化工原理(第五章传热)好课件.ppt

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1、第五章 传 热,Chapter 5 Heat Transfer,第五章 传 热 Chapter 5 Heat Tr,第一节 概述(Introduction),化工生产的传热问题,化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递。化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用和废热回收。,第一节 概述(Introduction) 化工生产的传热问题,热量传递的方式,热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起

2、的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。,热量传递的方式热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的,典型的换热设备,直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。,套管式换热器,冷溶液进,冷溶液出,热溶液进,热溶液出,典型的换热设备直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过,典型的换

3、热设备,列管式换热器,单程列管式换热器,双程列管式换热器,典型的换热设备列管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热,传热过程的基本问题, 载热体用量的确定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。,解决这些问题需要两个基本关系式,热量恒算式,若忽略过程热损失,传热速率关系,传热速率(热流量) Q ：单位时间内所交换的热量(W),传热通量(热流密度) q：单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2),传热过程的基本问题 载热体用量的确定；解决这些问题需要两个,传热负荷,生产上对物料加热(冷却)时所需提供(移除)的热量，即生产工艺需要的传热速率(传热任务) 。,设

4、： Q 传热速率，W； W1、W2 热、冷流体的质量流率，kg/s； Cp1、Cp2 热、冷流体的比热，J/(kgK)； T1、T2 热流体的进、出口温度，； t1、t2 冷流体的进、出口温度，； r 流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。,无相变：,有相变：,若忽略热损失，则热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量,传热负荷 生产,第二节 热传导(Heat Conduction),傅里叶定律,温度场：物体（或空间）各点温度在时空的分布，称为温度场，即 t=f(x,y,z,)各点的温度随时间而变的温度场称为不稳定温度场，不随时间而变的温度场称稳定温度场。等温面：温度相同的点所组成的面称等温面。温度梯度

5、：两等温面的温度差与其间的法线距离之比称为温度梯度，即,lim,n0,=,傅里叶定律：单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比，即,第二节 热传导(Heat Conduction) 傅里叶定律,热导率,热导率：表示物质导热能力的物理量，称为热导率。热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关固体的热导率：金属的热导率较大，且随温度升高而略有下降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别精确的计算时，我们可认为固体的热导率是常数。液体的热导率：非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油外，热导率随温升而降。哈哈气体的热导率：气体的热导率很小，不利于传热而有利于保温。故一般的保温

6、材料都是多孔的。,热导率热导率：表示物质导热能力的物理量，称为热导率。,单层平壁热传导,如图，热量从平壁的一边传向另一边时，只要长、宽与厚相比很大时，可认为传热在整个平壁上是均匀的。根据傅里叶定律有,x,t,Q,t1,t2,b,因此，传热速率（传热量）方程为,Q = Aq,=Atb单层平壁热传导如图，热量从平壁的一边传向另一边时,单层圆筒壁热传导,如图，热量从里向外传，只要长度远大于直径时，可认为传热在整个圆筒壁上是均匀的。根据傅里叶定律有,r,r1,r2,dr,单层圆筒壁热传导如图，热量从里向外传，只要长度远大于直径时，,多层平壁热传导,多层圆筒壁热传导,对于传热速率，同样可借用欧姆定律的形

7、式，即,多层平壁热传导多层圆筒壁热传导对于传热速率，同样可借用欧姆定,第三节 两流体间的热量传递,一、两流体间间壁传热的分析,（1）热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面；,（2）热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面；,（3）冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。,热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行：,沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况如图。,T,t,Tw,tw,流体通过间壁的热量交换,热流体,冷流体,第三节 两流体间的热量传递 一、两流体间间壁传热的分析 （1,二、传热速率和传热系数,由图可见，间壁传热可简化为三层热传导传热。于是有,K称为传热系数对于

8、平壁，有,= a1（TTw）,= a2（ twt）,Q = KA(T-t) = KAT,a 称为给热系数,二、传热速率和传热系数 由图可见，间壁传热可简化为三层热传导,对于圆筒壁，有,换热器标准规定，换热面积以管外径计算，故有,其中：,当管较薄或管径较大时，d1、d2、dm相差为大，为了简化计算，可按平壁处理，面积以管外径计算，则有,其中：,= KA1T,= KA1T,对于圆筒壁，有Q = 2l（T t）1a1d1bdm,获取 K 的另外两种途径,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，可供设计参考。注意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

9、计依据。,获取 K 的另外两种途径查取 K 值,获取 K 的另外两种途径,(2) 实验测定通过实验测定现有换热器的流体流量和温度，再由传热基本方程计算 K 值：,实验测定的 K 值较为可靠。实测 K 值的方法不仅是为了在缺乏工业实验数据时提供设计依据，而且还可以籍助实测的 K 值判断换热器的工作状况，从而寻求强化传热的措施。 计算得到的 K 值与查取或实测值相差较大，主要原因是给热系数 h 的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确。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。,获取 K 的另外两种途径(2) 实验测定实验测定的 K 值较,污垢热阻,换热器在运行一

10、段时间后，流体介质中的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。垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。因垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是 Rs1 和 Rs2，则总热阻,用 Rf 表示管壁内外两侧污垢热阻之和,K2 为清洁表面的总传热系数，K2 是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定 Rf 值。,污垢热阻 换热器在运行一段时间后，流体介质中的可沉积物会在换,污垢热阻,污垢热阻的大致数值,污垢热阻 污垢热阻的大致数值,三、传热温差：推动力,换热过程中，热

11、流温度沿程降低，冷流温度沿程升高，故冷热流体温度差在换热器表面各点不同。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。,三、传热温差：推动力换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿,传热温差：推动力,在换热器中取微分长度 dl，其传热面积为 dA,两流体通过微分面积 dA 交换的热量为,t1,t2,T1,T2,dl,dA,T,t,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。,传热温差：推动力在换热器中取微分长度 dl，其传热面积为 d,传热温差：推动力,热流放出的热量,冷流吸收的热量,两

12、式相减并令,逆流传热微分式,传热温差：推动力热流放出的热量 冷流吸收的热量 两式相减并令,传热温差：推动力,两边求积分,根据换热器总热量恒算式,两式相减,比较传热基本方程式,同样可推出并流传热平均温差计算式,传热温差：推动力两边求积分 根据换热器总热量恒算式 两式相减,逆流和并流传热的平均温差的特点,T1、T2、t1、t2 相同时，逆流平均温差大于并流平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。,逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。,

13、在换热器中，若参与换热的两流体都变温，则一般都采用逆流操作，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。但需要注意，倘若采用逆流代替并流而节省了载热体，则其平均温差就未必仍比并流的大。,逆流和并流传热的平均温差的特点T1、T2、t1、t2 相同时,传热温差：推动力,错流和折流时的平均温差,列管式换热器中两种流体的流动比较复杂的多程流动。对于错流或折流平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正，即, 温差修正系数, 与冷热两流体温度变化有关，表示为 P 和 R 两参数的函数,传热温差：推动力错流和折流时的平均温

14、差 列管式换热器中两种流,传热温差：推动力,温差修正曲线,传热温差：推动力温差修正曲线,传热温差：推动力,错流和折流时平均温差的数学解析式,对于 m 壳程、2mn 管程（如1-2，1-4，2-8，）换热器：,当 R1 时：,当 R = 1 时：,1(tmtm,逆)是由于复杂流动中同时存在并流和逆流；换热器设计时 值不应小于 0.8，否则不经济；可改用多壳程来增大 ，即将几台换热器串联使用。,传热温差：推动力错流和折流时平均温差的数学解析式 对于 m,四、换热器计算的变量分析,设计型计算：在给定的工艺条件下，设计一台新的换热器。 设计原则：技术上可行，经济上合理。,例：热流体的冷却已知：W1、T

15、1、T2、t1 及物性 求：A、 tm、 Ktm：需要选定 t2。t2， W2 ，操作费用，但 tm，A ，设备费用。一般按 tm 不小于10来确定 t2。K： 与流体的流动方式和流速有关。速度 ，K值，传热面积，但流动阻力，动力消耗。基本原则：湍流、逆流。对列管换热器的复杂流动，流向和流动空间的安排以温差修正系数 不低于 0.8 为宜。 A：,根据计算得出的 A 和选定的流动方式选出适合的换热器,四、换热器计算的变量分析 设计型计算：在给定的工艺条件下，设,换热器计算的变量分析,校核型计算 ：核算已有换热器在非设计工况下的传热性能,(1) 产量改变造成工艺流体流量的变化，要求预测现有换热器在

16、冷流体流量和进口温度不变的条件下，工艺流体的出口温度 T2。(2) 上游设备工况改变而引起工艺流体的进口温度发生变化，需预测出口参数的变化。(3) 冷却剂水的进口温度受季节和气候影响，从而会使工艺流体的出口参数产生波动，需预测出口温度的波动值。(4) 新换热器刚投入使用时，垢层尚未形成，其总传热量系数 K 远大于考虑了污垢热阻的设计值，需要预测 K 的这种变化对传热的影响。,换热器计算的变量分析 校核型计算 ：核算已有换热器在非设计工,换热器计算的变量分析,换热器调节 ：使换热器在非设计工况下操作时工艺流体的出口参数（温度）稳定在工艺要求值附近。调节的方法：改变非工艺流体的流量来改变换热器的传

17、热性能，从而把变化了的出口参数调回到设计值。改变非工艺流体流量，K 和 tm及传热速率随之变化。,(1) 传热为非工艺流体控制 调节非工艺流体流量，总传热系数 K 和平均温差 tm 同时改变，从而改变传热速率Q。(2) 传热为工艺流体控制 改变非工艺流体流量，总传热系数 K 几乎不变，只有平均温差 tm 变化。(3) 传热为工艺流体控制且非工艺流体出口温度十分接近其进口温度时 tm 也不变化，即 Q 不变化，表现为换热器无调节余地。,换热器计算的变量分析 换热器调节 ：使换热器在非设计工况下操,五、传热单元数法,问题：在校核型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传热速率方程式的对数项中)

18、，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，需要进行试差计算。解决方法：传热单元数（NTU）法手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个，避免试差。,传热速率方程：,变换：,五、传热单元数法 问题：在校核型计算中，需要同时确定 T2,五、传热单元数法,令：,以热流体为基准的温变比或比热容量流率,热流体的传热单元数,以热流体为基准的传热效率,需同时确定 T2 和 t2：R1 和 NTU1 可计算得出，求出 1 后由定义式可求 T2，再由 R1 求 t2。 需同时确定流体的流量和它的出口温度（如 W2 和 t2）：需确定 R1，由于 R1 包含在对数项中，计算仍需试差。可由已知 1和 NTU1

19、，查图得到 R1。,对冷流体逆流可得：,五、传热单元数法 令：以热流体为基准的温变比或比热容量流率,五、传热单元数法,单程逆流换热器中和 NTU 关系,折流换热器中和 NTU 关系,五、传热单元数法 单程逆流换热器中和 NTU 关系 折流换,五、传热单元数法,传热单元数计算式,五、传热单元数法 传热单元数计算式,传热温差：推动力,换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿程升高，故冷热流体温度差在换热器表面各点不同。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。,传热温差：推动力换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿程升,传热温差：推动力,在换热器中取微分长度

20、 dl，其传热面积为 dA,两流体通过微分面积 dA 交换的热量为,t1,t2,T1,T2,dl,dA,T,t,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。,传热温差：推动力在换热器中取微分长度 dl，其传热面积为 d,传热温差：推动力,热流放出的热量,冷流吸收的热量,两式相减并令,逆流传热微分式,传热温差：推动力热流放出的热量 冷流吸收的热量 两式相减并令,传热温差：推动力,两边求积分,根据换热器总热量恒算式,两式相减,比较传热基本方程式,同样可推出并流传热平均温差计算式,传热温差：推动力两边求积分 根据换热器总热量恒

21、算式 两式相减,逆流和并流传热的平均温差的特点,T1、T2、t1、t2 相同时，逆流平均温差大于并流平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。,逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。,在换热器中，若参与换热的两流体都变温，则一般都采用逆流操作，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。但需要注意，倘若采用逆流代替并流而节省了载热体，则其平均温差就未必仍比并流的大

22、。,逆流和并流传热的平均温差的特点T1、T2、t1、t2 相同时,传热温差：推动力,错流和折流时的平均温差,列管式换热器中两种流体的流动比较复杂的多程流动。对于错流或折流平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正，即, 温差修正系数, 与冷热两流体温度变化有关，表示为 P 和 R 两参数的函数,传热温差：推动力错流和折流时的平均温差 列管式换热器中两种流,传热温差：推动力,温差修正曲线,传热温差：推动力温差修正曲线,传热温差：推动力,错流和折流时平均温差的数学解析式,对于 m 壳程、2mn 管程（如1-2，1-4，2-8，）换热器：,当 R1 时：,当 R = 1 时：,1(tm

23、tm,逆)是由于复杂流动中同时存在并流和逆流；换热器设计时 值不应小于 0.8，否则不经济；可改用多壳程来增大 ，即将几台换热器串联使用。,传热温差：推动力错流和折流时平均温差的数学解析式 对于 m,总传热系数,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，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。,对间壁式换热器，可将传热视为对流-导热-对流的串联过程,根据牛顿冷却定律,根据傅立叶导热定律,总传热系数 总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和,总传热系数,串联过程，dQ 相等：,由传热基本方程：,对比两式有：,冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻

24、与一个导热热阻之和，与串联电路欧姆定律类似。,总传热系数 串联过程，dQ 相等：由传热基本方程：对比两式有,总传热系数,根据列管换热器标准规定，传热面积以换热管外表面计算，则：,因为：,有：,当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，dA1、dA2、dAm 和 dA 相等或近似相等，则：,总传热系数 根据列管换热器标准规定，传热面积以换热管外表面计,获取 K 的另外两种途径,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，可供设计参考。注意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。,获取 K 的另外两种途径查取 K 值,获取 K 的另外两种途径,(2

25、) 实验测定通过实验测定现有换热器的流体流量和温度，再由传热基本方程计算 K 值：,实验测定的 K 值较为可靠。实测 K 值的方法不仅是为了在缺乏工业实验数据时提供设计依据，而且还可以籍助实测的 K 值判断换热器的工作状况，从而寻求强化传热的措施。 计算得到的 K 值与查取或实测值相差较大，主要原因是给热系数 h 的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确。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。,获取 K 的另外两种途径(2) 实验测定实验测定的 K 值较,污垢热阻,换热器在运行一段时间后，流体介质中的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

26、而形成垢层。垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。因垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是 Rs1 和 Rs2，则总热阻,用 Rf 表示管壁内外两侧污垢热阻之和,K2 为清洁表面的总传热系数，K2 是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定 Rf 值。,污垢热阻 换热器在运行一段时间后，流体介质中的可沉积物会在换,污垢热阻,污垢热阻的大致数值,污垢热阻 污垢热阻的大致数值,换热器计算的变量分析,设计型计算：在给定的工艺条件下，设计一台新的换热器。 设计原则：技术上可行，经济上合理。,例

27、：热流体的冷却已知：W1、T1、T2、t1 及物性 求：A、 tm、 Ktm：需要选定 t2。t2， W2 ，操作费用，但 tm，A ，设备费用。一般按 tm 不小于10来确定 t2。K： 与流体的流动方式和流速有关。速度 ，K值，传热面积，但流动阻力，动力消耗。基本原则：湍流、逆流。对列管换热器的复杂流动，流向和流动空间的安排以温差修正系数 不低于 0.8 为宜。 A：,根据计算得出的 A 和选定的流动方式选出适合的换热器,换热器计算的变量分析 设计型计算：在给定的工艺条件下，设计一,换热器计算的变量分析,校核型计算 ：核算已有换热器在非设计工况下的传热性能,(1) 产量改变造成工艺流体流量

28、的变化，要求预测现有换热器在冷流体流量和进口温度不变的条件下，工艺流体的出口温度 T2。(2) 上游设备工况改变而引起工艺流体的进口温度发生变化，需预测出口参数的变化。(3) 冷却剂水的进口温度受季节和气候影响，从而会使工艺流体的出口参数产生波动，需预测出口温度的波动值。(4) 新换热器刚投入使用时，垢层尚未形成，其总传热量系数 K 远大于考虑了污垢热阻的设计值，需要预测 K 的这种变化对传热的影响。,换热器计算的变量分析 校核型计算 ：核算已有换热器在非设计工,换热器计算的变量分析,换热器调节 ：使换热器在非设计工况下操作时工艺流体的出口参数（温度）稳定在工艺要求值附近。调节的方法：改变非工

29、艺流体的流量来改变换热器的传热性能，从而把变化了的出口参数调回到设计值。改变非工艺流体流量，K 和 tm及传热速率随之变化。,(1) 传热为非工艺流体控制 调节非工艺流体流量，总传热系数 K 和平均温差 tm 同时改变，从而改变传热速率Q。(2) 传热为工艺流体控制 改变非工艺流体流量，总传热系数 K 几乎不变，只有平均温差 tm 变化。(3) 传热为工艺流体控制且非工艺流体出口温度十分接近其进口温度时 tm 也不变化，即 Q 不变化，表现为换热器无调节余地。,换热器计算的变量分析 换热器调节 ：使换热器在非设计工况下操,传热单元数法,问题：在校核型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传

30、热速率方程式的对数项中)，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，需要进行试差计算。解决方法：传热单元数（NTU）法手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个，避免试差。,传热速率方程：,变换：,传热单元数法 问题：在校核型计算中，需要同时确定 T2 和,传热单元数法,令：,以热流体为基准的温变比或比热容量流率,热流体的传热单元数,以热流体为基准的传热效率,需同时确定 T2 和 t2：R1 和 NTU1 可计算得出，求出 1 后由定义式可求 T2，再由 R1 求 t2。 需同时确定流体的流量和它的出口温度（如 W2 和 t2）：需确定 R1，由于 R1 包含在对数项中，计算仍需试差。可由

31、已知 1和 NTU1，查图得到 R1。,对冷流体逆流可得：,传热单元数法 令：以热流体为基准的温变比或比热容量流率 热流,传热单元数法,单程逆流换热器中和 NTU 关系,折流换热器中和 NTU 关系,传热单元数法 单程逆流换热器中和 NTU 关系 折流换热器,传热单元数法,传热单元数计算式,传热单元数法 传热单元数计算式,对流给热系数的实验关系式,对流传热分类,对流传热,有相变传热,无相变传热,冷凝传热,沸腾传热,自然对流,强制对流,管外对流,管内对流,圆形直管,非圆管道,弯管,湍流,过渡流,滞流,对流传热中常用的准数,对流给热系数的实验关系式 对流传热分类 对流传热有相变传热无,流体无相变的

32、给热系数,管外强制对流,流体在管束外横掠流动,换热器壳程都是横掠管束流动，管的排列分直列和错列。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，清洗不如直列容易。,流体无相变的给热系数 管外强制对流 流体在管束外横掠流动,流体在管束外横掠流动,影响因素为 Re，Pr，管子排列方式，管间距和管排数等。,应用范围：Re = 50007000, s1/d = 1.25.0, s2/d = 1.25.0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,对第一排管子(相对于来流

33、方向)，不论错列或是直列，C、 和 n 都相同，h 值相同；从第二排起，错列的 值较大，h 也较大；在第三排以后，直列和错列的 h 值均不再变化。,流体在管束外横掠流动,流体在管束外横掠流动,由于各排的给热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出：,式中：A1、A2、A3分别为第一排，第二排，第三排的传热面积； h1、h2、h3分别为第一排，第二排，第三排的传热系数。,流体在管束外横掠流动由于各排的给热系数不同，则整个管束的平均,换热器壳程的传热,对于常用的列管式换热器：,(a) 圆盘形(b) 分流形(c) 弓形(圆缺形),(1) 由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。(2) 壳体内装有

34、折流挡板，流体先是横掠管束进行流动，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。(3) 由于流速和流向的不断变化，Re100 即可达到湍流。(4) 壳程给热系数的计算要考虑具体的结构型式。,换热器壳程的传热 对于常用的列管式换热器：(a) 圆盘形(1,换热器壳程的传热,对于装有圆缺型挡板时 (割去直径的 25% 所留下的部分) 的列管式换热器，壳程给热系数：,(1) Re = 312104 时,(2) Re = 21031106 时,定性温度：除 w 取壁温外，其余均取流体平均温度；特征尺寸：用当量直径。,直列,错列,换热器壳程的传热,换热器壳程的传热,流速 u ：按管间最大流通截面积 A 计

35、算，即,式中：D 换热器外壳内径，m； l 两折流挡板间距，m。,若换热器中无挡板，壳程流体沿管外作平行流动，则可按非圆管道的管内强制对流公式计算。特征尺寸使用壳程空间的当量直径。,换热器壳程的传热 流速 u ：按管间最大流通截面积 A 计算,自然对流传热系数,大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数和 Pr 数有关,自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生的流动。大容积自然对流：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。,定性温度：取壁温 tw 和流体平均温度 tm 的算术平均值,C 和 n 的实验值,自然对流传热系数 大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数和,有相

36、变的传热过程,冷凝传热,蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝时，放出汽化潜热。 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。,冷凝方式,膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。因冷凝在整个壁面上发生，若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，如果壁面足够高，壁下部液膜中会出现凝液的湍流流动，使给热系数复又增加。,有相变的传热过程 冷凝传热,冷凝方式,滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成小液滴，且不断成长变大，在下滚过程中合并成更大的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中

37、。特点：滴状冷凝时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。实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。,冷凝方式 滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成小液滴,膜状冷凝给热系数,蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝,当 Re2100，膜内为滞流，则,k、 分别为凝液的导热系数，密度和粘度； r 冷凝潜热，kJ/kg； t 蒸汽饱和温度 ts 与壁面 tw 之差，。,若 Re2100，膜层为湍流，则,特征尺寸：l 取垂直管或板的高度。定性温度：蒸汽冷凝潜热 r 取饱和温度 ts 下的值，其余物性参数取液膜平均温度

38、 (ts+tw)/2 下的值。,膜状冷凝给热系数蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝 当 Re2,膜状冷凝给热系数,W 凝液质量流量，kg/s；b 浸润周边长度，m；M 冷凝负荷，M=W/b；A 膜层流通截面积，m2；de 液膜当量直径，m。,膜状冷凝给热系数W 凝液质量流量，kg/s；,膜状冷凝给热系数的准数形式,无因次冷凝给热系数，h*,Re2100 时（Kirkbride式）：,则当 Re2100 时：,膜状冷凝给热系数的准数形式无因次冷凝给热系数，h*Re21,膜状冷凝给热系数,蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝,蒸汽在水平单管外冷凝时，凝液受重力作用沿管周向下流动并脱离管壁。单管平均给热系数可

39、用下式计算：,式中：h 为水平单管的冷凝给热系数；km 为管束校正系数。如果管束的总管数为 N，则管束校正系数为,蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数：,m 为垂直列数，其值与总管数 N 和管束放置方位有关。,膜状冷凝给热系数 蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 蒸汽在水平,膜状冷凝给热系数,B 方位放置时对角线上管列水平，垂直列数,管束按三角形排列时的两种放置方位：,A 方位放置时对角线上管列垂直，垂直列数,膜状冷凝给热系数 B 方位放置时对角线上管列水平，垂直列数管,影响冷凝传热的其它因素,(1) 蒸汽的流速和流动方向 若蒸汽与液膜的流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，h 增加。蒸汽流速

40、4050m/s 时，h 提高 30% 左右。若蒸汽与液膜的流动方向相反，液膜的流动受到阻滞而变厚，h 下降，若蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面，h 将大大增加。 (2) 不凝性气体 随着可凝性蒸汽的冷凝，不凝性气体将在液膜外侧聚积而形成一层气膜，蒸汽必须以扩散的方式穿过此气膜才能到达液膜进行冷凝，热阻增大，h 下降。例如水蒸汽中含有 1% 的空气能使 h 下降 60%。(3) 过热蒸汽 在大气压力下，过热 30 的蒸汽较饱和蒸汽的 h 高 1%，而过热 540 的蒸汽的 h 高 30%。,影响冷凝传热的其它因素 (1) 蒸汽的流速和流动方向 若蒸,沸腾传热,大容积沸腾(池内沸腾)：加热面浸在有自

41、由表面的液体中所发生的沸腾，液体运动由自然对流和汽泡扰动引起。强制对流沸腾(管内沸腾)：液体在管内流动过程中受热沸腾。产生的汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽-液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。,大容积饱和沸腾曲线,饱和沸腾：液体主体达到饱和温度 ts，加热壁面的温度 tw 高于饱和温度所发生的沸腾。随壁面过热度 t=tw-ts 增加，沸腾传热表现出不同的规律。沸腾曲线：沸腾传热热流密度 q 与壁面过热度 t 的变化关系,沸腾传热 大容积沸腾(池内沸腾)：加热面浸在有自由表面的液体,大容积饱和沸腾曲线,自然对流沸腾区：t 较小，壁面处液体轻微过热，产生的少量汽泡尚未升浮达到自由

42、液面就放热再冷凝而消失。液体的运动主要决定于自然对流，沸腾本质上属于过冷沸腾。核状沸腾区：t 增大，加热面上汽泡数量增加，促进液体扰动，h 和 q 都迅速增加。在 C 点 h 超过104 W/(m2)，q 高达106W/m2。,大容积饱和沸腾曲线自然对流沸腾区：t 较小，壁面处液体轻微,大容积饱和沸腾曲线,过渡沸腾区： t 增大过 C 点，汽泡数大大增加，且生成速率大于脱离速率，汽泡连成汽膜，h 与 q 均下降。因汽膜很不稳定，属于核状沸腾和膜状沸腾共存的过渡区。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。但由于膜内辐射传热的逐渐增强，h 和 q

43、 又随 t 的增加而升高。,大容积饱和沸腾曲线过渡沸腾区： t 增大过 C 点，汽泡数,沸腾传热过程的机理,核状沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。汽泡生成的条件：液体必须过热；加热壁面上存在汽化核心。汽化核心：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴处，由于表面张力较小或吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成。,假设一球形汽泡存在于液体中而处于力平衡和热平衡条件下，由于表面张力的作用，汽泡内的压力 pv 必须大于汽泡外的压力 pl，且汽泡内外压力之差 pv-pl 应与汽液界面上的表面张力相平衡，即,沸腾传热过程的机理核状沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。假设,沸腾传热过程的机理,若忽略液相静压的作用，则

44、 pl 应等于液面上方的压力 ps，热平衡要求汽泡内蒸汽的饱和温度 tv 等于汽泡外液体的饱和温度 tl，即 tl=tv，由于 pvpl，tvtl，所以汽泡外液体的温度是过热的。过热度 tv-ts，而在贴壁处具有最大过热度 tw-ts，故壁面上凹穴处汽泡生成的条件是,凹缝尺寸满足上式条件即可能成为汽化核心；t ，pv-ps ，R ；提高壁温 tw，壁面上更小的凹缝成为汽化核心，从而可以解释汽泡生成速率随壁温升高而加快的现象。,沸腾传热过程的机理若忽略液相静压的作用，则 pl 应等于液面,大容积饱和核状沸腾,影响传热速率的因素甚为复杂，一般用因次分析法得出准数关系式，并用实验数据回归,Cwl 取

45、决于加热表面液体组合情况的经验常数；cp饱和液体的定压比热，kJ/(kgK)；r 汽化潜热，kJ/kg；Pr 饱和液体的普兰特准数；q 热流密度，q=ht, t=tw-ts； 饱和液体的粘度，Ns/m2；l、 v 分别为饱和液体和汽体的密度，kg/m3； 液体-蒸汽界面的表面张力，N/m；s 系数，对水 s = 1.0，对其他液体 s = 1.7；g 重力加速度，m/s2。,大容积饱和核状沸腾,大容积饱和核状沸腾,各种表面液体组合情况的Cwl,临界点下热流密度推荐使用下式,大容积饱和核状沸腾 各种表面液体组合情况的Cwl 临界点下,管内沸腾传热,垂直管沸腾过程中的流动型态和传热类型,液体无相变

46、加热过程：液体进入管内至开始产生汽泡；过冷沸腾：液体在过冷状态下 ( ts ) 开始产生汽泡；泡状沸腾：ts 时形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)；环状流：蒸汽含量，大汽块在管中心合并形成汽芯；蒸干：环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失；干蒸汽单相传热区：对湿蒸汽继续加热使其成为过热蒸汽。,管内沸腾传热 垂直管沸腾过程中的流动型态和传热类型液体无相变,辐射传热 (Radiation),基本概念,辐射：物体以电磁波的方式传递能量的过程。辐射能：以辐射的形式所传递的能量。热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。自然界中凡是温度高于绝对零度的物体，都会不

47、停的向四周发射辐射能，,热射线在物理本质上与光射线一样，所不同的是波长范围。从理论上讲，热辐射的波长范围为 0，但具有实际意义的波长为 0.420 m。可见光： 0.40.8 m 很高温度下才有明显作用红外线： 0.820 m 在热辐射中起决定作用,辐射传热 (Radiation) 基本概念 辐射：物体以电磁,基本概念,根据能量守恒定律：,Q,QR,QA,QD,热射线也服从反射和折射定律。当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被物体吸收(QA),一部分被反射 (QR), 一部分透过物体(QD)。,A、R 和 D 分别为物体吸收率、反射率和透过率。,单色吸收率、反射率和透过率,基本概

48、念根据能量守恒定律：QQRQAQD热射线也服从反射和折,基本概念,黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 A=1, R=D=0。自然界中并不存在绝对黑体，例如没有光泽的黑墨表面，其吸收率 A=0.960.98，定义黑体的目的是为了在计算中确定一个比较的标准。 镜体(绝对白体)：能将辐射能全部反射的物体，即 R=1, A=D=0。自然界中也不存在绝对镜体，例如表面抛光的铜，其反射率 R=0.97。 透热体：辐射能全部透过的物体，即D=1, A=R=0。例如对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。 灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。灰体也是理想物体，其特点为：吸收率

49、 A 与波长无关；为不透热体 (A+R=1)。工业上常见的固体材料均可视为灰体。,基本概念黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 A=,基本定律,Eb 黑体的辐射能力，W/m2；C0 黑体的辐射系数 =5.67W/(m2K4) 。,黑体的辐射能力,灰体的辐射能力除与物体的温度有关外，还与物体的吸收率有关。,斯蒂芬-波尔茨曼定律Stefan-Boltzmann,黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。随着温度的升高，辐射能力急剧增大，因而在高温下辐射传热成为主要的传热方式。,灰体的辐射能力,基本定律 Eb 黑体的辐射能力，W/m2；黑体的辐射,灰体的辐射能力,板1(灰体)能量平衡：单位时

50、间单位面积发射 E1，获得 A1Eb，向板 2 的净的辐射传热量为 q=E1-A1Eb。辐射传热达平衡(两物体温度相等)时， q=0，E1=A1Eb 或 E1/A1=Eb。若板 1 用任意灰体板来代替，则得,克希霍夫(Kirchhoff)定律,E1, A1, T1,Eb, T2,E1,板1(灰体),板2(黑体),Eb,A1Eb,(1-A1)Eb,C 灰体的辐射系数 灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力,T1 T2,灰体的辐射能力板1(灰体)能量平衡：单位时间单位面积发射 E,灰体的黑度,灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比,对于灰体 A1, CC0，故黑体的辐射能力最大，