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1、第四章 传 热,Heat transfer,本章主要内容,4.1 概 述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 传热计算 4.5 热辐射 4.6 换热器,4.1 概 述,一、传热过程的应用 二、传热的基本方式 三、冷、热流体热交换形式 四、传热速率方程式,一、传热过程在化工生产中的应用,热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，故在几乎所有的工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。,强化传热,削弱传热,1、物料的加热与冷却。 2、生产中热能的合理利用，废热回收。 3、化工设备和管道的保温，以减少热损失。,二、传热的基本方式,根据热力学第二定律，当无外功
2、输入时，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：,热传导(conduction) 热对流(convection) 热辐射(radiation),1、热传导(conduction),机理：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现象。,特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。 （1）金属固体中，导热起主要作用的是自由电子的扩散运动； （2）不良导体的固体和大部分的液体中，导热是通过晶格结构的振动,即原子、分子对其平衡位置附近的振动来实现的； （3）在气体中，导热则是由于分子的不规则运动而引起的。,机理：流体质点发生宏观移动和
3、混合，将热能由高温处传递到低温处。 分类 自然对流：因流体内部冷、热部分的密度差异所致。 强制对流：用外力（如搅拌流体使流体强制流动。,2、热对流(convection),3、热辐射(radiation),机理：物体因本身温度的原因，激发产生电磁波，向空间传播，称为热辐射。,特点： 不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换； 传播不需要任何物质做媒介,可以在真空中传播； 是高温物体之间的主要传热形式。,三、冷、热流体热交换形式,1、直接接触式和混合换热器 2、间壁式换热和间壁式换热器 3、蓄热式换热和蓄热器,传热过程中，根据冷热流体接触方式的不同，热交换可分为三种基本形式，每种传热形式所用
4、换热设备的结构也各不相同。,1、直接接触式和混合换热器,蒸米饭,1、直接接触式和混合换热器,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。 设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、洗涤塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸汽冷凝，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。,列管式换热器,2、间壁式换热和间壁式换热器,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。 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。,2、间壁
5、式换热和间壁式换热器,冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。,流体与壁面之间的热量传递以对流为主，并伴随热传导，通常把这一传热过程称为对流传热。,3、蓄热式换热和蓄热器,3、蓄热式换热和蓄热器,主要特点：蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 优缺点：结构简单，可耐高温，但设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。 适用范围：使用不多，常用于高温气体热量的回收或冷
6、却。,四、 稳态传热和非稳态传热,稳态传热：传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化，不随时间变化而变化。 特点：在同一热流方向上的传热速率为常量。 非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置不同而不同，而且随时间发生变化。 连续生产过程中所进行的传热多为稳态传热。 在间歇操作的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段以及改变操作条件时所进行的传热，都属于非稳态传热。,五、传热速率和热流密度,传热速率Q（rate of heat transfer）：又称热流量（rate of heat flow），指单位时间内通过传热面的热量，单位W 。 整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力。 热
7、流密度q：又称热通量（heat flux），指单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位W/m2 。 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。,六、传热速率方程式,传热过程的推动力：两流体的温度差，通常用平均温度差tm进行计算，单位为K或。 经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差tm成正比。即传热速率方程式为：,其中，比例系数K为总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位为W/(m2.K),4.2 热传导,一、傅里叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳态热传导 四、圆筒
8、壁的稳态热传导,4.2 热传导,冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，为什么？ 一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？,讨论：,1温度场（temperature field） 任一瞬间，物体或系统内所有各点的温度分布称为温度场。 2等温面 指同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的面，彼此不相交 。 3等温线 指等温面与同一平面相交的交线。 4温度梯度（temperature gradient） 指温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。方向与给定点等温面的法线方向一致，以温度增加的方向为正。,基本概念,一、傅里叶定律（Fouriers Law）
9、,式中：Q导热速率，W A导热面积，m2 材料的导热系数，W/（m.）或W/（m.K） dt/dx沿x方向的温度梯度，/m或K/m。x方向为热流方向，即温度降低的方向，故为负值。,在质地均匀的物体中，若等温面上各点的温度梯度相同，则单位时间内传导的热量与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。,二、导热系数（thermal conductivity）,在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。,物质的导热系数主要与物质的种类和温度有关。 纯金属合金非金属建筑材料液体绝缘材料气体,1、 固体的导热系数,金属：金属是最好
10、的导热体。 纯金属：熔融状态时变小。 合金：随纯度。 随T 。 非金属建筑材料和绝热材料 与温度、组成和结构的紧密程度有关。 随T ， 随密度 ，存在最佳密度，使最小。,2、 液体的导热系数,水的导热系数最高。 水=0.6。 除水、乙二醇和甘油外，随T。 一般，溶液纯有机液体。,3、 气体的导热系数,气体的导热系数最小，对导热不利，但利于保温隔热。 随T 常压下，随压力的增减变化很小，可忽略不计。 过高或过低压力时 (200 MPa 或2.7KPa ) ，随P。,导热系数与温度的关系,对于大多数的物质，在温度变化范围不大时，导热系数与温度近似成直线关系：,0 (1+t),式中：物质在温度 t
11、时的导热系数， 0物质在温度 0 时的导热系数， 温度系数，-1，对大多数金属材料和液体为负值，而对大多数非金属材料和气体为正值。,在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数应取最高温度和最低温度下导热系数的算术平均值，或者由平均温度t=(t1+t2)/2求得。,三、平壁的稳态热传导,1、单层平壁热传导,由傅立叶定律：,分离变量后积分，可得导热速率方程为：,2、多层平壁的热传导,在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率都是相等的。,根据等比定律,对n层平壁，,思考题,对于多层平壁的稳态导热过程而言，下列论断正确的是： （1）传热推动力和热阻是可以加和的，总热阻等于各层热阻之和，总推动力等于各
12、层推动力之和。 （2）哪层热阻大，哪层温差大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 （3）通过每层壁面的热量相等。 （4）温差确定后减少阻力就可强化传热，可通过减少壁厚或增加导热系数和平壁面积来达到。,【例4-1】某平壁燃烧炉由一层100mm厚的耐火砖和一层80mm厚的普通砖砌成，其导热系数分别为1.0W/（m.）及0.8W/（m.）。操作稳定后，测得炉壁内表面温度为720，外表面温度为120。为减小燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚为30mm，导热系数为0.03W/（m.）的保温材料。待操作稳定后，又测得炉壁内表面温度为800，外表面温度为80。设原有两层材料的导热系数不变，试求： （
13、1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数； （2）加保温层后各层接触面的温度。,解：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数,加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q1为：,加保温层后，为三层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q2为,加保温层后热损失比原来减少的百分数为,解：（2）加保温层后各层接触面的温度,已知q2=600w/m2，且通过各层平壁的热通量均为此值。,各层的温度差和热阻的数值,【例4-2】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) ，
14、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。,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。,将内、中层材料互换而厚度不变时：t1-18，t4=24， 1= 0.10W/(m) ， 2= 0.043W/(m) ， 3=1.3W/ (m),解：t1-18，t4=24， 1=0.043W/(m)， 2=0.10W/(m)， 3=1.3W/ (m),四、圆筒壁的稳态热传导,1、单层圆筒壁热传导,在r处，传热面积A=2r
15、l。,1、单层圆筒壁热传导,1、单层圆筒壁热传导,说 明,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，温度梯度随r增大而减小。,在稳态下，传热速率Q为常量，与坐标r无关。但热流密度q=Q/(2rl)随坐标r变化。所以，工程上通常取单位圆筒壁长度计算传热速率，记为ql，单位是W/m。,2、多层圆筒壁热传导,2、多层圆筒壁热传导,说 明,总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。,各层的导热速率相同，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ql为常量，但q不为常量；,其中每一层的温度分布为对数曲线，但各层分布曲线不同。,【例4-3】在一60mm3.5
16、mm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=0.07W/（m.），外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/（m.）。现用热电偶测得管内壁的温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/（m.）。 试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。,解：（1）每米管长的热损失,此处，,（2）保温层界面温度t3,解得，,例4-4：有直径38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率为=1.163W/（m.），试计算水垢热阻是黄铜管热阻的多少倍？黄铜管的热导率为=110W/（m.）。,思考题,思考1： 气温下降，应添加衣服，应把保暖
17、性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？,思考题,思考1：,导热系数_，保温效果越好。 导热速率Q _，保温效果越好。,思考题,思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？,所以，如果保温层的半径小于rc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。,由此可知，对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，需要核算保温层的半径是否小于rc。,输送水蒸气的圆管外（ 35mm2mm ）包覆两层厚度相同（b=5mm）、热导率不同的保温材料， 1=1.0W/（m.）， 2=0.1W/（m.），若改变两层保温材料的先后次序，其保温效果如何变化？(圆管的热阻忽略不计) 若被保温的是平壁而不是圆
18、管，保温材料的先后次序对保温效果有何影响？,思考题,思考3：,练习题,1、平壁稳定热传导过程，通过三层厚度相同的材料，每层间温度变化如图所示，则导热系数的大小顺序为，每层热阻的大小顺序为。,练习题,2、某圆形管道外有两层厚度相同的保温材料，温度曲线如图所示，则导热系数的大小关系为_，将_层材料放在里层保温效果较好。,4.3 对流传热,一、对流传热的给热机理 二、对流传热速率方程 三、对流传热系数 四、对流传热中的量纲分析 五、流体无相变时的对流传热 六、流体有相变时的对流传热,机理：由于流体质点发生宏观移动和混合，流体质点携带着热能在不断的流动中将热能由一处传递到另一处。,对流传热(conve
19、ction),分类 自然对流：因流体内部各处温度不同而引起的局部密度差异所致。 强制对流：用外力（如泵、风机、搅拌器等使流体流动。,一、对流传热的给热机理,滞流底层：热传导，导热热阻很大，因此该层中温度差较大。,过渡流层：热传导+热对流，该层中温度发生了缓慢的变化。,湍流主体：热对流，流体质点剧烈混合并充满了旋涡，因此该层中温差极小，各处的温度基本上相同。,二、对流传热速率方程,根据对流传热的有效膜理论模型，按平壁导热处理得：,牛顿冷却定律,令/=，则上式为：,固体与流体间的传热速率，与传热壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差成正比。,三、对流传热系数,即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上
20、等于由对流传热产生的热通量（即单位面积的对流传热速率）。,单位：W/(m2)或W/(m2K),定义式：据牛顿冷却定律得,物理意义：,三、对流传热系数,值数量级范围,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有：,影响对流传热系数的主要因素,1.流体的种类和相变化情况 2.流体的物性 3.流体的温度 4.流体的流动状态 5.流体流动的原因 6.传热面的形状、位置和大小,气体无相变,影响对流传热系数的主要因素,1.流体的种类和相变化情况,影响对流传热系数的主要因素,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
21、，用以确定物性所规定的温度称为定性温度。,3.流体的温度,影响对流传热系数的主要因素,自然对流 强制对流,5.流体流动的原因,四、对流传热中的量纲分析,为获得对流传热系数，其方法有：, 解析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。, 数学模型法：对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。, 量纲分析法：将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，在对流给热中广为使用。, 实验法：对少数的对流给热过程适用。,四、对流传热中的量纲分析,
22、量纲分析法,基础：量纲一致性，即物理方程式的两边不仅数值相等，而且量纲也必须相等。,基本定理： 定理，即假设影响该现象的物理量为n个，这些物理量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用 N=(n-m) 个独立的量纲为1的无因次数群关系式表示，此即定理。此类量纲为1的无因次数群称为准数。,1.列出影响该过程的物理量, f（l, ，Cp， ， gt ，u）, 液体的物理性质：流体的密度，粘度，比热Cp，导热系数 。 固体表面的特征尺寸l； 强制对流的流速u ； 自然对流的特征速度，此速度可由单位质量流体的浮力gt表征。,2.列出各物理量的量纲,3.量纲分析, Kualb c d e Cpf(gt)h,
23、根据定理，影响该现象的物理量为n=8个，这些物理量的基本量纲数为m=4个，则该物理现象可用 N=(n-m) =4个独立的量纲为1的无因次数群关系式表示。,将各物理量的量纲代入，经整理可得：,四、对流传热中的量纲分析,各准数的名称、符合、意义如下：,四、对流传热中的量纲分析,3.量纲分析,无相变条件下，对流传热的准数关联式的一般形式。,四、对流传热中的量纲分析,1、应用范围：关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。,说 明,2、特征尺寸：参与对流传热过程的传热面几何尺寸往往不止一个，而关联式中的各准数所采用的特性尺寸通常是对流动和传热有决定性影响。应遵照所选用的关联式中规定特性尺寸。,3、定
24、性温度：各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法： 取流体平均温度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。,五、流体无相变时的对流传热系数经验关联式,（一）流体在管内强制对流传热,（二）流体在管外强制对流时的对流传热,（三）大空间自然对流的对流传热,（一）流体在管内强制对流传热,1、圆形直管内强制湍流,对于强制湍流，自然对流的影响可以忽略不计，即Gr0，所以：,（1）对于低黏度流体(2mPas的气体及
25、大部分液体), Re10000（即流动是充分湍流的）； 0.7Pr120（一般流体皆可满足，不适用于液体金属）； 低粘度流体(2mPas)； l/d60，即管内流动是充分发展的； 特征尺寸l=d（管内径）； 定性温度为进、出口流体主体温度，取进、出口的算术平均值，即,应用条件,（2）对于高黏度流体,、w液体在主体平均温度、壁温下的黏度。,应用条件：Re10000，0.7Pr16700， l/d60 特征尺寸l=d（管内径）， 定性温度为进、出口流体主体温度的算术平均值。 不适用于液体金属。,例4-4： 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
26、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，特性尺寸d=0.02m， 查得苯的物性数据： =860kg/m3，cp=1.80kJ/kg，=0.4510-3Pas， =0.14W/m,2、圆形直管内过渡流,当流体在管内呈过渡状态流动时，即2300Re10000，因湍流不充分，层流内层较厚，热阻大而小。通常先按湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一个小于1的校正系数f，即：,3、圆形直管内强制层流,只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比较小、流速比较
27、低的情况下，才有严格的层流传热。其他情况下，常伴有自然对流传热。,当Gr2.5 104时，自然对流的影响可忽略不计：,3、圆形直管内强制层流,当Gr2.5 104时，自然对流的影响不能忽略，应由上式计算的值再乘以校正系数f：,4、非圆形直管内强制对流,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，只将其中管子内径d用当量直径de代替即可。 ,（二）流体在管外强制对流传热,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,流体在管束外垂直流过时的对流传热系数可由下式计算：,适用范围： 5000Re70000，x
28、1/d=1.25，x2/d=1.25。 特性尺寸取管外径d1， 定性温度流体进出口温度的算术平均值； 流速u取流动方向上最窄流道处的流速，即最大流速。,C，n取决于排列方式和管排数，为排列系数，、n值视管束中管子排列方式不同而异。由实验测定 。,平均的对流传热系数 ：,（三）大空间自然对流传热,准数关联式可表示为：,或,NuC(GrPr)n,适用范围： (1)特性尺寸对水平管取管外径，对垂直管或垂直板取管长或板高； (2) 定性温度取膜温，即tm=(tw+t)/2； (3) Gr准数中，ttwt，tw为壁温，t为流体平均温度。,例4-6 一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度为1
29、20，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，特性尺寸0.159m， 70下空气物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694,六、流体有相变时的对流传热,（一）蒸汽冷凝传热,（二）液体沸腾传热,特点：相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此对流传热系数比无相变时的更大。,（一）蒸汽冷凝传热,1.蒸汽冷凝方式,当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，饱和蒸汽放出潜热冷凝成液体，而使另一侧的流体被加热。,2.蒸汽在水平管外膜状冷凝对流传热系
30、数,r蒸气冷凝潜热，取饱和温度ts下的数值，kJ/kg； 冷凝液的密度，kg/m3； 冷凝液的导热系数，W/(mK) 冷凝液的粘度，Pas； n水平管束在垂直列上的管子数， 若为单根水平管，则n =1。 定性温度取膜温，即t(ts+tw)/2；特性尺寸取管外径d0。,(2)蒸汽在垂直管外(或板上)冷凝,3.蒸汽在垂直管外(或板上)膜状冷凝对流传热系数,应用条件： 1、特征尺寸l为管长或板高； 2、各物性参数是凝液的物性，定性温度取： 3、r为汽化潜热； 4、t =twts。,4.影响冷凝传热的因素及强化措施,（1）不凝性气体的影响： 当蒸汽中含空气量达1%时，下降60%左右。因此，在冷凝器的设
31、计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对的影响。,流体的物性、冷凝壁面的尺寸和放置位置、冷凝传热温度差等都是影响膜状冷凝传热的因素，此外还有以下重要因素：,（2）蒸汽流速与流向的影响 当u10m/s时，应考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄,； 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚，；但u时，会吹散液膜，。 一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于。,（3）蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。 twts时，壁面无冷凝，此时为无相变的对流传热过程。 twts
32、时，由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝。 冷凝的推动力仍为t=tstw。 一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，但此时应把显热和潜热都考虑进来，即用r代替r进行计算。,（4）传热面的形状和位置 冷凝给热过程的热阻集中于液膜，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。 对垂直壁面，可在壁面上开纵向沟槽，还可在壁面上安装金属丝或翅片； 对水平管束，可减少垂直方向上的管排数目，或将管束由直列改为错列。,（二） 液体沸腾传热,容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化产生大量气泡的过程称为液体沸腾。 化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等
33、，都是通过液体沸腾而产生蒸汽。,按其沸腾所处的空间可分为 大容器沸腾（池内沸腾）：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。 管内沸腾（强制对流沸腾） ：汽泡不能自由浮升，被迫与液体一起流动。,1、大容器沸腾,饱和沸腾： tlts，则离开加热面的气泡不再重新凝结。 过冷沸腾：tlts,加热面上产生的气泡在脱离之前、或脱离之后在液流主体中重新凝结。,产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、有汽化核心,过热度： t=tl-ts,2、沸腾曲线,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作（大，tW小）。 转折点C称为临界点（烧毁点），其对应临界值tc、c、qc。对于常压水在大容器内沸腾
34、时：tc=25C、qc=1.25106W/m2。,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 在核状沸腾区, C(t)m。式中C和m是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般m23。,3影响沸腾传热的因素,(4)加热面的状况 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。 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。,此外，设备结构、加热面形状、材料性质以及液体深度等都
35、会对沸腾传热有影响。,4、沸腾给热过程的强化,a 采用机械加工或腐蚀的方法将金属表面粗糙化。 据报导，用这种方法制造的铜表面可提高沸腾给热系数80%。 b 在沸腾液体中加入某种少量的添加剂（如Et-OH，丙酮等）改变液体的表面张力，可提高20100%。同时，添加剂还可以提高沸腾液体的临界热负荷。,5、对流传热系数的选用,(1) 分析所处理的问题属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变化等。 (2) 特别注意所选用的公式被规定的使用范围，包括规定的特性尺寸、定性温度等。 (3) 计算流体在圆形直管内作强制对流的对流传热系数时，由于事先不知是湍流、层流或过渡流，所以用试差法进行计算，即先
36、假设流型，选用相应的公式，按公式规定的定性温度查取物性数据，再计算Re数，Pr数，验证假设是否正确。 (4) 注意公式中物性数据的单位，特别是经验式中的单位。,若传热推动力增加一倍，则下述几种流动条件下传热速率增加的倍数各为多少？ A圆管内强制湍流增加_倍； B大容积自然对流增加_倍； C大容积饱和沸腾增加_倍； D蒸汽膜状冷凝增加_倍；,思考计算：,4.4 传热计算,一、热量衡算 二、传热平均温度差 三、总传热系数 四、壁温的计算,传热计算,化工原理中所涉及的传热计算分两类： 设计计算：根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定换热器的传热面积，进而设计或选用合适的换热器； 操作计算：对给
37、定的换热器计算其在一定操作条件下的传热量、流体的流量、温度或某项参数变化时对其传热能力的影响等。 两者计算的依据：热量衡算方程和传热速率方程。,传热速率方程式,在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差tm成正比。即传热速率方程式为：,一、热量衡算,无热损失：,无相变时：,式中 Q 热冷流体放出或吸收的热量，J/s； qm1,qm2热冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热冷流体的比热容， J/(s. ) ； h1,h2 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 热流体的进出口焓， J/kg 。,一、热量衡算,有相变时：,式中 r 热流体的汽化潜热，kJ/kg； TS 热
38、流体的饱和温度，。,传热计算的出发点和核心：,热计算应注意以下两个问题：,(1) 比热是物性参数，当物质一定时，比热因温度不同而异。 通常取平均比热进行计算，即取定性温度下的比热。 若物料温度由t1升至t2，则其平均比热取（t1+t2)/2温度下的比热值。,(2)热负荷与传热速率是两个独立的概念。 热负荷是由工艺条件决定的，如工艺要求将qm1物料由温度T1降至T2，放出的热量依热量衡算式计算，即Q = qm1cp1(T1T2) 传热速率是指某台换热器在一定操作条件下的换热能力，该换热能力的大小依传热速率方程式计算，即Q = KAtm,二、变温传热,二、 传热平均温度差,一、恒温传热,逆流,1、
39、逆流和并流时的tm,假设：1）定态传热、定态流动，qm1、 qm2一定。,2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的比热容。,3）K沿管长不变化。,4）热损失忽略不计。,逆流时的tm,逆流时的tm,在换热器中取一微元体，其微元面积为dA，传热速率为dQ，热流体温度变化dT，冷流体温度变化dt。据热量衡算方程式： 热流体放出热量： dQ=qm1Cp1dT 冷流体吸收热量：dQ=qm2Cp2dt,用tQ直线的两端点表示其斜率：,此为适用于整个换热器的总传热速率方程式。 是传热计算的基本方程式。,tm称为对数平均温度差， 是换热器两端流体温度差的对数平均值。,说 明,1）也适用于并流。,2）较大
40、温差记为t1，较小温差记为t2。 3）当t1/t22，则可用算术平均值代替。,4）当t1t2时，,例题：教材例4-12,在相同的进出口温度下，平均温度差tm逆 tm并，故传热面积 A逆A并。,从计算结果可知：,传热量相同时，逆流可以节省冷却剂或加热剂的用量。,在某些生产过程有特殊要求，如冷流体被加热温度或热流体被冷却温度不得超过某一规定值时，并流较易控制；当加热粘度大的液体时，并流可使其迅速升温流动性好等，这时宜采用并流操作。,：逆流时的平均温度差,2、错流、折流时的tm,对于折流或错流，常采用安德伍德(Underwood)和鲍曼(Bowman)提出的图算法。其方法是先按逆流计算tm逆，再乘以
41、考虑流动型式的温差校正系数，即：,有一套管式换热器，内管为180mm10mm的钢管，内管中有质量流量为3000kg/h的热水，从90冷却到60。环隙中冷却水从20升到50 。换热器的总传热系数为2000 W/（m2）。 试求（1）冷却水用量； （2）并流流动时的平均温度差及所需的传热面积； （3）逆流流动时的平均温度差及所需的传热面积。,课堂练习题,例4-9 在一单壳程、四管程换热器中，用水冷却热油。用冷水管内流动，进口温度为15，出口温度为32。热油在壳方流动，进口温度为120，出口温度为40。热油的流量为1.25kg/s,平均比热为1.9kJ/（kg.）。若换热器的总传热系数为470 W/
42、（m2）， 试求换热器的传热面积。,解：换热器传热面积可根据总传热速率方程求得，即：,换热器的传热量为：,1-4型列管换热器的对数平均温度差，先按逆流计算，即：,由图查得：,所以,三、 总传热系数,对于稳定传热,式中 K总传热系数，W/(m2K)。,1以传热面A1为基准(dA=dA1):,讨 论：,K1以传热面A1为基准的总传热系数； dm换热管的对数平均直径。,2. 以传热面A2为基准(dA=dA2) ：,K2以传热面A2为基准的总传热系数,3. 以传热面Am为基准(dA=dAm) ：,Km以传热面Am为基准的总传热系数,4当传热壁为平壁或薄壁管时，dA=dA1=dA2=dAm,51/K值的
43、物理意义,例4-12 在内管为1052.5mm的套管换热器中，流量为0.14kg/s的盐水从293K加热到333K，采用常压蒸汽在管外加热，蒸汽温度为373K，内管的导热系数为47W/(m.K)，25%盐水的给热系数为417W/(m2.K)，蒸汽在管外的给热系数为1111 W/(m2.K)， 求加热套管的长度应为多少米？ 盐水的比热为2100J/(kg.K)。,解：,若计算基于外壳表面的K2，则过程如下：,2、污垢热阻,以平壁计的总传热系数K值计算式如下：,对于圆管以A1为基准的总传热系数K值计算式如下：,式中 Rd1、Rd2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,2、污垢热阻,根据传热速率方程式
44、：Q=KAtm ，可以得到：,在一传热面积A为已知的换热器中，测定流体的流量，进、出口温度，计算其传热量即可求得K。 Q = qm1cp1(T1T2) 或 Q = qm2cp2(t2t1),3、总传热系数的实验测定,稳态传热时：,四、壁温计算,所以壁温可由以下三式计算,1大，即b/Am小，热阻小，tW=TW,2两侧有污垢,即壁温接近于较大热阻较小侧流体的温度。,3当tW=TW时，,4.4 传热计算,一、热量衡算 二、传热平均温度差 三、总传热系数 四、壁温的计算,【例4-13】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝温度为40，冷凝传热系数
45、=7000KW/m2K。冷却水走管内，其进、出口温度分别为32和36，污垢及管壁热阻取为0.0009m2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试校核该换热器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格 252.5mm 管长 l=4m 管程数 m=4 总管数 N=272根 外壳直径 D=700mm 附：氨冷凝潜热 r=1099kJ/kg 34下水的物性：,解：,思考题,1.金属的导热系数大都随其纯度的增加而_，随其温度的升高而_。 2.对流传热的热阻主要集中在_，因此，_是强化对流传热的重要途径。 3.多层圆筒壁稳定导热时通过各层的热流密度相等吗？ 4.由多层等厚平壁
46、构成的导热壁面中, 所用材料导热系数愈大， 则该壁面的热阻就_, 其两侧的温度差愈_。,5.在稳态传热中，凡热阻大处其温差也大。 （ ） 6.一杯开水（100）置于20的静止空气中，问杯子两侧流体的传热各属何种类型？哪一侧热阻大？ 若将杯子浸在20的冷水中，能否增强传热？ 若使杯外的空气流动，问能否增强传热？ 7.一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应，主要原因是。,思考题,例4-15 某列管式换热器由252.5mm的钢管组成，热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的1=40W/m2，管外水侧2=3000W/m2。空气侧污垢热阻Rd10.5310-3
47、m2/ W，水侧Rd20.2110-3 m2/ W，钢的=45 W/m， 试求基于外表面的K值。 为提高总的传热系数，在上述条件不变时，分别提高不同流体的对流传热系数，即a)将1提高1倍；b) 将2提高1倍，分别求K值。,例4-14 某工业酒精精馏塔顶的全凝器，塔顶为工业酒精的饱和蒸汽，温度为78，汽化潜热为850kJ/kg，蒸汽流速为3340kg/h。全凝器用302.5mm钢管，管内通以冷却水，冷却水的流速为0.5m/s。现测得冷却水的进出口温度分别为20和40。 30水的物理数据如下：=995.7kg/m3，=0.817cP，=0.618W/(m.K)，Cp=4174J/(kg.K)。已知酒精蒸汽对管壁的冷凝给热系数=2268W/(m2.K)，钢管的导热系数=45W/(m.K)， 试求该换热器的冷却水消耗量和传热面积。忽略污垢热阻。,解：,例4-16 有一单管路的的列管式换热器，其规格如下：管径为252.5mm，管长3m，管数37根，今采用此换热器冷凝并冷却CS2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，冷凝潜热为351.7kJ/kg。冷却水在管内进口温度为