化工原理傳熱PPT課件

1、 4.1 概述 傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 1.傳熱的三類應(yīng)用實(shí)例 （1）強(qiáng)化傳熱過(guò)程：流體的升溫或冷卻，產(chǎn)品的分離(蒸 發(fā)，蒸餾和干燥等)。 （2）削弱傳熱過(guò)程：管道，設(shè)備的保溫或保冷。 （3）熱能回收利用：廢熱回收 2. 伴隨傳熱的流體作用過(guò)程： (1)化學(xué)過(guò)程：吸放熱反應(yīng)；(2)物理過(guò)程：耗能，干燥，蒸發(fā)等 3. 傳熱在化工生產(chǎn)中的重要性： 石化產(chǎn)業(yè)：傳熱設(shè)備重量占總設(shè)備規(guī)模的30-40%； 傳熱設(shè)備投資占總設(shè)備投資的10- 20% 4.1.1 傳熱的基本方式 1.熱力學(xué)第二定律： 當(dāng)無(wú)外加功時(shí)，系統(tǒng)中熱量總是自發(fā)地從溫度較高的物體（部分）傳遞到溫度較低 的物體（部分） 可見(jiàn)：熱傳遞產(chǎn)生的原

2、因是由于物體內(nèi)部或物體之間溫度差的存在 注：有外加功時(shí)，可以相反，如制冷機(jī)工作原理， 本章主要討論的自發(fā)過(guò)程。 2.傳熱的基本方式 （1）傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）：物體內(nèi)部分子通過(guò)碰撞或振動(dòng)將熱量以分子動(dòng)能形式傳遞給相鄰分子，但分子 本身不產(chǎn)生宏觀位移的一種傳熱方式。 固體的傳熱 穿過(guò)流體層流內(nèi)層的傳熱（熱邊界層） 現(xiàn)象 氣體，流體：分子布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)碰撞傳熱 導(dǎo)電固體：自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)傳熱 非導(dǎo)電固體（流體）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振動(dòng)傳熱 機(jī)理 （2）對(duì)流：流體中質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）產(chǎn)生相對(duì)位移引起的熱傳遞。 對(duì)流傳熱只發(fā)生在流體中 對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān) 特點(diǎn) 自然對(duì)流：流體中各點(diǎn)溫度

3、不同引起流體密度差異，使輕者上浮， 重者 下沉。 強(qiáng)制對(duì)流：流體因機(jī)械攪拌等外加功加入引起的對(duì)流 對(duì)流傳熱的形式 注意點(diǎn) 自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流常在流體中同時(shí)發(fā)生 化工生產(chǎn)中，強(qiáng)制對(duì)流的應(yīng)用比自然對(duì)流更普遍和重要 關(guān)于對(duì)流傳熱的計(jì)算： 牛頓冷卻定律： Q = A（T高-t低） 對(duì)流傳熱膜系數(shù)（w/oCm2 ） (3) 輻射：熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄔ诳臻g的傳遞 熱輻射不需任何介質(zhì) 熱輻射是熱能與電磁能的互相轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移 理論上，只要物體溫度T0K，均可產(chǎn)生輻射 實(shí)際上，只有當(dāng)物體之間溫差較大時(shí)，輻射傳熱現(xiàn)象才較突出，一般來(lái)說(shuō)， 當(dāng)物體的溫度超過(guò)500K時(shí)，輻射熱能才予以考慮。 特點(diǎn) 1、直接接觸式換熱和混合

4、式換熱器 4.1.2 傳熱中冷、熱流體熱交換的方式 2、蓄熱式換熱器和蓄熱器 3、間壁式換熱和間壁式換熱器 管管壁壁內(nèi)內(nèi)側(cè)側(cè)熱熱流流體體 對(duì)對(duì)流流 )( 1 )1( Q 管管壁壁外外側(cè)側(cè)管管壁壁內(nèi)內(nèi)側(cè)側(cè) 熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo) )( 2 )2( Q 冷冷流流體體管管壁壁外外側(cè)側(cè) 對(duì)對(duì)流流 )( 3 )3( Q QQQQ 321 4.1.3 典型間壁式換熱器 冷流體t1 t2 熱流體T1 T2 （一）間壁式換熱器 夾套式換熱器 圖4-5 單程管殼式換熱器 1-外殼 2-管束 3、4-接管 5-封頭 6-管板 7-擋板 8-泄水池 圖4-6 雙程管殼式換熱器 1殼體 2管束 3擋板 4隔板 傳熱速率Q（熱流

5、量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或W。 熱流密度q （熱通量） ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。 4.1.4 傳熱速率與熱通量 S Q q = 非穩(wěn)態(tài)傳熱 ,zyxftqQ 4.1.5 穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱 zyxftqQ, 0 t 在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此 種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的載熱體稱為加熱劑(或加熱介質(zhì));起冷卻(或冷凝)作用的載熱 體稱為冷卻劑(或冷卻介質(zhì))。 4.1.6 載熱體 載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制； 載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時(shí)不

6、易分解； 載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備； 價(jià)格便宜，來(lái)源容易。 工業(yè)上常用的加熱劑有熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等。 選擇載熱體的原則 4.2.1 基本概念和傅立葉定律 溫度場(chǎng)：某時(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。 1.溫度場(chǎng)和等溫面 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) zyxft, 等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。 4.2 熱傳導(dǎo) 不同溫度的等溫面不相交。 2.溫度梯度 方向：法線方向，以溫度增加的方向?yàn)檎?n n x t+t t x n t Q 0 lim n tt gradt nn 3 傅立葉定律 式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，W或J/

7、s； dS 導(dǎo)熱面積，m2； t/n 溫度梯度，/m或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。 負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反 ddS t Q n 4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù) 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 = f(結(jié)構(gòu), 組成, 密度, 溫度, 壓力） 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù) / / dQdSq tntn 1.固體導(dǎo)熱系數(shù) 金屬材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK) 絕熱材料 10-210-1 W/(mK) )1( 0 at 在一定溫度范圍內(nèi)： 對(duì)大多數(shù)金屬材料a 0 ， t 2.液體熱導(dǎo)率 金屬液體較高，非金屬液體

8、低； 非金屬液體水的最大； 水和甘油：t ， 其它液體：t ， 0.090.6 W/(mK) iwiX)0.19.0( 式中： Xwi i 組分質(zhì)量分率 0.9 有機(jī)液體的水溶液混合物 1.0 純有機(jī)流體混合物 混合流體導(dǎo)熱系數(shù)可按下式計(jì)算： 3.氣體熱導(dǎo)率 t ， 一般情況下，隨p的變化可忽略； 氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。 溫度越高，壓強(qiáng)越大，氣體導(dǎo)熱系數(shù)越大 分子動(dòng)能增大 密度增大，分子碰撞頻率增加 混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算： i i i i i yM yM 3/1 3/1 yi 氣體組分摩爾（體積）分率 Mi i 組分氣體分子量 各種情況及各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均可查閱手冊(cè)而得 t1 t

9、2 b t x dx Q 4.2.3 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 1 單層平壁熱傳導(dǎo) 假設(shè)： 材料均勻，為常數(shù)； 一維溫度場(chǎng)，t沿x變化； S/b很大，忽略端損失。 積分： 熱阻 推動(dòng)力 = = - = 21 R t Sb tt Q d d tt QSS nx 2 1 0 bt t Q dxSdt 12 () S Qtt b 2 多層平壁熱傳導(dǎo) 假設(shè)：各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。 t1 t2 b1 1 t x b2b3 2 3 t2 t4 t3 S b tt S b tt S b tt Q 3 3 43 2 2 32 1 1 21 - = - = - = 總熱阻 總推動(dòng)力 = - = + + =

10、41 3 3 2 2 1 1 321 i R tt S b S b S b ttt 結(jié)論： 多層平壁熱傳導(dǎo)，總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和，總熱阻為各層熱阻之和； 各層溫差與熱阻成正比。 推廣至n層： 1= 1+1 1= - = n ii i n n ii i S b tt S b t Q 各層的溫差 312 122334123 123 : bbb ttttttRRR SSS 接觸熱阻 由于表面粗糙不平，不同材料構(gòu)成的界面之間可能出現(xiàn)明顯的溫度降低而產(chǎn)生接觸熱阻。 因兩個(gè)接觸面間有空穴，而空穴內(nèi)又充滿空氣，因此，傳熱過(guò)程包括通過(guò)實(shí)際接觸面的熱傳導(dǎo)和 通過(guò)空穴的熱傳導(dǎo)(高溫時(shí)還有輻射傳熱)。一般來(lái)說(shuō)，

11、因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，接觸熱阻主要由空穴 造成。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓強(qiáng)等因素有關(guān)，主要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 某燃燒爐的平壁是由一層耐火磚（其1=1.047 W/(mk)）與一層普通磚（其2=0.814 W/(mk)）砌 成，兩層厚度均為100mm，操作達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)得爐壁的內(nèi)表面溫度是700，外表面溫度為130。 為了減少熱量損失，在普通磚外表面上增加一層厚度為40mm的保溫材料（含85的氧化鎂， 3=1.047 W/(mk)）。待操作達(dá)到穩(wěn)定后，又測(cè)得壁的內(nèi)表面溫度為740，外表面（即保溫層表面） 溫度為90。試計(jì)算加保溫層前后，每小時(shí)每平方米的壁面各損失熱量多少？ 2

12、2 2 1 1 31 /2610= 814.0 1.0 + 047.1 1.0 130-700 = + - =mW b b tt q 2 3 3 2 2 1 1 41 /823= 07.0 04.0 + 814.0 1.0 + 047.1 1.0 90-740 = + =mW b b b tt q 多層平壁傳熱： 1=1.047 W/(mk)，b1=100mm； 2=0.814 W/(mk)，b2=100mm； 3=0.07 W/(mk)， b3=40mm 加保溫層前： t1=700，t3=130 所以 加保溫層后： t1=740，t4=90 所以 4.2.4 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 1 單層圓筒

13、壁的熱傳導(dǎo) 假定： （1）圓筒很長(zhǎng) （2）穩(wěn)定 （3）各向同性，密度均勻，同平壁 在半徑r處取dr同心薄層圓筒 積分 2 1 2 1 2 t t r r rldtQdr 1 2 21 ln )(2 r r ttl Q dd 2 dd tt QSrl rr 討論： 1212 2 1 ln2 tttt Q r R l r 12 -=rrb 對(duì)數(shù)平均面積 熱阻 12 121 2 - - 2 ln = rr rr l r r R 令 1 2 12 ln - = r r rr rm 對(duì)數(shù)平均半徑 m S b = m Sb tt Q 21 - = r r 2 1 2 一般 時(shí)， 2 + = 21 rr r

14、m 當(dāng) r 時(shí)，計(jì)算公式類似于平壁公式。 21 2 1 2 ln mm SS Sr l S S 2 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 3 1 1 41 3 4 3 43 2 3 2 32 1 2 1 21 ln 1 )(2 ln 1 )(2 ln 1 )(2 ln 1 )(2 i i i i r r ttl r r ttl r r ttl r r ttl Q 三層： n層圓筒壁： n i i n n i ii i n n i i i i n R tt A b tt r r ttl Q 1 11 1 11 1 1 11 ln 1 )(2 m 注： （1）在多層平壁傳熱中： （2）在多層圓筒壁中： QQQQ n

15、 21 S Q q S Q q S Q q S Q q n n = 2 2 1 1 QQQQ n 21 n n S Q q S Q q S Q q=,= 2 2 1 1 由于 nnq rqrqr 2211 故 對(duì)多層球罐壁導(dǎo)熱 球罐壁的傳導(dǎo)傳熱 m S b t Q = 式中 2 21 4= mm rSSS 21 2 rrrm可證明 i m i t Q b S 例：有一過(guò)熱蒸汽輸送管，管外徑d0=320mm，壁溫tw0=510，外包兩層保溫層，內(nèi)層為粉煤灰及熟 料泡沫混凝土，其1=0.097 W/(mk)，1=22mm；外層為石棉硅藻土，其2=（0.16220.000169tm） W/(mk)。

16、若每米長(zhǎng)的管子熱損失為1395.6 W/m，最外層壁溫為50。試求兩層保溫層交界處的壁溫和 外層厚度。 1 0 1 10 2 )ln( r r tt q ww m d r16.0 2 32.0 2 0 0 mrr182.0022.016.0 101 097.02 ) 16.0 182.0 ln( 510 6.1395 1 w t q 解： 1.求兩層保溫層交界處的壁溫 對(duì)通過(guò)多層圓筒壁的傳熱： 其中， 所以 兩層保溫層交界處的壁溫tw1=215 C5.132 2 21550 2 21 ww m tt t )/(1846.05.132000169.01622.0000169.01622.0 2

17、KmWt m 1846.02 ) 182.0 ln( 50215 2 )ln( 6.1395 2 2 1 2 21 r r r tt q ww 2）求外層厚度 保溫層外層： 所以 由 得： r2=0.209 m 所以外層壁厚2=r2-r1=0.027 m =27 mm 4.3 對(duì)流傳熱 1.基本概念 流體流過(guò)固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時(shí)的傳熱過(guò)程稱為對(duì)流傳熱。它在化工傳熱過(guò)程 (如間壁式換熱器)中占有重要的地位。 流體無(wú)相變的對(duì)流傳熱 強(qiáng)制對(duì)流傳熱 自然對(duì)流傳熱 流體有相變的對(duì)流傳熱 蒸氣冷凝 液體沸騰 對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過(guò)程，影響對(duì)流傳熱速率的因素很多，而且不同的對(duì)流傳熱情況又有

18、差 別，因此對(duì)流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗(yàn)方法處理。 對(duì)流傳熱速率=對(duì)流傳熱推動(dòng)力/對(duì)流傳熱阻力 =系數(shù)推動(dòng)力 對(duì)流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述 w w dd 1 /d TT QTTS S 換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積。例如，若熱流體在換熱 器的管內(nèi)流動(dòng)，冷流體在管間(環(huán)隙)流動(dòng)，則對(duì)流傳熱速率方程式可分別表示為 iwi ddQTTS owo ddQttS 牛頓冷卻定律也是對(duì)流傳熱系數(shù)的定義式，即 Q St 對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率，其單位為W/(m2)。 它反映了對(duì)流傳熱的快慢，愈大表示對(duì)流傳熱

19、愈快。表4-5列出了幾種對(duì)流傳熱情況下的數(shù)值范 圍。 o 靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基 本上相同，即溫度梯度可視為零。 熱邊界層 保溫層的臨界厚度 1.問(wèn)題的提出： 對(duì)于圓筒壁的傳熱存在著相互制約的一對(duì)矛盾： 一方面，保溫層越厚, 外層的溫度越接近于環(huán)境溫度，則根據(jù)牛頓冷卻定 律 ，溫差小，熱量損失小。 另一方面,保溫層越厚，S越大熱量損失Q越大 結(jié) 論：必然存在一個(gè)最佳保溫層厚度c，使得保溫效果最佳。 2.假設(shè)： （1）空氣傳熱膜系數(shù) 基本不變 （2）傳熱達(dá)到穩(wěn)定 c b bc rL tt ttrLQ 0 2 20 2 1 2 則： 又：

20、 0 21 1ln 2 r tt LQ c 2b QStt 即有： c c b rrL tt Q 00 1 1 1ln 1 2 1 令： 0 c d dQ 得： 0 11 2 0 0 c c rr 于是： 0 r c （r0 中心至圓筒內(nèi)壁半徑）或 2 c d 應(yīng)用舉例： 金屬電線的散熱問(wèn)題 ，解決方法是將其外層包扎一層塑料，這樣既可增強(qiáng)散熱效果，又可防 止電線在環(huán)境中腐蝕和漏電，雙重作用 對(duì)球罐壁的導(dǎo)熱及熱對(duì)流時(shí)臨界保溫層厚度，同理可得 4 c d或 2 c r 如圖，設(shè)A流體溫度 T B 流體溫度 t （1）A流體在平壁上的流動(dòng)狀態(tài) 主體湍流區(qū) 過(guò)渡流區(qū) 層流內(nèi)層區(qū) 平壁A側(cè) B流體在平壁

21、上的流動(dòng)狀態(tài) 平壁B側(cè) 層流內(nèi)層區(qū) 過(guò)渡區(qū) 主體湍流區(qū) （2）傳熱及溫度情況 傳熱方向：因T t 故熱量Q從A傳向B 溫度降低方向 T t 換熱分析 a.湍流區(qū)中的傳熱及溫度分布： 湍流區(qū)中傳熱方式主要是強(qiáng)制對(duì)流（自然對(duì)流作用不顯著）且由于湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)微團(tuán)充分混合， 故湍流區(qū)溫度趨于均勻 b.過(guò)渡流區(qū)的傳熱與溫度情況 過(guò)渡流區(qū)中既有對(duì)流（強(qiáng)制和自然對(duì)流）傳熱，又有導(dǎo)熱，所占比重視具體情況變化。溫度沿與流 動(dòng)相垂直方向的變化程度與過(guò)渡區(qū)厚度成正比 c.層流內(nèi)層區(qū)中傳熱溫度情況 在層流區(qū)中傳熱方式是導(dǎo)熱，流體質(zhì)點(diǎn)間無(wú)混合。 液體（氣體）的導(dǎo)熱系數(shù)較小，故該層中的溫度變 化較大，且與層流內(nèi)層厚度

22、成正比 d.平壁中的傳熱及溫度變化 導(dǎo)熱，溫度基本呈直線變化 （3）實(shí)際情況簡(jiǎn)化處理 因過(guò)渡區(qū)及層流內(nèi)層區(qū)厚度無(wú)法測(cè)定 故常將 湍流區(qū)中為對(duì)流給熱，層流區(qū)及平壁中為傳導(dǎo)傳熱。 過(guò)渡區(qū)合并在湍流區(qū) 層流區(qū)合并在平壁區(qū) 整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化為： 溫度 湍流主體過(guò)渡層層流內(nèi)層平壁層流內(nèi)層過(guò)渡層湍流主體 流體 熱量 A| c |B Q | | Ta t 傳熱系數(shù) 熱阻 總熱阻 對(duì)流給熱系數(shù)A（湍流及過(guò) 渡） 導(dǎo)熱系數(shù)c（層流及平 壁） 對(duì)流給熱系數(shù)B（湍流及 過(guò)渡流） A A R 1 C C R B B R 1 K RRRR BCA 1 總K總傳熱系數(shù) 即： K BcA 111 （平壁型總傳熱系數(shù)K計(jì)算公式）

23、 假設(shè)換熱器的熱損失可忽略，則單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。 對(duì)于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為 hhcc dddQWIWI 對(duì)于整個(gè)換熱器，其熱量衡算式為 Thh1h2cc2c1 ()()QWIIWII 4.4 傳熱過(guò)程計(jì)算 4.4.1 熱量恒算 若換熱器中兩流體無(wú)相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱容時(shí) hh1cc212 T ()() pp QWcTTWctt 若換熱器中的熱流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝時(shí) hcc21 T () p QWWcttr 當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時(shí) hhs2cc21 T ()() pp QWrcTTWctt 通

24、過(guò)換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方 程，可以仿照對(duì)流傳熱速率方程寫出，即 d()dQK TtS 一、總傳熱速率微分方程 總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對(duì)應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。 oo d()dQKTtS ii d()dQKTtS mm d()dQKTtS 總傳熱速率微分方程 顯然有 oii ioo d d KSd KSd omm moo d d KSd KSd 管內(nèi)徑 管外徑 平均管徑 工程上大多以外表面積為基準(zhǔn)，故后面討論中，除非特別說(shuō)明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。 二、總傳熱系數(shù) 1.總傳熱系數(shù)的計(jì)算 總傳熱系數(shù)(簡(jiǎn)稱傳熱系數(shù))K是評(píng)價(jià)換熱

25、器性能的一個(gè)重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基 本數(shù)據(jù)。 K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過(guò)程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動(dòng)范 圍較大。 K值的來(lái)源：K值的計(jì)算；實(shí)驗(yàn)查定；經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 兩流體通過(guò)管壁的傳熱包括以下過(guò)程: 熱流體在流動(dòng)過(guò)程中將熱量傳給管壁的對(duì)流傳熱； 通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)； 管壁與流動(dòng)中的冷流體之間的對(duì)流傳熱。 對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即 iwiwwmowo d()d()d()dQTTSTtSttS b wwww iimo d 11 ddd o TTTttt Q b SSS 或 移項(xiàng)后相加，得 wwww iimooiimoo ()()()

26、d 1111 dddddd TTTtttTt Q bb SSSSSS oo o iio m d 1 d QTt dbd S dd 上式兩邊均除以 o dS，并利用 oooo iimm dd , dd SdSd SdSd ，得 比較 oo d()dQKTtS ii d()dQKTtS mm d()dQKTtS i ii imoo 1 1 K bdd dd m iioo m m 1 K d bd dd o oo iimo 1 1 K dbd dd 基于管內(nèi)表面積的 局部總傳熱系數(shù) 基于平均表面積的 局部總傳熱系數(shù) 基于管外表面積的 局部總傳熱系數(shù) 得 設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即 ooo sis

27、o oiiimo 11ddbd RR Kddd 管壁外表面污垢熱阻 管壁內(nèi)表面污垢熱阻 總傳熱系數(shù)計(jì)算式 某些常見(jiàn)流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查附錄。 污垢熱阻(又稱污垢系數(shù)) 提高總傳熱系數(shù)途徑的分析 總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻 oo o o siso oiiim 11ddbd RR Kddd 壁阻 總熱阻 管內(nèi)熱阻 管內(nèi)垢 阻 管外垢 阻 管外熱 阻 若傳熱面為平壁或薄管壁，則 siso io 111b RR K io 當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí) io 111 K 若管壁外側(cè)對(duì)流傳熱控制 o K，則 i K 管壁內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱控制 io ,若 管壁內(nèi)、外側(cè)對(duì)流傳熱控

28、制 相當(dāng) 若管壁兩側(cè)對(duì)流傳熱熱阻很小，而污垢熱 阻很大 污垢熱阻控制 若 io ，則 欲提高K值，強(qiáng)化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。 K值總是接近且永遠(yuǎn)小于 中的小者。 當(dāng)兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，K近似等于 中小者。 o , i o , i 2.K的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 對(duì)現(xiàn)有的換熱器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式 計(jì)算得到K值。 實(shí)測(cè)的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備 傳熱能力的途徑。 3.總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值 某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值列于表4-6。 從表4-6可看出，通常經(jīng)驗(yàn)值的范圍較大，設(shè)

29、計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選取中間的某一數(shù)值。若為降低 操作費(fèi)，可選較小的K值；若為降低設(shè)備費(fèi)，可選較大的K值。 2.關(guān)于總傳熱系數(shù)及強(qiáng)化傳熱速率的基本手段的討論 （1）垢阻的影響 管內(nèi)外結(jié)垢，傳熱阻增大，總傳熱系數(shù)下降，傳熱量亦下降 K RRRRRR CBA 1 外垢內(nèi)垢總 （2）強(qiáng)化傳熱操作的方法 根據(jù)式 m tAKQ 均 可知，使Q增大可采取下列三種方法 （1）增大傳熱面積A.從設(shè)備結(jié)構(gòu)著手，如減小管徑，增加管數(shù)。但存在二個(gè)問(wèn)題，即：流動(dòng)阻力 增大，制造和運(yùn)行費(fèi)上升 （2）增大tm如采用逆流操作；當(dāng) 一方為蒸汽換熱時(shí)，增大蒸汽壓強(qiáng)，使其溫度提高。 （3）增大K值 減小垢阻和降低管壁熱阻（勤清洗）

30、 當(dāng)垢阻和管壁熱阻可忽視時(shí)， 則：K1，即在此情況下，K值取決于對(duì)流給熱系數(shù)較小的流體，故應(yīng)使1增大，效果才 顯著（瓶頸效應(yīng)），關(guān)于提高值的措施，以后章節(jié)有詳細(xì)討論。 21 11 1 K 12 若 變溫差傳熱的幾類情況 平均溫度差的計(jì)算 1.在恒溫差傳熱時(shí)： 2.在變溫差傳熱時(shí)： tTKAQ m tKAQ （1）逆流 （2）并流 （3）一側(cè)發(fā)生相變時(shí) tTAKQ 均均 平壁兩側(cè)流體A、B主體湍流區(qū)，溫度分別為T、t 且不隨位置 而變化，即如圖（2）所示。 如：兩側(cè)同時(shí)相變過(guò)程或均為全混 合狀態(tài)。 對(duì)于有流動(dòng)情況下的平壁與圓筒壁，當(dāng)二側(cè)無(wú)相變時(shí)，盡管與流動(dòng) 相垂直的某一截面（T-t）不隨時(shí)間變化

31、，但會(huì)隨位置變化（Tt） （T t ）如圖（3）所示。 3.平均溫度差問(wèn)題的提出 問(wèn)題：式（a）的基本前提是 ： tTAKQ 均 此時(shí)如何用 tTAKQ m m m tTAKQ tTt mm tAKQ 若令： 則： 或： 表示 即： 解決方法：采用平均方法（算術(shù)、對(duì)數(shù)、幾何？）解決 表達(dá) 假定： （1）傳熱達(dá)到穩(wěn)定，換熱器與外界無(wú)熱交換（熱損失為零） （2）冷、熱流體流量為常數(shù)，比熱均不隨溫度改變 （3）傳熱總系數(shù)為常數(shù)（或變化時(shí)有具體函數(shù)關(guān)系式表示） 4.平均溫差公式的推導(dǎo) 2 )(tdtt 平均溫度 2 TdTT 平均溫度 于是：在微元傳熱面積dA上所傳遞的熱量 dAtKdQ 從換熱器的微

32、元傳熱面積考慮 故冷熱流體的溫度差)() 2 (tT dd tTt tT 又： dtCWdTCWdQ psps21 21 從冷熱流體的傳熱情況分析 故： 21 21 11 psps CWCW dQtTd 或： 常數(shù) 21 21 11 psps CWCWdQ td dQ tTd 即： Q tt dAtK td 21 積分整理： m tKA t t tt AKQ 2 1 21 ln tm為對(duì)數(shù)平均溫差。注意與對(duì)數(shù)平 均半徑的類似性 同理，當(dāng)t1/ t2 2 時(shí)， tm可用算術(shù)平均值法代替，誤差4%。 另：當(dāng)t1 t2 時(shí)，利用極限可證明 21 21 2 1 21 2 ln lim 21 tt tt

33、 t t tt t tt m 討論： （1）此式既適用于逆流，又適用于并流（有相變亦可） （2）對(duì)于錯(cuò)、折流，先按逆流處理計(jì)算tm ，再引入校正函數(shù) t， （3）對(duì)于K不等于常數(shù) ， 時(shí)，而 不難導(dǎo)出： PRf t . 12 21 tt TT R 初始冷熱流體最大溫差 冷流體溫升 11 12 tT tt P tkKK1 0 2 1 21 2 2 1 1 2 2 2 1 1 2 21 12 2112 lnlnln t t tt AK t t K K t K K t AK tK tK tKtK AQ 2 1 2 1 t t f K K 3.流向的選擇 (1)逆流 當(dāng)換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K一

34、定時(shí)，采用逆流操作， 所需的換熱器傳熱面積較小。 若傳熱面積一定，則可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。因而 換熱器應(yīng)盡可能采用逆流操作。 (2)并流 若對(duì)流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時(shí)不得超過(guò)某一溫度， 或熱流體被冷卻時(shí)不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。 采用折流或其他流動(dòng)形式的原因，除了為滿足換熱器的結(jié)構(gòu)要求 外，就是為了提高總傳熱系數(shù)。但是平均溫度差較逆流時(shí)的低。在 選擇流向時(shí)應(yīng)綜合考慮，t值不宜過(guò)低，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取t0.9， 至少不能低于0.8，否則應(yīng)另選其他流動(dòng)形式。 關(guān)于逆流操作的優(yōu)點(diǎn) 平均溫差大（當(dāng)二流體進(jìn)，出口溫度一定時(shí)） 節(jié)省冷卻劑或加熱劑用量 并流優(yōu)勢(shì) 控制出口端冷流體

35、的溫度。 高粘度流體的加熱，使溫度迅速升高，增強(qiáng)流動(dòng)性。 思考題： 1、在全混釜夾套中tm如何計(jì)算，（與相變過(guò)程相同）； 2、有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程 d Hd GtKAttCWQ m t ps 12 （化學(xué)反應(yīng)） 總結(jié) 4.4.5 傳熱單元數(shù)法 1.定義：傳熱效率 max Q Q 理論最大傳熱量 實(shí)際傳熱量 若以熱流體的基準(zhǔn),則 被冷卻 熱 實(shí)21 TTmCQ sp max21max TTmCQ sp 熱 因T1一定，故若使（T1-T2）最大，則需使T2=T2min 對(duì)于逆流：1min2 tT 221 Ttt 對(duì)于并流： 12min2 ttT 2min2 tT 12 tt 11max tTmCQ s

36、p 熱 則： 11 21 tT TT 即 熱流體出口溫度的極限值是等于冷流體的進(jìn)口溫度 1min2 tT 若以冷流體為基準(zhǔn)，則： 12 ttmCQ sp 冷 max12max ttmCQ sp 冷 因冷流體出口溫度t2的極限是熱流體的進(jìn)口溫度T1 即： 1max2 Tt 故： 11 12 tT tt Q Q 理 實(shí) （逆流，以冷流體為基準(zhǔn)） 或： 1max 12 max12 12 tt tt tt tt 又122 TtT 故1max2 Tt （并流，以冷流體為基準(zhǔn)） 于是： 11 21 tT TT 11 12 tT tt 時(shí)當(dāng) 冷熱 psps CmCm 時(shí)當(dāng) 熱冷 psps CmCm 理由：根

37、據(jù)熱平衡，當(dāng)一側(cè)流體取得最大溫差時(shí)，在傳熱量不變（一定）時(shí)，其msCp必最小，否則，則要求 另一側(cè)流體有更大溫差，出現(xiàn)假定上的矛盾。 即： 常數(shù) max1 min1 1 1 tmCtmCQ spsp 常數(shù) min2 max2 2 2 tmCtmCQ spsp 現(xiàn)要求 max1 max1 tmCQ sp 2 min2 tmCQ sp 又根據(jù)熱平衡 于是： max1max1 min2 max1 2 tt mC mC t sp sp 與假設(shè) max1min2 tt矛盾。 2. 的計(jì)算NTU法 由于 dAtTKdTCmdQ T ps 故 定義：傳熱單元數(shù) A psC m KdA tT dT NTU 0

38、 max min、T psC m KA t psC m KA 時(shí)當(dāng) t ps T ps CmCm 時(shí)當(dāng) T ps t ps CmCm 又 11 21 tT TT 時(shí)當(dāng) t ps T ps CmCm 可以推得： 單程逆流時(shí)： 單程并流時(shí)： RR R CNTUC CNTU 1exp1 1exp1 逆 R R C CNTU 1 1exp1 并 式中： 1 max min ps ps R Cm Cm C 熱容流量比 特別地：i )當(dāng)CR=1時(shí)， NTU NTU 1 逆 2 2exp1NTU 并 ii )當(dāng)CR0時(shí)， NTUexp1 逆并 （類似于相變過(guò)程） 3.引入的意義 對(duì)于穩(wěn)定傳熱的換熱過(guò)程： 以

39、逆流為例： 2 1 21 ln t t tt KAtKAQ m 12 21 1221 ln tT tT tTtT KAQ 又： 21 TTmCQ T sp ()() 1 2-=ttmCQ t sp （1） （2） （3） 當(dāng)CpT和Cpt已知時(shí)，上述3個(gè)方程中共有9個(gè)變量 （1）若T1 , T2 , t1 , t2 已知及K, msT 或 mst 已知，則直接可以設(shè)計(jì)計(jì)算換熱器A，Q , mst或 msT ，設(shè)計(jì)型計(jì) 算 引入意義：若已知（通過(guò) - NTU圖查?。?，則可直接計(jì)算T1或t1 11 min max tTCmQQ ps （2）若T1（T2）t1（t2）中任意二個(gè)已知，則需用試差法求解

40、Q , t和T及K , A , msT , mst ，操作型計(jì)算 4.應(yīng)用NTU法優(yōu)點(diǎn) 不需計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差tm，亦不用試算 對(duì)串聯(lián)換熱器，則按下列計(jì)算： min ps ii Cm AK NTU 5.關(guān)于引入NTU的意義： 2 1 T T p NTU tT dT WC KA NTU K CW A p 又： dLnA 故：NTUHNTU dnK CW L p 0 H0傳熱單元高度（m） 可見(jiàn)： 當(dāng)H0=1m時(shí)，換熱器的長(zhǎng)度L=NTU 引入NTU和H0概念后，換熱器傳熱面積的計(jì)算可簡(jiǎn)單表示為換熱器長(zhǎng)度的計(jì)算，當(dāng)H0一定時(shí)， 設(shè)計(jì)所要求的NTU越大（換熱要求越高），則L越大。 H0只與換熱器的K值和

41、結(jié)構(gòu)（n、d）及流體的性質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，而與換熱（溫度變化）程度無(wú)關(guān) （K、Cp不隨溫度變化時(shí)） 由 得 4.5.1 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 2.引起流動(dòng)的原因 自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。 強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。 強(qiáng)制 自然 4.5 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 1.流動(dòng)狀態(tài) 湍流 層流 自然對(duì)流的產(chǎn)生： 設(shè) 熱處：t2，2； 冷處：t1，1 體積膨脹系數(shù)，1/C. tV VV 1 12 )1( 12 tVV 或 而 2 2 m V 1 1 m V 得： 或 )1( 21 t )t1( 11 12 由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的升力： tggtg 22221 )1( 加熱板

42、冷卻板 5. 是否發(fā)生相變 相變 無(wú)相變 4. 傳熱面的形狀，大小和位置 形狀管、板、管束等； 大小管徑、管長(zhǎng)、板厚等； 位置管子的排列方式，垂直或水平放置。 3.流體的物性 ，cp 4.5.2 對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析 變量數(shù) 8個(gè) 基本因次 4個(gè)：長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度 無(wú)量綱特征數(shù)（8-4）=4 ),(LtgCuf p 無(wú)相變時(shí) 1. 努塞爾特（Nusselt ）數(shù) L Nu 表示對(duì)流傳熱系數(shù)的特征數(shù) 2. 雷諾（Reynolds）數(shù) uL Re 反映流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響 3. 普蘭特（Prandtl）數(shù) Cp Pr 反映流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響 4. 格拉斯霍夫（Gra

43、shof）準(zhǔn)數(shù) 2 23 tgL Gr 表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響 一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr) 簡(jiǎn)化：強(qiáng)制對(duì)流 Nu=f (Re, Pr) 自然對(duì)流 Nu=f (Pr, Gr) 使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)注意： 1. 應(yīng)用范圍 2. 特征尺寸 3. 定性溫度 強(qiáng)制對(duì)流 自然對(duì)流 無(wú)相變 有相變 蒸汽冷凝 液體沸騰 （一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流 1. 圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流 nm CNuPrRe n NuPrRe023.0 8.0 流體被加熱 n=0.4 流體被冷卻 n=0.3 （1）應(yīng)用范圍：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 氣體或低粘度的液體（2 水） （2）定性溫

44、度：流體進(jìn)出口的算術(shù)平均 值 （3）特征尺寸：管內(nèi)徑 4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù) 討論： （1）加熱與冷卻的差別： , W Rettt加加熱熱 液體 3.04.0 ,1,PrPrPr 液液體體 冷冷卻卻加加熱熱 氣體 , Ret加加熱熱 3.04.0 ,1,PrPrPr 氣氣體體 冷冷卻卻加加熱熱 2.0 8.0 8.0 18.0 8.0 023.0 )()(023.0 d uCp Cpud d n nn n 物性一定時(shí)： 2.0 8.0 d u （2）影響因素： 公式修正： （1）當(dāng)L/d 2 水） 14.0 )(PrRe027.0 33.08.0 W Nu 工程處理： 加熱： 冷

45、卻： 05.1)( 14.0 W 95.0)( 14.0 W 7.0 1 1 l d （3） 彎管 彎彎管管的的曲曲率率半半徑徑 ）（ 直直彎彎直直彎彎 R R d 77.11 （4）非圓形管道 ne e ud d Pr)(023.0 8.0 實(shí)實(shí) 用當(dāng)量直徑計(jì)算。 2. 圓形直管內(nèi)流體處于過(guò)渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 8.1 5 Re 106 1 f f 校校正正系系數(shù)數(shù) 湍湍過(guò)過(guò)湍湍過(guò)過(guò) 2300 Re 104 3. 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流 （1）隨熱流方向不同，速度分布情況不同； （2）自然對(duì)流造成了徑向流動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)流 傳熱過(guò)程。 對(duì)于液體 14.0 3 1 )()Pr(Re86.1 W L d

46、 Nu 自然對(duì)流可以忽略： Gr 25000 乘校正因子： )Gr.(.f 3 1 0150180 適用范圍：10)Pr(Re L d 670060 Pr.Re2300 定性溫度： 2 21 tt t m 特征尺寸：管內(nèi)徑 （二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱 1. 流體在管束外垂直流過(guò) 應(yīng)用范圍：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處 定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值 Nu=C Ren Pr0.4 1122 12 nn m n A AA AAA 平均對(duì)流傳熱系數(shù)： 2流體在換熱器管間的流動(dòng) 折流擋板形式：圓缺形、圓環(huán)形 設(shè)置折流擋板目

47、的： 增加殼程流體的湍動(dòng)程度，進(jìn)而提高殼程的。 圓缺形折流擋板： 14.0 3/155.0 PrRe36.0 W Nu 定性溫度： 2 21 tt t m 應(yīng)用范圍：Re=2103106 正方形排列： 正三角形排列： 特征尺寸：（1）當(dāng)量直徑de 0 2 0 2 )785.0(4 d dt d e 0 2 0 2 )785.0 2 3 (4 d dt d e d0 t t （2）流速u按流通截面最大處的截面計(jì)算： 式中 h兩塊折流擋板間距離，m； D換熱器殼徑，m； )1( 0 t d hDS （三）自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) n GrCNu)(Pr 定性溫度：膜溫（tm+tw）/2 特征尺寸：

48、垂直的管或板為高度H 水平管為管外徑d0 各種情況下的C、n值及特征尺寸不同。 1. 蒸汽冷凝方式 4.5.4 流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱 滴 膜 （1）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝 冷凝過(guò)程的熱阻冷凝液膜 （一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱 （1）努塞爾(Nusselt)理論公式 膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)中作了以下假設(shè)： 冷凝液膜呈層流流動(dòng)，傳熱方式為通過(guò)液膜的熱傳導(dǎo); 蒸汽靜止不動(dòng)，對(duì)液膜無(wú)摩擦阻力; 蒸氣冷凝成液體時(shí)所釋放的熱量?jī)H為冷凝潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度保持不變; 冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值，且為常數(shù)。 2. 膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)蒸氣在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝 1 4 23

49、0 .9 4 3 rg Lt 蒸汽的飽和溫度與壁 面溫度之差 sw ttt 飽和蒸汽的冷凝潛熱 水平管束外 4 1 0 32 32 7250 tdn gr / . 2 Ws tt t 定性溫度：tSr，其它膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù) r比汽化熱 （2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝 4 R e 44 m e m qS du S qM qm冷凝液量，kg/s M冷凝負(fù)荷，kg/s.m 層流 4 1 32 13.1 tl gr Re1800 湍流 4.0 3 1 2 32 0077.0Re g 特性尺寸：管或板高H 定性溫度：膜溫 3.影響因素和強(qiáng)化措施 (1) 液體物性 ， ， r (2

50、) 不凝氣體 不凝氣體存在，導(dǎo)致 ，需定期排放。 (3)蒸汽流速與流向 （u10m/s ） 同向時(shí)，t， ；反向時(shí)， t， ； u ， (4) 蒸汽過(guò)熱 r=r+cp(tv-ts) 影響較小 (6) 強(qiáng)化措施： 目的：減少冷凝液膜的厚度 水平管束：減少垂直方向上管數(shù)，采用錯(cuò)列； 垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。 (5) 冷凝壁面的影響： 冷凝壁面安放 冷凝壁面表面 （二）液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱 大容積沸騰 管內(nèi)沸騰 1. 沸騰現(xiàn)象 在粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處： 汽化核心 生成汽泡 長(zhǎng)大 脫離壁面新汽泡形成攪動(dòng)液層 沸騰必要條件： 過(guò)熱度 t=（tts）0 存在汽化核心 推動(dòng)力 （twts

51、） 沸騰三個(gè)階段： 自然對(duì)流、核狀沸騰、膜狀沸騰 工業(yè)上采用核狀沸騰 大，tW小 圖4-32 水的沸騰曲線 臨界點(diǎn) 2. 影響因素及強(qiáng)化措施 （1）液體的性質(zhì) , （2）溫度差 核狀沸騰階段: t2.5， t （3）操作壓力 s tp （4）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大 （5）強(qiáng)化措施 表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒； 加表面活性劑（乙醇、丙酮等） 三、壁溫的計(jì)算 穩(wěn)態(tài)傳熱 22 W m WW 11 W m 11 A tt A b tT A TT tKAQ 11 W A Q TT m WW A bQ Tt 22 W A Q tt （1）大，b/Am?。ū谧栊。﹖WTW 21 )(

52、)( WW tTTT TW接近于T，即大(熱阻小)側(cè)流體的溫度 （3）兩側(cè)有污垢 （2）當(dāng)tW=TW 22 11 W W /1 /1 A A tT TT 2 2 2 W m WW 1 1 1 W m 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( A R tt A b tT A R TT tKAQ 四、傳熱計(jì)算 總傳熱速率方程 m tKAQ 熱量衡算式 (熱負(fù)荷) 無(wú)相變 11122221mpmp QqcTTqctt 12221mmp Qqrqctt 有相變 應(yīng)用條件： 定態(tài)流動(dòng)，qm為常數(shù)； cP為常數(shù)； K為常數(shù)； 忽略熱損失。 1. 設(shè)計(jì)型計(jì)算 已知：qm1、T1、T2（生產(chǎn)任務(wù)），t1、qm2等 求：

53、傳熱面積A或校核換熱器是否合適 步驟 :（1）計(jì)算熱負(fù)荷； （2）計(jì)算tm； （3）計(jì)算1、2及K； （4）計(jì)算A 若 A實(shí) A計(jì) 或 Q換 Q需要， 換熱器合適。 二、操作型計(jì)算 （1）已知：換熱器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t2 （2）已知：換熱器A， qm1、T1， T2 、t1 求：qm2、 t2 注意：列管式換熱器中 流通面積 2 2 4 dnA 流流通通 傳熱面積 ldnA 1 傳傳熱熱 一、基本概念 1. 輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。 2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向 外發(fā)射能量的過(guò)程。 特點(diǎn)： 能量形式的轉(zhuǎn)換 不需要任何介質(zhì) 4.

54、6 輻射傳熱 Q Q Q N Q 能量守恒定律： D AR QQQQ 吸收率 反射率 穿透率 A Q A Q R Q R Q DQ D Q 1 DRA 3. 物體對(duì)熱輻射的作用 總能量Q；被物體吸收QA ；被反射QR ；穿過(guò)物體QD 黑體： 1A 白體(鏡體)： 1R 透熱體： 1D 灰體：以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體 特點(diǎn)： 灰體的吸收率A不隨輻射線的波長(zhǎng)而變； 灰體是不透熱體，即A+R=1。 固體、液體： D =0 A+R =1 氣體： R =0 A+D=1 輻射能力 輻射能力E 物體在一定的溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總能量。 單位為 W/m2 單色輻射能力

55、 E 單位為 W/m3 在相同條件下，物體發(fā)射特定波長(zhǎng)的能力。 二、物體的輻射能力 d lim d EE E bb 0 dEE 對(duì)黑體，輻射能力和單色輻射能力之間滿足 黑體輻射能力黑體單色輻射能 力 0 dEE ， 普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長(zhǎng)的分配規(guī)律，即表示黑體的單色輻射能力隨波長(zhǎng)和溫 度變化的函數(shù)關(guān)系。 2 5 1 b / e1 CT C E 162 1 3.74310WmC 2 2 1.438710mKC ， 圖4-34 黑體單色輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律 圖4-34 黑體單色輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律 斯蒂芬玻耳茲曼定律揭示黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系。 44 b00 () 100 T E