1、第四章 传 热 第一节 概 述,一、定义：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，简称传热。 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 五、传热状态稳态（定常）传热： 各点温度不随时间而变非稳态（非定常）传热：否则,六、传热基本方式（传热机理）1热传导（导热）(conduction)：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。金属，自由电子的运动。固体 分子晶体，分子的振动。非金属 原
2、子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。离子晶体，离子的振动。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），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）。 2热对流（对流）(convection)：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，所以对流必然伴随导热。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。 3热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。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,七、换热器的类型：间壁式、混合式（图4-1）、蓄热式（图4-2）
3、。 八、典型间壁式换热器：套管式（图4-4）和列管（壳管）式（图4-5、4-6）。 九、间壁式换热器中的传热方式：对流导热对流十、载热体：提供或取走热量的流体。1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（表4-1）。 或电。2冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨（表4-2）。或氟里昂、液氮。,第二节 热传导,一、傅立叶定律：在物体内任何一点，沿任一方向的导热热流密度（单位时间内垂直通过单位面积的热流量）与该方向上的温度变化率成正比，即式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。qn方向的导热热流密度，W/m2；Qn方向的导热传热速率或热流量，W，J/s；
4、S与热流方向垂直的导热面积，m2；导热系数，W/(mK)，W/(mC)；n方向的温度变化率，K/m，C/m；二、导热系数：表征物质导热能力的物性参数。1固体式中0固体在0 C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； 温度系数，1/ C2液体(1) 金属液体：(2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小）(3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为,式中 组分i的质量分率。 (4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为3、气体很小，对导热不利，但有利于保温和绝热 (1) (2) (3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为式中 组分i的摩尔分率。组分i的摩尔质量，kg/kmol。 4、一般规
5、律(1) (2) (3) (4),三、 通过平壁的导热 1单层平壁 如图所设，且假定为常数， 则将一维稳态条件用于傅立叶定律：得 所以 ，t与x成线性关系。或 沿x方向定积分，得 而由一维稳态条件，知q与x无关，（ ）所以 所以 而 所以 单层平壁微分导热公式 沿平面定积分，得所以 单层平壁导热公式,传递过程有共同规律：如欧姆定律将单层平壁公式改写为式中 温差，K，C；热阻，K/W。2、多层平壁以三层平壁为例，如图所设，且假定为常数，及层与层之间接触良好，没有接触热阻，则由 单层平壁公式，得而由一维稳态条件，得所以相加并整理，得或,四、 通过圆筒壁的导热 1单层圆筒壁 如图所设，且假定为常数
6、则将一维稳态条件用于傅立叶定律：得 或 所以 ，t与r成非线性关系或 沿r方向定积分，得而由一维稳态条件，知 与r无关，（ ，但 ）所以 所以 单层圆筒壁微分导热公式,整理 单层圆筒壁微分导热公式式中 对数平均微元面积，m2；当 时 ， 。 沿柱面定积分，得所以 单层圆筒壁导热公式整理 单层圆筒壁导热公式式中 对数平均面积，m2；当 时， 。温差，K，C；热阻，K/W。,课堂练习：设 ，试求单层圆筒壁的导热传热速率计算公式。 解：由 得 沿r方向定积分，得所以 得 所以当与t成线性关系时，只要将导热公式中的用算术平均温度下的代替，即可 求解变导热系数的导热问题。否则，要用积分平均值代替。,3、
7、 多层圆筒壁与多层平壁同理可得或,第三节 对流传热,一、传热方式和温度分布 11、层流 导热 非线性层流底层区 导热 近似线性 22、湍流 过渡流区 导热与对流 非线性湍流主体区 对流为主 近似水平线二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即或 式中 qx局部对流热流密度，W/m2；Q对流传热速率或热流量，W；S与流体接触的固体传热面积，m2；x局部对流传热系数，W/(m2K)；tw，Tw分别为冷热流体侧的局部壁温，K，C；t，T分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流温度，K，C。三、
8、对流传热系数x牛顿冷却定律实质上是对流传热系数的定义式，对流传热系数表征对流传热能力的参数，与流体物性及流动状态等有关。对流传热系数的一般范围见表4-5。后面将详细讨论对流传热系数的计算。,四、x的物理意义 以管外冷流体湍流流动为例，则有效膜很薄。设有效膜内的流体按层流流动，则由单层圆筒壁微分导热公式：得 比较 得 所以x的物理意义是导热系数与有效膜厚度之比。 (若为层流，则 ， ， ),五、热边界层1形成当流体流过与其温度不同的壁面时，因其本身受热或冷却而使壁面附近流体的温度发生变化，从而产生温度梯度。热边界层（温度边界层）：壁面附近存在温度梯度的流体层t，一般取热边界层外缘的过余温度 。主
9、流区：边界层以外的区域。2发展（限于管内）与流动边界层类似，热边界层的形成也有一个发展的过程，但热边界层在充分发展后因传热过程的继续而不能形成稳定的热边界层，最后会消失。虽然管道内充分发展后的热边界层（温度分布）不能稳定，但局部对流传热系数x可以基本稳定。因为对流传热系数取决于层流底层的厚度，见x的物理意义。进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数x基本稳定的这一段距离。若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。,第四节 传热计算,一、能量衡算
10、（忽略热损失） 1基本热量衡算式2无相变时热量衡算式3有相变时热量衡算式4无相变和有相变共存时热量衡算式二、总传热方程：仿牛顿冷却定律，显然，在间壁式换热器中，热流密度与两流体的温差成正比，即总传热微分方程或 总传热微分方程式中 qx局部热流密率，W/m2；Q传热速率或热流量，W；S间壁传热面积，m2；Kx局部总传热系数，W/(m2K)；t、T分别为冷热流体的局部流体截面平均温度或大空间中流体主流温度，K；,三、总传热系数Kx、K总传热微分方程实质上是总传热系数的定义式。总传热系数主要取决于冷热流体侧的对流传热系数。下面推导其计算公式。设稳定传热，其他如图所设，则 通过热流体的对流传热速率为
11、通过热流体侧污垢的导热传热速率为通过管壁的导热传热速率为 通过冷流体侧污垢的导热传热速率为 通过冷流体的对流传热速率为 整理，得 相加并整理，得,对比总传热微分方程：得 而 ， ， ，所以 假定为常数，对上式沿管长取平均值，得当 时，当 时，当传热面为平壁时， 所以 四、对流传热系数对总传热系数的影响以平壁为例，若忽略污垢热阻和管壁热阻，则,所以 当 时，当 时，所以当i，o相差较大时，必须提高较小的，才能提高K；当i，o相差不大时，必须同时提高i，o，才能提高K。五、平均温差 1恒温传热由总传热微分方程 对上式沿管长取平均值，得所以 总传热方程令 平均温差则 总传热方程,2、变温传热(1)
12、逆流和并流 以套管式换热器中的逆流为例，如图所设，则由dS中的热平衡，得所以 相减 令 局部温差且 假定为常数。则,所以t与Q成线性关系，其斜率也可为而 所以 假定 为常数，则 ，令 对数平均温差，当 时， 。所以 总传热基本方程显然，上式对并流也适用。 （2） 折流和错流式中 温差校正系数,式中 六、关于简化假定的讨论当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式误差较大。若K随温度呈线性变化时，可用下式计算若K随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的K视为常数，则或 若K随温度变化较大时，应采用积分法：或,七、K的来源
13、经验值：由生产设备总结的大概数据，表4-6。 实验值：由现场设备或实验装置测出的数据。 计算值：由对流传热(系数)关联式计算的数据。八、保温层的临界直径由 得 所以 由总传热方程 得 令 ，所以 ， ， 所以 临界热绝缘直径 （4-29a）,九、传热单元数 1传热效率：实际传热量与最大可能传热量之比，即显然，热、冷流体各自温度变化的最大值均为 。 又由 知最大可能传热量应为Wcp值较小的流体在最大温度变化下传递的热量，即式中 热容量流率 若 则 若 则 2传热单元数NTU（Number of Transfer Units） 由 得 假定为 常数，则,令 传热单元长度，m；传热单元数所以 当 时
14、， 即由 得 所以，传热单元长度是温度变化 与该段换热器内的平均推动力 相等时的换热器长度。1传热效率和传热单元数的关系（与NTU）以单程逆流、热流体为最小值流体为例，且假定为常数。由 得 或 所以,相减，得 令 并定积分，得 所以 而 所以 解之 （4-60）同理 式中 并流、逆流、折流的-NTU关系分别见图4-22、4-23、4-24。,第五节 对流传热系数关联式,一、对流传热的分类强制对流无相变自然对流 对流传热冷凝有相变沸腾二、影响对流传热的因素 1流体的种类牛顿型流体非牛顿型流体 2流体的相变状况无相变有相变 3流体的物性密度动力粘度导热系数定压比热cp体积膨胀系数 4流体的进出口温
15、度冷流体温度t1，t2热流体温度T1，T2,5.流体的流动类型层流过渡流湍流 6.流体流动的原因自然对流强制对流 7.传热壁面的几何因素形状大小位置光滑度三、对流传热过程的量纲（因次）分析 无相变时，由实验知式中 平均对流传热系数，W/(m2K)；u流体的特征流速，m/s；l传热面的特征长度，m；过余温度，即壁温与流体主流温度之差，K；单位质量流体所受净升力，m/s2。 单位质量流体所受净升力为,上式8个物理量的单位和量纲分别为设 由量纲相等，得,由因次相等，得 解之，得 回代，得所以 令 努塞尔特(Nusselt)数，表示对流传热；(Number)雷诺(Reynolds)数，表示强制对流；普
16、朗特(Prandtl)数，表示物性；格拉晓夫(Grashof)数，表示自然对流。则 或,通过实验确定常数，可得一系列不同情况下的对流传热关联式。选用对流传热关联式的注意事项 (1) 特征流速应按该关联式规定的方式选取。 (2) 特征长度应按该关联式规定的方式选取。 (3) 定性温度应按该关联式规定的方式选取。 (4) 关联式应在其适用范围内使用。四、无相变时的对流传热系数关联式 1强制对流 由 忽略自然对流，得 (1) 管内强制对流 a. 圆形直管 (a) 湍流低粘度 Dittus-Boelter 关联式： 或 式中 特征流速：管内流体平均流速 ； 特征长度：管内径 ； 定性温度：流体平均温度
17、（进出口流体的截面平均温度的算术平均值）， ； 式中 分别为进出口流体的截面平均温度，K，C。 适用范围： 。 式中 L管长，m。 b) 高粘度,Sieder-Tate关联式：或 其中特征流速：管内流体平均流速 ； 特征长度：管内径 ； 定性温度：流体平均温度 ，但w由tw确定； 适用范围： 。 (b） 层流Sieder-Tate关联式：其中 特征流速：管内流体平均流速 ； 特征长度：管内径 ； 定性温度：流体平均温度 ，但w由tw确定； 适用范围： 。,(c) 过渡流式中 湍流时的 。适用范围：Re=230010000。b. 进口段的影响进口段由于热边界层较薄而具有比充分发展段高的对流传热系
18、数，所以当 时，应对上述公式进行修正：c. 圆形弯管式中 直管中的 ；弯管轴的弯曲半径。d. 非圆形管用 代替 =4A/或对在套管环隙中水或空气， 特征流速：环隙中流体平均流速 ；特征长度：环隙流动当量直径 ；定性温度：流体平均温度 ；适用范围： 。,(2) 管外强制对流 a. 管束外垂直流动 (a) 管子排列方式直列正三角形 图4-27错列 正方形 (b) 错列关联式(c) 直列关联式(d) 应用条件 特征流速：最狭窄通道处流速（错列时取（ ）和 中较小者为最狭处的距离）； 特征长度：管外径 ； 定性温度：流体平均温度 ；适用范围： 。 (e) 校正：当 时，按表4-10的修正系数校正。 b
19、. 换热器的管间流动 (a) 折流板的形式圆缺形盘环形 图4-28(双)弓形,(b) 25%圆缺形挡板关联式（Kern关联式）或 其中特征流速：最大截面积A处的流速 ； 特征长度：当量直径 ； 定性温度：流体平均温度 ，但 由 确定； 适用范围： 。最大截面积A：式中 挡板间距，m；外壳内径，m。当量直径 ： 若正方形排列，则若正三角形排列，则式中 两管中心距，m；管外径，m。,2、自然对流 忽略强制对流， 由 得 式中 值见表4-11（P249）。 特征长度：竖壁和竖管取高L，水平管取外径do； 定性温度：膜温(壁温和流体主体温度的算术平均值)， ； 适用范围：见表4-11中的GrPr。一、
20、有相变时对流传热系数关联式 1冷凝 (1) 冷凝方式膜状冷凝，润湿成膜，小，工业应用中都是。滴状冷凝，不润湿成滴，大，难维持，实验研究。 (2) 层流膜状冷凝的分析解通过合理的简化假定，可导出Nusselt理论公式： a. 竖壁或竖管,b、 水平单管式中 汽化潜热，J/kg。 定性温度：膜温 ，但r由ts确定。 (3) 液膜雷诺数 以竖壁为例，由 得 底部数值式中 W冷凝液的质量流量，kg/s； M冷凝负荷，kg/(ms)。 (4) 准数关联式 以竖壁为例，由 得 所以 整理得 令 则,(5) 经验关联式 a. 竖壁或竖管 (a) 层流( )时（蒸汽对液膜的摩擦）或 (b) 湍流( )时，（B
21、adger关联式）b. 水平管 (a) 水平单管(b) 水平管束 （Kern关联式，下管液膜加厚）式中 水平管束在垂直列上的管数。 (6) 影响冷凝传热的因素 a. 冷凝温差t, Q, , ； b. 物性有影响 c. 蒸汽的流速和流向,同向，一般情况，反向吹破液膜， d|. 不凝性气体微量的不凝性气体，可使冷凝传热系数急剧下降。蒸汽必须穿过不凝性气膜所冷凝，从而饱和温度下降，冷凝温差下降，冷凝传热系数下降。 e. 冷凝面垂直管，板高度，；高度，水平管束排数， 2沸腾 (1) 沸腾方式（管内）流动沸腾（管外）池式沸腾（大容器）过令沸腾饱和沸腾 (2) 沸腾曲线，见图4-33。 (3) 沸腾传热关
22、联式 或由 得 其中 (4-93)或,式中 对比压力，R=0.010.9；p操作压力，Pa； pc临界压力，Pa， ； q操作热负荷， ， ； qc临界热负荷，W/m2，可用下式估算：式中 Di管束直径，m； L管长，m； So管外壁总传热面积。 (4) 影响沸腾的因素 a. 液体的性质：、， b. 沸腾温差（壁过热度）：见沸腾曲线 c. 操作压力P，TS， d. 加热面油脂沾污或结垢，壁面粗糙，汽化核心数，,六、壁温的估算 由 得 若忽略管壁热阻，且假定xi，xo为常数， 则，所以 或 (4-97)第六节 辐射传热（略）,第七节 换热器,一、类型沉浸式蛇管式管式 喷淋式套管式列管（管壳）式间
23、壁式 夹套式板式 板式螺旋板式翅片管式 翅片式板翅式混合式（直接接触式）蓄热式二、列管式换热器的基本型式无膨胀节固定（管板）式有膨胀节U型管式浮头式,三、列管式换热器的设计和选用（略） 1流体流径（流体管壳程）的选择 依次考虑压力、腐蚀、清洗、对流传热系数、压力降等的要求。 2流体流速的选择，S，设备费 uhf，动力消耗，操作费 常用的流速范围见表4-14。 3流体两端温度的确定 工艺流体的进出口温度一般由工艺条件确定，而非工艺流体，如冷却水，一般只知道进口温度，出口温度要设计者选定。Wc， 操作费t2tm，S，设备费一般， 。 4管了的规格和排列方法 (1) 规格252.5mm192mm (
24、2) 管长：1.5、2、3、6m (3) 排列方法正三角形正方形直列正方形错列,(4) 管心距(1.31.5)do，且t(do+6)，胀接法1.25do，焊接法 5管程和壳程数的确定 当管程流速低于常用流速范围下限，或因管程流速较低使管程对流传热系数较小，从而使总传热系数达不到要求时（经验值），可采用多管程来提高管程流速。 标准管程数：1、2、4、6。 当温（度）差校正系数t0.8时，可采用多壳程来提高t。但在一个换热器内一般只采用2壳程，2壳程以上则用多个换热器串联来代替。壳程流速不够时，可缩小挡板间距来提高。 6折流挡板 挡板的形式有三种，见图4-28固定式：150、300、600 标准挡
25、板间距 浮头式：150、200、300、450、600U形管形：150、200、250、300、450 7外壳直径的确定 一般由需要的传热面积，根据钢制管壳式换热器行业标准确定壳体的内径，并同时确定其它的工艺尺寸。 或由下式计算式中 最外层管中心距壳体内壁的距离。管束中心线上的管数，可按下式估算：,，正三角形，正方形 式中 n 总管数。 8主要附件 (1) 封头椭圆形封头管箱平盖管箱 (2) 缓冲挡板 (3) 导流简 (4) 放气孔、排液孔 (5) 接管 1.52m/S，液体2050m/S，蒸汽，或见表1-1（P20）。(0.150.2)，气体 9材料选用主要根据操作温度、压力、流体的腐蚀性及
26、材料的价格来选用，常用的材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢。见表4-18。 10流体流动阻力（压力降）的计算 (1) 管程阻力=1.4，252.5mm 式中 Ft结垢校正因数=1.5，192mm串联的壳程数；管程数；,直管阻力，回弯管阻力，可按下式估算：(2) 壳程阻力式中 流体横过管束的阻力，Pa；流体通过折流板缺口的阻力，Pa；=1.15，液体 FS结垢校正因数=1.0， 气体 而 式中 F管子排列方式校正因数；0.5，正三角形0.4，45正方形0.3，正方形 o壳程摩擦系数；nc管束中心线上的管子数； NB折流板数； h折流板间距，m； uo由管间最大截面积Ao计算的流速。,四、选型或设计步
27、骤 1选定加热剂或冷却剂 2选定换热器型式 3选定流体管壳程 4选定流体流动方向 5选定加热剂或冷却剂出口温度 6算出定性温度 7查出物性参数 8计算平均温差tm逆 9求出温差校正系数t0.8，并确定壳程数 10 计算热负荷Q 11 由总传热系数的经验值，初选K 12 初算传热面积 13 选定公称压力 14 选定材料 15 由初算传热面积，根据换热器行业标准，初选换热器的规格(型号) 16 核算总传热系数 17 核算压力降 五、各种间壁式换热器的比较各种换热器都有其优缺点，没有一种换热器可以适用各种情况，所以视具体情况选择适用的换热器。 六、传热的强化途径 由 知， 1增大S：应提高单位体积换热器内的传热面积。 2增大 ：一般由工艺条件限定，变化有限，采用逆流可得最大的温差。 3增大K(1) 提高或：提高流速或管内装入麻花铁等扦入物。 (2) 降低或：提高流速防止结垢或及时清洗。,
