第五章 传热.ppt

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1、化工原理电子教案/目录,1,目录,第五章 传热及设备 第一节 概述 第二节 热传导 一、傅里叶定律 二、热导率 三、一维平壁稳态热传导 四、一维圆筒壁稳态热传导,化工原理电子教案/目录,2,目录,第三节 对流传热 一、实验法求 二、各种情形下的经验式 （一）无相变 1、管内层流 2、管内湍流 3、管外强制对流 4、自然对流 （二）有相变 1、冷凝 2、沸腾 对流传热系数小结 的数量级,化工原理电子教案/目录,3,目录,第四节 间壁式换热器的传热 一、换热器简介 二、间壁式换热器的传热过程分析 三、间壁式换热器的传热过程计算 1、总传热速率方程 2、Q的计算 3、 K的计算 4、tm的计算 5、

2、传热单元数法 习题课 6、壁温的计算,化工原理电子教案/目录,4,目录,第五节 间壁式换热器介绍（教材第六章） 一、列管式换热器（管壳式换热器） 二、其它类型的换热器 三、传热过程的强化,化工原理电子教案/目录,5,目录,第六节 辐射传热 一、基本概念 二、物体的辐射能力 三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 四、气体热辐射的特点 五、辐射、对流的联合传热,第三版第18次印刷的教材更正,第五章小结,6/141,第五章 传热及设备,第一节 概述,热传导 （导热）,对流传热,辐射传热,传热有三种方式：(举例电热炉烧水),机理：,相互接触的物质之间 静止的物质内部 层流流动的物质内部,发生在,管内

3、层流,热量入,对流传热系数或给热系数，W/m2K,气体-靠分子或原子的无规则若运动； 固体-金属靠自由电子，非金属靠晶格的震动 液体-两种观点（见教材）,导热,导热,自然对流,7/141,第二节 热传导,一、傅里叶定律,1、基本概念,单位时间传递的热量，J/s,单位传热面积上的传热速率，J/m2s，矢量，方向为传热面的法线方向,q,温度相同的点组成的面,两等温面的温差与两等温面间的任一距离之比,两等温面的温差与两等温面间的法向距离（最短）之比,等温面,等温面,8/141,2、傅里叶定律,称为热导率, 单位为W/(mK),q,对照：牛顿黏性定律，形式上很相似,9/141,物理含义：代表单位温度梯

4、度下的热通量大小， 故物质的越大，导热性能越好。 一般地， 导电固体 非导电固体， 液体 气体（见图5-4）,二、热导率,属物性,影响因素：与物质种类、T、浓度有关，一般与 P 无关 T ， 气体 水， 甘油，其它液体的 金属， 非金属。,获取方法：,查相关物性数据手册，如附录二四。,10/141,三、一维平壁稳态热传导,1. 无限大单层平壁（无内热源）稳态导热,-可见温度分布为直线,若为常数，则：,特点：属一维导热，A为常数， Q为常数,11/141,2、无限大多层平壁一维稳态导热（无内热源）,三、一维平壁稳态热传导,特点：同单层平壁,此外，通过每一层的Q（或 q）都相同,对每一层均有：,作

5、业：,12/141,三、一维平壁稳态热传导,思考1：若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温 度为t0、对流传热系数为，则传热量如何计算？,t1,t4,13/141,1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,特点：属一维导热，A常数， Q为常数， q常数,若为常数，则：,-可见温度分布 为对数关系,在(t1，t)积分，得：,在(t1，t2)积分，得：,14/141,1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,-对数平均半径,三种平均的比较,15/141,对数平均、算术平均、几何平均的比较：,红线-算术平均（最大）黄线-几何平均（其次

6、）绿线-对数平均（最小）,平均值,x=5时,对数平均,几何平均,算术平均,返回上页,且x与y相差越大，对数平均值与x、y中最小者越接近,16/141,2、无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,对每一层均有：,教材更正： P141例5-4中每米管长的热损失计算式左边应为Q，不应为Q/L，单位应为W，不应为W/m。,17/141,四、一维圆筒壁稳态热传导,思考2： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,b,b,1,2,Q,Q,b,b,2,1,作业：,18/141,影响因素： 接触面的粗糙程度， 接触面的压紧力， 接触面空隙内的流体性质。

7、,接触热阻：两固体之间由于未紧密接触而导致的,接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,返回目录,19/141,第三节 对流传热,回忆：什么是对流传热？,强制对流-湍流流动的流体与外界的传热,自然对流-静止流体、层流流动流体与外界的传热,牛顿冷却定律：,流向,近壁面传热放大图,20/141,第三节 对流传热,获得的主要方法：,理论分析法 解析求解、数值求解 实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。,牛顿冷却定律：,21/141,一、实验法求,影响的因素主要有： 1.引起流动的原因：自然对流和强制对流 2.流动型态：层流或湍流 3.流体的性质：、cp、等 4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与

8、平板、垂直与水平、 管内与管外等 5.有相变与无相变： cp或汽化潜热r,量纲分析法：回忆第一章有关内容,用量纲分析法、再结合实验，建立经验关系式。,定理：,22/141,一、实验法求,-格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的“雷诺数”,无因次数群：,-努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比,-普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的Pr1,23/141,一、实验法求,故,定性温度：确定物性的温度，有两种,主体平均温度,膜温,24/141,二、各种情形下的经验式,（一） 无相变时,当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，式（5-65）乘上一个大于1的校正系数：,1、管内层

9、流时,0.6Pr6700， Gr25000（自然对流影响可以忽略）， 温差（壁温与流体主体温度之差）不大。,使用范围为： 管子的进口段， 恒壁温、 Re2300、,思考：为什么需乘上一个大于1的校正系数？,见教材P166页式（5-65）,-传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）,25/141,二、各种情形下的经验式,2、管内湍流,（教材式5-63）,26/141,二、各种情形下的经验式,2、管内湍流,（教材式5-63）,思考1：与u、d有何比例关系？,思考2：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？,气体的Pr1,液体被加热,或气体被冷却,或气体被加热,速度分布,时，变大,时，变小,作业：,

10、27/141,Why？,Why？,若不满足适用范围时，需修正：,（1）对于短管，L/d50,乘上一个大于1的校正系数，见图5-25,（2）当壁面与流体主体温差较大时，需引入一个校正项：,教材式（5-64）,（5）非圆形管的强制湍流：,上式仍可使用，但需将d 换成 de,（4）弯管内：,乘上一个大于1的校正系数：式（5-68）,（3）过渡流：,乘上一个小于1的校正系数：式（5-67）,Why？,28/141,二、各种情形下的经验式,3、管外强制对流,（3）流体在管壳间的对流传热：,Why？,（1）流体横向流过单管传热：见图527,（2）流体横向流经管束（管簇）的传热：,处处不同，需平均。,式（5

11、-71）,有挡板，Re100即可达到湍流。式（5-72）,29/141,二、各种情形下的经验式,4、自然对流 （大空间）,C、n为经验常数。,式（5-75）,30/141,二、各种情形下的经验式,（二）有相变,竖直壁面：先层流，后湍流 层流：式（5-79）、式（5-79 b ） 湍流：式（5-82）,1、冷凝传热,膜状冷凝：,液膜是主要热阻,水平圆管外： 层流：式（5-80）,31/141,水平管束：,膜状冷凝传热的强化： 减薄冷凝液液膜厚度； 选择正确的蒸汽流动方向； 在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等； 用过热蒸汽； 及时排放不凝性气体。,第一排的与单管相似， 第二排的比第一排小

12、， 第三排的比第二排小， 若干排后，基本上不变。 平均比单排的小（式5-80与5-80a对比） 。,膜状冷凝：,32/141,二、各种情形下的经验式,2、沸腾传热（大容积）,（1）产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、 有汽化核心,（2）沸腾传热机理：气泡的不断形成、长大、脱离壁面，热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。,33/141,二、各种情形下的经验式,（3）大容积沸腾传热的沸腾曲线,沸腾曲线,过热度不大，气泡没有；,膜状沸腾,自然对流,核状沸腾,工业上常用,34/141,二、各种情形下的经验式,（4）核状沸腾传热系数的主要影响因素：,表面粗糙度：粗糙表面大，但粗糙度达到一定极限后

13、， 就基本上没影响了。,过热度： 与t的23次方成正比。,35/141,二、各种情形下的经验式,对流传热系数小结,注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸,36/141,的数量级,空气中,水中,总之：,油类中,返回目录,37/141,第四节 间壁式换热器的传热,换热器是导热方式、对流传热方式在工业应用中的典型代表。故在介绍完导热和对流传热之后，我们接着介绍换热器的传热过程及计算（教材第三节）。 首先，需简单了解一下换热器的结构（教材第六章），以便正确地进行换热器的计算。,38/141,第四节 间壁式换热器的传热,一、换热器简介,分类,换热器在我国石油化工、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业应用

14、极为普遍，占全部工艺设备投资的2040。,冷热流体直接接触，传热直接、效率高、热阻小,冷热流体隔一固体壁面，传热效率不如直接接触式。工业应用最广。,39/141,间壁式换热器：,管式：套管式*、列管式*、 蛇管式、喷淋式 板式：螺旋板、板式、 板翅式、翅片管式 热管： 夹套式：,请点击观看动画,以后再介绍,40/141,列管式换热器：,管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程,四管程,请点击观看动画,冷、热流体一次经过换热器,管程流体两次经过换热器,管程、壳程流体两次经过换热器,管程流体四次经过换热器,41/141,二、间壁式换热器的传热过程分析,2,1,三个串联传热环节

15、： 热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热,传热,间 壁,热流体,冷流体,流向,流向,42/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,1、 总传热速率方程,式中：,牛顿冷却定律：,热流体侧的 对流传热,dQ,间壁的导热,其中dA可取dA1、dAm、dA2等。,-总传热速率方程,冷流体侧的对流传热,43/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,-总传热热阻,Q,2、Q的计算,无相变时：,有相变时：,44/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,（1）查经验数据：表5-6 （2）实验测定 （3）分析计算,若取平均，微元面积可以用有限传热面积替代，则,（其中A可取A1、Am、A2均可）,3

16、、 K的计算,分析计算公式：,前面已推得：,45/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,Q,考虑到实际传热时，间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：,（其中A可取A1、Am、A2均可）,总热阻,对流热阻,污垢热阻,导热热阻,污垢热阻,对流热阻,若等号右边五项热阻中有一项特别大，则总热阻1/K的数值主要取决于这一最大者，这一最大热阻称为控制热阻。 设法减小控制热阻的值，可以显著地改善换热器的传热效果。,46/141,作业：,47/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,4、tm的计算,（1）恒温差传热,T,T,t,t,Q,-t 恒定不变，故,冷凝,沸腾,48/141,（2）变温差传热,-t 处处不

17、等,冷凝,沸腾,无相变,无相变,无相变,无相变,49/141,（2）变温差传热,以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：,前面已推得：,t2,t1,50/141,-对数平均温差,（逆、并流适用）,对照,得：,作业：,51/141,若流动非逆、并流，如错流、折流，则tm需采用相应的计算式，如式5-25。,工程上，为了简便计算， tm常用下述方法：,其中：,根据R、P查图,思考1：证明，相同进出口温度下， tm,逆总是大于tm,并。,思考2：为什么总是小于1？,52/141,小结,LMTD法-对数平均温差法 Logarithmic Mean Temperature Diffrence,（逆、并流）,（

18、其他流动情况）,53/141,5、传热单元数法（-NTU）,引入3个无量纲数群：,热容流量之比CR： 传热效率： 传热单元数NTU：,传热单元数法公式推导：,热流体,冷流体,54/141,5、传热单元数法（-NTU）,以逆流为例：,(),前面已推得：,55/141,5、传热单元数法（-NTU）,代入式（）中得：,（逆流总传热速率方程）,（逆流总传热速率方程）,类似地，有,故可统一写成：,（逆流总传热速率方程）,56/141,5、传热单元数法（-NTU）,（并流总传热速率方程）,参见图5-2022,类似推导可得并流时：,已知CR、NTU三者中任意两项，查图或用公式可以很方便地求出另外一项。,图5

19、-2022的规律：（比公式直观！） CR一定时，NTU，则； NTU一定时， CR，则。,57/141,（逆流总传热速率方程）,表示为相变过程。,思考1：使用式（5-44）、（5-45）时，是否有必要先判断哪种流体的热容流量较小？,思考2：逆流时，若CR=1，则NTU=？,思考3： CR=0代表什么含义？,不必,58/141,为什么称为“传热效率”？,实际传热速率：,最大可能传热速率：,当热流体的热容流量ms1cp1最小时,当冷流体的热容流量ms2cp2最小时：,的物理意义：,-传热效率,-传热效率,-传热效率,59/141,为什么称NTU为“传热单元数”？,什么是“传热单元”？,什么是“传热

20、单元数”？,传热单元的个数-传热单元数。 如图，传热单元数为5。,以逆流为例，将整个传热面分成若干段，,每一段均满足：,1,2,3,4,5,60/141,为什么称NTU为“传热单元数”？,1,2,3,4,5,61/141,传热单元数的几何意义：,思考1：传热单元数大好还是小好？,NTU就是图中阴影部分面积,如图，NTU小就意味着达到相同的出口温度（T2或t2）时，所需的A小。,62/141,小结,-NTU法,（逆流时）,（并流时）,或查图5-20,或查图5-21,查图,63/141,LMTD法与-NTU法比较,两种方法本质相同，至少应熟练掌握其中一种方法； 使用时方便程度各有优劣。详见下面的习

21、题课内容。,64/141,习题课,-根据换热任务，求取换热器面积。,-操作条件改变后，对已有的换热器换热 能力或出口温度进行核算。,65/141,习题课-设计型问题举例,【例1】在套管式油冷却器里，热油在252.5mm的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为216kg/h，油的进、出口温度分别为150和80，水的进口温度为20。油侧对流传热系数为1.5kW/m2K，水侧的对流传热系数为3.5kW/m2K ，油的比热为2.0kJ/kgK 。 试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。 忽略污垢热阻及管壁导热热阻。,252.5mm,66/141,【解法一】 ： LMTD 法,逆流时

22、：,(以外表面为基准),252.5mm,67/141,252.5mm,并流时：,68/141,结论：在相同条件下，,逆流,并流,69/141,逆流时：,按冷、热流体当中的任一计算均可。以下以热流密度最小的热流体为基准计算。,代入式（1）得：,252.5mm,【解法二】 ： -NTU法,（逆流时）,（1）,70/141,(以外表面为基准),-参见解法一,71/141,并流时：,代入式（2）得：,72/141,总结：对设计型问题，建议使用LMTD法。,作业：,73/141,习题课-操作型问题计算举例,【例2】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，

23、冷凝温度为40，冷凝传热系数1=7000W/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0.0009 m2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试核算该换热器是否合用？ 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：,74/141,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,【解法一】 ： LMTD 法,根据已定的换热任务，求出所需面积A需，然后与实际已给的面积A实比较。若A需A实，则换热器合用。

24、这样，将上述操作型问题转化为了设计型问题。,其中：,75/141,1=7000kW/m2K,污垢及管壁热阻为Ra2=0.0009 m2K/W（以外表面计）,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,代入下式：,76/141,即换热器合用,!注意 此题比较Q也可以，但比较K或tm则不妥。,77/141,【解法二】 ： -NTU法,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,逆流。因热流体有相变，按冷流体计算较为方便，此时,前已求得：,78/141,习题课-操作型问题计算举例,【例3】如图所示，单管程列管式换热器，内有180根191.5mm的管子，每根长3米，管内走流量为

25、2000 kg/h的冷流体，与热流体进行逆流换热，其进口温度为30。已知(ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 （下标2代表冷流体，下标1代表热流体）。冷流体的Cp2=1.05kJ/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体的进口温度为T1=150，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。试求热流体的出口温度T2。,79/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,注意：不必试差！,【解法一】 ：

26、LMTD 法,80/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,81/141,（1）,又,（2）,联立求解式1、2得：,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,82/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp

27、2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,【解法二】 ： -NTU法,ms2cp2=2000 1050/3600=583.33W/(),A2=Nd2L180 0.016 3=27.130m2,类似解法一求得：,（逆流时）,83/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,（逆流时）,（逆流）,84/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2

28、) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)， 2=210-2cP， 2=0.0289W/(m)， 热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,对照：LMTD法,又,85/141,总结： 对操作型问题，两种方法均可用，但 -NTU法计算量少些。注意：两种方法均不必试差。,86/141,习题课-操作型问题定性分析,【例4】无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换热，今若热流体的质量流量增大，而其它操作参数不变，试定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,快速分析法：,【解法一】,87/141,总结： “快速分析法”是基于换热的基本规律而做出的简单推断，是工程上常用的有效、快捷的

29、方法，这种方法并不能处理所有问题，尚需掌握下面要介绍的两种方法之一。,88/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,【解法二】 ： -NTU法,K：,T2：,t2：,教材图5-2022,-NTU法,K,由教材图5-2022,89/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,Q：,逆流,并流,tm：,作图知，无法判断,90/141,总结： “-NTU法”要用到-NTU-CR关系图。能处理所有问题，是需掌握的方法之一。,91/141,【解法三】：LMTD法,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,K：,K,(1),(2),(3),(4),92/141,定性分析K、Q、

30、t2、T2、tm的变化趋势。,Q：,排除法,(1),(2),(3),(4),假设Q不变,假设Q变小,式（1）,tm,式（2）,T2,式（3）,t2不变,ms1,并流,逆流,如图,tm,矛盾，故假设不成立,93/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,Q：,排除法,(1),(2),(3),(4),假设Q,式（1）,tm,式（2）,T2,式（3）,t2,ms1,并流,逆流,如图,tm,矛盾，故假设不成立,94/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,t2：,(1),(2),(3),(4),t2,式（3）,并流,逆流,T2：,排除法,假设T2不变,式（2）,t2,作图,K

31、随ms1增 加的幅度 小于0.8次方,式（4）,式（1）,Q随ms1增 加的幅度 小于0.8次方,矛盾，故假设不成立,假设T2,95/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,(1),(2),(3),(4),并流,逆流,式（2）,t2,作图,K随ms1增加的幅度小于0.8次方,式（4）,式（1）,Q随ms1增加的幅度小于0.8次方,矛盾，故假设不成立,假设T2,Q随ms1增加的幅度大于1次方,96/141,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,tm：,作图知，无法判断（同解法二）,97/141,总结： 对操作型问题的定性分析，用-NTU 法更简便些。,98/141,练习1

32、无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，今若冷流体的进口温度t1下降，而其它操作参数不变，试定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,T1,t2,t1,T2,99/141,快速分析法： t1，则必有t2，Q，K不变。故T2。,【解法一】,t2,t1,T1,T2,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,100/141,t2,t1,T1,T2,【解法二】 ： -NTU法,教材图5-2022,-NTU法,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,101/141,t1,T1,T2,定性分析K、Q、t2、T2、tm的变化趋势。,【解法三】：LMTD法,Q：,K：,t2：,T2：,tm：

33、,(1),(2),(3),(4),排除法,式（2）,式（1）,作图,102/141,练习2： 在一列管式换热器中用饱和水蒸汽预热某有机溶液（无相变），蒸汽走壳程，今若蒸汽压力变大，而其它操作参数不变，试定性分析K、Q、t2、tm的变化趋势。,蒸汽压力变大，则T变大,K不变，Q，故t2 ，tm,103/141,练习3： 无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，今若将单管程变成双管程，而其它操作参数不变，试定性分析K、Q、T2、t2、tm的变化趋势。,单管程变成双管程，则u，故1，K ，NTU 。 而CR不变。,T2 ，t2,tm,Q,104/141,作业：,105/141,6、壁温的计算,计

34、算需要壁温；选择换热管材料需要壁温。,对稳定传热过程，有：,思考：若管壁热阻忽略，热流体侧1远大于冷流体侧 2 ，则壁温更接近哪一侧流体的温度？,更接近热流体的温度,返回目录,106/141,第五节 间壁式换热器介绍（教材第六章）,间壁式换热器：,该换热器使用最广泛，技术最成熟。本节将详细介绍，其它换热器作一般性介绍。,107/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,1、构造,列管式（管壳式）换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。,108/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,壳体、管板、

35、管束、顶盖（封头）、挡板,109/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,当壳体和管壁之间的温差在50以上时，由于两者热膨胀程度不同，可能会出现将管子扭曲或从管板上拉松，因此，要考虑温度补偿问题。,2、温度补偿问题：,110/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,思考：如何判断管壁温度tw、壳体壁温Tw更接近哪一个温度：热流体 温度T、冷流体温度t or环境温度 t0？,若0大，则Tw更接近t0；若1大，则Tw更接近T。,若1大，则tw 更接近T ；若2大，则tw更接近t。,111/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,3、温度补偿方法：,换热器两端管板和壳体是连为一体的（见图6-1

36、0）。 当壳体和管子之间的温差较小（6070 )且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。,（1）补偿圈补偿-固定管板式换热器,特点：,结构简单、制造成本低，,适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、 不易结垢的场合。,112/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,（2）浮头补偿-浮头式换热器,特点：,（3）U型管补偿-U型管式换热器,一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来（见图6-11）。,用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。,适用于壳体与管束间温差大、 需经常进行管内、外清洗的场合。,每根管子都为U形，可以自由伸缩（

37、见图6-12）。,特点：,113/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,4、选用、设计简介,已知：换热任务（一种流体的进、出口温度、流量）,设计内容：,冷却剂或加热剂的选定：,常用的冷却剂有：水、空气、液氨、冷冻盐水等,常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、热油、联苯混合物、烟道气等,114/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,冷、热流体的走向：,管径、管长、管数、管子排布计算：,一般原则： 不洁净的或易结垢的流体- 腐蚀性流体- 压力高的- 温度远高于环境的或远低于环境的流体- 蒸汽- 粘度大的或流量较小的流体-,易于清洗侧,管程,壳程,管程,管程,壳程（便于排放冷凝液及不凝性气体）,以

38、上几点有时会相互矛盾，应抓住主要方面。,按第一章和本章计算公式。,115/141,二、其它类型的换热器,间壁式换热器：,特点：高效、紧凑，在许多方面优于管壳式换热器。 7080年代是国外PHE(plate heat exchangers)发展的鼎盛时期。我国由于试验研究基础薄弱，设计技术水平不高，制造与检验手段落后，技术开发力量分散等原因，品种还不多，质量也不高。,请点击观看动画,请点击观看动画,请点击观看动画,请点击观看动画,116/141,三、传热过程的强化,强化传热目的： 用较少的传热面积或较小的设备（A）完成同样的传热任务（Q）; 或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量（Q/A

39、）尽可能地大。,1、提高tm-操作中采用此法不经济，工业上还要设法降低tm；但设计中： (1)采用逆流流动 (2)尽量采用高温加热剂或低温冷却剂。,2、采用新型高效的换热设备 例如，一般管壳式换热器每1m3体积的传热面积约为150m2左右，而板式换热器可达1500m2左右，板翅式高达5000 m2左右。,117/141,三、传热过程的强化,换热表面粗糙法： 采用带环向凸出物的横纹管 管壁上绕上细金属丝 管壁上开槽,3、提高K,要设法减小热阻较大项，才能有效地提高K值。,118/141,三、传热过程的强化,流体旋转法: 采用螺纹管、在管内插入纽带等，使流体作旋转流动。,换热表面特殊处理法： 将换

40、热表面经特殊处理，加工成表面多孔管，使换热表面具有大量稳定的汽化核心，可大大强化沸腾传热过程。,换热表面扩展法： 采用各种形状的肋片管。,返回目录,119/141,第六节 辐射传热,一、基本概念,1、什么是辐射传热？,2、吸收率、发射率、透过率,热辐射线波长在0.4m40m，主要有可见光、红外线,靠电磁波传热的方式，称为。,自然界中凡是温度在0 K以上的物体，都会不停地向四周发射热辐射能。,120/141,3黑体、白体、透热体、灰体,灰体-以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体。工业用的大多数固体材料可近似为灰体。,-透热体，如单原子或对称双原子构成的气 体（ He ， H2，O2 等）,

41、吸收率A1,反射率R1,透过率D1,-绝对黑体，如没有光泽的黑漆,-绝对白体或镜体，如十分光亮的金属,如图可见，实际物体的辐射特性曲线过于复杂，工程上为方便处理，以灰体近似替代实际物体。,！注意：灰体是一种假想体。,121/141,二、物体的辐射（发射）能力,辐射能力：单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射 能量，用E表示，单位W/m2。又称发射能力。,根据普朗克量子理论，有,1、黑体的辐射能力Eb,所有物体中，黑体的发射能力最强。,-斯蒂芬波尔茨曼定律,122/141,二、物体的辐射（发射）能力,-黑度（或辐射率）,属物性，与材料性质和温度、浓度等有关,3、与A的关系-克希霍夫定律,2、

42、灰体的辐射能力E,E,Eb,AEb,T T,比黑体的小。,对虚线所示面能量衡算：,如图两壁面无限大且相距很近。,注意： 只是数值上相等 发射能力强的吸收能力也强,123/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,如图两物体之间的辐射传热量QAB不仅与两物体的发射能力有关，还与两者的相互位置、周围环境的对其辐射有关，很复杂。本节重点讨论两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率的计算。,QAB,环境,环境,124/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,影响角系数的因素： 两物体间的距离r、两物体表面积A、两物体的放置角度等。,1、角系数,辐射能被拦截的百分数，用12、 21表示,可以证明

43、：,125/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,思考2：如图，两相距很近的无限大平板，角系数为多少？,思考1：如图，由N个面组成的闭合体，任一面的所有角系数之和为多少？,126/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,-投入辐射,W/m2,-有效辐射， W/m2,2、几个概念,物体与环境交换的热量,物体,环境,127/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,3、对两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率Q1-2：,对灰体1（灰体2）表面作热量衡算，有：,J1,G1,128/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,对灰体1与灰体2之间的任一面作热量衡算，有：,表面热

44、阻,表面热阻,J1,J2,空间热阻,加和定理,129/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,（式5-98，式5-102）,130/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,（式5-98，式5-102）,1-2=1，A1=A2=A小,1-2=1，,（式5-97）,具体地：,1-2=1，,（式5-101）,A1=A小,131/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,思考：如图所示，写出两无限大平行平板之间平行插入第三块板时的辐射传热量计算式。,表面热阻,空间热阻,空间热阻,表面热阻,表面热阻,表面热阻,132/141,三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率,对照：两无限大平

45、行平板之间的辐射传热,热屏,133/141,影响辐射传热的因素：,温度：与T4有关，,表面黑度：,介质：如插入热屏，增大热阻，减小Q,几何位置：1-2,134/141,四、气体热辐射的特点,只有不对称的双原子气体和多原子气体具有热辐射能力； 气体只在某些波段范围内具有热辐射能力； 气体的热辐射发生在整个体积内，而不是在表面。且沿程变化。,135/141,五、辐射、对流的联合传热,其中：,暴露在空气中的设备的热损失计算中：,联合传热膜系数，用经验式计算,136/141,作业：,返回目录,137/141,第四章、第五章小结,导热 概念：导热系数（单位、固液气的相对大小、t对的影响） 公式：,1、傅

46、立叶定律,2、一维稳态导热,138/141,第四章、第五章小结,对流 概念：各种对流传热情况下的影响因素、数量级 几个准数：Nu、Pr 公式,1、牛顿冷却定律 2、管内湍流时：,适用条件,139/141,第四章、第五章小结,辐射 概念：黑体、灰体、吸收率、黑度、角系数 公式：,-两灰体组成的封闭体系,140/141,第四章、第五章小结,换热器* 概念：传热的三个环节、传热单元 公式：,设备：列管式换热器的结构、热补偿方法、 流程选择 原则、强化传热措施,LMTD法：公式略,-NTU法 ：公式略,设计型、操作型问题计算、分析,141/141,第三版第18次印刷的教材更正,P194习题5-9中，1 改为2， 2 改为1，Rs2改为Rs1,习题5-21答案改为 733,