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1、2023/7/1,1,第一节 概 述,返回,第四章 传 热,一、传热过程的应用,（1）物料的加热或冷却（2）热量与冷量的回收利用（3）设备与管路的保温,2023/7/1,2,二、传热的基本方式,（一）热传导,气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体 机理复杂,特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移,2023/7/1,3,（二）热对流,（三）热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力 引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。,能量转移、能量形式的转化 不需
2、要任何物质作媒介,特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动,2023/7/1,4,三、两流体通过间壁换热过程,（一）间壁式换热器,夹套式换热器,2023/7/1,5,传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。热流密度q（热通量）：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(s.m2)或W/m2。,（二）传热速率与热流密度,2023/7/1,6,非稳态传热,（三）稳态与非稳态传热,稳态传热,2023/7/1,7,（四）两流体通过间壁的传热过程,稳态传热：,2023/7/1,8,式中 tm两流体的平均温度差，或K；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(
3、m2)或W/(m2K)。,（五）总传热速率方程,2023/7/1,9,一、傅立叶定律,温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,（一）温度场和等温面,非稳态温度场,稳态温度场,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。,第二节 热传导,不同温度的等温面不相交。,2023/7/1,10,（二）温度梯度,方向：法线方向，以温度增加的方向为正。,2023/7/1,11,（三）傅立叶定律,式中 dQ 热传导速率，W或J/s；dA 导热面积，m2；t/n 温度梯度，/m或K/m；导热系数，W/(m)或W/(mK)。,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,2023/7/1,12,二、热导率,
4、在数值上等于单位温度梯度下的热通量,=f(结构,组成,密度,温度,压力）,金属固体 非金属固体 液体 气体,表征材料导热性能的物性参数,2023/7/1,13,1.固体热导率,金属材料 10102 W/(mK)建筑材料 10-110 W/(mK)绝热材料 10-210-1 W/(mK),在一定温度范围内：,对大多数金属材料a 0，t,2023/7/1,14,2.液体热导率,金属液体较高，非金属液体低；非金属液体水的最大；水和甘油：t，其它液体：t，,0.090.6 W/(mK),2023/7/1,15,3.气体热导率,t，一般情况下，随p的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。,0.0
5、060.4 W/(mK),2023/7/1,16,三、平壁的稳态热传导,（一）单层平壁热传导,假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化；A/b很大，忽略端损失。,2023/7/1,17,积分：,2023/7/1,18,（二）多层平壁热传导,假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,2023/7/1,19,各层的温差,2023/7/1,20,结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；各层温差与热阻成正比。,推广至n层：,2023/7/1,21,四、圆筒壁的稳态热传导,（一）单层圆筒壁的热传导,特点：传热面积
6、随半径变化，A=2rl(2)一维温度场，t沿r变化。,2023/7/1,22,在半径r处取dr同心薄层圆筒,积分,2023/7/1,23,讨论：,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,2023/7/1,24,一般 时，,2023/7/1,25,（二）多层圆筒壁的热传导,2023/7/1,26,三层：,n层圆筒壁：,2023/7/1,27,一、对流传热过程,第三节 对流传热,2023/7/1,28,湍流主体温度梯度小，热对流为主,层流内层温度梯度大，热传导为主,过渡区域热传导、热对流均起作用,2023/7/1,29,式中 Q 对流传热速率，W；1、2 热、冷流体的对流传热系数，W/(m2K)；T
7、、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及 平均壁温，。,冷流体：,热流体：,牛顿冷却定律,2023/7/1,30,（一）影响因素,2.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。,强制 自然,二、对流传热系数的影响因素,1.流动状态 湍流 层流,2023/7/1,31,自然对流的产生：,设 热处：t2，2；冷处：t1，1,体积膨胀系数，1/C.,或,而,得：,或,2023/7/1,32,由温度差而产生的单位体积的升力：,2023/7/1,33,5.是否发生相变 相变 无相变,4.传热面的形状，大小和位置 形状管、板、管束等；大小管径、管长、
8、板厚等；位置管子的排列方式，垂直或水平放置。,3.流体的物性，cp,2023/7/1,34,三、对流传热的特征数关系式,变量数 8个基本因次 4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4,无相变时,2023/7/1,35,1.努塞尔特（Nusselt）数,表示对流传热系数的特征数,2.雷诺（Reynolds）数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,2023/7/1,36,3.普兰特（Prandtl）数,反映流体的物性对对流传热的影响,4.格拉斯霍夫（Grashof）准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)简化：强制对流 Nu=f(Re,Pr)自
9、然对流 Nu=f(Pr,Gr),2023/7/1,37,使用准数关联式时注意：1.应用范围2.特征尺寸3.定性温度,2023/7/1,38,四、无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流1.圆形直管内的强制湍流,（1）应用范围：Re 104,Pr=0.7160,L/d 60,气体或低粘度的液体（2 水）（2）定性温度：流体进出口的算术平均 值（3）特征尺寸：管内径,2023/7/1,39,讨论：（1）加热与冷却的差别：,液体,气体,2023/7/1,40,物性一定时：,（2）影响因素：,2023/7/1,41,公式修正：,（1）当L/d 2 水）,工程处理：加热：冷却：,202
10、3/7/1,42,（3）弯管,（4）非圆形管道,用当量直径计算。,2023/7/1,43,2.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300 Re 104,2023/7/1,44,3.圆形直管内强制层流,（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；,（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。,对于液体,2023/7/1,45,自然对流可以忽略：Gr 25000,自然对流不能忽略：Gr25000乘校正因子：,适用范围：,定性温度：,特征尺寸：管内径,2023/7/1,46,（二）流体在管外强制对流传热,1.流体在管束外垂直流过,2023/7/1,47,应用范围：Re=500070000;
11、x1/d=1.25;x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值,Nu=C Ren Pr0.4,平均对流传热系数：,2023/7/1,48,2流体在换热器管间的流动,折流挡板形式：圆缺形、圆环形,2023/7/1,49,设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。,圆缺形折流挡板：,定性温度：,应用范围：Re=2103106,2023/7/1,50,正方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸：（1）当量直径de,2023/7/1,51,（2）流速u按流通截面最大处的截面计算：,式中 h两块折流挡板间距离，m；D换热器壳径，m；,2023/7
12、/1,52,（三）自然对流时的对流传热系数,定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径d0,各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。,2023/7/1,53,1.蒸汽冷凝方式,五、流体有相变时的对流传热,滴 膜,（1）膜状冷凝,（2）滴状冷凝,冷凝过程的热阻冷凝液膜,（一）蒸汽冷凝时的对流传热,2023/7/1,54,2.膜状冷凝时的对流传热系数,（1）水平管束外,定性温度：tSr，其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数r比汽化热,2023/7/1,55,（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,qm冷凝液量，kg/sM冷凝负荷，kg/s.m,2023/7/1,56
13、,层流,Re1800,Re1800,湍流,2023/7/1,57,3.影响因素和强化措施(1)液体物性，r(2)不凝气体 不凝气体存在，导致，需定期排放。,(3)蒸汽流速与流向（u10m/s）同向时，t，；反向时，t，；u，(4)蒸汽过热 r=r+cp(tv-ts)影响较小,2023/7/1,58,(5)强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度 水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。,2023/7/1,59,（二）液体沸腾时的对流传热,1.沸腾现象,在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面新汽泡形成搅动液层,2023/7/1,60,沸腾
14、必要条件：过热度 t=（tts）0 存在汽化核心,推动力（twts）沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、膜状沸腾 工业上采用核状沸腾 大，tW小,水沸腾曲线,2023/7/1,61,2.影响因素及强化措施（1）液体的性质,（2）温度差 核状沸腾阶段:t2.5，t（3）操作压力,2023/7/1,62,（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大,（5）强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,2023/7/1,63,第四节 传热过程计算,返回,总传热速率方程,式中 Q传热速率，W；tm两流体的平均温度差，；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2)。,2023
15、/7/1,64,（一）恒温传热,（二）变温传热,tm与流体流向有关,一、传热平均温度差,2023/7/1,65,1.逆流与并流,2023/7/1,66,以逆流为例推导tm,假设：（1）稳态流动，qm1、qm2为常数；（2）cp1、cp2为常数；（3）K沿管长不变化；（4）热损失忽略不计。,对于微元：,2023/7/1,67,而,2023/7/1,68,逆流、并流均适用；当t2/t12，则可用算术平均值。,对数平均温度差,2023/7/1,69,2.错流与折流,1 tm tm逆,0.9,若 0.8,，温差损失大，传热不稳定；,应改变流型,2023/7/1,70,（三）流向的选择,1.所需传热面积
16、,逆流优于并流。,2023/7/1,71,2.载热体消耗量,加热任务：t1t2,（T2并）min=t2,（T2逆）min=t1,逆流优于并流。,2023/7/1,72,3.温度差分布,逆流时的温度差分布更均匀。,4.并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。,2023/7/1,73,二、总传热系数,K总传热系数，W/(m2K),（一）总传热系数计算,2023/7/1,74,管内对流,管外对流,管壁热传导,稳态传热,2023/7/1,75,（1）平壁 dA=dA1=dA2=dAm,讨论：,（2）以外表面为基准(dA=dA1),2023/7/1,76,K1
17、以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，m,以内表面为基准：,d1/d22 可用算术平均值,2023/7/1,77,（二）污垢热阻,Rd1、Rd2传热面两侧的污垢热阻，(m2K)/W,（三）提高K值的讨论,设法减小控制热阻。,（1）减小污垢热阻防结垢、及时清洗。,2023/7/1,78,（2）若污垢热阻与壁阻可忽略时，有,或,若,则,当1、2相差较大时：,若,应提高较小，进而提高K。,当1、2相差不大时，二者应同时提高。,2023/7/1,79,三、壁温的计算,稳态传热,（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTW,2023/7/1,80,TW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温
18、度,（3）两侧有污垢,（2）当tW=TW,2023/7/1,81,四、传热计算,总传热速率方程,热量衡算式(热负荷),无相变,有相变,应用条件：定态流动，qm为常数；cP为常数；K为常数；忽略热损失。,2023/7/1,82,1.设计型计算 已知：qm1、T1、T2（生产任务），t1、qm2等 求：传热面积A或校核换热器是否合适,步骤:（1）计算热负荷；（2）计算tm；（3）计算1、2及K；（4）计算A,若 A实 A计 或 Q换 Q需要，换热器合适。,2023/7/1,83,二、操作型计算（1）已知：换热器A，qm1、T1，qm2、t1 求：出口T2、t2（2）已知：换热器A，qm1、T1，T
19、2、t1 求：qm2、t2,注意：列管式换热器中,流通面积,传热面积,2023/7/1,84,一、基本概念,1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。,特点：能量形式的转换 不需要任何介质,第五节 热 辐 射,2023/7/1,85,能量守恒定律：,吸收率 反射率 穿透率,3.物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q；被反射Q；穿过物体Q,2023/7/1,86,黑体：,白体(镜体)：,透热体：,灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,固体、液体：=0+=1 气体：=0+=1,2023/7/1,87,二、物体的辐射能力,物
20、体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E表示,W/m2,黑体辐射常数,5.669 10-8W/(m2.K4),（一）黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感,Cb黑体辐射系数,5.669W/(m2.K4),2023/7/1,88,（二）实际物体,黑度：,1,=f(物体的种类、表面温度、表面状况),C灰体的辐射系数，C=Cb,是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度,实验测定,2023/7/1,89,（三）克希霍夫定律,对灰体:,热交换达到平衡时 T1=T2,q=0,任意物体:,2023/7/1,90,结论：（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大（2）=同温度下，
21、物体的吸收率与黑度数值上相等（3），E Eb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大,2023/7/1,91,（一）辐射传热速率,四、两固体间的相互辐射,两面积无限大的平行平板,两平面有限大的平行平板,2023/7/1,92,一物体被另一物体包围,若外围为黑体，1=1 或 A2 A1，,则 C1-2=C1=Cb1,2023/7/1,93,1.温度的影响 T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式 2.几何位置的影响 3.表面黑度的影响，可通过改变大小强化或减小辐射传热 4.辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）,（二）影响辐射传热的主要因素,2023/7/1,94,
22、五、高温设备及管道的热损失,对流：,辐射：,令=1,总热损失：,T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K),2023/7/1,95,（1）空气自然对流，tW150C,（2）空气沿粗糙壁面强制对流,管道及圆筒壁保温层外,空气速度u5m/s,平壁保温层外,空气速度u=5m/s,2023/7/1,96,一、换热器的分类,按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器,按冷、热流体热量交换方式分类,混合式、蓄热式、间壁式,第六节 换热器,2023/7/1,97,二、间壁式换热器的类型,（一）夹套换热器,优点：结构简单缺点：A小 釜内小强化措施：釜内加搅拌 釜内加蛇管 外循环,2023/7/1,98
23、,（二）蛇管换热器,1.沉浸式,强化措施：容器内加搅拌器，提高K,优点：结构简单 管内能耐高压缺点：管外小,2023/7/1,99,2.喷淋式,优点：结构简单 管内能耐高压 管外 比沉浸式大,缺点：喷淋不易均匀 占地面积大,2023/7/1,100,（三）套管换热器,优点：结构简单 能耐高压(K)或tm大,缺点：结构不紧凑A/V小 接头多，易漏,2023/7/1,101,（四）列管换热器,管板、管束、封头、壳体,2023/7/1,102,1.固定管板式,特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。,加热补偿圈（膨胀节）,当管内外流体温差 t 50 时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热
24、器分为：,2023/7/1,103,2.浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂,2023/7/1,104,3.U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,2023/7/1,105,三、列管换热器的选用,1.根据工艺任务，计算热负荷,2.计算tm,3.依据经验选取K，估算A,4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,2023/7/1,106,5.核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较
25、多，应重新估算。,6.计算A,根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。,2023/7/1,107,(1)流体流程选择,管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体,壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便,(2)流体流速的选择,u选择是经济权衡，要避免层流流动,2023/7/1,108,(3)换热器中管子的规格和排列方式,管子的规格：192mm和252.5mm,管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m,排列方式：,2023/7/1,109,多管程：管内流体u,加挡板：增大壳程流体的湍动壳程,2023/7/1,11
26、0,四、传热过程的强化途径,1.增大tm,加热剂T1或冷却剂t1,两侧变温，尽量采用逆流,强化传热，可tm、A/V、K,2.增大A/V,直接接触传热，可增大A 和湍动程度,2023/7/1,111,3.增大K,减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)：增大流速多管程 加扰流元件壳程加挡板 改变传热面形状和增加粗糙度,2023/7/1,112,五、新型的换热器,（一）平板式换热器,2023/7/1,113,增加刚性；提高湍动程度；增加A；易于液体均匀分布,2023/7/1,114,优点：结构紧凑 操作灵活 K大,缺点：耐温、耐压差,易漏 处理量小,2023/7/1,115,（二）螺旋板式换热器,2023/7/1,116,优点：结构紧凑 不易结垢,堵塞 K大 保持逆流,tm大,缺点：压力,温度不能太高 难以维修,2023/7/1,117,（三）板翅式换热器,优点：流体湍动程度高，K大；结构紧凑，单位体积的A较大；,缺点：易堵塞，清洗困难；构造复杂,2023/7/1,118,（四）翅片管换热器,增加A，增强管外流体的湍动来提高,
