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1、第四章传热第一页，本课件共有96页第一节第一节 概概 述述一、传热：由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程。二、传热现象：几乎无时不有，无处不在。因为温差几乎无时不有，无处不在。三、传热原理的应用：十分广泛。尤其在能源动力、化工、冶金部门。化学过程单元操作设备管道废热利用四、问题类型提高（强化）传热速率降低（削弱）传热速率第二页，本课件共有96页五、传热基本方式（传热机理）1热传导：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微观运动传递热量的过程。固体 金属，自由电子的运动。非金属分子晶体，分子的振动。原子晶体，原子的振动。离子晶体，离子的振动。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），
2、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）。第三页，本课件共有96页2热对流（对流）：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于同时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随热传导。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。第四页，本课件共有96页3热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。物体因温度的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热
3、才成为最主要的传热方式。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.第五页，本课件共有96页六、典型的传热设备实现两流体换热过程的设备称为换热器。化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。间壁式换热器：冷、热流体被间壁隔开，它们分别在壁面两侧流动。此壁面即构成间壁式换热器。热由热流体以对流方式传递到壁面一侧，通过间壁的导热，在由壁面另一侧以对流形式传递到冷流体。热流方向间间壁壁热流体冷流体对流对流导热第六页，本课件共有96页七、传热速率与热流密度传热速率(热流量)Q：单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量，单位：J/s=W。热流密度（或热通量）q:单位时间、通过单位传
4、热面积所传递的热量，是反映传热速率大小的特征量。单位：J/(s.m2)=W/m2,第七页，本课件共有96页八、传热状态稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率Q为常量。连续生产中传热过程大多属于稳态传热。非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率Q为变量。间歇生产中的传热过程大多属于非稳态传热。第八页，本课件共有96页九、载热体 为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气 冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨、液氮。第九页
5、，本课件共有96页十、传热速率方程 传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差tm成正比，即Atm ：传热速率,tm：两流体的平均温度差,K：比例系数，总传热系数，因次W/(m2K)。上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器传热计算的重要依据。第十页，本课件共有96页第二节第二节 热传导热传导一、温度场和温度梯度一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率(导热速率)。温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布。温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数，即：t=f(x,y,z,t)等温
6、面与等温线：在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。温度梯度：从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。第十一页，本课件共有96页若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。t=f(x,y,z,t)若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。t=f(x,y,z)若物体内的温度仅沿一个坐标
7、方向发生变化，但不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场t=f(x)，温度梯度则可表示为：第十二页，本课件共有96页二、傅立叶定律：二、傅立叶定律：假设：无限平壁：平壁面积A远大于壁厚，壁边缘处Q散失=0。温度t只沿着垂直于壁面的x方向变化，等温面是垂直于x轴的平面。壁面两侧的温度t1、t2不随时间而变化。傅傅立立叶叶定定律律：实践证明：单位时间内通过平板传导的热量dQ与温度梯度dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A正比，即：Q传热速率，W，J/s；A与热流方向垂直的导热面积，m2；热导率（导热系数），W/(mK)或W/(mC)；第十三页，本课件共有96页热导率：表征物质的导热能力，是物质的一个
8、重要热物性参数。物质名称热导率W/m.K金属5-420建筑材料0.5-2绝热材料0.01-04水0.6其他液体0.09-0.7气体0.007-0.17第十四页，本课件共有96页三、导热系数三、导热系数 为为表征物质导热能力的物性参数，通常用实验方法测定。固体固固体体的的导导热热系系数数大大多多与与温温度度有有关关，对对于于大大多多数数均均质质固固体体，其其值值与与温温度度大大致呈线性关系致呈线性关系:0 0(1(1t),t),0 0为为00时固体的导热系数时固体的导热系数.金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变
9、化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。不大时，一般采用该温度范围内的平均值。液体液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。的升高而减小。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水、甘油、乙二醇等物质外，在非金属液体中，水的导热系数最大。除水、甘油、乙二醇等物质外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小。一般说来纯液体的导热绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。系数比其溶液的要大。第十五页，本课件共有96页气体气体的导热系数随温度的升高而增大
10、。在相当大压强范围内，气体气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。一般规律 第十六页，本课件共有96页四、平壁的稳态热传导四、平壁的稳态热传导1.1.单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导三个假设：三个假设：导热系数导热系数为定值为
11、定值无限平壁：平壁面积与厚度之比很无限平壁：平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。略。一维稳定导热：平壁的温度变化一维稳定导热：平壁的温度变化仅沿垂直壁面的仅沿垂直壁面的x x方向变化。于方向变化。于是等温面是垂直于是等温面是垂直于x x轴的平面。轴的平面。第十七页，本课件共有96页推导推导第十八页，本课件共有96页第十九页，本课件共有96页2 2、多层平壁的稳态热传导 在许多化工过程中，遇到的是多层平壁的热传导问题，如炉壁由三层组成：耐火砖、保温砖、建筑砖，如下图所示。第二十页，本课件共有96页数学模型的四个假设（1）、（2）、（3）与单层平壁的
12、假设相同。（4）层与层接触良好，相接触的两表面温度相同。t1t2t3t4推导在稳定导热中，通过各层的导热速率是否相等：Q=Q1=Q2=Q3？还是 Q=Q1+Q2+Q3？第二十一页，本课件共有96页第二十二页，本课件共有96页结论与讨论：多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和 串联热阻叠加原则，它和物理学中串联电阻的欧姆定律相似。稳定的串联传热过程的温差与热阻成正比，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻。第二十三页，本课件共有96页五、圆筒壁的稳定热传导圆筒壁与平壁的热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同
13、时温度也随半径而变。如图所示，设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，长度为L，圆筒内，外壁面的温度分别为t1和t2，且t1t2。第二十四页，本课件共有96页推导 现讨论在半径为r，厚度为dr，圆筒长度为l 的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率第二十五页，本课件共有96页第二十六页，本课件共有96页在化工中经常用到对数平均值：当 A2/A12时，可用算术平均值代替对数平均值进行计算。当 r2/r12时，可用算术平均半径代替对数平均半径用算术平均代替对数平均计算结果相差小于4%。第二十七页，本课件共有96页与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以
14、分析通过多层圆筒壁的热传导。对于三层圆筒壁，如右图示，假定层与层之间接触良好，各层的导热系数分别为1、2、3均为常数，根据串联的热阻叠加、推动力叠加原理，通过三层圆筒壁热传导的热流量计算如下：第二十八页，本课件共有96页第二十九页，本课件共有96页利用数学中的合比定律得：对于n层圆筒的传热速率公式为：第三十页，本课件共有96页在圆筒壁的稳定热传导中，Q为定值，q是否为定值？显然，通过各层的Q相同，但第三十一页，本课件共有96页第三节第三节 对流传热对流传热对流传热过程牛顿冷却定律对流传热系数及其影响因素对流传热系数的因次分析第三十二页，本课件共有96页对流传热：是指流体中质点发生相对位移而引起
15、的热交换过程，因而对流只能发生在流体中。在生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。第三十三页，本课件共有96页我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。第三十四页，本课件共有96页对流传热
16、过程如图所示。固体壁面温度为tw（高温端），流体湍流主体的温度为t。第三十五页，本课件共有96页在固体壁面存在层流层，然后是过渡层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在过渡层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们虚拟一个传热边界层，即有效膜，使得层流、过渡流、湍流的全部传热阻力集中在有效膜内。于是可以按平壁导热进行处理得：第三十六页，本课件共有96页由于上式中的传热边界层是难以测定的，所以仍无法进行计算。于是令则上式为：即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的传热速率，与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度
17、差成正比。对流传热系数，亦称传热膜系数，其单位是:第三十七页，本课件共有96页传热膜系数计算与许多因素有关，所以不是物质特有性质(与不同).的求取十分复杂，目前主要通过因次分析法，在大量实验的基础上，得到一些经验的应用范围受限制的特征数关联式。第三十八页，本课件共有96页在强制对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将传热系数的影响因素表示为u流体速度，反映流体流动状况影响,Cp流体密度、粘度、导热系数和比热，反映物性影响l传热表面的特征尺寸，反映传热面几何因素的影响。在自然对流传热中，流体流动是由浮升力引起的，故将u代以浮升力，而得自然对数传热中给热系数的影响因素表示式 gt表示流体由于温差t
18、而产生的浮升力，称为流体的膨胀系数，因次为1/。第三十九页，本课件共有96页对上面两类问题，运用因次分析法，可写成特征数式上两式中各特征数的意义如下：努塞尔数；待求特征数，包括待求的对流传热系数雷诺准数；反映对流强度对传热的影响普兰特数；反映流体物性的影响格拉斯霍夫数；反映自然对流的影响第四十页，本课件共有96页 对流传热的多样性第四十一页，本课件共有96页应用范围：只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。定性温度：取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度。高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。特征尺寸：传热面的几何因素有时是很复杂的，一般选取
19、对传热起决定作用的几何因素作为特征尺寸，管内流动取管内径作为特征尺寸；管外的流动取管外径作为特征尺寸等等。入口效应：管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。对流传热系数的经验关联式第四十二页，本课件共有96页式中n值与热流方向有关，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，n=0.3。应用范围：Re10000；0.7Pr120；。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径d1，（一）流体
20、无相变时的对流传热系数1流体在管内作强制对流1）园形直管强制湍流的传热系数流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体：A 管内流动管内流动第四十三页，本课件共有96页液体被加热1.05，液体被冷却0.95。高粘度液体传热系数：应用范围：Re10000；0.7Pr16700；定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度作定性温度。特征尺寸：取为管内径。第四十四页，本课件共有96页流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：d为管内径，R为弯曲半径。对于弯管：对于短管：流动尚未充分发展，传热边界层较薄，给热系数较大，需进行修正。故乘以管入口
21、修正系数：第四十五页，本课件共有96页换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大。影响管束传热的因素除Re,Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，对流传热系数用下式计算：应用范围：特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。B流体在管外作强制对流1流体在管束外横掠流动第四十六页，本课件共有96页各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。第四十七页，本课件共有96页 C自然对流传热系数所
22、谓大容积自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热第四十八页，本课件共有96页（二）流体有相变化时的对流传热系数1蒸汽泠凝的对流传热蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。第四十九页，本课件共有96页2蒸汽冷凝的方式膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则
23、液膜越往下越厚，给热系数随之越小。滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。第五十页，本课件共有96页实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝。第五十一页，本课件共有96页蒸汽在水平管外膜状冷凝凝液受重力作用沿管壁周向向下流动并脱离管壁，液膜愈往下愈厚，其平均传
24、热系数可用下式计算膜状冷凝的传热系数第五十二页，本课件共有96页特征尺寸：l取垂直管或板的高度。定性温度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。k、凝液的导热系数，密度和粘度；r比汽化热，J/kg；t蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差，。蒸汽在垂直管外或垂直板侧的膜状冷凝当Re2100时，膜内为滞流若Re2100，膜层为湍流第五十三页，本课件共有96页垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式S膜层流通截面积，m2；b浸润周边长度，m；de液膜当量直径，m；qm凝液质量流量，kg/s；r比汽化热，J/kg；l 壁面高度，m；蒸汽冷凝时的对流传热速率为：蒸汽冷凝时，蒸汽向壁面的对流传热速率为：第五十四
25、页，本课件共有96页影响冷凝传热的其它因素蒸汽流速和流向：蒸汽流动会在汽液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。不凝性气体：蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。过热蒸汽：温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽，实验表明，在大气压力下，过热30的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540的蒸汽的给热系数高30%，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和蒸汽进行计算。第五十五页，本课
26、件共有96页液体的沸腾传热 工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象。强制对流沸腾是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象。第五十六页，本课件共有96页液体的沸腾曲线液体主体达到饱和温度ts，加热壁面的温度tw，随壁面过热度t=tw-ts的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。图表示水在一个大气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度t的变化关系，称为沸腾曲线。第五十七页，本课件共有96页第五十八页，本课件共有96页自然对流沸腾区：过热度t较小，加热壁面处的液
27、体轻微过热，产生的汽泡在升浮过程往往尚未达到自由液面就放热终结而消失。其给热系数h和热流密度q比无相变自然对流略大。如图中AB段所示。核状沸腾区：随着t的增大，在加热面上产生汽泡数量增加，汽泡脱离时，促进近壁液体的掺混和扰动，故给热系数h和热流密度都迅速增加，如图中公元前所示。第五十九页，本课件共有96页过渡沸腾区：当t增大至过C点后，加热面上产生的汽泡数大大增加，且汽泡的生成速率大于脱离速率，汽泡脱离壁面前连接成汽膜，由于热阻增加，给热系数h与热流密度 q均下降，如图中CD所示。膜状沸腾：t继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾，此时，由于膜内辐射传热的逐
28、渐增强，给热系数h和热流密度又随Dt的增加而升高。如图DE所示。第六十页，本课件共有96页烧毁点：由图可知，点C和E的热流密度相等。当热流密度增至qc后，为进一步提高传热速率，t必须增至tE以上，这时的壁面温度有可能高于换热器的金属材料的熔化温度。所以C点称为临界点，亦称为烧毁点。第六十一页，本课件共有96页汽泡的生成依赖于两个条件：一是液体必须过热；二是加热壁面上应存在有汽化核心。传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度，氧化情况以及材质等诸多因素有关，这是一个十分复杂的问题，有些情况至今尚不清楚，目前比较一致的看法是：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽
29、，这里就成为孕育新生汽泡的胚胎。大容积饱和核状沸腾核状沸腾传热速率的影响因素甚为复杂，迄今为止的认识还很肤浅，一般采用因次分析的方法。第六十二页，本课件共有96页管内沸腾传热图示出了垂直管内液体沸腾过程中出现的流动型态和传热类型，液体进入管内至开始产生汽泡的这一段为单相液体的无相变加热过程，液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处于过冷状态，称为过冷沸腾。继续加热而至饱和温度时，即进入泡状沸腾区，形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为蒸干。对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸
30、汽的单相传热区。第六十三页，本课件共有96页一、传热温差参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放出热量，温度沿流程降低；冷流体获得热量，温度沿流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的。当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。第五节传热过程的计算第六十四页，本课件共有96页逆流并流第六十五页，本课件共有96页并流假定：在传热过程中，热损失忽略不计；两流体的比热为常数，不随温度而变；总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。（一）逆流或并流时的平均温差逆流平均温
31、差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。第六十六页，本课件共有96页例:在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从100冷却至60，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.5kJ/(kg)，已测得水出口温度为40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。解：逆流和并流的平均温差分别是：传热负荷为：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：第六十七页，本课件共有96页逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面
32、积。采用逆流传热另一优点是节约载热体的用量.但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。第六十八页，本课件共有96页两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直；一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。复杂折流错流简单折流（二）错流和折流时的平均温差第六十九页，本课件共有96页称为温差修正系数，表示为P和R两参数的函数式中错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流
33、求算，然后再根据流动型式加以修正第七十页，本课件共有96页温差修正系数1，即tmtm逆，换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济。增大的一个方法就是改用多壳程。第七十一页，本课件共有96页总传热系数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。热、冷两流体的温度分别为T和t，传热系数分别为1和2，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw,间壁两侧面积分别为A1和A2，流体通过间壁的热交换经过“对流传导对流”三个串联步骤。二、总传热系数第七十二页，本课件共有96页第七十三页，本课件共有96页根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算式中为管壁的对数平均直径当间壁为平壁，或管
34、壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等第七十四页，本课件共有96页若导热热阻很小，则若，则，若，则，管内流体对流传热控制。管外流体对流传热控制。总传热系数总是更接近数值较小的传热系数，欲提高K值，关键是提高较小的传热系数。第七十五页，本课件共有96页例:某空气加热器，蒸汽在管间冷凝，以加热管内流动的空气，已知空气侧传热系数150W/m2K，蒸汽冷凝传热系数25000W/m2K，为强化传热，现（1）将蒸汽给热系数提高1倍，求总传热系数；（2）将空气给热系数提高1倍，求总传热系数。解：计算表明：提高大传热系数，总传热系数基本不变；提高小传热系数1倍，总传热系数提高近1倍。第七十六页，本课件共有9
35、6页获取K的其他途径：查取K值在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据。实验测定通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算传热系数的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。第七十七页，本课件共有96页列管换热器总传热系数K的经验数据流体种类总传热系数K水气体1260水水8001800水煤油350左右水有机溶剂28085
36、0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第七十八页，本课件共有96页污垢热阻换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，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Rd1和Rd2，则总热阻第七十九页，本课件共有96页用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则式中K2为清洁表面的总传热系数，K2是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传
37、热系数，即可确定Rf值。第八十页，本课件共有96页流体种类污垢热阻m2/W流体种类污垢热阻m2/W水(u1m/s,t100即可达到湍流。1流体流经的路径选择(一)选用和设计中应考虑的问题选择的原则第八十九页，本课件共有96页系列标准规定采用252.5mm,192mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑,但正方形排列的管束清洗方便。换热管规格及排列抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方
38、面的要求。第九十页，本课件共有96页折流挡板第九十一页，本课件共有96页确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。(二)列管换热器的选用
39、和设计的步骤计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2,计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A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。第九十二页，本课件共有96页传导对流和辐射稳态传热与不稳态传热传热微分方程和管内层流温度分布傅里叶定律、牛顿冷却定律及传热基本方程传热过程的平衡关系和速率关系对数平均温差热阻概念及传热控制步骤换热器的校核与调节膜状冷凝和滴状冷凝泡状沸腾和膜状沸腾黑体镜体透热体吸收率（黑度）反射率和折射率强化传热和削弱传热的措施换热器流体流动路径选择复习第三章传热基本概念第九十三页，本课件共有96页基本公式第九十四页，本课件共有96页单层圆筒壁的导热速率单层平壁导热速率的工作方程式多层平壁导热速率的工作方程式多层圆筒壁的导热速率第九十五页，本课件共有96页辐射传热速率高温设备热损失第九十六页，本课件共有96页