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1、 第四章第四章 传热传热学习要求：1、熟练掌握的内容热传导的基本定律；平壁和圆筒壁的定常热传导的计算；传热推动力与热阻的概念；对流给热基本原理、对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数、平均温差的计算；流体在圆筒直管内作强制湍流时的对流给热系数计算；传热设备的设计型计算。2、理解的内容传热的三种方式及其特点；间壁式换热器的传热过程；影响管内及列管管外对流给热的因素及各准数的意义；列管式换热器的结构、特点、工艺计算及选型；强化传热过程的途径；传热的操作型计算与换热器的调节。第一节第一节 概述概述 传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递传热即热量传递，凡是
2、有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普，传热是极为普遍的一种能量遍的一种能量 传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。一、传热在化工生产中的应用：一、传热在化工生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2、化工设备和管道的保温，以减少热损失。、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3、生产中热能的合理利用，废热回收。、生产中热能的合理利用，废热回收。二、传热的基本方式二、传热的基本方式传热的基本方式有：传热的基本方式有：（一）（一）热传导（导热）热传导（导热）（二）（二）对流对流（三）热辐射（三）
3、热辐射机理：当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度的差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，热能就从物体的较高部分传给温度较低的部分或从一个温度较高的物体传递给直接接触的温度较低的物体。特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。常发生于：固体中，而流体中并不显著（一）（一）热传导（导热）热传导（导热）（二）（二）对流传热机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传递到另一处。分类：自然对流：流体质点的相对运动是因流体内部各处温度不同而引起的局部密度差异所致。强制对流：用机械能（如搅拌流体使流体发生对流运动。常发生于：流体中。说明：
4、对流传热的同时，伴随着流体质点间的热传导，一般讨论对流传热多指热由流体传到固体的壁面（或反之的传热过程。（三）辐射机理：任何物体，只要其温度在绝对零度以上，都能随温度的不同以电磁波的形式发射能量，同时又会吸收来自外界物体的辐射能。特点：不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换，另外辐射不需要媒介。常发生于：物体之间的温差特别大时才成为主要传热形式。说明：上述三种传热的基本方式，很少单独存在，往往是互相伴随着出现。（一）、间壁式换热主要特点：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。步骤：热流体以对流传热方式将热量传给间壁的一侧。热量自间
5、壁一侧以导热的方式传递到另一侧。间壁以对流传热方式向冷流体传递热量。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。三、化工生产中的换热形式（二）、混合式换热主要特点：冷热两种流体间的热交换，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，设备简单。设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸汽冷凝，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。废蒸汽冷水热水（三）、蓄热式换热主要特点：冷热两流体间的热量是通过壁面周期性的加热和冷却来实现的。适用范围：一般气体介质之间，使用不多。说明：在化工厂中间壁式换热
6、方式使用最为广泛。高温流体低温流体蓄热体传热速率和热通量传热速率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；热通量q：指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。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。几个基本概念稳定传热和不稳定传热稳定传热（定常传热）：传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化不随时间变化而变化。特点：单位时间通过传热间壁额定热量是一个常量。不稳定传热：传热系统中各点的温度不仅随位置不同而不同，而且随时间发生变化。说明：连续生产过程中所进行的传热多为稳
7、定传热。在间歇操作中的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段所进行的传热，都属于不稳定传热。本章只讨论稳定传热。第二节第二节 热传导热传导一、付立叶定律和导热系数（一）付立叶定律式中：Q导热速率，W dt/dn温度梯度，/m（或K/m）A导热面积，m2 材料的导热系数 W/（m）或W/（m K）付立叶定律：在平壁内单位时间以热传导的方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。（二）导热系数 物理意义：导热系数是物质的一种物理性质，表示物质的导热能力的大小，导热系数值越大，物质的导热性能越好。获取：导热系数只能实际测定。影响因素：物质的
8、导热系数与物质组成、结构、密度、温度和压力有关。一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，而气体的最小。1、固体的导热系数1）金属：金属是最好的导热体；纯金属：导热系数随温度的升高而下降合金：纯度的增加而导热系数增加2）非金属建筑材料或绝缘材料导热系数与温度、组成和结构的紧密程度有关，一般地，导热系数随密度增加而增加，也随温度升高而升高。对于大多数的均质固体，导热系数与温度近似成直线关系0(1+t)式中：固体在温度 t 时的导热系数，0固体在温度 0 时的导热系数，温度系数，1/,对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料 为正值。在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系
9、数可以取固体两侧的温度下导热系数算术平均值，亦可根据物体温度的平均值查得。2、液体的导热系数1）液态金属：温度增加导热系数增加，纯钠具有较高的导热系数。2）非金属液体：水的导热系数最高，除水和甘油外，绝大多数液体导热系数均随温度的升高而略有减小。一般，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。注意：液体的导热系数高于固体绝热材料。（见表4-1、4-2）3、气体的导热系数1）随温度的升高而增大2）在常压下，导热系数随压力的增减变化很小，可忽略不计，过高或过低压力(高于210 5 KPa 或低于3KPa)压力增加导热系数升高。注意：气体的导热系数很小，对导热不利，但利于保温隔。问题：在我国的北方寒冷地区
10、，房屋通常都采用双层玻璃窗，为何？二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导（一）单层平壁的热传导Qt1t2通过积分得到下式：（二）多层平壁的热传导 在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。根据等比定律123Qtt1t2t3t4x三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导（一）单层圆筒壁的稳定热传导 drr2Qt2t1rr1通过积分得到下式：（二）多层圆筒壁的热传导与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：例题：4-1、4-2、4-3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
11、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，因此计算只能用半理论半经验的公式：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或W/m2K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：单纯
12、自然对流时传热系数比强制对流小得多。2、流体的流动情况：湍流时传热系数比层流大得多。与Re有关3、流体有无相变化发生：有相变化时传热系数比无相变化大得多。4、流体的物理性质：如导热系数、比热Cp、密度和黏度5、传热表面的形状、位置和大小：与管子形状、管束排列方式等有关。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方程表示：Nu=CRemPrnGri其中c,m,n,i都是针对不同情况下的具体条件而测得的，这些值测得后，即可计算出对流传
13、热系数。自然对流 Re=0 Nu=CPrnGri强制对流 Gr=0 Nu=CRemPrn（二）对流传热系数的一般关联式2、流体有相变化时（略）对于蒸汽冷凝时 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)0.8(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
14、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（三）对流传热系数的经验关联式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=0.952）流体在圆形直管内强制滞流（具体应用略）Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(/w)0.143)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f1600000/Re1.8求出
15、校正系数。f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（计算热负荷）在换热器计算时，首先需要确定换热器的热负荷。所谓热负荷即换热器中单位时间内冷热流体间所交换的热量。它是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。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。热负荷与传热速率之间的关系：一个能满足生产要求的换热器，必须使其传热速率等于或略大于热负荷。在计算中，通常将它们视为数值上相等。热负荷的计算
16、方法：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冷实践证明 Q Atm引入比例系数 Q=KAtm=二、传热速率方程三、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（tm 与流向无
17、关）间壁两侧流体变温（tm 与流向有关）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，另一侧流体反复折流，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。流向介绍（二）平均温度差tm的计算并流与逆流的通式：tm=ttm逆逆t 与P、R参数有关，可通过查图而得。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查图可知t对于错流和折流时的平均温度差：例题4-8、4
18、-9、4-10四、传热系数（一）基本公式在稳定传热时，热量从热流体传给管壁一侧，通过间壁传至另一侧后又传给冷流体，其传热速率必然是相同的。热流体向壁面 dQ=ao(T-tw1)dAo 通过管壁面的导热 dQ=dAm(tw1-tw2)/管外壁向冷流体的对流传热 dQ=aidAi(tw2-t)与速率方程微分式比较可得：或（二）污垢热阻若传热面两侧表面上的污垢热阻分别为Rsi和Rso则 如果以Ai为基准如果以Ao为基准，请写出算式。（三）讨论1)若为平壁时：2)若固体壁是金属材料，很大，而很小时，/很小，则3)总热阻必大于每一个分热阻，总传热系数必小于任何一个膜系数。4)各分热阻中，最大的分热阻对K
19、的影响最大。K接近于小的膜系数，Ka小，提高K以强化传热时，必须设法提高a小。5)壁温接近于a大的一边流体温度。例题4-11n五、传热计算示例与分析n（一）设计型计算示例n（二）操作型计算示例n（三）壁温计算n六、工业热源与冷源第五节第五节 换热器换热器一、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（动画）（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1、2题库练习n1.（尿素工种第20题）一列管式换热器，钢管内径为25mm，壁厚3.2mm，管长5m，已知管内壁温度373K
20、，外壁温度为353K,试求每根管子单位时间里的换热量。已知钢材的为46.5 W/m K（128.7kJ/s）n2.（尿素工种第21题）某流体在一个换热器的圆形直管内作强制湍流，已知其传热膜系数为480W/m2 K，欲将其提高到768.2W/m2 K左右，试问应将其流速增加多少倍。（1.8）n3.（尿素工种第（尿素工种第6题）有一保温的反应釜，外题）有一保温的反应釜，外壁温度壁温度340K，设周围环境温度设周围环境温度288K，对流对流辐射联合传热膜系数为辐射联合传热膜系数为总总=9.4+0.052（T壁壁-T介介）W/m2 K，试求每小时每平方米面积的热试求每小时每平方米面积的热量。（量。（2
21、265kJ）n4.（常减压工种第5题）有一炉高3m，长5m，内壁温度t1=350，外壁温度t2=80，壁厚为0.25m，试计算炉墙每小时的热损失。已知=0.6KCal/mhK （40630kJ）n5.（合成氨工种第6题）有一蒸汽管道长100m，管外径为170mm，外面有一保温层，其厚度为60mm，导热系数为0.0697J/s m K，保温层内表面温度为563K，外表面温度为323K，求单位时间蒸汽管上的热损失？（20129J/s）n6.(汽（煤、柴）油加氢装置操作工第20题)加热炉砖墙高度为3m，长度为5m，厚度为250mm，砖墙内壁温度为350，外壁温度为80，计算通过砖墙的热损失。（砖导热
22、系数为0.6 KJ/m h ）9720 KJ/hn7.(汽（煤、柴）油加氢装置操作工第1题)如果换热器热流体进口温度为120，出口温度为70；冷流体进口温度为30，出口温度为50，试比较换热器采用并流和逆流时的平均温度差。（46.5 53.6 ）n8.(汽（煤、柴）油加氢装置操作工第2题)已知某加氢装置的换热器热负荷为53164KW，换热面积为2384m2，对数平均温差为60.6 ，请计算该换热器的总换热系数。（368W/m2K）n9.(气体分离装置操作工第2题)换热器平均温差修正系数可以通过查表得到。查表必须知道R、P的值。现要将某液体从20 加热到50 ，热源进口为100 ，出口为60 ，
23、求该修正系数的关联数R、P的值。（1.33 0.375）n10.(气体分离装置操作工第13题)已知某冷却器介质流量为16t/h，进口焓为480.7kJ/kg，出口焓为92kJ/kg，试计算该冷却器的热负荷是多少？（1727.56kw）n11.(气体分离装置操作工第14题)已知某换热器热流体入口温度为158，出口温度为90；冷流体入口温度为50，出口温度为123，换热器的热负荷为100kw，传热系数为70 W/m2。设冷热流体作逆流流动。求换热器换热面积为。（38.16 m2）n12.(气体分离装置操作工第15题)某列管式换热器由252.5mm，长度为3m的管子组成。管子数为60根，若某物料在管
24、内流动，流量为1.25kg/s，由80 冷却到30 ，冷却水在管外与物料作逆流流动，由20 加热到50 ，已知物料的比热容为1.9kJ/kg，以管外为基准的总传热系数472 W/m2 ，试问该换热器是否合用？（合用）n13.(气体分离装置操作工第16题)一换热器尺寸如下：管子252.5mm，管长为6m，管程数为4，公称面积为95 m2，管数为192根。求此换热器以外表面积计的实际传热面积。（90.4 m2）n14.(气体分离装置操作工第17题)已知一逆流列管换热器的传热面积为240 m2，换热能力为4106kw，管程流体由30 加热到60 ，壳程流体由100 冷却到75，试求换热器的传热系数K
25、值。（392.16 W/m2 ）n15.(气体分离装置操作工第18题)某列管式换热器的传热面积由252.5mm钢管组成。空气走管程，冷却水与空气逆流换热。已知空气一侧i=50 W/m2，管外一侧o=100 W/m2，钢的=45 W/m。污垢热阻忽略。求平壁的总传热系数K。（46 W/m2 ）n16.(催化裂化装置操作工第2题)已知：换热器热流体入口温度为158，出口温度为90；冷流体入口温度为50，出口温度为123，该换热器是逆流，求：该换热器平均温度差。（37.4 ）n17.(催化裂化装置操作工第3题)已知一逆流列管换热器的传热面积为240 m2，换热能力为4106kw，管程流体由30 加热
26、到60 ，壳程流体由100 冷却到75，试求换热器的传热系数K值。（392.16 W/m2 ）同14题（气体分离装置操作工第17题)n18.(加氢裂化装置操作工第15题)一台换热器，管子规格为252.5mm，材质为20#钢，导热系数=40kJ/m h ，且管内与管外的给热系数分别为内=500 kJ/m2 h ，外=100 kJ/m2 h ，忽略污垢对传热效果的影响，求该换热器总的传热系数K。（82.9 kJ/m2 h ）n19.(加氢裂化装置操作工第17题)有一管壳式换热器，热流体进口温度为105，出口为40；冷流体进口温度为20，出口温度为50，当冷热流体为逆流时，求该管壳式换热器的平均温度
27、差。（45.5 ）n20.(常减压装置操作工第12题)一列管换热器中，两流体进行换热。已知管内、外液体的平均温度分别为170 和135；管内、外液体的对流传热系数分别为1200 W/m2 及1100 W/m2 ，管内、外侧污垢热阻分别为0.0002 m2 /w、0.0005 m2 /w。试估计管壁平均温度。（155 ）n21.(常减压装置操作工第13题)原油与常二中回流油换热，回流油质量流量Wh=40000kg/h，经换热温度从330 下降到200 ，回流油入口热焓800kJ/kg，出口热焓500kJ/kg，热损失为2.1105 kJ/h，求换热器的实际热负荷。（1.221 107 kJ/h）
28、n22.(常减压装置操作工第14题)现有一传热面积为20m2的管壳式换热器中，壳程通饱和水蒸气以加热管内的空气。160 的水蒸气冷凝为同温度的水。空气流量为2.5 kg/s，其进口温度为30，比热容为1 kJ/kg ，对流传热系数为50 W/m2，试求空气的出口温度。换热器的热损失可忽略。污垢热阻和管壁热阻也可忽略。（72 ）n23.(合成氨装置操作工第5题)在一列管式换热器中，两流体作逆流流动，已知冷流体出口温度为330K，入口温度为280K，热流体出口为320K，入口温度为400K，求换热器中冷热流体的平均温差。（55K）n24.(尿素装置操作工第2题)现有一台列管式换热器，由3400根2
29、52.5mm、长6m的无逢钢管组成，管内走溶液，比热为4.2kJ/kg ，流量为258 kg/s，进口温度为330 K，出口温度为310 K。管外走冷却水，进口温度为285 K，出口温度为300 K，已知换热器总传热系数为657 W/m2，问采用逆流方式时的该换热器是否适用。（适用）n25.(尿素装置操作工第16题)一台单程列管式换热器，热空气走管程，由120 降到80，其对流传热系数1=50 W/m2 。壳程的水被加热，水的进口温度为15 ，出口温度为90，其对流传热系数2=2000 W/m2。管壁热阻及污垢热阻均不计，换热器逆流操作。试计算水量增加一倍时，水和空气的出口温度t2和T2分别为多少？（59.8 72.3 ）n26.(气体分馏装置通用第2题)在列管换热器中，两流体进行换热。已知管内、外液体的平均温度分别为170 和135；管内、外液体的对流传热系数分别为12000 W/m2 及1100 W/m2 ，管内、外侧污垢热阻分别为0.0002 m2 /w、0.0005 m2 /w。试估计管壁平均温度。（164 ）与20题(常减压装置操作工第12题)只差数据。