化工原理第四章讲稿.ppt

1、2020/8/6,第四章 传热,一、传热在化工中的应用 二、热源和冷源 三、传热的三种基本方式 四、两种流体热交换的基本方式 五、典型的间壁式换热器及其传热过程 六、传热速率与热通量,第一节 概述,2020/8/6,一、传热在化工生产中的应用,传热：就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的 一种传递过程 。 1、化工与传热 1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,2020/8/6,2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。

2、3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。 4）对于废热也需合理的利用与回收。 2、化工生产中传热过程的两种情况 1）强化传热：各种换热设备中的传热。 2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失,2020/8/6,二、热源和冷源,1、热源 1）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 。 2）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。,2020/8/6,3）烟道气 烟道气

3、的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。 4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。 2、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。,2020/8/6,三、传热的三种基本方式,1、热传导 热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。 微观机理因物态而异,2020/8/6,2、热对流 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。,强制对流,自然对流,用机械能（泵、

4、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。,由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热,2020/8/6,3、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。 辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。 辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。,2020/8/6,四、两种流体热交换的基本方式,1、直接接触式传热 直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。 2、蓄热式换热 蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的

5、通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,3、间壁式换热 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。 传热过程可分为三步： 热流体将热量传给固体壁面（对流传热） 热量从壁的热侧传到冷侧（热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热） 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。,2020/8/6,五、典型的间壁式换热器及其传热过程,1、套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一

6、种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。 2、列管式换热器 列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,一种流体由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间分配至各管内（称为管程）。通过管束后，从另一端封头的出口流出换热器。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过（称为壳程），从壳体的另一端接管流出。壳体内往往安装若干块与管束相垂直的折流挡板。 流体在管束内只通过一次，称为单程列管式换热器。 若在换热器封头内设置隔板，将管束的全部管子平均分隔成若干组

7、，流体每次只通过一组管子，然后折回进入另一组管子，如此往复多次，最后从封头接管流出换热器。这种换热器称为多管程列管式换热器。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,列管式换热器的换热面积为管束管壁的全部表面积。,d管径可分别用管内径di,管外径d0或平均直径dm来表示。则对应的传热面积分别为管内侧面积Si，外侧面积S0或平均面积Sm,2020/8/6,六、传热速率与热通量,传热速率（热流量 ）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为w。 热通量（又称为热流密度或传热速度）q 单位传热面积的传热速率。单位为w/m2 传热速率与热通量的关系为,传热温差以T表示，热阻通常以R或r表示,

8、2020/8/6,第四章 传热,一、基本概念和傅立叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳定热传导 四、圆筒壁的稳定热传导,第二节 热传导,2020/8/6,一、基本概念和傅立叶定律,1、温度场和等温面 温度场,物体或系统内部的各点温度分布的总和,温度场的数学表达式为,稳定温度场,不稳定温度场,温度场中各点的温度随时间而改变,温度场中各点的温度不随时间而改变,等温面：,温度场中温度相同的点组成的面,2020/8/6,2、温度梯度 温度梯度 ：,等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示 。,温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向。 对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为 ：,3、傅里叶定律,2

9、020/8/6,比例系数， 称为导热系数。w/mk 负号表示热流方向与 温度梯度方向相反。,傅立叶定律,2020/8/6,二、导热系数,1、导热系数的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ， 是物质的物理性质之一 。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。,2020/8/6,2、固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，一般为负值 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大， 一般为正值。,3、液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系

10、数随温度的升高而略有减小，纯液体的,2020/8/6,3、气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。,导热系数比溶液的导热系数大。,2020/8/6,三、通过平壁的稳定热传导,1、单层平壁的稳定热传导,边界条件为： x=0时，t=t1 x=b时，t=t2,2020/8/6,R导热热阻，K/W ； r单位面积的导热热阻 。 传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大,2

11、020/8/6,2、多层平壁的稳定热传导,2020/8/6,推广到n层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。,2020/8/6,四、圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的热传导,仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：,2020/8/6,分离变量积分：,圆筒壁的导热热阻,这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式,2020/8/6,圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2,当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值,2020/8/6,2、多层圆筒壁的热传导,与多层平壁的稳

12、定热传导计算类似，可导出：,2020/8/6,第四章 传热,一、对流传热分析 二、壁面和流体的对流传热速率 三、对流传热系数的影响因素 四、对流传热过程的因次分析 五、流体无相变时的对流传热系数 六、流体有相变时的对流传热系数,第三节 对流传热,2020/8/6,一、对流传热的分析,流体沿固体 壁面的流动,滞流内层,缓冲层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，各处的温度基本相同。,2020/8/6,对流传

13、热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,2020/8/6,二、壁面和流体间的对流传热速率,1、对流传热速率表达式,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,推动力：壁面和流体间的温度差 阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。 热流体与壁面间的对流传热速率方程可以表示为：,牛顿冷却定律,2020/8/6,在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：,2、对流传热系数 对流传热系数a定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率

14、。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。,2020/8/6,三、对流传热系数的影响因素,1、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性 1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度,2020/8/6,cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 （4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。 3、流体的温度 4、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。,2020/8

15、/6,5、流体流动的原因,强制对流：,自然对流：,由于外力的作用,由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移 单位体积的流体所受的浮力为：,6、传热面的性状、大小和位置,2020/8/6,四、因次分析法在对流传热中的应用,1、流体无相变时的强制对流传热过程 列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,确定无因次准数的数目,2020/8/6,确定准数的形式 (1)列出物理量的因次,物理量因次,物理量,(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量 不能包括待求的物理量 不能同时选用因次相同的物理量 选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。,2020/8/

16、6,选择L、u作为三个无因次准数的共同物理量 (3)因次分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数,对1而言，实际因次为：,2020/8/6,流体无相变时强制对流时的准数关系式,2020/8/6,2、自然对流传热过程,包括7个变量，涉及4个基本因次，,自然对流传热准数关系式,2020/8/6,准数的符号和意义,准数名称,努塞尔特准数 （Nusselt）,Nu,雷诺准数 （Reynolds）,Re,普兰特准数 （Prandtl）,Pr,格拉斯霍夫准数 （Grashof）,Gr,2020/8/6,3、应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：

17、Nu，Re数中L应如何选定。 3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。,2020/8/6,五、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）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,2020/8/6,管长与管径比,将计算所得的乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu、Re等准数中的L取为管内径di。,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b) 高粘度的液体,为考虑热流体方向的校正项。,2020/8/6,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进

18、、出口温度的算术平均值。,2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时,2020/8/6,应用范围：,定性尺寸：,管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,按上式计算出后，再乘以一校正因子,2020/8/6,3）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。,4）流体在弯管内作强制对流,2020/8/6,5）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径

19、de。 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：,应用范围：,Re=12000220000，d0/di=1.6517,定性尺寸：,当量直径de,定性温度：,流体进出口温度的算术平均值。,2020/8/6,2、流体在管外强制对流,2020/8/6,2020/8/6,1）流体在管束外强制垂直流动,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数,流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数,应用范围：,特征尺寸：,管外径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在（x1-do）和2（t-do）两者中取小者

20、。,注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。,2020/8/6,2）流体在换热器的管间流动,当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时， 壳方的对流传热系数关联式为： a)多诺呼(Donohue)法,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,应用范围：,Re=32104,定性尺寸：,管外径do，流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,b) 凯恩（Kern）法,2020/8/6,应用范围：,Re=2103106,定性尺寸：,当量直径de。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均

21、值。,当量直径可根据管子排列的情况分别用不同式子进行计算：,2020/8/6,管子呈正方形排列时：,管子呈三角形排列时：,管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算,注：t为相邻两管之中心距，d0为管外径， h为两党板间的距离，D为换热器的外壳内径,2020/8/6,3、自然对流,对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在表4-5中。,定性温度 ：,壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。,2020/8/6,4、提高对流传热系数的途径,1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流

22、流动。 2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数,2020/8/6,与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。 3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况,对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比,2020/8/6,设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。 5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加

23、流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。,2020/8/6,六、流体有相变时的对流传热系数,1、蒸汽冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜,b)滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下,2020/8/6,2020/8/6,2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行

24、的热传导。,2020/8/6,修正后,定性尺寸：,H取垂直管或板的高度。,定性温度：,蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。,应用范围：,2020/8/6,若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：,若膜层为湍流（Re1800）时,滞流时，Re值增加，减小； 湍流时，Re值增加，增大；,2020/8/6,2020/8/6,b) 蒸汽在水平管外冷凝,c)蒸汽在水平管束外冷凝,2020/8/6,3）影响冷凝传热的因素 a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。 b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝

25、潜热，都影响冷凝传热系数。 c) 蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大； 蒸汽和液膜逆向流动， 减小，摩擦力超过液膜重力时， 液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；,2020/8/6,d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。 e)冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。 例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。,2020

26、/8/6,2020/8/6,2、液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,1）沸腾曲线,当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。 当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度随t上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。,2020/8/6,核状沸腾,膜状沸腾,自然沸腾,2020/8/6,当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。 当t再增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。 由

27、核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。 临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。,2020/8/6,3）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。,b）温度差t的影响,c) 操作压强的影响 提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。,2020/8/6,d) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降。 壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。 加热

28、面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。,2020/8/6,第四章 传热,一、热量衡算 二、总传热速率微分方程三、总传热系数 四、平均温度差 五、壁温的计算,第四节 传热计算,2020/8/6,传热计算,设计计算,校核计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量恒算,2020/8/6,一、热量衡算,热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系 对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体

29、放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,换热器的热量衡算式,应用：计算换热器的传热量 若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时,2020/8/6,若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。,若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器,2020/8/6,二、总传热速率方程,通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：,总传热速率微分方程 or 传热基本方程,K局部总传热系数，（w/m2） 物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。,2020/8/6,当取t和k为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，

30、传热基本方程式可写成：,或,K换热器的平均传热系数，w/m2K,总传热热阻,注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。,2020/8/6,传热基本方程可分别表示为：,式中： Ki、Ko、Km分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，w/m2K Ai、Ao、Am换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，m2。 注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标“o”,2020/8/6,三、总传热系数,1、总传热系数K的来源 生产实际的经验数据 实验测定 分析计算 2、传热系数K的计算 流体通过管壁的传热包括： 1) 热流体在流动过程中

31、把热量传递给管壁的对流传热,2020/8/6,2) 通过管壁的热传导,3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热,间壁换热器总传热速率为：,2020/8/6,利用串联热阻叠加原则：,若以外表面为基准,2020/8/6,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,2020/8/6,3、污垢热阻 在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。 若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，根据串联热阻叠加原则，,2020/8/6,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。 提高K值，关键在于

32、提高对流传热系数较小一侧的。 两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K值。 污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,2020/8/6,例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2K，管内的2= 50W/m2K 。 （1）试求传热系数K； （2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率； （3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。,2020/8/6,解： （1）求以外表面积为基准时的传热系数 取钢管的导热系数=45W/mK， 冷却水测的污垢热阻Rs1=0.58

33、10-3 m2K/W CO2侧污垢热阻Rs2=0.510-3 m2K/W 则：,2020/8/6,(2)1增大一倍，即1 =5000W/m2K时的传热系数K,2020/8/6,K值增加的百分率,（3）2增大一倍，即2 =100W/m2K时的传热系数,K值增加的百分率,2020/8/6,四、传热的平均温度差,恒温差传热：,变温差传热：,传热温度差不随位置而变的传热,传热温度差随位置而改变的传热,传热,流动形式,并流 ：,逆流 ：,错流 ：,折流 ：,两流体平行而同向的流动,两流体平行而反向的流动,两流体垂直交叉的流动,一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流,2020/8/6,1、逆流和并流时

34、的传热温差,假定：,（1）换热器在稳定情况下操作； （2）流体的比热容均为常量，且传热系数k沿换热面而不变； （3）换热器无热损失,以逆流为例，推导平均温差,2020/8/6,微元面积dA的传热情况 两流体的温差为t,通过微元面dA的传热量为 ：,2020/8/6,将（c）、(d)代入(e)式,2020/8/6,联立(b)和(f)得：,积分 ：,即：,2020/8/6,将（g）式代入,对数平均温度差,2020/8/6,若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。 注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差t中数值大的写成t2，小的写成t1,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器

35、中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,2020/8/6,解 ：,逆流时：,热流体：,冷流体：,并流时：,热流体 ：,冷流体 ：,2020/8/6,可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。 2、错流和折流时的平均温度差 错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。 先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数t，得到实际平均温度差tm。,2020/8/6,错流和折流时的平均温度差,其中,计算P,R的值后,可查图得到t的值,2020/8/6,例：通过一单壳

36、程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少? 解：,逆流时,2020/8/6,又冷却水终温提到350C， 逆流时：,2020/8/6,查图得：,3不同流动型式的比较 (1) 在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。,2020/8/6,(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量

37、。 所以，换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。 在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。 当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。,2020/8/6,(3)采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小，温度修正系数t是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时最好使t 0.9，至少不能使t 0.8。否则应另选其他流动型式，以提高 t 。,2020/8/6,五、壁温的计算,已知

38、：管内、外流体的平均温度T、t，忽略管壁热阻 求：壁温tW 方法：试差法 步骤：,假设tW,求管内、外的i、0,核算tW,2020/8/6,例：在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和135；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2 )及1100 W/(m2 )。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005 (m2 ) /W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。 解：,2020/8/6,结果表明：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度 即接近于值大的那个流体的温度。,2020/8/6,第四章 传热,一、基本概念和定律 二、两固体

39、间的辐射传热,第五节 辐射传热,2020/8/6,一、基本概念和定律,1、热辐射 热辐射 ：,物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射,辐射传热 ：,不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程,2、热射线 热射线 ：,可见光线和红外光线统称为热射线 服从反射定律和折射定律 能在均一介质中作直线传播,在真空和大多数的气体（惰性气体和对称的双原子气体）中热射线可以完全透过,2020/8/6,3、热辐射对物体的作用,A=QA/Q,物体的吸收率,R=QR/Q,物体的反射率,D=QD/Q,物体的透过率,2020/8/6,4、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A=1的物体

40、,镜体（绝对白体）：,能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体,透热体 ：,能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体,灰体 ：,能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,灰体的特点： 它的吸收率A不随辐射线的波长而变。 它不是透热体，即A+R=1,D=0。,2020/8/6,5、物体的发射能力-斯帝芬-波尔茨曼定律,物体发射能力：,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：W/m2。,单色辐射能力：,单位表面积、单位时间内的发射某一特定波长的能力。,2020/8/6,绝对黑体的单色发射能力E0随波长的变化的规律 ：,2020/8/6,当=0时，单色发射能

41、力E0均等于零； 波长增加时，单色发射能力也随之增加，达到一最高值后 ，E0又随的增加而减小； =时，又回到零。,黑体的发射能力,斯蒂芬-波尔茨曼定律,2020/8/6,黑体的发射常数或斯蒂芬-波尔茨曼常数,黑体的发射系数,绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。 灰体的发射能力E ：,C：灰体的发射系数，取决于物体性质、表面情况和温度。,2020/8/6,黑度（发射率）：,同一温度下，灰体的发射能力与黑体发射能力的比值,6、克希霍夫定律,克希霍夫定律,2020/8/6,一切物体的发射能力与其吸收率得比值均相等，且等于同温度下的绝对黑体的发射能力，其值只与温度有关。,在同一温度下，物体的吸

42、收率和黑度在数值上相等。 表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数 A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数,2020/8/6,二、两固体间的相互辐射,1、 两无限大平行灰体壁面之间的相互辐射 从壁面1辐射和反射的能量之和E1,2020/8/6,2020/8/6,同理，从壁面2辐射和反射的能量之和E2,2020/8/6,2020/8/6,C1-2总发射系数,2020/8/6,在面积均为A相距很小的平行面间的辐射传热速率为：,当两平行壁面间距离与表面积相比不是很小时 ，辐射传热速率应写为：,2020/8/6,C1-2：物体1对物体2的总发射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。,：几何因子或角度

43、系数，表示从辐射面积A所发射出的能量为另一物体表面所拦截的分数。数值与两表面的形状、大小、相互位置以及距离有关。,2020/8/6,第四章 传热,一、换热器的类型 二、列管式换热器的基本型式 三、新型换热器 四、各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径,第六节 换热器,2020/8/6,一、换热器的类型,根据传热原理和 实现热交换的方法,间壁式,混合式,蓄热式,换热面的型式,管式,板式,翅片式,2020/8/6,1、管式换热器 1）沉浸式换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如

44、图所示。 优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造 缺点 ：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2）喷淋式换热器 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,202

45、0/8/6,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。其缺点是喷淋不易均匀。 3）套管式换热器 套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度约为46m，若管子过长，管中间会向下弯曲。 在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,适当选择两管的管径，两流体均可得到较高的流速，且两流体可以为逆流，对传热有利。另外，套管式换热器构造较简单，能耐高压，传热面积可根据需

46、要增减，应用方便 缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。因此它较适用于流量不大，所需传热面积不多而要求压强较高的场合。 4）列管式换热器 优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性,2020/8/6,较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。 在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，管束和壳体的温度也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温差较大，就可能由于热应力而引起设备变形，管子弯曲，甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温差超过50时，就应采用热补偿的措施。根据热补偿方法的不同，列

47、管式换热器分为以下几种主要形式： （1）固定管板式,2020/8/6,固定管板式的两端管板和壳体制成一体。因此它具有结构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修困难，要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种补偿方法简单，但不宜应用两流体温差过大（应不大于70）和壳程流体压强过高的场合。,2020/8/6,2020/8/6,（2）浮头式换热器 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了

48、热应力的影响，且由于固定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。 （3）U型管式换热器 U型管式换热器每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头用隔板分成两室。这样，每根管子,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,可以自由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮头式简单，重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。 2、板式换热器 1）夹套式换热器 夹套式换热器式最简单的板式换热器，它是在容器外壁安装夹套制成，夹套与容器之间形成的空间为加

49、热介质或冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热,2020/8/6,2020/8/6,或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。 夹套式换热器结构简单，但其加热面受容器的限制，且传热系数也不高。为提高传热系数，可在器内安装搅拌器，为补充传热面的不足，也可在器内安装蛇管。 2）螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央,2020/8/6,设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖

50、板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。 螺旋板式换热器的优点： 1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在较低的雷诺数（一般Re=14001800或更低些）下即达到湍流，并且允许选用较高的流速（对液体为2m/s，气体为20m/s），故传热系数较高。如水对水的换热，其传热系数可达20003000W/（m2.K），而列管式换热器一般为10002000 W/（m2.K）。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2）不易结垢和堵塞：由于流体的速度较高，又有惯性离

51、心力的作用，流体中悬浮的颗粒被抛向螺旋形通道的外缘而受到流体本身的冲刷，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，适合处理悬浮液及粘度较大的介质。 3）能利用温度较低的热源：由于流体流动的流道较长和两流体可进行完全逆流，故可在较小的温差下操作，能充分利用温度较低的热源。 4）结构紧凑：单位体积的传热面积为列管式的3倍，可节约金属材料。,2020/8/6,螺旋板换热器的主要缺点是： （1）操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过2Mpa，温度不超过300400。 （2）不易检修：因整个换热器被焊成一体，一旦损坏，修理很困难。 3）平板式换热器 平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平行排

52、列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片,2020/8/6,的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放置垫片而阻止流体进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在相邻板上是错开的以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.53mm，通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/

53、6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,2020/8/6,平板式换热器的优点是： 1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200左右）下即达到湍流。而且板片厚度又小，故传热系数大。例如水对水的传热系数可达15004700W/（m2.）。 2）结构紧凑：一般板间距为46mm，单位体积设备可提供的传热面为2501000m2/m3（列管式换热器只有40150 m2/m3）。平板式换热器的金属消耗量可减少一半以上。,2020/8/6,3）具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。操

54、作灵活性大，检修、清洗也都比较方便。 平板式换热器的主要缺点是允许的操作压强和温度都比较低。通常操作压强低于1.5Mpa，最高不超过2.0Mpa，压强过高容易泄露。操作温度受垫片材料的耐热性限制，一般不超过250。另外由于两板的间距仅几毫米，流通面积较小，流速又不大，处理量较小。 螺旋板式换热器和平板式换热器都具有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大的特点，都属于新型的高效紧凑式换热器。这类换热器一般都不耐高温高压，但对于压强较低，温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场合，则显示出更大的优越性，目前已广泛应用于食品、轻工和化学等工业。,2020/8/6,3、翅片式换热器 1） 翅片管换热器 翅片管换

55、热器是在管的表面加装翅片制成，翅片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有热套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此外，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造。 当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。,2020/8/6,例如用水蒸气加热空气，该过程的主要热阻是空气侧对流传热热阻。在空气侧加装翅片，可以起到强化换热器传热的效果。当然，加装翅片会使设备费提高，但一般，当两种流体的对流传热系数之比超过3：1，采用翅片管换热器经济上是合算的。近年来用翅片管制成的空气冷却器（简称空冷器）在化工中应用很广。用空冷代替水

56、冷，不仅在缺水地区适用，而且在水源充足的地方，采用空冷也可取得较大的经济效果。,2020/8/6,2020/8/6,2)板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器，过去由于制造成本较高，仅用于宇航、电子、原子能等少数部门。现在已逐渐用于石油化工及其它工业部门，取得良好效果。 板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板之间，加入波纹状或其它形状的金属翅片，将两侧面封死，即成为一个换热基本元件。将各基本元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可,2020/8/6,制成并流、逆流或错流的板束（或称芯部），然后再将带由流体进出口的接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。我国目前常用的翅片形式有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种 板翅式换热器的优点是：结构高度紧密、轻巧、单位体积设备所提供的传热面一般能达到2500 m2/m3，最高可达4300 m2/m3。通常用铝合金制造，故重量轻，在相同的传热面下，其重量约为列管式的十分之一。由于翅片促进了流体的湍动并破坏了热边界层的发展，故其传热系数较高；另外,2020/8/6,铝合金不仅导热系数高，而且在零度