第四章 传热 第一节 传热基本知识 第二节 传热基本计算 第三节 常见传热器

第一节 传热基本知识 一、传热的基本概念 二、常见换热方式 三、传热速率和热通量

必要条件：物体内部或物系之间只要存在 温度差，即传热 推动力 一、传热的基本概念 1.温度场 传热过程就是热量从高温物体通过介质传向低 温物体的总过程。 必要条件：物体内部或物系之间只要存在 温度差，即传热 推动力 充分条件：两种物体或流体以一定的方式 （直接或间接）接触。

2.定态传热和非定态传热 如果各空间点的温度不随时间改变，这种传热过程称为定态传热，这种温度场叫三维稳态温度场。 如果各空间点的温度随时间而改变，这种传热过程是非定态传热， 这种温度场则称为三维非稳态温度场，又叫瞬态温度场。 3.温度梯度 两相邻等温面之间的温度差。 温度梯度是向量，其方向垂直于 等温面，它的正方向是指向温度 增加的方向。

一、传热的基本概念 传 热 由“温度差”引起的，热量自动地由高温处向低温处的传递过程。 传热目的 强化传热过程 削弱传热过程

二、常见换热方式 4.热源 热源 一次热源 如煤碳、天然气、石油和电加热器等 二次热源 即热载体，常用的有水蒸汽、矿物油、 有机液体等 即热载体，常用的有水蒸汽、矿物油、 有机液体等 1.直接混合换热 将冷、热流体直接混合而进行的热交换 2.间壁式换热 冷、热流体通过固体壁传热的过程 3.蓄热式换热 蓄热介质吸收热量厚后释放给低温流体的过程 5.换热方式

二、常见换热方式 热传导 热对流 热辐射 传热基本方式 热传导 物质中分子、原子或自由电子等微观粒子的无规则热运动产生热量传递过程。俗称“导热”。 气体 分子的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：晶格结构的振动来实现的 液体 机理复杂 特点：没有微观粒子宏观位移，不能在真空中进行

二、常见换热方式 热对流 流体内部冷、热不同位置的质点发生相对位移变化而引起的的热量传递过程。又称对流传热。 由于温度差异而引起流体自身的“密度差”引起微弱对流。 自然对流： 强制对流： 由于外加机械泵、风机等或其他外力引起的流体流动。

二、常见换热方式 热辐射 绝对温度大于零的物体以一定波长电磁波形式向外辐射能量而进行的热量传递过程。 既有能量转移又有能量形式的转化。 特点： 既有能量转移又有能量形式的转化。 不需要任何物质作媒介。

二、常见换热方式 三种传热方式的比较 热传导：无物质的宏观位移，依靠介质才能传热。 热对流：仅发生于流体中，流体质点之间产生宏观运动，伴随着热传导，依靠介质来传递。 热辐射：不仅有热量转移而且有能量形式的转换，辐射能与热能相互转换，不需要任何介质。

三、传热速率和热通量 1.传热速率Q 单位时间内通过传热面的热量，单位 或 。 2.热通量q 单位时间内通过单位面积的热量。其单位为 ，或 或 。 2.热通量q 单位时间内通过单位面积的热量。其单位为 ，或 为传热面积，单位

第二节 传热基本计算 一、热传导基本计算 二、对流传热基本计算

一、热传导基本计算 b t t1 Q t2 式中 Q ── 热传导速率，W或J/s； A ── 导热面积，m2； x Q dn 式中 Q ── 热传导速率，W或J/s； A ── 导热面积，m2；  ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。 负号－－传热方向与温度梯度方向相反。

一、热传导基本计算 1.导热系数 由傅里叶定律得 在数值上等于单位温度梯度下单位面积上传递的热量。  表示物质导热能力大小的物性参数。 数值大，导热性能好，良好的导热体 数值小，导热能力差，利于保温隔热

金属固体 > 非金属固体 > 液体> 气体 一、热传导基本计算 1.导热系数 物质种类 金属固体 > 非金属固体 > 液体> 气体 物质状态 同一种物质: 固体 > 液体 > 气体 0℃ 冰＝ 225 W/(m·℃) 水 ＝ 0.57 W/(m·℃) 水蒸汽＝ 0.016 W/(m·℃)

一、热传导基本计算 1.导热系数 温 度 压 强 对大多数金属材料，液体（水、甘油除外） t   绝热材料，气体 t    压强变化对固体、液体的导热系数基本没有影响。 对于气体：压强p ，  。 （且一般压力变化大时才考虑。）

一、热传导基本计算 1.导热系数 保温、保冷材料安排原则 （1）凡是保温材料，λ小的（热阻大）放内层， 如：保暖内衣。凡是保冷材料，入小（热阻大）放最外层 如：原用泡沫冰棒箱。 （2）因 λ干 ＞λ湿，保温设备应防止潮湿，保护保温材料免受雨水浸泡而影响保温效果。 （3）凡是强化传热提高传热速率时，尽可能选λ大的导热介质， 如换热设备间壁常用金属；凡是削弱传热降低传热速率时，尽可能选λ小的导热介质。如石棉的λ小常用来保温。

一、热传导基本计算 1、单层平壁的稳定热传导 t1 t2 b t x dx Q 由傅立叶定律 －－单层平壁的稳定热传导

一、热传导基本计算 1、单层平壁的稳定热传导 (1) 表示为 若要提高Q，则要提高推动力或降低热阻。 若要降低Q，则要降低推动力或提高热阻。 (2) 平壁内的温度分布 若 不随 t 变化， 则t～b成呈线形分布关系。

一、热传导基本计算 2、多层平壁的稳定热传导 第一层 t x b1 b2 b3 t1 t2 t4 t3 第二层 第三层

一、热传导基本计算 2、多层平壁的稳定热传导 因为 所以

一、热传导基本计算 2、多层平壁的稳定热传导 推广至n层 讨论 各层的温差

一、热传导基本计算 t1 t2 t3 t4 3 1 2 2、多层平壁的稳定热传导 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。 ① 多层平壁稳定导热过程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； ② 由于各层的导热速率相同，即各层传热的推动力与其 热阻之比都相等。 ③ 在多层平壁中，温差大的壁层，则热阻也大。

有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成，最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层是建筑砖，已知 耐火砖：λ1＝1.4W/m℃ b1＝230mm 一、热传导基本计算 2、多层平壁的稳定热传导 例 题 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成，最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层是建筑砖，已知 耐火砖：λ1＝1.4W/m℃ b1＝230mm 保温砖：λ2＝0.15W/m℃ b2＝115mm 建筑砖：λ3＝0.8 W/m℃ b3＝230mm 现测得炉内壁温度900℃，外壁温度80，求各层接触面上温度及单位面积上的热损失？

一、热传导基本计算 1、单层圆筒壁的稳定热传导 傅立叶定律 t1 t2 t1>t2 等温面 Q

一、热传导基本计算 1、单层圆筒壁的稳定热传导 －－单层圆筒壁热传导

一、热传导基本计算 2、多层圆筒壁的稳定热传导 对于n层圆筒壁：

一、热传导基本计算 实例分析 内径为15mm，外径为19mm的钢管，其1 为20 W/m ℃，其外包扎一层厚度为30mm，2为0.2 W/m ℃的保温材料，若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃, 试求: (1)每米管长的热损失; (2)保温层内表面的温度。

一、热传导基本计算 实例分析 有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比2/1=5，此时单位时间的热损失为Q，现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q’，求Q’/Q=？

二、对流传热基本计算 对流传热主要是由于流体的微 团或质点的移动与混合将热量从一 处带到另一处的传热形式，主要发 生在流体内部、流体与固体壁面之 间。在对流传热中，温度降低主要 集中在层流内层，即热阻主要集中 在层流内层，可见对流传热是指固 体壁面与紧靠壁面的层流内层的热 传导和流体内湍流主体的对流的传 热过程。. δt 图4-10对流传热的温度分布 ＇

（一）对流传热过程分析 t2 t1 T1 T2 对流 导热 冷流体 Q 热流体

（一）对流传热过程分析 1、靠近壁面有厚度为δ有效膜。 2、膜内为层流流动，膜外为湍流。 3、热阻全部集中在有效膜内，以 导热为主。 冷流体 dt tW t TW T 传热壁 冷流体 热流体 1、靠近壁面有厚度为δ有效膜。 2、膜内为层流流动，膜外为湍流。 3、热阻全部集中在有效膜内，以 导热为主。

（二）对流传热速率方程 t T TW tW  热流体被冷却 令 式中  ── 对流传热系数，W/(m2·℃)；

（三）对流传热系数 由牛顿冷却定律 1、影响对流传热系数的因素 (1)流体的物性 ，，，cp等 (2)流体的状态 液 > 气 (3)流体的流动形态 湍 > 层

（三）对流传热系数 1、影响对流传热系数的因素 (4) 引起流动的原因 自然对流：由流体内部密度差而引起的流体流动。 强制对流：由外力(泵，风机等)而引起的流体流动。 (5) 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：如管子排列方式，管或板是垂直放置还是水平放置。 (6) 流体相变化 相变 > 无相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 所以

（三）对流传热系数 2.对流传热系数的经验关联式 Nusselt 待定准数 Reynolds，流动型态对对流传热的影响 Prandtle，流体物性对对流传热的影响 无相变化

（三）对流传热系数 2.对流传热系数的经验关联式 低粘度流体在圆形直管内作强制湍流 小于常温下水粘度的2倍，μ＜2×10－3Pa·s

Re>10000，0.7<Pr<120，l/d≥60 定性温度取 特征尺寸为管内径d （三）对流传热系数 2.对流传热系数的经验关联式 <2mPa·s Re>10000，0.7<Pr<120，l/d≥60 定性温度取 特征尺寸为管内径d 流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。 适用条件

（三）对流传热系数 2.对流传热系数的经验关联式 讨论 u，u0.8    d，1/d0.2    流体物性的影响，选大的流体   

三、总传热速率方程式 t2 t1 T1 T2 对流 导热 冷流体 Q 热流体

三、总传热速率方程式 tw Tw 对流 导热 冷流体 热流体 t T Q 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

三、总传热速率方程式 稳态传热： 总传热速率方程： 式中 K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q──传热速率，W或J/s； A──总传热面积，m2； tm──两流体的平均温差，℃或K。

一、总传热速率方程式 ——总传热速率方程 （1）热量衡算式与传热速率方程间的关系。 （2）tm的求解。 （3）求K平均值。

（一）换热器的热量衡算 三、总传热速率方程式 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。 1、热负荷的计算

（一）换热器的热量衡算 三、总传热速率方程式 无热损失： 热流体 wh,T1,cph,H1 T2 H2 冷流体 wc,t1,cpch1

（一）换热器的热量衡算 二、总传热过程的计算 无相变时 式中 Q ──热冷流体放出或吸收的热量，J/s； Wh,Wc──热冷流体的质量流量，kg/s； cph,cpc ──热冷流体的比热容， J/(s. ℃) ；

三、总传热速率方程式 （一）换热器的热量衡算 相变时 式中 r ──热流体的汽化潜热，kJ/kg； 传热计算的出发点和核心：

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 1、恒温传热 2、变温传热 tm与流体流向有关 逆流 并流 错流 折流

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 （1）一侧流体有温度变化,另一侧不变化

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 （2）两侧流体均有温度变化

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 逆流和并流时的tm 求解 t2 t1 T1 T2 t1 t2 T1 T2 逆流 并流 A t1 T2 T1 t2 t A t1 T2 T1 逆流 并流 换热器两端两流体温度差

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 1、较大温差记为t1，较小温差记为t2； 注意 A t t2 t1 T2 t1 t2 T1 A t2 t1 1、较大温差记为t1，较小温差记为t2； 注意 2、当t1/t2<2，则可用算术平均值代替 3、当t1＝t2

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 实例分析 传热过程中，两流体的温度变化分别为：热流体由90℃降到70℃。而冷流体由20℃升高到了60℃。试求：两流体并流、逆流时平均温度差？ 在两流体的进出口温度相同情况下，逆流平均温差要大于并流的，所以要想获得较大的推动力，采用逆流操作。

三、总传热速率方程式 （二）传热平均温度差 错流、折流时的tm 计算 （1）按照逆流计算出平均温度差 其中

某干燥器中，已知空气需要量为2000m3/h，该空气通过换热器由30度加热到130度，换热器的传热系数 K=15W/(m2 某干燥器中，已知空气需要量为2000m3/h，该空气通过换热器由30度加热到130度，换热器的传热系数 K=15W/(m2*K)， T=40K，试求该换热器的面积为多少平方米？

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K ------称为总传热热阻

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 总传热系数K的来源有三个： 1.现场实测 （对现有的换热器） 2.采用经验数据 参见前人总结的经验值 3.计算法 串联热阻叠加原则导出

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 三个串联传热环节： 热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 总热阻 流体对流热阻 壁面热阻 流体对流热阻 意义：总热阻＝各部分热阻之和

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 1．当传热面为平面时，A=A1=A2=Am

二、总传热过程的计算 （三）总传热系数K 2．以外表面为基准(A=A1):

（三）总传热系数K 二、总传热过程的计算 式中K1——以换热管的外表面为基准的总传热系数； 以内表面为基准： 以壁表面为基准： 近似用平壁计算

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 3．1/K值的物理意义

三、总传热速率方程式 （三）总传热系数K 4、污垢热阻 式中 R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2·K/W。

第三节 常见换热器 一、管式换热器 二、板式换热器

一、管式换热器 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 混合式、蓄热式和间壁式。 按结构分类 夹套式、套管式、列管式、蛇管式、翅片式、板式等。 按使用材料分类 金属换热器、非金属换热器

一、管式换热器 蛇管式换热器

一、管式换热器 蛇管式换热器

数K小，可减少管外空间，容器内加搅拌器。 一、管式换热器 蛇管式换热器 特点 1、结构简单，制作方便，防腐、耐高压。 2、管外流体的对流传热系数较小，总传热系 数K小，可减少管外空间，容器内加搅拌器。 蛇管的形状

一、管式换热器 蛇管式换热器 优点：结构简单；耐腐蚀；管内能耐高压；管外 比沉浸式大，传热推动力大，便于检修和清洗。 缺点：冷却水喷淋不均匀影响传热效果；只能安装在室外，占地面积大。

一、管式换热器 列管式换热器 又称为管壳换热器 壳体 管箱

一、管式换热器 列管式换热器 固定管板式

一、管式换热器 列管式换热器 流体在列管换热器管壳间的传热

一、管式换热器 列管式换热器 热补偿：两流体的温度相差50℃以上，可引起很大内应 力，使设备变形。 膨胀节

一、管式换热器 列管式换热器 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。

一、管式换热器 列管式换热器 U型管式 特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。

二、板式换热器 夹套式换热器 夹套式换热器由容器、夹套、流体分布器、汽液分离器等部件组成 夹套换热器传热面积固定，传热系数小。由于夹套内的污垢不易清洗，因此要求加热介质是不易结垢的气体或液体。为了提高传热速率，可在容器内安装搅拌器，促使容器内流体进行强制对流传热。

二、板式换热器 板式换热器 波纹板片

二、板式换热器 板式换热器

二、间壁式换热器 板式换热器 板式换热器流向示意图

二、板式换热器 板式换热器 特点： 1、结构紧凑，传热面大小 易改变，操作灵活。 2、传热效率高，K大 3、安装检修方便。 4、可达到完全的逆流操作 5、耐温、耐压差，易渗漏。

二、板式换热器 螺旋板式换热器

螺旋通道的两端面采用垫片密封，利与清洗。 二、板式换热器 不可拆式 可拆式 螺旋板 换热器 螺旋通道的两端面采用焊接密封，密封性好。 螺旋通道的两端面采用垫片密封，利与清洗。 热流体和冷流体分别从不同的入口处进入各自的流道，在容器内呈逆流方式流动并进行热交换。 螺旋板式换热器传热面积大，总传热系数高，不易堵塞，换热效果好，可充分利用低温热源进行换热。缺点是不耐高温高压，清洗和检修困难。 螺旋板式换热器适用于混悬液和粘稠流体的热交换过程。

二、板式换热器 翅片式换热器 提高对流传热系数小一侧流体的湍动程度，传热面积。

二、板式换热器 翅片式换热器 横向翅片管 纵向翅片管 螺旋槽纹管 缩放管

二、板式换热器 翅片式换热器 特点：1、结构紧凑。 2、总传热系数较大。 3、适合于冷热流体的对流传热系数相差较大情况。 主要的应用场合：空气加热、冷却

二、间壁式换热器 板翅式换热器 板翅式换热器常用铝和铝合金材料制造。其结构是在两块平行的薄金属板间夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧封条密封即构成一个传热单元体，如图4-35所示。 图4-35　板翅式换热器 1.3侧板；2.5隔板；4.翅片 板束结构 逆流式 错流式 错逆流式 流体 1 2 3 4 5

缺点：制造工艺复杂，流道易堵塞，阻力较大，清洗困难，内漏难以修复，铝质翅片易腐蚀，难检修，故介质要求清洁干净。 二、间壁式换热器 板翅式换热器 优点：结构紧凑，体积小，轻巧牢固，设备投资费少，每立方米体积内的传热面积大，一般可达2500～4300m2；总传热系数较高，传热效果好，能承受高达5MPa的压力。适应性强，操作范围广。 缺点：制造工艺复杂，流道易堵塞，阻力较大，清洗困难，内漏难以修复，铝质翅片易腐蚀，难检修，故介质要求清洁干净。 主要用于低温和超低温的场合，适应性大，可适用多种介质的热交换。

三、强化传热过程的途径 为了增强传热效率，可采取tm 或 A 或 K。 1、提高传热面面积A 提高设备的紧凑性——单位体积设备的传热面面积。 2、增大传热平均温度差tm 提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度 两侧变温情况下，尽量采用逆流流动

减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 提高较小一侧有效 三、强化传热过程的途径 3、增大K 尽可能利用有相变的热载体（大） 用大的热载体，如液体金属Na等 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 提高较小一侧有效 提高的方法(无相变)： 增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度

(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片 三、强化传热过程的途径 采用高效新型换热器 改进传热面结构入手来增大A 和湍动程度，使Q (a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片

四、 换热器的选用、操作与维护 5.换热器的清洗 在停工检修时必须进行彻底清洗 （1）酸洗法：分为浸泡法和循环法两种，用盐酸作为清洗剂。 5.换热器的清洗 在停工检修时必须进行彻底清洗 （1）酸洗法：分为浸泡法和循环法两种，用盐酸作为清洗剂。 （2）机械清洗法：对严重的结垢和堵塞，可用钻的方法疏通和清理。 （3）高压水洗法：多用于结焦严重的管束的清洗，如催化油浆换热器。 （4）海绵球清洗法：将较松软并富有弹性的海绵球塞入管内，使海绵球受到压缩而与管内壁接触，然后用人工或机械法使海绵球沿管壁移动，不断摩擦管壁，达到消除积垢的目的。

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