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1、第四章第四章 传热传热 ( Heat transfer )( Heat transfer ) 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；傅立叶定律及其应用；传热系数计算 及测定方法，换热面积的确定方法；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、传热膜概念，有相变 传热过程的膜系数计算，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。 本章学习要求：本章学习要求： 第一节第一节 概述概述 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
2、处传递到低温处。因此，传热 是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化 工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问 题。 一、传热在化工生产中的应用 化学工业与传热的关系尤为密切。因为无论是生产中的化学反应过程，还是 物理过程（即化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。主要应用有以下方 面： 1、为化学反应过程创造必要的条件； 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470520；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
3、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）。 以合成氨生产过程为例： 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。 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
4、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 。 因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。 化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况： 一是强化传热，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。另一种是削弱传热 ，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。 为此，必须掌握传热的共同规律。 化工传热过程可连续亦可间歇进行。对于前者，传热系统中不 积累热量，即输入系统的热量等于输出系统的热量，称为稳定 传热（又称定态传热）。稳定传热的特点是传热速率为常数， 并且系统中各
5、点的温度仅随位置变化而与时间无关。对于后者 ，传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化，称为 不稳定传热（又称非定态传热）。本章中除非另有说明，只讨 论稳定传热。 二、传热的基本方式 根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射 。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 （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运动来传递
6、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。发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。 在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的 传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热 过程也应属于导热的范畴。过程也应属于导热的范畴。 所以说：固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂
7、直所以说：固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直 于流动方向上的传热均属于导热。于流动方向上的传热均属于导热。 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。宏观迁移。 （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，又可分为同，又可分为强制对流强制对流和和自然对流自然对流。 若
8、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。、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。流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。 例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉 子表面的空气被加热升温后，密度减小而
9、上浮，离炉子表面较远的空子表面的空气被加热升温后，密度减小而上浮，离炉子表面较远的空 气温度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的气温度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的 结果。结果。 流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程 的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流 过程通常控制为强制对流方式。过程通常控制为强制对流方式。 （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
10、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。 因此，辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的 结果。辐射传热不仅是能量的传递，同时还伴有能量形 式的转换。热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真 空中传播。这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点 。应予指出，只有物体温度较高时，辐射传热才能成为 主要的传热方式（如化工生产现场的管式炉）。
11、实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现， 而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽 真空的目的就是为了减少导热过程的损失；瓶口加塞就 是为了减少对流损失；内胆镀银是为减少辐射传热的损 失。再如，化工生产中普遍使用的间壁式换热器中的传 热，主要是以热对流和导热相结合的方式进行的。有关 内容将在后文中详细介绍。 三、工业换热器 1、混合式换热器 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，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
12、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。 废蒸气 冷水 热水 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。 3、蓄热式换热器 蓄热式换热器，简称蓄热器。是 借助蓄热体将热量由热流体传给 冷流体的。在此类换热器中，热 、冷流体交替进入，热流体将热 量储存在蓄热体中，然后由冷流 体取走，从而
13、达到换热的目的。 此类换热器结构简单，可耐高温 ，缺点是设备体积庞大，传热效 率低且两流体有部分混合。常用 于高温气体热量的回收或冷却。 如在煤气发生炉中，就是利用空 气煤气的生成热（即碳与氧气反 应释放的热量）来提高炉温并在 炉体中积蓄热量，为后续的水煤 气制气过程提供热量的（即碳与 水蒸气反应需吸收的热量）。 高温流体 低温流体 蓄热体 4、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。其换热原理 是：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。如空调 的制冷循环、太阳能供热设
14、 备、热管式换热器等均属此 类。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。 换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方 法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介 绍。 四、传热速率和热通量 1 、传热速率Q（热流量） 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； 2 、热通量q 指单位时间内通过单位传热面积缩传递的热量。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。 第五节第五节 热传导热传导 一、傅立叶定律 （一）导热的分类 由热传导引起的传热速率称
15、为导热速率，其与导热体 内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间 上的温度分布称为温度场。 热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自由电子运动进 行热量传递的过程。前已述及，导热在固体、液体、气体中均可 发生。但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体 体即使处于静止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以， 在流体中对流与传导是同时发生的。鉴此，本节只讨论固体中的 导热问题，并结合工程实际介绍导热过程的计算方法。 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, ) l式中 l t温度，； lx、y、z任一点的空间
16、坐标； l时间，s。 l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）。 l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。 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) l稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等 温面。由于稳定温度场中任一点不可能有两个 温度，因此，温度不同的等温面不能相交。 l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： lt = f (x) l在化工
17、生产过程中，一维稳定导热体的 等温面： l在直角坐标系中往往是垂直于温度变化 方向的平壁面； l在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方 向的圆柱面； l在球坐标系中往往是垂直于温度变化方 向的球面。 l对后两者可用数学表达式表示为： l t = f (r) 化工生产过程中所涉及的导热 问题多为一维稳定导热问题， 如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管 的管壁、列管或套管换热器的 管壁以及球形容器等。限于篇 幅和实用性，本节只讨论一维 稳定导热问题。 （二）傅立叶定律 l导热过程的导热速率可借助傅立叶定律 确定。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
18、 稳定导热过程，傅立叶定律可表述为 l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。 l若要将上式写成等式，则需引入一比例系数 ，即 l （4-16） l式中 lQ导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量 ，J/s或W； l比例系数，称为导热系数，J/sm或W/m ； lS导热面积，m2。 l式（4-16）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。 （三）导热系数（三）导热系数 将式（将式（4-164-16）改写为）改写为 上式即为导热系数的定义式。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
19、 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。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查 得，本教材附录亦有部分摘录。 1气体的导热系数 l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（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。 l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
20、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。 常压下气体混合物的导热系数可用下式估 算： （4-17） l式中 lm气体混合物的导热系数，W/m ； li气体混合物中i组分的导热系数， W/m； lyi气体混合物中i组分的摩尔分数； lMi气体混合物中i组分的摩尔质量， kg/kmol。 2液体的导热系数 l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
21、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。 l液体混合物的导热系数在实验数据缺乏 的情况下，可按下法估算： l有机化合物水溶液的导热系数估算式为 l （4-18） l有机化合物的互溶混合液的导热系数估 算式为 l （4-18a） l上两式中分别为混合液中i组分的质量分 率及与混合液相同温度下i组分的导热系 数。 3固体的导热系数 l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
22、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。 l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。 l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。 二、傅立叶定律的应用 （一）平壁导热 l1、单层平壁导热 l如图4-11所示，若平壁的面积S与厚度 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
23、的平面 ，且壁面的温度不随时间变化，显然为 一维稳定导热。 由傅立叶定律 Q t1 t2 2、多层平壁热传导 工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁， 例如工业用的窑炉，其炉壁通常由耐火砖、 保温砖以及普通建筑砖由里向外构成，其中 的导热则称为多层平壁导热。下面以三层平 壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算 方法。 在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速 率都是相等的。即 根据等比定律则有 b1b2b3 Q t t1t2 t3 t4 x l化简得 l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： l式中下标i为平壁的序号。 （二）圆筒壁导热 1、单层圆筒壁导热 l化工生产中的导热问题
24、大多是圆筒壁中的导 热问题。例如，管式换热器、蒸汽及液氨导 管壁面中的传热过程等均属于此类。它与平 壁导热的不同之处在于： l温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为 l圆筒壁的导热面积随半径而变，S2rL。 l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。则由傅立叶 定律有： l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 。 l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： l积分得： l l式中 即
25、为圆筒壁的导热热阻。 l上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该 式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计 算式的形式。 l由 l上式中 ，为圆筒壁的厚度，m。 l若令上式中的 ，称为圆筒壁的 对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积 计算式，可令 ，称为圆筒壁的平 均导热面积。故上式可改写为： l跟传热平均温度差计算相类似地，当 r2/r12时，上式中的对数平均半径也可用 算术平均值代替。 2、多层圆筒壁导热计算 在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。例如 ，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温 材料，以减少热量（或冷量）损失；在反应器或其 他容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀； 在换
26、热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。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： （三）空心球体的导热 l由于球形设备具有表面积小、容量 大、用材省、热量（或冷量）损失 、受压均匀等优点。所以，在化工 生产过程中，球形设备的应用已趋 于普遍。对于空心球体的导热过程 可右图来进行说明。 l若在空心球体的内外两侧，分别放 置两个加热源，使得内外壁温度恒 定为t1和t2，且t1t2。则温度仅随 球壳的半径变化，导热仅为径向上 的热传导。此外，与空心圆柱体导 热过程相似地，空心球体的导热面 积也是随半径的变化而变化 l故由傅立叶定律有 l将上式分离变量后并根据 r=r1，t=t1；
27、r=r2， t=t2的边界条件积分。 l也即 l积分得 l上式即为单层空心圆柱体的导热速率计算式 。 l式中 l ，空心球体的壁厚，m； l Sm空心球体的平均导热面积，m2。 l ， 称为空心球体的几何 平均半径，m。 l由上式仿照多层空心圆柱体的导热过程， 可得n层空心球体的导热速率为 l 第三节第三节 对流传热对流传热 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
28、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，减薄其厚度是强化传热 过程的关键。 二、对流传热速率方程 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= At t流体与壁面间的温度差平均值 平均对流传热系数 W/m2 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。 三、对流传热系数 （一）影响对流传热系数的因素 1、流体流动产生的原因 2、流体的流动情况 3、流体有无相变化发生 4、流体的物理性质 5、传热表面的形状、位
29、置和大小 （二）对流传热系数的一般关联式 1、流体无相变时的对流系数： 准数关系式为：Nu=f(Re,Pr,Gr) 其中: 努塞尔准数 Nu = l/ 雷诺准数 Re = du/ 普兰特准数 Pr = Cp/ 格拉斯霍夫准数 Gr = gt l32/2 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 2、流体有相变化时 对于蒸气冷凝时 Nu=f(Ga,Pr,KD) Ga=g l32/2 伽利略准数 KD=
30、r/Cpt 冷凝准数 一般情况下 Nu=C(Ga,Pr,KD)n （三）对流传热系数的经验关联式 一、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 =0.023/l(l u)0.8(Cp)n 应用范围： Re10000 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. b、高粘度液体 Nu=0.027Re0.8Pr0.33(w )0.14 :液体在主体平均温度下
31、的粘度 w：液体在壁温下的粘度 其中（/w）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(/w）0.14=1.05 ，液体被冷却时（/w）0.14=0.95 由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热是，滞 流内层的温度比主体温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度减 薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却上，情况相反，对于液体Pr1 即 Pr0.4Pr0.3.因此加热时n=0.4。 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(/w)0.14 应用范围：Re60, RePrdi/L10 特征尺寸
32、：di 定性温度：平均温度（ w 除外） 3)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态 当Re=230010000 先按湍流时计算然后再用式 1600000/Re1.8求出校正系数。1800时 =0.0077(g)0.33Re0.4 特征尺寸:l取垂直管或板的高度。 定性温度：蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度 tm=0.5(ts+tw)下的值。 用来判断膜层流型的雷诺准数经常表示为冷凝负荷M的函数。 冷凝负荷M：单位长度润湿周边上的单位时间流过冷凝液量。kg/ms M=Ws/b b:润湿周边 若膜状流动时，液流的横截面积（流通面积）为A,故当量直径为de=4A/b Re=
33、deu=4M/ 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，称大容器沸腾。 管内沸腾：使液体在管内流动时受热沸腾，称管内沸腾。 实验表明，大容器内液体饱和沸腾的情况随温度差t=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t对传热系数和热通量q的影响。 临界点c：由泡状沸腾向膜状沸腾的转折点。 泡状沸腾膜状沸腾,因此应控制在泡状区 域内, 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。 25C 5C 沸腾温差t C 热通量q 传热系数 第四节第四节 传热计算传热计算 一、热量衡算 在换热器计算时，首先需要确定换热器的热负荷，
34、若热损失忽 略，根据能量守衡，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 焓差法： Q=w热(H1-H2)=w冷(h2-h1) 显热法：无相变化时 Q=w热c热(T1-T2)=w冷c冷(t2-t1) 潜热法：此法用于载热体在热交换中发生相的变化 Q=w热r热=w冷r冷 二、传热速率方程 热负荷Q：换热器中单位时间内冷热流体间所交换的热量，称之为换 热器的热负荷。根据生产上换热任务的需要提出的，所以热负荷是要 求换热器应具有的换热能力。 实践证明 Q Atm 引入比例系数 Q=KAtm = _ 三、传热温度差的计算 在间壁式换热器中，按照参加热交换的两种流体，在沿着换热器的传 热面流动时，各点温度变
35、化的情况，可将传热过程分为恒温传热和变 温传热两种。 (一)恒温传热与变温传热 1、恒温传热 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 tm=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 （二）平均温度差tm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
36、复 杂折流。 对于错流和折流时的平均温度差： tm=ttm逆 t5050）水蒸汽水蒸汽 蒸馏水蒸馏水0.09 0.09 优质不含油优质不含油0.052 0.052 海水海水0.09 0.09 劣质不含油劣质不含油0.09 0.09 清净的河水清净的河水 0.210.21 液体液体 未处理的凉水塔用水未处理的凉水塔用水 0.580.58 盐水盐水 0.1720.172 已处理的凉水塔用水已处理的凉水塔用水 0.260.26 有机物有机物 0.1720.172 已处理的锅炉用水已处理的锅炉用水0.26 0.26 熔盐熔盐0.086 0.086 硬水、井水硬水、井水0.58 0.58 植物油植物油0
37、.52 0.52 气体气体燃料油燃料油 0.1720.1720.520.52 空气空气0.26 0.260.530.53重油重油 0.860.86 溶剂蒸汽溶剂蒸汽 0.1720.172 焦油焦油 1.721.72 l l 若设管内、外壁面的污垢热阻分别为若设管内、外壁面的污垢热阻分别为R Rsi si、 R Rsoso，根据串联热阻叠加原理，则基于外，根据串联热阻叠加原理，则基于外 表面积的传热系数计算式变为：表面积的传热系数计算式变为： l l 相应地，传热基本方程式的形式为相应地，传热基本方程式的形式为 l l 或或 l l 当传热壁面为圆管时，上式中的面积比也当传热壁面为圆管时，上式中
38、的面积比也 可用相应的直径比替代。即可用相应的直径比替代。即 l l l 应予指出，在传热计算中，无论选择何种应予指出，在传热计算中，无论选择何种 面积作为计算基准都是一样的。工程上，面积作为计算基准都是一样的。工程上， 传热系数传热系数KK大多以外表面积大多以外表面积S SOO为基准，除特为基准，除特 别说明外，手册中所列别说明外，手册中所列KK值都是基于外表面值都是基于外表面 积的传热系数，换热器标准系列中的传热积的传热系数，换热器标准系列中的传热 面积也是指外表面积。故上式为传热系数面积也是指外表面积。故上式为传热系数KK 的通用计算式。的通用计算式。 l l 若传热壁面为平壁或薄管壁时
39、，若传热壁面为平壁或薄管壁时，S Si i、S So o、 S S mm相等或近似相等，则上式可化简为：相等或近似相等，则上式可化简为： （三）选取经验值 l l 在换热器的工艺设计过程中，由于换热在换热器的工艺设计过程中，由于换热 器的尺寸未知，因此传热系数器的尺寸未知，因此传热系数KK无法通过无法通过 实测或计算公式来确定。此时，实测或计算公式来确定。此时，KK值通常值通常 借助工具手册选取。教材中列出了列管借助工具手册选取。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。热系数的大致范围，可供参考。 表4-5 列管换热器
40、中K值的大致范围 热流体冷流体 传热系数K W/m2 水水8501700 轻油水340910 重油水60280 气体水17280 水蒸汽冷凝水14204250 水蒸汽冷凝气体30300 低沸点烃类蒸汽冷凝 （常压） 水4551140 高沸点烃类蒸汽冷凝 （减压） 水60170 水蒸汽冷凝水沸腾20004250 水蒸汽冷凝轻油沸腾4551020 水蒸汽冷凝重油沸腾140425 二、强化传热的途径 l l （一）增大传热面积（一）增大传热面积 l（二）提高传热推动力 l（三）提高传热系数 l增大传热系数，可以提高换热器的传热速率。增大 传热系数可以通过降低换热器总热阻的方法来实现 。 l为便于分析
41、，现假设传热壁为平壁，则总热阻为: l要降低总热阻，必须减小各项分热阻。但不同情况 下，各项分热阻所占比例不同，故应具体问题具体 分析，抓住主要矛盾，设法减小所占比例大的分热 阻。 l1、抑制污垢的生成或及时除垢降低污垢热 阻 l2、提高流体的值降低对流热阻 l当壁面导热热阻（/）和污垢热阻（Rsi、Rso） 均可忽略时，K计算式可简化为： l若oi（例如，用水蒸汽加热空气的过程， 水蒸汽走壳程，空气走管程），则1/K1/i；此 时，欲提高K值，关键在于提高管内侧流体（即 空气）的传热膜系数。 反之亦然。 第八节第八节 换热器换热器 一、间壁式换热器 1、夹套式换热器 2、沉浸式蛇管换热器 3、喷淋式换热器 4、套管换热器 5、列管换热器1、2 （1）固定管板式（2）U型管式（3）浮头式 6、其他高效换热器 （1）螺旋板式1、2（2）平板式1、2 二、直接混合式换热器1、2