化工原理下冊(cè)第四章 傳熱

1第四章傳熱24.1概述4.1.1傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用4.1.2傳熱的三種基本方式4.1.3冷熱流體的接觸方式4.1.4熱載體及其選擇4.1.5間壁式換熱器的傳熱過(guò)程34.1概述4.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

熱力學(xué)第二定律：只要存在溫度差，熱量會(huì)自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向：傳熱極限：傳熱推動(dòng)力：高溫→低溫溫度相等溫度差傳熱應(yīng)用：科研、生產(chǎn)、生活4加熱或冷卻換熱保溫

強(qiáng)化傳熱過(guò)程削弱傳熱過(guò)程

56根據(jù)機(jī)理的不同，傳熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。傳熱過(guò)程可依靠其中的一種或幾種方式同時(shí)進(jìn)行。

（一）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)又稱(chēng)導(dǎo)熱，是借助物質(zhì)的分子或原子振動(dòng)以及自由電子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量的過(guò)程。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部在傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)宏觀遷移的前提下，只要存在溫度差，就必然發(fā)生熱傳導(dǎo)。可見(jiàn)熱傳導(dǎo)不僅發(fā)生在固體中，同時(shí)也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。

在靜止流體內(nèi)部以及在作層流運(yùn)動(dòng)的流體層中垂直于流動(dòng)方向上的傳熱，是憑借流體分子的振動(dòng)碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，換言之，這兩類(lèi)傳熱過(guò)程也應(yīng)屬于導(dǎo)熱的范疇。導(dǎo)熱過(guò)程的特點(diǎn)是：在傳熱過(guò)程中傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)塊的宏觀遷移。4.1.2傳熱的三種基本方式

1t12t2’QQ’層流7（二）熱對(duì)流

熱對(duì)流是利用流體質(zhì)點(diǎn)在傳熱方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)流。根據(jù)造成流體質(zhì)點(diǎn)在傳熱方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因不同，又可分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。若相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由外力作用引起的，則稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。如傳熱過(guò)程因泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等對(duì)流體做功造成傳熱方向上質(zhì)點(diǎn)塊的宏觀遷移。若相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，則稱(chēng)為自然對(duì)流。

8（三）熱輻射熱輻射是一種通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱量的方式。具體地說(shuō)，物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進(jìn)行傳送，當(dāng)遇到另一個(gè)能吸收輻射能的物體時(shí)，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而?shí)現(xiàn)傳熱。根據(jù)赫爾－波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對(duì)零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時(shí)有接受電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對(duì)溫度的4次方成正比。94.1.3冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式主要特點(diǎn)：冷熱兩種流體間的熱交換，是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)：傳熱速度快、效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，是工業(yè)換熱器的首選類(lèi)型。典型設(shè)備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器適用范圍：無(wú)價(jià)值的蒸氣冷凝，或其冷凝液不要求是純粹的物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場(chǎng)合。廢蒸氣冷水熱水10

二、蓄熱式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單耐高溫缺點(diǎn)：設(shè)備體積大有一定程度的混合低溫流體高溫流體11三、間壁式

傳熱面為內(nèi)管壁的表面積

套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T212列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積

熱流體T1T2冷流體t1t2134.1.4熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等

用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等

冷卻溫度30C水加熱溫度180C飽和水蒸氣14熱負(fù)荷Q’：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，單位J/s或W。傳熱速率Q：熱流量，單位時(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，單位時(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。4.1.5間壁式換熱器的傳熱過(guò)程一、基本概念15非穩(wěn)態(tài)傳熱

二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱

式中 A──總傳熱面積，m2。16三、冷熱流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程t2t1T1T2對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體熱流體冷流體17穩(wěn)態(tài)傳熱：184.2熱傳導(dǎo)4.2.1有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念4.2.2傅立葉定律4.2.3導(dǎo)熱系數(shù)4.2.4通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)4.2.5通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)194.2.1有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念式中 t──某點(diǎn)的溫度，℃；

x,y,z──某點(diǎn)的坐標(biāo)；──時(shí)間。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20不穩(wěn)定溫度場(chǎng)

穩(wěn)定溫度場(chǎng)

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。

不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1>t2等溫面Q21(2)溫度梯度

t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個(gè)點(diǎn)的概念。溫度梯度是一個(gè)向量。方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增的方向?yàn)檎痪S穩(wěn)定熱傳導(dǎo)224.2.2傅立葉定律

式中dQ──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；

dA──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/(m·K)。23

負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反

表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)

越大，導(dǎo)熱性能越好

用熱通量來(lái)表示

對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

24(2)是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。4.2.3導(dǎo)熱系數(shù)

(1)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）(3)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)金屬固體

>非金屬固體

>液體

>氣體

258幾種氣體的導(dǎo)熱率412653t/℃072004006001000800165432λ×102/(Wm-1℃－1）1－水蒸氣2－氧氣3－二氧化碳4－空氣5－氮?dú)?－氬氣幾種氣體的熱導(dǎo)率：260161026242012各種液體的導(dǎo)熱率水115141312111098765432λ×85.98/(Wm-1℃－1）t/℃λH2O×85.98/(Wm-1℃－1）475153555759491－無(wú)水甘油2－蟻酸3－甲醇4－乙醇5－蓖麻油6－苯胺7－醋酸8－丙酮9－丁醇10－硝基苯11－異丙苯12－苯13－甲苯14－二甲苯15－凡士林油2060100140幾種液體的熱導(dǎo)率：27

物質(zhì)熱導(dǎo)率的大致范圍

物質(zhì)種類(lèi)熱導(dǎo)率純金屬100~1400

金屬合金50~500液態(tài)金屬30~300非金屬固體0.05~50

非金屬液體0.5~5絕熱材料0.05~1

氣體0.005~0.50.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空氣甲烷二氧化碳苯（氣態(tài)）硅藻土冰水硅磚粘土耐火磚鎂磚鋁（液體）高合金鋼合金鋼低碳鋼鉀（液體）鋅（液體）鋼（液體）鋅（固體）銅鋁溫度K不同物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的比較導(dǎo)熱系數(shù)λw/mK28在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0,──0℃,t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)。對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0，t

對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

1)固體

金屬：純金屬>合金非金屬：同樣溫度下，越大，越大。292)液體

金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。

t

（除水和甘油）3)氣體

一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液

t

氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來(lái)保溫或隔熱。30

4.2.4通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一、通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假設(shè)：(1)A大，b??；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。t1t2btxdxQxQx+dx31取dx的薄層，作熱量衡算：

對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)

傅立葉定律：

邊界條件為：

32得：

設(shè)不隨t而變

式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

A──平壁的面積，m2；

b──平壁的厚度，m；

──平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──平壁兩側(cè)的溫度，℃。33討論：

2．分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1．可表示為推動(dòng)力：熱阻：為34

不隨t變化，

t～x成呈線(xiàn)形關(guān)系。3．當(dāng)隨t變化時(shí)若隨t變化關(guān)系為：則t～x呈拋物線(xiàn)關(guān)系。

如：1～t1，2～t235

二、通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假設(shè)：(1)A大，b?。?2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。(4)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t336推廣至n層：

37三、各層的溫差

思考：厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，哪一層熱阻最大，說(shuō)明各層的大小排列。t1t2t3t431238例：

某平壁燃燒爐是由一層耐火磚與一層普通磚砌成，兩層的厚度均為100mm，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.9W/（m·℃）及0.7W/（m·℃）。待操作穩(wěn)定后，測(cè)得爐膛的內(nèi)表面溫度為700℃，外表面溫度為130℃。為了減少燃燒爐的熱損失，在普通磚外表面增加一層厚度為40mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/（m·℃）的保溫材料。操作穩(wěn)定后，又測(cè)得爐內(nèi)表面溫度為740℃，外表面溫度為90℃。設(shè)兩層磚的導(dǎo)熱系數(shù)不變，試計(jì)算加保溫層后爐壁的熱損失比原來(lái)的減少百分之幾？解：加保溫層前單位面積爐壁的熱損失為（Q/S）139此時(shí)為雙層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為：

W/m2加保溫層后單位面積爐壁的熱損失為

此時(shí)為三層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為：

40故加保溫層后熱損失比原來(lái)減少的百分?jǐn)?shù)為：

41

4.2.5通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一、通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假定：

一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)42取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)

傅立葉定律

43邊界條件

得：設(shè)不隨t而變

式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；

r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。44討論：1．上式可以為寫(xiě)對(duì)數(shù)平均面積452．

3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r成對(duì)數(shù)曲線(xiàn)變化(假設(shè)不隨t變化)464．平壁：各處的Q和q均相等；圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。

二、通過(guò)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)47對(duì)于n層圓筒壁：

式中q1,q2,q3分別為半徑r1,r2,r3處的熱通量。48接觸熱阻

接觸熱阻多層平壁相接時(shí)在接觸界面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面必增加傳導(dǎo)的熱阻。此項(xiàng)附加熱阻稱(chēng)為接觸熱阻，R，W/(m2·℃)。Q=△t/（R1+R2+R）49小結(jié)：1、熱傳導(dǎo)△t=t1-t2

熱阻：R=b/λA2、推動(dòng)力與阻力的加和性3、推動(dòng)力與熱阻的分配Q1=△t1/R1Q2=△t2/R2Q3=△t3/R3△t1：△t2：△t3=R1：R2：R3作業(yè)：13504.3對(duì)流傳熱一、自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流1、自然對(duì)流加熱前：Pa=Pb=ρgl+pa加熱后：ta>tbρa(bǔ)<ρb設(shè)：ρb=ρρa(bǔ)=ρ/(1+β△t)β——膨脹系數(shù)lab51Pb=ρgl+paPa=ρgl/((1+β△t)+pa△P=ρgl-ρgl/(1+β△t)=ρgl(1-1/(1+β△t))=ρglβ△t/(1+β△t)≈ρglβ△t環(huán)流速度：uu2/2g∝△P/ρgu∝(lβ△t)1/2524.3.1對(duì)流傳熱過(guò)程分析dAt2G1，T1G2，t1T253dtA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度小，對(duì)流方式過(guò)渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式544.3.2對(duì)流傳熱速率——牛頓冷卻定律流體被冷卻：式中 Q──對(duì)流傳熱速率，W；──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Tw,tw──壁溫，℃；

T,t──流體平均溫度，℃；

A──傳熱面積，m2。流體被加熱：

55式中

t──總有效膜厚度；

e──湍流區(qū)虛擬膜厚度；

──層流底層膜厚度。下面來(lái)推導(dǎo)牛頓冷卻定律建立膜模型：流體被冷卻：tTTWtWt561.牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Q∝t。

2.復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化表示。推動(dòng)力：阻力：574.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素1.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)

>自

2.流體的物性

，，，cp

585.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變

>無(wú)相變4.傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長(zhǎng)等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。3.流動(dòng)形態(tài)層流、湍流湍

>層

594.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立一、因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速?；疽虼危洪L(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。＝f(u，l，，，cp，，gt)60

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響61物理意義：Nu=αl/λ=α/（λ/l）=αA△t/λA（△t/l）

=Q對(duì)流/Q傳導(dǎo)對(duì)流傳熱與熱傳導(dǎo)的比值u∝(ρglβ△t)1/2Gr∝（ulρ/μ）2圓管：l=dGr∝（Re）2自然對(duì)流環(huán)流對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)62一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>604.3.5無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流63

特征尺寸為管內(nèi)徑di

流體被加熱時(shí)，k＝0.4；被冷卻時(shí)，k＝0.3。注意事項(xiàng)：定性溫度取64強(qiáng)化措施：

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體65以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di66(2)l/d<60(3)過(guò)渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管內(nèi)67(5)非圓形管強(qiáng)制湍流1)當(dāng)量直徑法2)直接實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：

12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17

其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算68有一列管式換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃被加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱。試求管壁對(duì)苯的傳熱系數(shù)。當(dāng)苯的流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化。解：苯在平均溫度℃下的物性可由附錄查得：密度ρ=860kg/m3；比熱容cp=1.80kJ/（kg·℃）；粘度μ=0.45mPa·s；導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.14W/（m·℃）。加熱管內(nèi)苯的流速為69m/s

70W/（m2·℃）若忽略定性溫度的變化，當(dāng)苯的流量增加一倍時(shí)，給熱系數(shù)為α′

W/（m2·℃）

71特點(diǎn)：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。

2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

3）層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

2.圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流72熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊?3適用范圍：當(dāng)：定性溫度：74

二、管外強(qiáng)制對(duì)流

a)流體橫向流過(guò)單管A

流體橫向流過(guò)單根圓管外時(shí)流動(dòng)情況75表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布1）低雷諾數(shù)（70800~101300）φ=0-80°，層流邊界層厚度增大使α↓，φ>80°，邊界層分離，使α

↑，有一個(gè)最低點(diǎn)。

2）高雷諾數(shù)（140000~219000）有兩個(gè)最低點(diǎn)：

N01：φ=70-80°，層流邊界層→湍流邊界層；

N02：φ=140°（分離點(diǎn)），發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流體橫向流過(guò)圓管時(shí)局部努塞爾數(shù)的變化Reф=2190001860001400001013007080017000076常數(shù)C、指數(shù)n見(jiàn)下表沿整個(gè)管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑77

◆

管束的排列方式直列（正方形）、錯(cuò)列（正三角形）b)流體橫向流過(guò)管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意78x1x2d錯(cuò)列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意79直列第一排管直接沖刷；第二排管不直接沖刷；擾動(dòng)減弱第二排管以后基本恒定。錯(cuò)列第一排管錯(cuò)列和直列基本相同；

第二排管錯(cuò)列和直列相差較大，阻擋減弱，沖刷增強(qiáng)；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d80◆

各排管α的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ錯(cuò)列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）81

可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。◆傳熱系數(shù)的計(jì)算方法

任一排管子：C、ε、n

取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：管外徑適用范圍：82

c)流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器

圓缺折流板管板83折流擋板：

殼程流體的流動(dòng)方向不斷改變，較小Re（Re=100），即可達(dá)到湍流。缺點(diǎn)：流動(dòng)阻力↑，殼程壓降↑的重要因素。作用：●提高湍動(dòng)程度，↑α，強(qiáng)化傳熱；●加固、支撐殼體。

圓缺折流板示意圖管板8410102103104101021管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算曲線(xiàn)ReRePr有折流擋板時(shí)殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：85擋板切割度：25%D。特征尺寸：流道的當(dāng)量直徑。正方形排列d0t也可采用關(guān)聯(lián)式：86正三角形排列流速的確定：按最大流通截面(最小流速)計(jì)算。

DS1S2B

說(shuō)明：無(wú)折流板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，按管內(nèi)公式計(jì)算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。d0t87三、大空間的自然對(duì)流傳熱

注意：c,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫特征尺寸：垂直的管或板為高度水平管為管外徑88一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝4.3.6有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)滴>膜

892.冷凝過(guò)程的熱阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外徑do定性溫度：膜溫

90湍流2）豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

914．冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施1)流體物性冷凝液

,

；冷凝液,；潛熱r

,

2)溫差液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=ts－tW，,3)不凝氣體

不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時(shí)，；反向時(shí)，；u925)蒸汽過(guò)熱包括冷卻和冷凝兩個(gè)過(guò)程。6)冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列93沸騰種類(lèi)1）大容積沸騰

2）管內(nèi)沸騰1.汽泡產(chǎn)生的條件問(wèn)題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？過(guò)熱度：t=tW－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(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

二、液體沸騰942.沸騰曲線(xiàn)

1）自然對(duì)流階段t<5C2）

核狀沸騰階段

25C>t>5C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰

25C>t>5C工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰250C>t>25C優(yōu)點(diǎn)：大，tW小95氣泡的產(chǎn)生過(guò)程963、沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施1）液體的性質(zhì)強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）2）溫差在核狀沸騰階段溫差提高，

3）操作壓強(qiáng)974）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒98994.4傳熱過(guò)程的計(jì)算4.4.1熱量衡算4.4.2總傳熱速率微分方程與總傳熱系數(shù)4.4.3平均溫差法與總傳熱速率方程4.4.4傳熱計(jì)算示例100冷流體t1t2熱流體T1T2對(duì)整個(gè)換熱器做熱量衡算Q熱──熱流體放出的熱量，Ｗ；Q冷──冷流體吸收的熱量，Ｗ；4.4.1熱量衡算101式中Ｗh,Ｗc──熱冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；Ｉh１,Ｉh2──熱流體的進(jìn)出口焓，KJ/kg；

Ｉc1,Ｉc2──冷流體的進(jìn)出口焓，KJ/kg。如果：冷熱流體在換熱過(guò)程無(wú)相變，冷熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。102cpc——冷流體平均的比熱容，kJ/kg·℃。cph——熱流體平均的比熱容，kJ/kg·℃。T１,T2──熱流體的進(jìn)出口溫度，℃；t1,t2──冷流體的進(jìn)出口溫度，℃。103如果：熱流體有相變，冷流體無(wú)相變，冷熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。熱流體冷凝液在飽和溫度下離開(kāi)換熱器熱流體冷凝液在低于飽和溫度下離開(kāi)換熱器式中r

熱──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；

TS──熱流體的飽和溫度，℃。104如果：冷流體有相變，熱流體無(wú)相變，熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。式中r

冷──冷流體的汽化潛熱，kJ/kg；

tS──冷流體的飽和溫度，℃；

c’pc——冷流體發(fā)生相變后的比熱容，kJ/kg·℃。如果：冷熱流體均發(fā)生相變,出口溫度均為操作條件各自的飽和溫度。105例：某換熱器用120kPa的飽和水蒸汽加熱糖液，糖液走管內(nèi)，蒸汽在管外冷凝為飽和溫度下的液體，糖液流量為20×103kg/h，從55℃被加熱至85℃。若設(shè)備的熱損估計(jì)為5%，求糖液吸收的熱量及加熱蒸汽的耗用量。糖液的的平均比熱容cp為3.894kJ/(kg·℃),120kPa的飽和水蒸汽的汽化潛熱為r=2246.8kJ/kg。106解：107小結(jié)：熱量衡算解決的問(wèn)題1、計(jì)算冷熱交換的熱量2、載熱體的量3、載熱體進(jìn)出口溫度熱量衡算不能解決的問(wèn)題之一換熱面積的確定？108一、總傳熱速率微分方程dS

熱流體冷流體

4.4.2總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)109熱流體twTw對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱導(dǎo)熱t(yī)TdS熱流體冷流體Q固體壁面一側(cè)固體壁面另一側(cè)另一側(cè)固體壁面一側(cè)冷流體110（3）管內(nèi)對(duì)流（1）管外對(duì)流（2）管壁熱傳導(dǎo)對(duì)于穩(wěn)定傳熱

111式中K——局部總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。112總傳熱速率微分方程1）．當(dāng)傳熱面為平面時(shí)，dS=dSo=dSi=dSm1、K的計(jì)算2、總傳熱系數(shù)1132）．以外表面為基準(zhǔn)(dS=dSo):

114Ko——以換熱管的外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)；

dm——換熱管的對(duì)數(shù)平均直徑。以?xún)?nèi)表面為基準(zhǔn)：以壁表面為基準(zhǔn)：115

Ro、Ri——傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻，m2·℃/W。3）、考慮污垢熱阻的K的計(jì)算1/K值的物理意義116流體種類(lèi)污垢熱阻m2·℃/W流體種類(lèi)污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.00009

有機(jī)蒸汽0.0002

河水0.0006

水蒸氣(不含油)0.0001

井水0.00058

水蒸氣廢氣(含油)0.0002

蒸餾水0.00009

制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058

空氣0.0003

經(jīng)處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004

多泥沙的水0.0006

天然氣0.002鹽水0.0004

焦?fàn)t氣0.002污垢熱阻的大致數(shù)值1171）、列管換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)流體種類(lèi)總傳熱系數(shù)KW/(m2·℃))水—?dú)怏w12~280水—水410~1160水—煤油350左右水—有機(jī)溶劑280~850氣體—?dú)怏w12~35飽和水蒸氣—水610左右飽和水蒸氣—?dú)怏w30~300飽和水蒸氣—油60~350飽和水蒸氣—沸騰油290~8702）、K的實(shí)驗(yàn)測(cè)定2、獲取K值的其他途徑：118【例】熱空氣在冷卻管管外流過(guò)，αo=50W/（m2·℃），冷卻水在管內(nèi)流過(guò)，αi=1000W/（m2·℃）。冷卻管外徑do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁的λ=40W/（m·℃）。試求：①總傳熱系數(shù)Ko；②管外對(duì)流傳熱系數(shù)αo增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？③管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)αi增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？119W/（m2·℃）

可見(jiàn)管壁熱阻很小，通?？梢院雎圆挥?jì)。

解：120②

傳熱系數(shù)增加了89.4%。

③

傳熱系數(shù)只增加了3.2%，說(shuō)明：K<o,K<i

提高較小的αo值K值提高較大。1213、增大K途徑分析管壁和污垢熱阻可忽略,傳熱面為平壁或薄壁時(shí)提高較小一側(cè)有效，K提高若αo與i相差不大，必須同時(shí)提高兩側(cè)的，K提高

提高的方法(無(wú)相變)：增大流速管程：多管程，增大管內(nèi)流體u，提高管內(nèi)的殼程：折流檔板，增大殼程流體的湍動(dòng)，提高殼程的122管內(nèi)加擾流元件插入物是麻花鐵、螺旋圈、金屬絲片等。防止結(jié)垢和及時(shí)清除垢阻采用短管換熱器1234.4.3.平均溫度差法和總傳熱速率方程假定：⑴穩(wěn)態(tài)傳熱、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，冷熱流體質(zhì)量流量不變；⑵兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變；(3)熱損失忽略不計(jì)；(4)總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，不沿傳熱表面變化。124一、恒溫傳熱二、變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關(guān)Q=KS(T-t)=KS△t△t1△t2T1T2tt125逆流并流錯(cuò)流折流熱流體T1冷流體t1t2T2126單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—擋板127雙程列管式換熱器1—?dú)んw2—管束3—擋板4—隔板

1281、逆流和并流時(shí)的tmt2t1T1T2t2tAt1T2T1逆流:129并流:t1t2T1T2t2tAt1T2T1130ψ稱(chēng)為溫差修正系數(shù)，表示為P和R兩參數(shù)的函數(shù)式中式(7.2-23)表示的溫差修正曲線(xiàn)繪于圖7-5(a)、(b)和(c)中。錯(cuò)流或折流時(shí)的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據(jù)流動(dòng)型式加以修正131溫差修正系數(shù)ψ＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，換熱器設(shè)計(jì)時(shí)ψ值不應(yīng)小于0.8，否則不經(jīng)濟(jì)。增大ψ的一個(gè)方法就是改用多殼程。132以逆流為例推導(dǎo)冷流體t1，Wct2T2熱流體T1，Wh133t20QT2t1△t1T1△t2134——總傳熱速率方程式中K——平均總傳熱系數(shù)；

tm——平均溫度差，℃。

W/（m2·℃）

135例：某換熱器在并流和逆流時(shí)，熱流體的溫度都從90℃冷卻到70℃，冷流體都由20℃被加熱到60℃。試比較并流和逆流時(shí)的平均溫差。t2tAt1T2T1熱流體：90℃70℃20℃60℃冷流體：℃解：并流136逆流：t2tAt1T2T1熱流體：90℃70℃60℃20℃冷流體：℃137

【例4-1】在雙管程列管式換熱器中用0.3MPa(表壓)的飽和蒸汽將流量為2000kg/h的某溶液從20℃加熱至80℃，溶液走管程，蒸汽走殼程，冷凝水于飽和溫度下排出，換熱器內(nèi)裝有46根φ25×2.5mm的管子，已知溶液的比熱CP=2.8kJ/(kg·K)，密度r=850kg/m3，總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·K),傳熱溫差近似取為蒸汽的飽和溫度與溶液的平均溫度之差，溶液的平均溫度取為進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。忽略換熱器的熱損失，試確定：

⑴溶液在管內(nèi)的流速；⑵蒸汽的消耗量；⑶換熱管的長(zhǎng)度。138解：⑴溶液的體積流量：管程流通截面積：管內(nèi)平均流速：

⑵查得表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝潛熱r=2140kJ/kg,蒸汽消耗量139⑶表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝溫度ts=142.9℃,傳熱溫差：根據(jù)傳熱速率方程換熱管長(zhǎng)度：140【例4-5】在套管換熱器中用20℃的冷卻水將某溶液從100℃冷卻至60℃，溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為3.5kJ/(kg·℃)，已測(cè)得水出口溫度為40℃，試分別計(jì)算并流與逆流操作時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時(shí)總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。141解：逆流和并流的平均溫差分別是：傳熱負(fù)荷為：逆流操作和并流操作時(shí)換熱器的面積分別是：142例143144145146作業(yè)：6710121474.4.4壁溫的計(jì)算穩(wěn)態(tài)傳熱

1．大，即b/Am小，熱阻小，tW=TW148TW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，得

2023/1/151491.設(shè)計(jì)型計(jì)算已知：qm1、T1、T2（生產(chǎn)任務(wù)），t1、qm2等求：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。2023/1/15150二、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傳熱面積151一、傳熱效率最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：4.4.5傳熱效率～傳熱單元數(shù)法152熱容流量：Wcp

由熱量衡算得最小值流體可獲得較大的溫度變化最小值流體：熱容流量最小的流體為最小值流體。153二、傳熱單元數(shù)154傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)的意義：熱流體溫度的變化相當(dāng)于平均溫度差的倍數(shù)。同理：155三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程導(dǎo)出：逆流：并流：156逆流：并流：157在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進(jìn)口溫度為110℃；水的流量為0.667kg/s，進(jìn)口溫度為35℃。油和水的平均比熱容分別為1.9kJ/(kg·℃)及4.18kJ/(kg·℃)。換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/（m2·℃）試求水的出口溫度及傳熱量。解：本題用ε－NTU法計(jì)算。

Whcph=2.85×1900=5415W/℃

Wccpc=0.667×4180=2788W/℃故水（冷流體）為最小熱容量流體。

158

查圖4-27得ε=0.73。因冷流體為最小熱容量流率流體，故由傳熱效率定義式得

解得水的出口溫度為t2=0.73(110－35)+35=89.8℃換熱器的傳熱量為kW2023/1/15159一、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)第五節(jié)熱輻射2023/1/15160QQQNQ能量守恒定律：

——吸收率A

——反射率R

——穿透率

D

3.物體對(duì)熱輻射的作用總能量Q；被物體吸收Q

；被反射Q

；穿過(guò)物體Q

2023/1/15161

黑體：白體(鏡體)：透熱體：灰體：以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體固體、液體：D=0A+R=1

氣體：R

=0A+D=1A=1R=1D=12023/1/15162二、物體的輻射能力物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能(波長(zhǎng)從0到),E表示,W/m2──黑體輻射常數(shù),5.669×10-8W/(m2.K4)（一）黑體斯蒂芬-波爾茨曼定律四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感Cb──黑體輻射系數(shù),5.669W/(m2.K4)2023/1/15163（二）實(shí)際物體黑度：

<1

=f(物體的種類(lèi)、表面溫度、表面狀況)C——灰體的輻射系數(shù)，C=Cb是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度

——實(shí)驗(yàn)測(cè)定2023/1/15164（三）克?；舴蚨蓪?duì)灰體:熱交換達(dá)到平衡時(shí)T1=T2,q=0任意物體:T1>T2A1

A

2=1E1Eb（1-A1）EbA1Eb

Ⅰ灰體

Ⅱ黑體

克希霍夫定律2023/1/15165結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大（2）A=

同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等（3）A＜１，E＜Eb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大2023/1/15166（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相互輻射①兩面積無(wú)限大的平行平板②兩平面有限大的平行平板2023/1/15167③一物體被另一物體包圍若外圍為黑體，1=1

或A2》A1，則C1-2=C1=Cb12023/1/15168

1.溫度的影響

ＱT4；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式

2.幾何位置的影響

3.表面黑度的影響

Ｑ，可通過(guò)改變大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱

4.輻射表面間介質(zhì)的影響減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（小熱屏）（二）影響輻射傳熱的主要因素2023/1/15169五、高溫設(shè)備及管道的熱損失對(duì)流：

輻射：

令=1

總熱損失：

T——對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)2023/1/15170（1