第四章-传热

null化 工 原 理 Unit Operations of Chemical Engineering　　　　　　　　　　　化 工 原 理 Unit Operations of Chemical Engineering　　　　　　　　　　　湖北师院　卢 莲 英　应用化工技术专业null第四章 传 热 Heat Transfer本章学习要求(12学时)本章学习要求(12学时)1、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及其相关参数的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及测定方法， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 计算与校核计算；强化传热的方法与途径。 2、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理，列管换热器的选型方法。 3、了解内容 工业换热器的类型、结构、操作原理。第四章 传热 ( Heat transfer )第四章 传热 ( Heat transfer )第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 传热计算 *第五节 辐射 第六节 换热器 第一节 概述第一节 概述一、传热过程的应用 二、热量传递的基本方式 三、工业换热器 四、传热速率和热负荷 五、稳态传热和非稳态传热 六、传热速率方程式主目录　一、传热过程的应用 一、传热过程的应用 传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递。由热力学第二定律可知，在有温度差存在时，热量会自发地从高温（热量多）处传递到低温（热量少）（？）处。 主目录　次目录　1、化学反应过程－－加热与冷却 1、化学反应过程－－加热与冷却 众所周知，化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为470～520℃；氨氧化法制备硝酸过程的反应温度为800℃等等。 为了达到要求的反应温度，必先对原料进行加热；而这两个过程的反应又都是可逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。主目录　次目录　2、为物理单元操作创造必要的条件2、为物理单元操作创造必要的条件对某些单元操作过程（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）往往需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。 如蒸馏操作中，为使塔釜内的液体不断气化，就需要向塔釜内的液体输入热量，同时，为了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品，就需要从塔顶蒸气中移出热量。 主目录　次目录　3、提高热能的综合利用和余热的回收3、提高热能的综合利用和余热的回收仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。　 此外设备与管路的保温等。 因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。主目录　次目录　null化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况： 一、强化传热，即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。 二、削弱传热，也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢，以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。 主目录　次目录　二、热量传递的基本方式 二、热量传递的基本方式 （一）热传导 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。 很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。 热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。 主目录　次目录　（二）热对流（二）热对流热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不同，又可分为强制对流和自然对流。 若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。如传热过程因泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。 若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。主目录　次目录　（三）热辐射（三）热辐射热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。 根据赫尔－波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。 主目录　次目录　null 物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。 1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体 2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。 3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。主目录　次目录　三、工业换热器三、工业换热器1、混合式换热器图4-1 主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类型。 典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。主目录　次目录　2、间壁式换热器 2、间壁式换热器 主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。 优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。 缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。 典型设备：列管式换热器、套管式换热器。 适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。主目录　次目录　3、中间载热体式换热器 3、中间载热体式换热器 中间载热体式换热器，又称热媒式换热器图4-3。 换热原理：将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体。 此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等均属此类。主目录　次目录　null主目录　次目录　四、传热速率和热通量四、传热速率和热通量1 、传热速率Q(rate of heat transfer)（热流量rate of heat flow） 指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W； q=Q/A 2 、热通量q (heat flux)或热流密度(density of heat flow rate) 指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。 主目录　次目录　五、稳态传热与非稳态传热五、稳态传热与非稳态传热稳态传热(steady-state heat transfer) （又称定态传热）。特点是传热速率为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。 不稳态传热（又称非定态传热）。传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化。 两流体通过间壁的传热过程－－对流、导热、对流 主目录　次目录　六、传热速率方程式 六、传热速率方程式 Q=KA △tm=推动力/热阻 K----总传热系数(overall heat transfer coefficient)，W/m2.K。其大小决定于两流体的流动型态，流体性质，设备尺寸大小。 △tm---推动力，冷热流体的平均温差。 应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径 主目录　次目录　第二节 热传导第二节 热传导一、傅立叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳态热传导 四、圆筒壁的稳态热传导主目录　一、傅立叶定律 一、傅立叶定律 （一）导热的分类 1、温度场(temperature field)--导热体内部在空间和时间上的温度分布 若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为： t = f (x, y, z, θ) 主目录　次目录　null式中 t——温度，℃； x、y、z——任一点的空间坐标； θ——时间，s。 显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。 例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随时间变化，其导热速率也随时间变化。 2、温度梯度(temperature gradient) －－温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。 主目录　次目录　null若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：t = f (x, y, z) 稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。 当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为： t = f (x)主目录　次目录　（二）傅立叶定律（二）傅立叶定律傅立叶定律表明了导热体的导热速率与导热方向上温度的变化率和垂直于导热方向的导热面积成正比。对一维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为 主目录　次目录　null上式中, 称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的方向，故需在右端加一负号。 若要将上式写成等式，则需引入一比例系数λ，即 式中 Q——导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或W； ——比例系数，称为导热系数，J/s∙m∙℃或W/m∙℃； A——导热面积，m2。 上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式，是一维稳定导热计算的基本公式。 主目录　次目录　二、导热系数 二、导热系数 其表明导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表征物质导热性能的一个物性参数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。 物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，而气体最小。主目录　次目录　1．气体的导热系数1．气体的导热系数与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对导热不利，但却有利于保温和绝热。工业上所使用的保温 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 （如玻璃棉等）就是因为其空隙中有大量静止的空气，所以其导热系数很小，适用于保温隔热。 气体的导热系数随着温度的升高而增大；这与温度升高后气体分子的热运动加剧，碰撞机会增多有关。而在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。 主目录　次目录　2．液体的导热系数2．液体的导热系数液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯纳具有较高的导热系数，大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低。 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与压强无关。 主目录　次目录　3．固体的导热系数 3．固体的导热系数 导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好的导电体必然是良好的导热体，反之亦然。在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。 非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。 应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。 主目录　次目录　各种材料λ的变化规律各种材料λ的变化规律固体：λ随着温度的升高而下降 气体：λ随着温度的升高而升高。 液体：λ随着温度的升高而下降。 [结论] 纯金属的银λ最大，合金次之，依次是建筑材料、液体(水最大)、绝热材料，气体λ最小。保温材料选λ小的材料，提高传热，选λ大的金属材料。主目录　次目录　三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导1、单层平壁导热 如图4-4所示，若平壁的面积A与厚度b相比很大，则从边缘处的散热可以忽略，壁内温度只沿垂直于壁面的x方向发生变化，即所有等温面是垂直于x轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为一维稳定导热。 主目录　次目录　null由傅立叶定律 Q主目录　次目录　null2、多层平壁热传导 在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的图4-5。即 根据等比定律则有主目录　次目录　返回null化简得 若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导热速率方程式则为： 注意△t－－壁面两侧的温度之差 规律：总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层阻力之和。主目录　次目录　四、圆筒壁的稳态热传导 四、圆筒壁的稳态热传导 1、单层圆筒壁导热 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。它与平壁导热的不同之处在于： 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为 圆筒壁的导热面积随半径而变，A＝2πrL。 主目录　次目录　null如图所示，设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2长度为L；内、外表面温度分别为t1和t2，且t1 > t2 ；管材导热系数为λ。则由傅立叶定律有： 因稳定过程导热体的导热速率为常数，若导热体的导热系数可视为常数或可取平均值，则上式中仅包含温度t和半径r两个变量。 主目录　次目录　null将上式分离变量，并根据r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。即： 积分得： 式中 R即为圆筒壁的导热热阻。 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式主目录　次目录　null2、多层圆筒壁导热计算与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：主目录　次目录　null【例4-1】在一φ60×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数λ=0.07W. m-1·K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数λ=0.15 W. m-1·K-1 .现用热电偶测得管内壁的温度为500Ċ,最外层表面温度为80Ċ,管壁的导热系数λ=45 W. m-1·K-1 .试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P139:例4-4)解(a)每米管长的热损失 此处， 主目录　次目录　null主目录　次目录　null【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100 mm，其导热系数分别为0.9 W/（ｍ·℃）及0.7 W/（ｍ·℃）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700℃, 外表面温度为130℃。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/（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℃。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？ 解：设单位面积炉壁的热损失为q（q = Q/A），加保温层前，是双层平壁的热传导 主目录　次目录　null加保温层后，是三层平壁的热传导 热损失减少的百分数 （q1 – q2）/q1 =（2240 - 707）/2240 = 68.4% 主目录　次目录　null【例4-3】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 t1=18℃,t4=24℃,λ1=0.043W/(m·℃),λ2=0.10W/(m·℃),λ3=1.3W/ (m·℃) 主目录　次目录　nullt1＝-18℃,t4=24℃，λ1′=0.10W/(m·℃), λ2′= 0.043W/(m·℃)，λ3=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。(推动力越大，导热热阻越大) 连接 【注意】圆筒壁保温时，导热系数小的放在里层好 主目录　次目录　Problem 1Problem 1P198: Exercises no.4-1 and no.4-6主目录　第三节 对流传热 第三节 对流传热 一、对流传热的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关系式主目录　null由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。主目录　次目录　一、 对流传热的分析一、 对流传热的分析1、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此热阻较大，温度梯度大。 2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。 3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。 因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层。主目录　次目录　null主目录　次目录　模型图说明三层含义模型图说明三层含义1、间壁传热—对流、传导、对流三个过程；对流传热--湍流主体的对流、滞流内层的热传导、壁面与靠近壁面的流体间的热传导。 2、从温度分布图中可看出，对流热阻为控制热阻。 3、对流热阻的阻力又主要集中在滞流内层内，减薄其厚度是强化传热过程的关键。 二、对流传热速率方程 (牛顿冷却定律) 二、对流传热速率方程 (牛顿冷却定律) 由前面讨论知，对流传热是一个复杂的过程影响因素很多，因此计算是只能用半理论半经验的公式： 对流传热速率＝对流传热推动力/阻力＝系数×推动力 Q= αAΔt Δt——流体平均温度与壁面平均温度之差值 ℃ α——对流传热系数 (convective heat-transfer coefficient)或膜系数( film coefficient)W/m2℃，非物性常数，流体与壁面间的平均温度差为1℃，面积为1/m2的热通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。主目录　次目录　三、影响对流传热系数的因素三、影响对流传热系数的因素1.流体的种类和相变化情况 α气体<α液体 α有相变>α无相变 2.流体的物性 对α影响较大的流体物性有导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。具体地： λ↑、μ↓、Cp↑ 、ρ↑ 、β↑ → α↑ 主目录　次目录　null3.流体的温度--定性温度 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Δt，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。。 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，α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α较湍流时小。即： α滞流<α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：由于外来的作用，迫使流体流动。 α自然对流<α强制对流主目录　次目录　null6.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。 主目录　次目录　四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式1、流体无相变时各准数的名称、符号、意义如下：主目录　次目录　2、对流给热的因次分析(量纲分析)2、对流给热的因次分析(量纲分析)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α的因素有：定性尺寸l，流体的密度ρ，粘度μ，比热Cp，导热系数k，流速u，可将其表示为： α＝f(l, ρ，μ，Cp，k，u) 2)确定准数数目 π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(π1, π2, π3，· · ·，πi)=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θ、温度T) ∴ i=7-4=3 有三个准数主目录　次目录　null3)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α 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,ρ,μ，因为不包括量纲T 据此，选择l,λ,ρ,μ,u为3个无量纲准数的共同物理量主目录　次目录　null(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，即主目录　次目录　4)确定具体的准数关联式4)确定具体的准数关联式主目录　次目录　说明：说明：定性温度——确定物性数据的温度,通常， 特征尺寸对给热过程产生直接影响的几何尺寸。 对圆管内强制对流给热，特征尺寸为管内径； 非圆管，特征尺寸为当量直径.null准数之间通常用指数方程表示： Nu=CRemPrnGri 其中c,m,n,i都是针对不同的情况下具体条件而测得的，这些值测得后，即可计算出对流传热系数。 自然对流 Re=0 Nu=CPrnGri 强制对流 Gr=0 Nu=CRemPrn主目录　次目录　3、流体有相变化时 3、流体有相变化时 对于蒸气冷凝时 Nu=f(Ga,Pr,KD) Ga=g l3ρ2/μ2 伽利略准数 KD=r/CpΔt 冷凝准数 一般情况下 Nu=C(Ga,Pr,KD)n主目录　次目录　null4、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（粘度小于2倍常温下水的粘度）的流体 Nu=0.023Re0.8Prn 或 α =0.023λ/l(l uρ／μ)0.8(Cpμ／λ)n 应用范围： Re>10000 0.760； 特征尺寸： l 取管内径 di 定性温度： 流体进出口主体温度的算术平均值。 其中n与热流方向有关，流体被加热时，n=0.4被冷却时n=0.3.主目录　次目录　nullb、高粘度液体 Nu=0.027Re0.8Pr0.33(μ／μw )0.14 μ:液体在主体平均温度下的粘度 μw：液体在壁温下的粘度 其中（μ/μw）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热(μ/μw）0.14=1.05 ，液体被冷却时（μ/μw）0.14=0.95主目录　次目录　null 2）流体在圆形直管内强制滞流 a.自然对流可以忽略 Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(μ/μw)0.14 应用范围：Re<2000, L/di>60, RePrdi/L>10 特征尺寸：di 定性温度：平均温度（ μw 除外） 主目录　次目录　null3)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态 当Re=2300~10000 α先按湍流时计算然后再用式 φ＝1－600000/Re1.8求出校正系数。φ<1 4）流体在弯管内强制对流 在弯管内，由于离心力的作用，扰动加剧，较直管时大 α`＝α(1+1.77d/R) α` :弯管 α ：直管 R：曲率半径 5)流体在非圆形直管内强制对流 计算当量直径，再用上面公式。主目录　次目录　②流体在管外强制对流 ②流体在管外强制对流 1）流体在管束外强制垂直流动 影响管束传热的因素除Re, Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数 应用范围： 特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。 主目录　次目录　null主目录　次目录　2)流体在换热器壳程的传热2)流体在换热器壳程的传热列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板，先是横掠管束，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断变化，Re＞100即达到湍流。 换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数： (1)Re=3~12×104时 (2)Re=2×103~1×106时主目录　次目录　null主目录　次目录　5、液体有相变时的对流传热系数 5、液体有相变时的对流传热系数 ①蒸气冷凝 膜状冷凝；若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。 滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，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，此种冷凝称为滴状冷凝。 工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。主目录　次目录　②液体的沸腾 ②液体的沸腾 大容器沸腾：将加热面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾。 管内沸腾：使液体在管内流动时受热沸腾实验表明，大容器内液体饱和沸腾的情况随温度差Δt=tw-ts而变。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例，分析沸腾温度差Δt对传热系数和热通量q的影响图4-7。 临界点c：由泡状沸腾向膜状沸腾的转折点。 α泡状沸腾>α膜状沸腾,因此应控制在泡状区域, 其它液体在不同压强下的沸腾曲线与水的相类似，仅临界点的数值不同。主目录　次目录　null主目录　次目录　③影响沸腾传热的因素 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α随k、ρ的增大、μ和σ的减少而增大。 (2)温度差△t 温差△t＝tw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区：α＝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n＝2～3。 (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α。 (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。通常新的清洁加热面α较高，当壁面被油脂沾污后，会使α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α下降。 主目录　次目录　α值的大致范围α值的大致范围一般情况下，α值的大致范围如下： 空气自然对流，5~25W/m.K ； 空气强制对流，30~300 W/m.K ； 水蒸汽冷凝，1000~8000 W/m.K ； 水沸腾，1500~30000 W/m.K ； 主目录　次目录　null【讨论】1、应用α经验式时应注意哪些问题？ ① 首先分析所处理的问题是哪一类？ ② 定性温度、特征尺寸 ③ 选取公式，注意规定范围。 ④ 建立数量级概念 α气 ＜ α水 ＜＜ α汽 2、计算α的分析过程。 ① 求定性温度----查物性 ② 特征尺寸，管内：l=di;非圆形管或管外；l=de. ③ 判断流型---选公式---校核范围 ④ 计算α。 3、有哪些重要结论？ 管内强制湍流：α∝u 0.8(qm0.8)/d1.8n0.8主目录　次目录　null【例4-4】一套管换热器，管套为 Φ89×3.5mm钢管，内管为Φ25×2.5mm 钢管，管长为2m，环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝，冷却水在内管中流过，进口温度为15℃，出口为35℃。冷却水流速为0.4 m/s ，试求管壁对水的对流传热系数。解： 此题为水在圆形直管内流动 定性温度 查得25℃时水的物性数据（见附录）如下： 主目录　次目录　null可按湍流时公式计算，水被加热， 校正系数 过渡流 主目录　次目录　null【例4-5】 空气以 4m/s 的流速通过一 Φ75.5×3.75mm的钢管，管长20m。空气入口温度为305K，出口温度为341K，试计算： 1）空气与管壁间的对流传热系数。2）如空气流速增加一倍，其它的条件均不变，对流传热系数又为多少？解：此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型，再选用对应关联式计算：主目录　次目录　null1)定性温度 查空气物性 特征尺寸：l=di=0.068m，u=4m/s 又因空气为低粘度的流体主目录　次目录　null主目录　次目录　Problem 2Problem 2P199: Exercises no.4-9 and no.4-11 主目录　第四节 传热计算 第四节 传热计算 一、热量衡算 二、传热速率方程 三、传热温度差的计算 四、传热系数 五、壁温计算 六、传热计算主目录　一、热量衡算一、热量衡算(一)热量衡算： 1·传热速率---换热器本身在一定条件下的换热能力，是换热器本身的特性。 2·热负荷----换热器中单位时间内冷热流体交换的热量，由生产上的要求决定，是生产上对换热器换热能力的要求。 3·关系：生产上一般传热速率大于或等于热负荷。主目录　次目录　null传热速率与热负荷的概念及关系（难点）[讨论] ① 若热损失在热流体一边，并没有通过传热面，则Q=Ql=Qr-Qs ②若热损失在冷流体一边，即把热量传给冷流体后损失的, 则Q= Q r=Ql+Qs [注意] 掌握规律，此处易出错。 [应用] 求载热体的用量或流体的温度。主目录　次目录　(二)换热器的热负荷计算 (二)换热器的热负荷计算 1、焓差法：Q=qm热(H1-H2)=qm冷(h2-h1)--焓值查附录 2、显热法：无相变化时 Q=qm热c热(T1-T2)=qm冷c冷(t2-t1) cpr,cpl---为常数或平均温度下的比热。 此法应用非常广泛。 Q=qmcp△t 弄清△t的含义。 3、潜热法：此法用于载热体在热交换中发生相的变化 Q=qm热r热=qm冷r冷主目录　次目录　二、传热速率方程 二、传热速率方程 Q=KAΔtm = Q=qmcp△t 注意各符号的含义 ____Q= αAΔt 主目录　次目录　三、传热温度差的计算 三、传热温度差的计算 (一)恒温传热与变温传热 1、恒温传热—蒸发(溶液沸腾和蒸汽冷凝) 由于恒温传热时，冷热两种流体的温度都维持不变，所以两流体间的传热温度差亦为定值。即 Δtm=T-t 2、变温传热 间壁一边流体变温而另一边流体恒温 间壁两侧流体变温 主目录　次目录　（二）平均温度差Δtm的计算 （二）平均温度差Δtm的计算 逆流：参与热交换的两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动。 并流：参与热交换的两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。 错流：参加热交换的两种流体在间壁的两边，呈垂直方向流动称为错流。 折流：参加热交换的两种流体在间壁两边，其中之一只沿一个方向流动，此称为简单折流，若两流体均作折流，或既有折流又有错流的称为复杂折流。主目录　次目录　null并流逆流错流折流主目录　次目录　null次目录　null一侧流体变温：逆流与并流一样 主目录　次目录　1、传热过程的积分表达式 1、传热过程的积分表达式 定态操作的换热器内冷、热流体的温度沿传热面是变化的。即随传热过程的进行，冷流体温度逐渐上升而热流体温度逐渐下降，所以换热器内各截面上的总推动力(T-t) 亦是变化的。 因此，要计算换热器的总热流量Q，或计算传递一定热流量Q所需要的传热面积A，必须对下式积分主目录　次目录　null假定（1）传热系数K=常数，即在整个传热面上保持不变。 （2）cp1,cp2 为常量，不随T变化。 （3）热损失不计。主目录　次目录　2、操作线与推动力的变化规律 2、操作线与推动力的变化规律 现以套管换热器中冷、热流体逆流操作且无相变为例进行积分 换热器内冷、热流体温度随传热面的变化为 主目录　次目录　null现建立换热器的操作线方程： 在冷流体入口端和任意截面作热量衡算，则 ∴  T～t关系为一直线关系，线上的每一点代表换热器某一截面上冷、热流体的温度，该直线称之为换热器的操作线。主目录　次目录　null在T-t坐标中作出该直线，如图AB直线所示。 作对角线，由图可以看出，总推动力刚好等于操作线和对角线间的垂直距离，即，两直线间的垂直距离必亦随横坐标或纵坐标呈直线变化，在此的变化亦为直线。主目录　次目录　3、传热基本方程式3、传热基本方程式又整个换热器作热量衡算可得： 主目录　次目录　null主目录　次目录　4、对数平均推动力4、对数平均推动力1）若换热器两端温差有一为零时，则对数平均温差必为零。这就意味着传递相应的热流量，需要无限大的传递面 2）若 主目录　次目录　3）并流（无相变）3）并流（无相变）在冷、热流体进出口温度相同的条件下，并（逆）流操作两端推动力相差较大（小），所以 主目录　null例如主目录　次目录　4）一侧有相变 4）一侧有相变 操作线为一水平线主目录　次目录　5）两侧均有相变（操作线缩为一个点）5）两侧均有相变（操作线缩为一个点）主目录　次目录　6)对于错流和折流时的平均温度差6)对于错流和折流时的平均温度差Δtm=φΔtΔtm逆 φΔt<1,一般φΔt不宜小于0.8，否则使Δtm过小，很不经济。 根据参数R、P查p160图4-25可知φΔt 主目录　次目录　null温差修正系数ψ＜1，即△tm＜△tm，逆，换热器设计时Φ值不应小于0.8，否则不经济。增大ψ的一个方法就是改用多壳程。 主目录　次目录　7)·变温传热时流体流动方向的选择7)·变温传热时流体流动方向的选择 ① 从平均温差考虑----逆流节省传热面积 ② 从载热体用量考虑---逆流节省冷却剂或加热剂用量。 ③ 并流特点---冷流体温度不高于某温度或热流体不低于某温度。　主目录　次目录　null【讨论题】用90℃热水将流量为1000kg/h的原油从20℃加热到70℃，原油比热为2.0kJ/kg.k。试计算逆流与并流操作所需的加热剂用量。分析： 热流体出口温度未知----求qmr ----必知T2-----讨论逆并流极限值 并流 T2 ≥ t2 逆流 T2 ≥ t1主目录　次目录　Problem 3Problem 3P199: Exercises no.4-16 , no.4-18 and no.4-19主目录　四、 传热系数 四、 传热系数 由传热基本方程有 W/m2∙℃ 可知，传热系数在数值上等于在传热温差为1℃时的传热通量。传热系数是评价换热器传热性能的重要参数，也是对传热设备进行 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 设计的依据。 影响传热系数K值的因素很多，主要有换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等。 主目录　次目录　(一)传热系数的确定方法(一)传热系数的确定方法在换热器的工艺计算过程中，传热系数K的来源主要有以下三个方面： 1、现场测定 对于已有换热器，传热系数K可通过现场测定法来确定。具体方法是： (1)现场测定有关的数据（如流体的流量和进出口温度等）； (2)根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差Δtm和传热面积A； (3)由传热基本方程计算K值。 主目录　次目录　2、公式计算 2、公式计算 (1)K计算公式的推导过程 热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流”的串联过程。各区域的传热速率如下：主目录　次目录　null（1）热流体对壁面的对流传热 （2）壁面内的导热 （3）壁面到冷流体的对流传热 主目录　次目录　null对于稳定传热过程，各串联环节速率应相等。即 上式中的Δt对变温传热过程而言，随位置的变化而变化，为计算简便起见，应将其替换为整个换热器的平均值Δtm。再联合传热基本方程式，则有 主目录　次目录　null消去Δtm可得 当A取Ao时，则有 ： 若传热壁面为平壁或薄管壁 主目录　次目录　null若固体壁为金属材料，污垢忽略时，则： 1/K=1/αi + 1/αo 当两个膜系数相差很大时，则K与膜系数小的α 接近，即总热阻总是由热阻大的那一侧对流传热所控制。若提高K，关键是提高膜系数小的那一侧或同时提高。 〖说明〗间壁两侧流体间传热的总热阻等于各层热阻之和。主目录　次目录　3、选取经验值 3、选取经验值 在换热器的工艺设计过程中，由于换热器的尺寸未知，因此传热系数K无法通过实测或计算公式来确定。此时，K值通常借助工具 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 选取。教材中列出了列管换热器对于不同流体在不同情况下的传热系数的大致范围，可供参考。 主目录　次目录　(二)污垢热阻的影响(二)污垢热阻的影响换热器在使用过程中，传热壁面会逐渐形成污垢（如水加热器中的水垢、压缩气冷却器中的油垢等），对传热造成附加热阻，该热阻称为污垢热阻。因污垢的组织结构较为疏松，内部存有静止流体，导热性能差，所以，通常污垢热阻比起壁面的热阻来要大得多，因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。 影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值，表4-4列出了一些常见流体的污垢热阻Rd的经验值，可供参考.主目录　次目录　null表4-4 常见流体的污垢热阻R d主目录　次目录　null【例4-5】一空气冷却器，空气横向流过管外壁，对流传热系数ao=100 W/（m2·℃）。冷却水在管内流动，ai= 6000W/（m2·℃）。冷却水管为Φ25×2.5mm的钢管，其导热系数λ=45 W/（m·℃）。试求 （1）在该状况下的总传热系数； （2）若将管外空气一侧的对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数有何变化； （3）若将管内冷却水一侧的对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数又有何变化。主目录　次目录　null解 （1）以管外壁为基准的总传热系数 (忽略污垢热阻)由以上计算可以看出管壁的热阻很小，可忽略不计。 （2）若将管外空气一侧的对流传热系数ao提高一倍，则总传热系数 总传热系数增加了97.1%。 主目录　null（3）若将管内冷却水一侧的对流传热系数ai提高一倍，则总传热系数 总传热系数只增加了1.6%。 讨论：由上述计算可以看出，强化空气侧的对流传热所提高的总传热系数远较强化冷却水侧的对流传热的效果显著。传热系数总是由膜系数小的那一侧流体控制。为了提高传热系数，设法提高小的膜系数。主目录　次目录　null表4-5 列管换热器中K值的大致范围主目录　次目录　五、 壁温计算五、 壁温计算此式表明，传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比，壁温必接近于热阻较小或给热系数较大的流体温度。主目录　次目录　null [思考题] 在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，分析其传热过程？求 ①传热管壁温接近哪种流体温度？ ②传热系数接近哪种流体的膜系数？ 主目录　次目录　null[例4-6]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：管壁的平均温度可由下式计算，即： 主目录　次目录　null 解得：tw≈164℃ 计算结果表明，管壁温度接近于热阻小(膜系数大)的那一侧流体的流体温度。 主目录　次目录　六、传热计算---设计计算和校核计算六、传热计算---设计计算和校核计算(一）设计型计算的命题方式 设计任务：将一定流量qm的热流体自给定温度 T1冷却至指定温度T2 。 设计条件：可供使用的冷却介质温度，即冷流体的进口温度t1 。 计算目的：确定经济上合理的传热面积A及换热器其它有关尺寸。 设计型计算中参数的选择主目录　次目录　null1、由传热任务计算换热器的热流量（热负荷 ) 2、作出适当的选择并计算平均推动力 △tm （1） 选择流体的流向，即决定采用逆流、并流还是其它复杂流动方式。 （2）选择冷却介质的出口温度 t2 。(热量衡算式计算出口温度) 3、计算冷、热流体与管壁的对流传热系数 α 和总传热系数K。 （1） 冷、热流体何者走管内，何者走管外（壳程） （2） 选择适当的流速； （3）选定适当的污垢热阻。 4、由传热基本方程，计算传热面积A。主目录　次目录　null【例4-7】P169 例4-19 有一套管式换热器，在管径为Φ38×2mm的内管中有流速为1.5m/s的水从25℃加热到55℃，在内管与外套管的环隙中在压力为140kPa的饱和水蒸汽冷凝放热，其对流传热系数αo=104W/m2.K。水侧及水蒸汽冷凝侧的污垢热阻各取10-4m2.K/W，管壁热阻忽略不计。试求水蒸汽消耗量和所需传热面积。主目录　次目录　null分析： 1、水蒸汽消耗量----热量衡算Qr = Ql +Qs 热流体－－相变化(潜热法)；冷流体－－温差法 2.传热面积(套管长)----传热基本方程 依据 Q=KA △tm ① 求传热速率（热负荷）－－冷流体水在管内，Q=Q l ② 求平均推动力－－一流体变温，逆流主目录　次目录　null求传热系数－－定基准----管内水的膜系数未知----求膜系数----按步骤进行 定性温度---查物性 特性尺寸 L=di (若水在管间环隙内流动 L=de=Di-do) 雷诺准数Re－－判断流型 选公式计算 比较膜系数的大小，确定基准。 求传热面积（管长） 【改变】若考虑热损失为5%，则再计算蒸汽消耗量和传热面积。 主目录　次目录　null分析：若考虑热损失为5%，则 1、水蒸汽消耗量----热量衡算Qr = Ql +Qs2.传热面积(套管长)----传热基本方程 依据 Q=KA △tm ① 求传热速率（热负荷）－－冷流体水在管内，Q=Q l=1.69×105W(不变) ②求平均推动力－－△tm=69.2K(不变) ③求传热系数－－K0=2277W/m2.K(不变) ④ 求传热面积（管长）A0=1.09m2(不变) Qmh=1.69×105/0.95=1.78×105W主目录　次目录　(二)换热器的操作型计算 (二)换热器的操作型计算 例如，判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用(校核计算)。或者预测某些参数的变化对换热器传热能力的影响等。 第一类命题 给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物理性质，冷、热流体的流量和进口温度以及流体的流动方式。 计算目的：冷、热流体的出口温度 t2、T2 。 计算方法：逆流时，传热联式主目录　次目录　第二类命题 第二类命题 给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物理性质，热流体的流量和进、出口温度，冷流体的进口温度以及流动方式。 计算目的：所需冷流体的流量 qm 及出口温度 t2 。 计算方法：由非线性方程，必须试差迭代求得t2。主目录　次目录　null【例4-8】在一传热面积为15.8的m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s、进口温度为110℃；水的流量为0.667 kg/s、进口温度为35℃，油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/(kg.℃)，换热器的总传热系数为320W/（m2·℃）。试求水的出口温度及传热量。 主目录　次目录　null分析：方法－－对数平均温度差法(LMTD法) ①水的出口温度t2－－ 热量衡算 Q r=Ql+Qs qmrCpr(T1-T2) = qmlCpl(t2-t1) 2.85×1.9×(110－T2)=0.667×4.18×(t2－35) (110－T2)/ (t2－35)=0.515 110－T2=0.515(t2－35)主目录　次目录　null ② Q=KA △tm=320×15.8×[(110－t2)－(T2－35)]/ln(110－t2)/ (T2－35) 2.85×1900×(110－T2)=320×15.8×[(110－T2)－(t2－35)]/ln(110－t2)/ (T2－35) ln(110－t2)/ (T2－35)= 320×15.8×(0.515－1)/ 2.85×1900×0.515=-0.8793 (T2－35) /(110－t2) =2.409 t2=90.8℃ 传热量 Q=qmlCpl(t2-t1)=0.667×4.18×(90.8－35)=155.6kW主目录　次目录　Problem 4Problem 4P199: Exercises no.4-20 and no.4-24主目录　null小结一、前提条件：稳态传热 二、热量衡算式 当Q损失=0时 Q’ =  qmrCpr(T1-T2)  =  qmlCpl(t2-t1)  =  qmR =Q 工艺热负荷 放热速率       吸热速率       相变热    传热速率                                        （吸或放） 主目录　三、传热速率方程 三、传热速率方程 主目录　null四、α、K及△tm 注意应用条件 单层平壁，圆筒壁厚度不大时 注意并流、逆流时△t1及△t2 主目录　null【例4-9】P200 4-29 有一单管程的列管换热器，其规格如下：管径Φ25×2.5mm，管长3m，管数37根。今采用此换热器冷凝并冷却CS2的饱和蒸汽，自饱和温度46℃冷却到10℃。CS2在管外冷凝，其流量为300kg/h，比汽化热　为350kJ/kg。冷却水在管内，进口温度为5℃，出口温度为32℃。逆流流动。已知CS2的冷凝和冷却的总传热系数分别为K1＝291W/m2.K和K2＝174W/m2.K。试问这换热器是否合用？（均以内表面积计算）主目录　null解：由于饱和蒸汽经过冷凝与冷却两个过程，故要分别进行计算 主目录　null 冷凝过程：查(5+32)/=18.5℃下水的比热容 cp=4.184kJ/kg.K或按常温 根据热量衡算 得： 联立求解，得t1=7.4℃传热面积 冷却过程：根据热量衡算得： 查(46+10)/=28℃下CS2的比热容 cp=1.0kJ/kg.K 即：主目录　null传热面积 换热器本身