傳熱和傳熱設(shè)備

1、目錄 第五章 傳熱及設(shè)備第一節(jié)概述第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、傅里葉定律二、熱導(dǎo)率三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1目錄 第三節(jié)對(duì)流傳熱一、實(shí)驗(yàn)法求二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式（一）無(wú)相變 1、管內(nèi)層流 2、管內(nèi)湍流 3、管外強(qiáng)制對(duì)流 4、自然對(duì)流（二）有相變 1、冷凝 2、沸騰 對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié) 的數(shù)量級(jí)2目錄3第四節(jié) 間壁式換熱器的傳熱 一、換熱器簡(jiǎn)介 二、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程分析 三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算 1、總傳熱速率方程 2、Q的計(jì)算 3、 K的計(jì)算 4、tm的計(jì)算 5、傳熱單元數(shù)法 習(xí)題課 6、壁溫的計(jì)算目錄4第五節(jié) 間壁式換熱器介紹（教材第六章） 一、列管式換熱器（管殼式換

2、熱器） 二、其它類(lèi)型的換熱器 三、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化目錄5第六節(jié) 輻射傳熱一、基本概念二、物體的輻射能力 三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱速率四、氣體熱輻射的特點(diǎn)五、輻射、對(duì)流的聯(lián)合傳熱第五章小結(jié)第五章 傳熱及設(shè)備6/141第一節(jié)概述熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）對(duì)流傳熱輻射傳熱傳熱有三種方式：(舉例電熱爐燒水)機(jī)理：相互接觸的物質(zhì)之間靜止的物質(zhì)內(nèi)部層流流動(dòng)的物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生在管內(nèi)層流熱量入對(duì)流傳熱系數(shù)或給熱系數(shù)，W/m2K氣體-靠分子或原子的無(wú)規(guī)則若運(yùn)動(dòng)；固體-金屬靠自由電子，非金屬靠晶格的震動(dòng)液體-兩種觀點(diǎn)（見(jiàn)教材）導(dǎo)熱導(dǎo)熱自然對(duì)流第二節(jié) 熱傳導(dǎo)7/141一、傅里葉定律1、基本概念 單位時(shí)間傳遞的熱量，J/s單

3、位傳熱面積上的傳熱速率，J/m2s，矢量，方向?yàn)閭鳠崦娴姆ň€方向q溫度相同的點(diǎn)組成的面兩等溫面的溫差與兩等溫面間的任一距離之比兩等溫面的溫差與兩等溫面間的法向距離（最短）之比等溫面等溫面8/1412、傅里葉定律負(fù)號(hào)表示q與溫度梯度方向相反稱(chēng)為熱導(dǎo)率, 單位為W/(mK) q對(duì)照：牛頓黏性定律，形式上很相似9/141物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小， 故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。一般地， 導(dǎo)電固體 非導(dǎo)電固體， 液體 氣體（見(jiàn)圖5-4）二、熱導(dǎo)率屬物性影響因素：與物質(zhì)種類(lèi)、T、濃度有關(guān)，一般與 P 無(wú)關(guān) T ， 氣體 水， 甘油，其它液體的 金屬， 非金屬。獲取方法：查相關(guān)物性數(shù)據(jù)手冊(cè)，

4、如附錄二四。三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)10/1411. 無(wú)限大單層平壁（無(wú)內(nèi)熱源）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-可見(jiàn)溫度分布為直線若為常數(shù)，則：b無(wú)限厚無(wú)限長(zhǎng)特點(diǎn)：屬一維導(dǎo)熱，A為常數(shù)， Q為常數(shù)三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)11/1412、無(wú)限大多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無(wú)內(nèi)熱源）特點(diǎn)：同單層平壁此外，通過(guò)每一層的Q（或 q）都相同對(duì)每一層均有：作業(yè)：三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)12/141思考1：若上述平壁的右側(cè)與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流傳熱，設(shè)環(huán)境溫 度為t0、對(duì)流傳熱系數(shù)為，則傳熱量如何計(jì)算？t1t4四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)13/1411、無(wú)限長(zhǎng)單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無(wú)內(nèi)熱源）特點(diǎn)：屬一維導(dǎo)熱，A常數(shù)， Q為常數(shù)， q常數(shù)若為常數(shù)，則：

5、-可見(jiàn)溫度分布 為對(duì)數(shù)關(guān)系在(t1，t)積分，得：在(t1，t2)積分，得：四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)14/1411、無(wú)限長(zhǎng)單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無(wú)內(nèi)熱源）-對(duì)數(shù)平均半徑 三種平均的比較15/141對(duì)數(shù)平均、算術(shù)平均、幾何平均的比較：紅線-算術(shù)平均（最大）黃線-幾何平均（其次）綠線-對(duì)數(shù)平均（最小） 平均值x=5時(shí)對(duì)數(shù)平均幾何平均算術(shù)平均返回上頁(yè)且x與y相差越大，對(duì)數(shù)平均值與x、y中最小者越接近四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)16/1412、無(wú)限長(zhǎng)多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無(wú)內(nèi)熱源）對(duì)每一層均有：教材更正： P141例5-4中每米管長(zhǎng)的熱損失計(jì)算式左邊應(yīng)為Q，不應(yīng)為Q/L，單位應(yīng)為W，不應(yīng)為W/m。四、

6、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)17/141思考2： 氣溫下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在里面好，還是穿在外面好？bb12QQbb21作業(yè)：18/141影響因素：接觸面的粗糙程度，接觸面的壓緊力，接觸面空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。 接觸熱阻：兩固體之間由于未緊密接觸而導(dǎo)致的接觸熱阻一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)返回目錄第三節(jié) 對(duì)流傳熱19/141回憶：什么是對(duì)流傳熱？強(qiáng)制對(duì)流-湍流流動(dòng)的流體與外界的傳熱自然對(duì)流-靜止流體、層流流動(dòng)流體與外界的傳熱對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2K邊界層是對(duì)流傳熱的主要熱阻所在。ttwQ牛頓冷卻定律： 流向近壁面?zhèn)鳠岱糯髨D第三節(jié) 對(duì)流傳熱20/141獲得的主要方法：理論分析法 解析求解、

7、數(shù)值求解實(shí)驗(yàn)法： 半理論半經(jīng)驗(yàn)方法，是目前的主要方法。牛頓冷卻定律：一、實(shí)驗(yàn)法求21/141影響的因素主要有： 1.引起流動(dòng)的原因：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 2.流動(dòng)型態(tài)：層流或湍流 3.流體的性質(zhì)：、cp、等 4.傳熱面的形狀、大小、位置：如圓管與平板、垂直與水平、 管內(nèi)與管外等 5.有相變與無(wú)相變： cp或汽化潛熱r量綱分析法：回憶第一章有關(guān)內(nèi)容 用量綱分析法、再結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。定理：一、實(shí)驗(yàn)法求22/141-格垃曉夫數(shù)Gr是雷諾數(shù)的一種 變形，相當(dāng)于自然對(duì)流時(shí)的“雷諾數(shù)”無(wú)因次數(shù)群：-努塞爾數(shù)，表示導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻之比-普朗特?cái)?shù)，反映物性的影響。 一般地，氣體的Pr1 一、實(shí)驗(yàn)法求

8、23/141故定性溫度：確定物性的溫度，有兩種主體平均溫度 膜溫 二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式24/141（一）無(wú)相變時(shí) 當(dāng)Gr25000，需考慮自然對(duì)流對(duì)傳熱的影響，式（5-65）乘上一個(gè)大于1的校正系數(shù)： 1、管內(nèi)層流時(shí)0.6Pr6700，Gr25000（自然對(duì)流影響可以忽略），溫差（壁溫與流體主體溫度之差）不大。使用范圍為： 管子的進(jìn)口段，恒壁溫、Re2300、思考：為什么需乘上一個(gè)大于1的校正系數(shù)？見(jiàn)教材P166頁(yè)式（5-65）-傳熱主要以導(dǎo)熱方式為主（有時(shí)有自然對(duì)流）二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式25/1412、管內(nèi)湍流（教材式5-63）二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式26/1412、管內(nèi)湍流（教材式5-6

9、3）思考1：與u、d有何比例關(guān)系？思考2：為什么加熱時(shí)n取0.4，冷卻時(shí)取0.3？氣體的Pr1等溫液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱速度分布時(shí)，變大時(shí)，變小作業(yè)：27/141Why？Why？因?yàn)椋汗軆?nèi)未充分發(fā)展，層流底層較薄，熱阻較小。 若不滿足適用范圍時(shí)，需修正： （1）對(duì)于短管，L/d100即可達(dá)到湍流。式（5-72）二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式29/1414、自然對(duì)流 （大空間）C、n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 式（5-75）二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式30/141（二）有相變豎直壁面：先層流，后湍流 層流：式（5-79）、式（5-79 b ） 湍流：式（5-82）1、冷凝傳熱 膜狀冷凝：液膜是主要熱阻

10、水平圓管外： 層流：式（5-80）31/141水平管束：膜狀冷凝傳熱的強(qiáng)化： 減薄冷凝液液膜厚度；選擇正確的蒸汽流動(dòng)方向；在傳熱面上垂直方向上刻槽或安裝若干條金屬絲等；用過(guò)熱蒸汽；及時(shí)排放不凝性氣體。第一排的與單管相似，第二排的比第一排小，第三排的比第二排小，若干排后，基本上不變。平均比單排的?。ㄊ?-80與5-80a對(duì)比） 。膜狀冷凝：二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式32/1412、沸騰傳熱（大容積）（1）產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象的必要條件： 液體過(guò)熱、 有汽化核心（2）沸騰傳熱機(jī)理：氣泡的不斷形成、長(zhǎng)大、脫離壁面，熱量隨氣泡被帶入液體內(nèi)部；同時(shí)引起液體的攪動(dòng)。二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式33/141（3）大容積沸騰傳

11、熱的沸騰曲線twts沸騰曲線過(guò)熱度不大，氣泡沒(méi)有； 膜狀沸騰 自然對(duì)流核狀沸騰工業(yè)上常用二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式34/141（4）核狀沸騰傳熱系數(shù)的主要影響因素： 表面粗糙度：粗糙表面大，但粗糙度達(dá)到一定極限后， 就基本上沒(méi)影響了。過(guò)熱度： 與t的23次方成正比。二、各種情形下的經(jīng)驗(yàn)式35/141對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié)注意經(jīng)驗(yàn)式的適用范圍、定性溫度、定性尺寸的數(shù)量級(jí)36/141空氣中水中總之：油類(lèi)中返回目錄第四節(jié) 間壁式換熱器的傳熱37/141 換熱器是導(dǎo)熱方式、對(duì)流傳熱方式在工業(yè)應(yīng)用中的典型代表。故在介紹完導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱之后，我們接著介紹換熱器的傳熱過(guò)程及計(jì)算（教材第三節(jié)）。 首先，需簡(jiǎn)單了解一下?lián)Q

12、熱器的結(jié)構(gòu)（教材第六章），以便正確地進(jìn)行換熱器的計(jì)算。 第四節(jié) 間壁式換熱器的傳熱38/141一、換熱器簡(jiǎn)介分類(lèi) 換熱器在我國(guó)石油化工、煉油、冶金、輕工、制藥、食品等行業(yè)應(yīng)用極為普遍，占全部工藝設(shè)備投資的2040。冷熱流體直接接觸，傳熱直接、效率高、熱阻小冷熱流體隔一固體壁面，傳熱效率不如直接接觸式。工業(yè)應(yīng)用最廣。39/141間壁式換熱器：管式：套管式*、列管式*、 蛇管式、噴淋式板式：螺旋板、板式、 板翅式、翅片管式熱管：夾套式：請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)以后再介紹40/141列管式換熱器：管程數(shù)：?jiǎn)喂艹獭㈦p管程、多管程殼程數(shù)：?jiǎn)螝こ?、雙殼程、多殼程四管程請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)冷、熱流體一次經(jīng)過(guò)換熱器管程流體兩

13、次經(jīng)過(guò)換熱器管程、殼程流體兩次經(jīng)過(guò)換熱器管程流體四次經(jīng)過(guò)換熱器二、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程分析41/14121三個(gè)串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)：熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱間壁的導(dǎo)熱冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱傳熱邊界層是傳熱的主要熱阻所在。間壁熱流體冷流體流向流向三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算42/1411、 總傳熱速率方程（總）傳熱系數(shù)，單位W/m2K 式中：牛頓冷卻定律： 熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱dQ間壁的導(dǎo)熱其中dA可取dA1、dAm、dA2等。-總傳熱速率方程 冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算43/141-總傳熱熱阻Q2、Q的計(jì)算無(wú)相變時(shí)：有相變時(shí)：三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算44/141（1）查經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表

14、5-6（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定（3）分析計(jì)算若取平均，微元面積可以用有限傳熱面積替代，則（其中A可取A1、Am、A2均可）3、 K的計(jì)算分析計(jì)算公式：前面已推得：三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算45/141Q考慮到實(shí)際傳熱時(shí)，間壁兩側(cè)還有污垢熱阻，則上式變?yōu)椋海ㄆ渲蠥可取A1、Am、A2均可）總熱阻對(duì)流熱阻污垢熱阻導(dǎo)熱熱阻污垢熱阻對(duì)流熱阻 若等號(hào)右邊五項(xiàng)熱阻中有一項(xiàng)特別大，則總熱阻1/K的數(shù)值主要取決于這一最大者，這一最大熱阻稱(chēng)為控制熱阻。 設(shè)法減小控制熱阻的值，可以顯著地改善換熱器的傳熱效果。46/141作業(yè)：三、間壁式換熱器的傳熱過(guò)程計(jì)算47/1414、tm的計(jì)算（1）恒溫差傳熱TTttQ-t 恒定不

15、變，故冷凝沸騰48/141（2）變溫差傳熱-t 處處不等冷凝沸騰無(wú)相變無(wú)相變無(wú)相變無(wú)相變49/141（2）變溫差傳熱以冷、熱流體均無(wú)相變、逆流流動(dòng)為例：前面已推得：t2 t1 50/141-對(duì)數(shù)平均溫差（逆、并流適用）對(duì)照得：作業(yè)：51/141 若流動(dòng)非逆、并流，如錯(cuò)流、折流，則tm需采用相應(yīng)的計(jì)算式，如式5-25。工程上，為了簡(jiǎn)便計(jì)算， tm常用下述方法：其中：根據(jù)R、P查圖思考1：證明，相同進(jìn)出口溫度下， tm,逆總是大于tm,并。思考2：為什么總是小于1？小結(jié)52/141LMTD法-對(duì)數(shù)平均溫差法 Logarithmic Mean Temperature Diffrence（逆、并流）

16、（其他流動(dòng)情況） 5、傳熱單元數(shù)法（-NTU）53/141引入3個(gè)無(wú)量綱數(shù)群：熱容流量之比CR： 傳熱效率：傳熱單元數(shù)NTU：傳熱單元數(shù)法公式推導(dǎo)：熱流體冷流體5、傳熱單元數(shù)法（-NTU）54/141以逆流為例：()前面已推得：5、傳熱單元數(shù)法（-NTU）55/141代入式（）中得：（逆流總傳熱速率方程）（逆流總傳熱速率方程）類(lèi)似地，有故可統(tǒng)一寫(xiě)成：（逆流總傳熱速率方程）5、傳熱單元數(shù)法（-NTU）56/141（并流總傳熱速率方程）參見(jiàn)圖5-2022類(lèi)似推導(dǎo)可得并流時(shí)：已知CR、NTU三者中任意兩項(xiàng)，查圖或用公式可以很方便地求出另外一項(xiàng)。圖5-2022的規(guī)律：（比公式直觀?。?CR一定時(shí)，NT

17、U，則； NTU一定時(shí)， CR，則。57/141（逆流總傳熱速率方程）表示為相變過(guò)程。思考1：使用式（5-44）、（5-45）時(shí)，是否有必要先判斷哪種流體的熱容流量較?。克伎?：逆流時(shí)，若CR=1，則NTU=？思考3： CR=0代表什么含義？不必為什么稱(chēng)為“傳熱效率”？58/141實(shí)際傳熱速率：最大可能傳熱速率：當(dāng)熱流體的熱容流量ms1cp1最小時(shí)當(dāng)冷流體的熱容流量ms2cp2最小時(shí)：的物理意義：-傳熱效率-傳熱效率-傳熱效率為什么稱(chēng)NTU為“傳熱單元數(shù)”？59/141什么是“傳熱單元”？ 什么是“傳熱單元數(shù)”？ 傳熱單元的個(gè)數(shù)-傳熱單元數(shù)。 如圖，傳熱單元數(shù)為5。以逆流為例，將整個(gè)傳熱面分成

18、若干段，每一段均滿足：12345為什么稱(chēng)NTU為“傳熱單元數(shù)”？60/14112345傳熱單元數(shù)的幾何意義：61/141思考1：傳熱單元數(shù)大好還是小好？NTU就是圖中陰影部分面積如圖，NTU小就意味著達(dá)到相同的出口溫度（T2或t2）時(shí)，所需的A小。小結(jié)62/141-NTU法（逆流時(shí)）（并流時(shí)）或查圖5-20或查圖5-21查圖LMTD法與-NTU法比較兩種方法本質(zhì)相同，至少應(yīng)熟練掌握其中一種方法；使用時(shí)方便程度各有優(yōu)劣。詳見(jiàn)下面的習(xí)題課內(nèi)容。63/141習(xí)題課64/141 -根據(jù)換熱任務(wù)，求取換熱器面積。-操作條件改變后，對(duì)已有的換熱器換熱 能力或出口溫度進(jìn)行核算。習(xí)題課-設(shè)計(jì)型問(wèn)題舉例65/1

19、41 【例1】在套管式油冷卻器里，熱油在252.5mm的金屬管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在套管環(huán)隙內(nèi)流動(dòng)，油和水的質(zhì)量流量皆為216kg/h，油的進(jìn)、出口溫度分別為150和80，水的進(jìn)口溫度為20。油側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為1.5kW/m2K，水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為3.5kW/m2K ，油的比熱為2.0kJ/kgK 。 試分別計(jì)算逆流和并流操作所需要的管長(zhǎng)。 忽略污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻。252.5mm66/141【解法一】 ： LMTD 法逆流時(shí)：(以外表面為基準(zhǔn))252.5mm67/141252.5mmQ、t2、K與逆流時(shí)相同 (以外表面為基準(zhǔn))并流時(shí)：68/141結(jié)論：在相同條件下， 逆流并流69/141逆流時(shí)

20、： 按冷、熱流體當(dāng)中的任一計(jì)算均可。以下以熱流密度最小的熱流體為基準(zhǔn)計(jì)算。代入式（1）得：252.5mm【解法二】 ： -NTU法（逆流時(shí)）（1）70/141(以外表面為基準(zhǔn))-參見(jiàn)解法一71/141并流時(shí)：代入式（2）得：72/141總結(jié)：對(duì)設(shè)計(jì)型問(wèn)題，建議使用LMTD法。作業(yè)：習(xí)題課-操作型問(wèn)題計(jì)算舉例73/141【例2】有一臺(tái)現(xiàn)成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質(zhì)量流量950kg/h，冷凝溫度為40，冷凝傳熱系數(shù)1=7000W/m2K。冷卻水走管內(nèi)，其進(jìn)、出口溫度分別為32和36，污垢及管壁熱阻取為0.0009 m2K/W（以外表面計(jì)）。假設(shè)管內(nèi)外流動(dòng)可近似視為逆

21、流。試核算該換熱器是否合用？ 列管式換熱器基本尺寸如下： 換熱管規(guī)格 252.5mm 管長(zhǎng) l=4m 管程數(shù) M=4 總管數(shù) N=272根 外殼直徑 D=700mm附：氨冷凝潛熱 r=1099kJ/kg34下水的物性：74/141污垢及管壁熱阻為0.0009 m2K/W（以外表面計(jì)）【解法一】 ： LMTD 法 根據(jù)已定的換熱任務(wù)，求出所需面積A需，然后與實(shí)際已給的面積A實(shí)比較。若A需A實(shí)，則換熱器合用。這樣，將上述操作型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了設(shè)計(jì)型問(wèn)題。其中：75/1411=7000kW/m2K污垢及管壁熱阻為Ra2=0.0009 m2K/W（以外表面計(jì)）污垢及管壁熱阻為0.0009 m2K/W（以外

22、表面計(jì)）代入下式：76/141即換熱器合用!注意 此題比較Q也可以，但比較K或tm則不妥。77/141【解法二】 ： -NTU法污垢及管壁熱阻為0.0009 m2K/W（以外表面計(jì)） 逆流。因熱流體有相變，按冷流體計(jì)算較為方便，此時(shí)前已求得：習(xí)題課-操作型問(wèn)題計(jì)算舉例78/141【例3】如圖所示，單管程列管式換熱器，內(nèi)有180根191.5mm的管子，每根長(zhǎng)3米，管內(nèi)走流量為2000 kg/h的冷流體，與熱流體進(jìn)行逆流換熱，其進(jìn)口溫度為30。已知(ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 （下標(biāo)2代表冷流體，下標(biāo)1代表熱流體）。冷流體的Cp2=1.05kJ/(kg)，2=210-2cP，

23、2=0.0289W/(m)，熱流體的進(jìn)口溫度為T(mén)1=150，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體的出口溫度T2。79/141180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。注意：不必試差！【解法一】 ： LMTD 法80/141180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。81/141（1

24、）又（2）聯(lián)立求解式1、2得：180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。82/141180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。【解法二】 ： -NTU法ms2cp2=2000 1050/3600=583.33W/()A2=Nd2L180 0.016 3=27.130m2類(lèi)似解法一求得：（

25、逆流時(shí)）83/141180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。（逆流時(shí)）（逆流）84/141180根191.5mm，長(zhǎng)3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。對(duì)照：LMTD法又85/141總結(jié)： 對(duì)操作型問(wèn)題，兩種方法均可用，但 -NTU法計(jì)算量少些。注意：兩種方法均不必試差。習(xí)題課-操作型問(wèn)題定性分析86/1

26、41【例4】無(wú)相變的冷、熱流體在套管式換熱器中進(jìn)行換熱，今若熱流體的質(zhì)量流量增大，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。 快速分析法：【解法一】87/141總結(jié)： “快速分析法”是基于換熱的基本規(guī)律而做出的簡(jiǎn)單推斷，是工程上常用的有效、快捷的方法，這種方法并不能處理所有問(wèn)題，尚需掌握下面要介紹的兩種方法之一。88/141ms12不變定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)?！窘夥ǘ?： -NTU法K：T2：t2： 教材圖5-2022-NTU法K由教材圖5-202289/141定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。Q：逆流并流tm：作圖知，無(wú)法判斷90/14

27、1總結(jié)： “-NTU法”要用到-NTU-CR關(guān)系圖。能處理所有問(wèn)題，是需掌握的方法之一。91/141【解法三】：LMTD法定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。K：ms12不變K(1)(2)(3)(4)92/141定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。Q：排除法(1)(2)(3)(4)假設(shè)Q不變假設(shè)Q變小式（1）tm式（2）T2式（3）t2不變ms1并流逆流如圖tm矛盾，故假設(shè)不成立93/141定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。Q：排除法(1)(2)(3)(4)假設(shè)Q式（1）tm式（2）T2式（3）t2ms1并流逆流如圖tm矛盾，故假設(shè)不成立94/141定性分析K、Q、t

28、2、T2、tm的變化趨勢(shì)。t2：(1)(2)(3)(4)t2式（3）并流逆流T2：排除法假設(shè)T2不變式（2）t2作圖K隨ms1增加的幅度小于0.8次方式（4）式（1）Q隨ms1增加的幅度小于0.8次方矛盾，故假設(shè)不成立假設(shè)T295/141定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。(1)(2)(3)(4)并流逆流式（2）t2作圖K隨ms1增加的幅度小于0.8次方式（4）式（1）Q隨ms1增加的幅度小于0.8次方矛盾，故假設(shè)不成立假設(shè)T2Q隨ms1增加的幅度大于1次方96/141定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。tm：作圖知，無(wú)法判斷（同解法二）97/141總結(jié)： 對(duì)操作型問(wèn)題的定性分

29、析，用-NTU 法更簡(jiǎn)便些。98/141練習(xí)1 無(wú)相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，今若冷流體的進(jìn)口溫度t1下降，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。T1 t2 t1T299/141 快速分析法： t1，則必有t2，Q，K不變。故T2?！窘夥ㄒ弧?t2 t1T1T2定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。100/141 t2 t1T1T2【解法二】 ： -NTU法教材圖5-2022-NTU法定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)。101/141 t1T1T2定性分析K、Q、t2、T2、tm的變化趨勢(shì)?！窘夥ㄈ浚篖MTD法Q：K：t2：T2：tm：

30、(1)(2)(3)(4)排除法式（2）式（1）作圖102/141練習(xí)2： 在一列管式換熱器中用飽和水蒸汽預(yù)熱某有機(jī)溶液（無(wú)相變），蒸汽走殼程，今若蒸汽壓力變大，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析K、Q、t2、tm的變化趨勢(shì)。蒸汽壓力變大，則T變大K不變，Q，故t2 ，tm103/141練習(xí)3： 無(wú)相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，今若將單管程變成雙管程，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析K、Q、T2、t2、tm的變化趨勢(shì)。單管程變成雙管程，則u，故1，K ，NTU 。而CR不變。T2 ，t2tmQ104/141作業(yè)：6、壁溫的計(jì)算105/141 計(jì)算需要壁溫；選擇換熱管材料需要壁溫。對(duì)穩(wěn)定傳熱

31、過(guò)程，有：思考：若管壁熱阻忽略，熱流體側(cè)1遠(yuǎn)大于冷流體側(cè) 2 ，則壁溫更接近哪一側(cè)流體的溫度？更接近熱流體的溫度返回目錄第五節(jié) 間壁式換熱器介紹（教材第六章）106/141間壁式換熱器： 該換熱器使用最廣泛，技術(shù)最成熟。本節(jié)將詳細(xì)介紹，其它換熱器作一般性介紹。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）107/1411、構(gòu)造 列管式（管殼式）換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，且能選用多種材料制造，故適應(yīng)性極強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應(yīng)用。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）108/141殼體、管板、管束、頂蓋（封頭）、擋板一、列管式換熱器（管殼式換熱器）109/141

32、當(dāng)殼體和管壁之間的溫差在50以上時(shí)，由于兩者熱膨脹程度不同，可能會(huì)出現(xiàn)將管子扭曲或從管板上拉松，因此，要考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。2、溫度補(bǔ)償問(wèn)題：一、列管式換熱器（管殼式換熱器）110/141思考：如何判斷管壁溫度tw、殼體壁溫Tw更接近哪一個(gè)溫度：熱流體 溫度T、冷流體溫度t or環(huán)境溫度 t0？ 若0大，則Tw更接近t0；若1大，則Tw更接近T。 若1大，則tw 更接近T ；若2大，則tw更接近t。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）111/1413、溫度補(bǔ)償方法： 換熱器兩端管板和殼體是連為一體的（見(jiàn)圖6-10）。 當(dāng)殼體和管子之間的溫差較?。?070 )且殼體承受壓力不太高時(shí)，可采用補(bǔ)償圈（又稱(chēng)

33、膨脹節(jié)）。 （1）補(bǔ)償圈補(bǔ)償-固定管板式換熱器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，適用于殼體和管束溫差小、管外物料比較清潔、 不易結(jié)垢的場(chǎng)合。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）112/141（2）浮頭補(bǔ)償-浮頭式換熱器特點(diǎn)：（3）U型管補(bǔ)償-U型管式換熱器 一端管板用法蘭與殼體連接固定，另一端在殼體中自由伸縮，整個(gè)管束可以由殼體中拆卸出來(lái)（見(jiàn)圖6-11）。用于殼體與管子間溫差大的場(chǎng)合，但管內(nèi)清洗比較困難。 適用于殼體與管束間溫差大、 需經(jīng)常進(jìn)行管內(nèi)、外清洗的場(chǎng)合。每根管子都為U形，可以自由伸縮（見(jiàn)圖6-12）。特點(diǎn)：一、列管式換熱器（管殼式換熱器）113/1414、選用、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介已知：換熱任務(wù)（一種流體

34、的進(jìn)、出口溫度、流量）設(shè)計(jì)內(nèi)容：冷卻劑或加熱劑的選定：常用的冷卻劑有：水、空氣、液氨、冷凍鹽水等常用的加熱劑有：水蒸汽、熱空氣、熱油、聯(lián)苯混合物、煙道氣等一、列管式換熱器（管殼式換熱器）114/141冷、熱流體的走向：管徑、管長(zhǎng)、管數(shù)、管子排布計(jì)算：一般原則：不潔凈的或易結(jié)垢的流體-腐蝕性流體-壓力高的-溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境的或遠(yuǎn)低于環(huán)境的流體-蒸汽-粘度大的或流量較小的流體-易于清洗側(cè)管程殼程管程管程殼程（便于排放冷凝液及不凝性氣體）以上幾點(diǎn)有時(shí)會(huì)相互矛盾，應(yīng)抓住主要方面。按第一章和本章計(jì)算公式。二、其它類(lèi)型的換熱器115/141間壁式換熱器： 特點(diǎn)：高效、緊湊，在許多方面優(yōu)于管殼式換熱器。 70

35、80年代是國(guó)外PHE(plate heat exchangers)發(fā)展的鼎盛時(shí)期。我國(guó)由于試驗(yàn)研究基礎(chǔ)薄弱，設(shè)計(jì)技術(shù)水平不高，制造與檢驗(yàn)手段落后，技術(shù)開(kāi)發(fā)力量分散等原因，品種還不多，質(zhì)量也不高。請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà)三、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化116/141強(qiáng)化傳熱目的： 用較少的傳熱面積或較小的設(shè)備（A）完成同樣的傳熱任務(wù)（Q）;或力求使換熱設(shè)備在單位時(shí)間、單位面積傳遞的熱量（Q/A）盡可能地大。1、提高tm-操作中采用此法不經(jīng)濟(jì)，工業(yè)上還要設(shè)法降低tm；但設(shè)計(jì)中： (1)采用逆流流動(dòng) (2)盡量采用高溫加熱劑或低溫冷卻劑。2、采用新型高效的換熱設(shè)備 例如，一般管殼式

36、換熱器每1m3體積的傳熱面積約為150m2左右，而板式換熱器可達(dá)1500m2左右，板翅式高達(dá)5000 m2左右。三、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化換熱表面粗糙法：采用帶環(huán)向凸出物的橫紋管管壁上繞上細(xì)金屬絲管壁上開(kāi)槽117/1413、提高K要設(shè)法減小熱阻較大項(xiàng)，才能有效地提高K值。 三、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化流體旋轉(zhuǎn)法: 采用螺紋管、在管內(nèi)插入紐帶等，使流體作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。118/141換熱表面特殊處理法： 將換熱表面經(jīng)特殊處理，加工成表面多孔管，使換熱表面具有大量穩(wěn)定的汽化核心，可大大強(qiáng)化沸騰傳熱過(guò)程。換熱表面擴(kuò)展法： 采用各種形狀的肋片管。返回目錄第六節(jié) 輻射傳熱119/141一、基本概念1、什么是輻射傳熱？2、吸收率

37、、發(fā)射率、透過(guò)率熱輻射線波長(zhǎng)在0.4m40m，主要有可見(jiàn)光、紅外線靠電磁波傳熱的方式，稱(chēng)為。 自然界中凡是溫度在0 K以上的物體，都會(huì)不停地向四周發(fā)射熱輻射能。120/1413黑體、白體、透熱體、灰體灰體-以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)的熱輻射能的物體。工業(yè)用的大多數(shù)固體材料可近似為灰體。-透熱體，如單原子或?qū)ΨQ(chēng)雙原子構(gòu)成的氣 體（ He ， H2，O2 等）吸收率A1反射率R1透過(guò)率D1-絕對(duì)黑體，如沒(méi)有光澤的黑漆-絕對(duì)白體或鏡體，如十分光亮的金屬 如圖可見(jiàn)，實(shí)際物體的輻射特性曲線過(guò)于復(fù)雜，工程上為方便處理，以灰體近似替代實(shí)際物體。！注意：灰體是一種假想體。二、物體的輻射（發(fā)射）能力121/141輻射能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積上對(duì)所有波長(zhǎng)輻射線的輻射 能量，用E表示，單位W/m2。又稱(chēng)發(fā)射能力。根據(jù)普朗克量子理論，有 1、黑體的輻射能力Eb所有物體中，黑體的發(fā)射能力最強(qiáng)。-斯蒂芬波爾茨曼定律 二、物體的輻射（發(fā)射）能力122/141-黑度（或輻射率）屬物性，與材料性質(zhì)和溫度、濃度等有關(guān)3、與A的關(guān)系-克希霍夫定律2、灰體的輻射能力E灰體 黑體 T1T2EEbAEb T T比黑體的小。對(duì)虛線所示面能量衡算：如圖兩壁面無(wú)限大且相距很近。注意：只是數(shù)值上相等發(fā)射能力強(qiáng)的吸收能力也強(qiáng)三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱