江苏某大学《化工原理》教学第4章传热课件

1

第4章传热4.1传热的形式和过程4.1.1化工生产中的传热一、传热在化工生产中的地位

i.化学反应本身要放出或吸收热量(需维持一定的温度)。

ii.许多单元操作与传热是分不开的(蒸发、干燥、精馏、吸收等)。

iii.回收过程的热量。例如硫酸生产,每生产1吨100%的硫酸,放出5.5×109J的能量,按现在我国的产量计,每年生产硫酸放出的热量相当于100万吨原煤。2二、传热的三种基本方式

热的传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。根据传热机理不同，热的传递有三种方式：传导、对流和辐射。

3

热传导①定义：由微观粒子（分子、原子和自由电子）的热运动而引起的热量传递。②特点:

①温度差；

②S、L、G均可进行热传导；金属固体—热传导由自由电子的运动引起；非固体和大部分液体—热传导由晶格结构的振动引起，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现；气体—热传导由由分子不规则运动引起。③静止物质内的一种传热方式，没有物质的宏观位移。③定律：傅里叶定律。4热对流

①定义：流体各部分之间发生相对位移引起的热传递过程。

②特点：Δ流体中才能产生；

Δ产生原因·T不同,流体的密度不同，流体质点产生相对位移—自然对流；·外力使质点强制运动—强制对流。

Δ强制对流和自然对流可有同时发生。

③定律：牛顿冷却定律。5热辐射

①定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。

②特点：ΔG、L、S都能发生热辐射；

Δ任何物体绝对零度以上，都能发射辐射能；

Δ不需传播介质，两物体不需接触；

Δ物料温度较高时，热辐射才成为主要的传热方式。

③规律：斯蒂芬-波尔茨曼定律。复杂传热—组合传热传热过程是由两种或三种传热方式组合。6三、化工生产中的换热方式

i.直接式

将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。

78ii.间壁式间壁式换热包括以下三个步骤：

a.热流体→上壁对流传热

b.上壁→下壁热传导传热c.下壁→冷流体对流传热

t2冷流体t1T1热流体T2冷流体t热流体T间壁Q对流给热对流给热导热

套管式换热器9iii.蓄热式

先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。10

焦化厂蓄热室动画

11四、载热体及其选择起加热作用的称加热剂。1）饱和水蒸气：

优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。

缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。

2）烟道气:优点：烟道气的温度可达1000℃以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：环境差，温度不易控制。

3）高温载热体：

优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高。12起冷却作用的称冷却剂。一般采用水、空气和冷冻盐水等。加热剂、冷却剂统称载热体。

4.1.2传热过程一、显热和潜热

显热：由于体系的温度变化而引起的热量变化。

潜热：体系温度不变，由于发生相变化而引起的热量变化。

13二、传热速率

热流量Q:单位时间内传递的热量（W）

热通量q:单位时间、单位传热面积上传递的热量（W/m2）三、定态传热、非定态传热

t=f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。t=f（x，y，z，θ）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热。四、化工生产中传热过程的两种情况强化传热：各种换热设备中的传热。削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失。14

坐在公园的水泥凳子上，或坐在木头凳子上，或拿着随身的棉座垫，坐在棉垫子上。三种坐法，有三种不同的感觉。坐在水泥凳上一定很冷，坐在棉垫上会感到很暖和。其实混凝土、木头、棉垫的温度与气温是一样的，为什么会有不同感受呢？15

4.2热传导4.2.1傅里叶定律一、温度场物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场。

t=f（x，y，z，θ）非定态温度场：定态温度场：定态的一维温度场：温度相同的点所组成的面称为等温面。

①不同温度的等温面不能相交；②等温面上各点温度相等。

16

二、温度梯度两等温面的温度差Δt与其间的垂直距离Δn之比在Δn趋于零时的极限，即

温度梯度是矢量，正方向指向温度增加的方向。nq温度梯度与热流方向的关系

对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为：17三、傅里叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比：负号表示热流方向与温度梯度方向相反。传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即：18

4.2.2导热系数

一、导热系数λ的单位

物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量。λ

越大，导热性能越好。19二、影响导热系数λ的因素（1）固体的导热系数λ

一般固体的λ比气体、液体的λ大。金属λ随温度升高而下降,靠自由电子的运动传递热量，与纯度有关，纯度越高，λ越大。非金属固体λ，则温度升高，λ增大。靠分子振动传递热量。金属的λ比非金属固体λ大。非金属固体的λ与紧密程度有关。越紧密，λ越大；越疏松，λ越小。当λ小于0.2WK-1m-1时就是良好的绝热材料。

λ=λ0（1+α’t）式中λ、λ0—固体分别在温度t、273K时的热导率，WK-1m-1；α’—温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属材料为正值。20(2)液体的导热系数λ

除水和甘油外,温度升高,液体的λ变小。t↑,λ↓。非金属液体中水的导热系数最大。21(3)气体的导热系数λ

气体的λ很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体λ=f(t)，

t↑,λ↑。

8

几种气体的导热率412653t/℃072004006001000800165432λ×102/(Wm-1℃－1）1－水蒸气2－氧气3－二氧化碳4－空气5－氮气6－氩气22

固体、液体、气体的热导率的大致范围：

金属固体：101～102W/(m•K)；建筑材料：10-1～10W/(m•K)；绝缘材料：10-2～10-1W/(m•K)；液体：10-1W/(m•K)；气体：10-2～10-1W/(m•K)。λ金属固体>λ非金属固体>λ液体>λ气体23

4.2.3平壁的稳定热传导一、单层平壁稳定热传导

一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1及t2，且t1>t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x方向的一维定态热传导过程。此时傅立叶定律可写成：txxdxt1t2

单层平壁的稳定热传导bQ2425积分上式传热速率（单位时间通过面积S上的传热量）为：26

b↑或S↓或λ↓，R↑。上式λ为常数，所以平壁内的温度分布为一直线：若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？λ不为常数时，温度分布为曲线。若λ=λ0(1+αt)代入傅立叶定律方程

27

α<0txxdxt1t2t1t2α>0令则α>0下凹α<0上凹28二、多层平壁稳定热传导

t1>t2>t3>t4

t2txt1t3t4

多层平壁的热传导第一层第二层第三层29定态传热：30

从上式可以看出，通过多平层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。从(1)、(2)、(3)、(4)式可知

此式说明，在多平层壁的定态热传导过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。如是n层31

为什么坐在棉垫子上比较舒服？因为混凝土的导热系数等于1.3W/(m•K)，棉垫子的导热系数比1.3W/(m•K)小的多。混凝土的导热速率是棉垫子导热速率的几十倍。坐在水泥凳上，人体表面热量快速传递到水泥的表面，这样就感觉很冷了。

32

4.2.4圆筒壁的稳定热传导一、单层圆筒壁稳定热传导有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长L足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成：trdrt1r1r2t1t2

圆筒壁的热传导33r1r2t1t2λ

单层圆筒壁的导热34积分35

式中b=r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积Sm=2πLrm，而36

称为对数平均半径。当时，可以改用算术平均值，即取，不会引起太大误差。几何平均值:算术平均值:37如r1=20r2=100如r1=30r2=50几何平均值算术平均值对数平均值38二、多层圆筒壁稳定热传导t2t1t3t4

多层圆筒壁的热传导r1r2r3r4推广到n层圆筒壁39r1r2r3r4t1t2t3t4λ1λ2λ3r1r2r3r4t1t2t3t4λ1λ2λ340【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100mm，其导热系数分别为0.9W/（m·℃）及0.7W/（m·℃）。待操作稳定后，测得炉膛的内表面温度为700℃，外表面温度为130℃。为了减少燃烧炉的热损失，在普通砖外表面增加一层厚度为40mm、导热系数为0.06W/（m·℃）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740℃，外表面温度为90℃。设两层砖的导热系数不变，试计算加保温层后炉壁的热损失比原来的减少百分之几？41

暴风雪

过去有句名谣，叫做“穷人穷在租里，冷天冷在风里”。过去为什么穷，是因为地主租金太高。所以有了杨白劳躲租子的故事。冷天为什么冷，是因为刮风。42

老人晒太阳

在冬天同样的零下5℃，刮风时，冷得不行。风一停就不冷。但老人们坐在南墙根，避着风，晒着太阳暖暖和和，其乐融融。冬天在教室里，如果开灯时，错开了电扇开关，电扇转起来，也冷得不得了。43热牛奶放桌上

牛奶搅拌

早晨一杯煮开的热牛奶，因为大人要上班，小孩要上学，如何让它快点冷下来？只有将热牛奶杯放进冷水盆，边搅边吹！这里边就有热对流的问题。44对流传热，流体发生宏观位移。

4.3.1对流传热分析(1)两种对流形式i.自然对流：流体质点的运动是由密度不同引起的，如烧开水、冷、暖气。流体受热以后要膨胀,密度减少，定义一个膨胀系数。

膨胀系数

即温度相差1K时体积的变化率，显然与ρ有关:一般t增大,β>0,体积增大。β<0,体积减小。

4.3对流传热45

ii.强制对流：流体质点的运动是由外界机械作用所引起的。强制对流比自然对流效果好。(2)对流传热的机理

46湍流主体温度虚拟膜内温度分布壁内温度虚拟膜：假定对流传热在一厚度为δt的假想有效膜内进行，且以热传导方式进行;传热温差集中在δt内。47

靠近壁面，流体粘附在壁上，流速很小，称为层流内层，在这层热量只能以热传导的方式进行。尽管这层流体很薄，但由于热阻大，故温差大。在层流内层与湍流层之间有一过渡层，既有对流又有传导，故温差较小，过渡层以外为湍流层,温度均匀一致。假设：在热流体中将流体中全部的传热阻力（包括湍流主体中的对流传热阻力、过渡区中的导热和对流传热阻力、层流底层中的导热阻力）集中在一定厚度δt的流体层中，并且该层只有导热没有对流，这样流体中复杂的对流传热过程就转化为一定厚度的流体中的导热问题，就可以用导热速率方程来描述流体中的对流给热过程。4849

4.3.2牛顿冷却定律和对流给热系数一、牛顿冷却定律

λ、S、T、TW好测量,但δt无法知道把上式改写成:Q=αS(T-TW)Q=αSΔT

q=αΔT对流给热系数（传热膜系数）

对热流体牛顿冷却定律50把上式改写成:Q=α’S(tw-t)Q=α’SΔt

q=α’Δt该式只有理论意义无实际意义,只是把求δt转介于求α。那么α如何求呢?二、影响对流给热系数的因素

（1）因次:对冷流体牛顿冷却定律51（2）物理意义:温差为1K,单位时间内通过1m2传热面积传递的热量。故α越大,对流传热的速率越快。（3）影响对流给热系数α的因素流体流速

：流速大,边界层薄,α大；对流情况：自然对流还是强制对流。如自然对流：单位质量流体的浮力gßΔt流体的物理性质:λ、Cp、ρ、μ；流体传热时有无相变化:相变化时，α很大，如液体沸腾，蒸汽冷凝等α很大；固体壁面的形状、大小、位置(是圆管还是平板、垂直还是水平放置)。52

4.3.3对流给传热系数的因次分析根据实验分析及影响对流给传热系数的因素，设待求的函数关系式为

：

α=f(μ，ρ，λ，CP，u，

l，gßΔt）(1)在热学领域内基本因次有4个，通常为时间θ，长度L，质量M，温度T。

α和各参数之间的关系可用一个简单的指数函数来表示：α=kμalb(gßΔt)cudλeρf(Cp)h

(2)53物理量单位因次αWm-2K-1MT-1θ-3

ums-1Lθ-1lmLμkgm-1s-1ML-1θ-1λWm-1K-1MT-1θ-3Lρkgm-3ML-3CpJkg-1K-1L2θ-2T-1

βgΔtms-2Lθ-2

54

将各物理量的因次代入式（2），则上式可写成如下的因次等式：α=kμalb(gßΔt)cudλeρf(Cp)h(2)MT-1θ-3=(ML-1θ-1)a(L)b(Lθ-2)c(L-1θ-1)d(MLθ-3T–1)e(ML-3)f(L2θ-2T-1)hMT-1θ-3=Ma+e+fT-e-hθ-a-2c-d-3e-2hL-a+b+c-d+e-3f+2h根据因次一致性原则:M:1=a+e+fT:-1=-e-2hθ:-3=-a-2c-d-3e-2hL:0=-a+b+c-d+e-3f+2h

55a，c，h表示b、d、e、fb=-1+a+3ed=-a-2c+he=1-hf=a+2c将上述关系代入式（2）α=kμalb(gßΔt)cudλeρf(Cp)h(2)并整理得56努塞尔特数

雷诺数普兰特数格拉斯霍夫数则式（3）即为：

Nu=kReaPrhGrc

57准数名称符号意义Nusseltnumber和热传导相比，对流使传热系数增大的倍数Reynoldsnumber流体所受惯性力和粘性力之比Prandtlnumber流体的物性对对流传热的影响Grashofnumber自然对流对对流传热的影响各个准数的意义584.3.4无相变时对流传热系数的经验关联式一、流体在管内作强制对流传热时的α1.流体在圆形直管内作强制对流湍流传热时的αNu=0.023Re0.8Prh4-31流体被加热,h=0.4；流体被冷却,h=0.3讨论

Ａ)运用公式注意点:适用范围Re>104,0.7<Pr<160,L/di>60一般流体均满足Pr范围,气体有的Pr<0.7，粗略计算仍可以。定性温度t=(t1+t2)/2

流体粘度小于水粘度的2倍特征尺寸l=di

59

B)公式的修正

a.高粘性液体μ:主体平均温度下的粘度；μw:壁面温度下的粘度。

b.对于L/di<60的短管

α’=α[1+(di/L)]0.7液体被加热液体被冷却602.流体在圆形直管内作强制对流过渡流传热时的α使用条件：

a.2000<Re<10000

b.α’=αf

3.流体在圆形直管内作强制对流层流传热时的α

其中使用条件：a.Re<2000

b.

c.定性温度t=(t1+t2)/2di:内径L长度614.流体在圆型弯管内作强制湍流传热时的α

α’=αf’

di:管子内径R:弯管曲率半径R

弯管内流体的流动d其中625.流体在非圆形管内强制湍流用当量直径de代替相应公式中的直径d6.α计算的灵活应用

63如：圆管内流体处于高度湍流①已知Vs1、d1时为α1,令d2=d1,Vs2=2Vs1,则α2=

α1②已知Vs1、d1时为α1,令d2=d1/2,Vs2=Vs1,则α2=

α164【例4-4】有一列管式换热器，由38根φ25mm×2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20℃被加热至80℃，苯的流量为8.32

kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的对流传热系数。当苯的流量提高一倍，对流传热系数有何变化。65二、管外强制对流的给热系数1.流体垂直流过管束A

流体横向（垂直）流过单根圆管外时流动情况66管束排列方式:顺排；错排。67直排第一排管直接冲刷；第二排管不直接冲刷；扰动减弱。第二排管以后基本恒定。错排第一排管错列和直列基本相同；第二排管错列和直列相差较大，阻挡减弱，冲刷增强。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d68（1）流体在错排管束外流动Nu=0.33Re0.6Pr0.33（2）流体在直排管束外流动Nu=0.26Re0.6Pr0.33使用条件:a.Re>3000

b.定性尺寸用管外径

c.定性温度t=(t1+t2)/2

d.x1/d=1.2～5x2/d=1.2～5

e.管束排列数为10，不是10应校正，校正系数P169表4-3。x2x1d69圆缺型折流挡板2.流体在换热器管间流动70圆盘型折流挡板71

折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下（Re=100）即可达到湍流。圆缺形折流挡板，弓形高度25%D，的计算式（凯恩公式）：适用范围：Re=2×103～106。定性温度：μw→

tw外，进、出口温度平均值；特征尺寸：a.当量直径de72正方形排列：

正三角形排列：

73b.流速u根据流体流过的最大截面积Amax计算:

式中:h——相邻挡板间的距离；D——壳体的内径d0——管子外径；t——相邻两管中心距离。c.对于气体取1.0对于液体被加热取1.05；被冷却取0.95。74三、大容积自然对流的给热系数α

所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。对流传热系数仅与反映自然对流的Gr和反映物性的Pr有关，经验式计算：Nu=C(PrGr)n

或写成

C、n主要决定于GrPr。C、n为常数,可查有关的图、表。P172表4-4。

75使用条件:

a.定性温度为膜温。如大房间放一台火炉,则定性温度为炉壁温度和空气温度之和的一半。

b.Δt=T壁-t流体

c.定性尺寸:水平放置,取管外径；垂直放置,取垂直高度。壁面形状GrPrCn水平圆管(外径do)1~1041.091/5104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板(高度l)<1041.361/5104~1090.591/4109~10120.101/376四、搅拌釜内液体与釜壁的给热系数α

比较复杂,因为搅拌器的种类、搅拌釜的结构对α均有影响,故计算准数式各不相同。比较简单的是六叶平叶涡轮搅拌器:

d:搅拌器直径

D:搅拌釜直径

n:搅拌器转速

d2nρ/μ:搅拌雷诺数774.4有相变对流传热系数计算

4.4.1蒸汽的冷凝给热

液体的沸腾和蒸汽的冷凝均有流体的流动,故它们属于对流传

热。与前述不同的是,它们有相的变化。

一、冷凝给热的两种方式

1.膜状冷凝:冷凝液能完全润湿壁面,并形成一层完整的液膜向下流动。蒸汽中无杂质颗粒,表面干净则多发生膜状冷凝。

液膜对给热不利,α较小。

2.滴状冷凝:冷凝壁面上有油污或蒸汽中有油污,冷凝液不能全部润湿壁面,即在壁面上形成液滴水球,然后从壁面上滑落下来。

α滴>α膜大约大5-10倍。故在工业设计中以膜状冷凝作为基准。

7879二、膜状冷凝给热系数α1.蒸汽在垂直管或板外膜状冷凝几点假定a.冷凝液膜层流运动（Re<1800），传热方式为导热b.蒸汽静止不动，对液膜没有摩擦阻力c.蒸汽冷凝释放的热量仅为潜热，蒸汽温度和壁面温度不变（ts—饱和蒸汽温度）d.冷凝液的物性参数取平均膜温下的80使用条件:a.Re<1800

b.定性温度为平均膜温t=(tw+ts)/2

c.蒸汽冷凝热取饱和温度ts下的d.定性尺寸l:垂直管或板的高度e.Δt=ts-tw81修正式为：膜层流动为湍流时（Re>1800)使用条件a.Re>1800

b.其它同上822.蒸汽在水平管外层流时冷凝给热系数特征尺寸:水平管d0(外径)定性温度:t=(tw+ts)/2水平单管水平管束

n:管子数目83三、冷凝给热的强化

饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键；所以，冷凝传热的强化要设法破坏冷凝液膜。

（1）蒸汽的选择在所有的物质中水蒸汽的冷凝给热系数最大，一般为104左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103以下。

（2）不凝性气体的排放实验证明：当蒸汽中含空气量达1%时，对流给热系数下降60%左右。所以涉及蒸汽冷凝传热的设备应设有排放口，定期排放不凝性气体。

84（3）冷凝液的排放蒸汽冷凝形成的冷凝液在传热面上形成液膜，应及时排除，减小液膜厚度，降低传热阻力（疏水器）。

蒸汽凝液不凝气85（4）蒸汽流速与流向的影响当蒸汽与冷凝液流动方向一致时，蒸汽加速了冷凝液的流动，使冷凝液膜厚度减小,α增大；当蒸汽与冷凝液流动方向相反时，有两种情况：u较小，阻碍冷凝液流动，使液膜厚度增大，α减小；u较大，蒸汽会冲散冷凝液使传热面上液膜厚度减小，α增大。

86（5）蒸汽冷凝壁面的结构由于蒸汽冷凝在传热面上产生冷凝液，如何改善传热面结构，以利于降低冷凝液液膜厚度，也能强化蒸汽冷凝给热。如：在垂直管外表面开若干纵向凹槽，安装若干金属丝等，冷凝液由于表面张力作用进入凹槽或金属丝圈内，从而降低了传热面上液膜的厚度，达到强化传热目的（管外冷凝）。管内安装内插物，螺旋线圈、麻花铁等分散冷凝液（管内冷凝）。87

4.4.2液体沸腾传热一、沸腾的类型（1）按设备尺寸及形状分:a.大容积沸腾：

把加热器放在液体中所发生的沸腾。加热面产生气泡,长大

到一定程度,脱离表面上浮,存在两种运动:密度不同的自然对流；气泡运动导致液体运动。

b.管内沸腾

流体以一定速度流过管子时发生的沸腾,产生的气泡不能自由上浮,而是与液体夹在一起运动,比前者复杂。88（2）按是否达到饱和温度分:

a.过冷沸腾

加热表面比较热,产生汽泡,沸腾了,但主体温度低于饱和温度,在汽泡离开表面后在流体主体中重新凝结。

b.饱和沸腾

流体主体温度等于饱和温度,离开加热面的汽泡不再重新凝结。

液体主体

液体主体

89

二、大容积饱和沸腾曲线沸腾给热因传热面与饱和液体之间的温度差不同有以下几种情况:（1）表面汽化:tw-ts<5℃,Δt较小(ts液体饱和温度),液体只有在凹凸的粗糙表面上沸腾,气泡较少,沸腾不剧烈,严格地说此时不是沸腾,而是汽化,此时α随Δt的增大而增大。（2）核状沸腾:5<tw-ts<25℃,Δt较大,气泡增多,液体强烈被搅料,新的传热面不断显露,α随Δt的增大而迅速增大。（3）膜状沸腾:Δt继续增大,Δt>25℃,气泡更多,在离开之前便相互联接合并,形成气膜,因气体的导热系数较小,故α下降。此阶段称为不稳定膜状沸腾。t

>250C时，气膜稳定，由于加热面温度高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。

90工业上希望核状沸腾,此时Δt不仅小,而且α大。lgΔt表面汽化核状沸腾膜状沸腾lg91三、沸腾给热系数的计算沸腾给热十分复杂,至今还没有一个可靠的计算的公式。一般用下式计算:α=CΔt2.5Bts

C、B为常数，对不同物质是不同的。Δt为温差，ts为饱和蒸汽的温度(℃)。四、沸腾给热的强化措施

a.沸腾给热中，汽泡产生与运动情况影响极大；粗糙的加热面能提供更多的汽化核心，当粗糙度达到一定程度后，对沸腾传热强化不再有影响，铜表面用机械方法或腐蚀的方法使之粗糙，给热系数提高80%。92

b.液体的表面张力小，容易脱离传热面，在沸腾液体中加热少量添加剂（如丙酮、乙醇、甲基乙基酮等）改变液体表面张力，可提高给热系数（20～100）%。

c.尽量保持核状沸腾，避免膜状沸腾。93

4.5辐射传热

4.5.1基本概念和定律

物体以电磁波的形式向外界辐射能量，这种形式称辐射传热。各种射线的波长是不同的：射线无线电波红外线可见光紫外线x射线r射线波长

>10m0.8～800μm0.4～0.8μm0.0075～0.4μm<0.15μm0.01nm～0.2μm热辐射的波长范围在0.38～1000μm，即电磁波的波长在0.38～1000μm内被物体吸收以后方可重新转化为热量，其他波长则没有作用。可见热辐射的波长范围主要在红外线区域。

94一、基本概念(1)吸收率、反射率和穿透率与可见光一样，辐射能投射到物体上以后，发生吸收、反射和穿透现象。设辐射到物体上的总能量为Q,吸收的Qa,反射的Qr,穿透的Qd则Q=Qa+Qr+Qd

1=Qa/Q+Qr/Q+Qd/Q1=a+r+d

a吸收率r反射率d穿透率

对液体及固体，d=0，即不允许热辐射透过，a+r=1。对气体,

r=0,即无反射能力，a+d=1。95(2)黑体如a=1，则r=d=0，则这种物体称为黑体（绝对黑体）。黑体是一种理想的物体，绝对黑体是没有的。一般来说物体表面越粗糙，则对辐射能的吸收率越高，如黑煤a=0.97,氧化铁a=0.98，但不应认为颜色与吸收率有直接关系。许多浅颜色物体的吸收率也很高，如石棉a=0.96，白漆a=0.8～0.95，雪a=0.98，水a＝0.95～0.96。(3)白体

r=1则a=d=0则这种物体称为白体（绝对白体、镜体）。完全反射辐射能。如磨光的金属表面r=0.97。96(4)热透体d=1a=r=0称热透体一般来说，单原子气体（如惰性气体）及对称的双原子气体等都是热透体。(5)灰体能以相同的吸收率a吸收全部（0～∝μm）波长辐射能的物体。特点：①其吸收率不随辐射波长而变

②是不透热体，d=0a+r=1工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但a不相同，相差不多，可近似视为灰体。大多数工程材料可视为灰体。97二、斯蒂芬—波尔兹曼定律固体物质，只要其绝对温度不为0，都能以电磁波的形式向外辐射能量，那么它的辐射能力有多大呢？(1)辐射能力物体的辐射能力是指物体在一定的温度下，单位时间、单位表面积所能发射出的全部波长的总能量E(W/m2)。(2)黑体的辐射能力(Eb)

通过研究证明Eb=σ0T4σ0=5.67×10-8Wm-2K-4

黑体的辐射常数

Eb=C0(T/100)4C0=5.67Wm-2K-4黑体的辐射系数

Eb与q的单位相同,均为Wm-2。T：黑体表面的绝对温度（K）。上式称斯蒂芬—波尔兹曼定律，也称四次方定律。98(3)实际物体的辐射能力（E）实际物体的辐射能力要比同温度黑体的辐射能力要小定义E/Eb=ε<1ε称物体的黑度

如ε=1就是黑体

E=εEb=εC0(T/100)4Wm-2

(4)灰体的辐射能力对灰体来说，很容易证明ε=a热辐射达到平衡时

Eb=E+Eb(1-a)

a=E/Eb=ε

a=ε称克希荷夫定律说明物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。99

4.5.2两固体间的辐射传热两个面积很大且相距很近的平行灰体，其中的介质为热透体。设d=0,a+r=1

对平行灰体1：辐射传热量q1对平行灰体2：辐射传热量q2100两平行灰体间辐射传的净热量q1-2：101以E1=ε1C0(T1/100)4E2=ε2C0(T2/100)4

及a1=ε1

a2=ε2代入4-103a102如两平行灰体的面积为A则Q1-2一般条件下的Q1-2几种特殊条件下的、c1-2可以查P197表4-7及图4-37。103

4.6传热过程的计算

生产上的传热大多数是通过壁面来进行的，即有流体与壁面间的对流传热及壁面本身的热传导组成。

4.6.1热量衡算一、冷热流体均无相变

t2冷流体t1T1热流体T2

Cp——流体的平均比热容(kJ/（kg·℃）)；

W——流体的质量流量(kg/s)；

t——冷流体的温度(℃)；

T——热流体的温度(℃)；

Q——传热速率(kW)。104

二、热流体发生相变（如饱和蒸汽冷凝）（1）冷凝液为饱和液体（2）冷凝液的温度低于饱和液体温度Wh——饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率(kg/s)；

r——饱和蒸气的冷凝潜热(kJ/kg)；

Cph——冷凝液的比热容(kJ/(kg·℃))；

Ts——冷凝液的饱和温度(℃)。105

4.6.2热量衡算的微分方程套管式换热器(逆流)热流体走管内，流量Wh，温度T。

冷流体走管间，流量Wc，温度t。

在流动方向上取一微元管长dl，其传热面积为dS。设热流密度为q，则通过dS传热面传给冷流体的热量dQ=qdS。热流体在微元中的Wh、Cp不变无相变化无热量损失t2冷流体t1T1热流体T2dl,dS106

则dQ=qdS=-WhCphdT热流体放出热量,dT为“-”对冷流体做同样假设则dQ=qdS=WcCpcdt-WhCphdT=WcCpcdt

4.6.3传热总系数一、总传热系数K的计算表达式1.传热面为平壁

q1=α1(T-Tw)

q3=α2(tw-t)定态下q1=q2=q3=q

α2α1107传热速率方程总热阻R总=∑Ri要提高q，(T-t)一定情况下，应提高K。

一般换热器以金属为材料，b较小,λ较大,故b/λ很小可略。K=1/(1/α1+1/α2)

如α1大大于α2,则K→α2,此时提高K，应提高α2。

如α2大大于α1,则K→α1,此时提高K，应提高α1。

对平壁而言,内、外表面积相同。

2.传热面为圆筒壁

如是圆筒壁，则内外表面积不等，各处的热流密度(q)也不同。Q1=Q2=Q壁=Q

r1r2Twtwλ圆筒壁α1α2Ttb

显然以不同表面积为基准，其传热系数是不同的。如以内表面积A1为基准

以外表面积A2为基准

当然还可以以平均面积为基准。

一般以外表积作为基准。

3.污垢热阻如管壁很薄，则可看成是平壁。

管子用长了，应考虑垢阻（内外均有）。污垢层尽管很薄，但λ很小，所以其阻力往往不可忽。污垢热阻P181表4-5二、总传热系数K的范围P181表4-6三、提高总传热系数的途径

1.减小任何环节的热阻都可提高传热系数。

2.当各环节的热阻相差较大时，总热阻的数值将主要由其中的最大热阻所决定。此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数。

若α1>>α2，K=？此时提高对流传热系数措施？若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。四、壁温的计算如平壁算出q，再根据算出壁温。q=α1(T-Tw)=α2(tw-t)

如α1很大,则T-Tw很小,Tw

→T。如α2很大,则tw-t很小,tw→t。由此可得结论，壁温越接近于α大的一侧流体的温度。如硬纸盒装水，下面用酒精灯加热，始终不燃烧，道理就在于此。五、保温层的临界直径设：保温层内表面温度为t1，周围环境温度为tf，保温层的内外径分别为d1和d2，保温层外表面对环境的对流传热系数为α。稳定传热时，管道的热损失为：热损失Q为最大值时的保温层直径:保温层的外径小于临界直径，即d2<dc增加保温层的厚度反而使热损失增加。

4.6.4总传热速率方程

一、传热过程的积分表达式对热流体dQ=-WhCphdT对冷流体dQ=WcCpcdtdQ=qdS=K(T-t)dS

以逆流且是冷流体加热为例:dQ=WcCpcdt=K(T-t)dS

关键求热量衡算:Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)

t2冷流体t1热流体T1T2dS得:在T-t图上为斜率为的直线

故二、讨论1）以上为逆流

t2←t1T1→T2Δt1=T1-t2Δt2=T2-t1

同样适用以并流

t1→t2T1→T2Δt1=T1-t1Δt2=T2-t1

2)当Δt2<2Δt1(Δt1<2Δt2)时

(Δt1+Δt2)/2=Δtm可用算术平均值代替，且可证明对数平均值永远小于等于算术平均值。3)换热过程中两种流体的温度均保持不变,则Δtm=T-t而不能用

因整个过程Δt均相等,所以也谈不上对数平均值。

4)对只有一侧流体变温的情况，则无逆流和并流之分。

i.饱和蒸汽（热流体）冷凝，冷流体无相变

T1T2t2t1并流T1T2t2t1逆流ii.热流体无相变，饱和液体（冷流体）沸腾T1T2t2t1并流T1T2t2t1逆流4)并流与逆流的比较i.相同条件下（相同的流体和相同的起始及最终温度），逆流比并流有更大的平均传热推动力,即温差，相应只需较小的传热面积。并流90→70

20→50Δt1=90-20=70Δt2=70-50=20

Δtm并=(70-20)/ln(70/20)=39.9逆流90→70

50←20Δt1=90-50=40Δt2=70-20=50

Δtm逆流

=(50-40)/ln(50/40)=44.8

ii.逆流时比顺流时，热流体的温度降低的更多，故在其他条件相同的情况下，逆流时加热剂的量就少。

iii.并流时，冷流体的出口温度永远低于热流体的出口温度，而逆流时不同。故无特殊情况，工业上常用逆流操作。

5)错流和折流错流和折流时的平均温度差，先按逆流操作计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正因素。

Δtm′

=Δtm

温度差校正系数,与冷、热流体温度变化有关131三、操作线方程及操作线（1）逆流换热总热量衡算:WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)

即:如在换热器中任取一截面k(T,t),并对ka进行热量衡算:

逆流换热时的操作线方程,显然T-t为直线关系。t2冷流体t1T1热流体T2kaTt132(2)并流换热总热量衡算:WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)

即:

如在换热器中任取一截面k(T,t),并对ka进行热量衡算:

并流换热时的操作线方程,显然T-t为直线关系。

t1冷流体t2T1热流体T2↓↓kaTt4.6.5稳定传热的计算稳定传热计算的基本公式热量衡算方程：总传热速率方程：

一、换热器的设计型计算以热流体冷却为例，说明设计型计算的方法。（1）设计任务：T1、T2、Wh、Cph设计目的：S（传热面积）可供选择的条件：流向、t2及Wc、流速、t1

1)流向：尽量采用逆流，特殊情况也采用并流。

2)t2及Wc的选择逆流

T1、T2、t1一定时,如Wc减小,则t2上升。当,此时冷流体出口温度最大，但

所需传热面积A无穷。故不可能，应选择适当的Wc。

3)流速的选择u增大,则α增大,故K增大；但u增大后,Hf也增大。

故应综合考虑。

4)t1的选择（冷流体进口温度）T1、T2、Wh、Cph、Wc、Cpc不变,t1→t2t1=10℃(冬天)→t2t1’=25℃(夏天)→t2’

显然Δtm冬>Δtm夏

S冬<S夏为使设计的换热器夏天也能使用，应以25℃(夏天)设计，如按冬天水温10℃设计,则夏天不能用。(2)计算步骤1)由Q=WhCph(T1-T2)算出Q2)选择流向

3)由热量衡算求出t2及Δtm4)选择流速，求K

5)S=Q/KΔtm例在一列管换热器中，用初温为30℃的原油将重油由180℃冷却到120℃，已知重油和原油的流量分别为1×104（kg/h）和1.4×104（kg/h）。比热容分别为0.52（kcal/kg·℃）和0.46（kcal/kg·℃），传热系数K=100（kcal/m2·h·℃）。试分别计算并流和逆流时换热器所需的传热面积。

1.第一类命题已知:Wh、Cph、T1、流向、Wc、Cpc、t１、S求:T2、t2计算公式（逆流）Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)(1)

(2)

Wh→u1→α1Wc→u2→α2

(3)

二、换热器的操作型计算方法1）

因方程(2)为非线性的，故不好直接求解。

假设一个T2

由T2→t2→S计是否等于S(己知)相等,则计算有效,不相等,应重新设定一个T2,直到相等为止。方法2）设Δt1<2Δt2(Δt2<2Δt1)则可用代替Δtm，这样方程(2)为线性的,解(1)、(2)方程组得T2、t2。一定要验证Δt1<2Δt2成立，不成立,则只能用试差法。方法3）消元法

将(2)写成联立求解上述(C)、(D)两式,即可求得T2、t2因在式(A)两边同时消除了(T1-T2)，故称消元法。方法4）传热单元数法（NTU，逆流为例）对热流体dQ=-WhCphdT对冷流体dQ=WcCpcdtdQ=qdS=K(T-t)dS

以逆流且是热流体被冷却为例:K(T-t)dS=-WhCphdT

t2冷流体t1T1热流体T2dSakak热量衡算:令代入得

ε称换热器的热效率

NTU称传热单元数由(1)、(2)→R1、NTU1→ε1→T2→t2为了便于工程计算，ε、NTU、R三者之间关系可绘制成图线供计算。2.第二类命题已知:Wh、Cph、Cpc、T1、T2、t1、流向、S求:Wc、t2

方法1）试差法计算公式Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)(1)

(2)

Wh→u1→α1Wc→u2→α2

(3)

设WC→t2、K→S计是否等于S(已知)。相等,则计算有效,不相等,应重新设定一个WC,直到相等为止。方法2）传热单元数法逆流由前两面(1)、(3)→NTU1、ε1查图R1→t2→Wc

4.6.6非定态传热

前面讲的都是定态传热，但有许多间歇操作，它们涉及到的传热是非定态的，以最简单的夹套式换热器为例说明。设釜内反应物温度为t饱和蒸汽温度为T釜内液体量m液体比热Cp传热面积SdQ=KS(T-t)dθdQ=mCpdtKS(T-t)dθ=mCpdt总的吸收的热量为:Q=mCp(t2-t1)

4.7换热器

凉水架凉水架是往热水中鼓风，空气带走热水中的水蒸汽，使热水得到冷却。

电厂的凉水塔

电厂的凉水塔是往热水中通入空气，热水中的热是以放出水蒸汽潜热，使热水得到冷却。所以电厂的凉水塔，都是冒的白烟，是冒的水蒸汽。

两种流体进行热交换的装置称换热器。如加热器、冷却器、蒸发器、再沸器等；根据冷热流体热量交换的方式分三类：间壁式、直接式、蓄热式。在三类换热器中，间壁式应用最多，故主要讨论该类换热器。

4.7.1间壁式换热器的类型一、管式换热器1.蛇管换热器

（1）沉浸式蛇管换热器蛇管内流体的α较大,外边流体的α较小。故可加搅拌器，提高α，传热面积较小。

特点：结构简单，传热面积不大，难清洗，但能承受高压。

（2）喷淋式蛇管换热器

喷淋式换热器也为蛇管式换热器，多用作冷却器。这种换热器是将蛇管成行地固定在钢架上，热流体在管内流动，自最下管进入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管流下，均匀地分布在蛇管上，并沿其两侧逐排流经下面的管子表面，最后流入水槽而排出，冷水在各排管表面上流过时，与管内流体进行热交换。这种换热器的管外形成一层湍动程度较高的液膜，因而管外对流传热系数较大。另外，喷淋式换热器常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时也带走一部分热量，提高了冷却效果。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果要好得多。同时它还便于检修和清洗等优点。

直管水槽

喷淋式冷却器2.套管式换热器管内外流体流速可以较高，故α较大，且两种流体纯逆流，故Δtm大。易漏,难清洗。

套管换热器动画3.列管式换热器

目前工业上用得最多。

由壳体、管束、隔板、封头、管板、折流板等组成。

管程：管内流体流动的行程。一个管程：每通过管束一次称一个管程。

壳程：管外流体流动的行程。一个壳程：每通过壳体一次称一个壳程。

单管程单壳程列管式换热器tctcT1T2

双管程单壳程列管式换热器动画列管式换热器优点：

i.单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好；

ii.结构坚固，可选用的结构材料范围宽广；

iii.操作弹性大，大型装置中普遍采用。列管式换热器根据结构可分为：

(1)固定管板式(2)浮头式

(3)U型管式

（1）固定管板式换热器动画

特点：结构简单，成本低；可产生较大的热应力。