化工原理传热课件.ppt

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1、第四章第四章 传传 热热覆盖内容：覆盖内容：n传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；热效率与传热单元数的概念及计算；对流传热的主要热效率与传热单元数的概念及计算；对流传热的主

2、要影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎克定律，斯蒂芬克定律，斯蒂芬-波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步骤。骤。掌握的内容：掌握的内容：n1 1、热

3、传导基本原理，一维定常态傅立叶定律及应用，、热传导基本原理，一维定常态傅立叶定律及应用，平壁及圆筒壁一维定常态热传导计算与分析平壁及圆筒壁一维定常态热传导计算与分析n2 2、对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热、对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热的主要因素的主要因素n3 3、无相变管内强制对流的、无相变管内强制对流的关联式及应用；关联式及应用；NuNu、ReRe、PrPr、GrGr等的物理意义及计算。正确选用等的物理意义及计算。正确选用的计算式，的计算式，注意其用法和使用条件。注意其用法和使用条件。n4 4、传热计算：传热速率方程与热负荷的计算、平均温、传热计算：传热速率方程

4、与热负荷的计算、平均温差推动力、总传热系数、污垢热阻、壁温计算、传热差推动力、总传热系数、污垢热阻、壁温计算、传热面积、加热程度和冷却程度计算、强化传热的途径面积、加热程度和冷却程度计算、强化传热的途径熟悉的内容：熟悉的内容：n1 1、对流传热系数经验式建立的一般方法、对流传热系数经验式建立的一般方法n2 2、蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算、蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算n3 3、传热效率、传热单元数及其在传热操作型、传热效率、传热单元数及其在传热操作型计算中的应用计算中的应用n4 4、热辐射的基本概念、两灰体间辐射传热计、热辐射的基本概念、两灰体间辐射传热计算算n5 5、列管换热器的

5、结构及选型计算、列管换热器的结构及选型计算了解的内容：了解的内容：n1 1、加热剂、冷却剂的种类和选用、加热剂、冷却剂的种类和选用n2 2、各种常用换热器的结构特点及应用、各种常用换热器的结构特点及应用n3 3、高温设备热损失计算、高温设备热损失计算n重重 点：传热基本方程式；对流传热点：传热基本方程式；对流传热系数的影响因素及计算。系数的影响因素及计算。n难难 点：对流传热过程分析；最小值点：对流传热过程分析；最小值流体；流体；4-14-1概述概述传热（热传递）：由传热（热传递）：由温度差温度差引起的能量传递。自发过程中热引起的能量传递。自发过程中热量从高温传递到低温。量从高温传递到低温。热

6、力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。目的：强化传热过程；削弱传热过程。目的：强化传热过程；削弱传热过程。分类：分类：间歇传热间歇传热连续传热连续传热按连续性按连续性按与时间按与时间的关系的关系非稳态传热：传热速率非稳态传热：传热速率 常数，常数，稳态传热：传热速率稳态传热：传热速率=常数，常数，六、传热基本方式（传热机理）六、传热基本方式（传热机理）1 1热热传传导导（导导热热）(conduction)(conduction)：物物体体的的各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，仅仅借借分分子子、原子、自由电子等微

7、观粒子的热运动而引起热量的传递，称为热传导原子、自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递，称为热传导 金属，自由电子的运动。金属，自由电子的运动。固体固体 分子晶体，分子的振动。分子晶体，分子的振动。非非金金属属 原原子子晶晶体体，原原子子的的振振动动。晶晶格格结结构构的的振振动动，弹性波。弹性波。离子晶体，离子的振动。离子晶体，离子的振动。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。2 2热热对对流流（对对流流）(convection)(c

8、onvection)：流流体体各各部部分分之之间间发发生生相相对对位位移移所所引引起起的的热热传传递递。由于同由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。3 3热热辐辐射射（辐辐射射）(radiation)(radiation)：因因热热的的原原因因而而产产生生电电磁磁波波在在空空间间的的传传递递。特特点点：1 1

9、 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；2 2 所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，不需不需 要任何介质。要任何介质。在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存对流传热：对流传热：流动的流体与固体壁面之间的热量传递。流动的流体与固体壁面之间的热量传递。4 41 12 2 传热过程中热、冷流体传热过程中热、冷流体(接触接触)热交换的方式热交换的方式一一.直接接触式换热和混合式换热器直接接触式换热和混合式换热器优点：传热效果好，优点：传热效

10、果好，设备结构简单n图图4-14-1 混合式冷凝器混合式冷凝器n(a)(a)并流低位冷凝器并流低位冷凝器 (b)(b)干式逆流高位冷凝器干式逆流高位冷凝器n1 1一外壳一外壳 2 2一淋水板一淋水板 3 3、8 8一气压管一气压管 4 4一蒸汽进口一蒸汽进口 5 5一进水口一进水口 6 6不凝气不凝气出口出口 7 7一分离罐一分离罐二二蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热和蓄热器n蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内装有填充物装有填充物(如耐火砖等如耐火砖等)，热、冷流体，热、冷流体交替地交替地流过蓄热器，利用流过蓄热器，利用

11、固体填充物来固体填充物来积蓄和释放积蓄和释放热量而达到换热的目的。热量而达到换热的目的。n蓄热器结构简单，且可耐高温，因此多用于高温气体的加热。其蓄热器结构简单，且可耐高温，因此多用于高温气体的加热。其缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用得不太多。类设备在化工生产中使用得不太多。三三 间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器 冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流动。冷、热侧流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。流体通过间壁进行热量交

12、换。1 1套管式换热器套管式换热器2 2列管式换热器列管式换热器固定管板式固定管板式(结构图结构图）、）、浮头式浮头式、U U型管式型管式优点：单位体积内具有较大的传热面积。优点：单位体积内具有较大的传热面积。3 3沉浸式沉浸式、喷淋式喷淋式特点：只有热量传递。特点：只有热量传递。传热速率传热速率(Q)(Q)：单位时间内通过传热面传递的热量，：单位时间内通过传热面传递的热量，W W；热通量（热通量（q q）：单位时间单位传热面积传递的热量，）：单位时间单位传热面积传递的热量，w/mw/m2 2。传热面积：传热面积：S S0 0、S Si i、S Sm m。n图图4-34-3 间壁两侧流体间传热

13、间壁两侧流体间传热n(1)(1)热流体将热量传至固体壁面左侧热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热对流传热)。n(2)(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导热传导)。n(3)(3)热量自壁面右侧传至冷流体热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热对流传热)。n图图4-44-4 套管式换热器套管式换热器nl l一内管一内管2 2一外管一外管n它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷、热流体分别它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷、热流体分别n流经内管和环隙而进行热的交换。流经内管和环隙而进行热的交换。单程列管式换热器单程列管式换热器1 1 外壳外壳 2 2管束

14、管束 3 3、4 4接管接管 5 5封头封头 6 6管板管板 7 7挡板挡板 双程列管式换热器双程列管式换热器1 1壳体壳体 2 2管束管束 3 3挡板挡板 4 4隔板隔板4-1-34-1-3栽热体及其选择栽热体及其选择一一 概念概念物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供给或取走热量，这种流体称为给或取走热量，这种流体称为载热体载热体，其中起加热作用的载，其中起加热作用的载热体称为热体称为加热剂加热剂(或称加热介质或称加热介质)；起冷凝作用的载热体称为；起冷凝作用的载热体称为冷却剂冷却剂(或称泠却介质或称泠却介质)。二二 载热体

15、的选择原则：载热体的选择原则：1)1)温度易于调节温度易于调节2)2)饱和蒸汽压较低，加热时不易分解；饱和蒸汽压较低，加热时不易分解；3)3)毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备4)4)价格便宜。价格便宜。三工业上常三工业上常 用的载热体用的载热体加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气；气；冷却剂：水、空气和各种冷冻剂冷却剂：水、空气和各种冷冻剂4.2 4.2 热传导热传导4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律一一 温度场和温度梯度温度场和温度梯度温度场：任一瞬间物

16、体或系统内各点的温度分布总和，温温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温度场的数学表达式为：度场的数学表达式为：当稳态温度场稳态温度场定态一维温度场定态一维温度场等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积。等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传递。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传递。温度梯度：温度梯度：传热速率：传热速率：热通量：热通量：一维温度场一维温度场二二 傅立叶傅立叶(Fourier)(Fourier)定律定律负号表示热流方向与温度梯度方向相反导热系数导热系数一般地，一般地，导电固体导电固体

17、 非导电固体非导电固体，液体液体 气气体体 4-2-2 4-2-2导热系数导热系数一一.定义：定义：导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯单位温度梯度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。其数值与物质的种类、度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。其数值与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压强有关。组成、结构、密度、温度、压强有关。二二.固体的导热系数固体的导热系数0时的导热系数温度系数，对大多数金属材料，为负值；对大多数非金属材料为正值。三三.液体的导热系数液体的导热系数除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升

18、高而降低。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。金属液体的导热系数比一般的液体要高金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大纯液体的导热系数比其溶液的要大 4 4 气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大，在相当大的压强范围内，气体的导热系数随温度升高而增大，在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化甚微，气体的导热系数很小，常气体的导热系数随压强的变化甚微，气体的导热系数很小，常用做保温材料用做保温材料4.2.2 4.2.2 平壁的热传导平壁的热传导一一 单层平壁的热传导单层平壁的热传导1.1.几点基本假设几点基本假设1

19、)1)平壁材料均匀，导热系数平壁材料均匀，导热系数不随温度而变不随温度而变(或取平均导热或取平均导热系数系数)。2)2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。3)3)壁边缘处的热损失可忽略。壁边缘处的热损失可忽略。n图图4-84-8 单层平壁的热传导单层平壁的热传导n对此种定态的一维平壁热传导，导热速率对此种定态的一维平壁热传导，导热速率Q Q和传热面积和传热面积S S都为常量，都为常量，故式故式4-54-5可简化为可简化为n当当x=0 x=0时，时，t=t1t=t1；x=bx=b时，时，t=t2t=t2；且；且t1t2t1t2，积分上式可得，积分上式可得

20、n或或n式中式中 b b平壁厚度，平壁厚度，m m；nt t温度差，导热推动力，温度差，导热推动力，；nR R 导热热阻，导热热阻，W W；nR R 导热热阻，导热热阻，m m2 2W W。n应予指出，上式适用于应予指出，上式适用于导热系数导热系数 为常数的稳态热传为常数的稳态热传导过程。导过程。实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之而异。但是在工程计算中，对于因而导热系数也随之而异。但是在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面温度下温度下 值的算术平均值，或取两侧

21、面温度之算术值的算术平均值，或取两侧面温度之算术平均值下的平均值下的 值。值。n导热速率与导热速率与导热推动力成正比导热推动力成正比，与，与导热热阻成反比导热热阻成反比；还可看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，还可看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。则导热热阻愈大。2 2、多层平壁的热传导、多层平壁的热传导以以三三层层平平壁壁为为例例，如如图图所所设设，且且假假定定 为为常常数数，及及层层与与层层之之间间接接触触良良好，没有接触热阻，则由好，没有接触热阻，则由单层平壁公式，得单层平壁公式，得而由一维稳态条件，得而由一维稳态条件，得所以相加并整理，得所以相加并整理

22、，得 或或 影响因素：影响因素：接触材料的种类及硬度，接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测定或凭接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计经验估计三三 接触热阻接触热阻由于平壁表面粗糙不平使不同材料的由于平壁表面粗糙不平使不同材料的相邻壁面出现明显的温度降低。相邻壁面出现明显的温度降低。一、单层圆筒壁的一维稳态热传导常量常量传热速率传热面积热通量平壁圆筒壁常量随半径变常量随半径变图5-6 单层圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的一维稳态热传导n若在圆筒半径若在圆筒半径r r处沿半径方向取微分厚度

23、处沿半径方向取微分厚度drdr的薄壁圆筒，其传的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，等于热面积可视为常量，等于 ；同时通过该薄层的温度；同时通过该薄层的温度变化为变化为dtdt。仿照平壁热传导公式，通过该薄圆筒壁的导热速。仿照平壁热传导公式，通过该薄圆筒壁的导热速率可以表示为率可以表示为n将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得n整理整理式中式中 圆筒壁的内、圆筒壁的内、外表面的对数平均面积，外表面的对数平均面积，m m2 2；温差，温差，C C；热热阻，阻，C/WC/W。二、多层圆筒壁的稳态热传导 假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。图5-7 多层圆筒壁的热传导热传导

24、速率可表示为 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为或二、多层圆筒壁的稳态热传导二二 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导假设：假设：各层间接触良好；各层的导热系数分别为1、2、3，厚度分别为b1、b2、b3。4-34-3对流传热概述对流传热概述对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热根据流体在传热过程中的状态根据流体在传热过程中的状态 对流传热对流传热无相变的对流传热无相变的对流传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热有相变的对流传热有相变的对流传热蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾一、传热方式和温度分布一、传热方式和温度

25、分布1 11 1、层流、层流 导热导热 非线性非线性 层流底层区层流底层区 导热导热 近似线性近似线性2 22 2、湍流、湍流 过渡流区过渡流区 导热与对流导热与对流 非线性非线性 湍流主体区湍流主体区 对流为主对流为主 近似水平线近似水平线二二、牛牛顿顿冷冷却却定定律律（对对流流传传热热系系数数的的定定义义）：当当流流体体流流过过固固体体壁壁面面时时，通通过过流流体体且且与与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即 或或 式中式中 q qx x局部对流热流密度，局部对流热流密度，W/mW/m2 2；Q Q对流传热速率或热

26、流量，对流传热速率或热流量，W W；S S与流体接触的固体传热面积，与流体接触的固体传热面积，m m2 2；x x局部对流传热系数，局部对流传热系数，W/(mW/(m2 2 K)K)；t tw w，T Tw w分别为冷热流体侧的局部壁温，分别为冷热流体侧的局部壁温，K K，C C；t t，T T分分别别为为冷冷热热流流体体的的有有限限空空间间内内局局部部截截面面平平均均温温度度或或大大空空间间中中流流体体主流温度，主流温度，K K，C C。4-3-14-3-1对流传热机理对流传热机理n对流传热中包括了对流传热中包括了热对流热对流和和热传导热传导两种基本传热方式，两种基本传热方式，对流传热与流体

27、的流动状况密切相关。对流传热与流体的流动状况密切相关。n由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，宏观运动，因此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。由于流体的导该方向上的热传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。层中温度差较大，即温度梯度较大。n在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡；在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡；因此湍流主体中

28、温度差因此湍流主体中温度差(温度梯度温度梯度)极小，各处的温度极小，各处的温度基本上相同。基本上相同。n在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。层内温度发生较缓慢的变化。一、对流传热分析一、对流传热分析 n图图4-134-13 对流传热的温度分布情况对流传热的温度分布情况n由上分析可知，对流传热是集由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导热对流和热传导于一体的于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。减薄滞流

29、内层的厚度是强化对流传热的主要途径。正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流的温度和壁面的温度不同，必然会形成的温度和壁面的温度不同，必然会形成热边界面热边界面(又称温度边界又称温度边界层层)。当温度为当温度为 的流体在表面温度为的流体在表面温度为t tw w的平板上流过时，流体和的平板上流过时，流体和平板间进行换热。平板间进行换热。流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层热边

30、界层。在热边。在热边界层界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。为零。热边界层愈薄则层内的热边界层愈薄则层内的温度梯度愈大。若紧靠温度梯度愈大。若紧靠壁面附近薄层流体壁面附近薄层流体(滞滞流内层流内层)中的温度梯度中的温度梯度用用(dt(dtdy)dy)w w表示，由表示，由于通过这一薄层的传热于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，只能是流体间的热传导，2 2 热边界层热边界层五、热边界层的发展五、热边界层的发展进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数 x x基本基本稳定的这一

31、段距离。稳定的这一段距离。在进口段内，在进口段内，逐渐减小，在进口段后，逐渐减小，在进口段后，基本保持恒定。基本保持恒定。若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则 从进口从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，有所回升，有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。失。局部对流局部对流传热速率传热速率对流传热系数，对流传热系数，W/m2流体温度壁温微分传热面积微分

32、传热面积 在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。侧或管外侧表面积。但对流传热系数必须和传热面积以及温但对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应。度差相对应。如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则对流传热速率方程式可分别表示为：对流传热速率方程式可分别表示为：二二.对流传（给）热系数对流传（给）热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热在数值上等于单位温度差下、单位传热 面积的对面积的对流传热速率。它反映了流传热速率。它反映了对流传热的快慢对流传热的快慢，它不是流，它不是流体的物

33、理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。由热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对流传热系数。流传热系数。空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾5252010020 10001000 150005000 15000500 20002500 25000 值值(W/(m(W/(m2 2.)的范围的范围4-3-3 4-3-3 保温层的临界厚度保温层的临界厚度只有，增加保温层的厚度才能使热损失减少4-54-5传热过程计算传热过程计算4-5-1 4-5-1 能量

34、衡算能量衡算总焓衡算方程总焓衡算方程当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取平均温度下的比热容时平均温度下的比热容时当换热器中两流体有相变化时：当换热器中两流体有相变化时：有相变而有相变而无降温时无降温时有相变且有相变且有降温时有降温时设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温度、载热体流量等。度、载热体流量等。4-5-24-5-2总传热速率微总传热速率微分方程和总传热系数分方程

35、和总传热系数一一.总传热速率微分方程总传热速率微分方程热流体热流体的平均温度的平均温度冷流体的冷流体的平均温度平均温度局部总传局部总传热系数热系数总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：二二.总传热系数总传热系数1.1.总传热系数的数值范围总传热系数的数值范围(见下表见下表)流体种类总传热系数KW/(m2K)水气体1260水水8001800水煤油350左右水有机溶剂280850气体气体1235饱和水蒸气水14004700饱和水蒸气气体30300饱和水蒸气油60350饱和水蒸气沸腾油290870列管换热器总传热系数列管换热器总传热系数K K的经

36、验数据的经验数据 2.2.总传热系数的计算式总传热系数的计算式1 1）热流体以对流传热的方式将热量传）热流体以对流传热的方式将热量传给热侧表面；给热侧表面；2)2)热侧表面以传导传热热侧表面以传导传热方式将热量传给冷侧表面；方式将热量传给冷侧表面；3)3)然后冷然后冷侧表面以对流传热方式将热量传给冷侧表面以对流传热方式将热量传给冷流体。流体。两流体通过管壁的传热包含以下过两流体通过管壁的传热包含以下过程：程：通过管壁通过管壁的热传导的热传导热流体对热侧固体壁热流体对热侧固体壁面的传热速率方程面的传热速率方程冷侧固体壁面冷侧固体壁面对冷流体的传对冷流体的传热速率方程热速率方程由以上三式可得总传热

37、速率方程：由以上三式可得总传热速率方程：在上式两边同除在上式两边同除dSdSo o,便可有：便可有：所以有：所以有：同理有：同理有：3.3.污垢热阻污垢热阻 工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是内侧和外侧的污垢热阻分别是R Rs si i和和R Rs so o，则总热阻：，则总热阻：总传热系数：总传热系数：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二、总传热系数若传热面为平壁或薄管壁 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 若管壁外侧对流传热控

38、制二、总传热系数若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管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制二、总传热系数欲提高 值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。二、总传热系数 值总是接近且永远小于 中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时，近似等于 中小者。2.总传热系数的测定 对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到的总传热系数值最为可靠。二、总传热系数一、平均温度差法对总传热速率微分方程积分，可得总传热速率积分方程传热过程冷、热流体的平均温度差 推导平均温度差的表达式时，对传热过程作以下简化

39、假定：传热为稳态操作过程；两流体的定压比热容均为常量；总传热系数为常量；忽略热损失。一、平均温度差法1.恒温传热时的平均温度差 换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温传热。冷流体温度 热流体温度 一、平均温度差法2 2、变温传热、变温传热n图图4-164-16 变温传热时的温度差变化变温传热时的温度差变化n(a)(a)逆流逆流 (b)(b)并流并流由热量恒算并结合假定条件和，可得 常数常数一、平均温度差法因此，及 都是直线关系，可分别表示为 上两式相减，可得 也呈直线关系。将上述诸直线定性地绘于图5-9中 一、平均温度差法图5-9 逆流时平均温度差的推

40、导一、平均温度差法所以所以 t t与与Q Q成线性关系，其斜率也可为成线性关系，其斜率也可为而而 假定假定 为常数，则为常数，则 ，令令 对数平均温差，对数平均温差，所所以以 总总传热基本方程传热基本方程 显然，上式对并流也适用。显然，上式对并流也适用。n图图4-184-18 错流和折流示意图错流和折流示意图n(a)(a)错流错流(b)(b)折流折流n错流：错流：两流体的流向互相垂直，称为错流；两流体的流向互相垂直，称为错流；n简单折流：简单折流：一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复 折流，称为简单折流。折流，称为简单折流。n复杂折流：复杂折流：若两流体

41、均作折流，或既有折流又有错流，若两流体均作折流，或既有折流又有错流，则称为复杂折流。则称为复杂折流。温差校正系数 安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法 一、平均温度差法 先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的校正因素。即具体步骤如下：根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流条件下的对数平均温度差tm。按下式计算因数 R 和 P：一、平均温度差法根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数；将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度差校正系数，即得所求的。一、平均温度差法一边恒温时 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

42、计中规定，值不应小于0.8，否则值太小，经济上不合理。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。一、平均温度差法n温度差校正系数图是基于以下假定作出的：温度差校正系数图是基于以下假定作出的：n(1)(1)壳程任一截面上流体温度均匀一致。壳程任一截面上流体温度均匀一致。n(2)(2)管方各程传热面积相等。管方各程传热面积相等。n(3)(3)总传热系数总传热系数K K和流体比热容和流体比热容cpcp为常数。为常数。n(4)(4)流体无相变化。流体无相变化。n(5)(5)换热器的热损失可忽略不计。换热器的热损失可忽略不计。(三三)流向的选择流向的选择n若两流体均为

43、变温传热时，且在两流体进、出口温度若两流体均为变温传热时，且在两流体进、出口温度各自相同的条件下：各自相同的条件下：n逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小，逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小，其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间。其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间。n逆流的优点是：逆流的优点是：n1.1.所需的换热器传热面积较小。所需的换热器传热面积较小。n2.2.可节省加热介质或冷却介质的用量。可节省加热介质或冷却介质的用量。n1.1.换热器应尽可能采用逆流操作。换热器应尽可能采用逆流操作。n2.2.但是在某些生产工艺要求下，若对流体的温度有所但是在某些生

44、产工艺要求下，若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，此时则宜采用并流操体被冷却时不得低于某一温度，此时则宜采用并流操作。作。n3.3.采用折流或其它流动型式的原因除了为满足换热器采用折流或其它流动型式的原因除了为满足换热器的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均温度差较逆流时的为低。温度差较逆流时的为低。n4.4.在选择流向时应综合考虑，在选择流向时应综合考虑，值不宜过低，一值不宜过低，一般设计时应取般设计时应取 0.90.9，至少不能低于，至

45、少不能低于0.80.8，否则，否则另选其它流动形式。另选其它流动形式。n5.5.当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，不论何种流动形式，只要流体的进、出口温度各自相不论何种流动形式，只要流体的进、出口温度各自相同，其平均温度差均相同。同，其平均温度差均相同。4.4.4 4.4.4 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用n1.传热面积的计算传热面积的计算n总传热速率方程、热量衡算式总传热速率方程、热量衡算式n（1）.总传热系数总传热系数K K为常数为常数（2）.总传热系数总传热系数K K为变数为变数 当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大

46、，从而对流当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式传热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式误差较大。误差较大。若若K K随温度呈线性变化时，可用下式计算随温度呈线性变化时，可用下式计算若若K K随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的K K视为常数，则视为常数，则 或或 若若K K随温度变化较大时，应采用积分法：随温度变化较大时，应采用积分法：或或 4-5-4 4-5-4 传热单元数法传热单元数法一一.传热效率传热效率在换热器中可能达到的最大温差：在换热器中

47、可能达到的最大温差：T T1 1-t-t1 1最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者，最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者，表示为：表示为：热流体为最小值热流体为最小值流体流体冷流体为最小值冷流体为最小值流体流体二二.传热单元数传热单元数NTUNTU换热器的热量衡算和传热速率微分方程为：换热器的热量衡算和传热速率微分方程为：对冷流体，上式可改写为：对冷流体，上式可改写为：基于冷流体的传热单元数基于冷流体的传热单元数(NTU)(NTU)C C：2 2传热单元数传热单元数NTUNTU（Number of Transfer Number of Transfer UnitsUnits）n

48、1.1.传热单元数传热单元数NTUNTU：传热单元的个数。：传热单元的个数。n2.2.当当 时时 ，即即 由由 得得 (T-t)m=(T(T-t)m=(Th2h2-t-tclcl)+(T)+(Thlhl-t-tc2c2)/2)/2 所以，传热单元长度是温度变化所以，传热单元长度是温度变化 与该段换热与该段换热器内的平均推动力器内的平均推动力 相等时的换热器相等时的换热器长度。长度。表示方法：表示方法：令令 传传热单元长度，热单元长度，m m；传传热单元数热单元数 3.3.传热效率和传热单元数的关系（传热效率和传热单元数的关系（与与NTUNTU）以以单单程程并并流流换换热热器器为为例例，传传热热

49、效效率率和和传传热热单单元元数数的的关关系系可可以以推导如下：推导如下：总传热速率方程为：总传热速率方程为：并流时对数平均温度差为并流时对数平均温度差为：整理上两式，得整理上两式，得THANK YOUSUCCESS2023/1/2378可编辑因为因为代人上式代人上式,得得 若冷流体为最小值流体若冷流体为最小值流体,并令并令C Cminmin=W =W c cc cpcpc C Cmaxmax=W=Wh hc cphph则则 (NTU)(NTU)minmin=所以，有所以，有 n因因 T T2 2=n所以所以 n n n n n将上式代入将上式代入4-584-58，得，得n若热流体为最小值流体，

50、只要令若热流体为最小值流体，只要令n(NTU)(NTU)minmin=nC Cminmin=W =W h hc cphph C Cmaxmax=W=Wc cc cpcpcn则可推出与上式相同的结果则可推出与上式相同的结果.n同理同理,可推导得到可推导得到逆流逆流时的传热效率和传热单元数的关时的传热效率和传热单元数的关系为：系为：n当两流体之一有相变化时，当两流体之一有相变化时，(Wc(Wcp p)maxmax趋于无穷大，故式趋于无穷大，故式4 45959和式和式4 46060可简化为可简化为n 1-exp-(NTU)1-exp-(NTU)minmin n当两流体的当两流体的WcWcp p相等时