1、掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；熟悉各种热交换设备的结构和特点；掌握稳定综合传热过程的计算；了解强化传热和热绝缘的措施。,本章重点和难点,第四章 传热,第1节 概述,加热或冷却 换热 保温,强化传热过程削弱传热过程,一、传热在食品工程中的应用,二、传热的基本方式,热传导(conduction); 对流(convection); 辐射(radiation)。,食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。,热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：,物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原
2、子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。,1.热传导（又称导热）,2.热对流,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。 热对流仅发生在流体中。,强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。,流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。,热对流的两种方式：,自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。,3、热辐射,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。,所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。,任何物体只要在绝对零度以上都能发
3、射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。,实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴随着出现的。,能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介,加热剂：热水、饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等用电加热,冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等,冷却温度30C 水加热温度180C 饱和水蒸气,4、热载体及其选择,温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场(temperature field)。,第2节 热传导,2.1 傅立叶定律,一、温度场和梯度场,一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场
4、的温度分布表达式为： t = f (x,) (4-1a),等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。,不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。 稳定温度场：若温度不随时间而改变。 等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。,注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。,对于一维温度场，等温面x及(x+x)的温度分别为t(x,)及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：,温度梯度:,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。,傅立叶定律是热传
5、导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即,导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。,二、傅立叶定律,如图所示：,平壁壁厚为b，壁面积为A； 壁的材质均匀，导热系数不随温度变化，视为常数； 平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。 平壁侧面的温度t1及t2恒定。,2.2 平壁的稳定热传导,一 、单层平壁的热传导,式中t=t1-t2为导热的推动力(driving force)，而R=b/A则为导热的热阻(thermal resistance)。,根据傅立叶定
6、律,分离积分变量后积分，积分边界条件： 当x=0时，t= t1；x=b时，t= t2，,如图所示：以三层平壁为例,假定各层壁的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系数分别为1，2，3，皆视为常数； 层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。 壁的面积为A，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。,二、多层平壁的稳定热传导,第一层,第三层,第二层,对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q,同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为,式中i为n层平壁的壁层序号。,例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm，填以绝缘材料。砖墙的
7、热导率为0.70w/mk，绝缘材料的热导率为0.04w/mk，墙外表面温度为10 ，内表面为-5 ，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。,按温度差分配计算t2、t3,解： 根据题意，已知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1= 3= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk。,按热流密度公式计算q：,如图所示：,设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半径为r2，外壁温度为t2。 温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。 在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为
8、A=2rL。,2.2 圆筒壁的稳定热传导,一 、单层圆筒壁的热传导,将上式分离变量积分并整理得,根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为,上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即,上两式相比较，可得,其中,式中 rm圆筒壁的对数平均半径，mAm圆筒壁的内、外表面对数平均面积，m2当A2/A12时，可认为Am=（A1+A2）/2,对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。,如图所示：以三层圆筒壁为例。,假定各层壁厚分别为b1= r2- r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3； 各层材料的导热系数1，2，3皆视为常数； 层与层之间接触良好，相
9、互接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。,二、多层圆筒壁的稳定热传导,多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。 对于第一、二、三层圆筒壁有,根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得,同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为,注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。,分析：当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有可能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。,通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大。,假设保温层内表面温度为t1，环境温
10、度为tf，保温层的内、外半径分别为r1和r0，保温层的导热系数为，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为。,热损失为：,保温层的临界直径,上式对r0求导，可求出当Q最大时的临界半径，即,解得 r0=/,当保温层的外径do2/时，增加保温层的厚度才使热损失减少。 对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，要核算d0是否小于dc。,所以，临界半径为 rc=/ 或 dc=2/,例 在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数
11、=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,解：每米管长的热损失,此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m,保温层界面温度t3,解得 t3=131.2,第3节 对流传热 3.1 基本概念 3.2 对流传热速率 3.3 影响对流传热系数的因素,对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。,当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。,3.
12、1 基本概念,传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。,式中 Q对流传热速率，W； A传热面积，m2t对流传热温度差， t= T-TW或t= t-tW，；T热流体平均温度，； TW与热流体接触的壁面温度，；t冷流体的平均温度，； tW与冷流体接触的壁面温度，； a对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或W/m2）。,上式称为牛顿冷却定律。,简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以代替/t 而用下式描述对流传热的基本关系
13、,Q= A（T-Tw）,3.2 对流传热速率,1 流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时对流传热系数比无相变化时大的多；,2 流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数、粘度等；,3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；,4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；,5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。,3.3 影响对流传热系数的主要因素,第4节 对流传热系数关联式,4.3 有相变时对流传热系数的经验关联式,4.1 对流传热系数经验关联式的建立（因次分析）,4.2 无相变时对流传热系数的经验关联式,
14、无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：,八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度L，时间 ，温度 T 。,通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：,即,4.1 对流传热系数关联式的建立（因次分析）,准数符号及意义,准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。,在应用关联式时应注意以下几点：,1、应用范围,2、特性尺寸 无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,3、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取
15、法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。,4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。,Nu=0.023Re0.8Prn,式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。,应用范围 ： Re10000，0.760。若 L/di60时，须乘以（1+（di/L）0.7）进行校正。 特性尺寸 ： 取管内径， 定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。,4.2 无相变时对流传热系数的经验关联式,一、流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数,1、圆形直管内强制湍流时的对流传热系数,低粘度流体,Nu=0.023Re0.8Pr1
16、/3（/w）0.14,应用范围： Re10000，0.760。 特性尺寸： 取管内径 定性温度： 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。,当液体被加热时：（/w）0.14=1.05 当液体被冷却时：（/w）0.14=0.95 对于气体： 不论加热或冷却皆取1。,高粘度流体,例： 常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，603.5mm的钢管中流动，温度由150升到250。试求管壁对空气的对流传热系数。,解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200 查200时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m.
17、=26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68 特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.550,Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5)=2.28 104 104(湍流) Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68,W/m2 ,本题中空气被加热,n=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4,流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。,当自然对流的影响比较小
18、且可被忽略时，按下式计算：,Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14,应用范围：Re100。 特性尺寸：取管内径di 定性温度： 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。,2、流体在圆形直管内作强制滞流,在过渡流时，对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算，根据所得的值再乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热系数。,3、流体在圆形直管内作过渡流,流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。,式中 弯管中的对流传热系数，w/（m2 ） 直管中的对流传热系数，w/（m2 ）R 弯管轴的弯曲半径，m,4、流体在弯管内作强
19、制对流,例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为252.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为85。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。,解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25 查25时水的物性数据（见附录）如下 ： Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3,Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在230010000之间，为过渡流区,Pr=cp/=(4.179 103 90.
20、27 10-5)/60.8 10-2 =6.2 a可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算,水被加热, k=0.4。,校正系数 f,采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。,当量直径按下式计算,具体采用何种当量直径，根据所选用的关联式中的规定而定。,或,5、流体在非圆形管内强制对流,在错列管束外流过时 Nu=0.33Re0.6Pr0.33 在直列管束外流过时 Nu=0.26Re0.6Pr0.33,应用范围： Re3000 定性温度：流体进、出口温度的平均值。 定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为10，若不为10时，计算结果应校正。,1、流体在管束
21、外强制垂直流动,二、流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数,换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：,（1）多诺呼法Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14,应用范围: Re=(23)104特性尺寸: 取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。,2、流体在换热器的管间流动,（2）凯恩法Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14,注：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，则仍用管内强制对流的公式计算，只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。,应用范围
22、: Re=21031 105特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。,Nu=c（GrPr）n,定性温度: 取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。,式中的c、n值见表,三、自然对流,蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。,膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。,滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。,蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度
23、与壁面温度之差。,一、蒸汽冷凝时的对流传热系数,4.2 有相变时对流传热系数,（1） 在垂直管或垂直板上作膜状冷凝,（2） 水平管壁上作膜状冷凝,式中 l垂直板或管的高度、冷凝液的密度、导热系数、粘度r饱和蒸汽的冷凝潜热t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差d管子外径 n管束在垂直面上的列数,1、膜状冷凝时对流传热系数,不凝性气体的影响：在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。,蒸汽流速和流向的影响,冷却壁面的高度及布置方式,影响冷凝传热的因素：,流体物性,主要从减少液膜厚度着手,强化冷凝传热的途径：（增加 ）,蒸汽过热的影响（较小，可忽略）,对液体对流加热
24、时，在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾。,工业上沸腾的方法有两种：,管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。,大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体 中，液体在壁面受热沸腾。,沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。,二、液体沸腾时的对流传热系数,1、沸腾传热的特点,液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中的对流传热系数和热流密度q都发生变化。,2、液体的沸腾过程,根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段：,自然对流阶段如AB段所示，温差小，少量气泡，无明显沸腾现象。此阶段和q均很小，且随着温差增大
25、而缓慢增加。,泡核沸腾阶段如BC段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。,3、影响沸腾传热的因素,膜状沸腾阶段随着温差的继续增加，汽化核心数和汽泡长大速率进一步增加，以致大量汽泡在加热表面上汇合，形成一层蒸气膜，而热量必须通过此蒸气膜才能传到液体主体中去。由于蒸气的导热系数比液体的小得多，从而使对流传热系数迅速下降，此时为膜状沸腾。,热辐射阶段当温差再加大时，由于加热面具有较高的温度，辐射的影响增大，使对流传热系数又有所增大。,温度差：温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量在核状沸腾阶段操作。,操作压
26、力：提高操作压力可提高液体的饱和温度，从而使液体的粘度及表面张力均下降，有利于气泡的生成与脱离壁面，其结果是强化了对流传热过程。,流体物性：气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润能力及液体的表面张力的大小有关，表面张力小，润湿能力大的液体，形成的气泡易脱离表面，对沸腾传热有利。此外、等也有影响。,加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。,4、沸腾对流传热系数的计算,对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：,1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。,2、选定响应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式
27、的使用条件。,3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。,4、计算公式中的各物性数据的单位。,对流传热系数小结,传热计算主要有两种类型：,设计计算 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。,校核计算 计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。,第五节 稳定传热的计算,5.2、稳定传热基本方程,通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程（仿对流传热速率方程）为,dQ=K(T-t)dS=KTdS,式中 K局部总传热系数， w/（m2 ）T换热器的任一截面上热流体的平均温度， t换热器的任一截面上冷流体的平均温度， ,上式称为总传热速率微分方程。,一、总传热速率
28、微分方程,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。,注：在工程大多以外表面积为基准。,二、总传热速率方程,对总传热速率微分方程进行积分，得间壁式换热 器总传热速率方程：,Q=KSTm,上式，同样存在 Ko So = Ki SiKo / Ki = do / di,式中 K换热器的平均传热系数，简称总传热系数 w/（m2 ）Tm 换热器间壁两侧流体的平均温度， S换热器的总传热面积,无热损失：,5.1、能量（Q）恒算,对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情 况下有：,上式即为换热器的热量恒算式。,式中 Q换热器的热负荷，kJ/h或wW流体的质量流量，
29、kg/hH单位质量流体的焓，kJ/kg下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。,Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1),若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有：,若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有：,当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有,注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。,5.3、总传热系数,一、总传热系数的计算式,热流体 固体壁面一侧固体壁面一侧 另一侧固体壁面另一侧 冷流体,（3）管内对流,（1）管外对流,（2）管壁热传导,对于稳定传热,式中 K总传热系数，W/(m2K)。,又 ,结论： （1）、当传热
30、面为平面时，dA=dAo=dAi=dAm,（2）、以外表面为基准(dA=dAo):,式中 Ko以换热管的外表面为基准的总传热系数；(工程中常用)dm换热管的对数平均直径。,以壁表面为基准：,以内表面为基准：,注：当管式换热器壁厚b=(do-di)/2小于2mm时，K可按平板公式计算。,二、1/K值的物理意义（传热总热阻 R ）,三、污垢热阻,式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为,若o i，则有,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。,若两侧的相差不大时，则
31、必须同时提高两侧的，才能提高K值。,若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,由上可知：,例 一列管式换热器，由252.5mm的钢管组成。管内为CO2，流量为6000kg/h，由55冷却到30。管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为3000W/m2K，CO2 侧的对流传热系数为40 W/m2K 。试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。,解：查钢的导热系数=45W/mK 取CO2侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W 取水侧污垢热阻Ra2=0.2110-3m2K/W,以内、外表面计时
32、，内、外表面分别用下标1、2表示。,两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。,5.4、传热平均温度差的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。 一、恒温传热,在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：,(1) 间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体
33、 。,(2) 间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。,二、变温传热,并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。,生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：,逆流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。,错流 参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。,折流 简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。 复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。,假设
34、： 传热为稳定操作过程。 两流体的比热为常量。 总传热系数为常量（K不随换热器的管长而变化）。 换热器的热损失可忽略。,三、逆流和并流时的平均温度差,式中：tm称为对数平均值；t1和t2分别表示换热器两端的温度差；当t2/ t1 2时，可用（t2+t1）/2代替对数平均 温度差。,注：（1）应用上式求tm时，取换热器两端的t中数值大的为t2，小的为t1。（2）上式适用于所有并流和逆流的传热（包括两侧恒温、一侧恒温、和两侧变温）。,例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平
35、均温度差。,解：并流,逆流,逆流操作时，因t2/ t1 2，则可用算术平均值,由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。,在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作。注：流体流动方向的选择,方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差tm逆，然后再乘以校正系数t,即,tm=ttm逆,校正系数t与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和P的函数，即,t=f(R，P),式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 热流体的温降
36、/冷流体的温升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流体的温升/两流体的最初温差,根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和P值后，校正系数t值可根据R和P两参数从相应的图中查得。,四、错流和折流时的平均温度差,5.5、传热面积的计算,对于校核型计算：,管式换热器 S = 2rL,对于设计型计算：,强化传热的目的：以最小的传热设备获得最大的生产能力。,强化传热的途径：,1、加大传热面积 加大传热面积可以增大传热量，但设备增大，投资和维费也随之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。,2、增加平均温度差 在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法，但受客观条件（蒸汽压
37、强、气温、水温）和工艺条件（热敏性、冰点）的限制。提高蒸汽压强，设备造价会随之提高。在一定气源压强下，可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。,3、减少传热阻力 （1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（2）防止污垢形成或经常清除污垢；（3）加大流速，提高湍动程度，减少层流内层的厚度均有利于提高对流传热系数。,5.6、传热的强化,5.7、稳定传热的综合计算,一、壁温的计算,对稳定传热过程,式中 S1、S2、Sm分别代表热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积和平均传热面积。Tw、tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温1、2分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数
38、,整理上式可得,例1 在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500,出口400。管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数a1=250W/ m2，水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/ m2。忽略管壁、污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。,解：(a) 总传热系数 以管子内表面积S1为基准,(c)计算单位面积传热量,(d)管壁温度,Q/S1=K1tm =242271=65580W/ m2,T-热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 T=(500+400)/2=450 ,管内壁温度,(b) 平均温度差 在p=981 kN/
39、m2，水的饱和温度为179,管外壁温度,由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。,二、污垢热阻计算,例2 （14）某列管换热器的管程走冷却水，有机蒸汽在管外冷凝。在新使用时冷却水的进出口温度分别为20 和30 ；使用一段时间后，在冷却水进口温度和流量相同条件下，冷却水出口温度降为26 。已知换热器的传热面积为16.5m2，有机蒸汽冷凝温度为80 ，冷却水的流量为2.5kg/s，（设水的比热容为4.187 kJ/(kgK) ）求污垢热阻？,三、简单操作型计算,例3 某
40、冷凝器的传热面积为20m3，用来冷凝100的饱和水蒸气。冷夜进口温度为40 ，流量为0.917kg/s，比热容为4.00kJ/(kgK)。换热器的总传热系数为125W/(m2K)。求蒸汽冷凝量？,四、简单设计型计算,例4 （10）在套管换热器中，用初温为20 的水将1.25kg/s的液体（比热容为1.9kJ/(kgK)、密度为850kg/m3）由80 冷却到30 。换热器的列管直径为252.5mm，水走管内。水侧和液体侧的对流传热系数分别为850 W/(m2K)和1700 W/(m2K) ，管壁的平均导热率为45 W/(m2K)污垢热阻可以忽略。若水的出口温度不能高于50 ，求水的流量和换热器
41、的传热面积？ （设水的比热容为4.187 kJ/(kgK) ）,五、综合传热计算（K、t）,例5 （11）在一单程列管换热器中，用饱和水蒸汽加热食用油。温度为160 的饱和蒸汽在壳程冷凝，冷凝液在饱和温度下排除。食用油在管程流动，由20 加热到106 。列管换热器尺寸为：直径为192mm、管长4m、共有25根管子。若换热器的传热量为125kw，蒸汽冷凝传热系数7000 W/(m2K)，油侧污垢热阻为0.0005m2k/w,管壁热阻和蒸汽侧污垢热阻忽略不计，求管内油侧对流传热系数？若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来的1.75倍，求油的出口温度？（假设油的物性不变）,习题 （传热综
42、合问题）在1m长的套管换热器中用热水将管内的果汁从t1=10 加热至t2=50 ，热水从进口温度T1=98 降至T2=68 ，两流体并流流动，求（1）欲将果汁加热至 t2=60 ，管长需增加多少米？ （2）若改用逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽略热损失）,解：换热器中两流体无相变化，则有,Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1),当果汁加热至 t2=60 时，设水的出口温度为T2，根据题意有,联立式a和b，解得： T2=60.5 ,对于第一种工况：,对于第二种工况：,由总传热速率方程： Q=KStm ，可得,代入数据得,
43、(1) 流体为并流时,热水的出口温度仍为 T2=60.5 ,逆流时传热温度差为：,代入数据得,或采用算术平均值代替,2.2 流体为逆流时,热水的出口温度仍为 T2=60.5 ,逆流时传热温度差为：,代入数据得,或采用算术平均值代替,(2) 流体为逆流时,第6节 换热器简介,6.1 换热器的分类 6.2 间壁式换热器的类型 6.3 列管换热器的选用 6.4 传热的强化措施 6.5 新型的换热设备,6.1 换热器的分类,按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器,按冷热流体热量交换方式分类：,直接接触式、蓄热式、间壁式和混合式,按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类：管式和板式两类。前
44、者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，后者包括板式、螺旋板式、夹套式等,6.2 间壁式换热器的类型,一、夹套换热器,夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。,使用注意事项：,该换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。,当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。,二、套管换热器,结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用U形管连接，
45、而外管之间也由管子连接。,注意：适当选择两个管径，以使内管与环隙间的流体呈湍流状态，使具有较高的总传热系数，同时也减少垢层的形成。,缺点：单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，故一般适用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。,优点：结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。,三、列管换热器,结构简单，紧凑且耐温、耐压，单位体积换热面积较大，在各类换热设备中应用最广泛，用量达70%；缺点：但是容易泄露。,结构：壳体、管束、管板（又称 花板）、封头（端盖） 等。,冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
46、,换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。,弓形,盘环形,管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。,为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：,固定管板式（2-25） （具有补偿圈的固定管板式）,特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。,补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发
47、生弹性形变，达到补偿的目的。,2. 浮头式换热器,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂,浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。,3. U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,U形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。,选用换热器中的有关问题：,(1) 流体流经管程或壳程的选择,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u,uK，在同Q、tm下
48、A，节省设备费；,uHf ，操作费用增加；,u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流动 。,(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：,正三角形,正方形直列,正方形错列,四、蛇管换热器,1. 沉浸式,强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。,特点：蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器需要的形状，沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。,优点：结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。 缺点：管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小。,2. 喷淋式,工作方式：冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下，沿管表面下流；而被冷却 的流体自最下面管子流入，由最上面管子中流出，与外面的冷流体进行热交 换；所以传热效果较沉浸式为好。 优点：与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。 缺点：占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。,
