武爱莲

1. 第四章 传 热 武爱莲

2. 第一节 概述 • 传热过程在化工生产中的应用 • 传热的三种基本方式 • 传热基本方程 • 热负荷的计算 • 稳定传热和不稳定传热

3. 一、 传热 过程在化工中的应用 　　传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的 目的不外乎是以下三种： 1.加热或冷却 2.换热 3.保温 可见，传热过程是普遍存在的。

4. 二、 传热的三种基本方式 　　一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。

5. （一） 热传导（导热） 一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。 物质的三态均可以充当热传导介质，但导热　的机理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。

6. （二） 对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。 热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。

7. （三）热辐射 　　热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。 三、传热基本方程 　　当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混合时，需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体．热传递的快慢用传热速率Ｑ来表示。传热速率Ｑ是指单位时间内通过传热面传递的能量．单位是Ｊ／Ｓ．Ｗ。

8. 换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差⊿tm成正比;换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差⊿tm成正比; 即Ｑ＝ＫA△tm　 Ｑ：传热速率　, Ｗ △tm：两流体的平均温度差,K Ｋ：比例系数，总传热系数 ，因次W/(m2·K)。 上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器传热计算的重要依据。传热速率是换热器在一定的操作条件下的换热速率。而热通量q是指单位传热面积上的传热速率。常见的间壁式换热器有套管换热器和列管换热器。见下图：　　　　　　　　　　　　　　　　

9. 套管式换热器 1—内管 2—外管

10. 单程列管式换热器 1 —外壳 　2—管束 　3、4—接管　 5—封头 　 6—管板 　7—挡板

11. 双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板

12. 不同的换热器的传热面积计算： 而流通截面积 式中m为管程数。

13. 四、 热负荷的计算　 生产中常把单位时间内的流体 所放出或吸收的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量Ｑ１应等于冷流体所吸收的热量Ｑ２。

14. 热流体冷却放出的热量 冷流体加热需要得到的热量 物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是 过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热

15. （一）　无相变化时 （１）比热法 　Ｑ＝ＷhＣph（Ｔ１－Ｔ２） ＝ＷcＣph（t２－t1） 　　　Ｑ：　　　　换热器的热负荷 ＫＪ／h Ｗh，Ｗc：　热冷流体的质量流量ＫＧ／h Ｃph，Ｃpc：热冷流体的平均比热 　　　Ｔ１，Ｔ２：热冷流体的开始，终了温度，K t1，t2：　　 热冷流体的开始，终了温度，K

16. （２）热焓法 Ｑ＝Ｗh（Ｈh1－Ｈh2） 　＝Ｗc（Ｈc２－Ｈc1） Ｑ：　　　　换热器的热负荷 ＫＪ／h Ｗh，Ｗc：　热冷流体的质量流量ＫＧ／h Ｈh1，Ｈh2：热流体的进出口的焓ＫＪ／Ｋg Ｈc1，Ｈc2：冷流体的进出口的焓ＫＪ／Ｋg 。

17. （二）有相变的传热 换热器中热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化，但是冷凝液在饱和温度下离开换热器． 　Ｑ＝Ｗhr＝ＷcＣpc（t1－t2） 　　r　：为饱和蒸汽冷凝潜热 其值等于在饱和蒸汽的焓与该温度下的液体焓的差 如果冷凝液在低于饱和温度之下排出时，则用下式计算热负荷 Ｑ＝Ｗh［r＋Ｃph（Ｔs－Ｔ２）］ 　＝ＷcＣpc（t2－t1） 式中Ｃph为冷凝液的比热; Ｔs为冷凝液的饱和温度

18. 可见，热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量。根据热量恒算式，可由既定的传热任务求得载热体的消耗量。可见，热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量。根据热量恒算式，可由既定的传热任务求得载热体的消耗量。 五　稳定传热和不稳定传热 稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。 不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。 化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。

19. 第二节　热传导 一、平壁稳定热传导 单层平壁导热速率的工作方程式 温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。 导热系数k是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导热能力的强弱，其值越大，导热能力越强。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料，例如，需要提高导热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。

20. 各种物质导热系数的大致范围如下： 金属 1-400 W/(m2·K) 建筑材料 0.1-1 W/(m2·K) 绝热材料 0.01-0.1 W/(m2·K) 液体 0.1-0.6 W/(m2·K) 气体 0.005-0.05 W/(m2·K) 工业上经常遇到多层平壁导热的情况，如用耐火砖、保温转和青砖筑成的三层炉壁。仿照串联电路的欧姆定律，对于三层热阻的串联导热，稳态下，有

21. 二、圆筒壁稳定热传导 热量通过列管式换热器的管壁和圆筒型设备的器壁的传导即为圆筒壁的热传导，圆筒壁的导热速率可以表示为 圆筒壁的导热速率式与平壁的导热速率式具有相同的数学形式，只不过圆筒壁的传热面积随径向位置而变，应取平均面积作为传热面积。

22. 工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如图7-10所示，在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。参照多层平壁的处理方法，可得：工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如图7-10所示，在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。参照多层平壁的处理方法，可得： 如果需要计算多层圆筒壁交界面上的温度，可用下式

23. 【例4-1】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。 解：换热器的热流密度 代入数据得 W/m

24. 【例4-2】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。 解：换热器的热流密度 代入数据得 W/m

25. 【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成： 耐火砖 k1=1.4W/(m·K), b1=225mm 保温砖 k2=0.15W/(m·K), b2=115mm 保温砖 k3=0.8W/(m·K), b3=225mm 今测得其内壁温度为930℃，外壁温度为55℃，求单位 面积的热损失。 解：由串联热阻的概念 W/m2

26. 第三节 对流传热 一、对流传热过程分析 二、牛顿冷却定律 三、对流传热系数及其影响因素　 四、对流传热系数的因次分析

27. 由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。

28. 在强制对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将给热系数的影响因素表示为在强制对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将给热系数的影响因素表示为 u—流体速度，反映流体流动状况影响 ρ,μ, k, Cp—流体密度、粘度、导热系数和比热，反映物性影响 l—传热表面的特征尺寸，反映传热面几何因素的影响。 在自然对流传热中，流体流动是由浮升力引起的，故将u代以浮升力而得自然对数传热中给热系数的影响因素表示式 βg⊿t表示流体由于温差⊿t而产生的浮升力， β称为流体的膨胀系数，因次为1/℃。

29. 对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式 上两式中各准数的意义见表。 努塞尔准数 ； 待求准数，包括待求的给热系数 雷诺准数 ； 反映对流强度对传热的影响 普兰特准数 ； 反映流体物性的影响 格拉斯霍夫准数 ；反映自然对流的影响 借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式。

30. 五、对流传热系数关联式 　在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。 应用范围 只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。 定性温度 取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度； 高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝 液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。 特征尺寸 传热面的几何因素有时是很复杂的，一般选取对传 热起决定作用的几何因素作为特征尺寸，管内流动 取管内径作为特征尺寸；管外的流动取管外径作为 特征尺寸，等等。 管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。 入口效应

31. （一 ）、流体无相变时的对流传热系数 A 管内流动 1 流体在管内作强制对流 园形直管强制湍流的给热系数 流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体，则有 式中n值与热流方向有关， 当流体被加热时，n=0.4， 当流体被冷却时，n=0.3。 应用范围：Re＞10000；0.7＜Pr＜120； 。 定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。 特征尺寸：取为管内径d1。

32. n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。 • 对于液体 • 由于Pr＞1，所以Pr0.4＞Pr0.3，即液体被加热的给热系数大于被冷却的给热系数。这是因为：当液体被加热时，管壁处滞流底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液体粘度随温度升高而降低，故贴壁处液体粘度较小，使滞流底层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要薄，给热系数较大。 • 对于气体 • 由于Pr＜1，即Pr0.4＜Pr0.3，气体被加热的给热系数小于被冷却给热系数。这是由于气体粘度随温度升高而增大，气体被加热时的边界层较厚的缘故。

33. 园形直管内高粘度液体无相变传热，给热系数 应用范围：Re＞10000；0.7＜Pr＜16700； 定性温度：μw取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度作定性温度。 特征尺寸：取为管内径。 液体被加热 　　≈1.05，液体被冷却 ≈0.95。

34. 2 流体在弯管作强制对流 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强 化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数： d为管内径，R为弯曲半径。 3 流体在非圆形管中流动 特征尺寸应用当量直径de。例如内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，当量直径

35. 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较薄，给热系数较大，需进行入口效应修正对于 的换热管，应考虑进口段对给热系数的增加效应。故将所得h乘以修正系数： 其它条件一定时，可有 ，于是，当流量由W增至W'时，给热系数由ｈ增至ｈ' ，则 由此可见，提高流速可以强化传热，这也是调节换热器以适应生产要求的根据所在。但流速升高，流动阻力增大，用提高流速的方法来强化传热是以增加动力消耗为代价的。

36. 4 流体在圆形管内强制滞流 应用范围：Re＜2300；Pr＞0.6。 定性温度：μw取壁温，其余取进、出口温度的算术平均值。 特征尺寸：管内径d1。 5 流体在圆形管内 过渡流 在Re=2300~10000的过渡区，作为粗略计算，可按湍流传热的公式计算h值，然后乘以修正系数f：

37. 【例4-4】套管换热器外管内径60mm，内管规格φ38×4.0mm，用水将为2500kg/h的某液体有机物从100℃冷却至40℃，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3, 粘度2.8×10-3N?s/m2，比热2.26kJ/(公斤?℃)，导热系数0.452W/(m?℃), 水的进、出口温度分别为15℃和45℃，热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。

38. 解：⑴ 水的定性温度： ℃，查得 ρ2=995.7kg/m3, μ2=0.0008N·s/m2, k2=0.618W/(m·K) Cp2=4.174kJ/(公斤·K) 根据热量衡算式求得水流量 公斤 管内流速： m/s

39. 水侧给热系数： W/(m2·K） ⑵ 套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm, 环隙流速 m/s (过渡流)

40. 根据过渡流给热系数的计算方法，有 W/(m2·K) 故得溶液侧给热系数： W/(m2·K) ⑶ 水流量增加后的给热系数 W/(m2·K)

41. B 流体在管外作强制对流 1 流体在管束外横掠流动 换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。 错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。 影响管束传热的因素除Re, Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数 应用范围： 特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。

43. 各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。 2 流体在换热器壳程的传热 列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板，先是横掠管束，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断变化，Re＞100即达到湍流。 换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数： (1)Re=3~12×104时 (2)Re=2×103~1×106时

45. 定性温度除μw取壁温外，其余均取流体平均温度。定性温度除μw取壁温外，其余均取流体平均温度。 特征尺寸要用当量直径，根据管子的排列方式。 直列时 错列时 流速u按管间最大流通截面积A计算 D——换热器外壳内径，m； l——两折流挡板间距，m。

46. C 自然对流传热系数 所谓大容积自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热 （二）、流体有相变化时的对流传热系数 1 蒸汽泠凝的对流传热 蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。

47. (1) 蒸汽冷凝的方式 <1> 膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。 <2> 滴状冷凝： 凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的5~10倍甚至更高。

49. 实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。 (2) 膜状冷凝的传热系数 蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝 当Re＜2100时，膜内为滞流 若Re＞2100，膜层为湍流 特征尺寸：l取垂直管或板的高度。 定性温度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。 k、ρ、μ—凝液的导热系数，密度和粘度； r—冷凝潜热，kJ/公斤； ⊿t—蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差，℃。

50. 垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式 W—凝液质量流量，公斤/s； b—浸润周边长度，m； M—冷凝负荷，M=W/b； A—膜层流通截面积，m2； de—液膜当量直径，m。 牛顿冷却定律改写成