四章传热ppt课件.ppt

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1、第四章 传热 ( 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；热量衡算及其应用；传热系数计算及测定方法，设计计算与校核计算；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，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：,2019/7/30,2,第一节 概述,传热：温差导致的能量传递过程，又称热传递。,一、传热过程的应用,1、化学反应过程加热与冷却 化工生产的核心：化学反应，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：

2、470520；氨氧化法制备硝酸过程800。 原料加热,2019/7/30,3,以合成氨生产过程为例：,2019/7/30,4,2、为物理单元操作创造必要的条件； 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。 3、提高热能的综合利用和余热的回收。 因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。,2019/7/30,5,传热过程的要求： 一、强化传热，即加大传热过程速率的过程。 二、削弱传热，也即减小传热速率的过程。 稳态传热（又称定态传热）。特点：传热速率为常数，系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。 不稳态传热（又称非定态传热）。传热系统中各点的温度不仅随位置变

3、化且随时间变化。 本章中除非另有说明，只讨论稳态传热。,2019/7/30,6,（一）热传导(导热) 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。 导热过程的特点：在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。,二、热量传递的基本方式,2019/7/30,7,（二）热对流 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。 分类：强制对流、自然对流。 若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。 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。,2019/7/30,8,（三）热辐射 通过电磁波来传递热量的方式。 赫尔波

4、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。,2019/7/30,9,物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。 1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。 2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。 3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。,2019/7/30,三、工业换热器 1、混合式换热器 特点：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

5、，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。,2019/7/30,11,2、间壁式换热器 特点：冷热两种流体被一固体壁所隔开，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。,2019/7/30,12,2019/7/30,13,2019/7/3

6、0,14,3、中间载热体式换热器 原理：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。,（热媒式换热器）,2019/7/30,15,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。,2019/7/30,16,四、传热速率和热通量 1 、传热速率Q(rate of heat transfer)（热流量rate of heat flow） 单位时间内

7、通过传热面的热量。单位：W 2 、热通量q (heat flux)或热流密度(density of heat flow rate) 单位时间内通过单位传热面积传递的热量。 q=Q/A,2019/7/30,17,Q=KA tm=推动力/热阻 K-总传热系数(overall heat transfer coefficient)，单位：W/m2.K。其大小决定于两流体的流动型态，流体性质，设备尺寸大小。 tm-推动力，冷热流体的平均温差。,五、稳态传热与非稳态传热,六、两流体通过间壁的传热过程对流、导热、对流,七、传热速率方程式,应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径,2019/7/30,18,第

8、二节 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。,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, ),2019/7/30,19,式中 t温度，； x、y、z任一点的空间坐标； 时间，s。 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）。 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。,2019/7/30,20,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

9、导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：t = f (x, y, z),稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。 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： t = f (x),2019/7/30,21,（二）傅立叶定律,傅立叶定律：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。对一维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为,2019/7/30,22,若要将上式写成等式，则需引入一比例系数，即 式中 Q导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或W； 比例系数，称为导热系数，J/sm或W

10、/m； A导热面积，m2。 上式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。,2019/7/30,23,二、导热系数 将上式改写为,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。,2019/7/30,24,1气体的导热系数,气体的导热系数最小 随着温度的升高而增大；而在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化很小，可以忽略不计，只有

11、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。,2019/7/30,25,2液体的导热系数,液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯钠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。,2019/7/30,26,3固体的导热系数,在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的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

12、系数要低。 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。 注意：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。,2019/7/30,27,三、平壁的稳态热传导,1、单层平壁导热 如图4-8所示，Ab，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轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为稳态一维导热。,2019/7/30,28,由傅立叶定律,Q,2019/7/30,29,2、多层平壁热传导,

13、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,2019/7/30,30,化简得 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： 式中下标i为平壁的序号。 注意t壁面两侧的温度之差,2019/7/30,31,四、圆筒壁的稳态热传导 1、单层圆筒壁导热,化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。它与平壁导热的不同之处在于： 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为 圆筒壁的导热面积随半径而变，A2rL。,2019/7/30,32,如图所示，由傅立叶定律有：,2019/7/30,33,将上式分离变量，并根据边界条件积分。即： 积分得： 式中 即为圆筒壁的导热热阻

14、。 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。,2019/7/30,34,2、多层圆筒壁导热计算,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：,2019/7/30,35,【例4-1】在一603.5mm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-1K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15 W. m-1K-1 .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=45 W. m-1K-1 .试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P139:例4-4),解(

15、a)每米管长的热损失,此处，,2019/7/30,36,2019/7/30,37,【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其导热系数分别为0.9 W/（）及0.7 W/（）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700, 外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/（）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740, 外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？,解：设单位面积炉壁的热损失为q（q = Q/A），加保温层前，是双层平壁的热

16、传导,2019/7/30,38,加保温层后，是三层平壁的热传导,热损失减少的百分数 （q1 q2）/q1 =（2240 - 707）/2240 = 68.4%,2019/7/30,39,【例4-3】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) ，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。 解 t1=18,t4=24,1=0.043W/(m),2=0.10W/(m),3

17、=1.3W/ (m),2019/7/30,40,t1-18,t4=24,1= 0.10W/(m),2= 0.043W/(m),3=1.3W/ (m),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。 保温时，导热系数小的放在里层好,2019/7/30,41,Problem 1,P198: Exercises no.4-4 and no.4-6,Thank You !,2019/7/30,42,第三节 对流传热,一、 对流传热的分析 1、滞流内层：无对流传热，传热方式仅是热传导。热阻较大，温度梯度大。 2、过度层：热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。 3

18、、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。,2019/7/30,43,2019/7/30,44,传热方向：垂直于流动方向。 热流体：T经过渡区、层流底层降至壁面温度Tw 冷流体：tw经层流底层、过渡区降至t 对流传热：推动力:热流体一侧T-Tw，推动力:冷流体一侧tw-t 假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成一层厚度为的流体膜，称为有效膜（effective film).假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。-对流传热的膜理论模型。,2019/7/30,45,二、对流传热速率方程 (牛顿冷却定律) 对流传热速

19、率对流传热推动力/阻力系数推动力 Q= At-对流传热速率方程，牛顿冷却公式 t流体平均温度与壁面平均温度之差值 对流传热系数 (convective heat-transfer coefficient)或膜系数( film coefficient)W/m2，非物性常数 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。,2019/7/30,46,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a的主要因素是： 1.流体的种类和相变化情况 气体无相变 2.流体的物性 对影响较大的流体物性有导热系数、粘度、比热

20、Cp、密度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地： 、Cp 、 、 ,三、影响对流传热系数的因素,2019/7/30,47,3.流体的温度,流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差t，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。 4.流体的流动状态 流体 呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故较湍流时小。即： 滞流湍流 5.流体流动的原因 自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度

21、不同，引起流体质点的相对位移。 强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。 自然对流强制对流,2019/7/30,48,6.传热面的形状、位置和大小 传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响，从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同，在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响，一般采用对对流传热有决定性影响的尺寸作为计算依据，称为特征尺寸。 用量纲分析法将影响对流传热系数的诸因素组成若干个量纲为一的量，再借助实验确定这些量纲为一的量（或称特征数）在不同情况下的相互关系，得到不同情况

22、下计算a 的关联式。,2019/7/30,49,四、对流传热的特征数关系式,流体无相变化时，影响对流传热系数a的因素有流速u、传热面的特征尺寸l、流体黏度m、热导率l、比热容cp以及单位质量流体的浮升力bgt,以函数形式表示为 a=f(u, l, m, l, cp, bgt),2019/7/30,50,1、流体无相变时各准数的名称、符号、意义如下：,2019/7/30,51,2019/7/30,52,2019/7/30,53,2019/7/30,54,2019/7/30,55,2019/7/30,56,准数之间通常用指数方程表示： Nu=KReaPrbGrc 其中K,a,b,c都是针对不同的情

23、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=r/Cpt 冷凝准数 一般情况下 Nu=C(Ga,Pr,KD)n,2019/7/30,57,四、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式 1、流体无相变时的对流传热系数 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(C

24、p)n 应用范围： Re10000 0.7Pr120 L/di60；2mPas 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。,2019/7/30,58,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. 由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热时，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 ， Pr0.4Pr0.3，所以液体被加热时n=0.4，被冷确时取n=0.3。,2019/7/30,59,b、高粘度液体 Nu=(0.027l/d）Re0.8P

25、r0.33(w )0.14 应用范围:Re10000,0.760 特征尺寸取管内径d 定性温度，除黏度w取壁温外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 :液体在主体平均温度下的粘度 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=0.95,2019/7/30,60,2）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： 为管内径 定性温度：取流体进、出口温

26、度的算术平均值（ w 除取壁温） b.当强制滞流不可忽列时见书p145,2019/7/30,61,3)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。1 4）流体在弯管内强制对流 在弯管内，由于离心力的作用，扰动加剧，较直管时大 (1+1.77d/R) :弯管 ：直管 R：曲率半径 5)流体在非圆形直管内强制对流 计算当量直径，再用上面公式。,2019/7/30,62,2、流体在管外强制对流 1）流体在管束外强制垂直流动 2）流体在换热器的管间流动 3.大空间自然对流传热 二、液体有相变时的对流传热系数 如果加

27、热介质是饱和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施。 因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数（为什么？）。,2019/7/30,63,1、蒸气冷凝时的对流传热 膜状冷凝:若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，蒸汽冷凝时放出的潜热主要以导热的形式通过液膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。 （附

28、着力大于表面张力） 滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。（热阻比膜状冷凝小，对流传热系数比膜状冷凝高5-10倍）。 工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。,2019/7/30,64,蒸汽冷凝时的,a、水平管外冷凝,式中：r-比汽化热，取饱和温度ts下的数值，J/kg -冷凝液的密度，kg/m3； -冷凝液的热导率，W/(mK) -冷凝液的黏度，PaS； t-饱和温度ts与壁面温度tw之差 n-水平管束在垂直列上的管子数，若为单根水平管

29、，则n=1 定性温度取膜温，即t=(ts+tw)/2。特征尺寸取管外径d0。,2019/7/30,65,冷凝液膜为湍流，Re1800,b、 垂直管外冷凝,冷凝液膜为层流，Re1800,使用范围及条件： 特征尺寸l 取管长或板高； 冷凝比汽化热r按饱和温度ts取； 其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取,2019/7/30,66,冷凝液液膜沿壁面流动的Re表达式：,2019/7/30,67,冷凝液的质量流量qm=Sur,代入上式得：,蒸气冷凝放出的热量为：Q=qmr (a） r-比汽化热，单位为J/kg,蒸气向壁面的对流传热速率为：Q=aAt=aPl t （b） A-传热面积，A=Pl

30、 ，l-壁面高度 P-润湿周边长度，t=为蒸气的饱和温度ts与壁面温度tw之差，t =ts-tw,2019/7/30,68,由(a)式与（b）式得：,影响冷凝传热的因素：P151,2019/7/30,69,2、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

31、的沸腾曲线与水的相类似，仅临界点的数值不同。,自然对流,泡状沸腾,膜状沸腾,2019/7/30,70,3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l、的增大、和的减少而增大。 (2)温度差t 温差ttw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区：a(t)n。式中a和n是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般n23。 (3)操作压强 提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脱离，使沸腾传热增强，在同样的t下能得到更高的。 (4)加热壁面 加热面的材料不同，光洁度不同，则形成汽化核

32、心的条件不同，对沸腾传热有显著影响。通常新的清洁加热面较高，当壁面被油脂沾污后，会使h急剧下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。此外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。,2019/7/30,71,值的大致范围,一般情况下，值的大致范围如下： 空气自然对流，525 W/m.K ； 空气强制对流，30300 W/m.K ； 水蒸汽冷凝，10008000 W/m.K ； 水沸腾，150030000 W/m.K ；,2019/7/30,72,六、应用准数关联式应注意的问题,对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系

33、是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题： 1.应用范围 关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。 2.定性温度 各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法： 取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 3.特征尺寸 无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,2019/7/30,73,【例4-4】一套管换热器，

34、管套为 893.5mm钢管，内管为252.5mm 钢管，管长为2m，环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝，冷却水在内管中流过，进口温度为15，出口为35。冷却水流速为0.4 m/s ，试求管壁对水的对流传热系数。,解： 此题为水在圆形直管内流动,定性温度,查得25时水的物性数据（见附录）如下：,2019/7/30,74,可按p143式(4-18)计算，水被加热，,校正系数,过渡流,2019/7/30,75,【例4-5】 空气以 4m/s 的流速通过一 75.53.75mm 的钢管，管长20m。空气入口温度为305K，出口温度为341K，试计算： 1）空气与管壁间的对流传热系数。2）如空气流

35、速增加一倍，其它的条件均不变，对流传热系数又为多少？,解：此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型，再选用对应关联式计算：,2019/7/30,76,2019/7/30,77,2019/7/30,78,Problem 2,P199: Exercises no.4-11,2019/7/30,79,第四节 两流体间传热过程的计算 不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方程式及 、K计算式求解的过程，即 传热速率方程：,Q-传热速率，W K-总传热系数，W/(m2) A-传热面积， m2 tm-两流体的平均温度差， ,2019/7/30,80,一、热量衡

36、算 换热器的热负荷计算： 1、焓差法：Q=qm热(H1-H2)=qm冷(h2-h1)-焓值查附录 2、显热法：无相变化时 Q=qm热cp1 (T1-T2)=qm冷cp2 (t2-t1) cp1,cp2-为热冷流体的平均定压比热容。 此法应用非常广泛。 Q=qmcpt 弄清t的含义。 3、潜热法：此法用于载热体在热交换中发生相的变化 Q=qm热r热=qm冷r冷 4.冷凝液出口温度低于饱和温度ts时 Q=qm冷r+cp2(ts-t1),2019/7/30,81,二、传热平均温度差的计算 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，各点温度变化的情况，可将传热过程分为恒温

37、传热和变温传热两种。 (一)恒温传热与变温传热 1、恒温传热蒸发(溶液沸腾和蒸汽冷凝) 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:P155 间壁一边流体变温而另一边流体恒温 间壁两侧流体变温,2019/7/30,82,一侧流体变温：逆流与并流一样,2019/7/30,83,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

38、简单折流，若两流体均作折流，或既有折流又有错流的称为复杂折流。,2019/7/30,84,2019/7/30,85,并流,逆流,错流,折流,2019/7/30,86,（二）平均温度差tm的计算,假设：1、热、冷流体的质量流量qm1与qm2均为常数；2、冷热流体的比热容cp1与cp2及总的传热系数K沿传热面均不变；3、不计换热器的热损失,适用：1、两侧流体变温传热的逆流操作和并流操作 2、对一侧流体变温传热 注意：把温差中较大者作为t1，较小者作为t2,2019/7/30,87,以逆流为例导出计算平均温度差tm 的通式 取一微元传热面dA 经dA的传热速率为 dQ = K（T- t）dA= Kt

39、 dA 对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化） dQ = qm1cp1dT= qm2cp2dt 对整个换热器进行热量衡算 设Q损=0，cp1、cp2分别取平均温度下的平均值，可以认为是常数，冷、热流体均无相变化， Q = qm1cp1（T1- T2）= qm2cp2（t2- t1）,2019/7/30,88, 导出计算tm 的通式,2019/7/30,89,令,对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算tm的通式,t1热流体进口侧的传热温差，； t2热流体出口侧的传热温差，。,传热基本方程式,2019/7/30,90,（2）讨论 tm由逆流推导得出，但同样适用于并流 逆

40、流：t1 = T1- t2， t2= T2 - t1,并流： t1 = T1- t1， t2= T2 t2, 若max(t1 , t2)/min (t1 , t2) 2，,2019/7/30,91, 逆流与并流比较 a、当T1、T2及t1、t2均已确定时， tm逆tm并，若Q相同，则A逆A并，所以工业换热器一般是采用逆流；,b、并流 t2 总是 (t2 - t1)并，冷却剂用量ms2逆(T1-T2)并，加热剂用量qm1逆 qm1并；,结论：逆流比并流优越，故应尽可能采用逆流操作。但对热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度t2过高而影响产品质量。此外，传热的好坏，除tm的大小外，还应考虑影响K的

41、多种因素及换热器结构方面的问题。,2019/7/30,92,对只有一侧流体变温的情况，则无逆流和并流之分 饱和蒸汽（热流体）冷凝，冷流体无相变,2019/7/30,93,热流体无相变，饱和液体（冷流体）沸腾,2019/7/30,94,3、错流和折流时的平均温度差： tm=ttm逆 t1,一般t不宜小于0.8，否则使tm过小，很不经济。 根据参数R、P查p160图4-25可知t,2019/7/30,95,4、变温传热时流体流动方向的选择, 从平均温差考虑-逆流节省传热面积, 从载热体用量考虑-逆流节省冷却剂或加热剂用量。, 并流特点-冷流体温度不高于某温度或热流体不低于某温度,2019/7/30

42、,96,三、 总传热系数,由传热基本方程有 W/m2 可知，传热系数在数值上等于在传热温差为1时的传热通量。传热系数是评价换热器传热性能的重要参数，也是对传热设备进行工艺设计的依据。 影响传热系数K值的因素很多，主要有换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等。,2019/7/30,97,(一)传热系数的确定方法,在换热器的工艺计算过程中，传热系数K的来源主要有以下三个方面： 1、现场测定 对于已有换热器，传热系数K可通过现场测定法来确定。具体方法是： (1)现场测定有关的数据（如流体的流量和进出口温度等）； (2)根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差tm和传热面积A； (3)由传热基本方

43、程计算K值。,2019/7/30,98,2、公式计算,在换热器结构确定的前提下，传热系数K可用公式计算确定。计算公式可应用串联热阻叠加原理导出。 (1)K计算公式的推导过程,2019/7/30,99,按上图的机理分析可知，热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流”的串联过程。各区域的传热速率如下： （1）热流体对壁面的对流传热 （2）壁面内的导热 （3）壁面到冷流体的对流传热,2019/7/30,100,对于稳定传热过程，各串联环节速率应相等。即 上式中的t对变温传热过程而言，随位置的变化而变化，为计算简便起见，应将其替换为整个换热器的平均值tm。则有,2019/7/30,101,消去

44、tm可得,当A取A2为基准时，则有 ：,2019/7/30,102,2、污垢热阻的影响,换热器在使用过程中，传热壁面会逐渐形成污垢（如水加热器中的水垢、压缩气冷却器中的油垢等），对传热造成附加热阻，该热阻称为污垢热阻。因污垢的组织结构较为疏松，内部存有静止流体，导热性能差，所以，通常污垢热阻比起壁面的热阻来要大得多，因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。 影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值，表4-4列出了一些常见流体的污垢热阻Rd的经验值，可供参考.,2019/7/30,103,表4-6

45、 常见流体的污垢热阻R d,2019/7/30,104,若固体壁为金属材料，污垢忽略时，则： 1/K=1/i + 1/o,当两个膜系数相差很大时，则K与膜系数小的 接近，即总热阻总是由热阻大的那一侧对流传热所控制。若提高K，关键是提高膜系数小的那一侧或同时提高。,【例4-5】一空气冷却器，空气横向流过管外壁，对流传热系数a1=100 W/（m2）。冷却水在管内流动，a2= 6000W/（m2）。冷却水管为252.5mm的钢管，其导热系数=45 W/（m）。试求（1）在该状况下的总传热系数；（2）若将管外空气一侧的对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数有何变化；（3）若将管内冷却水一侧的

46、对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数又有何变化。,2019/7/30,105,解 （1）以管外壁为基准的总传热系数为(忽略污垢热阻),由以上计算可以看出管壁的热阻很小，可忽略不计。,（2）若将管外空气一侧的对流传热系数ao提高一倍，则总传热系数,总传热系数增加了97.1%。,2019/7/30,106,（3）若将管内冷却水一侧的对流传热系数ai提高一倍，则总传热系数,总传热系数只增加了1.6%。,讨论：由上述计算可以看出，强化空气侧的对流传热所提高的总传热系数远较强化冷却水侧的对流传热的效果显著。因此，要提高一个具体传热过程的总传热系数，必须首先比较传热过程各个环节上的分热阻，对分热

47、阻最大的环节进行强化，这样才能使总传热系数显著提高。 结论: 传热系数总是由膜系数小的那一侧流体控制。为了提高传热系数，设法提高小的膜系数。,2019/7/30,107,（三）选取经验值,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K无法通过实测或计算公式来确定。此时，K值通常借助工具手册选取。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热系数的大致范围，可供参考。,2019/7/30,108,表4-7 列管换热器中K值的大致范围,2019/7/30,109,五、 壁温计算,原则上可以由三个方程解三个未知数Q 、Tw、tw,由此式可知，在传热过程中热阻大的环节其温差也必然

48、大。金属壁的热阻通常可以忽略，即 TW=tW ，于是,此式表明，传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比，壁温必接近于热阻较小或给热系数较大的流体温度。,2019/7/30,110,例4-6在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和135；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2)及1100 W/(m2)，管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005 m2/W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。 解：管壁的平均温度可由下式计算，即：,2019/7/30,111,解得： 计算结果表明，管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。,2019/7/30,112,六、 传热计算-设计计算和校核计算,（一）设计型计算的命题