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新乡学院化工原理精品课程

第五章传热


5.1 概述5.2 热传导

5.3 对流传热5.4 传热过程的计算5.5 热辐射5.6 换热器


5.1 概述5.1.1 传热过程在化工生产中的应用

5.1.2 冷热流体的接触方式

5.1.3 热载体及其选择

5.1.4 传热的三种基本方式

5.1.5 间壁式换热器的传热过程


5.1.1 传热过程在化工生产中的应用

加热冷却保温

强化有益传热削弱有害传热

作用：

目的：


5.1.2 冷热流体的接触方式一、直接接触式

板式塔

此方法传热效率高、时间短。但冷、热介质必须能直接混合。

新乡学院化工原理精品课程二、蓄热式

优点：•结构较简单•耐高温

缺点：•设备体积大•有一定程度的混合

低温流体

高温流体


三、间壁式：冷热介质中间由一层固体壁面所隔开

传热面为内管壁的表面积

套管换热器

冷流体t1

t2

热流体 T1

T2


列管换热器

传热面为壳内所有管束壁的表面积

热流体 T1

T2

冷流体t1

t2

由壳体、管板、管束、顶盖、接管组成。


5.1.3 热载体及其选择

热源：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


5.1.4 传热的三种基本方式

一、热传导定义：物体中由于分子的振动，与相邻分子发生碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。特点：没有物质的宏观位移 ,靠微观分子的热运动。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来实现的。液体机理复杂化工操作固体中、静止或层流流动的流体中。


二、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。特点：靠流体质点的宏观运动进行热量传递。

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：由于温差而引起密度差产生的对流。• 强制对流：依靠机械施加外力使流体运动。

• 能量转移、能量形式的转化。• 不需要任何物质作媒介。

仅发生在流体中。


冷流体管壁外侧

管壁外侧管壁内侧

管壁内侧热流体

对流

热传导

对流

)(

)(

)(

3

2

1

)3(

)2(

)1(

Q

Q

Q

t2

t1

T1

T2

对流对流传导

冷流体

Q

热流体

5.1.5 间壁式换热器的传热过程


5.2 热传导5.2.1 有关热传导的基本概念

5.2.2 傅立叶定律

4.2.3 导热系数

4.2.4 通过平壁的稳定热传导

5.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导


5.2.1 有关热传导的基本概念

,,, zyxft

式中 t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标； ── 时间。

温度场：物体或系统中各点的温度分布总和。某时刻，物体或空间各点的温度分布。与时间和位置有关。

(1) 温度场


不稳定温度场

,,, zyxft

稳定温度场 zyxft ,,

0t从时间上：

一维温度场：二维温度场：三维温度场：

从位置上： ,t f x

, , ,t f x y z , ,t f x y

本书研究的是稳定的、一维温度场 t＝ f(x)


（ 2 ）等温面等温面：在温度场中，同一时刻温度相同的点

所组成的面。

t1

t2

t1>t2

等温面

Q

不同温度的等温面不相交。


(3) 温度梯度

n

t

n

ttgrad

n

0

lim

t+t

t-tt

n

Q

dA

温度梯度是一个点的概念。

温度梯度是一个向量。

方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正

一维稳定热传导dxdt /

------ 实质是一个变化率

等温面法线方向上的温度变化率。

速度梯度：动量传递

温度梯度：热量传递

浓度梯度：质量传递

du

dydt

dn

Adc

dy

三传定律


热负荷 Q’ ：工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位 J/s或W 。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 。

（ 4 ）其他

A

Qq 式中 A── 总传热面积， m2 。


5.2.2 傅立叶定律

dtQ A

dn

式中 Q ── 热传导速率， W或 J/s ； A ── 导热面积， m2 ； dt/dn ── 温度梯度，℃ /m或 K/m ； ── 导热系数， W/(m· )℃ 或W/(m·K) 。

------- 表示传导的定律

温度场：稳定的、一维的


负号表示传热方向与温度梯度方向相反

表征材料导热性能的物性参数越大，导热性能越好

对一维稳态热传导 dx

dtAQ dd


(3) 是分子微观运动的宏观表现。

5.2.3 导热系数

/

Q

Adt dn

(1)单位：

= f( 结构 , 组成 , 密度 , 温度 , 压力）(4) 各种物质的导热系数

金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体

KmW /(2) 意义：在数值上等于单位温度梯度下的热通量。表示物质导热能力的一个物性参数。


金属非金属液体气体

可见，在数值上：

物质热导率的大致范围

物质种类热导率

金属 10+1～ 102 ；

建筑材料 10-1～ 101 ；

液体 10-1～ 100 ；

绝热材料和气体 10-2～ 10-1 ；

0.01

0.02

0.040.06

0.1

0.2

0.40.6

1

2

4

610

20

4060

100

200

400600

200 600 1000 1400 1800

空气甲烷

二氧化碳苯（气态）

硅藻土

冰

水

硅砖

粘土耐火砖

镁砖

铝（液体）高合金钢

合金钢

低碳钢

钾（液体）锌（液体）

钢（液体）

锌（固体）

铜

铝

温度 K

不同物质导热系数随温度变化的比较

导热

系数

λw

/mK


)1(0 at在一定温度范围内：

式中 0, ── 0 , t℃ ℃ 时的导热系数， W/(m·K) ； a ── 温度系数。对大多数金属材料 a < 0 ， t

对大多数非金属材料 a > 0 ， t

1) 固体

• 金属：纯金属 > 合金

• 非金属：同样温度下，越大，越大。


2) 液体

• 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。

• t （除水和甘油）

3) 气体

• 一般来说，纯液体的大于溶液

• t

气体不利用导热，但可用来保温或隔热。


傅立叶定律的应用• 工业上常见的传热面类型

⑴平壁

⑵圆筒壁

单层

多层单层

多层

⑶球壁

⑷不规则壁

√

√


5.2.4 通过平壁的稳定热传导一、通过单层平壁的稳定热传导

假设：(1) A 大， δ小；(2) 材料均匀；(3) 温度仅沿 x 变化，且不随时间变化。

t1

t2

δ

t

xdx

QxQx+dx


得：

设不随 t 而变 1 2

1 2( )t t

Q A t t

A

式中 Q ── 热流量或传热速率， W或 J/s ； A ── 平壁的面积， m2 ； δ── 平壁的厚度， m ； ── 平壁的导热系数， W/(m· )℃ 或W/(m·K) ； t1,t2 ── 平壁两侧的温度，℃。

新乡学院化工原理精品课程讨论：

Qt

R 推动力

热阻

t t t ( )1 2 RA

1．可表示为

推动力：热阻：

)1(0 at若随 t 变化关系为：

则 t～ x呈抛物线关系。

2. 不随 t 变化， t～ x 成呈线形关系。


二、通过多层平壁的稳定热传导

假设：(1) A 大， δ小；(2) 材料均匀；(3) 温度仅沿 x 变化，且不随时间变化。

(4) 各层接触良好，接触面两侧温度相同。

t1

t2

δ 1

1

t

x

δ 2 δ 3

23

t2

t4t3


2 3 3 41 2

1 2 3

1 2 3

t t t tt tQ

A A A

推广至 n 层： 1 1 1 1

1 1

n nn n

ii

i ii

t t t tQ

RA

＝＝

由于稳定热传导，各层 Q应相等。

1 4 1 4

31 2

1 2 3

i

t t t tQ

RA A A

总温差分温差总热阻分热阻

等比定律


三、各层的温差

31 21 2 2 3 3 4 1 2 3

1 2 3

: : : : : :t t t t t t R R RA A A

思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。

t1

t2t3

t4

31 2


5.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导一、通过单层圆筒壁的稳定热传导

假定：(1) 稳定温度场；(2) 一维温度场。

r1

r2

t1

t2

λ

单层圆筒壁的导热


对于稳定温度场 0t

const QQQ drrr

傅立叶定律 Q At

r d

d

r

trl

r

tAQ

d

d2

d

d

新乡学院化工原理精品课程边界条件 r r t t 1 1时， r r t t 2 2时，

得： Qdr rldtr

r

t

t

1

2

1

2

2

设不随 t 而变 1 2 1 2

2 2

1 1

2 ( ) ( )

ln ln

2

l t t t tQ

r rr r

l

式中 Q ── 热流量或传热速率， W或 J/s ；

── 导热系数， W/(m· )℃ 或W/(m·K) ；

t1,t2 ── 圆筒壁两侧的温度，℃；

r1,r2 ── 圆筒壁内外半径， m 。

新乡学院化工原理精品课程讨论：

1．上式可以为写 1 2 2 1 1 2 2 1

2 22 1

1 1

2 ( )( ) ( )( )

( ) ln ln

l t t r r t t A AQ

r Ar r

r A

1 2 1 2

2 1

2 1

2

1

( ) ( )

2ln

m

t t t t tr r R

r r Alrr

推动力热阻

2 mA r l 2 1r r 2 1

2 1ln /m

r rr

r r

对数平均面积


2． r

r2

12 1 2

2m

r rr

3．圆筒壁内的温度分布

t～ r 成对数曲线变化 (假设不随 t 变化 )

4．平壁：各处的 Q和 q均相等；圆筒壁：不同半径 r处 Q 相等，但 q 却不等。

新乡学院化工原理精品课程二、通过多层圆筒壁的稳定热传导


2 3 3 41 2 1 4

1 2 3 1 2 3

t t t tt t t tQ

R R R R R R

应用：

1 、确定壁的热传递速率。

2 、求所需加的保温层厚度。

3 、求层之间的温度。


思考

[?] 通过圆筒壁的每一层热通量相等，热阻越大，两侧温差越大。

[?]怎么样可以减弱热损失，是否保温层厚度越厚，损失越小。

[?] 热水从内壁传到外壁，有三步，是否按每一步计算均可。


4.3 对流传热4.3.1 对流传热过程分析

4.3.2 对流传热速率

4.3.3 影响对流传热系数的因素

4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立

4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式

5.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式


5.3.1 对流传热过程分析

dA

t2

w1 ， T

1

w2， t1

T2

（ 1 ）流体流过固体壁时，由于存在温度差进行的传热。


（ 2 ）对流传热中的传热方式：

流体类型

湍流： Re＞ 4000

主流区：对流

边界层：传导

层流：传热方式主要为传导


t

A2 A1

tW

t

TW

T

传热壁冷流体热流体

•层流底层温度梯度大，热传导方式•湍流核心（主流区）温度梯度小，对流方式•过渡区域热传导和对流方式

（ 3 ）温度分布


式中 t── 总有效膜厚度； e──湍流区虚拟膜厚度； ── 层流底层膜厚度。

下面来推导牛顿冷却定律建立膜模型： t e

TTW

t

tW

t

5.3.2 对流传热速率——牛顿冷却定律


w

w

( )

( )

t t

T TQ

AQ A T T

令

式中 Q ── 对流传热速率， W ； ── 对流传热系数， W/(m2· )℃ ； Tw ── 壁温，℃； T ── 流体平均温度，℃； A ── 传热面积， m2 。


1. 牛顿冷却定律是一种推论，假设 Q∝t 。

Q A t tt t

A

t

Rww

( )＝1

t t tw RA

1

2. 复杂问题简单化表示。

推动力：阻力：


5.3.3 影响对流传热系数的因素1. 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 > 自 2. 流体的物性，，， cp


5. 是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾相变 > 无相变

4. 传热面的形状，大小和位置•形状：如管、板、管束等；•大小：如管径和管长等；•位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。

3. 流动形态层流、湍流湍 > 层


5.3.4 对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析

式中 l——特性尺寸； u——特征流速。基本因次：长度 L，时间 T，质量M，温度

变量总数： 8 个由定律（ 8-4）=4 ，可知有 4 个无因次数群。

＝ f(u， l ，，， cp ，， gt)

Re Pra f hNu A Gr



l

Nu

du

Re

pc

Pr

2

23

tlg

Gr

3 2

2( ) ( ) ( )pa f hcl du g tl

A

Nusselt待定准数

Reynolds ，流动型态对对流传热的影响

Prandtl ，流体物性对对流传热的影响

Grashof ，自然对流对对流传热的影响


二、实验安排及结果整理以强制湍流为例： Nu＝ AReaPrf

1．采用不同 Pr 的流体，固定 Re

lgNu＝ flgPr＋ lgARea

双对数坐标系得一直线，斜率为 f

2．不同 Pr 的流体在不同的 Re 下 lgNu/Prf＝ algRe＋ lgA

双对数坐标系中得一直线斜率为 a ，截距为 A

Pr

Nu

f

Re

Nu/Prf

A

a


定性温度的取法：

三、定性温度、特性尺寸的确定

2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。

1 2(1)2m

t tt

(2)2

W SW S

t tt t

膜温壁面温度饱和温度

3．准数关联式的适用范围。

1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。

新乡学院化工原理精品课程公式分类

无相变

有相变

强制对流

自然对流

管内

管外

湍流

层流

过渡流

直管

非圆管

弯管

短管

黏度修定

垂直流过管束

列管换热器管间无限大空间

有限大空间

蒸汽冷凝

液体沸腾

膜状冷凝滴状冷凝

在垂直管外或垂直板侧在水平管外

核状沸腾

膜状沸腾

Nu=f(Pr ,Re)

Nu=f(Pr,Gr)


一、流体在管内的强制对流

0.80.023Re Pr 4 17nNu

0.80.023 ( ) ( ) 4 17p ncdua

l

适用范围：

Re>10000， 0.7<Pr<120 ， l/d>60 ， <2mPa.s, 或 / 水＜ 2

5.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式

1．圆形直管内的湍流


• 特征尺寸为管内径 di

• 流体被加热时， n＝ 0.4 ；被冷却时， n＝0.3 。

221 tt

tm

注意事项：• 定性温度取


强化措施：• u,u0.8

• d, 1/d0.2

• 流体物性的影响，选大的流体

0.80.8

0.20.023 ( ) ( )p ncdu u

Kd d

讨论：简化


以下是对上面的公式进行修正：(1) 高粘度

1

0.8 0.1430.027 Re Pr ( ) 4 19w

Nu

0.1)(

95.0

05.1

)( 14.0

冷却或加热气体液体被冷却液体被加热

w

Re>10000， 0.7<Pr<700， l/d>60

定性温度取 tm ；特征尺寸为 di

壁温数据未知时，可近似。


(2) 短管 l/d<60

117.0

l

df

(3) 弯曲管内

177.11 R

df


(4) 非圆形管强制湍流1) 当量直径法

2) 直接实验法

套管环隙：水 - 空气系统

3

18.05.0

1

2 PrRe)(02.0d

d

de

适用范围： 12000<Re<220000； d2/d1=1.65~17

其中 d1 为内管外径， d2 为外管内径

用 de代替 di计算， u不用 de, 要用实际的流通面积计算


1

0.1431.86(Re Pr ) ( ) 4 20w

dNu

l

适用范围： 25000,Gr (Re Pr ) 10d

l

0.6 Pr 6700, 2300Re

)015.01(8.0,25000 3

1

GrfGr 当：

定性温度：2

21 tttm

2. 圆形管内强制层流


3. 过渡流（ 2300<Re<10000)

1Re

1061

8.1

5

f


二、管外强制对流的对流传热系数

1. 流体在管束外垂直流过


4.0PrRenCNu 在换热器内任一单排管：


整个管束：

i

ii

A

A

定性温度：

适用范围： 70000Re5000

52.11 d

x52.12

d

x

特性尺寸：管的外径 d0

221 tt

tm


2 ．流体在换热器壳程的流动

列管式换热器简介：　　列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。


◎ 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，

结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装

置中普遍采用。

◎ 结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管

内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称

为壳程。管束的壁面即为传热面。

重点介绍：固定管板式　浮头式　 U型管式。


管壳式换热器示意图管壳式换热器示意图


① 列管式换热器的结构结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

管束结构结构示意

新乡学院化工原理精品课程② 分类及特点

原因：管、壳温度不同，产生热应力，

结果： Δt＞ 50℃ 时，管弯曲、断裂或管板变形

固定管板式 Δt＜ 50 —— Δt℃ ＞ 50℃安装膨胀节；

浮头式 Δt＞ 70 —— ℃ 本身具有补偿能力；

U 形管式 Δt＞ 70 —— ℃ 本身具有补偿能力。

分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：

为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。

新乡学院化工原理精品课程a ）固定管板式换热器

特点： * 结构简单，成本低； * 可能产生较大的热应力； * 壳程不易机械清洗；适用： * 壳程流体不易结垢或容易化学清洗； * 壳体与传热管壁温度之差小于 50C ，否则加膨胀节。

单管程固定管板换热器


带膨胀节的固定管板换热器

新乡学院化工原理精品课程 b ）浮头式换热器

结构 :


浮头式换热器

特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、成本高；适用：应用广泛。

新乡学院化工原理精品课程c） U 形管式换热器

特点：具有温度补偿作用；

管程不易清清洗。

适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。

结构 :


U型管换热器内的流体流动


单程：流体在管内每通过管束一次 —— 一管程；流体在管外每通过壳体一次 —— 一壳程。多程： ◆ 多管程：封头内设置分程隔板单管程→多管程。

◆ 多壳程：相当于单壳程串联，传热面积↑。

单管程固定管板换热器

tc1tc2

th1

th2

3. 提高对流传热系数的方法


双管程固定管板换热器

单双 SS2

1ndS

i

2

4

单

LndAA 0 单双

流通截面积：

传热面积：

说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑， ai ↑ ，强化传热。


单管程换热器管、壳程流体流动


双管程换热器内的流体流动


安装：上下安装，常用；左右安装，排液不畅时采用。

常用形式：弓形，圆盘形。

折流挡板

作用：提高壳程流体湍动程度 (Re>100 湍流 ),↑a0 ，强化传热。

冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用。

代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。


弓形（ 1/4 圆缺形）

圆盘形


管板折流板

单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图


单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动


管板折流板

单壳程垂直圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图管板折流板

单壳程垂直圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图


单壳程垂直圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程垂直圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动


单壳程圆盘形折流板管壳式换热器结构示意图管板折流板


单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动


提高 a的方法：

壳程：折流挡板、多壳程

管程：多管程


装有圆缺折流板的列管换热器圆缺折流板管板


壳程流体的对流传热系数（圆缺形）： 0.14

1/3 0.550.36 Pr Ree Wd

定性温度：

正方形排列：

正三角形排列：

特征尺寸：当量直径 de

221 tt

tm

2 22 2 0

0

0 0

4( )4( 0.785 ) 4e

t dt dd

d d

0

20

2 )785.02

3(4

d

dtde

d0

t

t


0max (1 )

dS hD

t

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 ； do—— 管子的外径， m ； t—— 相邻两管中心距， m 。


注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。

),,(45.0

55.0

pe

cfd

u

提高壳程对流传热系数的措施：

f2 h, u u ; u 流动阻力但

ed3 ）加强湍动，

2 ）1 ）


三、大空间的自然对流传热 Pr),(GrfNu nGrCNu Pr),(

（ 1 ）注意： c,n 与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。

（ 2 ）定性温度：膜温（ 3 ）特征尺寸：垂直的管或板为管长或高度水平管为管外径

3 2

2( )p nc g tl

Cl

2w

m

t tt

液


适用于无限大空间的自然对流

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