化工原理考研輔導(dǎo)：第5、6章 傳熱及傳熱設(shè)備

1、考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 1 Chap5、6 傳熱及傳熱設(shè)備傳熱及傳熱設(shè)備 一、一、 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 1. 1. 傳熱基本概念傳熱基本概念 （1 1）傳熱的基本方式）傳熱的基本方式 A 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） （導(dǎo)熱） 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移發(fā)生相對(duì)位移的熱量傳遞過(guò)程。的熱量傳遞過(guò)程。 自然對(duì)流自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 主要發(fā)生在固體、靜止流體、主要發(fā)生在固體、靜止流體、 層流內(nèi)層中。層流內(nèi)層中。 B 對(duì)流對(duì)流 C 熱輻射熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 2 能量傳遞的同時(shí)伴

2、隨能量形式的轉(zhuǎn)能量傳遞的同時(shí)伴隨能量形式的轉(zhuǎn) 化化 不需要任何物質(zhì)作媒介不需要任何物質(zhì)作媒介 （2）冷熱流體的接觸方式冷熱流體的接觸方式 蓄熱式蓄熱式 間壁式間壁式 直接接觸式直接接觸式 （3）傳熱速率）傳熱速率 熱流量熱流量 Q: 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)傳熱面整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量傳遞的熱量 J/s或或W 熱流密度熱流密度q： 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積單位傳熱面積傳遞的熱量傳遞的熱量 熱通量熱通量 J/(s. m2)或或W/m2 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 3 dQ q dA （4）定態(tài)與非定態(tài)傳熱）定態(tài)與非定態(tài)傳熱 按照傳熱過(guò)程中傳熱面上各點(diǎn)的溫度是否隨

3、時(shí)間變化按照傳熱過(guò)程中傳熱面上各點(diǎn)的溫度是否隨時(shí)間變化 2. 傅立葉定律與導(dǎo)熱系數(shù)傅立葉定律與導(dǎo)熱系數(shù) （1 1）溫度場(chǎng)和等溫面）溫度場(chǎng)和等溫面 ,zyxft 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)：某時(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。：某時(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。 熱負(fù)荷熱負(fù)荷Q：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時(shí)吸：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時(shí)吸 收或放出的熱量，生產(chǎn)任務(wù)提出的換熱器應(yīng)有的能力。收或放出的熱量，生產(chǎn)任務(wù)提出的換熱器應(yīng)有的能力。 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 4 等溫面等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同溫度相同 的點(diǎn)組成的面。的點(diǎn)組成的面。 不同溫度的等溫面不相交不同

4、溫度的等溫面不相交。 （2）傅立葉定律）傅立葉定律 dd t QA n 負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反 q Q A t n d d 用熱通量來(lái)表示用熱通量來(lái)表示 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 5 對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) dt q dx du dr , A A zAB dc JD dz （3）導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) （熱導(dǎo)率）（熱導(dǎo)率） q tn/ 是是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，在數(shù)值上等于單位溫分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，在數(shù)值上等于單位溫 度梯度下的熱通量。度梯度下的熱通量。 = f (結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 組成組成, 密度密度, 溫度溫度, 壓力）壓力） 金屬固體 金屬

5、固體 非金屬固體非金屬固體 液體液體 氣體氣體 純金屬 純金屬 合金合金 純液體 純液體 溶液溶液 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 6 對(duì)大多數(shù)對(duì)大多數(shù)金屬金屬材料材料 和和液體液體， 對(duì)大多數(shù)對(duì)大多數(shù)非金屬非金屬材料和材料和氣體氣體， t t 【例例】一包有石棉保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉受潮后，其保一包有石棉保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉受潮后，其保 溫效果應(yīng)溫效果應(yīng) ，主要原因是，主要原因是 。 水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大降低降低 金屬：金屬： 2.3-420W/(mK) 0.025-0.25W/(mK)絕緣材料：絕緣材料： 液體：液體： 0.009-0.6W/(mK) 氣體： 氣體： 0.

6、006-0.4W/(mK) 水水和甘油例外和甘油例外 0.25-3W/(mK)建筑材料：建筑材料： 【例例】鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 ，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 ， 20水的導(dǎo)熱系數(shù)為水的導(dǎo)熱系數(shù)為 ， 20空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為 。 (a) 45W/m (b) 0.6W/m (c) 0.026W/m (d) 15W/m (a) (d) (b)(c) 北理工北理工01 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 7 3. 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 由傅立葉定律積分：由傅立葉定律積分： Q tt b A tt R n i i i n n i i n 11 1 11 1 總推動(dòng)力

7、總熱阻 tttttt b A b A b A RRR 122334 1 1 2 2 3 3 123 : 在多層壁導(dǎo)熱過(guò)程中，哪層熱阻大，哪層溫差大；在多層壁導(dǎo)熱過(guò)程中，哪層熱阻大，哪層溫差大； 反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 8 4. 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 11 1 n n iimi i tt Q bA 2 mimi Ar l對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積 1 11 ln/ln/ iii mi iiii rrb r rrrr 對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 9 11 1 1 2 1 ln n n i ii

8、i l tt Q r r Q=常數(shù)，但常數(shù)，但 q 常數(shù)常數(shù) 332211 222lqrlqrlqrQ 332211 qrqrqr 結(jié)論：結(jié)論： 1. 通常將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料包在內(nèi)層（原因是總熱通常將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料包在內(nèi)層（原因是總熱 阻大），以減少熱損失且降低壁面溫度。阻大），以減少熱損失且降低壁面溫度。 2. 保溫層的厚度并非越大越好保溫層的厚度并非越大越好 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 10 當(dāng)保溫層厚度增加時(shí)，當(dāng)保溫層厚度增加時(shí)，ri不變，不變， ro 增大增大 12 RR， 熱損失存在一極值，熱損失存在一極值， 令令 0 dQ dr 0 0 T r r0 Q/l rir0r0 0 rr

9、時(shí)， 隨著保溫層厚度的增加隨著保溫層厚度的增加 熱損失增大。熱損失增大。 當(dāng)保溫層厚度當(dāng)保溫層厚度r0-ri 時(shí)才真正起到保溫作用。時(shí)才真正起到保溫作用。 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 11 北化北化12年年 減少減少 降低降低 4. 球面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)球面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 11 1 n n iimi i tt Q bA 2 4 mimi Ar 1mii i rrr 幾何平均半徑幾何平均半徑 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 12 （一）對(duì)流傳熱過(guò)程分析（一）對(duì)流傳熱過(guò)程分析 d dt t A2A1 tW t TW T 傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 二、對(duì)流傳熱二、對(duì)流傳熱 層流內(nèi)層層流內(nèi)層 溫度梯度大

10、，熱傳導(dǎo)方式溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式 湍流主體湍流主體 溫度梯度小，對(duì)流方式溫度梯度小，對(duì)流方式 過(guò)渡區(qū)域過(guò)渡區(qū)域 熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 13 對(duì)流傳熱的對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層。熱阻主要集中在層流內(nèi)層。 減薄層流內(nèi)層的厚度減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑。是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑。 熱邊界層（溫度邊界層）熱邊界層（溫度邊界層） 壁面附近存在著壁面附近存在著較大溫度梯度較大溫度梯度的流體層區(qū)域的流體層區(qū)域 一般規(guī)定一般規(guī)定 處為熱邊界層的界限。處為熱邊界層的界限。0.99 ww tttt- （二）（二）對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱速率 )( w TT

11、AQ 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 1 w TT A T R 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式來(lái)自對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式來(lái)自 和和 相結(jié)合的方法。相結(jié)合的方法。 因次分析因次分析 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱總是概括地將邊界層的對(duì)流傳熱總是概括地將邊界層的 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 和邊界層外和邊界層外 的的熱對(duì)流熱對(duì)流合并考慮，并命名為給熱。合并考慮，并命名為給熱。廈門(mén)大學(xué)廈門(mén)大學(xué)07年年 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 14 （三）給熱系數(shù)的影響因素及因次分析（三）給熱系數(shù)的影響因素及因次分析 （1）引起流動(dòng)的原因：引起流動(dòng)的原因： 自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 （2）流動(dòng)型態(tài)：流動(dòng)型態(tài)： 層流或湍流層流或湍流 （3） 流體的物性流

12、體的物性: ，cp ， （4）傳熱面的形狀、大小、位置：）傳熱面的形狀、大小、位置： （5）是否發(fā)生相變）是否發(fā)生相變 無(wú)無(wú)相相變變有有相相變變 自自然然強(qiáng)強(qiáng)制制 gl 規(guī)律：規(guī)律： 1. 影響因素影響因素 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 15 l Nu Pr p c 32 2 Re du tgl Gr 或-格拉曉夫（格拉曉夫（Grashof ）準(zhǔn)數(shù)是雷）準(zhǔn)數(shù)是雷 諾數(shù)的一種變形，表征自然對(duì)流時(shí)諾數(shù)的一種變形，表征自然對(duì)流時(shí) 的的“雷諾數(shù)雷諾數(shù)” 2. 無(wú)因次數(shù)群無(wú)因次數(shù)群 -努塞爾（努塞爾（Nusselt）數(shù)，數(shù)， -普蘭特（普蘭特（Prandtl）準(zhǔn)數(shù)，反映物性的影響。準(zhǔn)數(shù)，反映物性的影響。 表示

13、導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻之比表示導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻之比 一般，氣體的一般，氣體的Pr1 - 雷諾（雷諾（Reynolds）數(shù)，）數(shù)， 流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 16 （四）給熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（四）給熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 0.4 0.3 n n 被加熱 被冷卻 0.8 0.023()() p n c du d 適用范圍：適用范圍： Re10000，0.6Pr160， 50 1. 圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流 特征尺寸：特征尺寸： 2 m tt t 進(jìn)出 定性溫度：定性溫度： 管內(nèi)徑管內(nèi)徑di 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 17 20 80 . .

14、d u 對(duì)對(duì)n根管子的列管式換熱器根管子的列管式換熱器 2 4 s i V u d n 若流量不變，單管程變成雙管程若流量不變，單管程變成雙管程 2 2 42 s i V uu n d 從而引起從而引起變化變化 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 18 彎曲管內(nèi)彎曲管內(nèi) 1 1.77 c d R 彎管的傳熱系數(shù)大于直管，彎管的傳熱系數(shù)大于直管， 因流體在彎管內(nèi)流動(dòng)，受慣性離心力的作用造成二次環(huán)因流體在彎管內(nèi)流動(dòng)，受慣性離心力的作用造成二次環(huán) 流，增大了流體的湍動(dòng)程度。流，增大了流體的湍動(dòng)程度。 其它簡(jiǎn)單了解其它簡(jiǎn)單了解 2. 蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù)蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù) 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝冷凝方式：

15、滴狀冷凝和膜狀冷凝 滴 滴 膜膜 工業(yè)生產(chǎn)中以膜狀冷凝為主工業(yè)生產(chǎn)中以膜狀冷凝為主 短管的傳熱系數(shù)大于長(zhǎng)管，短管的傳熱系數(shù)大于長(zhǎng)管， 因短管內(nèi)流動(dòng)尚未充分發(fā)展，層流內(nèi)層較薄，熱阻小。因短管內(nèi)流動(dòng)尚未充分發(fā)展，層流內(nèi)層較薄，熱阻小。 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 19 不凝氣體的影響：不凝氣體的影響： 若蒸汽中含有空氣或其它不凝性氣體，因空氣的若蒸汽中含有空氣或其它不凝性氣體，因空氣的 和和很小，在冷凝傳熱表面上很小，在冷凝傳熱表面上形成一層熱阻較大的氣形成一層熱阻較大的氣 膜，使膜，使急劇下降急劇下降，因此，應(yīng)在蒸汽冷凝一側(cè)設(shè)備的，因此，應(yīng)在蒸汽冷凝一側(cè)設(shè)備的 上部裝排氣口，及時(shí)排除不凝氣。上部裝排

16、氣口，及時(shí)排除不凝氣。 飽和蒸汽冷凝時(shí)，飽和蒸汽冷凝時(shí)， 突然下降，可能原因是突然下降，可能原因是 。 蒸汽中含不凝氣，壁面附近形成一層氣膜，傳熱阻力加大蒸汽中含不凝氣，壁面附近形成一層氣膜，傳熱阻力加大 為減少冷凝液膜的厚度，垂直板或管可開(kāi)縱向溝槽，為減少冷凝液膜的厚度，垂直板或管可開(kāi)縱向溝槽， 水平管束可采用錯(cuò)列水平管束可采用錯(cuò)列 若兩空，另一原因?yàn)槿魞煽?，另一原因?yàn)槔淠磁懦隼淠磁懦觥?在換熱管的外側(cè)開(kāi)溝槽?？商岣呃淠o熱系數(shù)在換熱管的外側(cè)開(kāi)溝槽?？商岣呃淠o熱系數(shù),其原因可理解為其原因可理解為 。 河北工業(yè)河北工業(yè)12年年 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 20 3. 液體沸騰時(shí)的給熱系數(shù)

17、液體沸騰時(shí)的給熱系數(shù) 產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象的必要條件：產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象的必要條件： 液體過(guò)熱、液體過(guò)熱、 有汽化核心有汽化核心 大容積飽和沸騰傳熱分為大容積飽和沸騰傳熱分為自然對(duì)流自然對(duì)流、核狀沸騰核狀沸騰、 膜狀沸騰膜狀沸騰三個(gè)階段，工業(yè)生產(chǎn)常在三個(gè)階段，工業(yè)生產(chǎn)常在核狀沸騰核狀沸騰階段階段 操作。操作。 沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施 1）液體的性質(zhì)）液體的性質(zhì) , 2）溫差）溫差 在核狀沸騰階段溫差提高，在核狀沸騰階段溫差提高， 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 21 p3）操作壓強(qiáng)）操作壓強(qiáng) 核狀沸騰膜狀沸騰 4）加熱面）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，新的、潔凈的、粗糙的加熱

18、面， 大大 強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 22 三、輻射傳熱三、輻射傳熱 DRA QQQQ 1DRA 固體、液體：固體、液體： D=0 R+A=1 氣體：氣體： R=0 A+D=1 （一）黑體、白體、透熱體、灰體（一）黑體、白體、透熱體、灰體 黑體：黑體： 1A 指吸收率的物體 白體（鏡體）：白體（鏡體）： 1R 指反射率的物體 透熱體：透熱體： 1D 指透過(guò)率的物體 如單原子或?qū)ΨQ雙原子構(gòu)成的氣體如單原子或?qū)ΨQ雙原子構(gòu)成的氣體 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 23 灰體灰體-以以相同的吸收率相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)的熱輻射能的物體，吸收所有

19、波長(zhǎng)的熱輻射能的物體， 如工業(yè)用的大多數(shù)固體材料如工業(yè)用的大多數(shù)固體材料。 （二）斯蒂芬（二）斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律 4 00( ) 100 T EC 不透熱體，即不透熱體，即A+R=1, D=0 C0黑體輻射系數(shù)，黑體輻射系數(shù)，5.669 W/(m2 .K4) 絕對(duì)黑體的發(fā)射能力與熱力學(xué)溫度的絕對(duì)黑體的發(fā)射能力與熱力學(xué)溫度的4次方成正比。次方成正比。 四次方定律表明，四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感。熱輻射對(duì)溫度特別敏感。 例：三種傳熱方式的基本定律：熱傳導(dǎo)（）；熱對(duì)流例：三種傳熱方式的基本定律：熱傳導(dǎo)（）；熱對(duì)流 （）；熱輻射（）華南（）；熱輻射（）華南07年年 傅里葉定律傅

20、里葉定律牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 24 【例例】327黑體的輻射能力是黑體的輻射能力是27 黑體的黑體的 倍。倍。 16 0 E E -黑度（或輻射率）黑度（或輻射率） 取決于物體的種類、表面溫度、表面狀況。取決于物體的種類、表面溫度、表面狀況。 是物體本身的特性，是物體本身的特性， 是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。 表面光滑、顏色較淺的黑度小，輻射能力弱。表面光滑、顏色較淺的黑度小，輻射能力弱。 為減少熱損失，應(yīng)選用為減少熱損失，應(yīng)選用表面光滑，顏色較淺表面光滑，顏色較淺的材料。的材料

21、。 44 00 100100 T C T CEE 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 25 （三）克?；舴蚨桑ㄈ┛讼；舴蚨?0 E A E 結(jié)論：結(jié)論： （1）任何物體的發(fā)射能力與吸收率的比值均相同，任何物體的發(fā)射能力與吸收率的比值均相同， 且等于同溫度下絕對(duì)黑體的發(fā)射能力。物體的發(fā)射且等于同溫度下絕對(duì)黑體的發(fā)射能力。物體的發(fā)射 能力越強(qiáng)，其吸收率越大（即吸收率不僅取決于自能力越強(qiáng)，其吸收率越大（即吸收率不僅取決于自 身情況，而且還與輻射物體的情況（即所輻射的波身情況，而且還與輻射物體的情況（即所輻射的波 長(zhǎng)）有關(guān)）。長(zhǎng)）有關(guān)）。 （2）相同溫度下，物體的吸收率與黑度在數(shù)值上相等。相同溫度下，物體的

22、吸收率與黑度在數(shù)值上相等。 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 26 （五）影響輻射傳熱的因素（五）影響輻射傳熱的因素 1. 溫度的影響溫度的影響 2. 幾何位置（角系數(shù)）的影響幾何位置（角系數(shù)）的影響 T4 ，低溫時(shí)可忽略，高溫時(shí)可能成為主要方式，低溫時(shí)可忽略，高溫時(shí)可能成為主要方式 3. 表面黑度的影響表面黑度的影響 ，可通過(guò)，可通過(guò)改變黑度強(qiáng)化或減小輻射傳熱改變黑度強(qiáng)化或減小輻射傳熱。 5. 輻射表面間介質(zhì)的影響輻射表面間介質(zhì)的影響 減小輻射散熱，減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏）在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏） 4. 面積大小的影響面積大小的影響 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 27

23、間壁傳熱的三個(gè)基本步驟：間壁傳熱的三個(gè)基本步驟： 四、傳熱過(guò)程的計(jì)算四、傳熱過(guò)程的計(jì)算 （1）熱流體以對(duì)流方式將熱量傳遞給管壁；）熱流體以對(duì)流方式將熱量傳遞給管壁； （2）熱量以熱傳導(dǎo)方式從管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；）熱量以熱傳導(dǎo)方式從管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)； （3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對(duì)流方式傳遞給冷流體；）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對(duì)流方式傳遞給冷流體； （一）傳熱速率方程式（一）傳熱速率方程式 m tKAQ 222 12 21112 111 ss m dddb RR Kddd 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 28 討論：討論： K由各環(huán)節(jié)熱阻相加而成，所以原則上由各環(huán)節(jié)熱阻相加而成，所以原則上減小任

24、何環(huán)節(jié)減小任何環(huán)節(jié) 熱阻熱阻，均可提高均可提高K值值，增大傳熱速率。，增大傳熱速率。 若污垢熱阻可忽略若污垢熱阻可忽略 22 2112 111 m ddb Kdd 若管壁很薄若管壁很薄 212 111 K 1222 K若，則 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 29 氣液氣液熱交換時(shí)，提高熱交換時(shí)，提高氣側(cè)氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)的對(duì)流傳熱系數(shù) 汽液汽液熱交換時(shí)，提高熱交換時(shí)，提高液側(cè)液側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)的對(duì)流傳熱系數(shù) 總熱阻總熱阻1/K的數(shù)值將由其中最大熱阻決定。的數(shù)值將由其中最大熱阻決定。 K由由 小者決定。（小者決定。（ 1 2 ） 提高提高K有效方法是提高有效方法是提高 小者。小者。 K的數(shù)量級(jí)概念（的數(shù)

25、量級(jí)概念（SI制單位）制單位） 液液：數(shù)百液液：數(shù)百 氣氣、氣液：數(shù)十氣氣、氣液：數(shù)十 汽液：上千汽液：上千 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 30 （二）傳熱溫差和熱量衡算（二）傳熱溫差和熱量衡算 1. 熱量衡算熱量衡算 無(wú)相變時(shí)無(wú)相變時(shí) 1112sp Qm cTT 相變時(shí)相變時(shí) 2221sp m ctt 1s Qm r 2221sp m ctt 111sps QmrcTT 2221sp m ctt 熱負(fù)荷：熱負(fù)荷： （生產(chǎn)任務(wù)提出的換熱器應(yīng)有的能力）（生產(chǎn)任務(wù)提出的換熱器應(yīng)有的能力） 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 31 11122221 ()() mspsp QKA tm cTTm ctt 傳熱計(jì)算的出發(fā)

26、點(diǎn)和核心傳熱計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)和核心： 2. 傳熱平均溫度差傳熱平均溫度差 （1）恒溫傳熱）恒溫傳熱 m ttTt （2）變溫傳熱）變溫傳熱 A 逆流和并流時(shí)的逆流和并流時(shí)的tm 12 1 2 ln m tt t t t -對(duì)數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 32 C 不同流動(dòng)型式的比較不同流動(dòng)型式的比較 (1) 在進(jìn)、出口溫度相同的條件下在進(jìn)、出口溫度相同的條件下,逆流的平均溫逆流的平均溫 度差最大度差最大,并流的平均溫度差最小并流的平均溫度差最小,其他形式流動(dòng)的其他形式流動(dòng)的 平均溫度介于逆流和并流之間。平均溫度介于逆流和并流之間。 (2) 逆流可以節(jié)省冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)的用量。逆

27、流可以節(jié)省冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)的用量。 (3) 采用折流和其他復(fù)雜流動(dòng)的目的是為了提高傳熱采用折流和其他復(fù)雜流動(dòng)的目的是為了提高傳熱 系數(shù)，其代價(jià)是平均溫度差相應(yīng)減小系數(shù)，其代價(jià)是平均溫度差相應(yīng)減小 簡(jiǎn)述逆流較并流的優(yōu)勢(shì)，河北工業(yè)簡(jiǎn)述逆流較并流的優(yōu)勢(shì)，河北工業(yè)08年年 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 33 （三）傳熱效率（三）傳熱效率- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 涉及求出口溫度（避免試差）或定性分析時(shí)可用此法。涉及求出口溫度（避免試差）或定性分析時(shí)可用此法。 1. 傳熱效率傳熱效率 s11min m() psp cm c當(dāng) max Q Q 最大可能傳熱速率 實(shí)際傳熱速率 傳熱效率 11 min sp

28、Q m cTt 實(shí)際傳熱速率 12 1 11 TT Tt 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 34 min2s2 )(m psp cmc當(dāng) 21 2 11 tt Tt 2. 傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù) 11 21 1 psm cm KA t TT NTU 22 12 2 psm cm KA t tt NTU 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 35 3. 傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系 逆流：逆流： 并流：并流： 1exp(1) exp(1) R RR NTUC CNTUC 1exp(1) 1 R R NTUC C 其中：其中： min R max sp sp m c C m c 考考 研研 輔輔 導(dǎo)

29、導(dǎo) 36 s1122 psp m cm c 11 RR1 22 sp sp m c CC m c 若若 則：則： 1 NTUNTU 11sp KA m c 12 11 TT Tt s1122 psp m cm c若若 22 RR2 11 sp sp m c CC m c 則：則： 2 NTUNTU 22sp KA m c 21 11 tt Tt 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 37 s1122 psp m cm c若若 NTU R C 22 ( )T t 并流：并流： 1exp2 2 NTU 逆流：逆流： 1 NTU NTU 當(dāng)兩流體之一有相變時(shí)或因釜內(nèi)攪拌而使一側(cè)流體當(dāng)兩流體之一有相變時(shí)或因釜內(nèi)攪拌

30、而使一側(cè)流體 溫度均勻時(shí)，溫度均勻時(shí)， 1expNTU , R NTUC 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 38 攪拌如夾套式換熱器，釜內(nèi)通熱油加以攪拌，夾套內(nèi)攪拌如夾套式換熱器，釜內(nèi)通熱油加以攪拌，夾套內(nèi) 通冷卻水。通冷卻水。 攪拌造成的混合使進(jìn)口釜液熱量很快傳遞，溫度迅攪拌造成的混合使進(jìn)口釜液熱量很快傳遞，溫度迅 速降低，導(dǎo)致平均傳熱推動(dòng)力下降，但強(qiáng)烈攪拌往往速降低，導(dǎo)致平均傳熱推動(dòng)力下降，但強(qiáng)烈攪拌往往 會(huì)使會(huì)使K大幅度增加，從而強(qiáng)化傳熱過(guò)程。大幅度增加，從而強(qiáng)化傳熱過(guò)程。 攪拌對(duì)傳熱影響：攪拌對(duì)傳熱影響： 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 39 五、換熱器五、換熱器 管程數(shù)：管程數(shù)： 換熱器內(nèi)的管子組數(shù)換

31、熱器內(nèi)的管子組數(shù) 2 4 s V u d n 內(nèi) 管程數(shù) 通過(guò)在頂蓋內(nèi)裝置通過(guò)在頂蓋內(nèi)裝置隔板隔板實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) Ad Ln 外 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 提高管內(nèi)流體的流速而增大給熱系數(shù)；提高管內(nèi)流體的流速而增大給熱系數(shù)； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 阻力損失阻力損失增大，增大， 平均溫差平均溫差降低降低 殼程數(shù)：殼程數(shù)：流體在殼內(nèi)流經(jīng)的次數(shù) 流體在殼內(nèi)流經(jīng)的次數(shù) 通過(guò)在殼內(nèi)安裝與管束平行的隔板實(shí)現(xiàn)通過(guò)在殼內(nèi)安裝與管束平行的隔板實(shí)現(xiàn) 將單程列管式換熱器改為雙程的作用是（將單程列管式換熱器改為雙程的作用是（ ），）， 但這將使（但這將使（ ）減小，（）減小，（ ）增大。）增大。 華南華南07 增大給熱系數(shù)增大給熱系數(shù) 平均溫

32、差平均溫差 阻力損失阻力損失 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 40 加折流擋板：加折流擋板：增大殼程流體的湍動(dòng)，提高殼程的增大殼程流體的湍動(dòng)，提高殼程的 固定管板式換熱器固定管板式換熱器（補(bǔ)償圈補(bǔ)償）（補(bǔ)償圈補(bǔ)償） 列管式換熱器的分類（根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同）：列管式換熱器的分類（根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同）： 浮頭式換熱器浮頭式換熱器（浮頭補(bǔ)償）（浮頭補(bǔ)償） U形管式換熱器形管式換熱器 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 41 易于清洗側(cè) 管程 管程 管程 殼程 （便于排放冷凝液及不凝性氣體） 殼程 冷、熱流體的走向：冷、熱流體的走向： 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 42 傳熱過(guò)程的強(qiáng)化途徑傳熱過(guò)程的強(qiáng)化途徑 （一）增大（一

33、）增大 tm m tKAQ 提高加熱劑提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑的溫度或降低冷卻劑t1的溫度的溫度 兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng)兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng) （二）增大（二）增大A/V 直接接觸傳熱，可增大直接接觸傳熱，可增大A 和湍動(dòng)程度，使和湍動(dòng)程度，使Q 采用高效新型換熱器采用高效新型換熱器 改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)以增大改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)以增大A 和湍動(dòng)程度，使和湍動(dòng)程度，使Q ( (簡(jiǎn)述如何強(qiáng)化換熱器中傳熱過(guò)程？川大簡(jiǎn)述如何強(qiáng)化換熱器中傳熱過(guò)程？川大0909年）年） 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 43 （三）增大（三）增大K 盡可能利用有相變的熱載體（盡可能利用有相變的熱載體（ 大）大）

34、用用 大的熱載體大的熱載體 減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻 提高提高 較較小一側(cè)有效小一側(cè)有效 提高提高 的方法的方法( (無(wú)相變無(wú)相變) )： 增大流速增大流速 加擾流元件（如翅片）加擾流元件（如翅片） 改變傳熱面形狀改變傳熱面形狀 翅片管加熱器一般用于翅片管加熱器一般用于一側(cè)為氣體，一側(cè)為蒸氣冷一側(cè)為氣體，一側(cè)為蒸氣冷 凝凝的場(chǎng)合的場(chǎng)合 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 44 六、實(shí)驗(yàn)六、實(shí)驗(yàn) 關(guān)于總傳熱系數(shù)關(guān)于總傳熱系數(shù)K、對(duì)流傳熱系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定的測(cè)定 七、定性分析七、定性分析 多采用多采用傳熱效率傳熱效率- -傳熱單元數(shù)法傳熱單

35、元數(shù)法 1. 冷、熱流體在套管式換熱器中進(jìn)行無(wú)相變的逆流傳熱，管冷、熱流體在套管式換熱器中進(jìn)行無(wú)相變的逆流傳熱，管 內(nèi)走熱流體，管外走冷流體，管內(nèi)外兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)內(nèi)走熱流體，管外走冷流體，管內(nèi)外兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù) 量級(jí)相近，問(wèn)熱流體進(jìn)口溫度量級(jí)相近，問(wèn)熱流體進(jìn)口溫度T1 增加而其它條件不變，換增加而其它條件不變，換 熱器傳熱量熱器傳熱量Q、冷流體和熱流體出口溫度如何變化？、冷流體和熱流體出口溫度如何變化？ 1 11sp KA NTU m c 2 22sp KA NTU m c 不變不變 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 45 11 R1 22 sp sp m c C m c 22 R2 11 s

36、p sp m c C m c 不變不變 不變不變 設(shè)設(shè) 1122spsp m cm c （ 時(shí)結(jié)果相同）時(shí)結(jié)果相同） 1122spsp m cm c 12 11 TT Tt 211 1TTt 1112sp Qm cTT 1111sp m cTt 2221sp Qm ctt 1111sp m cTt 2 t 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 46 若若ms2 增加，結(jié)果如何？增加，結(jié)果如何？ 2s m， 2 22sp KA NTU m c 2 ，K 2 0.8 s Km Km 但 增大幅度比小 （ 充其量與 的次方成正比） 22 R2 11 sp sp m c C m c 21 11 tt Tt 2 t

37、考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 47 1 11sp KA NTU m c 11 R1 22 sp sp m c C m c 12 11 TT Tt 2 T 1112sp Qm cTT 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 48 流量為流量為0.5kg/s、溫度為、溫度為20的水（的水（Cp=4.18kJ/kgK）流過(guò)串）流過(guò)串 聯(lián)的兩臺(tái)列管換熱器，以冷卻流量為聯(lián)的兩臺(tái)列管換熱器，以冷卻流量為0.8kg/s、溫度為、溫度為120 的某溶液（的某溶液（Cp=2kJ/kgK）, 測(cè)得該溶液的出口溫度為測(cè)得該溶液的出口溫度為65， 現(xiàn)因故使進(jìn)口水降到現(xiàn)因故使進(jìn)口水降到6，問(wèn)：若保持其他進(jìn)口條件不變，問(wèn)：若保持其他進(jìn)口條件不

38、變， 則溶液的出口溫度變?yōu)槎嗌伲縿t溶液的出口溫度變?yōu)槎嗌伲?北京理工北京理工 2004年年 1122spsp m cm c 12 11 TT Tt 2 22sp KA NTU m c 不變不變 22 R2 11 sp sp m c C m c 不變不變 不變不變 2 1 12012065 120201206 T o 2 57.3 CT 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 49 2. 一列管式換熱器中用飽和水蒸氣預(yù)熱某有機(jī)溶液（無(wú)相一列管式換熱器中用飽和水蒸氣預(yù)熱某有機(jī)溶液（無(wú)相 變），蒸汽走殼程，問(wèn)變），蒸汽走殼程，問(wèn) （1）若飽和水蒸氣）若飽和水蒸氣ps 增大，有機(jī)溶液流量和入口溫度不變，增大，有機(jī)溶液

39、流量和入口溫度不變， （2）若有機(jī)溶液流量增加而入口溫度和水蒸氣壓力不變，）若有機(jī)溶液流量增加而入口溫度和水蒸氣壓力不變， 則傳熱量則傳熱量Q和有機(jī)溶液出口溫度和有機(jī)溶液出口溫度t2有何變化。有何變化。 （1） ms2 不變，管內(nèi)外傳熱系數(shù)不變，所以不變，管內(nèi)外傳熱系數(shù)不變，所以K不變。不變。 2 22sp KA NTU m c 不變 21 1 1 exp s tt NTU Tt 不變 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 50 , ss pT 2221sp Qm ctt 2 t （2） 2 , s m,K 2s Km但 增大幅度比小 2 22sp KA NTU m c 21 1 1 exp s tt NT

40、U Tt 2 t 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 51 2221sp Qmctt ，無(wú)法判斷 12 2 m tt QKA tKA 而 1122ss tTttTt=不變， = m t 又又 K Q 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 52 某套管傳熱實(shí)驗(yàn)裝置，傳熱管為薄壁紫銅管，現(xiàn)采用某套管傳熱實(shí)驗(yàn)裝置，傳熱管為薄壁紫銅管，現(xiàn)采用 T=120的飽和水蒸汽冷凝加熱管內(nèi)呈湍流流動(dòng)的空氣，空的飽和水蒸汽冷凝加熱管內(nèi)呈湍流流動(dòng)的空氣，空 氣的進(jìn)出口溫度分別為氣的進(jìn)出口溫度分別為t1=25.0、t2=55.0。由三位實(shí)驗(yàn)。由三位實(shí)驗(yàn) 者測(cè)得的傳熱銅管的平均壁溫，分別為者測(cè)得的傳熱銅管的平均壁溫，分別為119.0、98.0、

41、50.0。（忽略管壁熱阻、可能的污垢熱阻及物性參數(shù)隨溫。（忽略管壁熱阻、可能的污垢熱阻及物性參數(shù)隨溫 度的變化）度的變化） （1）試計(jì)算說(shuō)明三位實(shí)驗(yàn)者測(cè)得平均壁溫的合理性；）試計(jì)算說(shuō)明三位實(shí)驗(yàn)者測(cè)得平均壁溫的合理性； （2）若增大空氣流量，其他操作條件不變，試分析：空氣）若增大空氣流量，其他操作條件不變，試分析：空氣 出口溫度應(yīng)如何變化；傳熱平均壁溫應(yīng)如何變化。出口溫度應(yīng)如何變化；傳熱平均壁溫應(yīng)如何變化。 本題參考資料：本題參考資料： 氣體強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的大致范圍：氣體強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的大致范圍：20-100 W/(m2) 水蒸氣冷凝傳熱膜系數(shù)的大致范圍：水蒸氣冷凝傳熱膜系數(shù)的大致范圍：50

42、00-15000W/(m2) 天津大學(xué)天津大學(xué)04年年 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 53 1 12 WW TttTt 15000 4012040 15000 100 =119.5 （1） （2） 2 t 2 , s m,K 2s Km但 增大幅度比小 2 22sp KA NTU m c 21 1 1 exp s tt NTU Tt t W t 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 54 1. 設(shè)計(jì)型計(jì)算：設(shè)計(jì)型計(jì)算： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，求算設(shè)備尺寸，或某一類型的換熱器根據(jù)設(shè)計(jì)要求，求算設(shè)備尺寸，或某一類型的換熱器 能否滿足要求。能否滿足要求。 八、計(jì)算八、計(jì)算 實(shí)實(shí)需需、 、比較比較AA,AA 需實(shí) 若104）方式

43、通過(guò)管內(nèi)。）方式通過(guò)管內(nèi)。 （1）若兩臺(tái)換熱器并聯(lián)使用，通過(guò)每臺(tái)換熱器的空氣流量）若兩臺(tái)換熱器并聯(lián)使用，通過(guò)每臺(tái)換熱器的空氣流量 均等，此時(shí)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為均等，此時(shí)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為38W/m2.K，空氣的出口，空氣的出口 溫度溫度t2及水蒸氣的總冷凝量及水蒸氣的總冷凝量W0為多少（以為多少（以kg/h表示）？表示）？ （2）若兩臺(tái)換熱器改為串聯(lián)使用，空氣的出口溫度）若兩臺(tái)換熱器改為串聯(lián)使用，空氣的出口溫度t2及水及水 蒸氣的總冷凝量蒸氣的總冷凝量W0為多少（以為多少（以kg/h表示）？表示）？ 已知空氣比熱為已知空氣比熱為cp=1kJ/kg.K，忽略熱損失。清華大學(xué)，忽略熱損失。清華大學(xué)01年年 華東石油華東石油05年年 考考 研研 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 63 解：解： （1）水蒸氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)）水蒸氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù) 2 1 38WmKK 3 2 2 38 20 0.608 1.25 101 2 s p KA NTU m c 1 exp()0.456NTU 又又 21 1 tt Tt 2 93.8 Ct 3 3 2.5 1 1093.8303600 279.6kg h 2054 10 2221 0 sp m ctt Q