华中师范大学《化工原理》课件-第6章传热

化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)多媒体教学课件(化学工程与工艺专业适用)2026/6/25第6章传热2第6章传热6.1传热概述6.2热传导6.3对流给热6.4沸腾给热和冷凝给热6.5热辐射6.6传热过程的计算6.7

换热器2026/6/25第6章传热3第6章传热（heattransfer）2026/6/25第6章传热4第6章传热（12学时）第1讲：6.1概述化工生产中常见的传热操作方式、载热体、传热速率、传热机理、牛顿冷却定律。（了解）6.2热传导6.2.1傅立叶定律和导热系数（理解）;6.2.2通过单层平壁和多层平壁的定态导热过程计算（重点掌握）6.2.3通过单层圆筒壁和多层圆筒壁的定态导热过程计算（重点掌握）1、通过单层圆筒壁的定态导热过程计算2026/6/25第6章传热56.1概述6.1.1传热过程冷热流体接触方式

直接式间接式储热式传热过程在化工生产中的应用非常广泛,几乎所有的化工生产过程（反应过程、单元操作等）都伴有传热过程。传热的目的:1)加热或冷却；2)回收热量；3)保温或保冷（减少热损失或冷量损失）。常见的是冷热两种流体之间的热量交换。2026/6/25第6章传热6传热过程的推动力是同一位置处热流体与冷流体的温度差(T-t)传热过程的推动力2026/6/25第6章传热7注意是同种流体的温升或者温降。热负荷:QL,J/s6.1.2传热过程中的基本概念传热速率：反映传热的快慢及传热量的多少，以下两种方式：热流量Q：单位时间内热流体通过整修个换热器的传热面传递给冷流体的热量，即J/s=W。热流密度（或热通量）q:单位时间、通过单位传热面积所传递的热量，即J/(s.m2)=W/m2,是反映传热速率大小的特征量。显然,一个能够满足工艺要求的换热器应该是:Q=QL2026/6/25第6章传热8单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。某段时间内的累积传热量6.1.3定态与非定态2026/6/25第6章传热9热载体及其选择

载热体（加热剂、冷却剂）热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷却剂。（1）加热剂工业中常用的有热水（40～100℃）、饱和水蒸气（100～180℃）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180～540℃）、烟道气（500～1000℃）等；除此外还可用电来加热。用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制。（2）冷却剂工业中常用的有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4℃）等等。水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热系数小，传热速率慢。

2026/6/25第6章传热10热传导conduction

当物体内部或两个直接接触的物体存在温度差时，温度较高部位的分子、原子和自由电子的热运动带动了相邻的部位物质这些粒子的热运动而引起的热传递现象称为热传导。热传导是物质分子、原子或电子微观运动而产生的宏观结果。对流convection

由于流体质点的转移或者混合，将热量从一处传至另一处称为热对流。这是流体质点宏观运动的结果。自然对流：密度差为推动力。强制对流：外力的作用。如泵，风机、搅拌等。辐射radiation

通过电磁波传递热量的过程。实际生产中，上述三种传热方式很少单独存在，往往同时出现。传热机理（传热方式）：2026/6/25第6章传热116.1概述完，续6.2流体与温度不同的壁面之间的传热称为对流传热。T稳定的温度场牛顿冷却定律热流体被冷却冷流体被加热α-----对流传热（或者给热）系数，牛顿冷却定律并非是理论推导的结果，它只是一种推论。2026/6/25第6章传热12第2章传热（12学时）第1讲：6.1概述化工生产中常见的传热操作方式、载热体、传热速率、传热机理、牛顿冷却定律。（了解）6.2热传导6.2.1傅立叶定律和导热系数（理解）;6.2.2通过单层平壁和多层平壁的定态导热过程计算（重点掌握）6.2.3通过单层圆筒壁和多层圆筒壁的定态导热过程计算（重点掌握）1、通过单层圆筒壁的定态导热过程计算2026/6/25第6章传热13温度场Temperaturefield稳定温度场传热沿着等温面的法线方向进行。HeatconductionFourier’slaw高温低温6.6.材料的导热系数λ2026/6/25第6章传热141、热导率是物性参数，与材料种类及温度t有关。气体的热导率,只有在压力很高或很低时，才随压力的增加而增大。热导率越大，导热性能越好。注：绝热材料常制成多孔状，目的是减小热导率。在建筑物中的非承重墙,使用空心砖目的就是为了有利于保温。2、λ纯金属＞λ合金＞

λ建筑材料＞λ液体＞

λ绝热材料＞λ气体。材料的热导率λ(导热系数)2026/6/25第6章传热151、单层平壁6.2.2通过平壁的定态导热过程定态一维温度场在平壁内传热的过程中，传热速率q与时间τ无关系。传热速率q与传热位置x亦无关。在传热位置x之处，取传热面积为单位面积，厚度为Δx的传热体，进行热量衡算：2026/6/25第6章传热16如果总的传热面上的传热是均匀的，则总传热面积上的传热速率为平壁内的温度分布：1、单层平壁λ取为平均温度下的数值2026/6/25第6章传热172、多层平壁各层温度差与其单位传热面积上热阻的关系：由上式分析可知,层内热阻大，层内温差大；层内热阻小，层内温差小。层内温度差是热阻的反映。t1-t4是传热过程的推动力。t1由设备内的操作条件所决定，t4由所设计的保温层情况及设备外环境条件所决定。P179例6-2多层平壁2026/6/25第6章传热18传热面为圆筒壁，采用柱坐标考察问题。一维：径向(radial)半径增大，圆筒面增大。Q(J/s)与时间、与半径r无关，q(q=Q/A)与半径r有关。一维稳定的温度场Q1、单层圆筒壁热传导6.2.3通过圆筒壁的稳定热传导过程计算2026/6/25第6章传热19Q单层圆筒壁的稳定热传导2026/6/25第6章传热20Q或者2026/6/25第6章传热21Q圆筒壁中的温度分布：2026/6/25第6章传热22圆筒壁：或者式中的Am平壁：Am=A公式汇总：球壁：2026/6/25第6章传热23多层平壁稳定热传导单层圆筒壁热传导2026/6/25第6章传热24回顾单层圆筒壁热传导Q6.2.3通过圆筒壁的稳定热传导过程计算2、多层圆筒壁2026/6/25第6章传热25t1-t4是传热过程的推动力，各层温度差是相应层内热阻的反映。将λ值最小的材料靠近高温侧放置，Q/L会最小。各层内温度差是各层热阻大小的反映。2026/6/25第6章传热26多层圆筒壁的稳定热传导2026/6/25第6章传热27多层圆筒壁的稳定热传导2026/6/25第6章传热28例:管路热损失的计算：为减少热损失，在外径为150mm的饱和蒸汽外覆盖厚度为100mm的保温层，保温材料的导热系数λ＝0.103＋0.000198t（式中t为0C）。已知饱和蒸汽温度为1800C，并测得保温层中央厚度为50mm处的温度为1000C，试求：（1）由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？（2）保温层的外测温度为多少？2026/6/25第6章传热292026/6/25第6章传热30考察单位管长上的传热量2026/6/25第6章传热312026/6/25第6章传热32例：用平板法测定材料的导热系数，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板之两侧均用热电偶测定其表面温度。将所测材料制成厚度为δ、直径为120mm的圆形平板。现测得电加热器的功率为40.0W，两侧面的温度分别为200oC和80oC。由于安装不当，待测材料的两边各有一层厚度为0.1mm的静止空气层，不计热损失，求所测材料导热系数的近似值λ’、准确值λ、相对误差。解：（1）近似值λ’（2）准确值λ（3）相对误差2026/6/25第6章传热33例1：φ50×5的不锈钢管，其导热系数λ1=16w/(m.k)，外包30mm厚的石棉，石棉的导热系数λ2=0.2w/(m.k)。若管内壁温度为350oC，保温层外壁温度为100oC，试计算每米管长的热损失。解：2026/6/25第6章传热34例2（接上题）：φ50×5的不锈钢管，其热导率λ1=16w/(m.k)，外包30mm厚的石棉，石棉的热导率λ2=0.2w/(m.k)。若管内壁温度为350oC，保温层外壁温度为100oC。（已计算出单位管长的热损失为397w/m。）若在石棉层外再包一层厚30mm，热导率为λ３=0.０７w/(m.k)的保温材料。已知环境温度tb=20oC。保温材料外与环境之间的对流给热系数α在两种情况下相同。求：（１）单位管长的热损失；（２）保温层外壁温度t4

。2026/6/25第6章传热35解：加保温材料之前2026/6/25第6章传热36加保温材料之后2026/6/25第6章传热376.2热传导完2026/6/25第6章传热38例6-22一内径为0.34m的空心球形钢壳容器,其内壁表面温度为38℃,外壁外面用100℃热水加热。钢壳的热导率为45W/(m.℃)。热水对外壁的给热系数α=500W/(m2.℃)。试计算钢壳厚度为多少mm时传热速率达到最大？最大传热速率为多少？解：ro是变量2026/6/25第6章传热39例6-20外径为1.2m的球形贮罐内放温度为-196℃的液氨，罐外覆以λ=0.02W/(m.K)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28℃，以免露水凝结。大气温度为32℃，大气与保温层外壁的给热系数α=12W/(m2.K)。罐内液氨对外壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略。计算该绝热材料的厚度。解：解得：通过保温层壁的热传导速率=保温层外壁向大气的对流传热速率2026/6/25第6章传热406.3对流给热

6.3.1对流给热过程分析;

6.3.2对流给热过程的数学描述;

6.3.3无相变的对流给热系数的经验关联式。第6章传热（12学时）后续2026/6/25第6章传热41第２讲续：

6.3对流传热：对流传热过程的分析和分类；无相变的对流给热过程分析及给热过程的数学描述。第6章传热（12学时）热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection2026/6/25第6章传热42

流体在流过固体表面时，与该表面发生热量交换，这一过程称为对流给热。从本质来说，由于不同温度的流体质点的流动或互相交换位置（称为对流）而产生的热量传递，称为对流给热（或对流传热）。分析：

1、起初是静止的流体，逐层发生热传导。

2、各层流体温度不同、密度不同，发生环流（对流）。因此，在流体中的热传导问题自发转化成为热对流的问题。空气t1t26.3对流传热2026/6/25第6章传热43以热流体被（管壁）冷却为例：首先回想圆管内的速度分布层流底层湍流主体过渡层

流体被冷却时管内流体温度的分布与速度分布相似，因为流体质点的运动或相互交换位置同时产生动量传递和热量传递。6.3.1对流给热过程的分析2026/6/25第6章传热44湍流主体内：热对流过渡层内：热传导和热对流层流底层内：热传导流体至管壁之间的传热，总称为热对流（即对流传热）。6.3.1对流给热过程的分析2026/6/25第6章传热45对流给热（传热）分类：无相变对流给热；有相变对流给热。无相变对流给热又分为：强制对流；自然对流。有相变对流给热又分为：沸腾给热；冷凝给热。对流给热速率的表达式引用牛顿冷却定律：流体被加热流体被冷却各种情况下的对流给热系数的确定需要采用实验研究方法。

在传热设备中，一般流体流动多为湍流。流体湍动越剧烈，层流内层的厚度越簿，则传热热阻越小，对传热越有利。即：仅从传热的角度来考虑，流体的流速愈大愈好。6.3.1对流给热过程的分析2026/6/25第6章传热46流体流动（流动方向垂直于传热的方向）速度对于传热的影响静止流体流动流体湍流层流湍流时：根据傅立叶定律层流时：从本质上看，湍流时是一维导热（径向）与二维流动（轴向、径向）同时存在，使得传热速率明显地增加。2026/6/25第6章传热47u为环流速度。对于一定量的流体6.3.2两种对流形式2026/6/25第6章传热486.3.3对流给热过程的数学描述流体与温度不同的壁面之间的传热称为对流传热。T稳定的温度场牛顿冷却定律热流体被冷却冷流体被加热α-----对流传热（或者给热）系数，牛顿冷却定律并非是理论推导的结果，它只是一种推论。2026/6/25第6章传热491、物性；2、流动状态；3、流动设备尺寸6.3.3对流给热过程的数学描述2026/6/25第6章传热50Nusselt准数Reynolds准数Prandtl准数Grashof准数对流给热系数热传导所相当的给热系数正比于惯性力正比于粘性力表征自然对流的运动状况2026/6/25第6章传热51注意：L/d>30~40为什么？TwT6.3.4无相变流体α经验关联式1.圆形直管内强制湍流α湍

分析：这是为了适当校正当流体被加热时壁温比流体平均温度高（或被冷却时壁温比流体平均温度低），壁温下的流体粘度与平均温度下流体的粘度存在差异(故层流底层厚度存在差异)，对于对流传热系数产生的影响。因为液体的Pr值大于1，而气体的Pr值小于1，故这样的校正对于液体气体均适用。(6-41)

P248例6-3管内强制湍流时给热系数的计算2026/6/25第6章传热52影响管内流体湍流时对流传热系数的主要因素(6-41)式1）若保持其它条件不变,流体流量增加1倍,变为原来的多少倍?2）若保持其它条件和流量不变,流通管的管内径d减小1倍,变为原来的多少倍?一定要考虑到流速的变化.若流体流量增加50%？2026/6/25第6章传热53第3讲：6.3.4(续)无相变的对流给热及给热系数；6.3.5有相变的对流给热及给热系数沸腾给热及沸腾给热系数、蒸汽冷凝给热及蒸汽冷凝给热系数、

影响蒸汽冷凝给热的因素及强化给热的措施。第6章传热（12学时）热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection热对流Heatconvection2026/6/25第6章传热54若L/d<30~40,(6-41)式×1.02~1.07的系数前面讲了圆形直管内强制湍流α湍(6-41)式6.3.4无相变流体α经验关联式2026/6/25第6章传热552026/6/25第6章传热562.圆形直管内强制层流P250（6-47）式2026/6/25第6章传热573、管外强制对流的给热系数在列管式换热器中遇到的是壳程流体横向流过管束的给热呈现错流流体在管束外横向流过的给热系数计算式:根据排列方式、排数、排列尺寸x1/d,由P250表6-2查取。（6-48）4、搅拌釜内液体与釜壁之间的给热系数(6-50)式2026/6/25第6章传热58（6-53）式定性尺寸l与加热面方位有关，对于水平管取管外径，对于垂直管和垂直板取垂直高度。表6-35、大容积自然对流给热系数（6-54）式或者2026/6/25第6章传热591、沸腾给热传热推动力：tw-ts两种沸腾：大容积与管内沸腾沸腾条件：过热度和汽化核心汽泡首先在粗糙表面凹缝中产生，因为表面功小，对汽泡有依托作用，存在汽泡胚胎。凹液面，P凹＜P平面，容易产生汽泡。为使汽泡产生，应达到一定的过热度。

过热度＝t-ts6.4沸腾给热与冷凝给热有相变的对流给热及给热系数2026/6/25第6章传热601、沸腾给热2026/6/25第6章传热612、蒸汽冷凝给热蒸汽膜状冷凝蒸汽滴状冷凝液膜薄厚与流动的型态有关，通常是自上向下：薄---厚---薄。不凝性气体积累可形成气膜。2026/6/25第6章传热62（1）蒸汽在水平管外冷凝凝液的密度、粘度、导热系数、蒸汽的冷凝潜热。n为垂直方向上的管子数。2026/6/25第6章传热63（2）垂直管或平板外液膜层流的冷凝给热系数液膜为层流凝液的密度、粘度、导热系数、蒸汽的冷凝潜热。液膜为湍流若冷凝液流通截面积为S，壁面润湿周边为b，则当量直径de=4S/bL为管（或板）的高度2026/6/25第6章传热64冷凝液膜从层流转变为湍流时的临界高度LCL为管（或板）的高度2026/6/25第6章传热65蒸汽在水平管外冷凝垂直管或平板外液膜层流的冷凝给热系数液膜为层流对比2026/6/25第6章传热66例：温度为120oC的饱和水蒸气在单根管外冷凝.管外径为60mm,管长为1m。管外壁温度为100oC。试计算：（1）管子垂直放置时的α；（2）冷凝液膜由层流转变为湍流时的临界高度LC

；（3）管子水平放置时的α。解：（1）管子垂直放置（2）（3）管子水平放置2026/6/25第6章传热67垂直平壁或管壁外冷凝传热系数的分析WM为单位宽度、单位时间内的冷凝液量可略2026/6/25第6章传热68过热蒸汽冷凝：过热蒸汽冷凝过程是由冷却、冷凝两个串联步骤组成，过热蒸汽与冷凝液膜之间存在着一个中间层，通过这个中间层，蒸汽温度降至饱和温度。对液膜来说，传热推动力仍然是Ts-Tw，并不因中间层的存在而改变。过热蒸汽通常可把过热蒸汽按饱和蒸汽处理，本节给出的冷凝给热系数计算公式依然适用。如有必要，将公式中的汽化潜热r用过热蒸汽的r’代替2026/6/25第6章传热69冷凝给热过程的强化措施：1、及时抽出不凝性气体，在冷凝器上方设有排气口。2、蒸汽与冷凝液同向向下流动，减薄传热膜的厚度。3、对于垂直壁面，纵向开沟槽，凝液沿沟槽流下；或沿垂直壁装若干条金属丝，凝液在表面张力的作用下，向金属丝附近集中并沿丝流下，壁面上的液膜大为减薄，冷凝给热系数成倍增加。强化冷凝传热的思路——减小液膜厚度。2、蒸汽冷凝给热2026/6/25第6章传热70

对流传热小结：无相变的对流给热系数一般较小，沸腾给热系数、蒸汽冷凝给热系数一般较大。注意：1.圆形直管内强制湍流α湍2026/6/25第6章传热71垂直圆管水平圆管对流传热完蒸汽冷凝给热系数2026/6/25第6章传热72第4讲：

6.6传热过程的计算

6.6.1总传热系数K

6.6.2传热平均温差Δtm

和传热基本方程式

6.6.3换热器的设计型问题第6章传热（12学时）2026/6/25第6章传热736.6传热过程的计算设备中的传热过程定常态操作

换热器的换热速率通过流体进、出口温度的变化反映出来。2026/6/25第6章传热74分析是否可以将dA扩展到整个传热面积A上？首先考虑一微元面积上（换热器微元长度上）的传热量6.6.1传热速率和总传热系数定常态传热过程若以管外侧面积为基准在整个传热面积范围内K是同一常数,其由两侧的对流传热系数和壁的导热系数及壁厚度所决定.都是总面积上的平均值，我们希望得到在总面积上为不变值的总传热系数K。、

2026/6/25第6章传热75故面积比就等于直径比、半径比。注意：K与A相对应若内壁污垢热阻为Ri;外壁污垢热阻为Ro,热阻单位2026/6/25第6章传热76注意：即从热阻值大的一侧入手。因为是稳定连续的传热过程。壁温判断2026/6/25第6章传热77例:保温层厚度的计算管内150oC的饱和水蒸气,管内给热系数为5000W/(m2.oC)。管子外径80mm，壁厚3mm。管道外环境温度为20oC,保温层外表面对环境的给热系数为7.6W/(m2.oC)。管壁的导热系数为53.7W/(m.oC),保温材料的平均导热系数为0.075W/(m.oC)。若使每米管长的热损失不超过75W/m，保温层的厚度至少应为多少？利用热传导式求δ2或者2026/6/25第6章传热78例1:总传热系数K的计算管外，热空气对管壁的给热系数为90W/(m2.oC)。管内，冷却水与管壁之间的给热系数为1000W/(m2.oC)。管外径16mm，壁厚1.5mm导热系数为40W/(m.oC),试求：1、传热系数K;2、管外给热系数增加一倍，K有何变化？3、管内给热系数增加一倍，K有何变化？解：1、2、2026/6/25第6章传热792、忽略管壁热阻，K’

比K增加了83%3、忽略管壁热阻，K”比K增加仅6%2026/6/25第6章传热80例2:壁温的计算某一蒸发器，管内通90oC的热流体进行加热，给热系数为1160W/(m2.oC)。管外有某种流体沸腾，沸点为50oC，给热系数为5800W/(m2.oC)。试求以下两种情况下的壁温。1、管壁无污垢；2、外侧有污垢，污垢热阻为Rs2=0.005m2.oC/W解：忽略管壁热阻解得Tw=56.7oC2026/6/25第6章传热81

2、外侧有污垢热阻解得Tw=84.5oC包括污垢层和对流层的温差是

Tw-50比较:外侧无污垢热阻时Tw=56.7oC仍然忽略管壁热阻2026/6/25第6章传热82

我们已经分析得到了在整个传热面积范围内是常数的总传热系数K,我们希望得到在整个传热面积范围内适用的传热速率的表达式，传热温度差采用一平均值。

6.6.2传热平均温度差与传热基本方程式根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，可将传热分为恒温传热和变温传热。2026/6/25第6章传热83在换热器内，热流体温度不断降低，冷流体温度不断升高，因此，换热器内不同的部位，传热的温度差是不同的。但是，因为是定常态传热，换热器内，热流体的温度分布一定，冷流体的温度分布也一定。故一定存在着一个与时间、位置无关的平均温度差。下面分析与T1,T2,t1,t2

之间的关系2026/6/25第6章传热84因定常态，热容流率比是常数。2026/6/25第6章传热85将dT,dt用d(T-t)代替。在换热器的某截面：传热平均温度差：2026/6/25第6章传热86t换热过程的操作线2026/6/25第6章传热872026/6/25第6章传热88公式中K与A要对应

KiAi＝KoAo2026/6/25第6章传热89并流换热若相同的T1T2t1t22026/6/25第6章传热90见P3082026/6/25第6章传热91传热基本方程式是传热问题的一个“纲”2026/6/25第6章传热92若传热过程中，某一种流体为恒温（例如水蒸气冷凝），另一种流体变温，传热基本方程式的形式可以变化，并且此时无需分辨是逆流还是并流。2026/6/25第6章传热93传热基本方程式的应用例1：在传热面积为10m2的管壳式换热器中，用工业水冷却各车间的离心泵油封废水，工业水走管程，进口温度为20℃，废水走壳程，进口温度70℃，逆流操作。当工业水流量为1.0kg/s时，测得工业水与废水的出口温度分别为40℃和29℃，当工业水流量增加一倍时，测得废水的出口温度为24℃，管壁和污垢热阻均可不计。两种水的比热均取4.2kJ/(kg℃).计算原工况下管程和壳程的对流给热系数各为多少？2026/6/25第6章传热942026/6/25第6章传热952026/6/25第6章传热96例2：一传热面积为15m2的列管式换热器，壳程用110oC的饱和水蒸气将管程某溶液由20oC加热到80oC，溶液的处理量为2.5×104kg/h，比热为4kJ/(kg.k)，试求此操作条件下的总传热系数。该换热器使用一年之后，由于污垢热阻增加，溶液的出口温度降为72oC，若要使溶液的出口温度仍保持为80oC，则需要将加热水蒸气的温度提高到多少温度？解：（1）保持Q、t2=80oC不变，2026/6/25第6章传热97

传热传热传热HeattransferHeattransferHeattransferHeattransferHeattransferHeattransferHeattransfer第5讲：

6.6.3换热器的设计型计算6.6.4

换热器的操作型问题

消元法传热单元法综合例题第6章传热（12学时）2026/6/25第6章传热986.6.3换热器的设计型计算

设计型命题方式：以热流体被冷却为例

计算条件：T1T2qm1Cp1K

计算目的：A（传热面积）2026/6/25第6章传热99可供选择的条件：（1）流向（逆流、并流等）（2）冷流体t2或qm2（3）冷流体t1（4）流速可以出现t2>T2选择依据：（1）流向——逆流优于并流理由之一：在换热器四个端值T1,T2,t1,t2

相同的情况下，△tm逆＞△tm并理由之二：逆流操作可以在更宽的范围内完成传热任务（2）t2.或qm2t1确定后，t2或qm2只须选一个，受热量衡算限制。t2过高，工业用水中所含盐类析出，易结垢（3）冷流体入口t1选择夏季与冬季水温t不同，计算时应该按夏天选定t1更为安全可靠（4）流速选择兼顾传热系数与压降传热Heattransfer2026/6/25第6章传热100设计型问题中，冷却介质出口温度的选择：Q一定，t1一定，t2取得高，qm2最少，回收能量的价值高，输送流体的动力消耗即操作费用少。但是，t2高，传热过程的平均推动力△tm小，完成传热任务Q所需的传热面积A大，设备投资费用大。故，冷却介质出口温度的选择是一个经济上的权衡问题。2026/6/25第6章传热101传热过程的调节：（对于设计参数的选取有指导意义）

在换热器中，以热流体的冷却为例，若热流体的流量qm1或进口温度T1发生变化，而要求其出口温度T2保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量qm2来达到目的。这种调节作用，可能是改变了传热系数K值，也可能是改变了传热推动力△tm的值。

如果冷流体的给热系数远大于热流体的给热系数，调节qm2,K基本不变，调节作用主要是靠△tm的变化；如果冷流体的给热系数远小于热流体的给热系数或两者相当，调节qm2，将使△tm和K皆有较大的变化。Q＝AK△tm2026/6/25第6章传热102

对于冷流体被加热的传热过程，通过改变加热介质（热流体）qm1的值，以满足流流体加热变化的要求。在设计换热器时，为达到当时的换热量，T2应取得稍低一些，这样算出的qm1值不是太大，当换热量要求提高后增大qm1

值，能够有效地增大α热（增大K），提高T2（增大△tm),以满足传热量增大的要求。

为换热负荷的增大留出余地。热流体被冷却的传热过程：如果换热器在原工况下，冷流体的给热系数已经较大，冷流体的温升已经很小，即出口温度t2已经很低，此情况下，热流体给热是传热的控制步骤，增大冷流体的流量qm2已无明显的作用。故在设计换热器时，为达到当时的换热量要求，冷流体出口温度t2不要取得过低，取得稍微高一点，则算出的qm2值不是太大。当换热负荷要求提高后，增大qm2值，能够有效地增大α冷（增大K），降低t2（增大△tm），以满足传热量增大的要求。为换热负荷的增大留出余地。2026/6/25第6章传热103Heattransfer6.6.4换热器操作型计算2.基本思路与方法2026/6/25第6章传热1046.6.4换热器操作型计算第1类操作型问题的求解方法-----消元法以无相变的逆流换热为例以热流体表示换热速率Q公式两边约去(T1-T2)2026/6/25第6章传热1056.6.4换热器操作型计算第1类操作型问题的求解方法-----消元法以无相变的逆流换热为例以冷流体表示换热速率Q公式两边约去(t2-t1)2026/6/25第6章传热1066.6.4换热器操作型计算第1类操作型问题的求解方法-----传热单元数法以无相变的逆流换热为例2026/6/25第6章传热1076.6.4换热器操作型计算第1类操作型问题的求解方法-----传热单元数法以无相变的逆流换热为例若qm1Cp1小,以热流体表示换热速率Q该式是传热基本方程式的另一形式，公式右边的数值一般容易求出。可以将公式中的(T1-T2)约去现将公式中的t2通过热量衡算表示出来。2026/6/25第6章传热108HeattransferHeattransfer由推导过程可知，该公式是传热基本方程式的另一形式。热效率2026/6/25第6章传热1096.6.4换热器操作型计算第1类操作型问题的求解方法-----传热单元数法以无相变的逆流换热为例若qm2Cp2小,以冷流体表示换热速率Q传热Heattransfer注意：若不强调传热效率，不追究热力学问题，可以不判断两种流体热容流率的大小，上面的（纯）数学关系式总是成立的。2026/6/25第6章传热110根据热力学，可证明。反取可省略2026/6/25第6章传热111传热Heattransfer（2）第二类命题------试差求解以热流体被冷却逆流流动为例，求qm2

、t22026/6/25第6章传热112例1：一列管式换热器，按传热管的内表面积计算的传热面积A1=50m2

。流量为5200m3/h（P=101325Pa,T=273.15K条件下），在管内从20oC被加热到90oC。压力为200kPa的饱和水蒸气（饱和温度为120oC）在壳程冷凝放出热量。试求：（1）总传热系数K；（2）当空气流量增加25%时，其出口温度变为多少？（3）若保持空气的出口温度不变，则饱和水蒸气的压强应调整到多少？（4）若保持空气的出口温度不变，不调整饱和水蒸气的压强，改变换热管的长度，则管长为原管长的多少倍？解：（1）原工况新工况2026/6/25第6章传热113新工况2026/6/25第6章传热1142026/6/25第6章传热115消元法例2：第一类命题的操作型计算：有一逆流操作的换热器，热流体为空气，，冷却水走管内，。已测得冷、热流体进出口温度分别为管壁热阻可以忽略。当水流量增加一倍时，试求（1）水和空气的出口温度t’2和T’2

（2）换热量（热流量）Q’比原换热量Q增加多少？2026/6/25第6章传热1162026/6/25第6章传热1172026/6/25第6章传热118例3：第一类命题的操作型计算：有一逆流操作的换热器，热流体为空气，，冷却水走管内，。已测得冷、热流体进出口温度分别为管壁热阻可以忽略。当水流量增加一倍时，试求（1）水和空气的出口温度t’2和T’2

（2）换热量（热流量）Q’比原换热量Q增加多少？NTU法2026/6/25第6章传热1192026/6/25第6章传热120习题32：一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别是40oC和100oC。已知并流操作时，冷流体出口温度为60oC，热流体出口温度为80oC。设传热系数K为定值。若改为逆流操作，则冷、热流体的出口温度将各是多少？解：（1）并流时（2）变为逆流换热时，利用冷、热流体温度差变化相等的特点2026/6/25第6章传热121解：（1）并流时（2）变为逆流换热时，T1t1R1NTU1均不变或者分别取R1=0.99、R1=1.01计算得到根据R1NTU1

查相关的函数图可得到习题32:一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别是40oC和100oC。已知并流操作时，冷流体出口温度为60oC，热流体出口温度为80oC。设传热系数K为定值。若改为逆流操作，则冷、热流体的出口温度将各是多少？2026/6/25第6章传热122例4：空气质量流量为2.5kg/s，温度为100oC，在常压下通过单程换热器进行冷却。冷却水质量流量为2.4kg/s，进口温度15oC，与空气作逆流流动。已知传热系数K=80W/(m2.K)，又传热面积为A=20m2

，求空气出口温度。空气比热取为1.0kJ/(kg,K)，水的比热取为4.187kJ/(kg,K)。（第一类操作型问题，采用传热单元数解法）解：2026/6/25第6章传热1232026/6/25第6章传热124例5：（接例4）空气质量流量为2.5kg/s，进口温度为100oC，出口温度需要达到59.2oC。在常压下通过单程换热器进行冷却。冷却水质量流量为2.4kg/s，进口温度15oC，出口温度为25.2oC。若换热器改为并流操作，假设传热系数K=80W/(m2.K)不变，空气比热取为1.0kJ/(kg,K)，水的比热取为4.187kJ/(kg,K)。求所需传热面积A。（设计型问题仍然可用传热单元数解法）解：并流2026/6/25第6章传热1252026/6/25第6章传热126例6：恒壁温加热过程的操作型问题:有一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数，冷却水给热系数，已测得冷却水进出口温度分别为.如将冷却水流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？已知蒸汽在饱和温度1000C下冷凝。2026/6/25第6章传热1272026/6/25第6章传热1282026/6/25第6章传热129例7：一列管换热器，1200C的饱和水蒸气在管外冷凝。流量为5500kg/h的空气从330C被加热到750C，空气在管内湍流流动。现生产要求空气流量增加20%，保持空气的进出口温度不变，仍用原换热器，可以采取哪些措施？并进行计算。2026/6/25第6章传热1302026/6/25第6章传热1312026/6/25第6章传热132例8：第二类操作型问题在冬季一定流量的冷却水进入换热器的温度是150C，离开换热器的温度是750C，可将热油从1300C冷却到700C，在夏季冷却水进口温度升至300C，热油的流量进口温度不变，为保持热油出口温度不变，试求冷却水的流量应增大多少?已知油侧给热系数为1.5kw/(m2.0C),水侧给热系数为3.5kw(m2.0C),冷、热流体呈逆流流动。可略2026/6/25第6章传热1332026/6/25第6章传热134例9：一面积为10m2的逆流换热器，用流量为0.9kg/s的油将用流量为0.6kg/s的水加热，已知油的比热为2.1kJ/(kg.K)，水和油的进口温度分别为35oC和175oC，该换热器的传热系数为425W/(m2.K),试求此换热器的效率。又若水量增加20%，传热系数可视为近似不变，此时水的出口温度为多少？解：（1）2026/6/25第6章传热135例92026/6/25第6章传热136例92026/6/25第6章传热137例(习题38):有一单壳程双管程列管换热器,管外用120oC饱和蒸汽加热,常压干空气以12m/s的流速在管内流过,管径为Φ38×2.2mm,总管数为200根.已知空气进口温度为26oC,要求空气出口温度达到86oC。试求：（1）该换热器的管长应为多少？（2）若气体处理量、进口温度、管长均保持不变，而将管径增大为Φ54×2mm，总管数减少20%，此时的出口温度为多少？（不计出口温度变化对物性的影响，忽略热损失）。解：（1）2026/6/25第6章传热138（2）qm2不变2026/6/25第6章传热139例：在一套管式换热器中，用120oC的饱和水蒸气冷凝放热，使内管中湍流流动的流量为3000kg/h的苯从20oC加热到80oC。当流量增加到4500kg/h时只能从20oC加热到76oC。试计算换热器的换热面积和流量为4500kg/h时的总传热系数。（计算时，水蒸气冷凝的对流给热系数可取为8000W/(m2.K)，可忽略管壁热阻及污垢热阻，并可当平壁处理。解：流量为3000kg/h时：流量为4500kg/h时：2026/6/25第6章传热140第6讲：

6.6.6非定态传热过程的拟定态处理。

6.7

换热器

间壁式换热器的类型、

管壳式换热器的设计和选用、

强化传热的措施、

其它类型的换热器简介。第6章传热（12学时）2026/6/25第6章传热141（4）K的表达式是在定态条件下导出的。但是，当釜内流体的温度t和加热壁面的温度tw随时间τ的变化率不大时，与流体流动状况和物性参数有关的传热系数K，可视为不变。6.6.6非定态传热过程的拟定态处理

工业上物料的分批加热或冷却是非定态传热过程。待求函数一般为累积传热量Qτ或物料温度t与时间τ的关系。解决非定态传热问题的基本方程仍然是传热速率方程式与热量衡算方程式。一般特点:（1）热流体温度T保持恒定，（2）釜内流体因为时刻保持充分混合，温度t均一，但t随着时间τ发生变化。（3）任何时刻的热流密度q与加热面位置无关，以间歇操作的夹套换热器为例：计算αin时的定性温度取釜内流体温度t的平均值。2026/6/25第6章传热142以间歇操作的夹套换热器为例：2026/6/25第6章传热143Δtm为加热开始、加热终了两时刻传热温度差的对数平均值。在一定加热时间τ内的累积传热量为：2026/6/25第6章传热144例1：非定态传热：某夹套式换热器具有传热面积3m2,夹套内通以1000C的饱和蒸汽加热，釜内盛有800kg初温为200C的冷水，因充分搅拌釜内水温始终均一。加热15min后，测得水温为800C。试求：（1）该换热器的传热系数K为多大？（2）再继续加热15min，釜内水温将升至多少度？2026/6/25第6章传热145例:90℃的热水在水管内流动,流经100m距离后水温降至70℃。试求：在50m中点处，水的温度是多少？水管外空气的温度处处均为20℃。（计算时可作合理简化。）解：水的质量流率qm保持稳定，体积流速u不变。2026/6/25第6章传热146例2：浸沉式蛇管换热器中，蛇管内流的是水，用以冷却槽中的液体，已知槽中盛放6000kg的某种液体，其比热容为4.6kJ/(kg.K)，从100oC开始冷却。冷却水的最初温度为20oC，用水量为1500kg/h。换热面积为6m2。设传热系数为230W/(m2.K)不变，且不考虑液体向空气的散热量，槽内液体温度均一。试求该液体冷却至60oC所需的时间。解题思路：qm2

、t1不变，T和t2随着时间而发生变化。

为所计算出的时间更可靠（偏长），取较小的传热温度差为(T-t2)省略2026/6/25第6章传热1476.6完2026/6/25第6章传热148第6讲（续）：

6.7换热器

间壁式换热器的类型、

管壳式换热器的设计和选用、

其它类型的换热器第6章传热（12学时）2026/6/25第6章传热1491、间壁式换热器的类型1）夹套式换热器2）套管式换热器3）管壳式换热器4）沉浸式蛇管换热器5）喷淋式换热器夹套式换热器：结构简单，但传热面积小，传热效率低。为提高传热效率，可在釜内安装搅拌器.蛇管。广泛用于反应过程的加热、冷却。2026/6/25第6章传热1502、管壳式（列管式）换热器的设计与选用在选用和计算管壳式换热器时必须考虑以下问题：（1）冷、热流体流动通道的选择（2）流动方式的选择（3）换热管规格和排列方式的选择

（4）折流挡板。列管式换热器分为：

1）固定管板式换热器

2）浮头式换热器

3）U型管式换热器注意：在确定流体的流速时，必须同时顾及：1）给热系数；2）阻力损失。2026/6/25第6章传热1512026/6/25第6章传热1522026/6/25第6章传热153流体通过换热器的阻力损失:(1)管程阻力损失直管阻力损失hf1,回弯阻力损失hf2,换热器进出口阻力损失hf3(很小)管程结垢校正系数ft(三角形排列取1.5，正方形排列取1.4），管程数Np,管程总阻力损失：