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1、第四章 传热,4.1 概述,传热过程的应用 物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温 热传递的三种基本方式 热传导 热对流 热辐射 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 直接接触式换热 蓄热式换热 间壁式换热,4.1 概述,4.1 概述,典型的间壁式换热器 套管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器,4.1 概述,热载体及其选择 载热体的温度易调节控制 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 价格便宜，来源容易,4.2 热传导,4-2-1 基本概念及傅立叶定律,一 温度场和温度梯度 温度场,非稳态温度场：,稳态温度场：,稳态
2、的一维温度场,等温面,任何温度不同的等温面彼此不相交,在等温面上的任何点之间无热量传递,不同温度的等温面之间有热传递,温度梯度 t和t+t两等温面间的垂直距离n,温度梯度是向量，其正方向垂直于等温面为温度升高的方向,二 傅立叶定律 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面成正比,Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，W,A：导热面积，m2, ：导热系数，W/（m ）,4-2-2 导热系数,导热系数的物理意义,热流密度（热通量）, ：单位温度梯度下的热通量,金属 非金属 液体 气体,为物质的物理性质,4-2-2 导热系数,固体导热系数 金属 纯度：纯度越高越大 T： T 非金属 ：
3、 T：T 大多数固体： = o（1+t） 对于金属， 0 液体导热系数 气体导热系数 T： T P： P ,4-2-3 单层平壁的稳态热传导,单层平壁的热传导,t=f(x),假设：,为常数或取壁面范围内的平均值,平壁面积与厚度相比无限大,根据傅立叶定律：,平壁间的热传导公式,4-2-3 单层平壁的稳态热传导,多层平壁的稳态热传导,t1 t2 t3 t4,稳态导热时，Q=Q1=Q2=Q3,4-2-3 通过平壁的稳态热传导,多层平壁的热传导 接触热阻,各层的热阻越大，温度差越大,1 2,4-2-4 圆筒壁的稳态热传导,单层圆筒壁的热传导,温度仅沿半径方向有变化，且为稳态的一维热传导,取半径为r，厚
4、度dr，温度差dt的微圆筒,传热面积：2rl,根据傅立叶定律：,单层圆筒壁的热传导公式,4-2-4 圆筒壁的稳态热传导,把单层圆筒壁的热传导写成平壁热传导形式,rm为圆筒的平均半径,rm：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径,4-2-4 圆筒壁的稳态热传导,Am的另一种表示方式,圆筒壁热阻的另一种表示方式,对数平均值,x1/x2比值越大时，（对数平均值/算术平均值）越大,当x1/x2 =2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为4%,当x1/x2 2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于4%,当x1/x2 2时，可用算术平均值代替对数平均值,4-2-4 圆筒壁的稳态热传
5、导,多层圆筒壁的热传导,b1=r2-r1， b2=r3-r2， b3=r4-r3,说明,Q1=Q2=Q3=Q4,Q=2r1Lq1= 2r2Lq2= 2r3Lq3,r1q1=r2q2=r3q3,q1q2 q3,第三节 对流传热,对流传热 流体与流体间传热 流体与固体壁面间的传热 对流传热的分类 流体无相变的对流传热 强制对流传热 自然对流传热 流体有相变的对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾,4-3-1 对流传热方程和对流传热系数,对流传热分析,4-3-1 对流传热方程和对流传热系数,对流传热速率方程,牛顿冷却定律, ：平均对流传热系数，W/（m2）,Q：对流传热速率，W,4-3-1 对流传热方程和对流
6、传热系数,影响对流传热系数的因素： 对流传热系数的物理意义,单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率,流体的种类和相变化情况 流体的特性 导热系数 粘度 比热容和密度Cp 体积膨胀系数 流体的温度 流体的流动状态 流体流动的原因 传热面的形状、位置和大小,二 影响对流传热系数的因素,三 对流传热的特征数关系式,1、 流体无相变时的强制对流传热过程 首先列出影响该传热过程的物理量 =f（l， ，Cp，u） 确定无因次准数的数目 定理：该过程的无因次准数的数目i 等于变量数n与基本因次数m之差。 变量数n=7， 基本因次数m=4（M、L、T） 准数数目i=n-m=7-4=3，用1 、2、 3 1
7、=（2、 3 ） 确定准数的形式,三 对流传热的特征数关系式,列出物理量的因次,选择m个（基本因次的数目）物理量作为i个无因次准数 的共同物理量,m=4，i=3,不能包括待求物理量,不能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,从7个物理量中选4个物理量，这4个物理量中必须包括L、M、 、T,本例中选l、 、u作为3个无因次准数的共同物理量,三 对流传热的特征数关系式,因次分析（将共同物理量与剩余的物理量分别组成无因次准数）,对1整理其因次,表示对传热系数的准数,确定流动状态的准数,表示物性影响的准数,=f（l， ，Cp，u）,1 =（2、 3 ）,三 对流传热的特
8、征数关系式,2、自然对流传热过程 自然对流传热引起流动的原因：单位体积流体的升力，gt =f（l， ，Cp，gt） 1 =（2、 3 ）,表示自然对流影响的准数,4-5-2 对流传热过程的因次分析,3、 应用准数关联式应注意的问题 定性温度 取流体平均温度t=（t1+t2）/2 取壁面温度tw 取流体和壁面平均温度tm=（tw+t）/2 特征尺寸 传热当量直径,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,（一） 流体在管内作强制对流传热 流体在圆形管内作强制湍流 低粘度（大约低于2倍常温下水的粘度）液体，用迪特斯（Dittus）和贝尔特（Boelter）关系式,说明：,n的取值，当流体被加热时
9、，n=0.4，被冷却时，n=0.3,应用范围：Re1x104，0.760,特征尺寸：di,定性温度： t=（t1+t2）/2,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,讨论（1）中n的取值 对于大多数液体，Pr1 被加热时， Pr0.4 Pr0.3，n=0.4 被冷却时， Pr0.3 Pr0.4 ，n=0.3,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,高粘度流体用西德尔和塔特关联式,说明：,应用范围：Re1x104，0.760,特征尺寸：di,定性温度：w取壁温， 其余取t=（t1+t2）/2,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,（二） 流体在管外强制对流,四 流体无相变时的对流传
10、热系数的经验关联式,流体在管束外强制垂直流动（垂直于管束流动） 管束的排列 直列 错列 正方形 等边三角形,流体在错列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：,流体在直列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,说明 应用范围：Re 3000 特征尺寸：管外径do，流速u取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度 管束排数为10：若不是10，上述计算式需乘以系数,四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,流体在换热器的管间流动,第四节 两流体间传热过程的计算,化工计算中的两种衡算方程 热量衡算方程 传热速率方程,总传热速率方程,总推动力：T-t,总阻力
11、：R1+R2+R3,Q热流体放出= Q冷流体吸收+ Q损失,一 能量衡算,对间壁式换热器能量衡算,换热器中冷热流体都没有相变化,换热器中流体有相变,换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时,二 传热平均温度差,恒温传热时的平均温度差 当换热器的管程和壳程都有相变化时 t=T-t Q=KA t 变温传热时的平均温度差,二 平均温度差法,逆流时的平均温度差,Q-T、Q-t为直线关系,T=mQ +k，t=mQ+k ,两式相减得：,t= T- t =（m -m ） Q+（k-k ）,假设：（1）热、冷流体的质量流量qm1和qm2均为常数； （2）热、冷流体的比热容Cp1和Cp2及总传热系数K沿
12、传热面均不变； （3）忽略热损失。,换热器的热量衡算微分式,二平均温度差法,又Q=KA tm,二平均温度差法,并流时的平均温度差,二平均温度差法,错流和折流时的平均温度差,Underwood和Bowman图算法,先按逆流时计算对数平均温度差， 再乘以考虑流动方向的校正系数,tm= t tm,tm ：按逆流时计算的对数平均温度差, t：校正系数, t=f（P，R）,单壳程换热器,两壳程换热器,四壳程换热器,三壳程换热器, t1,三 总传热系数,（一）圆筒壁的总传热系数,总传热速率微分式,总传热热阻,冷流体与间壁的对流传热热阻,管壁的热传导热阻,热流体与间壁的对流传热热阻,三 总传热系数,三 总传
13、热系数,（1）若以A1为传热面积为基准进行计算,其中K1为传热面积A1为为基准的总传热系数 dm为d1d2的对数平均值,（2）若以A2为传热面积为基准进行计算,（3）若以Am为传热面积为基准进行计算,三 总传热系数,（二）污垢热阻,管壁内外侧表面上的污垢热阻分别为Rd1和Rd2,污垢系数,三 总传热系数,（三）平壁与薄壁管的总传热系数计算 当传热面为平面或管壁很薄时，d1、d2、dm相等或相近,当管壁的热阻和污垢热阻相对于对流热阻可忽略时,三 总传热系数,如果 1 2,提高对流传热系数小的一侧的,如果 1与2 相差不大，必须同时提高两侧的,如果Rd1与Rd2为总热阻中的控制因素，则必须减慢污垢
14、的形 成速度或及时清理污垢,三 总传热系数,（四）总传热速率与热衡算式的关系,四 壁温的计算,在间壁两侧流体的ti和to间设壁温tw 由于管壁一般都为热良导体，故可认为管壁内外温度相同 计算i和o 计算tw,4.5 热辐射,一 热辐射的基本概念,辐射：凡是热力学温度在零度以上的物体都能以电磁波的方式传递能量的过程。 辐射能：以辐射的形式所传递的能量。 热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。 辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。,一 热辐射的基本概念,反射和折射定律,根据能量守恒定律：,一 热辐射的基本概念,黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 =1, = =0 镜体(绝对白体
15、)：能将辐射能全部反射的物体，即 =1, = =0。 透热体：辐射能全部透过的物体，即 =1, = =0。 对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。 灰体：能够以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体 灰体也是理想物体 吸收率 与波长无关 为不透热体 ( + =1) 工业上常见的固体材料均可视为灰体。,二 物体的辐射能力和有关的定律,物体的辐射能力E 一定温度下, 物体在单位表面积、单位时间内发射的全部波长的总能量. W/m2 单色辐射能力E : 在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量.,其中：波长，m或m E：单色辐射能力，W/m3,二 物体的辐射能力和有关的定律,1.
16、普朗克定律 揭示了黑体辐射能力按照 波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力Eb随波长和温度变化的函数关系。,T：黑体的热力学温度，K C1：常数，3.74310-16 Wm2 C2：常数，1.438710-2 Wm2,二 物体的辐射能力和有关的定律,2斯斯蒂芬-波尔茨曼定律 揭示了黑体总辐射能力与表面温度的关系, 黑体的辐射常数，为5.67 10-8 W/（ m2K4 ）； Cb 黑体的辐射系数，为5.67W/(m2K4),四次方定律,四次方定律可推广到灰体,C 灰体的辐射系数，其值恒小于Cb,灰体的黑度,二 物体的辐射能力和有关的定律,3克希霍夫定律 揭示了物体的辐射能力E与它的吸收率之间
17、的关系,板1(灰体)能量平衡：,辐射传热达平衡(两物体温度相等)时：,q=E1-1Eb,q：两板间辐射传热的热通量，W/m2,q=0,E1=1Eb 或 E1/1=Eb,若板 1 用任意灰体板来代替，则得,灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力,=f(T), = ,三两固体间的辐射传热,C1-2：总辐射系数,若平行的平板面积均为A，则辐射传热速率为：,第六节 换热器,一 换热器的分类,（一）按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器 （二）按冷、热流体的传热方式分类 两流体直接接触式换热器 蓄热式换热器 间壁式换热器,二 间壁式换热器,（一）夹套式换热器,为了提高传热效果，可在釜内
18、加搅拌器或蛇管和外循环。,优点：结构简单，加工方便。,缺点：传热面积A小，传热效率低。,用途：广泛用于反应器的加热和冷却。,二 间壁式换热器,（二）沉浸式蛇管换热器,为了强化传热，容器内加搅拌。,优点：结构简单，不便于防腐，能承受高压。,缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，,二间壁式换热器,（三）喷淋式换热器,用途：用于冷却或冷凝管内液体。,优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗 ，传热效果好。,缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，安装在室外。,二 间壁式换热器,（四）套管式换热器,用途：广泛用于超高压生产过程，用于所需传热面积不多的场合。,优点：结构简单，加工方便，能耐
19、高压，传热系数较大， 能保持完全逆流，可增减管段数量应用方便。,缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多易漏，占地较大。,二 间壁式换热器,（五）螺旋板式换热器,优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑A/V大， 成本较低。,缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修， 流体阻力较大。,二 间壁式换热器,（六）板式换热器,优点：传热效率高，总传热系大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。 缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。,二 间壁式换热器,（七）板翅式换热器,优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。,缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。,二 间壁式换热器,（八）翅片管换
20、热器,二 间壁式换热器,（九）列管式换热器（热补偿方式） 固定管板式 U型管换热器 浮头式换热器,二 间壁式换热器,特点：结构较简单，管程不易 清洗，常为洁净流体，适用于 高压气体的换热。,二 间壁式换热器,特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力， 是应用较多的一种结构形式。,三、 列管式换热器选用计算中的有关问题,流体流径的选择 不洁净、易结垢、腐蚀性、压强高的流体走管程 饱和蒸汽走壳程 被冷却流体走壳程 粘度大的流体走壳程 流体流速的选择 管子的排列方法的选择 管程和壳程数的选择 折流挡板的选择 外壳直径的选择 材料的选择 主要附件,四 传热过程的强化,增大传热面积 增大平均温度差 增大总传热系数 增大流速 防止结垢和及时清除污垢,