化工基礎 第三章 傳熱

1、2021-6-27 第三章 2021-6-27 第一節(jié)第一節(jié): :概述概述 第二節(jié)第二節(jié): :熱傳導熱傳導 第三節(jié)第三節(jié): :對流傳熱對流傳熱 第四節(jié)第四節(jié): :熱交換的計算熱交換的計算 第五節(jié)第五節(jié): :熱交換器熱交換器 第六節(jié)第六節(jié): :傳熱過程的強化傳熱過程的強化 2021-6-27 前言前言 凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞 傳熱在化工生產(chǎn)中的應用： 1、物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)、干燥等過程 2、反應器內(nèi)需要供給或移走反應熱，使反應在一定溫度下進行 3、化工設備和管道的保溫，生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收 (能量傳遞過程能量傳遞過程)

2、間歇傳熱 連續(xù)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率常數(shù) 穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率=常數(shù) 2021-6-27 第三章第三章 熱量傳遞熱量傳遞 1-1穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱 1-2傳熱基本方式傳熱基本方式 1-3熱平衡方程與熱平衡方程與 熱流量方程熱流量方程 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 2021-6-27 1-1穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱進行時，物質各點溫度不隨時間而變僅隨位置 變化的傳熱過程。 非穩(wěn)定傳熱非穩(wěn)定傳熱：傳熱進行時，物質各點溫度不僅隨位置而變、 且隨時間而變化的傳熱過程。 1-2傳熱的基本方式傳熱的基本方式 熱傳導熱傳導熱對流熱對流熱輻射熱輻射 ),(zyxfT

3、),(zyxfT 傳熱速率=常數(shù) 2021-6-27 1.1.熱傳導熱傳導 氣體 分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果 固體 導電體：自由電子在晶格間的運動 非導電體：通過晶格結構的振動實現(xiàn) 液體 機理復雜，介于氣體和固體之間 特點：靜止介質中的傳熱，沒有物質的宏觀位移 熱量從物體內(nèi)部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分 或者傳遞到與之相接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為熱 傳導，簡稱導熱。 1-2傳熱的基本方式傳熱的基本方式 2021-6-27 2.熱對流熱對流 流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，稱為熱對流。 對流只能發(fā)生在流體中。 強制對流 自然對流 流體受外力作用而引起的流動 由于流體

4、內(nèi)溫度差導致密度差異而引起的流動 特點：流動介質中的傳熱，流體作宏觀運動 對流傳熱的同時，伴隨著流體質點間的熱傳導 一般討論對流傳熱多指熱由流體傳到固體的壁面（或反之 ）的傳熱過程 1-2傳熱的基本方式傳熱的基本方式 2021-6-27 3.熱輻射熱輻射 特點：不僅產(chǎn)生能量的轉移， 而且伴隨著能量形式的 轉換； 熱輻射不需要媒介; 高溫物體的主要傳熱形式 熱能熱能輻射能輻射能熱能熱能 物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程 黑體黑體 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律 4 00 TE 4 0 ) 100 ( T C 1-2傳熱的基本方式傳熱的基本方式 2021-6-27 傳熱過程

5、 將熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鬟f到壁面另一側的過程 1.傳熱平衡方程 以某換熱器為衡算對象，列出穩(wěn)態(tài)傳熱時的熱量衡算方程 冷流冷流 體體T1 T2 熱流體熱流體T1 T2 在換熱過程中，忽略熱損失 吸放 2021-6-27 (1)(1)無相變時的傳熱量計算無相變時的傳熱量計算 =qm,hCp,h ( T1 T2) = qm,cCp,c ( T2 T1) 飽和蒸汽冷凝液體沸騰汽化 = qmr 其中 r氣化潛熱（或冷凝潛熱） KJ / kg (2)(2)有相變時的傳熱量計算有相變時的傳熱量計算 qm,h r = qm,cCp,c ( T2 T1) qm,hCp,h ( T1 T2) = qm,

6、c r 飽和蒸汽冷凝 液體沸騰汽化 2021-6-27 傳熱速率傳熱速率（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱 面?zhèn)鬟f的熱量，單位面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或或W 熱流密度熱流密度q （熱通量）（熱通量） ：單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞：單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞 的熱量，單位的熱量，單位 J/(s. m2)或或W/m2 熱流量與熱通量的關系為 2.熱流量方程 A q 穩(wěn)態(tài)傳熱 =KATm K:總傳熱系數(shù)，W/(m2K) A:總傳熱面積，m2 Tm:兩流體的平均溫差，K 熱流量方程熱流量方程 總傳熱速率方程總傳熱速率方程 2021-6-27

7、第三章第三章 熱量傳遞熱量傳遞 2-1傅里葉定律傅里葉定律 2-2導熱系數(shù)導熱系數(shù) 2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2-4圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導熱傳導 2021-6-27 2-1傅里葉定律傅里葉定律 ,zyxfT 溫度場溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布 1.1.溫度場和等溫面溫度場和等溫面 不穩(wěn)定溫度場：,zyxfT 穩(wěn)定溫度場：zyxfT, 等溫面：等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面 1）不同溫度的等溫面不相交 2）在等溫面內(nèi)沒有熱量的傳遞 t1 t2 t1t2 等溫面 Q 2021-6-27 2. .溫度梯度溫度梯度：

8、溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率 n T 溫度梯度 對于一維穩(wěn)態(tài)的溫度場，溫度梯度可表示為 ： dn Td 溫度梯度 溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向 3. 傅立葉定律傅立葉定律 dn dT q- 傅立葉定律傅立葉定律 比例系數(shù)，稱為導熱系數(shù)；w/mk 負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反 2-1傅里葉定律傅里葉定律 2021-6-27 1.導熱系數(shù)的定義導熱系數(shù)的定義 dn dT q 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 w/mk = f(結構, 組成, 密度, 溫度, 壓力） 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 表征材料導熱性能的物性參數(shù) 2-2導熱系數(shù)導熱系數(shù) 2.2.固體導熱系

9、數(shù)固體導熱系數(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)： 金屬材料a 0 2021-6-27 3.3.液體導熱系數(shù)液體導熱系數(shù) 金屬液體較高，非金屬液體低(水的最大)； 水和甘油：t ， 其它液體：t ， 0.090.6 W/(mK) 4.4.氣體導熱系數(shù)氣體導熱系數(shù) t ， 一般情況下，隨p的變化可忽略； 氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱 0.0060.4 W/(mK) 2-2導熱系數(shù)導熱系數(shù) 2021-6-27 dx dT q TT q 21 2 1 0 T T dTqdx 1、

10、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導 )( 21 TT AqA 熱阻 推動力 R T A TT 21 K/W 2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2021-6-27 例 某平壁厚度=0.37m，內(nèi)表面溫度t1=1650，外表面溫度 t2=300，平壁材料導熱系數(shù)=0.815+0.00076t，W/（m） 試求平壁的面積熱流量q。 975 2 3001650 2 21 tt t m 0.815 0.00076 975 1.556 m 56773001650 37. 0 556. 1 21 ttq 平壁材料的平均導熱系數(shù)： 面積熱流量為： 解： W/（m2 ） W/m2 2021-6-2

11、7 2.多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 A TT 1 1 21 A TT 2 2 32 A TT 3 3 43 14 14 3 1 T TT T i i i i ii i T R A A 總 推 動 力 總 熱 阻 總阻力 總推動力 R T A T n i i i 1 321433221 :RRRTTTTTT 2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2021-6-27 例例 有一燃燒爐，爐壁由三種材料組成。最內(nèi)層是耐火磚， 中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知 耐火磚 1=150mm 1=1.06W/m 保溫磚 2=310mm 2=0.15W/m 建筑磚 3=240mm 3=0.69W

12、/m 今測得爐的內(nèi)壁溫度為1000，耐火磚與保溫磚之間界面 處的溫度為946。試求： (a)單位面積的熱流量； (b)保溫磚與建筑磚之間界面的溫度； 解 (a) q(b)保溫磚與建筑磚的界面溫度t3 q1=q2=q3=q 2 32 2 TT q TT q 21 2021-6-27 dT L dr r r T T 2 1 2 1 2 r 1 1、單層圓筒壁的熱傳導、單層圓筒壁的熱傳導 通過該圓筒壁的導熱速率可以表示為： dr dT A dr dT Lr2 1 2 21 ln 1 2 r r TTL 2-4圓筒圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2021-6-27 這個式子也可以寫成與平壁傳導速率方

13、程類似的形式 21m TTA 1 2 12 m ln )(2 r r rrL A 圓筒壁的對數(shù)平均半徑 1 2 12 ln r r rr rm 12 21m rr TTA 1 2 21 ln 1 2 r r TTL A AA AA m 21 21 ln/ 當r2/r12時可用算術平均值代替對數(shù)平均值 2-4圓筒圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2021-6-27 2、多層圓筒壁的熱傳導、多層圓筒壁的熱傳導 213 234 113322 1 3 1 1 2()2()2() 324 111 lnlnln 2() 4 1 ln i i ii L ttL ttL tt rrr rrr L tt r r

14、 n i i i r r TL 1 1 i ln 1 2 平壁：各處的各處的和和q均相等均相等； 圓筒壁：不同半徑不同半徑r處處相等，但相等，但q卻不等卻不等。 2-4圓筒圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 2021-6-27 第三章第三章 熱量傳遞熱量傳遞 3-1對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析 3-2牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 3-4對流傳熱小結對流傳熱小結 第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱 2021-6-27 l 湍流主體湍流主體 溫度梯度小，熱對流為主溫度梯度小，熱對流為主 l 層流內(nèi)層層流內(nèi)層 溫度梯度大，熱傳導為主溫度梯度大，熱傳導為主 l 過渡區(qū)域過渡區(qū)域

15、熱傳導、熱對流均起作用熱傳導、熱對流均起作用 熱對流與流體的流動情況、流體性質、壁面幾何特征及流體 對壁面的流動方向等因素有關。 對流傳熱的面積熱流量與流體與壁面間的溫度差成正比 3-1對流傳熱的分析對流傳熱的分析 2021-6-27 對流傳熱系數(shù)(傳熱膜系數(shù),給熱系數(shù)），W/(m2K) )( W TTq T)(Tq W 流體被加熱： 流體被冷卻： 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率 反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大，則傳熱快 對流傳熱的面積熱流量與流體與壁面間的溫度差成正比 3-2牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 2021-6-27 t總有效膜厚度； e湍流區(qū)

16、虛擬膜厚度； 層流底層膜厚度。 1.1.有效膜有效膜 te t T TW t tW t R T T)(Tq W Tq t 傳熱有效膜 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 將復雜的對流傳熱簡化為傳導傳熱 2021-6-27 2) 流體的物性流體的物性 1) 流體的種類流體的種類 液體、氣體的各不相同。液體 氣體 導熱系數(shù)導熱系數(shù) 粘度粘度 比熱和密度比熱和密度 體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) （1 1）傳熱膜系數(shù)的影響因素）傳熱膜系數(shù)的影響因素 c p 2.用量綱分析法求無相變時流體的傳熱膜系數(shù)用量綱分析法求無相變時流體的傳熱膜系數(shù) 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 3) 3) 流體流動狀態(tài)流體

17、流動狀態(tài) 湍流的對流傳熱系數(shù)遠比層流時的大 5)5)傳熱面的形狀、大小和位置傳熱面的形狀、大小和位置 湍湍 層層 4 4）對流的種類）對流的種類 強制對流： 自然對流： 由于外力的作用 由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體 密度不同，引起流體質點的位移 強強 自自 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關系表示： f(u，l， ，cp，gt) kualbcd ecpf(gt)h 長度長度L，時間，時間T，質量，質量M，溫度，溫度 （2）量綱分析）量綱分析 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 hfedcba ) TL M () T L

18、 () T M () T ML () LT M (L) T L k(MT 222 2 33 13 hfdcT223a3:時間 fd-1- ：溫度 hedM c1:質量 hfedcbaL2230:長度 hafc2 fd1 hae 13 hab hf p a ) Tgl () c () ul k( l 2 23 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 準數(shù)的符號和意義 準數(shù)名稱符號準數(shù)式意義 努塞爾特準數(shù) （Nusselt） Nu l 表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù) 雷諾準數(shù) （Reynolds） Re lu 確定流動狀態(tài)的準數(shù) 普蘭特準數(shù) （Prandtl） Pr p c 表示物性影響的準數(shù) 格

19、拉斯霍夫準數(shù) （Grashof） Gr 2 23 tlg 表示自然對流影響的準數(shù) 2021-6-27 一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr) 簡化：強制對流簡化：強制對流 Nu=f (Re, Pr)；自然對流；自然對流 Nu=f (Pr, Gr) 流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流 低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體 n reu PRN 8 . 0 023. 0 n p c du d )023. 0 8 . 0 （或 流體被加熱時：n=0.4 流體被冷卻時：n=0.3 應用范圍：Re 104, Pr=0.7160, L/d 50 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù)

20、 2021-6-27 加熱與冷卻的差別：加熱與冷卻的差別： ，加熱t(yī) 液體液體 冷卻加熱 氣體氣體 ，加熱 t冷卻加熱 3 . 04 . 0 , 1PrPrPr液體 加熱時：n=0.4 冷卻時：n=0.3 3 . 04 . 0 1PrPrPr ，氣體 加熱時：n=0.4 冷卻時：n=0.3 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 公式修正：公式修正： 14. 0 )(PrRe027. 0 33. 08 . 0 W Nu 冷卻： 05.1)( 14.0 W 95.0)( 14.0 W （1）高粘度流體 （2 水） 工程處理： 加熱： Re10000，0.7Pr50 液體氣體1)( 14.

21、0 W 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 湍過湍過 f （2）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流 對于Re=200010000時的過渡流范圍， 先按湍流的 公式計算，然后再乘以校正系數(shù)f 8 . 1 5 106 1 e R f （3 3）當）當L/d 30L/d 304040，乘校正系數(shù)，乘校正系數(shù) 1 11 7 . 0 l d f 1.021.07 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 (4) 圓形彎管 乘校正系數(shù) 177. 11 R d f (5) 非圓形管強制湍流 1）當量直徑法 2）直接實驗法 套管環(huán)隙 : 水-空氣系統(tǒng) 3 1 8 . 05 .

22、 0 1 2 PrRe)(02. 0 d d d e 12000Re 膜膜 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 2). 冷凝過程的熱阻：液膜的厚度 3). 蒸汽冷凝的 水平管束外 4 1 w 3/2 32 )( 725.0 TTln gr s 式中 n水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r汽化潛熱（ts下），kJ/kg; TS 飽和溫度；Tw 壁溫 2 Ws TT T 定性溫度：膜溫： 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 湍流 豎壁或豎管上的冷凝 層流 4 1 32 13. 1 tl gr 適用條件：Re1800 特性尺寸l：管或板高H 定性溫度：膜溫 1 23 3 0.4

23、2 0.0076Re g 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 2021-6-27 (2) 液體沸騰時的對流傳熱膜系數(shù)液體沸騰時的對流傳熱膜系數(shù) 沸騰種類沸騰種類 1）大容積沸騰大容積沸騰 2）管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰 3-3傳熱膜系數(shù)傳熱膜系數(shù) 沸騰曲線沸騰曲線 水沸騰曲線水沸騰曲線 C A B D E AB段：段： 自然對流區(qū)自然對流區(qū) t5 BC段：段：5 t25 不穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū)不穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū) DE段：段：t250 穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū)穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū) 2021-6-27 3-4對流傳熱小結對流傳熱小結 注意經(jīng)驗式的適用范圍、定性溫度、定性尺寸注意經(jīng)驗式的適用范圍、定性溫度、定性尺寸 關聯(lián)式中各物理量采用統(tǒng)一

24、單位制關聯(lián)式中各物理量采用統(tǒng)一單位制 學會分析各關聯(lián)式中各物理量對學會分析各關聯(lián)式中各物理量對值的影響，從而分析強值的影響，從而分析強 化對流傳熱的措施化對流傳熱的措施 了解各個情況下了解各個情況下值數(shù)量級的概念，有助于判斷和分析計值數(shù)量級的概念，有助于判斷和分析計 算結果的正確性算結果的正確性 強制對流 自然對流 無相變對流 有相變對流 2021-6-27 KmW KmW 2 2 /10020 /205 強制對流： 自然對流： KmW KmW KmW KmW 2 2 2 2 /250002500 /150005000 /150001000 /1000200 水沸騰： 蒸汽冷凝： 強制對流：

25、自然對流： 空氣中空氣中 水中水中 無無相相變變有有相相變變 自自然然強強制制 gl 總之：總之： KmW KmW 2 2 /2000500 /1500500 蒸汽冷凝： 強制對流： 油類中油類中 3-4對流傳熱小結對流傳熱小結 2021-6-27 例例 有一列管式換熱器，由38根25mm2.5mm的無縫鋼管 組成。苯在管內(nèi)流動，由20被加熱至80，苯的流量為 8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進行加熱。試求管壁對苯的傳 熱系數(shù)。當苯的流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化。 解： tm=(80+20)/2=50 密度=860kg/m3；比熱容 cp=1.80kJ/（kgK）； 粘度=0.45mPas

26、；導熱系數(shù)=0.14W/（mK） 4 0 8 0 4 08 0 79530960 020 140 02300230 . . i . . . .PrRe d . 30960 10450 860810020 3 . .u d Re i 79. 5 14. 0 1045. 0108 . 1 Pr 33 p c 苯在平均溫度下的物性可由附錄查得： 2021-6-27 81. 0 3802. 0785. 0 860 32. 8 4 2 2 nd q u i v 加熱管內(nèi)苯的流速為： 31028 1045. 0 86081. 002. 0 Re 3 udi m/s 795 140 104501081 33

27、 . . . c Pr p 4 08 0 4 08 0 79530960 020 140 02300230 . . i . . . .PrRe d . 1273 W/（m2K） 221521272 8 .0 8 .0 q q 若忽略定性溫度的變化，當苯的流量增加一倍時，給熱系數(shù) 為 W/（m2K） 2021-6-27 第三章第三章 熱量傳遞熱量傳遞 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 4-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 4-3熱交換計算示例熱交換計算示例 第四節(jié)第四節(jié) 熱交換的計算熱交換的計算 2021-6-27 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 間壁壁面對冷流體的對流熱流量 111 11 T () 1

28、 w w T A TT A , , 2 () ww mww m TT ATT A , , 322 22 () 1 w w TT A TT A , , 熱流體對壁面的對流熱流量 間壁內(nèi)傳導的熱流量 2021-6-27 , 11221122 1111 wwwwm mm TTTTTTTTT R AAAAAA 式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2K) 1122 111 m KAAAA 對于穩(wěn)定傳熱 123 2211 11 AAA R m , 11221122 1111 wwwwm mm TTTTTTTTT R AAAAAA 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) =KATm 2021-6-27 當傳熱面為平面時，A=A

29、1=A2=Am 21 111 K 多層復合平壁 2 1i 1 111 n i i K 2.圓筒壁的總傳熱系數(shù)圓筒壁的總傳熱系數(shù) 當傳熱面為圓筒壁時，A1A2Am 1122 111 m KAAAA 1.平面壁的總傳熱系數(shù)平面壁的總傳熱系數(shù) 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 2021-6-27 0 0 0 0 11 1 mii dd Ad l K dd 00 00 111 mii dd Adl Kdd 基于外壁面積的總傳熱系數(shù)計算公式基于外壁面積的總傳熱系數(shù)計算公式 o i mi i d d d d K o i 1 1 00 1 d d d d K m ii m m 1122 111 m KAAAA i

30、ioooo AAm AAK 111 iimoo A A A A K oo 11 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 2021-6-27 0 0 ()/ln mi i d ddd d Am、dm換熱管的對數(shù)平均面積，對數(shù)平均直徑 ii o m o o d d d d K R o 11 io RRR W 污垢熱阻 A AA AA m 21 21 ln/ 傳熱系數(shù)用熱阻表達 當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時， 0 111 i K 00 0 0 111 ssi mii dd RR Kdd i i o m o o d d d d K R o 11 4-1總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 2021-6-27 例例 熱空氣在冷卻

31、管管外流過，2=90W/（m2），冷卻 水在管內(nèi)流過，1=1000W/（m2）。冷卻管外徑do=16mm， 壁厚b=1.5mm，管壁的=40W/（m）。試求： 總傳熱系數(shù)Ko； 管外對流傳熱系數(shù)2增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？ 管內(nèi)對流傳熱系數(shù)1增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？ 21 11 1 m o i o o d db d d K 90 1 5 .14 16 40 0015. 0 13 16 1000 1 1 解： =80.8W/（m2 ） 3-5-3- 101 .111014. 41023. 1 1 =81.1W/（m2 ） 2021-6-27 kmW/4 .147 902 1 00123

32、. 0 1 2 o K kmW/3 .85 01111. 0 13 16 10002 1 1 2 o K 2增加一倍 傳熱系數(shù)增加了82.4% 1增加一倍 傳熱系數(shù)只增加了5.6% 說明要提高要提高K值，應提高較小的值，應提高較小的2值值。 82.4%100 8 .80 8 .80-4 .147 5.6%100 8 .80 8 .80-5.38 2021-6-27 恒溫差傳熱： 變溫差傳熱： 傳熱 - T恒定不變恒定不變TTTm T T T 0 A - T處處不等處處不等 T1 并流 T2 T T2 T1 0 A Tm與流體流向有關與流體流向有關 逆流逆流并流并流錯流錯流折流折流 =KATm4

33、-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 2021-6-27 1、逆流和并流時的傳熱溫差、逆流和并流時的傳熱溫差 假定： （1）換熱器在穩(wěn)定情況下操作； （2）流體的比熱容均為常量，且傳熱系數(shù)k沿換熱面而不變； （3）換熱器無熱損失 以逆流為例，推導平均溫差 A T2 T T1 T2 T1 4-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 T1 T2 T1 T2 2021-6-27 d=qm,hCp,h dT = qm,cCp,c d T 冷、熱流體熱交換的熱量衡算式： , , , , dd m hphm cpc qcqc d Td T 常 量 ； 常 量 , , , , dd m hphm cpc qcq

34、c d Td T 常 量 ； 常 量 kmTkmT k)(km)(mT-T d Td)( TT 12 TdAK 4-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 T1, T2 T1 T2, 2021-6-27 21 TT( T) K TdA d 2 1 A 21 0 TT1( T) dA KT T T d 221 1 TT1 ln K T A T 21 2 1 TT K A ln T T 21 2 1 T T K AK A ln m T T T 21 2 1 TT ln m T T T 對數(shù)平均溫度差： 當T2 / T1 2時， 2 21 TT Tm , 121 TTT , 212 TTT 較大溫差記為

35、T2，較小溫差記為T1 12m TTT 當T1T2 4-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 2021-6-27 并流 T2 T1 T2 T1 A T1 T2 , 211 TTT , 122 TTT (,f P R） 12 , 21 TT R TT 熱流體溫降 冷流體溫升 , 21 , 11 TT P T T 冷流體溫升 兩流體初溫差 2.錯流、折流時的傳熱溫差錯流、折流時的傳熱溫差 根據(jù)根據(jù)R、P查圖查圖 逆,mm TT 4-2傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 2021-6-27 2021-6-27 例例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻 水將熱流體由100冷卻至40，冷卻水進

36、口溫度15，出 口溫度30，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫 度差。解 解 ： 逆流時： 熱流體： 40100 冷流體： 15 30 70 25 1 2 12 , ln T T TT Tm 逆 25 70 ln 2570 C 0 7 .43 2021-6-27 并流時： 熱流體 ： 冷流體 ： 40100 3015 85 10 1 2 12 , ln T T TT Tm 并 10 85 ln 1085 C 0 35 可見：在冷、熱流體初、終溫度相同的條件下，逆流的平 均溫度差大。 2021-6-27 例例：通過一單殼程雙管程的列管式換熱器，用冷卻水冷 卻熱流體。兩流體進出口溫度與上例相

37、同，問此時的傳熱 平均溫差為多少?又為了節(jié)約用水，將冷卻水的出口溫度提 高到35，平均溫差又為多少? 解： 逆流時 Ctm 0 7 .43 ，逆 11 12 TT TT P 15100 1530 176. 0 12 21 TT TT R 1530 40100 0 . 4 2021-6-27 2021-6-27 a184查圖92. 0 逆,mtm tt 7 .4392. 0C 0 2 .40 又冷卻水終溫提到350C， 逆流時： 2565 1535 40100 25 65 ln 2565 , 逆m tC 0 9 .41 15100 1535 P235. 0 1535 40100 R0 . 3 查

38、圖得：86. 0 9 .4186. 0 m t C 0 6 .31 2021-6-27 4-3熱交換計算示例熱交換計算示例 例例3-3 在某鋼制列管式換熱器中，用流量30m3.h-1, 溫度為20 的冷水，將某石油餾分由90冷卻到40 ，已知該餾份的流 量為9075kg.h-1 ，平均比定壓熱容3.35kJ.kg-1.k-1，水在列管換熱 器的管間與油逆流流動，由模擬實驗測得水=1000w.m-2.k-1， 油 =1000w.m-2.k-1 鋼管的壁厚2.5mm, ，其導熱系數(shù)=49w.m-1.k-1，試 求所需的換熱面積為多少？ 解： m TKA （1）換熱量計算 )(q 21, TTc h

39、phm =1.52106kJ.h-1 2021-6-27 （2）冷卻水出口溫度 )(q 12,c , TTc cpm 21 111 K (3)平均溫差 1 2 12 , ln T T TT Tm 逆 逆流時： 熱流體： 4090 冷流體： 20 1 .32 57.9 20 =35.7 (4) 總傳熱系數(shù) (5) 總傳熱面積 m TKA 1 .321 .305 2 KT om o i o o d d d d K 11 1 i 2021-6-27 第三章第三章 熱量傳遞熱量傳遞一、熱交換器的分類一、熱交換器的分類 二、間壁式換熱器二、間壁式換熱器 第六節(jié)第六節(jié) 熱交換器熱交換器 2021-6-27

40、 一、換熱器的分類一、換熱器的分類 管式換熱器、板式換熱器、特殊形式換熱器 換熱器：熱量從一種流體傳向另一種流體的設備 換熱器按用途分類 加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等 換熱器按傳熱面形狀和結構分類 換熱器按作用原理分類 直接接觸式、蓄熱式、間壁式、中間載熱體式 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27 二、間壁式換熱器二、間壁式換熱器 1.夾套換熱器夾套換熱器 優(yōu)點： 結構簡單 缺點： A小 釜內(nèi)小 強化措施： 釜內(nèi)加攪拌 釜內(nèi)加蛇管 外循環(huán) 2021-6-27 2.蛇管換熱器蛇管換熱器 （1） 沉浸式沉浸式 強化措施： 容器內(nèi)加攪拌器，提高K 優(yōu)點： 結構簡單 管內(nèi)能耐

41、高壓 缺點： 管外小 2021-6-27 （2） 噴淋式噴淋式 優(yōu)點： 結構簡單 管內(nèi)能耐高壓 管外 比沉浸式大 缺點： 噴淋不易均勻 占地面積大 2021-6-27 3.套管換熱器套管換熱器 優(yōu)點： 結構簡單 能耐高壓 (K)或tm大 缺點： 結構不緊湊A/V小 接頭多，易漏 2021-6-27 4.列管換熱器列管換熱器 2021-6-27 第三章第三章 傳傳量傳遞量傳遞 換熱器中傳熱過程的換熱器中傳熱過程的 強化強化 第六節(jié)第六節(jié) 傳熱過程的強化傳熱過程的強化 2021-6-27 傳熱過程的強化途徑傳熱過程的強化途徑 2. 增大平均溫度差Tm m TKA 加熱劑T1或冷卻劑T1 兩側變溫，盡量采用逆流 強化傳熱，可A 、Tm、K 1. 增大傳熱面積A 增大單位體積內(nèi)的有效傳熱面積 2021-6-27 3. 增大總傳熱系數(shù)K ) 1