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1、2019/7/29,1,第一节 概 述,返回,第四章 传 热,一、传热过程的应用,（1）物料的加热或冷却 （2）热量与冷量的回收利用 （3）设备与管路的保温,2019/7/29,2,二、传热的基本方式,（一）热传导,气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体 机理复杂,特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移,2019/7/29,3,（二）热对流,（三）热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力 引起的流动。 强制对流：流体受外力作用而引起的流动。,能量转移、能量形式
2、的转化 不需要任何物质作媒介,特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动,2019/7/29,4,三、两流体通过间壁换热过程,（一）间壁式换热器,夹套式换热器,2019/7/29,5,传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。 热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。,（二）传热速率与热流密度,2019/7/29,6,非稳态传热,（三）稳态与非稳态传热,稳态传热,2019/7/29,7,（四）两流体通过间壁的传热过程,稳态传热：,2019/7/29,8,式中 tm两流体的平均温度差，或K； A传热
3、面积，m2； K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)。,（五）总传热速率方程,2019/7/29,9,一、傅立叶定律,温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,（一）温度场和等温面,非稳态温度场,稳态温度场,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。,第二节 热传导,不同温度的等温面不相交。,2019/7/29,10,（二）温度梯度,方向：法线方向，以温度增加的方向为正。,2019/7/29,11,（三）傅立叶定律,式中 dQ 热传导速率，W或J/s； dA 导热面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 导热系数，W/(m)或W/(mK)。,负号表示传热方向与温度梯度
4、方向相反,2019/7/29,12,二、热导率,在数值上等于单位温度梯度下的热通量, = f(结构, 组成, 密度, 温度, 压力）,金属固体 非金属固体 液体 气体,表征材料导热性能的物性参数,2019/7/29,13,1.固体热导率,金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料 10-210-1 W/(mK),在一定温度范围内：,对大多数金属材料a 0 ， t ,2019/7/29,14,2.液体热导率,金属液体较高，非金属液体低； 非金属液体水的最大； 水和甘油：t ， 其它液体：t ，,0.090.6 W/(mK),2019/7/29,15,3.气
5、体热导率,t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。,0.0060.4 W/(mK),2019/7/29,16,三、平壁的稳态热传导,（一）单层平壁热传导,假设： 材料均匀，为常数； 一维温度场，t沿x变化； A/b很大，忽略端损失。,2019/7/29,17,积分：,2019/7/29,18,（二）多层平壁热传导,假设： 各层接触良好，接触面 两侧温度相同。,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,2019/7/29,19,各层的温差,2019/7/29,20,结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和； 各层温差与
6、热阻成正比。,推广至n层：,2019/7/29,21,四、圆筒壁的稳态热传导,（一）单层圆筒壁的热传导,特点： 传热面积随半径变化， A=2rl (2) 一维温度场，t沿r变化。,2019/7/29,22,在半径r处取dr同心薄层圆筒,积分,2019/7/29,23,讨论：,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,2019/7/29,24,一般 时，,2019/7/29,25,（二）多层圆筒壁的热传导,2019/7/29,26,三层：,n层圆筒壁：,2019/7/29,27,一、对流传热过程,第三节 对流传热,2019/7/29,28,湍流主体 温度梯度小，热对流为主,层流内层 温度梯度大，热传
7、导为主,过渡区域 热传导、热对流均起作用,2019/7/29,29,式中 Q 对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及 平均壁温，。,冷流体：,热流体：,牛顿冷却定律,2019/7/29,30,（一）影响因素,2.引起流动的原因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。,强制 自然,二、对流传热系数的影响因素,1.流动状态 湍流 层流,2019/7/29,31,自然对流的产生：,设 热处：t2，2； 冷处：t1，1,体积膨胀系数，1/C.,或,而,得：,或,2019/
8、7/29,32,由温度差而产生的单位体积的升力：,2019/7/29,33,5. 是否发生相变 相变 无相变,4. 传热面的形状，大小和位置 形状管、板、管束等； 大小管径、管长、板厚等； 位置管子的排列方式，垂直或水平放置。,3.流体的物性 ，cp,2019/7/29,34,三、对流传热的特征数关系式,变量数 8个 基本因次 4个：长度L，时间T，质量M，温度 无量纲特征数（8-4）=4,无相变时,2019/7/29,35,1. 努塞尔特（Nusselt ）数,表示对流传热系数的特征数,2. 雷诺（Reynolds）数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,2019/7/29,36,3. 普兰
9、特（Prandtl）数,反映流体的物性对对流传热的影响,4. 格拉斯霍夫（Grashof）准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr) 简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr),2019/7/29,37,使用准数关联式时注意： 1. 应用范围 2. 特征尺寸 3. 定性温度,2019/7/29,38,四、无相变时对流传热系数的经验关联式 （一）流体在管内作强制对流 1. 圆形直管内的强制湍流,（1）应用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体（2 水） （2）定性温度：流体进出口的
10、算术平均 值 （3）特征尺寸：管内径,2019/7/29,39,讨论： （1）加热与冷却的差别：,液体,气体,2019/7/29,40,物性一定时：,（2）影响因素：,2019/7/29,41,公式修正：,（1）当L/d 2 水）,工程处理： 加热： 冷却：,2019/7/29,42,（3） 弯管,（4）非圆形管道,用当量直径计算。,2019/7/29,43,2. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300 Re 104,2019/7/29,44,3. 圆形直管内强制层流,（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；,（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。,对于液体,2019/
11、7/29,45,自然对流可以忽略： Gr 25000,自然对流不能忽略：Gr25000 乘校正因子：,适用范围：,定性温度：,特征尺寸：管内径,2019/7/29,46,（二）流体在管外强制对流传热,1. 流体在管束外垂直流过,2019/7/29,47,应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值,Nu=C Ren Pr0.4,平均对流传热系数：,2019/7/29,48,2流体在换热器管间的流动,折流挡板形式：圆缺形、圆环形,2019/7/29,49,设置折流挡板目的： 增加壳程流体的湍动
12、程度，进而提高壳程的。,圆缺形折流挡板：,定性温度：,应用范围：Re=2103106,2019/7/29,50,正方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸：（1）当量直径de,2019/7/29,51,（2）流速u按流通截面最大处的截面计算：,式中 h两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，m；,2019/7/29,52,（三）自然对流时的对流传热系数,定性温度：膜温（tm+tw）/2 特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径d0,各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。,2019/7/29,53,1. 蒸汽冷凝方式,五、流体有相变时的对流传热,滴 膜,（1）膜状冷凝,（2）滴状冷凝,冷凝过程的
13、热阻冷凝液膜,（一）蒸汽冷凝时的对流传热,2019/7/29,54,2. 膜状冷凝时的对流传热系数,（1）水平管束外,定性温度：tSr，其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数 r比汽化热,2019/7/29,55,（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,qm冷凝液量，kg/s M冷凝负荷，kg/s.m,2019/7/29,56,层流,Re1800,Re1800,湍流,2019/7/29,57,3.影响因素和强化措施 (1) 液体物性 ， ， r (2) 不凝气体 不凝气体存在，导致 ，需定期排放。,(3)蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，t， ；反向时， t， ； u ， (4) 蒸汽
14、过热 r=r+cp(tv-ts) 影响较小,2019/7/29,58,(5) 强化措施： 目的：减少冷凝液膜的厚度 水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列； 垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。,2019/7/29,59,（二）液体沸腾时的对流传热,1. 沸腾现象,在粗糙加热面的细小凹缝处： 汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面新汽泡形成搅动液层,2019/7/29,60,沸腾必要条件： 过热度 t=（tts）0 存在汽化核心,推动力 （twts） 沸腾三个阶段： 自然对流、核状沸腾、膜状沸腾 工业上采用核状沸腾 大，tW小,水沸腾曲线,2019/7/29,61,2. 影响因素及强化措施
15、（1）液体的性质,（2）温度差 核状沸腾阶段: t2.5， t （3）操作压力,2019/7/29,62,（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大,（5）强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒； 加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,2019/7/29,63,第四节 传热过程计算,返回,总传热速率方程,式中 Q传热速率，W； tm两流体的平均温度差，； A传热面积，m2； K总传热系数，W/(m2) 。,2019/7/29,64,（一）恒温传热,（二）变温传热,tm与流体流向有关,一、传热平均温度差,2019/7/29,65,1. 逆流与并流,2019/7/29,66,以逆流为例推导tm,假
16、设：（1）稳态流动，qm1、 qm2为常数； （2）cp1、cp2为常数； （3）K沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。,对于微元：,2019/7/29,67,而,2019/7/29,68,逆流、并流均适用； 当t2/t12，则可用算术平均值。,对数平均温度差,2019/7/29,69,2. 错流与折流, 1 tm tm逆, 0.9,若 0.8,，温差损失大，传热不稳定；,应改变流型,2019/7/29,70,（三）流向的选择,1. 所需传热面积, 逆流优于并流。,2019/7/29,71,2. 载热体消耗量,加热任务：t1t2,（T2并）min=t2,（T2逆）min=t1, 逆流优于并流
17、。,2019/7/29,72,3. 温度差分布,逆流时的温度差分布更均匀。,4. 并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热， 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。,2019/7/29,73,二、总传热系数,K总传热系数，W/(m2K),（一）总传热系数计算,2019/7/29,74,管内对流,管外对流,管壁热传导,稳态传热,2019/7/29,75,（1）平壁 dA=dA1=dA2=dAm,讨论：,（2）以外表面为基准 (dA=dA1),2019/7/29,76,K1以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K) dm对数平均直径，m,以内表面为基准：,d1/d22 可用算术平均值,201
18、9/7/29,77,（二）污垢热阻,Rd1、Rd2传热面两侧的污垢热阻，(m2K)/W,（三）提高K值的讨论,设法减小控制热阻。,（1）减小污垢热阻防结垢、及时清洗。,2019/7/29,78,（2）若污垢热阻与壁阻可忽略时，有,或,若,则,当1、 2相差较大时：,若,应提高较小，进而提高K。,当1、 2相差不大时，二者应同时提高。,2019/7/29,79,三、壁温的计算,稳态传热,（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTW,2019/7/29,80,TW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温度,（3）两侧有污垢,（2）当tW=TW,2019/7/29,81,四、传热计算,总传热速率方程,热量衡算式
19、 (热负荷),无相变,有相变,应用条件： 定态流动，qm为常数； cP为常数； K为常数； 忽略热损失。,2019/7/29,82,1. 设计型计算 已知：qm1、T1、T2（生产任务），t1、qm2等 求：传热面积A或校核换热器是否合适,步骤 :（1）计算热负荷； （2）计算tm； （3）计算1、2及K； （4）计算A,若 A实 A计 或 Q换 Q需要， 换热器合适。,2019/7/29,83,二、操作型计算 （1）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t2 （2）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：qm2、 t2,注意：列管式换热器中,流通面积,传
20、热面积,2019/7/29,84,一、基本概念,1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。,特点： 能量形式的转换 不需要任何介质,第五节 热 辐 射,2019/7/29,85,能量守恒定律：,吸收率 反射率 穿透率,3. 物体对热辐射的作用 总能量Q；被物体吸收Q ；被反射Q ；穿过物体Q,2019/7/29,86,黑体：,白体(镜体)：,透热体：,灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,固体、液体： =0 + =1 气体： =0 + =1,2019/7/29,87,二、物体的辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积、
21、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到), E表示, W/m2,黑体辐射常数, 5.669 10-8W/(m2 .K4),（一）黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感,Cb黑体辐射系数, 5.669W/(m2 .K4),2019/7/29,88,（二）实际物体,黑度：,1,=f(物体的种类、表面温度、表面状况),C灰体的辐射系数，C= Cb,是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度,实验测定,2019/7/29,89,（三）克希霍夫定律,对灰体:,热交换达到平衡时 T1=T2, q=0,任意物体:,2019/7/29,90,结论： （1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大 （2）= 同温度下，
22、物体的吸收率与黑度数值上相等 （3） ，E Eb 在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大,2019/7/29,91,（一）辐射传热速率,四、两固体间的相互辐射,两面积无限大的平行平板,两平面有限大的平行平板,2019/7/29,92, 一物体被另一物体包围,若外围为黑体， 1=1 或 A2 A1，,则 C1-2=C1=Cb1,2019/7/29,93,1. 温度的影响 T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式 2. 几何位置的影响 3. 表面黑度的影响 ，可通过改变大小强化或减小辐射传热 4. 辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（ 小热屏）,（二）影响辐射传热的主要因
23、素,2019/7/29,94,五、高温设备及管道的热损失,对流：,辐射：,令=1,总热损失：,T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K),2019/7/29,95,（1）空气自然对流，tW150C,（2）空气沿粗糙壁面强制对流,管道及圆筒壁保温层外,空气速度u5m/s,平壁保温层外,空气速度u=5m/s,2019/7/29,96,一、换热器的分类,按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器,按冷、热流体热量交换方式分类,混合式、蓄热式、间壁式,第六节 换热器,2019/7/29,97,二、间壁式换热器的类型,（一）夹套换热器,优点： 结构简单 缺点： A小 釜内小 强化措施： 釜内加搅
24、拌 釜内加蛇管 外循环,2019/7/29,98,（二）蛇管换热器,1. 沉浸式,强化措施：容器内加搅拌器，提高K,优点： 结构简单 管内能耐高压 缺点： 管外小,2019/7/29,99,2. 喷淋式,优点： 结构简单 管内能耐高压 管外 比沉浸式大,缺点： 喷淋不易均匀 占地面积大,2019/7/29,100,（三）套管换热器,优点： 结构简单 能耐高压 (K)或tm大,缺点： 结构不紧凑A/V小 接头多，易漏,2019/7/29,101,（四）列管换热器,管板、管束、封头、壳体,2019/7/29,102,1. 固定管板式,特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。,加热补偿圈（膨胀节）,当
25、管内外流体温差 t 50 时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：,2019/7/29,103,2. 浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂,2019/7/29,104,3. U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,2019/7/29,105,三、列管换热器的选用,1. 根据工艺任务，计算热负荷,2. 计算tm,3. 依据经验选取K，估算A,4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,2019/7
26、/29,106,5. 核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6. 计算A,根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。,2019/7/29,107,(1) 流体流程选择,管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体,壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便,(2) 流体流速的选择,u选择是经济权衡，要避免层流流动,2019/7/29,108,(3) 换热器中管子的规格和排列方式,管子的规格：192mm和252.5mm,管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m
27、,排列方式：,2019/7/29,109,多管程：管内流体u,加挡板：增大壳程流体的湍动壳程,2019/7/29,110,四、传热过程的强化途径,1. 增大tm,加热剂T1或冷却剂t1,两侧变温，尽量采用逆流,强化传热，可tm、A/V、K,2. 增大A/V,直接接触传热，可增大A 和湍动程度,2019/7/29,111,3. 增大K,减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻 提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)： 增大流速多管程 加扰流元件壳程加挡板 改变传热面形状和增加粗糙度,2019/7/29,112,五、新型的换热器,（一）平板式换热器,2019/7/29,113,增加刚性；提高湍动程度；增加A；易于液体均匀分布,2019/7/29,114,优点： 结构紧凑 操作灵活 K大,缺点： 耐温、耐压差, 易漏 处理量小,2019/7/29,115,（二）螺旋板式换热器,2019/7/29,116,优点： 结构紧凑 不易结垢,堵塞 K大 保持逆流,tm大,缺点： 压力,温度不能太高 难以维修,2019/7/29,117,（三）板翅式换热器,优点： 流体湍动程度高，K大； 结构紧凑，单位体积的A较大；,缺点： 易堵塞，清洗困难； 构造复杂,2019/7/29,118,（四）翅片管换热器,增加A，增强管外流体的湍动来提高,