第四章传热 (3)优秀PPT.ppt

第四章传热2023/2/26第一页，本课件共有115页一、传热在化工生产中的应用一、传热在化工生产中的应用传热：传热：是温度差而引起的热量传递过程（又称热传递）。是温度差而引起的热量传递过程（又称热传递）。1、化工生产与传热的关系、化工生产与传热的关系1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。收的热量。4.1 概述概述2023/2/26第二页，本课件共有115页2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。2、化工生产中所涉及的传热过程有以下两类：、化工生产中所涉及的传热过程有以下两类：1）强化传热：）强化传热：各种换热设备中的传热。2）削弱传热：）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失 2023/2/26第三页，本课件共有115页二、传热的三种基本方式 1、热传导、热传导）（静止介质的传热）（静止介质的传热）（静止介质的传热）（静止介质的传热）热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。微观机理因物态而异 2023/2/26第四页，本课件共有115页2、热对流、热对流（流动介质的热传导）（流动介质的热传导）（流动介质的热传导）（流动介质的热传导）由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传到另一处的传递热量的方式，称为热对流。质点运动质点运动强制对流：如果流体的运动是由于受到外力 的作用（泵、风机、搅拌等）所引起的。自然对流：如果流体的运动是由于流体各部分温度的 不均匀分布，形成密度的差异所引起的。2023/2/26第五页，本课件共有115页3、热辐射、热辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。辐射传热的特点是：辐射传热的特点是：（1 1）能量传递过程中有能量形式的转变）能量传递过程中有能量形式的转变（2 2）任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能）任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能第六页，本课件共有115页4、传热设备的不同形式、传热设备的不同形式在化工生产中使用的传热设备可以分为三类：在化工生产中使用的传热设备可以分为三类：1 1、直接接触式传热设备、直接接触式传热设备 冷流体和热流体直接混合。进行热交换，并能实现热传导和热对冷流体和热流体直接混合。进行热交换，并能实现热传导和热对流两种传热方式的传热设备流两种传热方式的传热设备2 2、间壁式传热设备、间壁式传热设备 多数情况自下，工业生产不允许冷热流体直接接触，多数情况自下，工业生产不允许冷热流体直接接触，因而直接接触式传热设备在工业上并不多，工业上应用最因而直接接触式传热设备在工业上并不多，工业上应用最多的是间壁式传热设备。其中最典型的间壁式传热设备是多的是间壁式传热设备。其中最典型的间壁式传热设备是列管式换热器。两种温度不同的流体分别在管内、外流动，列管式换热器。两种温度不同的流体分别在管内、外流动，通过管壁实现热传导和热对流两种方式传热设备。通过管壁实现热传导和热对流两种方式传热设备。2023/2/26第七页，本课件共有115页管程流体：管程流体：流体由封头一端的接管进入热交换器，流体在分配室中流体由封头一端的接管进入热交换器，流体在分配室中分配到个管中，流体流经管束后由另一端的封头的接管流出。分配到个管中，流体流经管束后由另一端的封头的接管流出。壳程流体：壳程流体：流体由壳体一侧的接管流入，流经管束和壳体之间流体由壳体一侧的接管流入，流经管束和壳体之间的空间（管隙）后从另一端的壳体接管引出。的空间（管隙）后从另一端的壳体接管引出。单程列管式换热器：管程流体在管束中只流过一次，这种换热器单程列管式换热器：管程流体在管束中只流过一次，这种换热器称单程列管式换热器。称单程列管式换热器。3、蓄热式传热设备、蓄热式传热设备将冷热流体交替通过蓄热体一实现它们之间的热交换。将冷热流体交替通过蓄热体一实现它们之间的热交换。由管束，固定管束的管板，封头，壳体由管束，固定管束的管板，封头，壳体2023/2/26第八页，本课件共有115页1、间壁式换热器、间壁式换热器 1）换热器：进行换热的设备称为换热器。2）间壁式换热：工业上，一般情况下不允许冷、热两种流体直接接触进行热交换，要求用固体壁面隔开，冷、热流体分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。例：例：套管式换热器套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。三、间壁换热过程的剖析2023/2/26第九页，本课件共有115页第十页，本课件共有115页2023/2/26第十一页，本课件共有115页2、传热速率与热流密度、传热速率与热流密度传热速率（热流量传热速率（热流量）Q ：单位时间内通过传热面的热量，单位为w。热流密度（热通量）热流密度（热通量）q：单位时间内通过单位传热面积的热量。单位为w/m2传热速率与热流密度的关系为 2023/2/26第十二页，本课件共有115页3、稳态传热与非稳态传热、稳态传热与非稳态传热 1）稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化的热量传递过程。2）非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化的热量传递过程。4、两流体通过间壁的传热过程、两流体通过间壁的传热过程传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到壁的冷侧（热传导）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。2023/2/26第十三页，本课件共有115页5、传热速率方程式、传热速率方程式 传热过程的推动力是两流体的温度差，沿传热管长度，各位置的温差不同，故使用平均温度差，以 表示。对于稳态传热：-传热速率方程式（传热基本方程式）Q传热速率，J/s（或W）；K总传热系数，W/(m2.K)；A传热面积，m2；两流体的平均温度差，K2023/2/26第十四页，本课件共有115页传热速率方程式可以写成推动力与阻力的形式：或：R总传热面的热阻，K/W；r单位传热面积的热阻，(m2.K)/W2023/2/26第十五页，本课件共有115页只要有温差存在，就一定有热量传递，单位时间传递的只要有温差存在，就一定有热量传递，单位时间传递的热量的多少，取决于热阻的大小热量的多少，取决于热阻的大小热阻具有加和性热阻具有加和性2023/2/26第十六页，本课件共有115页6、载热体、载热体物料在换热器中进行加热或冷却，要由另一种流体给出或取走热量，此流体称为载热体载热体的分类：载热体的分类：加热剂：载热体起加热作用。加热剂：载热体起加热作用。冷却剂：载热体起冷却作用。冷却剂：载热体起冷却作用。选择载热体的原则：选择载热体的原则：a载热体应能满足工艺上要求达到的加热或冷却的温度。载热体应能满足工艺上要求达到的加热或冷却的温度。b 载热体的温度易于调节。载热体的温度易于调节。c 载热体的饱和蒸气压小，加热过程中不会分解。载热体的饱和蒸气压小，加热过程中不会分解。d 载热体的毒性小，对设备基本没有腐蚀。载热体的毒性小，对设备基本没有腐蚀。e 载热体应价格低廉，容易得到。载热体应价格低廉，容易得到。当温度不超过当温度不超过180oC,饱和水蒸气是适宜的加热剂。饱和水蒸气是适宜的加热剂。但温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。但温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。2023/2/26第十七页，本课件共有115页4.2 热传导热传导一、傅立叶定律一、傅立叶定律1、温度场和等温面、温度场和等温面 温度场：温度场：物系内所有各点温度分布的总和。温度场的数学表达式为：温度场中各点的温度不随时间而改变 稳定温度场 不稳定温度场 温度场中各点的温度随时间而改变 等温面等温面：温度场中温度相同的点组成的面 2023/2/26第十八页，本课件共有115页2、温度梯度、温度梯度 温度梯度温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面正方向指向温度增加的方向。对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为：3、傅立叶定律、傅立叶定律 2023/2/26第十九页，本课件共有115页为导热系数。W/mK负号表示热流方向与温度梯度方向相反。傅立叶定律傅立叶定律 等温面等温面 法向法向 热流量热流量Q 2023/2/26第二十页，本课件共有115页二、导热系数二、导热系数 1、导热系数的定义、导热系数的定义 在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是物质的重要物性参数之一，单位W/(m.K)。一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。各类物质导热系数的范围见表4-12023/2/26第二十一页，本课件共有115页2、固体的导热系数、固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。大多数均质的固体材料，其导热系数与温度近似直线关系，即可表示如下：3、液体的导热系数、液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，对大多数金属材料，对大多数金属材料，为负值，为负值，对大多数非金属材料，对大多数非金属材料，为正值。为正值。2023/2/26第二十二页，本课件共有115页纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。3、气体的导热系数、气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数随温度升高而加大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注注意意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。2023/2/26第二十三页，本课件共有115页在传热计算过程中，对于内外壁面温度不同的固体，的取值：取两侧壁面温度下的值的算术平均值：取平均温度 下的值 2023/2/26第二十四页，本课件共有115页 m,i 混合液和各组分的热导率，混合液和各组分的热导率，【w/(m.K)】;:各各组组分的分的质质量分数量分数K:常数。常数。对对一般混合物或溶液，一般混合物或溶液，K=1,对对有机物的水溶液，有机物的水溶液，K=0.9混合气体的热导率，按摩尔加和法估算混合气体的热导率，按摩尔加和法估算 m,i 气体混合物和各组分的热导率，气体混合物和各组分的热导率，【w/(m.K)】;yi:i各组分的质量分数各组分的质量分数 Mi:i各组分的摩尔质量，各组分的摩尔质量，【g/mol】混合液体的热导率，按质量加和法估算混合液体的热导率，按质量加和法估算2023/2/26第二十五页，本课件共有115页三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳态热传导、单层平壁的稳态热传导 边界条件为：x=0时，t=t1x=b时，t=t2 2023/2/26第二十六页，本课件共有115页 R导热热阻，K/W；r单位面积的导热热阻。传导距离传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大R=b/(A),q为单位时间、单位面积的导热为单位时间、单位面积的导热量，称为面积热流量或热流密度量，称为面积热流量或热流密度2023/2/26第二十七页，本课件共有115页为了求出平壁内的温度分布，在平壁内为了求出平壁内的温度分布，在平壁内x处取一与壁侧表面平行的平处取一与壁侧表面平行的平面，设该平面上的温度为面，设该平面上的温度为t此式表明，当此式表明，当为为常数常数时时，壁内的温度分布，壁内的温度分布为为一一直直线线。壁内的等温面壁内的等温面为为一系列平行与壁一系列平行与壁侧侧面的平面（垂直面的平面（垂直与与热热流方向的平面）流方向的平面）2023/2/26第二十八页，本课件共有115页例：例：已知一平壁厚已知一平壁厚500mm，再，再侧侧温度分温度分别维别维持持9000、500不不变变，热导热导率率为为温度的函数，可表示温度的函数，可表示为为=1.0(1+0.001t),=1.0(1+0.001t),式中式中t t的的单单位位为为。若将。若将热导热导率分率分别别按常量（取平均按常量（取平均热导热导率）和率）和变变量量计计算算时时，式求，式求热热流密度和平壁内的温度分布。流密度和平壁内的温度分布。解：解：2023/2/26第二十九页，本课件共有115页2023/2/26第三十页，本课件共有115页2023/2/26第三十一页，本课件共有115页2023/2/26第三十二页，本课件共有115页傅立叶定律2023/2/26第三十三页，本课件共有115页2、多层平壁的稳态热传导、多层平壁的稳态热传导 2023/2/26第三十四页，本课件共有115页推广到n层平壁有：多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。2023/2/26第三十五页，本课件共有115页多层平壁导热过程中，每层平壁内的温度均按直线分布，所以，对于多层平壁导热过程中，每层平壁内的温度均按直线分布，所以，对于整个多层平壁温度分布为一折线。整个多层平壁温度分布为一折线。各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。2023/2/26第三十六页，本课件共有115页课堂习题：课堂习题：某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖（耐火砖（1=1.4 W/(mK)，1=225 mm）、）、保温砖（保温砖（2=0.15 W/(mK)，2=115 mm）和）和建筑砖（建筑砖（3=0.8 W/(mK)，3=225 mm）。测得炉内壁温度）。测得炉内壁温度为为930，外壁温度为，外壁温度为55，求单位面积炉壁的热损失及各层间界，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。面上的温度。2023/2/26第三十七页，本课件共有115页四、圆筒壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导1、单层圆筒壁的热传导、单层圆筒壁的热传导仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：2023/2/26第三十八页，本课件共有115页分离变量积分：圆筒壁的导热热阻 这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式 2023/2/26第三十九页，本课件共有115页圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2 当当A2/A12时可用算术平均值代替对数平均值时可用算术平均值代替对数平均值，即：，即：2023/2/26第四十页，本课件共有115页2、多层圆筒壁的稳态热传导、多层圆筒壁的稳态热传导 与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：2023/2/26第四十一页，本课件共有115页流体沿固体壁面的流动 滞滞流流内内层层：流体分层运动，相邻层间没有流体 的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。缓缓冲冲层层：热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。湍流主体：湍流主体：温度梯度很小，各处的温度基本相同。4.3 对流传热对流传热一、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数2023/2/26第四十二页，本课件共有115页 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热热阻阻主主要要集集中中在在滞滞流流内内层层。减减薄薄滞滞流流内内层层的的厚厚度是强化对流传热的主要途径。度是强化对流传热的主要途径。2023/2/26第四十三页，本课件共有115页对流传热速率表达式对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。对流传热速率方程可以表示为：牛顿冷却定律牛顿冷却定律 2023/2/26第四十四页，本课件共有115页 同理：冷流体侧对流传热关系亦可表示为：给热系数给热系数给热系数给热系数或传热分系数或传热分系数或传热分系数或传热分系数2023/2/26第四十五页，本课件共有115页二、对流传热系数的经验关系式二、对流传热系数的经验关系式 1、影响对流传热系数的主要因素、影响对流传热系数的主要因素（1）流体的种类和状态）流体的种类和状态（2）流体的物性）流体的物性1）导热系数）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度）比热和密度2023/2/26第四十六页，本课件共有115页 cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。（3）流体的温度）流体的温度（4）流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。（5）流体流动的原因）流体流动的原因（6）传热面的性状、大小和位置）传热面的性状、大小和位置 2023/2/26第四十七页，本课件共有115页换热方式空气自然对流525气体强制对流20100水自然对流2001000水强制对流100015000水蒸气冷凝500015000有机蒸气冷凝5002000水沸腾2500250002023/2/26第四十八页，本课件共有115页 流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用 表示近壁处的温度梯度，则牛顿冷却定律很难得出！如何确定对流传热系数？如何确定对流传热系数？对流传热微分方程式理论上计算对流传热系数的基础2023/2/26第四十九页，本课件共有115页2、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分析（1）流体无相变时的强制对流传热过程）流体无相变时的强制对流传热过程列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：根据因次分析法可以将上式转化为无因次形式2023/2/26第五十页，本课件共有115页准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示对流传热的系数 雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数2023/2/26第五十一页，本课件共有115页3、应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。圆管圆管-内径；非圆管内径；非圆管-当量直径当量直径3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。2023/2/26第五十二页，本课件共有115页三、流体无相变时对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时对流传热系数的经验关联式1、流体在管内强制对流时的对流传热系数、流体在管内强制对流时的对流传热系数（1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流1)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体 当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。2023/2/26第五十三页，本课件共有115页 定性尺寸：Nu、Re等准数中的L取为管内径di。定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。b)高粘度的液体 为考虑热流体方向的校正项，当液体被加热时其值为1.05；当液体被冷却时，其值为0.95；对于气体其值为1。管长与管径比 应用范围：管内壁面光滑2023/2/26第五十四页，本课件共有115页应用范围：定性尺寸：取为管内径di。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。2)流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时2023/2/26第五十五页，本课件共有115页应用范围：定性尺寸：管内径di。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。按上式计算出后，再乘以一校正因子自然对流的影响不能忽略自然对流的影响不能忽略 2023/2/26第五十六页，本课件共有115页3）流体在圆形直管内处于过渡区）流体在圆形直管内处于过渡区 对于Re=230010000时的过渡区范围，先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。2023/2/26第五十七页，本课件共有115页4）流体在非圆形管中作强制对流）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。经经验验方方式式：套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：应用范围：Re=12000220000，d0/di=1.6517 定性尺寸：当量直径de定性温度：流体进出口温度的算术平均值。2023/2/26第五十八页，本课件共有115页5）流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数）流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数R弯管的曲率半径由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加2023/2/26第五十九页，本课件共有115页2、大空间自然对流传热、大空间自然对流传热对流传热系数与Gr和 Pr有关 固体壁面与静止流体之间由于流体内部存在温差造成密度差，由此产生浮力使流体流动，称为自然对流。大空间自然对流传热是指固体壁面边界层的发展不受空间限制或干扰的自然对流传热。换热过程中常用的换热设备、中温或高温反应器、热水或蒸汽管道等的热表面向周围大气的对流散热 2023/2/26第六十页，本课件共有115页常见大空间自然对流时的C和n值定性温度取壁面与流体平均温度的算术平均值 C、n与传热表面的性质和位置以及（与传热表面的性质和位置以及（Gr*Pr）有关）有关2023/2/26第六十一页，本课件共有115页例例题题：在在一一个个大大气气压压下下，空空气气在在内内径径为为25mm，长长6m的的圆圆形形管管内内流流动动，温温度度由由5升升到到15，若若空空气气的的流流速速为为8m/s,求求空空气气与与圆圆管管的的给给热热系系数数，若若空空气气的的流流量量增增加加80%，其它条件不变，此时的给热系数又为多少？，其它条件不变，此时的给热系数又为多少？流体被加热时流体被加热时,n0.4流体被冷却时流体被冷却时,n0.3定性温度定性温度：流体进出口温度的算术平均值：流体进出口温度的算术平均值2023/2/26第六十二页，本课件共有115页解：空气的定性温度tm=(5+15)/2=10oC 查表得空气在1atm，10oC时的物性参数。=1.247 kg/m3,=0.02512w/m.k,Cp=1.009 kJ/kg.K,=1.77*10-5 Pa.sRe=du/=0.025*8*1.247/1.77*10-5 =14090 10000Pr=Cp*/=1.009*103*1.77*10-5/0.02512 =0.710.6L/d=6/0.025=24050=1.77*10-5 Pa.s2.0*10-3Pa.s=42.04(W/(m2.K)2023/2/26第六十三页，本课件共有115页当空气的流量增加80%时：2023/2/26第六十四页，本课件共有115页课堂思考题流体在圆管内湍流，流量为qv,管径为d,给热系数为1，若管径不变，而流量减少为0.5qv,此时给热系数为2，则2/1=若流量不变，而管径减少为0.5d,此时给热系数为3，则3/1=2023/2/26第六十五页，本课件共有115页例题：例题：在一在一896mm的管内流的管内流过流速流速为0.6m/s的原油，原油被加的原油，原油被加热前后的平均温前后的平均温度度为40oC，此时原油的密度为，此时原油的密度为800kg/m3,Cp=2000J/kg.oC,=0.15w/m.k,=25103Pa.s,=0.0011K,已知管已知管长为长为6m，管内壁温度管内壁温度为为150oC，原油在此温度下的黏，原油在此温度下的黏度为度为3103Pa.s,试试求原油与管壁的求原油与管壁的给热给热系数系数？2023/2/26第六十六页，本课件共有115页解：Re=du/=0.0550.6800/25*10-3 =14780.6L/d=6/0.077=7850RePrd/L=14783330.077/6=631610Gr=gtd32/2=5.55105 25000f=0.8(1+0.015Gr1/3)=1.7862023/2/26第六十七页，本课件共有115页传热计算 设计计算 校核计算 根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。依据：总传热速率方程和热量恒算4.44.4传热计算传热计算2023/2/26第六十八页，本课件共有115页一、热量衡算一、热量衡算 热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系 对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：换热器的热量衡算式应用：计算换热器的传热量 若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时 2023/2/26第六十九页，本课件共有115页 若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器 2023/2/26第七十页，本课件共有115页二、传热的平均温度差二、传热的平均温度差 恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热 传热温度差随位置而改变的传热 传热流动形式 并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 2023/2/26第七十一页，本课件共有115页1、逆流和并流时的平均温度差、逆流和并流时的平均温度差 假定：（1）换热器在稳定情况下操作；（2）流体的比热容均为常量，且传热系数k沿换热面而不变；（3）换热器无热损失 以逆流为例，推导平均温差tc2tc1th2th1A2023/2/26第七十二页，本课件共有115页微元面积dA的传热情况两流体的温差为t 通过微元面dA的传热量为：Q与热流体的温度呈直线关系 Q与冷流体的温度呈直线关系 2023/2/26第七十三页，本课件共有115页Q与冷、热流体的温度差 也呈直线关系。该直线的斜率为：式中：将传热基本方程式的微分式 代入到上式中得：2023/2/26第七十四页，本课件共有115页将上式微分，即：得：对数平均温度差对数平均温度差 2023/2/26第七十五页，本课件共有115页若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。当时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。2023/2/26第七十六页，本课件共有115页解解：逆流时：热流体：冷流体：70 25并流时：热流体：冷流体：85 102023/2/26第七十七页，本课件共有115页可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。2、错流和折流时的平均温度差、错流和折流时的平均温度差 错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，再乘以温度修正系数t，得到实际平均温度差tm。2023/2/26第七十八页，本课件共有115页错流和折流时的平均温度差错流和折流时的平均温度差其中计算P,R的值后,可查图得到t的值 2023/2/26第七十九页，本课件共有115页 例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少?解：逆流时 2023/2/26第八十页，本课件共有115页又冷却水终温提到350C，逆流时：2023/2/26第八十一页，本课件共有115页查图得：3不同流动型式的比较不同流动型式的比较在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。2023/2/26第八十二页，本课件共有115页三、总传热系数三、总传热系数1、总传热系数、总传热系数K的来源的来源1)生产实际的经验数据 2)实验测定 3)计算 2、总传热系数、总传热系数K的计算的计算 流体通过管壁的传热包括：1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁一侧的对流传热2023/2/26第八十三页，本课件共有115页 2)通过管壁的热传导 3)管壁另一侧与流动中的冷流体的对流传热 间壁换热器总传热速率为：2023/2/26第八十四页，本课件共有115页上式与传热基本方程式 比较：若以外表面为基准A=AO 2023/2/26第八十五页，本课件共有115页基于外表面积总传热系数计算公式基于外表面积总传热系数计算公式同理：2023/2/26第八十六页，本课件共有115页3、污垢热阻、污垢热阻 污垢热阻：传热操作一段时间后，其传热表面经常有污垢积存，对传热形成附加的热阻。在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，若传热面为外管，其总的热阻为：2023/2/26第八十七页，本课件共有115页当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，当传热面积为平壁或薄壁管时，2023/2/26第八十八页，本课件共有115页例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2K，管内的2=50W/m2K。（1）试求传热系数K；（2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；（3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。2023/2/26第八十九页，本课件共有115页解：（1）求以外表面积为基准时的传热系数取钢管的导热系数=45W/mK，冷却水测的污垢热阻Rs1=0.5810-3 m2K/WCO2侧污垢热阻Rs2=0.510-3 m2K/W则：2023/2/26第九十页，本课件共有115页(2)1增大一倍，即1=5000W/m2K时的传热系数K2023/2/26第九十一页，本课件共有115页K值增加的百分率（3）2增大一倍，即2=100W/m2K时的传热系数K值增加的百分率2023/2/26第九十二页，本课件共有115页四、壁温的计算四、壁温的计算 已知：管内、外流体的平均温度th,w、tc,w，忽略管壁热阻求：壁温tW方法：试差法步骤：假设tW求管内、外的i、0核算tW2023/2/26第九十三页，本课件共有115页 例：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，且管壁为薄壁。解：2023/2/26第九十四页，本课件共有115页结果表明：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即接近于值大的那个流体的温度。2023/2/26第九十五页，本课件共有115页4.5 热辐射热辐射一、基本概念一、基本概念1、热辐射：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射；2、辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程；3、热射线：可见光线和红外光线统称为热射线。服从反射定律和折射定律。设投射到某物体上辐射能为Q，物体吸收为QA，反射为QR，透过QD，则：2023/2/26第九十六页，本课件共有115页A=QA/Q 物体的吸收率 R=QR/Q 物体的反射率 D=QD/Q 物体的透过率 4、黑体、镜体、透热体和灰体、黑体、镜体、透热体和灰体黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体；镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体；灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体；灰体的特点：灰体的特点：它的吸收率A不随辐射线的波长而变。它不是透热体，即A+R=1,D=0。2023/2/26第九十七页，本课件共有115页二、二、物体的发射能力物体的发射能力与与斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律物体辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。用E表示，单位：W/m2。1、黑体的辐射能力与斯蒂芬-波尔兹曼定律C0黑体的辐射系数，C0=5.67W/(m2.K4)2、实际物体的辐射能力E（1）黑度：同一温度下，实际物体的辐射能力与黑体辐射能力的比值，用表示。表示为：-斯蒂芬-波尔自曼定律2023/2/26第九十八页，本课件共有115页3、克希霍夫定律、克希霍夫定律 黑度表示物体的辐射能力接近黑体的程度，表示实际物体辐射能力的大小。与物体的性质、表面温度、表面粗糙度和氧化程度有关。其值范围01（2）实际物体的辐射能力可表示为：理论证明，任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力，表示为：克希霍夫定律克希霍夫定律 2023/2/26第九十九页，本课件共有115页由 和 在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。表示实际物体的辐射能力占黑体发射能力的分数A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数 2023/2/26第一百页，本课件共有115页4.6 换热器换热器一、换热器的类型一、换热器的类型管式根据传热原理和实现热交换的方法间壁式混合式蓄热式换热面的型式 板式2023/2/26第一百零一页，本课件共有115页1、管式换热器、管式换热器 1）蛇管式换热器）蛇管式换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如图所示。优点：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造 缺点：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。2023/2/26第一百零二页，本课件共有115页2023/2/26第一百零三页，本课件共有115页2023/2/26第一百零四页，本课件共有115页2）套管式换热器）套管式换热器 套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度约为46m，若管子过长，管中间会向下弯曲。在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙第一百零五页，本课件共有115页第一百零六页，本课件共有115页3）列管式换热器）列管式换热器 优点：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。第一百零七页，本课件共有115页2、板式换热器、板式换热器1）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。2）平板式换热器）平板式换热器3）板翅式换热器）板翅式换热器第一百零八页，本课件共有