化工原理第五章 传热.ppt

目 录,石油化工学院,-Department of Petrochemical Engineering,第五章 传热,(Heat transfer),一、学习目的,通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律，并运用这些原理和,规律去分析和计算工程实际应用过程的有关传热的问题。,二、学习要点,本章重点内容,（,1,）热传导速率方程及其应用；,（,2,）换热器的热量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算；,（,3,）对流传热系数的影响因素及量纲分析法,;,（,4,）换热器的结构形式和传热强化途径。,2.,本章应掌握的内容,（,1,）传热的基本方程式；,（,2,）间壁式换热器；,（,3,）对流传热机理和对流传热系数；,（,4,）辐射传热速率方程及其应用；,（,5,）换热器设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题。,本章学习指导,特别是在下列技术领域大量存在传热问题,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（,MEMS,）、,新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛。,a,航空航天：,高温叶片气膜冷却与发汗冷却；,火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；,卫星与空间站热控制；,空间飞行器重返大气层冷却；,超高音速飞行器冷却；,核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；,太阳能高空无人飞机。,Space Shuttle Discovery,美国发现号航天飞机升空,载人飞船(,Manned Spacecraft),对接（,Docking),A,B,v,a,交会（,Rendezvous),礼炮,4,号与联盟号货运飞船对接示意图,和平号空间站,b,微电子：电子芯片冷却,c,生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存,d,军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存,e,制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调,/,热泵；高温水源热泵,f,新能源：太阳能；燃料电池,徐州发电厂,5.1,概述,其它设备,60%,传热设备,40%,传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递,。,由热力学第二定律可知，在有温度差存在时，热量会自发地从高温处传递到低温处。因此，传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问题。,化学工业与传热的关系尤为密切。因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要加热和冷却。,进料,回流液,塔顶气相,塔底液相,精馏操作中的传热过程：,塔釜上升蒸汽,塔顶冷凝产品,江苏张家港某企业有一化工设备，材质为碳钢，设备壁厚,12mm,。设备内物料温度,63,物料流量,220T/h,保温前设备外表面温度,53,设备总外表面积,1000m,2,具体外形见下图，上下箱体长,24m,需要计算保温前后的热损失。,已知当地室外平均气温冬季,5,春季,17,夏季,25,。计划保温层厚度,50mm,保温材料,=0.043W/(m.k),传 热 具 体 应 用 实 例,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下,投资费用最小,；在操作中进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。,最佳保温层厚度问题,目前，城市居民楼很多都是简单的平屋顶，假设屋顶由里向外的结构是,0.1(cm),涂料，,1.5(cm),水泥砂浆，,20(cm),楼板，,2(cm),水泥砂浆，珍珠岩保温层，,2(cm),水泥砂浆，,1(cm),三毡四油防水材料。,北方地区这样的屋顶，夏季太阳日照下的表面温度最高可以达到摄氏,75,度，冬季为摄氏零下,40,度。为了保持室内有较好的舒适温度，又不造成浪费，,（,1,）保温层厚度应该多厚为好？,（,2,）如果更换保温层成其它保温材料，你认为那种好，其厚度是多少？,化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况：,一是,强化传热,，即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。,另一种是,削弱传热,，也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢，以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。,稳态传热和非稳态传热,稳态传热：各点温度分布不随时间而改变,非稳态传热：各点温度随位置和时间而变,说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热,5.1.1,传热的基本方式,根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。,热传导,conduction,热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。,对流,convection,由于流体质点的转移或者混合，将热量从一处传至另一处称为热对流。这是流体质点宏观运动的结果。,自然对流：密度差为推动力。,强制对流：外力的作用。如泵，风机、搅拌等。,热辐射,radiation,通过电磁波传递热量的过程。,1,、直接接触式换热和混合式换热器,主要特点：冷热两种流体间的热交换，,是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。,优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类型。,典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器,适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合,。,废,蒸气,冷水,热水,5.1.2,冷热两种流体的接触方式及换热器,2,、,间壁式换热和间壁式换热器,主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。,优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。,典型设备：,套管式换热器,、,列管式换热器,。,适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。,t,2,冷流体,t,1,T,1,热流体,T,2,热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；,热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；,热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。,间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程可以包括以下三个步骤：,3,、蓄热式换热器,蓄热式换热器，简称蓄热器。是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。在此类换热器中，热、冷流体交替进入，热流体将热量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，缺点是设备体积庞大，传热效率低且两流体有部分混合。,冷,流体,热流体,热流体,冷,流体,固体填充物,蓄热器示意图,5.1.3,传热基本概念,（,1,）传热速率（热流量）,单位时间内通过传热面传递的热量,Q,（,W,），整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为,W,；,（,2,）,热通量,单位时间、单位传热面积上传递的热量,q,（,W/m,2,）；,5.1.4,载热体及其选择,载热体（加热剂、冷却剂）,热载体：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，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷却剂。,选择载热体原则：,温度易调节控制；饱和蒸气压低，加热时不易分解；,毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；,价格便宜，来源容易。,（,1,）加热剂,工业中常用的有热水（,40,100,）、饱和水蒸气（,100,180,）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（,180,540,）、烟道气（,500,1000,）等；除此外还可用电来加热。,（,2,）冷却剂,工业中常用的有水（,20,30,）、空气、冷冻盐水、液氨（,-33.4,）等等。,5.2,热传导（导热,Conduction,）,5.2.1,傅里叶定律（,Flouriers law,）,（,1,）,温度场（,Temperature field,）,物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为,温度场,。,t,=,f,（,x,，,y,，,z,，,）,温度相同的点所组成的面称为,等温面,。温度不同的等温面不可能相交，为什么？,n,q,图,5-1,温度梯度与热流,方向的关系,（,2,）温度梯度 两等温面的温度差,t,与其间的垂直距离,n,之比在,n,趋于零时的极限，即,5.2.1,傅里叶定律（,Flouriers law,）,（,3,）傅里叶定律,傅里叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，,导热系数，,W/m,传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即,5.2.2,导热系数（热导率）,物理意义：温度梯度为,1,时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，,越大，导热性能越好。,（,1,）固体的导热系数,纯金属：,t,;,非金属：,或,t,。,=,0,（,1+,t,）,式中,、,0,固体分别在温度,t,、,273K,时的导热系数，,W/(m,K);,温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材料为正值，,1/K,。,（,2,）液体的导热系数,t,；,一般纯液体（水和甘油除外）的导热系数比其溶液的导热系数大。,（,3,）,气体的,导热系数,气体的,很小，对导热不利，但对保温有利。,在相当大的压强范围内，压强对气体的,导热系数,无明显影响。一般情况下气体,=,f,(,t,),，,t,。,固体、液体、,气体的,热导率的大致范围：,金属固体,非金属固体,液体,气体,金属固体：,10,1,10,2,W/(m,K),；,建筑材料：,10,-1,10,W/(m,K),；,绝缘材料：,10,-2,10,-1,W/(m,K),；,液体：,10,-1,W/(m,K),；,气体：,10,-2,10,-1,W/(m,K),；,冬天,棉被经过,晒后拍打,为什么,感觉特别暖和,?,电影,泰坦尼克号,里，为什么,Jack,冻死了，,而,Rose,没有？,一般说来，水的换热能力比空气强，所以,Jack,身体散热比,Rose,快,。,5.2.3,平壁的稳定热传导,（,1,）单层平壁稳定热传导,一高度和宽度均很大的平壁，厚度为,b,，,两侧表面温度保持均匀恒定，分别为,t,1,及,t,2,，且,t,1,t,2,，若,t,1,、,t,2,不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度,x,方向的一维定态热传导过程（见图,4-5,）。此时傅里叶定律可写成,t,x,x,d,x,t,1,t,2,图,5-5,单层平壁的稳定热传导,b,Q,积分上式,传热速率（单位时间通过面积,A,上的传热量）为：,b,或,A,或,，,R,。,上式,为,常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？,t,x,x,d,x,t,1,t,2,t,1,t,2,0,0,（,2,）多层平壁稳定热传导,t,2,t,x,t,1,t,3,t,4,图,5-7,多层平壁的热传导,应用合比定律，得,推广到,n,层平壁,从,上式,可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；,总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和,。,此式说明，在多层壁导热过程中，,哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大,。,将上式,写成热通量的形式为,5.2.4,圆筒壁的稳定热传导,（,1,）单层圆筒壁稳定热传导,有内、外半径分别为,r,1,、,r,2,的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度,t,1,、,t,2,，,且管长,l,足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅里叶定律可写成,t,r,d,r,t,1,r,1,r,2,t,1,t,2,图,5-8,圆筒壁的热传导,积分,式中,b,=,r,2,-,r,1,，,为圆筒壁的厚度。平均面积,A,m,=2,lr,m,，,而,称为对数平均半径。当,r,2,/,r,1,2,，,K,2,，,K,几乎完全取决于,2,。,因此要提高,K,值关键在于提高较小的一个,值。,注：,传热间壁为圆筒壁时，,d,A,1,d,A,2,d,A,m,，,存在基准问题，由于换热器系列中均为外表面积,A,1,，,故没有特别说明情况下，均以外表面积为基准；但不论采用哪种基准计算得到的传热量,Q,相同；,下标,1,代表管外，,2,代表管内（,m,s1,c,p1,代表热流体,，,m,s2,c,p2,代表冷流体），,K,与,1,、,2,、,、,d,1,、,d,2,、,R,s,1,、,R,s,2,等,参数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；,在应用总传热速率方程时，若,K,以外表面积为基准，则,A,=,A,1,；若,K,以内表面积为基准，则,A,=,A,2,；,5.3.6,传热面积的计算,套管换热器,以,外表面积为基准,以内表面积为基准,内管外径,内管内径,列管换热器,以,外表面积为基准,以内表面积为基准,传热管外径,传热管内径,总传热管数,5.3.7,平均温度差,t,m,的,计算,5.3.7.1,恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）,若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽冷凝和饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处的温度均为,T,，,冷流体在换热器中处处温度均为,t,，,故：,5.3.7.2,变温差传热,在实际中常见的是变温差传热，两流体在换热器中不同位置传热温度差,t,不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样，但最基本的有两种形式：逆流、并流,图,5-13,两侧流体均无相变时的温度变化,T,2,T,1,t,2,t,1,并流,t,1,t,2,T,2,T,1,t,1,t,2,d,T,d,t,逆流,t,2,t,2,t,1,T,T,t,1,t,2,（,a,）,蒸汽冷凝加热无相变流体,t,t,T,T,（,b,）,无相变流体加热,液体沸腾,图,5-14,一侧流体相变时的温度变化,5.3.7,平均温度差,t,m,的计算,（,1,）以逆流为例导出计算平均温度差,t,m,的,通式,取一微元传热面,d,A,经,d,A,的,传热速率为,d,Q,=K,（,T,-,t,）,d,A,=,K,t,d,A,对,d,A,进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）,d,Q,=-m,s1,c,p1,d,T=-m,s2,c,p2,d,t,对整个换热器进行热量衡算,设,Q,损,=0,，,c,p1,、,c,p2,分别取平均温度下的平均值，可以认为是常数，冷、热流体均无相变化，,Q=m,s1,c,p1,（,T,1,-T,2,）,=m,s2,c,p2,（,t,2,-,t,1,）,导出计算,t,m,的通式,令,对数平均温度差，,对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算,t,m,的通式,t,1,热流体进口侧的传热温差，,；,t,2,热流体出口侧的传热温差，,。,传热基本方程式,（,2,）讨论,t,m,由逆流推导得出，但同样适用于并流,逆流：,t,1,=,T,1,-,t,2,，,t,2,=,T,2,-,t,1,并流：,t,1,=,T,1,-,t,1,，,t,2,=,T,2,t,2,若,max(,t,1,t,2,)/min(,t,1,t,2,),t,m,并,，若,Q,相同，则,A,逆,A,并,，所以工业换热器一般是采用逆流；,b,、,并流,t,2,总是,T,2,，,逆流,t,2,可以,(,t,2,-,t,1,),并,，冷却剂用量,m,s2,逆,(,T,1,-,T,2,),并,，加热剂用量,m,s1,逆,100,即可达到湍流）。,（,3,）复杂折流（多管程、多壳程）,实际上，工业换热器并不一定都是逆流或并流，许多情况下采用折流、错流等复杂的流动,，,复杂流动,的,t,m,按下式计算,式中,讨论,：,（,1,）单管程改为多管程，壳程增加折流挡板，虽然能提高传热效果，但同时也增大了流动阻力；,（,2,）对一侧有相变的情况，饱和液体沸腾,P,0,，,R,；,饱和蒸汽冷凝,R,0,；由,R,、,P,关系图可知，,=1,，,其对数平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；,（,3,）一般,1,，当,0.8,，,否则经济上不合理、操作温度略有变动，,，,操作不稳定,；,思考,：提高,的方法？,改用多壳程：,单壳程：,R,=2.0,，,P,=0.3,时，,=0.86,多壳程：,R,=2.0,，,P,=0.3,时，,=0.97,因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。,（,4,）若蒸汽冷凝于壳程，由于蒸汽本身的对流给热系数很大，所以壳程安装挡板的距离比一般的换热器要大，且挡板间应有冷凝水的排放口。,传热单元数法,传热单元数（,NTU,）法又称传热效率,传热单元数（,NTU,）法。主要用于换热器的校核计算等。,将换热器实际热流量,Q,与其无限大传热面积时的最大可能传热量,Qmax,之比，称为换热器的传热效率,。,1.,传热效率,msC,：,流体的热容量流率。,如果热流体为最小值流体，则：,如果冷流体为最小值流体，则：,2.,传热单元数,NTU,对冷流体：,(NTU),C,：,基于冷流体的,传热单元数，反映了：,传热温度差与传热推动力之比；,1,0,C,平均温度差的传热速率与冷（或热）流体每升高（或降低）,1,0,C,所吸收（或放出）的热量之比。,列管换热器：,基于冷流体的,传热单元长度,传热单元数物理意义：,列管换热器中的列管可视为,(,NTU,),段，每段的长度为,H,，每段内流体的温度变化等于传热平均温度差。,与,NTU,的关系,单程并流,:,单程逆流,:,3.,传热效率和传热单元数的关系,解题步骤,已知,:,W,h,C,Ph,W,c,C,Pc,K,S T,1,t,1,步骤,:1.,判断最小值流体,2.,计算,(NTU),min,和,3.,计算或查图得,4.,由 或 可求出,T,2,(,或,t,2,),5.,由热平衡方程可求出,t,2,(,或,T,2,),5.3.8,壁温的计算,对于稳定传热过程,热流体侧传热面积,冷流体侧传热面积,平均传热面积,5.4,对流给热与对流给热系数,5.4.1,对流给热系数的影响因素,（,1,）引起流动的原因：自然对流和强制对流,自然对流：流体内温度不同，导致密度差异，热流体上升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过程，称为自然对流给热。,强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热，称为强制对流给热。,强制对流,自然对流,（,2,）流体流动形态,流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。,湍流,层流,（,3,）流体的性质,影响对流给热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘度、密度等。,如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。,（,4,）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等,流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）,管子排列方式（三角形、正方形）,位置（水平、垂直）,大小（短管、长管）,相变（无相变、沸腾、冷凝）,补充：自然对流环流流速,流动的推动力为密度不同引起的静压差，则,液体的密度随温度变化的关系式如：,紧靠壁面处密度（温度高时）,T,=,T,-,T,体积膨胀系数,自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流,(,如图,a,所示,),，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流,(,如图,b,所示,),，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。,热,平板,图,a,水平加热面的对流情况,冷平板,图,b,水平冷却面的对流情况,5.4.2,因次分析在对流给热中的应用,（,1,）获得给热系数的方法,分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。,数值法：数值求解法是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。,实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,（,2,）因次,分析在对流给热中的应用,根据前面的分析可知，影响对流给热系数的因素有（无相变）：,（,1,）流体物性：,、,、,、,c,p,（,2,）,流动状态：,u,（,3,）,传热面特征尺寸：,l,（,4,）,自然对流：,Tg,（,视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）,所以对流给热系数是以上七个变量的函数：,令,对,SI,制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度,L,、,质量,M,、,时间,T,、,温度,；,所以关联式中各变量的因次分别为：,（,W m,-2,-1,）,（,Pa s,）,（,kg m,-3,）,（,W m,-1,-1,）,（,m,）,（,J kg,-1,-1,）,（,m s,-1,）,（,m s,-2,）,把以上因次代入关联式,根据因次一致性原则：,解得：,令：,努塞尔特准数，,反映对流与纯导热时传热能力的比值；,雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征流体流动型态对对流给热的影响；强制对流时影响显著，自然对流时影响微小；,普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体,Pr1,，,气体,Pr1,接近,1,；,格拉斯霍夫准数，,反映自然对流对对流传热的影响。,根据以上定义可以得到最终的关联式：,讨论：,根据不同的对流给热过程，由实验确定系数,K,及指数,f,、,e,、,g,值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；,强制对流时，,Gr,一般可忽略，即,Nu,=,f,(Re,Pr),自然对流时，,Re,一般可忽略，即,Nu,=,f,(Pr,Gr,),由实验条件所限，得到,Nu,=,f,(Re,Pr,Gr,),关联式应注意应用范围；,由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体从,t,上升到,t,W,，,热流体从,T,W,降为,T,；,故对冷、热流体的物性应分别取,(,t,+,t,W,)/2,、,(,T+T,W,)/2,查取或计算；当壁温的计算需要确定对流给热系数（,未知需试差），工程上为计算方便一般取流体主体的平均温度来查取或计算；这个确定物性参数数值的温度称为,定性温度,。有些情况下，定性温度不一定取进出口的平均温度，如取膜温（进出口平均温度与壁温的平均值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；,定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径；,Nu,=,f,(Re,Pr,Gr,),适用于无相变的对流给热。,总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即：,强制对流时的给热系数；,自然对流时的对流给热系数；,蒸汽冷凝时的对流给热系数；,液体沸腾时对流给热系数；,5.4.3,强制对流时的对流给热系数,强制对流情况下，,Gr,对,的影响较小，一般可以忽略，所以,其中,C,、,m,、,n,由实验测定。,5.4.3.1,流体在管内作强制对流的,（,1,）,流体在圆形直管内作强制湍流时的,低粘度（粘度,10,4,，,流动是充分湍流；,b,、,Pr=0.6160,，,一般流体皆可满足；,c,、,50,，,即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若,l,/,d,1,，,被加热：,t,，,，,u,b,，,n,=0.4;,被冷却：,t,，,，,u,b,，,n,=0.3;,气体,Pr10,4,；,b,、,Pr=0.6160,；,c,、,特征尺寸,l,取,d,内,；,d,、,流体物性参数按定性温度,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2,取；,e,、用,t,Wm,=(,t,W1,+,t,W2,)/2,求,W,；,f,、,不适用于液态金属。,一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：,液体被加热,液体被冷却,（,2,）流体在圆形直管内作强制层流时的,Gr,25000,，,自然对流的影响可以忽略,此式适用范围及条件：,Re2300,，,Gr,25000,，,0.6Pr10,（,不适用于管长很长的情况），特征尺寸取,d,内,；定性温度取,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2,，用,t,Wm,=(,t,W1,+,t,W2,)/2,求,W,。,当,Gr,25000,时,，自然对流对强制层流,的影响不能忽略，应乘以校正系数：,注意：层流时,很小，从而,K,也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。,（,3,）圆形直管内强制过渡状况时的,当,Re=200010000,的,过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，,比,湍流时小，作为粗略估计，可用,Re10,4,的,公式算出,Re10,4,值，然后乘以校正系数,f,2,（,4,）圆形弯管内作强制对流时的,流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。,弯管中的给热系数,直管中的给热系数,管,内径,弯管轴的曲率半径,（,5,）非圆形直管内作强制对流时的,用,上述关联式，但式中的,d,要用代替,d,e,采用专用的关联式,如对,套管环隙,，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：,这种方法简便，但计算结果不够准确。,适用条件：,Re=12000220000,，,d,2,/,d,1,=1.6517,，,特征尺寸为,d,e,，,定性温度取,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2,。也可,计算其他流体在环隙中作强制湍流时的,。,5.4.3.2,流体在管外作强制对流时的,（,1,）,流体垂直流过单根管的,（,2,）,流体横向流过管束的,C,1,、,C,2,和,n,的值见表,5-11,。,上式的适用范围及约束条件：,a,、,Re=50007000,和,x,1,/,d,=1.25,，,x,2,/,d,=1.25,；,b,、,特征尺寸取管外径；,c,、,定性温度,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2;,d,、,流速取各排最窄通道处的流速。,由于各列的,不同，可按下式求出整个管束的平均,：,（,3,）,流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的,a,、,查图,5-30,；,b,、当,Re=200010,6,时,适用条件：,、换热器管间装有割去,25%,（面积）的圆缺形折流挡板；,、,Re=200010,6,；,、,定性温度,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2;,、,t,Wm,=(,t,W1,+,t,W2,)/2,求,W,；,、,特征尺寸,d,e,（,根据管束排列方式而定）,;,、管外的流速根据流体流过的最大截面积,S,计算。,（,4,）流体在列管换热器管间无折流挡板的,用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。,（,5,）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数,容器直径,搅拌器直径,搅拌器转速,搅拌雷诺数,传热壁面,m,值,容器夹套内壁,蛇管外壁,C,值,涡轮式 平桨式 推进式,2/3 0.62 0.36 0.54,0.62 1.01 0.87 0.83,5.4.3.3,提高对流给热系数,的途径,（,1,）从层流转变为湍流时，,Re,，,，,应力求使流体在换热器中达到湍流流动；,（,2,）圆形直管时，,u,总费用,经常费,投资费,费用,u,最适宜,（,3,）列管换热器管间加折流挡板时，,设置折流板时,u,或,d,e,对,都有显著作用,（,4,）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，,，,但能耗,。,5.4.4,流体作自然对流时的对流给热系数,自然对流时,的大小和流体的物性、传热面的大小、形状、位置及传热面与流体间的温度差都有关系，情况复杂，仅限于讨论大空间（指边界层不受干扰）的自然对流。给热的特征数普遍关联式为：,Nu,=,f,(,Gr,Pr,),，,在一定范围内可用幂函数表示,适用范围及条件：,大容积（大空间）的自然对流；,定性温度取膜温,t,膜,=(,t,w,+,t,m,)/2;,特征尺寸,l,：,水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；,t,=,t,w,-,t,。,或,（,1,）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻,如果加热介质是饱和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个,主要特点,。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的,有效措施,。,如果加热介质是过热蒸汽，且,t,w,t,s,时，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热，此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数。,因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数。,5.4.5,蒸汽冷凝时的对流给热系数,（,2,）膜状冷凝和滴状冷凝,膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，蒸汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。,滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂沾污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。实验结果表明，滴状冷凝,的比膜状冷凝的,大几倍甚至几十倍。但是滴状冷凝在工业上没有现实意义，难以实现，,在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。,（,3,）蒸汽冷凝时的,理论推导,特征尺寸,H,取管长或板高，冷凝潜热,r,按饱和温度取，其余物性按液膜平均温度,t,m,=(,t,w,+,t,s,)/2,取。,推导上式的条件：冷凝液膜为层流；蒸汽,u,=0,，,对液膜无摩擦阻力；冷凝潜热以热传导方式通过液膜；冷凝液物性为常数。,平均,b,、,单根水平管外,a,、,垂直管外或垂直板侧,实验结果,a,、,垂直管外或垂直板侧,使用范围及条件：,特征尺寸,H,取管长或板高；,冷凝液膜为层流，,Re1800,计算步骤：,假设为层流,计算,Re,Re 1800,，,b,、,单根水平管外,实验结果和理论推导公式所得结果基本相符,在,其它条件相同时,一般,L,d,o,，,垂直,直排,5.4.6,液体沸腾时的对流给热系数,对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。,按设备的尺寸和形状可分为：,大容积沸腾：传热面沉浸在无强制对流液体中发生的沸腾现象。,管内沸腾：流体在一定压差下流过加热管发生沸腾现象，沸腾过程受液体流速的影响，且沸腾产生的气泡无法脱离流体而随流体一起流动，形成复杂的气液两相流。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾复杂得多。,根据沸腾温度分为：,过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。,饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。,（,1,）沸腾现象,过热度,平均温度,饱和温度,汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为,汽化核心,。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的,比无相变时的,大得多。,沸腾,无相变,如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明,t,对的,影响：,t,很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。,t,t,5,C,时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用，此时为,核状沸腾,。,t,自然对流,核状沸腾,膜状沸腾,t,25,C,进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使,降低，此阶段称为,不稳定膜状沸腾,。,t,250,C,时，气膜稳定，由于加热面温度高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为,稳定膜状沸腾,。,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于常压水在大容器内沸腾时临界点为,t,c,=25,C,。,t,自然对流,核状沸腾,膜状沸腾,（,2,）,影响沸腾传热的因素,液体和蒸汽的性质，主要包括表面张力、,、,、,c,p,、,r,、,L,、,V,等；,操作压力和温度差；,加热表面的粗糙情况和表面物理性质。,5.5,传热过程的强化,几种传热过程对流给热系数的比较：,相变,无相变,，,强制,自然,，,湍流,层流,，,水平,垂直,，,错排,直排,，,滴状,膜状,，,核状,膜状,由,可知主要从以下几方面来强化传热过程：,5.5.1,增大传热面积,传热面增大，传热量增大，设备体积增大，投资费用增大，这种方法是一种简单的强化传热方法，即换一台同样型式但传热面面积大的换热器。,另一种方法是增大单位体积换热器的传热面积，如在管外增加螺旋翅片，以增加传热面积。,5.5.2,增大传热推动力,逆流的推动力大于并流，可以将并流换热器改为逆流换热器。,生产实际中传热温差往往受到客观条件（如蒸汽压力、气温、水温等）与工艺条件（如热敏性物料、冰点等）的制约，不能随意变动。因此利用提高对数平均温度差（总传热推动力）来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定（经验设计、优化设计），且：,5.5.3,减小传热阻力，增大传热系数,管外污垢热阻,管内污垢热阻,管内流体对流给热阻力,管外流体对流给热阻力,总传热阻力,间壁导热阻力,（,1,）减小污垢热阻的方法有：,停车除垢；,在流体中加热阻垢剂。,（,2,）增大对流给热系数的方法主要有：,增大流体的流速,流速增大，流体的湍动程度提高，层流底层厚度减小，对流传热阻力减小，对流给热系数增大，如圆形直管管内湍流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。,增强流体的湍动、扰动程度,流体在管内的流速不变，但增加管内壁粗糙度或在管内增加麻花铁、金属卷片等添加物，增强管内流体的扰动，减小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；,在管外壁装翅片或管外即壳程安装挡板增强管外流体的扰动，增大管外流体的对流给热系数。,在流体中添加固体颗粒,一方面，固体颗粒的扰动与搅拌作用，增加流体的对流给热系数，另一方面，固体颗粒不断撞击管壁降低了污垢层的形成和增长。,在气体中喷入液滴,气体传热能力低，当液滴落于管壁上时，气相传热转变为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。,讨论,：,以上措施孤立起来看是可以强化传热过程的，但实际应用中应具体问题具体分析：,（,1,）若污垢结垢严重，,R,s1,、,R,s2,很大时，强化传热首先应进行除垢；,（,2,）若结垢不严重，污垢热阻可以忽略时，如新设备,间壁的导热热阻较小，与流体的对流热阻相比可忽略时,若,1,2,，,如用蒸汽冷凝加热管内流体，则：,此时增大传热系数的措施应设法提高,2,，,而不应去提高,1,；,反之亦然；,若,1,2,，,要强化传热，必须同时增大,1,和,2,，,否则只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明显。,（,3,）对相变一侧的流体对流给热系数很大，再提高其对流给热系数对强化传热已没有多大作用；,结论：间壁两侧流体传热，由对流、导热五个步骤串联而成，因此传热过程速率受五个步骤中传热速率最慢的所控制，即受热阻最大的步骤所控制；要强化传热过程，必须减小热阻最大的传热过程的传热阻力，增大给热系数。,4.5.4,沸腾给热过程的强化,（,1,）沸腾给热中，汽泡产生与运动情况影响极大；粗糙的加热面能提供更多的汽化核心，当粗糙度达到一定程度后，对沸腾传热强化不再有影响，铜表面用机械方法或腐蚀的