化工原理第四章课件

1、化工原理 第四章 传 热第二节热传导第一节概述第三节对流传热第四节辐射传热第五节传热过程的计算第六节换热器 知识目标掌握热传导的基本规律，平壁和圆筒壁的热传导计算；对流传热的基本原理，对流传热的速率方程及流体在圆形直管内湍流时的对流传热系数计算；传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数及平均温度差的计算。理解传热的三种方式及特点；传热推动力及热阻的概念；影响管内和管外对流传热的因素及各准数的意义；列管式换热器的结构、特点及强化传热过程的途径。了解有相变的对流传热；热辐射的基本概念、定理及简单计算；列管换热器的设计和选用。第四章 传 热 能力目标通过本章的学习，能运用传热的基本理论、基本方法，对传

2、热过程进行设计型计算和操作型计算，会分析影响传热过程的各因素，对传热过程进行调节。第四章 传 热 第一节 概 述 传热在化工过程中的应用一、传热是研究热体和冷体之间热量传递速率的科学。根据热力学第二定律，凡是存在温度差的地方，就必然发生着热量传递。传热在化工生产过程中的应用主要有以下方面：（1）物料的加热、冷却、冷凝或汽化，使物料达到指定的温度和相态，以满足过程处理、加工、贮存等的要求。（2）在化学反应过程中，需要向系统输入或输出能量，以维持一定的反应温度，使反应过程能正常进行。 第一节 概 述（3）化工生产中热能的合理利用和废热的回收。（4）化工设备和管道的保温，减少热量（或冷量）的损失。化

3、工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一种是强化传热过程，如上述的前三种情况，要求传热速率快，传热效果良好；另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减小热损失。因此，通过对传热基本理论和对传热过程与设备的研究，对于强化或削弱化工过程传热，开发新型的传热元件有着十分重要的意义。 第一节 概 述 传热的基本方式二、根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式，即热传导、热对流、热辐射。 第一节 概 述（一）热传导热传导又称导热。物质各部分之间不发生质点的相对位移，靠物质的分子、原子或电子的振动或运动，使热量在物体内从高温处向低温处传递，或将热量传递到与之直接接触的低温物体的传热

4、过程称为热传导。可见热传导存在于静止物体内部或垂直于传热方向作层流流动的流体中。气体、液体和固体的热传导机理各不相同。在气体中，热传导是由分子不规则的热运动引起的；在大部分液体和不良导体的固体中，热传导是由分子的动量传递所致；在金属固体中，热传导的起因是自由电子的运动。因此，良好的导电体也是良好导热体。 第一节 概 述（二）对流传热对流传热是指流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程。它仅发生在液体和气体中。对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热。前者是由于泵、风机或其他外力作用而引起的流体流动所产生的传热过程；后者是由于流体各部分温度的不均而形成了密度的差异，使质点重降轻浮而进行的传热过程

5、。在流体中发生强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。工程上通常把流体与固体壁面间传热或固体壁面与流体间的传热称为对流传热。 第一节 概 述（三）热辐射（辐射传热）物体由于热的原因产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。任何物体只要在绝对零度以上都会产生辐射能，以电磁波的形式在空间传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时即被其部分地或全部地吸收而变为热能。因此辐射传热不仅是能量的传递，还同时伴有能量形式的转换。热辐射不需任何介质做媒介，即可在真空中传播，这是热辐射与其他传热方式不同之处。 第一节 概 述 实际上，上述三种传热方式往往不是单独存在，而是两种或三种传热方式的组合。例如，化工厂普遍应用

6、的间壁式换热器，热流体将热量传给壁面或热量通过管壁传给冷流体的过程，主要是以对流传热和热传导相结合的方式进行的。 第一节 概 述 间壁式换热器三、工业上的传热过程，按其工作原理和设备类型可分为三种类型，即直接接触式传热、蓄热式传热和间壁式传热，化工生产中最常见的是间壁式的热交换。间壁式传热是冷、热两种流体被固体壁面所隔开，它们分别在壁面两侧流动，热流体将热量传到固体壁面，通过壁面将热量传给冷流体。典型的间壁式换热器主要有套管式和列管式两种类型。 第一节 概 述（一）套管式换热器如图4-1所示，套管式换热器是由两个直径不同的直管同心套在一起而构成的。进行换热的冷、热两种流体分别在管内和环隙间流动

7、，通过内管管壁进行热量交换。因此，内管壁表面积为传热面积。图4-1 套管换热器 第一节 概 述如图4-2所示，列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件构成。操作时一种流体从换热器的一端接管进入封头，流经各管束后汇集到另一端封头，并从该封头接管流出，该流体称为管程流体，另一种流体由壳体接管流入，在壳体与管束间的空隙流过，壳体内装有数块折流挡板，使流体在外壳内沿挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出换热器，该流体称为壳程（或壳方）流体。由于在换热器中管程流体在管束内只流过一次，故称为单程列管式换热器。（二）列管式换热器 第一节 概 述 图4-2 单程列管式换热器1.壳体 2.管束 3.接管

8、 4.封头 5.管板 6.挡板 第一节 概 述为提高管程流体的流速以强化管程流体的传热，可采用多程列管式换热器。图4-3所示为双程列管式换热器，器内隔板4将分配室等分为二，管程流体只能先流过一半管束，待流到另一分配室后再折回流过另一半管束，然后从接管流出换热器。由于管程流体在管束内折流一次，故称为双程列管式换热器。若管程流体在管束内来回流过多次，则称为多程（如四程、六程）列管式换热器。同理，壳内流体也可以折流流动，称为多壳程（二程、四程）列管换热器。 第一节 概 述 图4-3 双程列管式换热器1.壳体 2.管束 3.挡板 4.隔板 第一节 概 述由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故列管式换热

9、器的传热面积是管束管壁的全部表面积，在换热器中两流体间传递热量的快慢可用传热速率或热通量来表示，传热速率是指单位时间内通过传热面的热量，用Q表示，其单位为W。它表征了换热器的生产能力。热通量是指单位传热面积、单位时间传递的热量，用q表示，其单位为W/m2。当传热速率一定时，热通量越大，所需传热面积越小，因此，热通量是反映传热强度的指标。 第一节 概 述 稳态传热和非稳态传热四、在传热系统中，各点温度分布仅随位置而变，不随时间而变的传热过程称为稳态传热。稳态传热的特点是通过传热面积的传热速率为常量。连续生产过程中的传热多为稳态传热。在传热系统中，各点的温度分布随时间和位置而变的传热过程为非稳态传

10、热。间歇操作的传热过程为非稳态传热。化工生产中多是稳态传热过程。因此本章重点讨论稳态传热。 第二节 热传导 傅立叶定律和导热系数一、（一）傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，表示热传导速率与温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。对于稳态的一维传热过程，其数学表达式为 第二节 热传导 在传热系统中，同一时刻下相同温度的点所组成的面称为等温面。其特点是温度不同的等温面不相交；同一等温面上无热量传递。由图4-4可知不同温度的等温面之间存在着温度差，温度随距离的变化率以等温面的法线方向上为最大，将等温面法线方向上的温度的变化率称为温度梯度，记为grad t，数学表达式为图4-4 温度梯度与傅

11、立叶定律 第二节 热传导 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方向。 式（4-1）中的负号表示热流方向总是和温度梯度方向相反，即热量从高温向低温传递。 傅立叶定律也可表示为 第二节 热传导（二）导热系数式（4-1）可改写为 上式表明，导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量，越大，导热愈快。因此，导热系数是反映物质导热能力大小的参数，是物质的物理性质之一。 第二节 热传导 温度对导热系数的影响是：金属固体的导热系数一般随温度的升高而降低；非金属固体的导热系数随温度的升高而增大；液体中水的导热系数最大，除了水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高略有减小。气体的导热

12、系数随温度的升高而增大，在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化甚微，可以忽略不计。 第二节 热传导应予指出，在热传导过程中，导热系数随温度而变化，在工程计算中，常取导热系数的平均值，把导热系数当常数处理。另外，混合物的导热系数要小于单一组分的导热系数，如合金的导热系数一般要比纯金属的低，溶液的导热系数小于此组成中的纯液体的导热系数。 第二节 热传导传热的基本方式有哪几种？各有什么特点？物质的导热系数与哪些因素有关？思考题4-1 第二节 热传导 平壁的稳态热传导二、（一）单层平壁的稳态热传导 图4-5为一单层平壁，壁厚为b，壁的面积为A，假设A/b很大，则壁边缘处的散热可以忽略，壁内温度

13、只沿垂直于壁面的x方向而变化，等温面是垂直于x轴的平面，且壁面两侧的温度t1和t2不随时间而变化，故该平壁的热传导是稳态一维热传导。因热传导速率Q和传热面积S都为常量，当导热系数取平均值时，则由傅立叶定律得 第二节 热传导图4-5 单层平壁的热传导 第二节 热传导 第二节 热传导由式（ 4-7 ）可以看出，传热速率为导热的推动力与导热热阻的比值，热传导的距离越大，传热面积和导热系数越小，则导热热阻越大。 第二节 热传导【例4-1】 第二节 热传导 第二节 热传导（二）多层平壁的热传导工业锅炉的炉壁是由耐火砖、保温砖、普通砖等构成的分层平壁。如图4-6所示，设平壁面积均为S，各层壁厚分别为b1、

14、b2和b3，导热系数分别为1、2和3。假设层与层间接触良好，即相接触的两表面的温度相同。各接触面的温度为t1、t2、t3和t4，且t1t2t3t4。 第二节 热传导图4-6 三层平壁的热传导 第二节 热传导 第二节 热传导多层平壁的热传导是一种串联的传热过程。由式（4-12）可以看出，串联传热过程的总推动力（总温度差）是各分过程温度差之和；总热阻为各分过程热阻之和。 第二节 热传导 通过圆筒壁的热传导三、 化工生产中常遇到圆筒壁（如圆筒形容器、设备和管道）的热传导。单层圆筒壁的热传导如图4-7所示。图4-7 单层圆筒壁的热传导 第二节 热传导 设圆筒壁的内外半径分别为r1和r2，长度为L，内、

15、外壁表面温度分别保持恒定温度t1和t2，且t1t2。若L足够长，则沿轴向散热可忽略不计，温度仅沿半径方向变化。此种热传导的不同处在于，圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变。若在圆筒半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，则传热面积可视为常量，且等于2rL；同时通过该薄层的温度变化为dt，通过该薄圆筒的热传导速率可以写为 第二节 热传导 第二节 热传导多层圆筒壁（以三层为例）的热传导，如图4-8所示。假设各层间接触良好，各层的导热系数分别为1、2和3，厚度分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3。根据串联传热的原则，可写出三层圆筒壁的热传导速率方程式为 第二节 热传导图4

16、-8 多层圆筒壁的热传导 第二节 热传导应注意，对圆筒壁的热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却都不相等。 第三节 对 流 传 热 对流传热的分析一、 工业上遇到的对流传热，一般是间壁式换热器中两侧流体与壁面间的热交换，即热流体将热量传给固体壁面或固体壁面将热量传给冷流体的过程。由于对流传热主要是依靠流体质点的移动和混合来完成的。因此，对流传热与流体的状态及流动状况密切相关。 图4-9为冷热两种流体间壁换热示意图，当流体沿壁面成湍流流动时，邻近壁面处总有一层层流层存在，在层流层内，各层流体平行流动，在垂直于流动方向上，热量传递主要依靠热传导进行。 第三节 对 流 传 热图4-9

17、对流传热的温度分布情况 第三节 对 流 传 热在湍流主体中，由于流体质点的剧烈运动，可以认为无传热阻力，在垂直于流动方向上任一截面上各点的温度相等，传热推动力为零，即温度梯度为零。传热的热阻主要集中在靠近壁面有温度梯度的流体层内，将靠近壁面存在有温度梯度的流体层的厚度称为传热边界层。由以上分析可知，在湍流传热时，热阻主要集中在传热边界层内，因此，减薄传热边界层的厚度是强化对流传热的重要途径。 第三节 对 流 传 热 对流传热速率方程二、 由上分析可知，对流传热与流体的流动状态和流体的性质有关，其传热过程复杂，影响因素较多，无法用严格的数学求解对流传热系数。工程上把对流体传热看成是通过一个厚度为

18、t的传热膜的热传导过程。应用热传导速率方程可得 第三节 对 流 传 热式中 Q通过传热面积S的对流传热速率，W； S总传热面积，m2； 平均对流传热系数，W/(m2)； t流体与壁面间温度差的平均值，； t传热边界层的厚度，m； 加热或冷却流体的导热系数，W/(m)。 第三节 对 流 传 热 应注意，对流传热系数是与传热面积和温度差相对应的。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在换热器的管外流动，则热流体与壁面的对流传热可用下式描述： Q=iSi（T-Tw）m （4-23）壁面与冷流体的对流传热可用下式描述： Q=oSo（tw-t）m （4-24） 第三节 对 流 传 热牛顿冷却定律以很简

19、单的形式描述了复杂的对流传热过程的速率关系，将所有影响对流传热热阻的因素都归入到对流传热系数之中。所以如何确定在各种条件下的对流传热系数，成为解决对流传热问题的关键。 第三节 对 流 传 热 对流传热系数关联式的建立三、（一）影响对流传热系数的因素实验表明，影响对流传热系数的因素有以下几种：（1）流体的种类和相变化的情况。液体、气体和蒸气的对流传热系数都不相同；流体在传热时有无相变化，对流传热系数也有很大的差别，若流体发生相变，其对流传热系数要比无相变时大得多。（2）流体的物理性质。对值影响较大的流体的物理性质有导热系数、黏度、比热容、密度等，其中黏度愈大，对流传热系数愈低。流体的导热系数、比

20、热容和密度增大，对流传热系数增大。 第三节 对 流 传 热（3）流体的流动状况。当流体呈层流时，流体沿壁面分层流动，传热主要依靠热传导来进行。当流体呈湍流时，由于只在壁面附近存在以热传导方式进行传热的传热边界层，而在湍流主体的流体温度分布均匀，传热阻力全部集中在传热边界层内。因此，湍流时的对流传热系数远比层流时大，且随Re的增大而增大。 第三节 对 流 传 热（4）流体流动的原因。根据流体流动的原因，对流传热分为自然对流和强制对流。自然对流是由于流体内部存在温度差而引起密度不同，密度大的往下沉，密度小的向上升，由于流速较小，对流传热系数不大。强制对流是由于外界机械能的输入，如泵、搅拌器等迫使流

21、体流动，由于流速较大，对流传热系数较大。通常，强制对流传热系数要比自然对流传热系数大几倍至几十倍。 第三节 对 流 传 热（5）传热面的形状、位置和大小。传热面的形状（如管、板、环隙、翅片等）、传热面方位和布置（水平或垂直旋转、管束的排列方式）及管道尺寸（如管径、管长、板高和进口效应）等都直接影响对流传热系数。通常传热面的形状特征用一个对值影响较大的特征尺寸来表示。 第三节 对 流 传 热（二）对流传热系数经验公式的建立由上分析可知，影响的因素很多，要建立一个通式来求各种对流传热情况下的是不可能的。工程上常采用因次分析方法，将众多的影响因素（物理量）组合成若干无因次数群（准数），然后再用实验确

22、定这些准数间的关系，即可得到不同对流传热情况下求算的关联式。无因次分析得到的准数见表4-1。 第三节 对 流 传 热 第三节 对 流 传 热表中各准数中物理量的意义如下：对流传热系数，W/(m2)；u流速，m/s；流体的密度，kg/m3； l传热面的特性尺寸，可以是管径（内径、外径或平均直径）或平板长度等，m；流体的导热系数，W/(m)；流体的黏度，Pas；cp流体的定压比热容， J/（kg)；t流体与壁面间的温度差， ；流体的体积膨胀系数，1/或1/K；g重力加速度，m/s2。 第三节 对 流 传 热对于各种不同情况下的对流传热的具体函数关系需由实验确定，所得到的准数关联式是一种半经验的公式

23、。在使用由实验得到的关联式时，应注意以下几点。（1）应用范围。关联式中Re、Pr等的数值范围是由实验确定的，使用时不能超过规定的范围。（2）特征尺寸。参与对流传热过程的传热面几何尺寸往往不止一个，在建立特征数关联式时，通常选用对流体的流动和传热有决定性影响的尺寸作为Nu、Re等准数中的特征尺寸l。一般对圆管内对流传热时选用管内径，非圆形管内对流传热时选用当量直径。 第三节 对 流 传 热（3）定性温度。流体在对流传热过程中，从进口到出口温度是变化的。准数中用到的物性参数（，cp，）也随之而变化。确定准数中流体物性参数的温度和为定性温度。不同的准数关联式有不同的确定方法，一般有以下三种方法： 第

24、三节 对 流 传 热 流体无相变时的对流传热四、无相变的对流传热是工业生产中最常见的。式（4-25）中包括强制对流和自然对流，在强制对流时Gr可忽略不计，而自然对流时Re可忽略不计，所以式（4-25）可进一步简化为 强制对流Nu=f（Re,Pr） （4-26） 自然对流Nu=f（Pr，Gr） （4-27） 下面按照强制对流和自然对流两大类，介绍工程上常用的流体无相变时对流传热系数经验关联式。 第三节 对 流 传 热（一）流体在圆形直管内作强制湍流的对流传热系数 第三节 对 流 传 热某流体在圆管内呈湍流流动时，若管径减小至原管径的1/2，而流量保持不变，忽略出口温度变化对物性的影响，问管内对流

25、传热系数如何变化？思考题4-2 第三节 对 流 传 热（2）对于高黏度流体，可采用以下关联式：定性温度：除黏度w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围和特征尺寸与式（4-28）的相同。 第三节 对 流 传 热 应予指出，式（4-28）中Pr的方次n采用不同的数值以及式（4-29）中（/w）0.14项都是为了校正热流方向的影响。液体被加热时，层流内层的温度比液体的平均温度高，由于液体的黏度随温度升高而降低，所以层流内层中液体的黏度降低，流速增大，层流内层的厚度减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却时，情况恰相反，但是式中Pr值是根据流体进、出口平均温度计算得到的，只要流体进、出口

26、温度在加热和冷却时都相同，则Pr值也相同。 第三节 对 流 传 热由于壁温往往是未知的，式（4-29）中的校正项（/w）0.14可取近似值。液体被加热，取（/w）0.141.05；液体被冷却，取（/w）0.140.95，对气体，不论是被加热还是被冷却，均取（/w）0.141.0。 第三节 对 流 传 热（二）流体在圆形直管内作强制层流的对流传热系数 流体在管内作强制层流时，情况比较复杂，往往伴有自然对流。当管径较小，流体与壁面间温度差不大，一般是Gr25000时，自然对流的影响可忽略，这种情况下对流传热系数可用下述关联式计算，即 第三节 对 流 传 热（三）流体在圆形直管内作过渡流的对流传热系

27、数当Re取值范围为230010000时，对流传热系数可先用式（4-28）计算，然后将算得的结果乘以校正系数。校正系数为为应指出，通常在换热器的设计中，为了提高总传热系数，流体多呈湍流流动。 第三节 对 流 传 热（四）流体在管外强制对流传热的对流传热系数 第三节 对 流 传 热流体在管外垂直流过时，分为垂直流过单根和垂直流过管束两种情况。由于工业上所用换热器中多为流体垂直流过管束，故只介绍这种情况的计算方法。管束的排列又分为直排和错排两种，如图4-10所示。对第一排管子，不论直排还是错排，流体流动情况相同。但从第二排开始，流体在错排管束间通过时受到阻拦，使湍动增强，故错排式管束的对流传热系数大

28、于直排式。 第三节 对 流 传 热图4-10 管束的排列 第三节 对 流 传 热 流体在管束外垂直流过时的对流传热系数可用下式计算，即 Nu=CRenPr0.4 (4-33) 式中，C、n由实验确定，其值见表4-2。 第三节 对 流 传 热 适用范围：5000Re70000，x1/do为1.255，x2/do为1.255。流速u取流动方向上最窄通道处的流速。特性尺寸：管外径do。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。由于用式（4-33）求出各排对流传热系数不同，故管束的平均对流传热系数可按下式计算，即 第三节 对 流 传 热蒸气冷凝方式1. 蒸气冷凝时的对流传热系数五、（一）蒸气冷凝时的对

29、流传热系数 当饱和蒸气与温度低于饱和温度的壁面相接触时，蒸气在壁面上冷凝成液体放出潜热，蒸气冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。 第三节 对 流 传 热 若冷凝液能润湿壁面，则在壁面上形成一层完整液膜，称为膜状冷凝。如图4-11中(a)和(b)所示。在壁面上形成液膜后，蒸气冷凝时放出的潜热，必须通过液膜后才能传给冷壁面。由于蒸气冷凝为有相变过程，热阻很小，因此冷凝液膜往往成为膜状冷凝的主要热阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，壁面较高或水平放置的管径较粗，则液膜厚度愈大，整个壁面的平均对流传热系数也就愈小。 第三节 对 流 传 热图4-11 蒸气冷凝方式 第三节 对 流 传 热若冷凝液不能

30、润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，液滴长大到一定程度后受重力作用沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝，如图4-11（c）所示。在滴状冷凝时，大部分壁面直接暴露在蒸气中，蒸气直接与金属壁面接触，没有液膜热阻，因此滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝的可高几倍至几十倍。由于滴状冷凝难以持久维持，工业上遇到的冷凝大都为膜状冷凝。因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理。下面仅介绍膜状冷凝传热系数的计算方法。 第三节 对 流 传 热膜状冷凝的传热系数2.（）蒸气在垂直管外（或垂直板上）的冷凝。如图4-11（a）所示，冷凝液在重力作用下沿壁面由上而下流动，由于沿程不断有新冷凝液形成，液膜的厚度逐

31、渐增加。在壁面上部液膜因流量小，流速低，为层流流动，由顶端向下，因液膜变厚，对流传热系数减小。当壁的高度足够高，且冷凝液量较大时，则壁的下部液膜会出现湍流流动，对流传热系数反而增大。从层流到湍流的转变Re准数的临界值为2100。对冷凝过程，Re准数被定义为 第三节 对 流 传 热 第三节 对 流 传 热影响冷凝传热的因素3.饱和蒸气冷凝时，热阻集中在冷凝液膜内，因此液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键，凡有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数。（）液膜两侧的温度差t。当液膜呈层流时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜厚度增厚，冷凝传热系数减小。 第三节 对 流 传 热（）流体的

32、物理性质。由膜状冷凝的传热系数计算式可知，冷凝液的密度越大，黏度越小，液膜的厚度越小，冷凝传热系数越大。导热系数及汽化潜热也影响值。（）蒸气中不凝气体的含量。若蒸气中含有空气及其他不凝性气体，则壁面被气体膜所覆盖，蒸气冷凝时，必须经过气膜将热量传给壁面，由于气膜的导热系数很小，因此形成的一个附加热阻很大的层，使急剧下降。在静止蒸气中，不凝性气体含量只有1%，对流传热系数会下降60%。因此在设计和操作中，都必需考虑排除不凝气体。 第三节 对 流 传 热（）蒸气的流速和流向。蒸气运动时和液膜间产生摩檫力，若蒸气和液膜同向流动，则摩檫力将使液膜流动加速，厚度变薄，使增大；若两者逆向流动，则减小。但是

33、如果这种力超过液膜重力，液膜会被蒸气吹离壁面，此时随着蒸气流速的增加，急剧增大。（）冷凝壁面布置。对于水平放置的管束，冷凝液从上部各排管子流下，使下部管排液膜变厚，则变小。垂直方向上管排数愈多，下降也愈严重。因此应采取减小垂直方向上管排数目或者将管束由直列改为错列等措施。此外，若冷凝壁面粗糙不平或有氧化层，则会使液膜加厚，因而降低。 第三节 对 流 传 热液体与高温壁面接触被加热汽化，并产生气泡的过程，称为液体的沸腾。工业锅炉、蒸发器、再沸器都是将液体加热至沸腾而生产蒸气的过程。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流

34、动时受热沸腾，称为管内沸腾。后者机理更复杂，下面主要讨论大容积沸腾（又称池内沸腾）。（二）液体的沸腾 第三节 对 流 传 热液体沸腾曲线1. 实验表明，大容器内液体沸腾时，随着传热面与液体温度差t（即tw-ts）的不同而出现不同类型的沸腾状态。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例，讨论温度差t对传热系数的影响。 第三节 对 流 传 热（）当温度差t较小（t5 ）时，加热表面上的液体轻微过热，使液体内部产生自然对流，没有气泡从液体中逸出液面，而仅在液体表面上发生蒸发，此阶段的较低，如图4-12中AB段所示，通常将此阶段称为自然对流区。 第三节 对 流 传 热图4-12 水的沸腾曲线 第三节 对

35、流 传 热（）当t逐渐增大（t为525）时，在加热表面粗糙不平的地方产生大量的气泡，且不断地离开壁面上升至蒸气空间。气泡的产生、脱离和上升使液体受到强烈的扰动，因此急剧增大，如图4-12中BC段所示，此阶段称为泡核沸腾区。 第三节 对 流 传 热（）当t再增大（t25 ）时，加热面上的气泡大量增多，气泡产生的速度大于它脱离壁面的速度，气泡在脱离表面之前相互连接。在表面上形成一层蒸气膜，使加热面与液体隔开。由于蒸气的导热系数低，气膜的附加热阻使急剧下降。当气膜开始形成时是不稳定的，大气泡可能脱离表面，故此阶段为不稳定的膜状沸腾或部分泡核沸腾，如图4-12中CD段所示。当达到D点时，加热面全部被气

36、膜所覆盖，开始形成稳定的气膜，以后随t的增加，又上升，这是由于壁温升高，辐射传热影响所致，如图4-12中DE段所示。实际上，一般将CDE段称为膜状沸腾区。 第三节 对 流 传 热 由泡核沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。由于泡核沸腾的传热系数较膜状沸腾的大，工业生产中总是设法控制在泡核沸腾下操作，因此确定不同液体沸腾时临界点下的有关参数具有实际意义。由于沸腾传热机理复杂，影响因素多，因此的计算也较复杂。工程计算上多采用一些相似条件下的实验数据，而不一定要进行详细的计算。例如，水沸腾时， 值一般为17009200 W/(m2)。 第三节 对 流 传 热影响沸腾传热的因素2.（）液体的性质。

37、液体的导热系数、密度、黏度和表面张力等都对沸腾传热有重要的影响。一般情况下，随、的增加而加大，随和的增加而减小。（）温度差t。前面已指出，温度差（tw-ts）是控制沸腾传热过程的重要因素。操作温差应控制在核状沸腾区。 第三节 对 流 传 热（）操作压强。提高沸腾压强即相当于提高液体饱和温度，使液体的表面张力和黏度均减小，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同的t下，操作压强愈高，则和q就愈大。（）加热表面状况。一般新的或清洁的加热面的值较大。当表面沾上油脂后，会使急剧下降。表面愈粗糙，气泡核心愈多，愈有利于沸腾传热。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。 第三节 对 流 传

38、 热 准数关联式的选用六、对流传热是一个复杂的传热过程，但通过简化处理，可以得到形式简单的对流传热速率方程。如何求得对流传热系数是解决对流传热问题的关键，本节介绍了不同情况下对流传热系数的计算方法，公式较多，但大体上可分为两类：一类是用因次分析法确定准数之间的关系，通过实验确定关系式中的系数和指数，属于半经验公式；另一类是纯经验公式。在选用时应注意以下几点： 第三节 对 流 传 热（1）要根据处理的对象和所要解决的传热问题，选择适当的关联式；（2）要注意所选用关联式的适用范围、特性尺寸和定性温度的要求；（3）要注意正确使用各物理量的单位，对于纯经验公式，必须使用公式所需要的单位；（4） 重视数

39、量级的概念，注意不同状态下对流传热系数的差异。 第三节 对 流 传 热一般来说，有相变的对流传热系数要远大于无相变的对流传热系数，液体的对流系数要大于气体的对流传热系数，滴状冷凝的对流传热系数大于膜状冷凝的对流传热系数。值的范围见表4-3。 第三节 对 流 传 热气体与固体壁面之间、液体与固体壁面之间、有相变流体与固体壁面之间的对流传热系数的数量级分别为多大？思考题4-3 第四节 辐 射 传 热 基本概念一、（一）热辐射 物体因热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程称为热辐射，热辐射的波长范围可从零到无限大，但热效应显著的波长范围为0.420m，其中可见光的波长范围为0.40.8m，红外光的

40、波长范围0.820m。可见，辐射传热主要发生在近红外区。 热辐射和光辐射的本质完全相同，两者的区别仅在于波长范围不同。它们都服从反射和折射定律，能在均一介质中作直线传播。在真空和大多数的气体（惰性气体和对称双原子气体）中，热射线可完全透过，但是对大多数的固体和液体，热射线则不能透过。 第四节 辐 射 传 热（二）黑体、镜体、透热体 如图4-13所示，当投射在某一物体表面上的总辐射能为Q时，若有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透过物体。根据能量守恒定律，可得 第四节 辐 射 传 热若A=1，则表示该物体能全部吸收投射其上的辐射能。这种物体称为绝对黑体，简称黑体。但应指出

41、，黑体是一理想化的观念，实际上完全的黑体并不存在，仅供在热辐射计算中作为比较的标准，如无光泽的黑煤A0.97。若R=1，则表示该物体能全部反射投射其上的辐射能，这种物体称为镜体或绝对白体，如磨光的铜镜R0.97。若D=1，则表示该物体能透过全部辐射能，这种物体称为透热体，如单原子和对称双原子的气体可视为透热体。 第四节 辐 射 传 热物体的吸收率、反射率和透过率的大小取决于物体的性质、表面状况及辐射能的波长等。一般固体和液体都是不透热体，即D=0，A+R=1。物体向外发射辐射能的同时，也不断地吸收周围其他物体发射的辐射能，并将吸收的辐射能转变为热能。其净结果是高温物体向低温物体传递了能量。若两

42、个换热物体的温度相等，则物体间净辐射传热量等于零。 第四节 辐 射 传 热 物体的辐射能力二、 物体的辐射能力是指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E表示，单位为W/m2。 第四节 辐 射 传 热（一）黑体的辐射能力 斯蒂芬-波尔茨曼定律 理论上可证明，黑体的辐射能力与其表面绝对温度的四次方成正比，即 Eb=oT4(4-41)式中 Eb黑体辐射能力，W/m2；T黑体表面的热力学温度，K；o 黑体的辐射常数，其值为5.6710-8W/（m2K4）。 式（4-41）即为斯蒂芬-波尔茨曼定律。为了工程计算上的方便，通常将式（4-41）写成如下形式：式中 Co黑体的辐

43、射系数，其值为5.67 W/（m2K4）。 第四节 辐 射 传 热（一）实际物体的辐射能力 在同一温度下，实际物体的辐射能力均小于黑体的辐射能力。不同物体的辐射能力也有很大的差别。通常以黑体的辐射能力为基准，引入黑度的概念。 在同一温度下，实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比，定义为物体的黑度，用表示，即 第四节 辐 射 传 热 只要已知物体的黑度，便可由上式求得该物体的辐射能力。 物体的黑度表明实际物体接近于黑体的程度。黑度值取决于物体的性质、温度及表面状况（如表面粗糙度及氧化程度），一般由实验测得。常见的工业材料的黑度列于表4-4中。 第四节 辐 射 传 热 基尔霍夫定律三、理论证明，任

44、何实际物体的辐射能力与其吸收率的关系满足下式：式（4-45）为基尔霍夫定律的数学表达式。该式表明任何物体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，即仅和物体的温度有关。实际物体的吸收率均小于1，故在任一温度下，黑体的辐射能力最大。而且物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大。 比较式（4-43）和式（4-45），可以看出A=，即在同一温度下，物体的吸收率在数值上等于该物体的黑度，因此，实际物体吸收率均可用其黑度的数值。 第四节 辐 射 传 热设备保温层外常包有一层薄金属皮，为减少热辐射损失，此层金属皮的黑度值是大了好还是小了好？其黑度值与材料的颜色、光洁度的关系又是如何？思考题4-4 第

45、四节 辐 射 传 热 两固体间的辐射传热四、 工业上常遇到两固体间的相互辐射传热。一般用下式表示高温物体对低温物体的辐射传热速率：式中 Q1-2净辐射传热速率，W；C1-2总辐射系数，W/（m2K4）；S辐射面积，m2；T1，T2分别为高温和低温表面温度，K；角系数，无因次。 第四节 辐 射 传 热总辐射系数C1-2值取决于壁面的性质（值）和两个壁面的几何因素（形状、大小和位置等），几种典型辐射情况下C1-2计算式列于表4-5中。角系数表示从表面1发射的总热辐射能中，到达表面2上的分数，其值与两物体表面形状、尺寸、距离等有关。若两平行面面积很大且距离很近时，取=1；若两平行面面积大小有限，每个

46、壁面所发射的辐射能只有部分投射到对方壁面上时，可根据壁面形状与两壁面间距离的比值，从图4-14查得。 第四节 辐 射 传 热 第四节 辐 射 传 热 图4-14 平行面间辐射传热角系数图1.圆盘形 2.正方形 3.长方形（边长之比为21） 4.长方形（狭长） 第四节 辐 射 传 热 设备热损失的计算五、当设备的外壁面温度高于环境温度时，热能将有壁面向环境散失，这部分散失的热量称为热损失。在化工生产中，许多设备的外壁温度常高于环境温度，此时热量将以对流和辐射两种方式自壁面向环境传递而引起热损失。可用下式计算，即 Q=TSw（tw-t）（4-47）式中 T对流-辐射联合传热系数，W/(m2)。对于

47、有保温层的设备，其外壁与周围环境的联合传热系数T可用如下公式估算。 第四节 辐 射 传 热空气自然对流（tw150 ）1.平壁保温层 T=9.8+0.07（tw-t） （4-48）管或圆筒壁保温层 T=9.4+0.052（tw-t） （4-49） 第四节 辐 射 传 热空气沿粗糙壁面强制对流2.空气流速u5 m/s时 T=7.8u0.78 (4-51) 第五节 传热过程的计算 工程上传热过程的计算主要有两类：一类是设计型计算，即根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及其他有关尺寸，以设计和选择换热器；另一类是校核计算，即判断一个换热器能否满足生产要求或预测生产中某些参数（如流体流量和温度）的

48、变化对换热器传热能力的影响等。两种计算都是以换热器的热量衡算和总传热速率方程为计算的基础。 第五节 传热过程的计算 热负荷计算一、 热负荷是指工艺上要求的由于温度或相的变化而吸收或放出的热量。 如图4-15所示，冷、热两种流体在间壁式换热器中进行热量交换。假设换热器保温良好，热损失可忽略，则根据能量守恒定律在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，即 Q=qmh（Hh1-Hh2）=qmc（Hc2-Hc1） (4-52)式中 Q换热器的热负荷，kJ/h或kW； qm流体的质量流量，kg/h； H单位质量流体的焓，kJ/kg。 第五节 传热过程的计算图4-15 热量衡算图 第五节 传热过程

49、的计算 若换热器中两流体无相变化，且流体的比热取为平均温度下的比热时，用比热法得到的热负荷计算公式为 Q=qmhcph（T1-T2）=qmccpc（t2-t1） (4-53)式中 cp流体的平均定压比热，kJ/(kg)；T热流体的温度， ；tKG0.5mm冷流体的温度， 。若换热器中热流体有相变化，如饱和蒸气冷凝，而冷流体无相变化时，则热负荷可用下式计算，即 Q=qmhr=qmccpc（t2-t1） (4-54)式中 r 饱和蒸气的汽化潜热，kJ/kg。 第五节 传热过程的计算式（4-54）的应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。 必须注意，热负荷是由生产任务决定的，是对换热器换热能力的要求

50、，与换热器自身的传热性能无关，而传热速率是本身在一定的操作条件下的换热能力，是换热器本身的特性。但在换热过程中，工艺上要求的热负荷又是在换热器中完成的，换热器的传热速率值必须等于或略大于热负荷值，而在实际设计换热器时，通常将传热速率与热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具有的传热速率。再据此对换热器进行设计型计算和操作型计算。 第五节 传热过程的计算何谓热负荷与传热速率？热量衡算式与速率方程式的差别是什么？思考题4-5 第五节 传热过程的计算 总传热速率方程二、 前述的热传导、对流传热、热辐射三种传热方式，一般对流的温度低于400 （673 K）时，可忽略辐射传热时的影响

51、，所以在热交换计算中，所涉及的传热方式主要是热传导和对流传热。如图4-15的列管式换热器中，假定热流体在管内流动，从进口温度T1降至出口温度T2。冷流体在壳程流动，从进口温度t1升高到出口温度t2，热量由热流体通过壁面传给了冷流体。总传热过程由三个连续过程组成： 第五节 传热过程的计算（1）热流体在流动状态下以对流传热的方式将热量传给列管管壁的内侧；（2）热量从列管的内壁面以热传导的方式传递到列管外壁面；（3）热量在外壁面和冷流体之间进行对流传热，将热量传给冷流体。传热过程中的总推动力是冷热流体间的平均温度差，热量传递的列管壁面称为列管换热器的传热面。 第五节 传热过程的计算理论和实验可以证明

52、，单位时间内通过换热器传热面上传递的热量Q (即传热速率)与传热面积以及冷、热流体间的平均温度差tm成正比，用数学式表示为 第五节 传热过程的计算 式（4-55）称为总传热速率方程或传热基本方程，它是换热器传热计算的重要根据，无论是核算换热器的生产能力或是根据传热任务设计和选用换热器，都要用到传热基本方程。其中总传热系数K、传热平均温度差tm和传热面积A是传热过程中的三要素。式中1/KA称为传热总热阻，表示传热速率等于传热推动力与传热总热阻之比。 第五节 传热过程的计算 总传热系数三、由总传热速率方程可以看出，总传热系数K在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。总传热系数是表示传热设

53、备性能的重要参数，也是对传热设备进行计算和评价的依据。影响K值的因素很多，主要取决于流体的物性、操作条件和换热器的类型。K值的获得方法主要通过以下三种途径: 第五节 传热过程的计算（一）取经验数值在进行换热器的传热计算时，往往参照工艺条件相仿，设备类似而有比较成熟的经验数据作为设计的依据。表4-6列出了列管换热器总传热系数经验值的大致范围。有关手册中列有不同情况下K经验值，可供设计计算时参考。 第五节 传热过程的计算 第五节 传热过程的计算（二）实验测定K值当缺乏经验数据和可靠的计算式时，可对换热器进行实验测定。即通过测定冷、热流体的流量，进、出口温度和传热面积，运用热量衡算和传热速率方程，计

54、算出总传热系数K值。测得的K值可作为其他工艺条件相近，处理物料类似，使用同类型换热器时的参考数据，也可用来鉴别现场传热过程的好坏，以求对换热器进行改进和强化。 第五节 传热过程的计算有一套管换热器，用饱和水蒸气加热管内的空气，如要测总传热系数K，需要测定哪些参数？若要测得饱和水蒸气一侧的对流传热系数，还需要补测哪些参数？思考题4-6 第五节 传热过程的计算总传热系数K值计算公式推导1.（三）总传热系数K值的计算 以冷、热两种流体在列管换热器内间壁换热为例，推导总传热系数K值的计算式。如图4-16所示，设热流体在管内流动，T1=T2=T(如蒸气冷凝)，冷流体在管外流动且t1=t2=t（如液体沸腾

55、），即两流体为间壁恒温传热。热流体一侧的壁面温度为Tw，冷流体一侧的壁面温度为tw，Ai、Ao和Am分别为内、外侧和管壁的平均传热面积，i、o分别为管内、外流体的对流传热系数，为管壁的导热系数，b为壁厚。 第五节 传热过程的计算图4-16 流体与壁间的对流传热 第五节 传热过程的计算 如前所述，换热器间壁两侧流体间的传热包括以下过程： （1）热流体与管内壁间的对流传热 第五节 传热过程的计算 第五节 传热过程的计算污垢热阻的影响2.换热器在经过一段时间运行之后，传热壁面往往积存一层污垢，对传热形成了附加热阻，称为污垢热阻。在计算总传热系数K值时，一般不能忽略污垢热阻。污垢热阻的大小与流体的性质

56、、流速、温度、设备结构及运动时间等因素有关。由于污垢层的厚度及其导热系数难以准确地测定，通常只能根据污垢热阻的经验值进行计算。某些常见流体的污垢热阻的经验值可查相关参考书。 第五节 传热过程的计算 第五节 传热过程的计算关于K值的几点讨论3.（1）由上述K值的计算式可知，总热阻等于各分热阻之和，所以总传热系数K值必定小于管壁两侧任何一个对流传热系数，即Ki，Ko。 （2）当管壁及污垢热阻可忽略时，对薄管壁而言，式(4-59)可简化为（3）在总传热速率方程式中，应注意总传热系数和传热面积的对应关系，选择的面积不同，总传热系数的数值不同。习惯上换热器以管外面积Ao表示，因此以管外表面积为基准Ko的

57、应用较多。 第五节 传热过程的计算有一间壁式换热器，管内空气被加热，管间为饱和水蒸气，总传热系数K接近于哪一侧的对流传热系数？壁温接近于哪一侧流体的温度？思考题4-7 第五节 传热过程的计算 传热平均温度差四、根据换热器中两流体温度差变化情况，可分为恒温传热和变温传热，而变温传热又可分为一侧流体变温和两侧流体变温两种情况。 第五节 传热过程的计算（一）恒温传热时的平均温度差 换热器间壁两侧流体均有相变化，如蒸发器中，饱和蒸气冷凝和液体沸腾间的传热就是恒温传热。此时，冷、热流体的温度均不沿换热器的管长变化，两者间温度差在换热器的不同截面上都相等，即 tm=T-t （4-62）式中 T热流体的温度

58、， ； t冷流体的温度，。 第五节 传热过程的计算（二）变温传热时的平均温度差 若间壁一侧或两侧的流体温度沿着传热壁面在不断变化，称为变温传热。下面讨论几种常见的情况。 第五节 传热过程的计算并流和逆流时的平均温度差1. 图4-17是单侧流体温度变化的情况。例如，用饱和蒸气加热冷流体，蒸气冷凝温度不变，而冷流体的温度不断上升，如图4-17（a）所示；又如用不发生相变化的热流体去加热另一在较低温度t下沸腾的液体，后者的温度始终保持在沸点不变，如图4-17（b）所示。 第五节 传热过程的计算图4-17 一侧流体变温时的温度变化 第五节 传热过程的计算图4-18 两侧流体变温下的温度差变化图4-18

59、是两侧流体温度均在变化时的情况。其中图4-18（a）是逆流，即冷、热流体在传热面两侧流向相反；图4-18（b）是并流，即冷、热流体在传热面两侧流向相同。 第五节 传热过程的计算假定热交换是稳定传热过程，qmh、qmc均为常数，沿传热面cph、cpc和K也按常数处理，换热器的热损失可以忽略。可理论推导平均温度差tm的计算公式为 第五节 传热过程的计算因此，就增加传热过程推动力而言，逆流操作优于并流操作，可以减少传热面积。逆流操作的另一优点是可以节约冷却剂或加热剂的用量。因为并流时，t2总是低于T2；而逆流时，t2却可能高于T2（参见图4-18）。这样，对于同样的传热量，逆流冷却时，冷却介质的温升

60、可比并流时大，冷却剂的用量就可少些。同理，逆流加热时，加热剂的用量也可少于并流。当然，在这种情况下，平均温差和传热面积都将变化，逆流的平均温差就不一定比并流大。 第五节 传热过程的计算有一管式换热器，管程走液体，壳程走蒸气，由于液体入口温度下降，在液体流量不变的情况下，仍要达到原来的出口温度，可采取什么措施？思考题4-8 第五节 传热过程的计算错流和折流时的平均温度差2.化工生产过程中，为了提高流体的湍动程度，增大K值，很多情况下采用比较复杂的多程流动，如折流或错流。图4-19（a）所示为参与换热的两流体在传热面两边的流动方向相互垂直，称为错流。图4-19（b）所示为其中一边流体反复地作折流，