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1、第四章第四章 传热传热 ( Heat transfer )( Heat transfer )1、掌握内容、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及传热基本方程式及其相关参数的计算方法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、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 3、了解内容、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：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
2、能量传递过程，又称热传递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 1、为化学反应过程创造必要的条件；、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
3、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 2、为物理单元操作创造必要的条件；、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
4、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 3、提高热能的综合利用和余热的回收；、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
5、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。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。
6、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。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（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热量的过程。当物质内部在传热方向上无
7、质点宏观迁移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。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
8、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。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直所以说：固体和静止流体中的传热以及作层流运动
9、的流体层中垂直所以说：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。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。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
10、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
11、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
12、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（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因此，辐射传
13、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。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）。要的传热方式（如化工生产现场的管式炉）。实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，
14、而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽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。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
15、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
16、，简称蓄热器蓄热器。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）
17、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。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。
18、第五节第五节 热传导热传导一、傅立叶定律一、傅立叶定律（一）导热的分类（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。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。而流体发
19、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，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。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：度场。可用数学表达式表示为： t = f t = f ( (x, y, z, x, y, z, ) )l
20、式中式中 l t温度，温度，；lx、y、z任一点的空间坐标；任一点的空间坐标；l时间，时间，s。l显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。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。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）。可用数学为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：表达式表示为
21、：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。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：维稳定导热。可用数学表达式表示为：lt = f (x)l在化工生产过程中，一维稳定导热体的在化工生产过程中，一维稳定导热体的等温面：
22、等温面：l在直角坐标系中往往是垂直于温度变化在直角坐标系中往往是垂直于温度变化方向的平壁面；方向的平壁面；l在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方向的圆柱面；向的圆柱面；l在球坐标系中往往是垂直于温度变化方在球坐标系中往往是垂直于温度变化方向的球面。向的球面。l对后两者可用数学表达式表示为：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，问题多为一维稳定导热问题，如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管的管壁、列管或套管换热器的的管壁、列管或套管换热器的管壁以及球形容器
23、等。限于篇管壁以及球形容器等。限于篇幅和实用性，本节只讨论一维幅和实用性，本节只讨论一维稳定导热问题。稳定导热问题。（二）傅立叶定律（二）傅立叶定律l导导热热过过程程的的导导热热速速率率可可借借助助傅傅立立叶叶定定律律确确定定。傅傅立立叶叶定定律律表表明明了了导导热热体体的的导导热热速速率率与与导导热热方方向向上上温温度度的的变变化化率率和和垂垂直直于于导导热热方方向向的的导导热热面面积积成成正正比比。对对一一维维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为稳定导热过程，傅立叶定律可表述为 l上式中上式中, 称为温度梯度。由于导热方向为称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的方向，故需在右端加一负号。温度下
24、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若要将上式写成等式，则需引入一比例系数，即，即l （4-16）l式中式中 lQ导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或或W；l 比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，J/sm或或W/m；lS导热面积，导热面积，m2。l式（式（4-16）即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数）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。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（将式（将式（4-164-16）改写为
25、）改写为）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，性参数， 越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组越大，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。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，差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次
26、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。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，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。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；这与气体的导热系数随着温
27、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围内，气体的增多有关。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，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（大于只有当压强很高（大于200MPa）或很低（小于）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑压强的影响，此时导热系）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。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式中式中 l m气体混合物的导热系数，气体混合物的导热系数，W/m；l
28、i气体混合物中气体混合物中i组分的导热系数，组分的导热系数，W/m；lyi气体混合物中气体混合物中i组分的摩尔分数；组分的摩尔分数；lMi气体混合物中气体混合物中i组分的摩尔质量，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低。在非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。除水和甘油金属液体
29、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。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：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有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为算式为l （4-18a）l上两式中分别为混合液
30、中上两式中分别为混合液中i组分的质量分组分的质量分率及与混合液相同温度下率及与混合液相同温度下i组分的导热系组分的导热系数。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。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、
31、结构的紧密程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。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。计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。 二、傅立叶定律的应用二、傅立叶定律的应用（一）
32、平壁导热（一）平壁导热l1、单层平壁导热、单层平壁导热l如图如图4-11所示，若平壁的面积所示，若平壁的面积S与厚度与厚度相相比很大，则从边缘处的散热可以忽略，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壁内温度只沿垂直于壁面的x方向发生变方向发生变化，即所有等温面是垂直于化，即所有等温面是垂直于x轴的平面，轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为一且壁面的温度不随时间变化，显然为一维稳定导热。维稳定导热。 由傅立叶定律由傅立叶定律 Qt1t22 2、多层平壁热传导、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，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
33、炉壁通常由耐火砖、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壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算方法。方法。在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。即率都是相等的。即 根据等比定律则有根据等比定律则有b1b2b3Qtt1t2t3t4xl化简得化简得l若由三层平壁导热向若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导层平壁推广，其导热速率方程式则为：热速率方程式则为：l式中
34、下标式中下标i为平壁的序号。为平壁的序号。（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热1、单层圆筒壁导热、单层圆筒壁导热l化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导化工生产中的导热问题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：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，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、如图所示，设圆筒壁的内、外半径分别为外半径分
35、别为r1和和r2长度为长度为L；内、外表面温度分别为；内、外表面温度分别为t1和和t2，且，且t1 t2 ；管材导；管材导热系数为热系数为。则由傅立叶定。则由傅立叶定律有：律有：l因稳定过程导热体的导热因稳定过程导热体的导热速率为常数，若导热体的速率为常数，若导热体的导热系数可视为常数或可导热系数可视为常数或可取平均值，则上式中仅包取平均值，则上式中仅包含温度含温度t和半径和半径r两个变量。两个变量。 l将上式分离变量，并根据将上式分离变量，并根据r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。即：的边界条件积分。即：l积分得：积分得：l l式中式中 即为圆筒壁的导热热阻。即为圆筒壁的导
36、热热阻。 l上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该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式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。算式的形式。 l由l上式中上式中 ，为圆筒壁的厚度，为圆筒壁的厚度，m。l若令上式中的若令上式中的 ，称为圆筒壁的，称为圆筒壁的对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积计算式，可令计算式，可令 ，称为圆筒壁的平，称为圆筒壁的平均导热面积。故上式可改写为：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，当跟传热平均温度差计算相类似地，当r2/r1 2时，上式中的对数平均半径也可用
37、时，上式中的对数平均半径也可用算术平均值代替。算术平均值代替。 2、多层圆筒壁导热计算、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；在容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀；在换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。与多换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可层平壁
38、相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：以表示为：（三）空心球体的导热（三）空心球体的导热l由于球形设备具有表面积小、容量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、大、用材省、热量（或冷量）损失、受压均匀等优点。所以，在化工生受压均匀等优点。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普遍。对于空心球体的导热过程可右图来进行说明。右图来进行说明。l若在空心球体的内外两侧，分别放若在空心球体的内外两侧，分别放置两个加热源，使得内外壁温度恒置两个加热源，使得内外壁温度恒定为定为t1和和t2，且，且t1t2。则温
39、度仅随。则温度仅随球壳的半径变化，导热仅为径向上球壳的半径变化，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积也是随半径的变化而变化l故由傅立叶定律有故由傅立叶定律有l将上式分离变量后并根据将上式分离变量后并根据 r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。的边界条件积分。 l也即也即l积分得积分得l上式即为单层空心圆柱体的导热速率计算式。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
40、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
41、式：对流传热速率对流传热推动力/阻力系数推动力Q= Att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
42、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=CRemPrn2、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（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
43、.8(Cp)n应用范围： Re10000 0.7Pr60；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
44、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：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。14）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
45、当量直径，再用上面公式。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二、液体有相变时的对流传热系数1、蒸气冷凝膜状冷凝；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。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。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 。1*蒸气在单根水平管上冷凝Nu=0.725(GaPrKD)0.25=0.725(32gr/dout)0.25其中： r：蒸气冷凝潜热取饱和温度下
46、的数值 ： 冷凝液的密度 kg/m3 ：冷凝液的导热系数 W/m ：冷凝液的粘度 PaS do：特征尺寸，在此用管外径m 定性温度：取液膜平均温度tm=(ts+tw)/2 t=ts-tw 2*蒸气在水平管束外的冷凝对流传热系数仍可用上式计算，但特征尺寸该为n2/3do,n为水平管束垂直列上的管子数。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的二列管子所组成，一般各列管子在垂直方向的管数不相等，若分别为n1,n2,n3,则3*蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝若膜层为滞流 Re1800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
47、，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/msM=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/bRe=deu=4M/2、液体的沸腾、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
48、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。25C5C沸腾温差t C热通量热通量q传热系数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，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
49、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-t2、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
50、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复杂折流。对于错流和折流时的平均温度差：tm=ttm逆逆t5050）水蒸汽水蒸汽水蒸汽水蒸汽蒸馏水蒸馏水蒸馏水蒸馏水0.090.09优质不含油优质不含油优质不含油优质不含油0.0520.052海水海水海水海水0.090.09劣质不含油劣质不含油劣质不含油劣质不含油0.090.09清净的河水清净的河水清净的河水清净的河水0.210.21液体液体液体液体未处理的凉水塔用水未处理的
51、凉水塔用水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已处理的锅炉用水已处理的锅炉用水0.260.26熔盐熔盐熔盐熔盐0.0860.086硬水、井水硬水、井水硬水、井水硬水、井水0.580.58植物油植物油植物油植物油0.520.52气体气体气体气体燃料油燃料油燃料油燃料油0.1720.1720.520.52空气空气空气空气0.260.260.530.53重油重油重油重油0.860.86溶
52、剂蒸汽溶剂蒸汽溶剂蒸汽溶剂蒸汽0.1720.172焦油焦油焦油焦油1.721.72l 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Rsi、Rso，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
53、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K大多以外表面积大多以外表面积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K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K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，若传热壁面为平壁或薄管壁时，Si、So、Smm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（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
54、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K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，K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。 表表4-5 列管换热器中列管换热器中K值的大致范围值的大致范围热流体热流体冷流体冷流体传热系数传热系数K W/m2水水水水8501700轻油轻油水水340910重油重油水水60280气体气体水水17280水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水水1420425
55、0水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝气体气体30300低沸点烃类蒸汽冷凝低沸点烃类蒸汽冷凝（常压）（常压）水水4551140高沸点烃类蒸汽冷凝高沸点烃类蒸汽冷凝（减压）（减压）水水60170水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水沸腾水沸腾20004250水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝轻油沸腾轻油沸腾4551020水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝重油沸腾重油沸腾140425二、强化传热的途径二、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（二）提高传热推动力 l（三）提高传热系数（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
56、器总热阻的方法来实现。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，现假设传热壁为平壁，则总热阻为为便于分析，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分析，抓住主要矛盾，设法减小所占比例大的分热阻。阻。 l1、抑制污垢的生成或及时除垢、抑制污垢的生成或及时除垢降低污垢热降低污垢热阻阻l2、提高流体的、提高流体的 值值降低对流热阻降低对流热阻l当壁面导热热阻（当壁面导热热
57、阻（/）和污垢热阻（）和污垢热阻（Rsi、Rso）均可忽略时，均可忽略时，K计算式可简化为：计算式可简化为： l若若 o i（例如，用水蒸汽加热空气的过程，（例如，用水蒸汽加热空气的过程，水蒸汽走壳程，空气走管程），则水蒸汽走壳程，空气走管程），则1/K 1/ i；此时，欲提高此时，欲提高K值，关键在于提高管内侧流体值，关键在于提高管内侧流体（即空气）的传热膜系数。（即空气）的传热膜系数。 反之亦然。反之亦然。第八节第八节 换热器换热器一、间壁式换热器一、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、直接混合式换热器二、直接混合式换热器1、2
