化工原理课件第6章：传热

6.2.3单层圆筒壁的定态导热6.2.3单层圆筒壁的定态导热化工原理课件第6章：传热6.2.4多层壁的定态导热例6-26.2.4多层壁的定态导热例6-2化工原理课件第6章：传热接触热阻接触热阻6.3对流给热6.3.1概说（1）流体无相变强制对流传热自然对流传热（2）流体有相变蒸汽冷凝液体沸腾1对流给热过程的分类6.3对流给热6.3.1概说（1）流体无相变强制对流传2对流传热过程的分析2对流传热过程的分析3两种对流形式3两种对流形式（加热）（冷却）6.3.2对流给热速率（加热）（冷却）6.3.2对流给热速率化工原理课件第6章：传热3、各无因次数群的物理意义①Re→表示流动状态影响的准数②Nu→表示对流传热系数的准数③Gr→表示自然对流影响的准数④Pr→表示物性影响的准数传热面的特征尺寸，可以是管内径或外径，或平板高度等，m3、各无因次数群的物理意义①Re→表示流动状态影响的准4、定性温度①取流体的平均温度（进、出口平均温度）②取壁面的平均温度tW③取流体和壁面的平均温度（膜温）tm＝（tW＋t）/2使用时按公式规定4、定性温度①取流体的平均温度（进、出口平均温度）使用时按6.3.3无相变流体的α经验关联式6.3.3无相变流体的α经验关联式适用于Re＞104，Pr＝0.5~100的各种液体（液态金属除外）适用于Re＞104，Pr＝0.5~100的各种液体（液态金属b.L/d＜30~40的短管c.d.b.L/d＜30~40的短管c.d.f.环隙套管变量分析问题：e.f.环隙套管变量分析问题：e.条件：条件：3.管外强制对流的α3.管外强制对流的α化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热6.4沸腾给热与冷凝给热1.分类：大容积沸腾管内沸腾过冷沸腾饱和沸腾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沸腾。α大应用：蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等。6.4.1沸腾给热按沸腾所处的空间：按沸腾液体所处的温度：6.4沸腾给热与冷凝给热1.分类：大容积沸腾过冷沸腾液沸腾的条件：过热度和汽化核心（1）过热度：（2）汽化核心：凹缝侧壁对气泡有依托作用，表面功小微量气体，成为气泡的胚胎psTs

PVTV

pT2.沸腾传热机理沸腾的条件：过热度和汽化核心（1）过热度：（2）汽化3.大容积饱和沸腾曲线临界点△Tc,qc,αc

3.大容积饱和沸腾曲线临界点△Tc,qc,αc4.沸腾给热过程的影响因素（1）液体和蒸汽的性质：σ、μ、λ、Cp、γ、ρλ↑ρ↑，α↑；μ↑σ↑，α↓（2）加热表面的粗糙情况和表面物理性质新的或清洁的面，α大；油垢，α小；粗糙度适中（3）△t（4）P

P↑Ts↑，σ、μ↓，有利于气泡的形成和脱离，α↑5.沸腾过程的强化表面粗糙化加入添加剂4.沸腾给热过程的影响因素5.沸腾过程的强化6.4.2蒸汽冷凝给热汽相没有温度梯度，热阻集中在冷凝液膜内饱和蒸汽加热的优点：温度恒定，α大6.4.2蒸汽冷凝给热2.垂直管外层流（平均）冷凝给热系数L↓2.垂直管外层流（平均）冷凝给热系数L↓注：膜温下凝液的物性，ts下的r假定：液膜呈层流流动，液膜内的传热方式为纯导热蒸汽静止或流速很小，对液膜无摩擦阻力注：膜温下凝液的物性，ts下的r假定：液膜呈层流流动，液膜内（垂直管）（垂直管）化工原理课件第6章：传热4、垂直管湍流时的冷凝给热系数垂直管层流4、垂直管湍流时的冷凝给热系数垂直管层流5.影响冷凝给热的因素及强化措施

（1）流体的物性和△t

ρ↑μ↓，δ↓α↑；γ↑则q一定时W↓，α↑层流时，△t↑δ↑，α↓

（2）不凝气体的影响→定期排放不凝气

（3）蒸汽过热的影响

（4）蒸汽流速及流向的影响强化思路→减少液膜厚度5.影响冷凝给热的因素及强化措施化工原理课件第6章：传热a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长，一般固体、液体：a+r=1气体：a+d=1a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积上所发出的全部波长的总能量。（E）W/m2物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积上所化工原理课件第6章：传热灰体在一定温度下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，即只和物体的绝对温度有关。另一表达式：灰体在一定温度下的辐射能力和吸收率的比值，恒等于同温度下黑体相距很近的平行黑体平板，面积相等且足够大，则相距很近的平行黑体平板，面积相等且足够大，则化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热6.5传热过程的计算6.5.1数学描述dL假设：cp沿传热面不变，稳态流体无相变，Q损＝0控制体两端面热传导忽略6.5传热过程的计算6.5.1数学描述dL假设：cp沿1.传热速率和传热系数1.传热速率和传热系数若以内壁为基准：若以内壁为基准：若以平均壁面为基准：若不考虑内外壁面积的差异：则传热速率方程式可写为：K的物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位传热温差下的传热速率，反映了传热过程的强度。若以平均壁面为基准：若不考虑内外壁面积的差异：则传热速率方程2.污垢热阻管壁内侧：Rsi外侧：Rso，考虑污垢热阻，则K的计算：R与流体的性质、流速、温度、设备结构、运行时间等有关。若指定以管内表面积为基准，则：2.污垢热阻R与流体的性质、流速、温度、设备结构、运行时间4、提高K值的讨论若，则K≈，称为管壁外侧对流传热控制若，则K≈，称为管壁内侧对流传热控制例6-94、提高K值的讨论若，则K≈，称为管5、K值的来源（1）生产实际的经验数据（2）实验测定（3）分析计算5、K值的来源6、壁温的计算金属壁的热阻可忽略，即Tw=tw

结论：壁温接近于α较大一侧流体的温度

6、壁温的计算金属壁的热阻可忽略，即Tw=tw结论：壁温6.5.2传热速率基本方程式6.5.2传热速率基本方程式注：1）公式中K与A要对应：2）1.总传热速率基本方程式：注：1）公式中K与A要对应：1.总传热速率基本方程式：对数平均推动力＜算术平均推动力；可以用算术平均值代替；是逆流与并流的通式。2.△tm的计算：逆流的优越性：（1）T1、T2、t1、t2均确定时，△tm逆＞△tm并（2）若Q相同，依，A逆＜A并

（3）Q一定时，依若T1、T2确定，则（t2－t1）逆＞（t2－t1）并

∴对数平均推动力＜算术平均推动力；2.△tm的计算：逆流的优逆流并流逆流并流若用饱和蒸汽冷凝加热另一侧冷流体，△tm逆＝△tm并折流：若用饱和蒸汽冷凝加热另一侧冷流体，△tm逆＝△tm并折流：3.Q的计算：（1）Q损＝0，Qh＝Qc，若冷热流体均无相变化，则：（2）Q损＝0，Qh＝Qc，若一侧流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝：一般，T2≈Ts，∴（3）Q损＝0，Qh＝Qc，若两侧均有相变化，则：3.Q的计算：（1）Q损＝0，Qh＝Qc，若冷热流体均无相4.A的计算：和K对应，一般以外表面积（1）套管换热器，（2）列管换热器，n:总管数若为饱和蒸汽冷凝（管外）加热空气（或其它气体），当管壁与污垢热阻可忽略时外基准内基准可见结果相同4.A的计算：和K对应，一般以外表面积（1）套管换热器，（6.6.1换热器的设计型计算6.6.1换热器的设计型计算3、设计型问题的计算方法：①热量衡算计算Q②作适当的选择并计算△tm③计算αi、αo及K④由计算A或L3、设计型问题的计算方法：①热量衡算计算Q一套管换热器中，用冷却水将1kg/s的苯由65℃冷却至15℃，冷却水在φ25×2.5mm的内管中逆流流动，其进出口温度为10℃和45℃。已知苯和水的对流传热系数分别为820W/(m2·K）和1700W/(m2·K），在定性温度下水和苯的比热容分别为4.18×103J/(kg·K)和1.88×103J/(kg·K)，管壁λ为45W/(m·K)，两侧的污垢热阻忽略。求：（1）冷却水消耗量（2）所需的管长一套管换热器中，用冷却水将1kg/s的苯由65℃冷却至15℃2、将流量为2200kg/h的空气在列管式预热器从20℃加热到80℃。空气在管内湍流流动，116℃的饱和蒸汽在管外冷凝。现将空气流量增加20％，而空气的进、出口温度不变。问采用什么方法能够完成新的生产任务？作定量计算（管壁及污垢热阻忽略）（可以重新设计一新换热器，也可在原预热器中操作）2、将流量为2200kg/h的空气在列管式预热器从20℃加热化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热或：或：3、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用130℃的饱和水蒸气将乙醇水溶液从25℃加热到80℃，列管换热器有90根φ25mm×2.5mm，长3m的钢管构成。乙醇水溶液处理量为36000kg/h，并在管内流动。已知管壁λ为45W/(m·℃)，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kg/m3,粘度为0.8mPa·s，比热容为4.02kJ/(kg·℃），导热系数为0.42W/(m·℃），水蒸气的冷凝对流传热系数为104W/(m2·℃），污垢热阻及热损失不计。问：（1）此换热器能否完成生产任务？（2）当乙醇水溶液处理量增加20％，溶液进口温度即饱和蒸汽温度不变，仍在原换热器中操作，则溶液出口温度为多少？蒸汽冷凝量增加多少？3、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用130℃的饱和水蒸气将4.某化工生产中，需要将流量为6000m3/h（标准状态）的常压空气用饱和蒸汽由20℃加热到90℃，饱和蒸汽的温度为120℃，工厂仓库有一单管程单壳程换热器，其主要尺寸为：管直径为φ38×3mm，管数140根，管长4m，如果用此换热器，使空气在管内流动，蒸汽在管外冷凝。(1)验算该换热器是否够用？(2)若把该换热器改为双管程，问空气出口温度为多少？不计温度变化对空气物性的影响，忽略热损失、污垢热阻、管壁及管外热阻。已知定性温度下空气的物性参数：Cp＝1.005kJ/(kg·K)，ρ＝1.07kg/m3，μ＝0.02mPa·s，λ＝0.0287W/(m·K)4.某化工生产中，需要将流量为6000m3/h（标准状态）6.7热辐射6.7.1基本概念固体、液体与气体的热辐射不同6.7热辐射6.7.1基本概念固体、液体与气体的热辐射不

a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长，一般：固体、液体：气体：a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐黑体白体（镜体）透热体黑体白体（镜体）透热体辐射能力（EmissivePower）：物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，称为该物体在该温度下的辐射能力。（E），W/m2

6.7.2固体辐射1.黑体的辐射能力（Eb）——斯蒂芬－波尔茨曼定律辐射能力（EmissivePower）：物体在一定温度下，2.实际物体的辐射能力（Eb）黑度（Blackness）：＜12.实际物体的辐射能力（Eb）黑度（Blackness）：化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热E1Eb(1－a1)Eba1Eb12壁1：热平衡，即：时，有：3.物体的辐射能力和吸收能力——克希霍夫定律E1Eb(1－a1)Eba1Eb1克希霍夫定律克希霍夫定律6.7.3黑体之间的辐射传热6.7.3黑体之间的辐射传热化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热6.7.4物体间的辐射传热E效E入EE入(1－a）E入a两物体组成的封闭系统：6.7.4物体间的辐射传热E效E入EE入(1－a）6.7.4物体间的辐射传热6.7.4物体间的辐射传热例6-76.7.5影响辐射的主要因素例6-76.7.5影响辐射的主要因素把代入上式，得：6.7.6辐射传热系数把6.8.1间壁式换热器的类型2.蛇管换热器6.8.1间壁式换热器的类型(1）固定管板式（2）浮头式（3）U形管式(1）固定管板式6.8.2新型高效换热器3.板翅式换热器6.8.2新型高效换热器化工原理课件第6章：传热6.8.2新型高效换热器5.热管式换热器6.8.2新型高效换热器（1）流动通道的选择6.8.3列管式换热器的设计和选用1.设计应考虑的问题（1）流动通道的选择6.8.3列管式换热器的设计和选用（2）管径、管长、管子排列（2）管径、管长、管子排列（1）管程（2）壳程（1）管程（1）管程压降△Pt（2）壳程压降△Ps（1）管程压降△Pt6.2.3单层圆筒壁的定态导热6.2.3单层圆筒壁的定态导热化工原理课件第6章：传热6.2.4多层壁的定态导热例6-26.2.4多层壁的定态导热例6-2化工原理课件第6章：传热接触热阻接触热阻6.3对流给热6.3.1概说（1）流体无相变强制对流传热自然对流传热（2）流体有相变蒸汽冷凝液体沸腾1对流给热过程的分类6.3对流给热6.3.1概说（1）流体无相变强制对流传2对流传热过程的分析2对流传热过程的分析3两种对流形式3两种对流形式（加热）（冷却）6.3.2对流给热速率（加热）（冷却）6.3.2对流给热速率化工原理课件第6章：传热3、各无因次数群的物理意义①Re→表示流动状态影响的准数②Nu→表示对流传热系数的准数③Gr→表示自然对流影响的准数④Pr→表示物性影响的准数传热面的特征尺寸，可以是管内径或外径，或平板高度等，m3、各无因次数群的物理意义①Re→表示流动状态影响的准4、定性温度①取流体的平均温度（进、出口平均温度）②取壁面的平均温度tW③取流体和壁面的平均温度（膜温）tm＝（tW＋t）/2使用时按公式规定4、定性温度①取流体的平均温度（进、出口平均温度）使用时按6.3.3无相变流体的α经验关联式6.3.3无相变流体的α经验关联式适用于Re＞104，Pr＝0.5~100的各种液体（液态金属除外）适用于Re＞104，Pr＝0.5~100的各种液体（液态金属b.L/d＜30~40的短管c.d.b.L/d＜30~40的短管c.d.f.环隙套管变量分析问题：e.f.环隙套管变量分析问题：e.条件：条件：3.管外强制对流的α3.管外强制对流的α化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热6.4沸腾给热与冷凝给热1.分类：大容积沸腾管内沸腾过冷沸腾饱和沸腾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沸腾。α大应用：蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等。6.4.1沸腾给热按沸腾所处的空间：按沸腾液体所处的温度：6.4沸腾给热与冷凝给热1.分类：大容积沸腾过冷沸腾液沸腾的条件：过热度和汽化核心（1）过热度：（2）汽化核心：凹缝侧壁对气泡有依托作用，表面功小微量气体，成为气泡的胚胎psTs

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pT2.沸腾传热机理沸腾的条件：过热度和汽化核心（1）过热度：（2）汽化3.大容积饱和沸腾曲线临界点△Tc,qc,αc

3.大容积饱和沸腾曲线临界点△Tc,qc,αc4.沸腾给热过程的影响因素（1）液体和蒸汽的性质：σ、μ、λ、Cp、γ、ρλ↑ρ↑，α↑；μ↑σ↑，α↓（2）加热表面的粗糙情况和表面物理性质新的或清洁的面，α大；油垢，α小；粗糙度适中（3）△t（4）P

P↑Ts↑，σ、μ↓，有利于气泡的形成和脱离，α↑5.沸腾过程的强化表面粗糙化加入添加剂4.沸腾给热过程的影响因素5.沸腾过程的强化6.4.2蒸汽冷凝给热汽相没有温度梯度，热阻集中在冷凝液膜内饱和蒸汽加热的优点：温度恒定，α大6.4.2蒸汽冷凝给热2.垂直管外层流（平均）冷凝给热系数L↓2.垂直管外层流（平均）冷凝给热系数L↓注：膜温下凝液的物性，ts下的r假定：液膜呈层流流动，液膜内的传热方式为纯导热蒸汽静止或流速很小，对液膜无摩擦阻力注：膜温下凝液的物性，ts下的r假定：液膜呈层流流动，液膜内（垂直管）（垂直管）化工原理课件第6章：传热4、垂直管湍流时的冷凝给热系数垂直管层流4、垂直管湍流时的冷凝给热系数垂直管层流5.影响冷凝给热的因素及强化措施

（1）流体的物性和△t

ρ↑μ↓，δ↓α↑；γ↑则q一定时W↓，α↑层流时，△t↑δ↑，α↓

（2）不凝气体的影响→定期排放不凝气

（3）蒸汽过热的影响

（4）蒸汽流速及流向的影响强化思路→减少液膜厚度5.影响冷凝给热的因素及强化措施化工原理课件第6章：传热a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长，一般固体、液体：a+r=1气体：a+d=1a、r、d的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积上所发出的全部波长的总能量。（E）W/m2物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积上所化工原理课件第6章：传热灰体在一定温度下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，即只和物体的绝对温度有关。另一表达式：灰体在一定温度下的辐射能力和吸收率的比值，恒等于同温度下黑体相距很近的平行黑体平板，面积相等且足够大，则相距很近的平行黑体平板，面积相等且足够大，则化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热6.5传热过程的计算6.5.1数学描述dL假设：cp沿传热面不变，稳态流体无相变，Q损＝0控制体两端面热传导忽略6.5传热过程的计算6.5.1数学描述dL假设：cp沿1.传热速率和传热系数1.传热速率和传热系数若以内壁为基准：若以内壁为基准：若以平均壁面为基准：若不考虑内外壁面积的差异：则传热速率方程式可写为：K的物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位传热温差下的传热速率，反映了传热过程的强度。若以平均壁面为基准：若不考虑内外壁面积的差异：则传热速率方程2.污垢热阻管壁内侧：Rsi外侧：Rso，考虑污垢热阻，则K的计算：R与流体的性质、流速、温度、设备结构、运行时间等有关。若指定以管内表面积为基准，则：2.污垢热阻R与流体的性质、流速、温度、设备结构、运行时间4、提高K值的讨论若，则K≈，称为管壁外侧对流传热控制若，则K≈，称为管壁内侧对流传热控制例6-94、提高K值的讨论若，则K≈，称为管5、K值的来源（1）生产实际的经验数据（2）实验测定（3）分析计算5、K值的来源6、壁温的计算金属壁的热阻可忽略，即Tw=tw

结论：壁温接近于α较大一侧流体的温度

6、壁温的计算金属壁的热阻可忽略，即Tw=tw结论：壁温6.5.2传热速率基本方程式6.5.2传热速率基本方程式注：1）公式中K与A要对应：2）1.总传热速率基本方程式：注：1）公式中K与A要对应：1.总传热速率基本方程式：对数平均推动力＜算术平均推动力；可以用算术平均值代替；是逆流与并流的通式。2.△tm的计算：逆流的优越性：（1）T1、T2、t1、t2均确定时，△tm逆＞△tm并（2）若Q相同，依，A逆＜A并

（3）Q一定时，依若T1、T2确定，则（t2－t1）逆＞（t2－t1）并

∴对数平均推动力＜算术平均推动力；2.△tm的计算：逆流的优逆流并流逆流并流若用饱和蒸汽冷凝加热另一侧冷流体，△tm逆＝△tm并折流：若用饱和蒸汽冷凝加热另一侧冷流体，△tm逆＝△tm并折流：3.Q的计算：（1）Q损＝0，Qh＝Qc，若冷热流体均无相变化，则：（2）Q损＝0，Qh＝Qc，若一侧流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝：一般，T2≈Ts，∴（3）Q损＝0，Qh＝Qc，若两侧均有相变化，则：3.Q的计算：（1）Q损＝0，Qh＝Qc，若冷热流体均无相4.A的计算：和K对应，一般以外表面积（1）套管换热器，（2）列管换热器，n:总管数若为饱和蒸汽冷凝（管外）加热空气（或其它气体），当管壁与污垢热阻可忽略时外基准内基准可见结果相同4.A的计算：和K对应，一般以外表面积（1）套管换热器，（6.6.1换热器的设计型计算6.6.1换热器的设计型计算3、设计型问题的计算方法：①热量衡算计算Q②作适当的选择并计算△tm③计算αi、αo及K④由计算A或L3、设计型问题的计算方法：①热量衡算计算Q一套管换热器中，用冷却水将1kg/s的苯由65℃冷却至15℃，冷却水在φ25×2.5mm的内管中逆流流动，其进出口温度为10℃和45℃。已知苯和水的对流传热系数分别为820W/(m2·K）和1700W/(m2·K），在定性温度下水和苯的比热容分别为4.18×103J/(kg·K)和1.88×103J/(kg·K)，管壁λ为45W/(m·K)，两侧的污垢热阻忽略。求：（1）冷却水消耗量（2）所需的管长一套管换热器中，用冷却水将1kg/s的苯由65℃冷却至15℃2、将流量为2200kg/h的空气在列管式预热器从20℃加热到80℃。空气在管内湍流流动，116℃的饱和蒸汽在管外冷凝。现将空气流量增加20％，而空气的进、出口温度不变。问采用什么方法能够完成新的生产任务？作定量计算（管壁及污垢热阻忽略）（可以重新设计一新换热器，也可在原预热器中操作）2、将流量为2200kg/h的空气在列管式预热器从20℃加热化工原理课件第6章：传热化工原理课件第6章：传热或：或：3、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用130℃的饱和水蒸气将乙醇水溶液从25℃加热到80℃，列管换热器有90根φ25mm×2.5mm，长3m的钢管构成。乙醇水溶液处理量为36000kg/h，并在管内流动。已知管壁λ为45W/(m·℃)，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kg/m3,粘度为0.8mPa·s，比热容为4.02kJ/(kg·℃），导热系数为0.42W/(m·℃），水蒸气的冷凝对流传热系数为104W/(m2·℃），污垢热阻及热损失不计。问：（1）此换热器能否完成生产任务？（2）当乙醇水溶液处理量增加20％，溶液进口温度即饱和蒸汽温度不变，仍在原换热器中操作，则溶液出口温度为多少？蒸汽冷凝量增加多少？3、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用130℃的饱和水蒸气将4.某化工生产中，需要将流量为6000m3/h（标准状态）的常压空气用饱和蒸汽由20℃加热到90℃，饱和蒸汽的温度为120℃，工厂仓库有一单管程单壳程换热器，其主要尺寸为：管直径为φ38×3mm，管数140根，管长4m，如果用此换热器，使空气在管内流动，蒸汽在管外冷凝。(1)验算该换热器是否够用？(2)若把该换热器改为双管程，问空气出口温度为多少？不计温度变化对空气物性的影响，忽略热损失、污垢热阻、管壁及管外热阻。已知定性温度下空气的物性参数：Cp＝1.005kJ/(kg·K)，ρ＝1.07kg/m3，μ＝0.02mPa·s，λ＝0.0287W/(m·K)4.某化工生产中，需要将流量为6000m3/h