青岛科技大学 化工原理C Ch2-传热

WC ' 200 0.9 180Kg / h
（2）有一列管换热器，装有Φ25mm×2.5mm钢管300根，管 长为2m。将管程的空气由20℃加热到85℃，空气流量为 8000kg/h。用108℃的饱和蒸汽在壳程作为介质，水蒸气的冷 凝传热膜系数为1×104W/(m2· K)。管壁及两侧污垢热阻可忽 略，热损失可忽略。已知管内空气的普兰特准数Pr为0.7，雷 诺准数Re为2.383×104，空气导热系数为2.85×10-2W/(m· K) ，比热容为1kJ/(kg· K)。试求： （1）空气在管内的对流传热系数； （2）换热器的总传热系数（以管外表面积为基础）； （3）通过计算说明该换热器能够满足要求。 解：（1） Re 2.383104 104 ;
t1 25C, Cpc 4.18kJ /(kg C),Wc 12500 kg / h
i 1000 W /(m2 C)
由总传热速率方程和热负荷公式得
Q KStm WcCpc (t2 t1 )
总传热系数 1 1 1 do 1 1 25 -3 1 . 34 10 K o i di 1.1104 1000 20
解： （1）S=2.5m2 ，T1=180 ℃ ，T2=70 ℃ ， Wc=200kg/h， CPc=2KJ/Kg.℃， t1=30 ℃ ，t2=80 ℃。 换热器热负荷：
200 Q Wc C pc (t 2 t1 ) 2 10 3 (80 30) 5.6 10 3W 3600
12．某套管式换热器用于机油和原油的换热。原油在套管环 隙流动，进口温度为120℃，出口温度上升到160℃；机油在 内管流动，进口温度为245℃，出口温度下降到175℃。 （1）试分别计算并流和逆流时的平均温度差； （2）若已知机油质量流量为0.5kg/s，比热为3kJ/（kg·℃），并 流和逆流时的总传热系数K 均为100 W/(m2·K)，求单位时间内 传过相同热量分别所需要的传热面积。
（2）一侧流体发生相变后，进一步有显热变化
Q Wh r C ph Td T2 WcC pc t 2 t1
3、总传热速率方程
Q KS t
do 1 do 1 1 b do Rs o Rsi K o dm di di
t1 -t2 tm = t1 ln t2
多层圆筒壁稳态热传导
t1 t n 1 Q n bi i 1 i S mi
t1 t n 1 i n ri 1 1 ln ri 1 2Li
接触热阻产生的具体原因：主要是由空穴造成的.

2.在一φ60×3.5mm 的钢管外包有两层绝热材料，里 层为40mm 的氧化镁粉，平均导热系数 0.07W/m•℃；外层为20mm 的石棉层，平均导热系 数0.15W/m•℃。现用热电偶测得管内壁温度为500℃， 最外层表面温度为80℃。已知钢管的平均导热系数 45W/m•℃，试求每米管长的热损失及两层保温层界 面的温度。
相等；相等
导热通量平壁相等；圆筒壁不相等

当温度升高一倍，黑体的辐射能力是原来的____倍


滴状冷凝的对流系数__大于__膜状冷凝对流传热系 数。 无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在____， 减少热阻的最有效的措施是_____。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式： ___、___、____。

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＞104,0.7＜Pr ＜120，L/di ＞60; t1 t 2 定性温度：
t 2
特征尺寸：管内径di
在紧靠壁面处，由于层流内层的传热以热传导方式进行，流体 层流内膜虽薄，但由于流体导热系数很小，所以热阻很大，温 度降低也主要集中在这里。减薄层流内层的厚度是强化对流传 热的主要途径。
三、间壁式换热器传热计算
1、无相变化时热负荷计算 热焓法： Q Wh H h1 H h2 Wc H c2 H c1




比热法：
Q WhCph T1 T2 WcCpc t2 t1
2、有相变化时热负荷计算
（1）一侧流体发生相变化，且处于饱和状态
Q Wh r WcCpc t2 t1
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3、黑度
相同温度下，黑体的辐射能力最强，通常将灰 体辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比定义为物 体的黑度 。

E C = E0 C0
------黑度（或发射率）
4
T E E 0 C 0 100
T C 100
4
物体的黑度：与物体的种类、温度及表面粗糙 度、表面氧化程度等因素有关。它是物体辐射能力接 近黑体辐射能力的程度。
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一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后 ，其保温效果应____，主要原因是因__________， 受潮后，使保温层材料导热系数____，保温效果降 低。
变差；水的导热系数比空气大；变大

在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该 将导热系数___的材料包在____层，其原因是为了 ____，降低壁面温度。

2 L / di 100 60 0.02
0.023

di
Re 0.8 Pr0.4 90.2W /(m2 C )
(2)总传热系数K
1 1 1 do 0.01396 K o i di
K 71.65(W / m2 C)
(3)核算能否满足要求
S实 ndo L 47.13m2
段为过渡区，DE段为膜状沸腾
区。 由于泡状沸腾时可获得较高的对 流传热系数和热通量，故工程上总是 设法控制在泡状沸腾下操作。 由泡状沸腾向不稳定膜状沸腾过渡的转折点C称为 临界点。。
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五、物体的辐射能力
物体在一定温度下，单位时间单位面积所发射的能 量，称为该物体在该温度下的辐射能力，以E表示，单 位为W/m2。辐射能力表征物体发射辐射能的本领。 1、斯蒂芬—玻尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0与其表面温度（指绝对温度）的 四次方成正比 4
T E0 C0 100
C0──黑体辐射系数，5.67W/(m2· K4 )
四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感。
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2、灰体的辐射能力
许多工程材料的辐射特性近似于灰体，通常将实际 物体视为灰体来计算其辐射能力E
T E C 100
4
C──灰体的辐射系数，W/(m2· K4) C与物体的性质、表面状况、温度等有关。
2) 温差
液膜层流流动时，t=ts－tW，,
3)蒸汽流速与流向 （u>10m/s ）
同向时， ；反向时， ； u 4）不凝气体
不凝气体存在，壁面附近形成气膜，导致 ，定期
排放。
含1%的空气，下降60%以上
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沸腾曲线
2．液体沸腾
AB段为自然对流区，BC段 为泡状沸腾或核状沸腾区，CD
Q WcC pc (t2 t1 ) 144.44kJ
t1 t 2 t m 48.44C t1 ln t 2
Q S 41.62m 2 Ktm
S实 S
故该换热器能满足要求

（3）在一列管式蒸汽冷凝器中，110℃的饱和水蒸气在壳程 冷凝为同温度的水，蒸汽冷凝传热系数为1.1×104W/(m2℃),水 在管内被加热，其进口温度为25 ℃，比热容为4.18KJ/(kg ℃), 流量为12500kg/h，管壁对水的对流传热系数为1000W/(m2℃). 列管换热器由Φ25×2.5mm、长3m的32根钢管组成，试求冷水 的出口温度，计算中忽略管壁及污垢热阻，不计换热器的损 失。 解： T1 110C，o 1.1104 W/(m2 C)
导热系数小；内层；减少热损失

沸腾传热可分为三个区域，它们是__、__、__，生 产中的沸腾传热过程应维持在_____操作，在这一阶 段，传热系数随着温度差的增加而___.
自然对流；泡状沸腾；膜状沸腾；泡状沸腾；增加

多层平壁传热时，每层的导热速率____ (相等、不等) 、多层圆筒壁传热时，每层的导热速率______(相等、 不等)。

3．有一列管式换热器，由38 根φ25×2.5mm 的无缝 钢管组成，苯在管程流动，由20℃加热到80℃，苯 的流量为10.2 kg/s，饱和蒸汽在壳程冷凝。试求： （1）管壁对苯的对流传热系数？（2）若苯的流量 提高一倍，对流传热系数将有何变化？

10．热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管 为φ25×2.5mm的钢管，冷水在管内湍流流动，对流 传热系数为2000 W/(m2·K)。热气在套管环隙湍流流 动，对流传热系数为50 W/(m2·K)。已知钢的导热系 数为45.4 W/(m·K)。试计算：（1）管壁热阻占总阻 力的百分数；（2）冷水流速提高一倍，则总传热系 数有何变化？（3）气体流速提高一倍，则总传热系 数有何变化？

四、流体有相变时的对流传热系数
特点：相变流体放出或吸收大量潜热，T不变， 相变》无相变
1．蒸汽冷凝
设饱和蒸汽温度为ts,固体壁面的温度为tw,若tw < ts,蒸汽→液 体，放出潜热。
（1）冷凝方式：膜状冷凝和滴状冷凝
滴 > 膜
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（4）冷凝传热的影响因素和强化措施 1) 流体物性 冷凝液 , ；冷凝液,；潜热r ,
一. Hale Waihona Puke Baidu传导
傅里叶定律
t dQ dS n
单层平壁稳态热传导
t1 t2 t Q b R S
t1 t n 1 t Q n bi R i 1 i S
多层平壁稳态热传导
单层圆筒壁稳态热传导
2L（t1 t 2） t1 t 2 t Q r2 b R ln r1 S m
二. 对流传热
牛顿冷却定律
dQ o (T Tw )dSo i (tw t )dSi Q o (T Tw )So i (tw t )Si
无相变流体在圆形直管内强制湍流
Nu 0.023Re0.8 Prn
0.023

di
Re Pr
0.8
n
Pr
Cp
传热边界层或滞流层内; 提高流体湍动程度



（1）某车间有一台换热面积(以外表面积计)为 2.5 m2的单程 列管换热器。用180℃的热废气预热轻油,轻油走管外,其流量 为200kg/h,比热为2kJ/kg℃, 温度由30℃升至80℃。轻油与热 气体作逆流流动。热废气出口温度为70℃。求: A)换热器的热负荷和传热系数。 B)若由于长期运转,轻油在管外结垢,已知污垢热阻为总热阻的 10%,试估算在其他条件基本不变的情况下,轻油处理量如何变 化?
t1 t 2 (180 80) (70 30) t m 65.5℃ t1 180 80 ln ln t 2 70 30 3
（2）
Q 5.6 10 K 33.9(W / m2 ℃) S tm 2.5 65.5
由题意 Δtm ,α1 ,α2 不变
K ' 0.9K 0.9 33.9 30.51(W / m2 ℃)
由Q KSt m得，S、tm保持不变
Q' K ' WC ' C pc (t2 t1 ) WC ' Q K WC C pc (t2 t1 ) WC
1 1 0.1 1 RS K' K K' K

根据传热机理的不同，传热可分为三种基本方式：热传导、
热对流及热辐射。
热传导发生的主要特点是：物体间无宏观上相对运动。 热对流按其产生机理可分为以下两种形式： （1）自然对流（2）强制对流 物体因热的原因而产生的电磁波在空间的传递现象，称为热 辐射。 辐射传热的特点：
① 不仅有能量的传递，而且有能量形式的转换； ② 任何物体在绝对零度以上都有辐射能量； ③ 物体温差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式