页数：46页文件大小：2.25 MB来源： 化工原理ppt课件
本课件讲授由温度差引起的能量转移过程：先讲三种传热方式与换热器类型，再推导平壁和圆筒壁的导热、对流传热系数与热边界层，随后讲总传热方程、平均温差与传热单元数，最后给出关联式与换热器选型步骤。
传热现象几乎无时不有、无处不在，应用十分广泛，尤其在能源动力、化工冶金部门。问题类型分为提高（强化）传热速率与降低（削弱）传热速率两类。
传热基本方式对照表：下表比较三种传热机理。
| 传热方式 | 传递机理 | 典型说明 |
|---|---|---|
| 热传导（导热） | 由微观粒子的微观运动传递热量 | 金属靠自由电子运动，固体靠晶格振动，液体与气体靠分子不规则热运动 |
| 热对流（对流） | 由流体质点的宏观运动传递热量，必然伴随导热 | 自然对流由密度差引起，强制对流由泵、风机等外力引起 |
| 热辐射（辐射） | 由电磁波传递热量 | 不需要介质 |
实际问题中传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存。
换热器类型：间壁式、混合式、蓄热式；典型间壁式换热器有套管式与列管（壳管）式。间壁式换热器中的传热方式为对流—导热—对流。
| 类别 | 常用载热体 |
|---|---|
| 加热剂 | 热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气，或电 |
| 冷却剂 | 冷水、空气、盐水、液氨，或氟里昂、液氮 |
傅立叶定律：物体内任一点沿任一方向的导热热流密度与该方向上的温度变化率成正比，负号表示热量传递指向温度降低的方向。
导热系数λ是表征物质导热能力的物性参数，单位为W/(m·K)。
将一维稳态条件用于傅立叶定律，假定λ为常数，可得温度沿x方向成线性关系；沿x方向定积分即得单层平壁导热公式。
单层平壁公式可改写为欧姆定律的形式：温差除以热阻。以三层平壁为例，假定层间接触良好、无接触热阻，由各层公式相加即得总温差与总热阻的关系。
将一维稳态条件用于傅立叶定律，假定λ为常数，可知温度与半径成非线性关系；沿半径方向定积分得单层圆筒壁微分导热公式。
整理可得单层圆筒壁导热公式，式中对数平均面积为内外表面积的对数平均值；当内外径之比接近1时可用算术平均面积代替。
课堂练习：设λ与温度成线性关系时，只要将导热公式中的λ用算术平均温度下的λ值代替，即可求解变导热系数的导热问题；否则要用积分平均值代替。
多层圆筒壁的导热与多层平壁同理：各层热阻串联相加即得总热阻，总温差除以总热阻即为导热速率。
各层热阻均用该层内外径的对数平均面积表示，计算时假定各层导热系数为常数且层间接触良好、无接触热阻。
牛顿冷却定律：流体流过固体壁面时，对流热流密度与壁温和流体温度之差成正比，是对流传热系数的定义式。
以管外冷流体湍流为例，有效膜很薄，设有效膜内流体按层流流动，由单层圆筒壁微分导热公式对比可得：对流传热系数的物理意义即导热系数与有效膜厚度之比。
流体流过与其温度不同的壁面时，壁面附近产生温度梯度，形成热边界层；一般取过余温度达到主流过余温度99%处为热边界层外缘。
总传热微分方程：仿牛顿冷却定律，间壁式换热器中热流密度与两流体的温差成正比，比例系数为局部总传热系数Kx。
稳定传热下，依次考虑热流体对流、热流体侧污垢导热、管壁导热、冷流体侧污垢导热与冷流体对流五个环节，整理相加即得总热阻与K的关系。
对比总传热微分方程可得总传热系数K的表达式；对圆筒壁沿管长取平均值，当内外径之比接近1或传热面为平壁时，公式可进一步简化为以内表面或外表面为基准的形式。
以平壁为例忽略污垢与管壁热阻，当两侧α相差较大时必须提高较小的α才能提高K；当两侧α相差不大时必须同时提高两侧α。
恒温传热时沿管长取平均即得平均温差，总传热方程中令平均温差即可。变温传热以套管式换热器中的逆流为例，由微元段的热平衡可得局部温差的变化关系。
温差与传热量成线性关系，取两端温差的对数平均即得对数平均温差；当两端温差之比接近1时可用算术平均代替。
折流和错流时需乘以温差校正系数。
由总传热方程可得保温层的临界热绝缘直径：当保温层外径小于该临界值时，增加保温层厚度反而使热损失增大。
传热单元长度是温度变化与该段换热器内平均推动力相等时的换热器长度；传热单元数NTU为换热器长度与传热单元长度之比。
以单程逆流、热流体为最小值流体为例，由微元热平衡与温差关系定积分，整理可得ε与NTU的函数关系；并流、逆流、折流的ε-NTU关系各有相应线图。
无相变时由实验知对流传热系数与流速、特征长度、导热系数、粘度、定压比热、体积膨胀系数、单位质量流体所受净升力等物理量有关，共八个物理量。
写出八个物理量的单位与量纲，设各物理量对应的指数，由量纲相等与因次相等列出方程组并求解，回代后即得准数形式的关系式。
选用关联式的注意事项：特征流速、特征长度、定性温度均应按关联式规定的方式选取，并应在其适用范围内使用。
圆形直管湍流低粘度时用Dittus-Boelter关联式。
自然对流：忽略强制对流，特征长度竖壁和竖管取高度、水平管取外径，定性温度取膜温。
液膜雷诺数：以竖壁为例由冷凝液质量流量与冷凝负荷计算底部数值。
壁温估算：由热流体侧与冷流体侧的对流传热速率相等建立关系，忽略管壁热阻并假定两侧对流传热系数为常数，即可解出壁面温度，用于对流传热系数的定性温度选取。
换热器类型表：下表按结构列出常见换热器。
| 大类 | 型式 |
|---|---|
| 管式 | 沉浸式蛇管、喷淋式、套管式、列管（管壳）式 |
| 板式 | 夹套式、板式、螺旋板式、翅片管式、板翅式 |
| 其它 | 混合式（直接接触式）、蓄热式 |
列管式换热器的基本型式：固定管板式（无膨胀节与有膨胀节）、U型管式、浮头式。
外壳直径由需要的传热面积按钢制管壳式换热器行业标准确定，也可按最外层管中心距壳体内壁的距离与管束中心线上的管数估算。
壳程阻力为流体横过管束的阻力与通过折流板缺口的阻力之和，再乘结垢校正因数（液体取1.15，气体取1.0）。
计算中涉及管子排列方式校正因数、壳程摩擦系数、管束中心线上的管子数、折流板数与板间距。
选型或设计步骤：选定载热体与换热器型式、确定流体管壳程与流动方向、确定出口温度、算定性温度与物性、计算平均温差与校正系数、计算热负荷、初选K并初算传热面积、选定公称压力与材料、初选规格、核算K与压力降。
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