第4章 传热.ppt

1、第四章 传热,4.1概述 4.2热传导 4.3对流传热概述 4.4传热过程计算 4.5对流传热系数关联式 4.6辐射传热 4.7换热器,4.1概述,物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的 过程，称 为热量的传递，简称传热。根据热力学第 二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传 到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中普遍 存在的一种物理现象。 化学工业与传热问题尤为密切，无论是化学反应过程，还是物 理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是 重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几方面： 1.加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要 2.对设备或管道进行保温

2、、隔热，以减少热量(或冷量)损失。 3.合理使用热源，进行热量的综合回收利用。,4.1.1 传热的基本方式,根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式： 1.热传导(导热) 定义：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、 原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传 递。 特点： 由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传 热方向上无物质的宏观位移。 存在于固体、静止流体及滞流流体中。 发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从 高温部分传向低温部分。或者从高温物质传递到与之 相邻的低温物质。,从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各不相同。 气体：是气体分子做不规则热运

3、动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。 导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。 非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子在其平衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。 一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。,液体： 一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子

4、间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因而更复杂。 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。 本章只讨论导热现象的宏观规律。,2.热对流(对流),定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点： 热对流只发生在流体中。 流体各部分间产生相对位移 产生对流的原因 由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下 产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为 自然对流； 由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动， 称为强

5、制对流。 流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同 时常常伴随有自然对流。,化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方 式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热 传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固 体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热 (也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体 中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要 依靠对流方式传热。 可见，对流传热与流体流动状况密切相关。 虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对 流总伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。 因此一般不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实 际意义的对流传热。,3.热辐射,定义：因热的原因而产生的

6、电磁波在空间的传递。 自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。 特点： 可在真空中传播 能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。 实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。,4.1.2 典型的传热设备,实现两流体换热过程的设备称为换热器 化工生产中

7、遇到的多是两流体间的热交换。热交换 是指热流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的 过程。,冷、热流体被间壁隔开，它们分别在壁面两侧流动。此壁面即构成间壁式换热器。热由热流体以对流方式传递到壁面一侧，通过间壁的导热，在由壁面另一侧以对流形式传递到冷流体。,1.套管式换热器 由直径不同的两根圆管组成的 同心套管。一种流体在内管中 流动，另一种流体在套管的环 隙中流动，两流体是通过内管 壁面进行换热。,每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列，固定在管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均与总管连接而并联使用。 优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和程数伸缩性大，可距需要

8、增减。适当地选择内、外管的直径，可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。 缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。 传热面积：S=dL,2.列管式换热器为了改变套管式换热器传热面积小，设备不紧凑的状况，常将若干细管组成的管束放在一大的外管中，这种换热器称为列管式换热器。,组成：壳体、管束、管板和封头等部分。 一种流体由封头的进口管进入，流经封头与管板的空间分配至各管内，从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面与管束内流体换热，然后从壳体的另一端接管排出。为增加流体湍动程度，通常

9、壳体内安装若干与管束垂直的折流档板。 流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程(管方)流体； 流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳程(壳方)流体。,若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内流过一次的，称为单壳程。 若列管换热器的传热面积较大，而需要的管数很多时，有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次后排出，称为多(管)程列管式换热器，如图示。,程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平均温度差降低。此

10、外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面积。因此，程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。 传热面积：S=ndL,传热速率与热通量,衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。 传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量，W 热通量Q/S：每单位面积的传热速率，W/m2 说明 传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。 Q，换热器性能愈好 由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对于的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。 对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。,稳态传热与非稳态传热,稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传 热方式。 显著特点是传热速率Q为常量

11、。 连续传热过程属于稳态传热。 非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传 热方式。 显著特点是传热速率Q为变量。 间歇传热过程属于非稳态传热。,4.1.3 载热体及选择,定义：在化工生产中，物料在换热器内被冷却或加热 时，通常用以取走或供给热量的某种流体，为载热体。 选用原则： 载热体的温度易调节控制； 载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； 价格便宜，来源容易。 工业上最常用的载热体为水。,4.2 热 传 导,4.2.1 基本概念和傅立叶定律 1 温度场和温度梯度 只要物体内部存在着温度差，就会有热量从高温部分向低温部分传递。因此物体或系统

12、内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率(导热速率)。 温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。 因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数，即： t=f(x,y,z,),说明 若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。 t=f(x,y,z,) 若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。 t=f(x,y,z) 若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，但不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场。t=f(x),在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温 面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温

13、度， 所以温度不同的等温面不会相交。 从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿 和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。 温度随距离的变化程度沿法向最大。 温度梯度：相邻两等温面间温差t与其距离n之比的极限,说明 温度梯度为向量，方向垂直于等温面，以温度增加的方向为正,与传热方向相反。 稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：,2 傅立叶定律 物体内部存在着温度梯度时，就因热传导而产生热通量。 其大小可用Fourier定律(通过等温面导热速率，与其等温 面的面积及温度梯度成正比)描述： Q导热速率，即：单位导热时间所传导的热流量，W 导热系数，（）， 法向温度梯度，

14、/m 傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传 导而产生的导热速率大小的定律。 式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高 温传至低温，与温度降低的方向一致。,4.2.2 导热系数 将傅立叶定律整理，得导热系数定义式： 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下 的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的大 小，越大，导热越快是物质的物性常数之一。其 大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。 导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。,1 固体的导热系数 金属：15420W/(m)，非金属：0.23.0W/ (m) 固体中，金属是最好的导热体。 纯金属：t， 金属

15、： 纯度， 非金属：，t ， 说明 对大多数固体， 值与温度大致成线性关系： = 0 (1+t) 式中： 固体在温度为 t时的导热系数，W/(m) 0固体在温度为 0时的导热系数，W/(m) 温度系数。 大多数金属： 0,在热传导计算中，用物体的平均导热系数代替各点处的导热系数，以简化计算，引起的误差很小。方法： 2 液体的导热系数 液体导热系数：0.070.7W/(m) t， (水、甘油除外) 金属液体：其比一般液体高，其中纯Na最高 非金属液体：纯液体的比其溶液的大 在缺乏实验数据时，溶液的导热系数可按经验公式估算，导热系数估算式为： 有机化合物水溶液： m=0.9ai i 有机化合物的互

16、溶混合液： m=ai i,ai组分i的质量分率,3 气体的导热系数 气体的导热系数：0.0060.6W/(m) 温度的影响：t， P的影响 一般压强范围内，k随压强变化很小，可忽略 过高(2105kPa)、过低(3kPa)时，P ， 气体的导热系数小，对导热不利，但有利于保温、绝热 常压下气体混合物的导热系数的估算式： 式中：yi组分i的摩尔分率 Mi组分i的分子量，kg/kmol,4.2.3 平壁的稳态热传导 1 单层平壁的稳态热传导 前提条件： 平壁内材料均匀，导热系数取平均值 为常数； 平壁内温度只沿垂直于壁面的x方向变 化，等温面均为垂直于x轴的平面 平壁两侧温度分别为t1、t2，且不

17、随时 间而变化，过程为稳态一维热传导，导 热速率Q为常量。 Sb, 故从壁的边缘处损失的热量可 忽略，S为常量。 傅立叶定律可简化为：,将边界条件x=0时，t=t1； x=b时 t=t2代入上式，积分可得,说明 推动力为t，阻力为R(R) 导热速率与温度差、传热面积、导热系数成正比，而与平壁厚度成反比。 ，R；q常数时，tR 常数：t=f(x)为直线； = 0(1+t)：t=f(x)为曲线； 热阻概念的应用： 计算界面温度或物体内温度分布 从温度分布判断各部分热阻的大小,单层平壁热传导计算举例,例 某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1为1650，外表面温 度t2为300，平壁材料导热系数=0

18、.815+0.00076t(t的单 位为，的单位为W/(m)。若将导热系数分别按常量和 变量处理时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。 解：(1)导热系数按常量处理,结论：导热系数按常量处理时，温度分布为直线,(2)导热系数按变量处理,结论：将导热系数按常量和变量计算时，所得的热通量相同，而温度分布则不同，前者为直线，后者为二次曲线。所以工程上计算热通量时，取平均温度下的导热系数值，按常数处理是可行的。,2 多层平壁的稳态热传导 以三层平壁为例。 前提条件： 层间接触良好，即相互接触的两表面温度相同，且 t1t2t3t4 各层平壁面积均为S，厚度分别为b1，b2，b3 各层导热系数为常数，

19、分别为1、 2、 3 传热为稳态一维热传导，Q1=Q2=Q3=Q 据此，由傅立叶定律，得：,说明 多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层热阻之和。 Q计Q测：(t1-tn+1)一定，Q，R。说明实际情况层间接触不良，存在附加的热阻 t1tn+1，Q0，热量损失 t1tn+1，Q0，冷量损失 Q=常数时，t1: t2: t3=R1:R2:R3,多层平壁热传导计算举例,例 某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm,导热系数0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚200mm,导热系数1.3W/ (m) ，测

20、得内墙表面为-18，外墙表面温度为24，计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。 解：(1) t1-18, t4=24, 1=0.043W/(m), 2=0.10W/(m), 3=1.3W/ (m),(2)t1-18,t4=24, 1= 0.10W/(m), 2= 0.043W/(m), 3=1.3W/ (m),互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。,4.2.4 圆筒壁的热传导 化工生产中常见的为圆筒壁(圆管)的热传导，其特点是 温度随半径变化，传热面积也随半径变化，均非常量。 1 单层圆筒壁的热传导,前

21、提条件： 圆筒内、外半径分别为r1和r2，长度为L，内外壁温度t1t2，在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：S=2rL 圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。 圆筒壁材质均匀，导热系数为常数 ,说明 当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率Q为常量，但由于S与r有关，故热通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量； 在任一半径r处，温度表示为: 表明温度沿r方向为对数曲线分布； 表明导热速率与 推动力t成正比，而与导热热阻R成反比。 误差不超过4，工程上允许。,单层圆筒壁导热计算举例,例4-2 在外径为133mm的蒸汽管道外包扎一层石棉 保温材

22、料，导热系数为0.2W/(m)，蒸汽管外壁 温度为160，要求保温层外侧温度40，若每米 管长热损失控制在240W/m下，求保温层厚度。 解：单层圆筒壁热传导速率方程 故保温层厚度b=r2-r10.125-0.06650.058 m,2 多层圆筒壁的热传导 以三层为例。 前提条件： 各层间接触良好 各层导热系数1、 2、 3 均为常数 一维稳态热传导 据多层平壁热传导计算公式：,说明 多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热 阻之和。 总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同 样有温差与热阻成正比。 不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和Q/L为常量，

23、但q 不为常量； 其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同；,4.3 对流传热概述,流体流过固体壁面（流体温度与壁面温度不同） 时的传热过程称为对流传热。 根据流动状态可分为： 1流体无相变的对流传热 强制对流传热 自然对流传热 2流体有相变的对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾,4.3.1对流传热速率方程 若以热流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可 以表示为： 此式又称牛顿冷却定律 在工程计算中 若热流体在换热器管内流动，而冷流体在管间流动，则：,4.3.2 对流传热机理 1对流传热分析 对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流

24、动状况有密切关系。 考察湍流流体： 流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。 在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度基本相同。 在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化。,在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本一致，即图中T；在过渡层中，温度由T缓慢下降至Tw；在滞流底层中，由于热阻较大，温

25、度由Tw急剧下降至Ts，再往右，通过管壁，因其材料为金属，热阻较小，因此，管壁两侧的温度Ts和ts相差很小。此后，在冷流体中，又顺序通过滞流底层、过渡层而到达湍流主体，温度由ts经tw下降至t。 在计算传热量时，一般用易于测量的平均温度Tb和tb代替截面上最高、最低温度T和 t。,T,t,Tw,tw,Ts,ts,图示即为温度在湍流流体中的分布情况。,由以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。,Tb,tb,2 热边界层 与流动边界层相似，若流体自由流的温度和壁面温度不同，就会形成热边界层，也称温度边界层。 当温度为t0的流体在表面温度为

26、tw的平板上流过时，流体和板间将进行换热。实验表明，大多数情况下(导热系数很大的流体除外)，流体的温度也和速度一样，仅在靠近板面的滞流层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄流体层定义为热边界层。热边界层以外的区域，流体温度基本相同，温度梯度可视为零。显然，热边界层是进行对流传热的主要区域。,如图示，曲线1表示流体呈滞流时在平板上的流动边界层的发展过程。,曲线2表示流体呈滞流，且在离平板起点x0处开始传热时热边界层的发展过程。,大多数情况下，流动边界层的厚度大于热边界层厚度t。通常规定 tw -t=0.99(tw -t0)处为热边界层的界限 (t为某处热边界层上的温度)。,热边界层愈

27、薄，则层内的温度梯度愈大。若紧靠壁面附近薄层 流体（滞流内层）中的温度梯度用 表示，由于通过这一薄 层的传热只能是流体间的热传导，因此传热速率可用傅立叶定 律表示，即 消去 ，则可得,3 流体流过圆管时的热边界层 流体以速度u0和温度t0进入管内，因受壁面温度的影响，热边 界层的厚度由进口的零值逐渐增加，经过一定距离后，在管中 心汇合。流体由管进口至汇合点的轴向距离称为传热进口段。 超过汇合点后，温度分布趋于平坦，此时热边界层的厚度等于 管子的半径。,4.4传热过程计算,传热计算有两类： 1设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换热器 的传热面积； 2校核计算,即计算给定换热器的传热量、流体的

28、流量 和温度等。判断一个换热器能否满足生产要求或预测 流体流量和温度等参数的变化对换热器传热能力的影 响。 两者都以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算的 基础。,4.4.1热量衡算 对间壁式换热器作热量衡算，以小时为基准。系统无外功， 且一般位能和动能项忽略。 一、焓差法： 假设换热器保温良好,Q损失=0，则Q放=Q吸 Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1) 此式即为换热器的热量衡算式。 式中：Q换热器的热负荷，KJ/h或Kw； W流体的质量流量，kg/h； H单位质量流体的焓，KJ/kg； h热流体； C冷流体； 1进口； 2出口；,二、显热法 若换热器中两流体无相变化，且流体

29、的比热容不随温度而变 或可取平均温度下的比热容时 Q=WhCph=(T1-T2)=WcCpc (t2-t1) 式中:Cp流体的平均定压比热容，KJ/(kg.)； T 热流体的温度，； t 冷流体的温度，。 三、潜热法 若热流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，而冷流体无相变化， Q=Wh r = Wc.Cp.c(t2-t1) 式中:Wh饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h； r饱和蒸汽的冷凝潜热，KJ/kg； 若冷凝液的温度低于饱和温度,则 Q= Wh h + Cp.h (Ts-T2) = Wc.Cp.c(t2-t1),4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数 1总传热速率微分方程 用热传导速率方程或对流传热

30、速率方程计算过程的传热速率 时，都需已知壁面温度（Tw、 tw），实际上壁面温度难以测 定。为了计算方便，避开壁温，直接使用冷、热流体的温度 引出间壁两侧流体间换热的总传热速率方程。 通过间壁换热器任一微元面积dS，可以导出两侧流体间进行 热交换的总传热速率微分方程式： 式中； dQ通过微分传热面积dS的传热速率，W； K 局部总传热系数，； T 换热器任一截面上热流体的平均温度，； t 换热器任一截面上冷流体的平均温度，；,说明 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的值也不同。 Ko、Ki、Km、分别表示基于管外表面积、管内表面积和内、外侧平均表面积的总传热

31、系数，（w/（m2.）； 工程上大多以外表面积作为基准。 由上式可得：,2总传热系数 （1）总传热系数的计算式 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。K是表示换热设备性能优劣的重要参数， 是对换热设备进行计算和评价的依据。 两流体通过换热器的传热过程为：,换热器间壁两侧流体间的传热过程及温度分布情况 （1） 热流体向内壁面的对流传热。 （2） 通过管壁的热传导 （Tw-tw）为管壁任一截面两侧的温度差。 （3） 管外壁面冷流体的对流传热,定态传热条件下：dQ=dQ1=dQ2=dQ3 (1) (2) (3) 将（1）、（2）、（3）式相加,（2）污垢热阻 换热器使用一段

32、时间后，传热壁面往往积存一层污垢，对传热形成了附加热阻，称污垢热阻。污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构及运行时间等因素有关。对于一定的流体，增加流速，可以减少污垢在壁面的沉积，降低污垢热阻。由于污垢层的厚度及其导热系数难以准确测定，通常只能根据污垢热阻的经验值进行计算。污垢热阻的经验值可查阅有关手册。 若：管壁内侧的污垢热阻为Rs.i 管壁外侧的污垢热阻为Rs.o 为了减少冷热流体壁面两侧的污垢热阻，换热器应定期清洗。,关于提高K值的讨论： 传热面为平壁或薄管壁时， 管壁热阻及污垢热阻可略时， 结论：1. ，欲提高K值，必须提高0 ； 2. ，欲提高K值，必须提高i ； 3. 相

33、差不大，欲提高K值，必须将两者同时提高。 4.增加流体的流速，定期清洗换热器，可使污垢热阻Rs i 、Rs o减少,使K值增加。,4.4.3平均温度差法 总传热速率的微分方程 ,积分后 才有实际意义。积分结果是用平均温度差代替局部温度差。 平均温度差的大小及计算方法与换热器中两流体的流动形式 与温度变化有关。 传热时的平均温度差： 换热器内两流体温度的变化情况，分为恒温传热和变温传热。 推导传热平均温度差应作如下简化假定： （1）传热为定态操作过程； （2）两流体的比热容为常量（取换热器进出口的平均值）； （3）总传热系数 K=常量 （K值不随换热器管长而变化）； （4）Q损失=0。,1恒温传

34、热时的平均温度差 冷、热流体的温度均不沿管长变化温差。两者的温度差处处 相等。即：t=T-t ，流体的流动方向对t 也无影响。 积分得： 2变温传热时的平均温度差 变温传热时，若流体的相互流向不同，则对温度差的影响也 不相同，故应分别讨论。 逆流和并流时的平均温度差,由换热器的热量衡算微分式知 根据前述假定（1）和（2），由上式可得： 将T或t对Q作图,TQ或tQ都是直线关系,可分别表示为： T=mQ+k （1） 及 t=mQ+k （2） 两式相减，得 Q t也是直线关系，其斜率为 将总传热速率微分方程式代入上式得，,由假定（3)知K为常量，故积分上式， 得 则 此式是适用于整个换热器的总传热

35、速率方程式，是传热计算的基本方程式。其中：,讨论： (1)上式虽然是从逆流推导来的，但也适用于并流。 (2)习惯上将较大温差记为t2 ，较小温差记为t1 。 (3)当 时，可用算数平均值来代替对数平均温度差。 即： （误差小于4%，工程上允许） (4)当 时，则 (5)在流体的始、终温度相同的条件下，tm逆tm并 。在Q及K分别相同的条件下，采用逆流换热可以节省传热面积，故工业生产中多采用逆流操作。但并流的优点是：可以控制终点温度某值。,错流和折流时的平均温度差 错流： 折流： 对于错流和折流时的平均温度差的计算，应先按逆流计算对数平均温度差 ，再乘以考虑流动方向的校正系数。 温度校正系数,除

36、与R、P有关外，还与壳程流体的流动方式有关，计算时请查阅有关手册。 的值恒小于1，在列管式换热器的设计中规定其不能小于0.8，若低于此值，则需增加壳方程数，使传热过程接近于逆流操作。 的假定条件： （1）壳程任一截面上流体温度均匀一致。 （2）管方各程传热面积相等。 （3）总传热系数 K 和流体比热容 为常数。 （4）流体无相变化。 （5）换热器的热损失可以忽略不计。,4.4.4总传热速率方程的应用 从传热速率方程=KATm可以得出总传热系数K、传 热面积A和平均温度差Tm 。 1. 传热面积的计算 （1）总传热系数K为常数 （2）总传热系数K为变数（ K 随温度呈线性变化）,2.实验测定总传

37、热系数K 对现有的换热器，通过实验测定有关的 数据，如流体的流量和温度等，然后由 可求得K. 3.换热器的操作型计算,4.4.5传热单元法 该法（-NTU法）广泛应用于换热器的“核算”、“热能回收利 用”及“换热器系统最优化”等方面。 1、传热效率 定义： =实际传递的能量Q/最大可能传递热量Qmax Q由热衡式求取：Q=Whcph（T1-T2）=Wccpc（t2-t1） 从式中可以看出：哪侧流体的“温变”值大，则该侧流体的“热 容量C”Wcp值就小。 由因热流体无论在那一种换热器中传热，其T2总t1，同理 t2总T1，可见，（T1-t1）是换热器中的最大温差。 用最大温差乘以小值热容量便可得

38、到Qmax： Qmax=（Wcp）min（T1-t1） 若热流体为最小值流体（Wcp）h,min： 若冷流体为最小值流体（Wcp）c,min：,2、传热单元数NTU 热量衡算微分式和传热速率微分式联立： dQ=-WhcphdT=Wccpcdt=K（T-t）dS 当冷流体为最小值流体时： 当热流体为最小值流体时：,4.5对流传热系数关联式,4.5.1 对流传热系数的影响因素 对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响的主要因素是： 1.流体的种类和相变化情况 气体无相变 2.流体的物性 对影响较大的流体物性有导热系数、粘度、比热Cp、密度

39、及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地： 、Cp 、 、 ,3.流体的温度 流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差t，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。 4.流体的流动状态 流体 呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低， 增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故较湍流时小。即： 滞流 湍流,5.流体流动的原因 自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。 强制对流：由于外力的作用，迫

40、使流体流动。 自然对流 强制对流 6.传热面的形状、位置和大小 传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响，从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同，在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响，一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据，称为定性尺寸。,4.5.2对流传热过程的量纲分析 由于影响对流传热系数的因素众多而复杂，因此 不可能用一个通式来描述，为此首先进行理论分 析，将众多的影响因素组合成若干无量纲数群 (准数)，然后用实验的方法确定这些准数间关 系，从而建立相

41、应的关联式 。 本节采用白金汉法处理对流传热问题，适用于变 量较多的情况。,1流体无相变时的强制对流传热过程 步骤： （1）列出影响该过程的物理量 据理论分析及实验研究，知影响h的因素有：特征尺寸l，流体的密度，粘度，比热Cp，导热系数，流速u，可将其表示为： f(l, ，Cp，u) （2）确定准数数目 定理：任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函数的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0 其中：i=j-m i无量纲准数的数目 j变量数 m基本量纲数(长度L、质量M、时间、温度T) i=7-4=3 有三个准数,（3）确定各准数的形式 1)列出各物理量的量纲 2)选择m(即4)个共同

42、物理量 选择时遵循的原则： 不能包括待求的物理量如不能选 不能同时选用量纲相同的物理量如不能选d,l 选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本量纲如不能选l,u,，因为不包括量纲T 据此，选择l, ,u为3个无量纲准数的共同物理量 3)量纲分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无量纲数群，即,（4）确定具体的准数关联式 通过实验进一步确定出具体的准数关联式 2自然对流传热过程 自然对流中，引起流动的原因是单位体积流体的升力， 大小为gt，其它因素与强制对流相同，故一般函 数表达式为： f(l, ，Cp， ， gt) 方法同前，可得： 通过实验进一步确定出具体的准数关联式,各准数的名称、符合

43、、意义如下：,3 应用准数关联式应注意的问题 对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题： （1）应用范围 关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。 （2）定性温度 各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法： 取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度 取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度 取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度 壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法 （3）特征尺寸 无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流

44、动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,4.5.3 流体无相变时的对流传热系数 1 流体在管内作强制对流 1）流体在圆形管内作强制湍流 (1)低粘度流体(210-3Pas的气体及大部分液体),(2)高粘度流体,2）流体在圆形直管内强制滞流,3）流体在圆形直管内呈过渡流 当流体在管内呈过渡状态流动时，即2300Re10000，其传热情况比较复杂。通常先按湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一小于1的修正系数，即： 4）流体在圆形弯管内强制对流 流体流过弯管时，将受到离心力的作用，致使湍动程度加大。在同样Re数下，对流传热系数较直管中为大，因此先按直管计算，然后再乘以一大于1的校正系数，即：

45、其中：弯管中的对流传热系数，W/(m2) 直管中的对流传热系数，W/(m2) r弯管轴的弯曲半径，m 5） 流体在非圆形管中强制对流 流体在非圆形管中呈强制湍流、过渡流以及层流时，仍可应用上述相应的关联式进行计算，只将管子内径di用当量直径de代替即可。,准数关联式计算示例,例 列管换热器由254根252.5mm，长6m的钢管组成，用饱和水蒸汽加热管内流动的苯，苯的流量为50kg/s，进出口温度分别为20和80，试求管内苯的对流传热系数。若将苯的流量增加50%，而仍维持原来的出口温度，对流传热系数将如何变化。 解：定性温度t=(20+80)/2=50，查得苯的物性数据： =860kg/m3，c

46、P=1.80kJ/kg， =0.4510-3Pas， =0.14W/m,2 流体在管外强制对流 1）流体在管束外强制垂直流动 管束的排列方式有直列和错列两 种，错列中又有正方形和等边三 角形两种。,直列,正方形错列,等边三角形错列,2）流体在换热器的管间流动 当流体流过换热器管间时，由于壳体是圆筒，管束中各列的管数不等，且一般都安装有折流挡板，故流体在换热器壳程流动时，流向和流速的不断变化，使得Re100时即可能形成湍流，对流传热系数加大。折流挡板的形式较多，最常用的是圆缺形挡板。,(1)换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为25%的壳体内截面)时 ，壳程流体的h关联式 多诺呼法,凯恩法 (2)无

47、折流挡板 按管内强制对流公式计算，将di用管间当量直径de代替即可。,3自然对流时对流传热系数关联式 自然对流时的对流传热系数仅与反映流体自然对流状况的 Gr准数及Pr准数，其准数关联式可表示为： Nu(rPr)n 定性温度取膜温，即壁温与流体平均温度的算术平均值。 式中的系数C和指数n值,准数关联式计算示例,例 一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度 为120，周围空气温度为20，计算该管段由于自然对流 散失的热量。 解：定性温度：t(120+20)/270 70下空气物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/

48、K， Pr0.694,4.5.4 流体有相变时的对流传热系数 蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这 类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热， 但流体温度基本不变。因此在壁面附近流体层中的温度梯 度较高，从而对流传热系数比无相变时的更大。 1 蒸汽冷凝 当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，将放出潜 热，冷凝成液体而使另一侧的流体被加热。因此生产上常 将蒸汽冷凝作为一种加热的方式，其优点是：(1)饱和蒸汽 具有恒定的温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝的对流传 热系数较无相变时大得多。这是因为蒸汽在壁面上冷凝的 同时，蒸汽将迅速流到壁面补充空位，汽相主体与壁面间 温差极

49、小，因此饱和蒸汽冷凝时汽相中几乎无温差存在， 致使液膜中温度梯度极大。,1）蒸汽冷凝方式 蒸气冷凝时，根据其冷凝液是否能够润湿壁面分成两种方式： (1)膜状冷凝：若冷凝液能够完全润湿壁面，则将在壁面上形成一层连续的液膜，并向下流动。壁面完全被冷凝液所覆盖，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，与壁面不进行直接接触，冷凝潜热只能以导热和对流的方式通过液膜传给壁面。 因蒸汽冷凝时有相的变化，一般热阻很小，故冷凝液膜就成为冷凝的主要热阻。 若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高或对片水平放置的管径越大，则整个壁面的平均对流传热系数也越小。 冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张

50、力和对壁面附着力的关系，当附着力大于表面张力时则会形成膜状冷凝。,(2)滴状冷凝 若冷凝液不能够润湿壁面，则由于表 面张力的作用，在壁面上形成液滴，液 滴长大到一定程度后而脱落壁面，这种 形式称为滴状冷凝。此时壁面常有大部 分裸露的冷表面直接和蒸汽接触，由于 没有液膜阻碍热流，所以其热阻很小， 因而对流传热系数要比膜状冷凝高出5 10倍。 滴状冷凝虽然比膜状冷凝传热效果 好，但在工业上很难实现，因此生产中 大多为膜状冷凝。,2）膜状冷凝对流传热系数 冷凝液膜的流动也可分为滞流和湍流两种流型，判断流型 也可用Re，而Re常常表示为冷凝负荷M的函数，即： Re=f(M)。 冷凝负荷M：单位时间单位

51、长度润湿周边上流过的冷凝液 量，kg/(ms) 设液膜流通截面积为A m2，润湿周边长为b m,冷凝液质量 流量为W kg/s，则： (1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝,(2)蒸汽在垂直管外(或板上)冷凝,计算步骤(试差法) 假设一种流型 选择公式计算h 计算热负荷q=hoSo(ts-tw),计算质量流量W=q/r 计算冷凝负荷M=W/b 计算Re并校核,3）影响冷凝传热的因素 液膜两侧的温度差：t，q， 流体的物性：传热冷凝液的密度越大，粘度越小，则 液膜的厚度越小，因而冷凝对流传热系数越大。导 热系数大也有利于传热，冷凝潜热大，则在同样的热 负荷下冷凝液减少，液膜变薄，增大 蒸汽的流速和流

52、向：当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜 间的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同， 这种作用将使液膜减薄并促使其产生一定波动，因而 使增大。若逆向流动，这种作用会阻碍液膜流动， 使其增厚导致传热恶化。但当这种作用超过重力作用 时液膜会被蒸汽带动而脱离壁面，反而使急剧增大。,不凝性气体的影响：蒸汽冷凝时不凝性气体将在 液膜表面形成一层气体膜，由于其导热系数很 小，使热阻增大，大为降低。当蒸汽中不凝性 气体含量为1%时，可使冷凝时降低60%左右。 因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑不凝 气的排除。 冷凝壁面的影响： 冷凝液膜为膜状冷凝的主要热 阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键，最直接 的方法是

53、从冷凝壁的高度和布置方式上着手。对 水平放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上管 排的数目，或采用斜转排列方式，使冷凝液尽量 沿管子的切向流过。在垂直壁面上，开若干纵向 凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以减薄壁面上液膜 的厚度等方法均可使冷疑时对流传热系数提高。,2 液体的沸腾 液体与高温壁面接触时被加热，并产生大量气泡变为蒸 汽的过程称为液体沸腾。这种传热方式由于在加热面上 不断经历着汽泡的形成、长大和脱离的过程，造成对壁 面处流体的强烈扰动，因而对流传热系数要比无相变时 大。化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等，都是 通过液体沸腾而产生蒸汽。 液体在加热表面上沸腾时，按其沸腾所处的空间可分为 大

54、容器沸腾和管内沸腾。大容器沸腾是指加热面被沉浸 在无宏观流动的液体表面下所产生的沸腾，这种情况下 汽泡脱离表面后能自由浮升，液体的运动只是由自然对 流和气泡扰动引起。当液体以一定流速在加热管内流动 时的沸腾称为管内沸腾，此时产生的汽泡不能自由浮 升，被迫与液体一起流动，也称为强制对流沸腾。 下面主要讨论大容器沸腾。,D,E,F,膜状沸腾,1）液体沸腾曲线 (1)AB段 当t5时，h随t缓慢增大，此时紧贴加热面液体的过热度很低，不足以产生汽泡，传热依靠自然对流进行，液体中无汽泡产生，只在液体表面上发生蒸发，此段h、q都较低，该段称为自然对流阶段。,(3)CD段 随汽泡增多，加热面被蒸汽膜覆盖区域

55、增加，直接与液体相接触的加热面不断减少，h开始不断下降，直到整个加热面被蒸汽膜覆盖为止。因蒸汽的导热性差，所以气膜的附加热阻使h、q急剧下降。气膜开始形成是不稳定的，可能形成大气泡脱离表面。CD段称为不稳定膜状沸腾阶段。,(4)DEF段 t的进一步增大，加热面上形成一层稳定的汽膜，将液体和加热面完全隔开。继续加大t会使壁温愈来愈高，辐射传热的作用不断增强，故h随t增大而增大。该阶段的沸腾称为稳定的膜状沸腾阶段。,显然各个阶段具有不同的传热机理，在BC段由于h大且壁温低，故工业设备常维持在泡状沸腾下操作。若温度过高超过临界点温度，除h下降外还可能导致设备的烧毁。,2）沸腾传热系数的计算 (1)莫

56、斯听斯基(Mostinski)经验式：,(2)准数关联式,3）影响沸腾传热的因素 (1)液体物性 液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有影响。一般随、的增大、和的减少而增大。 (2)温度差t 温差ttw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区：a(t)n。式中a和n是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般n23。 (3)操作压强 提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脱离，使沸腾传热增强，在同样的t下能得到更高的。 (4)加热壁面 加热面的材料不同，光洁度不同，则形成汽化核心的条件不同，对沸腾传热有显著影响。通常新的

57、清洁加热面较高，当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。此外加热面的布置对沸腾传热也有明显影响，如在水平管束外沸腾时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致管的平均下降,4.6 辐射传热,热辐射是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备与周围环境的热量交换等均与辐射传热有关。本节介绍热辐射的基本概念和基本定律，以及辐射传热的简单计算。,4.6.1 基本概念和定律 1 热辐射 物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂激动，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播

58、。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。 电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光(0.40.8m)和红外线(0.820m)两部分，即波长在0.420m之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线(波长为0.40.8m)的热效应。理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。 ,2 热辐射对物体的作用 热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光 的反射和折射定律，在均一介质中直线

59、传播，在真空和有些气体中 可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设 投在某物体上的总辐射能为Q，则有一部分能量QA被吸收，一部分 能量QR被反射，其余部分能量QD穿透过物体，如图。根据能量守 恒定律有： QAQRQDQ,3 黑体、镜体、透热体和灰体 黑体(绝对黑体)：能全部吸收辐射能的物体，即A1 的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无 光泽的黑漆表面，A0.960.98，比较接近于黑体。 引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最 大，也具有最大的辐射能力。 镜体(绝对白体)：能全部反射辐射能的物体，即R1 的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表 面磨光的铜，R0.97，接近于白体。 透热体：能全部透过辐射能的物体，即D1的物体。 单原子和对称双原子构成的气体(H2、N2、O2和He等) 一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能 有选择地吸收和