化工原理传热课件(精品)【稻谷书店】

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1、第4章 传热1主要内容 4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 对流传热系数关联式 4.5 传热过程计算 4.6 辐射传热 4.7 换热器2基本要求l了解热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；l了解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件及注意事项； l了解辐射传热的基本概念及基本定律；l熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径；l了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。34.1 概述第4章

2、传热4传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求概述传热的推动力温度差 传热的方向高温向低温 54.1 概述4.1.1 传热的基本方式第4章传热61.热传导（又称导热） 若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。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热传导(导热)发生在71.热传导（又称导热）热传导的机理 在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动； 在不良导体的固体中和

3、大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的； 在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。8 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。 热对流仅发生在流体中。 依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：对流2.热对流（对流）自然对流强制对流9 流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。2.热对流（对流）对流传热注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。103.热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是：热辐射 不需要任何介质，可

4、以在真空中传播； 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移； 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。114.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式121. 直接接触式换热和混合式换热器132. 蓄热式换热和蓄热器143.间壁式换热和间壁式换热器热流体侧的对流传热间壁的导热冷流体侧的对流传热三个串联传热环节图4-3 间壁两侧流体间传热对流传热导热对流传热154.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器161

5、. 套管式换热器172. 管壳式换热器壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵向横向182. 管壳式换热器19图4-5 单程管壳式换热器1-外壳 2-管束 3、4-接管 5-封头 6-管板 7-挡板 8-泄水池 2. 管壳式换热器动画202. 管壳式换热器图4-6 双程管壳式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板动画214.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4.1.4 传热速率和热通量22q，单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。Q，单位时间内通过传热面的热量，J/s，W。基本概念传热速率热通量整个传热面

6、的热阻单位传热面积的热阻传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻234.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4.1.4 传热速率和热通量4.1.5 稳态传热和非稳态传热24稳态传热和非稳态传热如不加说明一般都指稳态传热过程。物理量不随时间而变物理量不随时间变化稳态传热非稳态传热254.1 概述4.1.1 传热的基本方式4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3 典型的间壁式换热器4.1.4 传热速率和热通量4.1.5 稳态传热和非稳态传热4.1.6 载热体及其选择26 在化工生产中，物料在换热器

7、内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。1. 定义起加热作用起冷却作用 载热体高温载热体（加热剂）低温载热体（冷却剂）272. 载热体的选择及常用载热体 载热体的温度易调节控制； 载热体的饱和蒸气压较低,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。 载热体的选择要求加热剂适用温度，热水40100饱和蒸汽100180矿物油180250联苯混合物255380（蒸汽） 熔盐142530烟道气加热剂1000 冷却剂 适用温度，水080 空气30盐水015氨蒸汽 非金属固体 液体 气体 T ， 气体， 水，其它液体的 。324.2

8、热传导4.2.1 基本概念和傅里叶定律4.2.2 导热系数4.2.3 通过平壁的稳态热传导331.单层平壁的热传导假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失。 图4-8 单层平壁热传导34对平壁一维稳态热传导 积分并整理得1.单层平壁的热传导导热热阻单层平壁的热传导速率方程式352.多层平壁的热传导图4-9 三层平壁热传导假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失； 没有接触热阻。 362. 多层平壁的热传导显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数推广至n层平壁，多层平壁的热传导速率方程式372. 多层平壁的热传导 思考：厚度相同的三层平壁传热

9、，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t2t4t3温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。382. 多层平壁的热传导影响因素：接触材料的种类及硬度接触面的粗糙程度接触面的压紧力空隙内的流体性质 接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻接触热阻394.2 热传导4.2.1 基本概念和傅里叶定律4.2.2 导热系数4.2.3 通过平壁的稳态热传导4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导40图4-11 单层圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导假设：一维稳态温度场。Q为常数，但传热面积S和热通量q均随半径而变。41通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 积分并

10、整理得微分式 积分式 1.单层圆筒壁的热传导42可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式 其中:圆筒壁的对数平均面积1.单层圆筒壁的热传导或单层圆筒壁的热传导速率方程式圆筒壁的对数平均半径注：当r2/r1TWTTW热流体501. 对流传热速率方程对热流体而言：对冷流体而言：若热流体走管内，冷流体走管外：具体表达式：热流体冷流体twTwtT511. 对流传热速率方程热流体冷流体twTwtT采用平均传热系数表示：流体与壁面温差的平均值平均对流传热系数对流传热热阻牛顿冷却定律思考：写出图示的冷、热流体牛顿冷却定律的具体表达式？牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律。52

11、2. 对流传热系数物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)；反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。532. 对流传热系数空气中水中总之：油类中的量级544.3 对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介55 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热图4-13 对流传热的温度分布情况1.对流传热分析56层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层传热方式热传导热传导和对流对流1.对流传热分析温度梯

12、度 较大居中较小热阻 较大居中较小 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。572.热边界层 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层图 4-14 平板上的热边界层o58 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度2.热边界层 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温 换热器任一截面上热流体的平均温度59因此有 上式为

13、对流传热系数的另一定义式，该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而就愈大。反之，则相反。2.热边界层60 流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。 流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到达到基本稳定的这一段距离称为进口段。2.热边界层614.3 对流传热概述4.3.1 对流传热

14、速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介4.3.3 保温层的临界直径62保温层的临界直径问题：保温层越厚，保温效果越好吗？或临界半径 临界直径 63保温层的临界直径图4-15 保温层的临界直径dc故Q有极大值。644.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程4.4.4 总传热速率方程的应用4.4.5 传热单元数法65换热器的热负荷（传热任务）热流体：Wh cph T1冷流体：Wc cpc t1冷流体: t2热流体：T2（1）无相变时：（2）有相变时（无温度变化）：假设无热损失，则：热流体放出的热量=冷流体吸

15、收的热量。66热量衡算式（3）有温变也有相变过程, 需分段计算例: 在1atm下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为60 水,求单位时间放出的热量。120 蒸汽100 蒸汽 100 水 60 水123674.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数68 通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即1.总传热速率微分方程热流体冷流体tT69 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。总传热速率微分方程1.总传热速率微分方程70显然有 管内径管外径平均管径 工程上大多以外表

16、面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。 1.总传热速率微分方程712. 总传热系数 总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。 取得K的途径:（1）分析计算（2）实验查定（3）经验数据72 两流体通过管壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热； 通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。2.总传热系数1）总传热系数的计算热流体冷流体twtTwT73 对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即 或2.总传热系数移项后相加，得热流体冷流体twtTwT74

17、2.总传热系数上式两边均除以 ，并利用，得比较 75基于管内表面积的局部总传热系数基于平均表面积的局部总传热系数基于管外表面积的局部总传热系数得2.总传热系数76设计中应考虑污垢热阻的影响，即 管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。2.总传热系数污垢热阻(又称污垢系数) 因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。77提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻2.总传热系数782. 总传热系数对平壁或薄管壁，ddi d

18、o dm，且管壁热阻和污垢热阻可以忽略。管壁内侧对流传热控制若管壁内、外侧对流传热控制相当若，则若管壁外侧对流传热控制，则79l 欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。 l 当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。 2.总传热系数802. 总传热系数2）K的实验查定3）总传热系数的经验值（查P229表4-6）在有关传热手册和专著中载有某些情况下 K 的经验数值，可供设计参考。81练习题目思考题作业题: 3、41.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点。2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分？在强化传热中，如何有效地减小热阻？824.4 传热过程计算4.

19、4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程83 传热为稳态操作过程； 两流体的比热容均为常量(可取为换热器进、出口下的平均值)； 总传热系数K为常量，即K值不随换热器的管长而变化； 换热器的热损失可以忽略。为了积分式，作以下简化假定：84冷流体温度 热流体温度 1.恒温传热时的平均温度差Tt蒸汽冷凝液体沸腾S851)逆流和并流时的平均温度差逆流并流2.变温传热时的平均温度差图4-16 变温传热时的温度变化(a)逆流 (b)并流86 以逆流为例，推导出计算平均温度差的通式。常量常量二、变温传热时的平均温度差87因此， 及 都是直线关系，可分

20、别表示为 2.变温传热时的平均温度差两式相减t与Q呈直线关系。88图4-17 逆流时平均温度差的推导2.变温传热时的平均温度差89由前述假定知K为常量，故积分上式可得总传热速率方程式2.变温传热时的平均温度差因此90对数平均温度差上式为逆流和并流时计算平均温度差的通式。 在工程计算中，当 时，可用算术平均温度差（ ）代替对数平均温度差，其误差不超过4%。2.变温传热时的平均温度差912）错流和折流时的平均温度差2.变温传热时的平均温度差图4-18 错流和折流示意图(a)错流 (b)折流错流 折流 92温差校正系数 采 用 安 德 伍 德 （ Underwood） 和 鲍 曼（Bowman）图算

21、法 2.变温传热时的平均温度差2）错流和折流时的平均温度差按逆流计算的对数平均温差 错流和折流的平均温差 93 温度差校正系数t值可根据P和R两因数从图4-19中的相应图中查得。2.变温传热时的平均温度差94温差修正曲线 (P232)95 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。 通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。 2.变温传热时的平均温度差962. 变温传热时的平均温度差3）流向的选择任务:冷流体被加热,求加热剂消耗量。（1）流体最终温度和载热体消耗量比较:T1T2t1t2并流逆流:

22、t1并流:t2逆流T1T2t1t2972. 变温传热时的平均温度差（2）传热温差的比较500C 20C150C 80C并流500C 80C150C 20C逆流982. 变温传热时的平均温度差总结：l一般情况下，逆流优于并流，工程上，多采用逆流操作：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大，传递相同热量Q，所需传热面积小，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。l某些情况下，只能采用并流操作：（1）热敏性物料的加热，采用并流可避免出口温度过高影响产品质量；（2）高温换热器中，逆流时t2和T1集中在一端，采用并流，可降低该处壁温，延长换热器使用寿命。99小 结LMTD法-对数平均

23、温差法 （逆、并流）（其他流动情况）1004.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程4.4.4 总传热速率方程的应用1011. 传热面积的计算S =？80C50C30C20C能否用并流？1022. 实验测定总传热系数K例:为测定一台列管式换热器的K,将1100m3/h(标态)压缩空气经换热器从140冷却至60,冷却介质为水,水温从28 升到38 (逆流),该换热器规格为:252 2200mm;n=91根。此换热器在此操作条件下K=?0C100C查哪个温度？140C38C60C28C1033. 换热器的操作型计算例：

24、有一逆流操作的换热器,热流体为空气,1100 W/(m2 ),冷却水走管内,22000 W/(m2. )。已知t120 , t285 , T1100 ,T270 ,忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时,试求: （1）水和空气的出口温度t2和T2； （2）热流量Q 比原热量Q增加多少？比较原工况和新工况解：对原工况：104（原工况）同样：（新工况）其中：105由热量衡算式有：由热量衡算式有：(2)(2)新旧两种工况的传热速率之比：新旧两种工况的传热速率之比：1064.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程

25、4.4.4 总传热速率方程的应用4.4.5 传热单元数法107问题：在操作型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传热速率方程式的对数项中)，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，比较麻烦。解决方法：传热单元数（NTU）法手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个。概述1081.传热效率换热器的传热效率定义为 假设换热器中流体无相变化及热损失可忽略，则Q可由换热器的热量衡算式得到：109最大可能的传热量可用下式表示， 式中Wcp 称为流体的热容量流率，下标min表示两流体中热容量流率较小者，并称此流体为最小值流体。换热器中可能达到的最大温差 较小者具有较大温差 1.传热效率110

26、若冷流体为最小值流体，则传热效率为 如果热流体为最小值流体，则传热效率为1.传热效率1112. 传热单元数NTU对冷流体：基于冷流体的传热单元数112对于热流体，同样可写出基于冷流体的传热单元数基于热流体的传热单元数2.传热单元数NTU1132. 传热单元数NTU传热单元数的物理意义:传热单元长度，Hc传热单元数(NTU)c管长114 温度的量纲为1的函数，反映传热推动力和传热所要求的温度变化。若传热推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需要的传热单元数愈少。 长度量纲，是传热的热阻和流体流动状况的函数。若总传热系数愈大，即热阻愈小，则传热单元长度愈短，所需传热面积愈小。2.传热单元数NTU传

27、热单元数传热单元长度1152. 传热单元数NTU即：什么是传热单元数？ 传热单元的个数就是传热单元数。HcT2T1t1t2Th2Th1tc1tc2L以逆流为例，将整个传热面分成若干段，每段为一个传热单元，应满足：116若冷流体为最小值流体，则若热流体为最小值流体，则3.传热效率与传热单元数的关系117 对一定形式的换热器，可推导出传热效率和传热单元数的关系。3.传热效率与传热单元数的关系单程并流换热器118对于单程逆流换热器，1）当两流体中任一流体发生相变时 3.传热效率与传热单元数的关系2）当两流体的热容流率相等，即 时1193. 传热效率与传热单元数的关系说明：对任一流体， 三者之间存在一

28、定的关系，已知两者可求第三者。避免反复试算； 对于并流、错流、折流等复杂流动，均可推导出 的关系式。为便于计算，通常绘成算图（P241图4-224-24 ），以供查用。1204. 传热单元数法的应用若热流体是最小值流体：若冷流体是最小值流体：应用传热单元数法的解题思路：判断最小值流体；1213. 传热效率和传热单元数的关系确定待求项包含在哪个参数？求出另外两个已知参数；根据三者的关系（可查图4-2225，也可用相应公式算，将未知参数求出，进一步求出待求项。一般说来，换热器的设计型计算宜用平均温度差法，换热器的操作型计算宜用-NTU法。122例1：逆流操作，空气1100W/ (m2 )，冷却水走

29、管内22000W/(m2)。已知t120，t285，T1100 ，T270 ，忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时，试求(1)t2和T2(2)Q /Q？查p241图4-23有：冷流体为最小值流体，以冷流体作计算基准。123124解一： LMTD 法逆流时：(以外表面为基准)125并流时：Q、t2、Ko与逆流时相同 (以外表面为基准)解一： LMTD 法126逆流时：解二： -NTU法代入式(1)得：以热流密度最小的热流体为基准计算。127(以外表面为基准)解二： -NTU法前面已求得：128解二： -NTU法并流时：代入式(2)得：129练习题目思考题作业题: 7、10、141.对

30、数平均温度差值与哪些因素有关？2.试分析平均推动力(tm)法和传热单元(NTU)法间的关系。3.在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8？ 1304.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流传热系数4.5.4 流体有相变时的对流传热系数4.5.5 壁温的估算131a的影响因素1.流体的种类和相变化情况:2.流体的特性: 3.流体的温度4.流体的流动状态:5.流体流动的原因：6.传热面的形状、位置和大小al ag， a相变 a非相变a湍流 a层流a强制对流 a自然对流形状：如管、板、管束等；大小：如

31、管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形 排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。Re;Re ; ;cpcp ； 1324.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析133对流传热分类 :(从大类小类具体情况)对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流(层流) 对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。1341. 3个无因次数群努塞尔数(Nusseltnumber)表示对

32、流传热系数的准数； 反映物性的影响。一般，气体的Pr1 1）2）普朗特数(Prandtlnumber)1351. 3个无因次数群3）4）雷诺数(Reynoldsnumber) 表示惯性力与黏滞力之比，是表征流动状态的准数； 格拉晓夫数(Grashofnumber)表示自然对流影响的准数。1362.准数关联式强制对流（无相变）传热时的准数关联式自然对流（无相变）传热时的准数关联式具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意以下问题。 定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。 特性尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。1374.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2

33、 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流传热系数1381. 流体在管内作强制对流 思考： 与u、d有何比例关系？（4-70）1）流体在圆形管内作强制湍流139 情况流体被加热被冷却液体气体被冷却情况怎样？思考：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？层流底层温度高于平均温度, 减小,层流底层变薄, 变大。Pr1; Pr0.4Pr0.3层流底层温度高于平均温度, 更大,层流底层更厚, 更小。Pr1; Pr0.4Pr0.31401. 流体在管内作强制对流Why？Why？因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。 若使用条件不满足上述条件时，需修正： （1）对于短管，L/d10m/

34、s ） 同向时， ；反向时， ； u （4）不凝气体 ： 不凝气体存在，导致 ，定期排放。（5）冷凝壁面的影响： 沿冷凝液流动方向上液膜增厚， 1481. 蒸汽冷凝 4）膜状冷凝传热的强化减薄冷凝液液膜厚度；l 选择正确的蒸汽流动方向；l在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。1492. 液体沸腾产生沸腾现象的必要条件： 粗糙不平的地方1502. 液体沸腾1）液体沸腾曲线核状沸腾在工业上具有重要意义 优点：大，tW小。动画1512. 液体沸腾2）沸腾传热系数的计算见P260式4-914-953）影响沸腾传热的因素（1）液体的性质 强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）（3）操作压强（2）

35、温差在核状沸腾阶段温差提高，（4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒1524.5 对流传热系数关联式4.5.1 影响对流传热系数的因素4.5.2 对流传热过程的量纲分析4.5.3 流体无相变时的对流传热系数4.5.4 流体有相变时的对流传热系数4.5.5 壁温的估算自学）1534.5.5 壁温的估算在计算给热系数以及设备的热损失时，需要知道壁温，此外，在选择换热器类型和管材时，也需要壁温数据。 如忽略壁面厚度的影响，热阻较小，tW接近总热阻（ ）较小一侧流体的温度。 154练 习 题 目思考题1.为什么流体有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数？2为

36、什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高？3影响冷凝传热系数的因素有哪些？4. 液体沸腾曲线分为几段？作业题: 15、18155【例】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，冷凝温度为40，冷凝传热系数1=7000KW/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。试校核该换热器传热面积是否够用。 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

37、 r=1099kJ/kg 34下水的物性：1561571581594.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热4.6.4 对流和辐射的联合传热160辐射辐射能热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程。 物体以电磁波方式传递的能量。 因热的原因引起的电磁波辐射。 概 述但具有实际意义的波长为0.420m。可见光：0.40.8m很高温度下才有明显作用红外线：0.820m在热辐射中起决定作用从理论上讲，热辐射的波长范围为0;161基本概念QQRQAQD吸收率反射率透过率当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被物体吸收(QA),

38、一部分被反射(QR),一部分透过物体(QD)。162基本概念 A=1, R=D=0。例如没有光泽 的黑墨表面，其吸收率 A=0.960.98。 R=1, A=D=0。例如表面抛光的铜，其反射率 R=0.97。 D=1, A=R=0。例如对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。黑体是一种理想化的物理，实际物体只能或多或少接近于黑体，但没有绝对的黑体。引入黑体的概念是理论研究的需要。黑体（绝对黑体）镜体（绝对白体）透热体163基本概念l 固体和液体：D0，AR1l 气体：R0，AD=1一般来说， 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的 物体。工业上常见的固体材料均可视为灰体。 l 灰体是理

39、想物体，实际物体的吸收率与波长有关，但对工业上常见固体材料，吸收率随波长变化不大，可视为灰体；l灰体的吸收率 A 与波长无关；l灰体为不透热体（A+R=1）。灰体1644.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律1651. 普朗克定律 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。辐射能力普朗克定律1662. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比黑体的辐射能力：斯蒂芬-波尔兹曼定律1672. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律灰体的辐射能力：黑度属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关，一般：l粗糙程度对黑度影响很大，选用时应

40、予标注；l非金属材料的黑度值很高，一般在0.850.95之间可查P265表4-11。黑度黑体的辐射能力灰体的辐射能力1683. 克希霍夫定律与A的关系l 可由物体的黑度知吸收率；l 善于辐射者必善于吸收；l 两者物理含义不同：A表示由其他物体发射来的辐射能被吸收的分数；e表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数（热平衡时，q=0）1694.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热170E1, R1, T1E2, R2, T2E2板板1(灰体灰体)板板2(灰体灰体)T1 T2E2R1E2R1R2E2R1R22E2R1R222E1, R1,

41、 T1E2, R2, T2E1板板1(灰体灰体)板板2(灰体灰体)T1 T2E1R2E2R1R2E1R1R22E1R1R2221. 基本计算式图4-36平行灰体间的辐射过程1711. 基本计算式总辐射系数角系数辐射面积净的辐射传热速率172S，j 和 C1-2 的计算方法序号辐射情况面积 S角系数j总辐射系数 C1-21面积极大相距很近的两平行面S1或S212面积有限且大小相等的两平行面S113很大的物体2包住物体1S114物体2恰好包住物体1，S1=S2S115界于3、4两种情况之间S111732. 影响辐射换热的主要因素与T4成正比，T,Q 。,Q 。为增加电气设备的散热能力，可在其表面涂

42、上黑度很大的油漆；需减少辐射散热时，可在表面渡以黑度很小的银、铝等。用角系数j表示，从辐射面积S发射的能量被另一物体截获的分数。如插入热屏，增大热阻，较小Q。4）介质3）几何位置2）表面黑度1）温度1744.6 辐射传热4.6.1 基本概念4.6.2 物体的辐射能力和有关的定律4.6.3 两固体间的辐射传热4.6.4 对流和辐射的联合传热175高温热备的热损失其中：aR的经验公式见P270式4-1134-116。对流-辐射联合传热系数1764.7 换热器4.7.1 间壁式换热器的类型4.7.2 管壳式换热器的设计和选型4.7.3 各种间壁式换热器的比较和传热的 强化途径177 管壳式换热器是一

43、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。1781.管式换热器1）蛇管式换热器沉浸式蛇管式换热器喷淋式蛇管式换热器缺点：管外流体的给热系数小， 为强化传热，可在器内安装搅拌器。 喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。 1791.管式换热器2）套管式换热器优点：结构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。螺旋套管换热器1801.管式换热器3）管壳式换热器使用最广泛，单位体积的传热面积、处理能力和操

44、作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。181思考：如何判断壁温tw、Tw接近哪一个温度？T、t or t0？两流体温差在50以上时，要考虑温度补偿问题182固定管板式 补偿圈补偿换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点是结构简单、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。当壳体和管子之间的温差较大(6070)且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。183U型管式换热器U型管补偿用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。 管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。这种结构比较简单，管束可以拔出清洗，但管内的机械清洗困难，因此

45、管内必须是清洁流体。 184浮头式换热器-浮头补偿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。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。1852. 板式换热器1）夹套式换热器结构简单,但传热面积小,传热效率低,为提高传热效果,釜内可安装搅拌器、蛇管。主要用于反应过程的加热或冷却。1862. 板式换热器2）板式换热器板式换热器是由一组波纹金属板组成,板上有孔,供传热的两种流体通过.金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹紧螺栓夹紧。板式换热器作为一种新型、高效、节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用,并且有逐步取代其它类型之

46、趋势。1872. 板式换热器2）板式换热器1882. 板式换热器2）板式换热器1892. 板式换热器3）螺旋板式换热器190l传热效率高传热效率为列管式换热器的13倍l 阻力小以较低的压力损失，处理大容量蒸气或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其它换热器高。2. 板式换热器3）螺旋板式换热器1913. 翅片式换热器1）翅片管换热器在管子外表面上装有径向或轴向翅片；翅片管式横向传热面积大，传热效率高，总传热系数为光管的四至八倍。1923. 翅片式换热器1）翅片管换热器适用于两种流体的给热系数相

47、差很大的场合。 翅片与光管的连接应紧密无间，否则会在连接处产生很大的接触热阻。常用的连接方法有镶嵌、缠绕或高频焊接，其中焊接最为密切，但加工费用较高。 1933. 翅片式换热器1）板翅式换热器板翅式换热器是一种传热效果更好、结构更为紧凑的换热器。1944. 热管换热器结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。 1导管 2吸液芯 3蒸汽 4

48、吸热蒸发端 5保温层 6放热冷凝端 1954.7 换热器4.7.1 间壁式换热器的类型4.7.2 列管式换热器的设计和选型1961. 设计方法及步骤1971）流体流径的选择2.管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题198垢层u 阻力其它主要热阻结构允许压力降管壳式换热器中常用的流速范围选择流速时,应尽可能避免在层流下流动2.管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题2）流体流速的选择1993） 冷却介质(或加热介质)终温的选择：以冷却介质为例:t2,WC,动力消耗（操作费用）；t2,tm, S;设备投资费用设计时tm 104）管子的规格、管子的排列和管间距(1)管子规格对于单根管洁净流体取小管径；不洁

49、净或易结垢流体取较大管径。一般采用252.5mm及192mm两种标准钢管长为6m,一般l取为1.5、2、3和6m2.管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题200(2)管子的排列和管间距t=1.251.5d05）管程和壳程数的确定管壳式换热器系列标准中管程数有1、2 、4 、6四种,通常每程的管数相等。当S大,l又不能太大,为了提高流速,采用多管程。当0.8时,应采用多壳程,但一般采用串联使用。2016）折流挡板的选用 ：挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。挡板的间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外给热系数下降；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。我国系列标准规定的挡板间距：

50、固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格；浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。作用：提高管外的给热系数；形状：园缺型、园盘型、 分流型等；202 7)外壳直径的确定:初步设计可用下式估算外壳直径:D 壳体直径,m; t 管中心距,m; nc 位于管束中心线上的管数; b 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁距离,一 般取b =(11.5)d0 ,m。8)流体流经换热器的阻力(压降)计算 ：(1)管程流体阻力 式中：p1流体流经直管的压力降，N/m2；p2流体流经回弯管时的压力降，N/m2；Ft结垢修正系数，对于252.5mm的管子， 取为1.4，对

51、于 192mm的管子，取为1.5； Ns串联的壳程数； Np管程数。203直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算；回弯管中的压力降 p2 由下面的经验公式估算： (2)壳程流体阻力 壳程流体阻力的计算公式很多，但由于壳程流体的流动状况十分复杂，由不同的公式计算的结果相差较大。埃索法计算壳程压降 p0 的公式： 式中： p1/ 流体横过管束的压力降，N/m2； p2 / 流体通过折流板园缺时的压力降，N/m2； Fs 壳程压力降的结垢修正系数，对于液体取1.5, 对于气体或可凝蒸汽取1.0。204(2)壳程流体阻力 式中：F 管子排列方法对压力降的修正系数，对于正三角形排列 F = 0

52、.5，对于正方形排列 F = 0.3，对于正方形斜转 45 度 F = 0.4； f0 壳程流体的摩擦系数； nC 横过管束中心线的管子数； NB 折流挡板数； h 折流板间距； u0 按壳程流通截面积计算的流速，而 A0=h(D-nCd0), 或由系列标准中查得，m/s。通常,液体流经换热器的压力降为0.11atm,气体为0.010.1atm, 设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 205 确定流体在换热器中的流动路径，根据传热任务计算传热负荷，确定流体在换热器进、出的温度，选定换热器的形式，计算定性温度，查取流体物性，计算换热器平均温差

53、，根据温度校正系数不小于 0.8 的原则，确定壳程数。 依据总传热系数的经验值，或按生产实际情况选定总传热系数K估值，由传热基本方程估算传热面积S估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在系列标准中选择适当的换热器型号。 计算管程和壳程的压降，根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求，若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压力降直至满足要求为止。 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数1和2，确定污垢热阻Rs1和Rs2, 计算总传热系数K计

54、，并计算传热面积S计，比较S估和S计，若S估/S计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。 3.列管换热器的选用和设计的步骤 自学)2064.7 换热器4.7.1 间壁式换热器的类型4.7.2 列管式换热器的设计和选型4.7.3 各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径2072. 传热的强化途径强化传热目的：用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。1.增加平均温差 2.增大传热面积3.增大总传热系数Kl 采用逆流流动l 提高加热剂温度或降低冷却剂温度，但这种方法将受到工艺条件限制。208增大传

55、热面积S：（1）翅化面（肋化面）（2）异性表面（3）多孔物质结构（4）采用小直径传热管2092. 传热的强化途径强化传热目的：用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。1.增加平均温差 2.增大传热面积3.增大总传热系数Kl 采用逆流流动l 提高加热剂温度或降低冷却剂温度，但这种方法将受到工艺条件限制。2103）增大总传热系数K 螺纹槽、螺纹管、螺旋槽管、麻花纽带等。要设法减小热阻较大项，才能有效提高K值。增加管程数;增加折流挡板数，但能耗增加。 （1）提高流速（2）增强流体的扰动 （3）流体中加固体颗粒（4）采用短管换热器（5）在气流中喷入液滴（6）防止垢层形成和及时清除垢层211l 电水动力学EHD（Electrichydrodynamics)强化传热技术l 添加剂强化传热技术l 纳米流体强化传热技术l 超声波强化传热技术2. 强化传热的新技术212