191)70/90ln()/1(23343tttLQ解得： t3=131oC （2）求两保温层界面的温度求两保温层界面的温度t3)/(4 .191)70/90ln()15. 0/1 ()30/70ln()07. 0/1 ()5 .26/30ln()45/1 (805002/ln)/1 ()/ln()/1 (/ln/1 (234323212141mWrrrrrrttLQ）38第三节第三节 对流传热对流传热 (Convectio

23、n)4.3.1 对流传热分析对流传热分析4.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数394.3.1 对流传热分析对流传热分析 当流体沿壁面呈当流体沿壁面呈湍流流动湍流流动时，临近壁面处总有一层时，临近壁面处总有一层层流内层（底层）层流内层（底层）存在，在此薄层内流体成存在，在此薄层内流体成层流流动层流流动。在层流内层和湍流主体之间为在层流内层和湍流主体之间为缓冲层（过渡流缓冲层（过渡流)。 对流传热当流体流过固体壁面，因流体温度与壁面对流传热当流体流过固体壁面，因流体温度与壁面温度不同时发生的传热过程。温度不同时发生的传热过程。404.3.1 对流传热分析对流传热分

24、析湍流主体湍流主体: :流体质点湍动剧烈，传热热阻很小，温差极流体质点湍动剧烈，传热热阻很小，温差极小，各处温度基本相同。小，各处温度基本相同。层流底层层流底层: :在传热方在传热方向上因无质点位移，传向上因无质点位移，传热方式主要为热方式主要为热传导热传导，传热温度差大，热阻大。传热温度差大，热阻大。过渡流层过渡流层: :传热方式传热方式既有既有热传导热传导又有又有对流对流，有一定的温度差及热阻。有一定的温度差及热阻。414.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数424.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数一、对流传热速率方程一、

25、对流传热速率方程 牛顿公式牛顿公式tAttwAQ 有效滞流膜理论: 将所有的传热阻力都集中在厚度为 （=b+f ) 的一层层流膜中，其中的传热方式为导热，依 据傅里叶定律，有：AttQw令：牛顿公式牛顿公式43 定义：tAQ二、对流传热系数二、对流传热系数l 单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率l 不是物性，而是受多种因素影响的一个参数W/m2.l 常用对流传热的值范围可查表4.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数44第四节第四节 传热过程计算传热过程计算4.4.1 热量衡算热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程总传热速率微分方程4.4.3 总传热系数总传热

26、系数4.4.4 传热平均温差传热平均温差4.4.5 传热计算应用举例传热计算应用举例454.4.1 热量衡算热量衡算换热器的热负荷换热器的热负荷Q：换热器在单位时间内冷、热流体换热器在单位时间内冷、热流体所交换的热量称为换热器的热负荷。所交换的热量称为换热器的热负荷。 J/s或或W。1. 区别：区别： 传热速率传热速率: 换热器单位时间能够传递的热量，是换热换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力，主要由换热器自身的性能决定。器的生产能力，主要由换热器自身的性能决定。 热负荷热负荷: 生产上要求换热器单位时间传递的热量，生产上要求换热器单位时间传递的热量，是由生产任务决定的。是由生产任

27、务决定的。热负荷与传热速率的关系：热负荷与传热速率的关系： 2. 联系联系 为确保换热器能完成传热任务，换热器的传热为确保换热器能完成传热任务，换热器的传热速率须大于至少等于其热负荷。速率须大于至少等于其热负荷。464.4.1 热量衡算热量衡算)()(1221ccpcchhphhttcWTTcWQ1. 若两流体无相变，且cp 为常数，则： 2. 若热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝，则： )(12ttcWrWQpcch低于Ts下离开)()(122ttcWTTcrWQpccsphh冷凝液在Ts（饱和温度）下离开T-热 t-冷 h-热 c-冷 1-进 2-出式中：式中：r为饱和蒸汽冷凝潜热；为饱和蒸汽冷

28、凝潜热；s为冷凝液的饱和温度为冷凝液的饱和温度 热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量获得的热量等于热流体放出的热量-热量衡算。热量衡算。474.4.2 总传热速率微分方程总传热速率微分方程 通过间壁换热器任一微元面积通过间壁换热器任一微元面积dA，流体间进行传热，流体间进行传热的总传热速率方程，可仿照对流传热速率方程写出，即：的总传热速率方程，可仿照对流传热速率方程写出，即：一、间壁式换热器总传热速率微分方程一、间壁式换热器总传热速率微分方程tdAKdAtTKdQ)(48tdAKdAtTKdQ)(4.4.2 总传热速率微分方

29、程总传热速率微分方程 式中：式中：dQ通过微元传热面积通过微元传热面积dA的传热速率，的传热速率，W； K局部总传热温度系数，局部总传热温度系数， W/（m. ）；）； t局部传热温度差，局部传热温度差，； T换热器任一截面的热流体的温度，换热器任一截面的热流体的温度，； t换热器任一截面的冷流体的温度，换热器任一截面的冷流体的温度，。 上式为上式为总传热速率微分方程式总传热速率微分方程式，也是总传热系数，也是总传热系数K的的定义式定义式。4900)(dAtTKdQ 如无特别说明，手册中的如无特别说明，手册中的K指指KoiidAtTK)(mmdAtTK)(4.4.2 总传热速率微分方程总传热速

30、率微分方程其他形式：其他形式：tdAKdAtTKdQ)(50 间壁式传热的三个步骤：间壁式传热的三个步骤：（1）热流体）热流体对流对流管壁管壁（2）热管壁）热管壁传导传导冷管壁冷管壁（3）冷管壁）冷管壁对流对流冷流体冷流体001)(dATTdQwmwwdAtTbdQ)(2iwidAttdQ)(34.4.3 总传热系数总传热系数（Overall Heat-transfer Coefficient)二、总传热系数二、总传热系数 K对流对流对流对流传导传导51iimdAdAbdAtTdQ11004.4.3 总传热系数总传热系数 对比与：dAtTKdQ)( 则得：则得：总传热系数总传热系数与各与各分传

31、热系数分传热系数的关系为：的关系为：iimooAAbAAK111对于稳定传热：dQ = dQ1= dQ2 = dQ3001dATTdQwmwwdAbtTiiwdAtt1524.4.3 总传热系数总传热系数 对于平壁，A = Ao = Am = AiiobK111对于圆筒壁，如以外表面Ao为基准，则K记为Ko，iimoobKA1AA1A1iimoooobKA1AA1A1ioimoooAAAAbK111即：ioimoooddddbK111或：534.4.3 总传热系数总传热系数 同理，如以内表面Ai为基准，则K记为Ki，iimooiibKA1AA1A1imioioiAAbAAK111即：imioi

32、oiddbddK111或：同理，如以平均表面Am为基准，则K记为Km，iimoommbKA1AA1A1imiomombKAA1AA11即：imiomomddbddK111或：544.4.3 总传热系数总传热系数 以内表面Ai为基准：imioioiddbddK111 以平均表面Am为基准：imiomomddbddK111 以外表面Ao为基准：ioimoooddddbK111 平面壁：iobK111554.4.3 总传热系数总传热系数 【例例】某列管换热器的管束由某列管换热器的管束由252.5mm的钢管（的钢管（=45 Wm-1K-1）组成，热空气流经管程，冷却水在管外和空气呈逆流流动。已）组成，

33、热空气流经管程，冷却水在管外和空气呈逆流流动。已知管内热空气侧的知管内热空气侧的i 为为 50 Wm-2K-1，管外水侧的，管外水侧的o为为 1000 Wm-2K-1，试求基于管外表面的传热系数，试求基于管外表面的传热系数 Ko 和基于内表面的传热系数和基于内表面的传热系数 Ki ，并比较，并比较Ko Ao和和Ki Ai。 解：解：按圆管公式计算，基于外表面时：按圆管公式计算，基于外表面时：ooiioo1b1mAAAAKooiio1bmdddd代入已知数据计算得：代入已知数据计算得：1202606. 01WKmKo124 .38KmWKo564.4.3 总传热系数总传热系数 计算结果表明，选取

34、不同的传热表面，计算所得计算结果表明，选取不同的传热表面，计算所得K值不同，但值不同，但KA是相同的！？是相同的！？ 若以内表面为参考得：若以内表面为参考得：1202085. 011WKmAAbAAKimiooii1248KmWKi1121201301504801. 30785. 04 .38KW.ldKAKKWmKmWldKAKiiiioooo对一根管取单位长度有：对一根管取单位长度有：57 换热器的总传热系数主要与流体的物性和流动状态换热器的总传热系数主要与流体的物性和流动状态有关，下表为列管式换热器的总传热系数的经验值。有关，下表为列管式换热器的总传热系数的经验值。4.4.3 总传热系数

35、总传热系数 58三、污垢热阻三、污垢热阻iiisimsddddRdbdRK00000011总热阻：l 若传热面为平壁或薄壁时：l 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时： isisRbRK111000iK111004.4.3 总传热系数总传热系数 换热器在一段时间运行后，传热壁面往往积存一层换热器在一段时间运行后，传热壁面往往积存一层污垢，对传热形成了附加（额外）热阻，称为污垢，对传热形成了附加（额外）热阻，称为污垢热阻污垢热阻。因此在估算因此在估算K值时，一般不能忽略污垢热阻。值时，一般不能忽略污垢热阻。59污垢热阻污垢热阻m2/W污垢热阻污垢热阻m2/W水水(u1m/s, t50) 蒸气蒸气 海水

36、海水0.0001 有机蒸汽有机蒸汽 0.0002 河水河水0.0006 水蒸气水蒸气(不含油不含油)0.0001 井水井水0.00058 水蒸气废气水蒸气废气(含油含油)0.0002 蒸馏水蒸馏水0.0001 制冷剂蒸汽制冷剂蒸汽(含油含油)0.0004 锅炉给水锅炉给水0.00026气体气体 未处理的凉水塔用水未处理的凉水塔用水0.00058 空气空气0.0003 经处理的凉水塔用水经处理的凉水塔用水0.00026 压缩气体压缩气体0.0004 多泥沙的水多泥沙的水0.0006 天然气天然气0.002 盐水盐水0.0004 焦炉气焦炉气0.0024.4.3 总传热系数总传热系数 604.4.

37、3 总传热系数总传热系数 【例】【例】列管换热器由列管换热器由 252.5mm的钢管组成。热空气流经管程，的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的 i为为50W/ (m2)，管外水侧的，管外水侧的 o为为1000 W/(m2)，钢的，钢的 为为45 W/(m)。空空气侧污垢热阻气侧污垢热阻Rsi = 0.510-3 m2 /W，水，水侧污垢热阻侧污垢热阻Rso = 0.210-3 m2 /W。 试求基于管外表面积的总传热系数试求基于管外表面积的总传热系数Ko。解：由解：由其中其中 do=0.025m, di=0.0

38、20m, b=(do- di)/2=0.0025m dm= (do-di)/ln(do/di)=(25-20)/ln(25/20) =22.4mm=0.0224m代入数据得：代入数据得：Ko=37.2 W/(m2) iosiioimosoooddRddddbRK111614.4.3 总传热系数总传热系数 【例】【例】在上例中，若管壁在上例中，若管壁和污垢的热阻可忽略，为了提高总传热系和污垢的热阻可忽略，为了提高总传热系数，在其它条件不变的情况下，分别提高不同流体的对流传热系数，数，在其它条件不变的情况下，分别提高不同流体的对流传热系数，即：即：(1) 将将 i提高一倍；提高一倍；(2) 将将

39、o提高一倍。试分别计算提高一倍。试分别计算Ko。解：解： (1) 将将 i提高一倍，提高一倍， i250100 W/(m2) Ko = 74 W/(m2) (2)将将 o提高一倍，提高一倍， o210002000 W/(m2)，Ko=39 W/(m2)讨论讨论： i 50 100 ， Ko = 74 o 1000 2000， Ko = 39 ioiooddK111原原Ko=37.2 W/(m2) 计算表明：提高大给热系数，总传热系数基本不变；提高小给计算表明：提高大给热系数，总传热系数基本不变；提高小给热系数热系数1倍，总传热系数提高近倍，总传热系数提高近1倍。倍。62 （1）K值永远接近且小

40、于值永远接近且小于小（热阻大）侧流体的小（热阻大）侧流体的对流传热系数值。所以，提高对流传热系数值。所以，提高K值的途径是提高小值的途径是提高小。四四 、关于提高、关于提高K值的讨论值的讨论iiisimsddddRdbdRK00000011 （2）两）两接近时，须同时提高两侧对流传热系数值。接近时，须同时提高两侧对流传热系数值。 （3）污垢热阻有时会成为传热的主要阻力：加强水）污垢热阻有时会成为传热的主要阻力：加强水质处理、加阻垢剂、定期除垢（机械、化学）。质处理、加阻垢剂、定期除垢（机械、化学）。4.4.3 总传热系数总传热系数 634.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传

41、热平均温差mtKAQ前提： K为常量； 用一平均温差tm代替温差（T-t），视为常量。进行积分：对dAtTKdQ)(总传热速率方程总传热速率方程A换热器的总传热面积tm两流体在整个换热器内的平均温差K总传热系数一、总传热速率方程一、总传热速率方程644.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差二、传热平均温度差二、传热平均温度差tm的计算的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为：时各点温度变化的情况，可将传热分为： 恒温差传热；恒温差传热； 变温差传热。变温差传热。 651、恒温传

42、热时的平均温度差、恒温传热时的平均温度差tTtm任一截面上，4.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差 两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。腾液体间的传热。 式中：式中：T热流体的温度热流体的温度，t冷流体的温度冷流体的温度。 662、变温传热时的平均温度差、变温传热时的平均温度差4.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传

43、热速率方程与传热平均温差 在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同。生产上换热器内流体壁面，在不同位置时温度不同。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：流动方向大致可分为下列四种情况： 并流并流: 两种流体在传热面的两侧以两种流体在传热面的两侧以相同相同的方向流动。的方向流动。 逆流逆流: :两种流体在传热面的两侧以两种流体在传热面的两侧以相反相反的方向流动。的方向流动。并流并流12逆流逆流12传热面674.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差 错流错流： 换热的两种流体在传热面两侧彼

44、此呈换热的两种流体在传热面两侧彼此呈垂直垂直方向流动。方向流动。 折流折流：简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折 流，使两侧流体间有流，使两侧流体间有并流与逆流并流与逆流的交替存在。的交替存在。复杂折流：参与热交换的双方流体均作复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流折流。 684.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差3. 3. 逆流和并流时的平均温度差逆流和并流时的平均温度差传热为稳定操作过程。传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。两流体的比热为常量。总传热系数总传热系数K为常量。为常量。换热

45、器的热损失可忽略。换热器的热损失可忽略。以逆流为例：热量衡算微分方程为以逆流为例：热量衡算微分方程为 dQ= -Wh cphdT= Wc cpcdt 根据假定有：根据假定有：常量phhcWdTdQ常量pcccWdtdQ假设：假设：694.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差Q T和和Q t为直线关系，即为直线关系，即 T=mQ+k t=mQ+kt =T-t = (m-m)Q + (k-k)温度温度T1传热面传热面AT2t1t1t2t20704.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差从上式可以看出：从上式可以看出： t Q关系呈直线，其斜率为

46、：关系呈直线，其斜率为：QttdQtd21)(QtttdKtd21A)(将总传热速率微分方程代入上式，则有将总传热速率微分方程代入上式，则有由于由于K为常量，积分上式有为常量，积分上式有A012A)(121dQttttdKtt714.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差Aln11212QttttKmtKttttKQAlnA12121212lntttttm（1）当）当t2/ t1 2时，可用时，可用(t2+t1)/2代替对数平均温度差。代替对数平均温度差。（2） 应用上式求应用上式求tm时，一般取时，一般取t2t1。（3）上式对并流也适用。）上式对并流也适用。 对数平

47、均温差对数平均温差(Logarithmic Average Temperature Difference)724.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差出进tTt1进出tTt2逆流：T进T出t出t进t1t2并流：t1t2T进T出t进t出进进tTt1出出tTt2A734.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差【例例】套管换热器用套管换热器用20的冷却水将某溶液从的冷却水将某溶液从100冷却冷却至至60，溶液流量，溶液流量1500kg/h，溶液比热，溶液比热3.5kJ /(kg)，已测得水出口温度为已测得水出口温度为40，分别计算并流与逆流时的对

48、，分别计算并流与逆流时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000 W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。解：逆流和并流的平均温差分别是：解：逆流和并流的平均温差分别是：C3 .49206040100ln)2060()40100(,逆mtC3 .43406020100ln)4060()20100(,并mt逆流逆流并流并流74 结论：结论：l 其他条件一定时，逆流其他条件一定时，逆流tm比并流大，可节省传热面积。比并流大，可节省传热面积。l 若有一方恒温，不必考虑流动方向若有一方恒温，不必考虑流

49、动方向4.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差3121115003.5 101006058300W3600pQW CTT2583001.18m1000 49.3mQAK t逆逆2583001.35m1000 43.3A 并传热负荷为：传热负荷为：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：754. 错流和折流时的平均温差错流和折流时的平均温差Underwood-Bowman图算法图算法mtmtt)(PRft、温差校正系数按逆流计算的平均温差tmt4.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差 先按纯逆流情况求

50、得对数平均温度差，然后再乘以校正系数，即先按纯逆流情况求得对数平均温度差，然后再乘以校正系数，即式中式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 热流体的温降热流体的温降/冷流体的温升冷流体的温升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流体的温升冷流体的温升/两流体的最初温差两流体的最初温差 根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和和P值后，校值后，校正系数正系数t值可根据值可根据R和和P两参数从相应的图中查得。两参数从相应的图中查得。（P232） 76单壳程4.4.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差77双壳程4.4

51、.4 总传热速率方程与传热平均温差总传热速率方程与传热平均温差784.4.5 传热计算应用举例传热计算应用举例mtKAQ设计型：设计型：操作型：操作型：根据工艺要求的传热量，确定传热面积。判断某一换热器能否满足生产要求，或预测某些参数变化后，换热器传热能力的变化。（无相变！）)()(1221ccpcchhphhttcWTTcWQiiisimsddddRdbdRK000000111212lntttttm计计算算依依据据79【例】有一套管换热器，热流体走内管，进、出口温度有一套管换热器，热流体走内管，进、出口温度分别为分别为120和和70；冷流体走环隙，进、出口温度分；冷流体走环隙，进、出口温度分

52、别为别为20和和60，逆流操作。现把换热管加长，使传热，逆流操作。现把换热管加长，使传热面积增大一倍，若两流体的流量及进口温度保持不变，面积增大一倍，若两流体的流量及进口温度保持不变，求热、冷流体的出口温度各为多少？设在前、后工况下，求热、冷流体的出口温度各为多少？设在前、后工况下，流体的物性数据和换热器的流体的物性数据和换热器的K值均没有变化。值均没有变化。解：1.在原工况下：)()(12222111ttCWTTCWpp8 . 021122211TTttCWCWppmptKATTCWQ)(211111102111mptTTCWKA4.4.5 传热计算应用举例传热计算应用举例802. 在新工况

53、下21002)20() 120(2222tTTttm)20() 120(222211tCWTCWpp)(8 . 012020221122aCWCWTtpp)(1110)2100(2120222btTT联立（a）和（b）求解，T2=51，t2=75.22) 120(211mptKATCWQ11102120112pmCWKAtT4.4.5 传热计算应用举例传热计算应用举例81第五节第五节 对流传热系数经验关联式对流传热系数经验关联式4.5.1 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4.5.2 对流传热系数经验公式的建立对流传热系数经验公式的建立4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无

54、相变时的对流传热824.5.1 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 由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。对流传热系数对流传热系数无相变无相变有相变有相变强制对流强制对流自然对流自然对流管内管内管外管外圆圆形形直直管管弯弯管管非非圆圆形形直直管管管束管束外的外的垂直垂直流动流动管管间间流流动动蒸蒸气气冷冷凝凝液液体体沸沸腾腾4.5.1 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 834.5 对流传热系数经验关联式对流传热系数经验关联式1. 流体的种类(气、液、蒸气)和相变化(有、无)情况3. 流体的流动类型(

55、层、 湍流)4. 对流的种类(自然、强制)5. 传热面的形状、布置和大小2. 流体的物性( )、pc844.5.2 对流传热系数经验公式的建立对流传热系数经验公式的建立一、无相变时强制对流的影响因素一、无相变时强制对流的影响因素)(uclfp、通过因次分析因次分析，得准数关系式：)(reuPRfN、二、无相变自然对流的影响因素二、无相变自然对流的影响因素)(tgclfp、准数关系式：)(rruPGN、式中：gt表示流体由于温差t而产生的浮升力， 称为流体的体积膨胀系数，因次为1/。85LuLpC223tlg4.5.2 对流传热系数经验公式的建立对流传热系数经验公式的建立864.5.2 对流传热

56、系数经验公式的建立对流传热系数经验公式的建立在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。 定性温度定性温度： t t定定 取流体进，出口温度的算术平均值作为取流体进，出口温度的算术平均值作为 定性温度；定性温度；高粘度流体用壁温作粘度定高粘度流体用壁温作粘度定 性温度；冷凝传热取冷凝液主体温度和性温度；冷凝传热取冷凝液主体温度和 壁温的算术平均值作为定性温度。壁温的算术平均值作为定性温度。特征尺寸特征尺寸： 传热面的几何因素有时是很复杂的，一传热面的几何因素有时是很复杂的，一 般选取对传般选取对传热起决定作用的几何因素作热起决定作用的

57、几何因素作 为特征尺寸，管内流动取管内径作为特征为特征尺寸，管内流动取管内径作为特征 尺寸；非圆形管取当量直径作为特征尺寸。尺寸；非圆形管取当量直径作为特征尺寸。应用范围应用范围： 只能在实验的范围内应用。只能在实验的范围内应用。Nu、Re874.5.3 流体无相变时的对流传热流体无相变时的对流传热1. 1. 流体在圆形直管内作强制湍流流体在圆形直管内作强制湍流nrePRNu8 . 0023. 0npiicudd)()(023. 08 . 0即：（1 1）低粘度液体（小于）低粘度液体（小于2 2倍常温水的粘度）倍常温水的粘度）一、流体在管内强制对流传热一、流体在管内强制对流传热n 流体被加热时

58、取0.4，被冷却时取0.3应用范围： 410eR1207 .0rP60idL特征尺寸L：di（取管内径） 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 88:)(14. 0w14. 033. 08 . 0)(027. 0wreiPRd（2 2）高粘度液体）高粘度液体液体被加热1.05，被冷却0.95定性温度：定性温度：w 取壁温时粘度，取壁温时粘度，其余各物性取液体其余各物性取液体 平均温度作定性温度。平均温度作定性温度。校正热流方向的影响4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无相变时的对流传热160ld应用范围：应用范围：Re10000；0.7Pr16700；特征尺寸特征尺寸L：取管内径：取管内径d

59、i。892. 流体在圆形直管中作强制过渡流流体在圆形直管中作强制过渡流 8 . 151061eRf4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无相变时的对流传热应用范围：应用范围： Re = 230010000按湍流传热的公式计算值，然后乘以修正系数 f ：903. 流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制层流14. 03/13/13/1)()(86. 1WireuLdPRN应用范围：应用范围： 2300eR67006 . 0rP100)(LdPRire4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无相变时的对流传热特征尺寸特征尺寸L：取管内径：取管内径di。定性温度：定性温度：w 取壁温时粘度，取

60、壁温时粘度，其余各物性取液体其余各物性取液体 平均温度作定性温度。平均温度作定性温度。914. 流体在弯管中强制对流流体在弯管中强制对流)77.11 (Rdi4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无相变时的对流传热di为管内径，为管内径，R为弯曲半径。为弯曲半径。 直管中的对流传热系数925. 流体在非圆形直管内作强制对流流体在非圆形直管内作强制对流将管内径di改为de，仍用上述关联式。如套管专用公式：如套管专用公式： 318 . 05 . 012)(02. 0reePRddd应用范围：应用范围： ，22000012000eR7 . 165. 112dd4.5.3 流体无相变时的对流传热流体无