傳熱機(jī)理與設(shè)備圖例

傳熱機(jī)理與設(shè)備圖例第一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱概述熱量傳遞推動力：溫度差。工業(yè)傳熱應(yīng)用：物料加熱和冷卻；熱量和冷量的回收利用；設(shè)備和管道的保溫。第二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱的三種基本方式1熱傳導(dǎo):發(fā)生在兩直接接觸的相對靜止物體之間的熱量傳遞。以分子或原子的熱運(yùn)動而傳熱。物理意義熱對流:發(fā)生在流動流體內(nèi)部的傳熱,以自然對流,或強(qiáng)制對流方式進(jìn)行。自然對流；強(qiáng)制對流；第三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱的三種基本方式2與普通物理意義熱對流不同,工業(yè)意義的熱對流指流動流體和它所流經(jīng)的固體壁面之間熱量傳遞,其中將包括普通物理意義熱對流和壁面附近滯流層內(nèi)的熱傳導(dǎo)。實(shí)質(zhì)為復(fù)合傳熱。熱輻射:發(fā)生在相距一定距離的物體之間,以電磁波形式而傳熱。復(fù)合傳熱:以兩種或兩種以上基本方式而傳熱。第四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日幾個概念穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱。反映傳熱快慢的：傳熱速率Q和熱通量（或熱流密度）q。q=Q/S溫度場、三維穩(wěn)態(tài)溫度場、一維穩(wěn)態(tài)溫度場、溫度梯度。第五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器及其典型結(jié)構(gòu)間壁式換熱器是兩種流體間換熱時最常用的換熱器。在該換熱器中，兩流體由金屬固體壁面隔開而流動換熱。典型結(jié)構(gòu):套管式、列管式。(見下圖)第七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日套管換熱器兩種規(guī)格不同的標(biāo)準(zhǔn)管同心套裝，一種流體在小管內(nèi)空間流過，另一種流體在套管環(huán)隙中流動，兩者通過小管壁面而進(jìn)行熱量交換。小管壁面為間壁。傳熱面積為該管子表面積。第九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日列管式換熱器的幾個概念和問題1結(jié)構(gòu):管束.外殼.封頭.管板.折流擋板.工藝接管管程.、管程流體.、多管程殼程.、殼程流體.、多殼程問題:為什么要設(shè)置多管程?第十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日列管式換熱器的幾個概念和問題2管束中所有管子的表面積總和構(gòu)成換熱面積。即式中：n為管子根數(shù)。直徑可取管子內(nèi)徑、管子外徑、管子平均直徑，則傳熱面積可分別為內(nèi)表面積、外表面積、平均面積。第十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傅立葉定律反映熱傳導(dǎo)傳熱基本規(guī)律：傳熱速率與傳熱溫度梯度，兩物體接觸面積成正比。比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)。第十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）1反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小的物理量。定義式：物理意義：單位溫度梯度下、單位傳熱面積上所傳遞的熱量。單位：。第十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日各類物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率）數(shù)值范圍氣體0.006~0.6液體0.07~0.7非導(dǎo)固體0.2~3.0固體15~420絕熱材料﹤0.25以上單位均用W/(m.℃)。第十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）2金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大、傳熱性能好，所以，換熱器都用金屬材料制造。氣體導(dǎo)熱系數(shù)小、不利于傳熱，但利于絕熱，所以，在保溫材料內(nèi)一般充注空氣。導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度呈線性變化。第十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層平壁熱傳導(dǎo)1假定：。平壁兩側(cè)溫度分別為，且，且溫度不變，即為穩(wěn)態(tài)傳熱或說傳熱速率為定值；平壁厚度為b。平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)為；傳熱面為一系列與兩側(cè)壁面平行的平面，傳熱面積處處相等，都為S。第十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層平壁熱傳導(dǎo)2則任意溫差為、厚度為的平壁層內(nèi)，有：積分上式，可得：第十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層平壁熱傳導(dǎo)3或者：兩式中，都稱為熱阻。前者單位是：；后者單位是：。第二十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日熱阻定義：在傳熱過程中，由除推動力溫度差以外的所有其他物理量綜合構(gòu)成的、對傳熱有阻礙效應(yīng)的一個物理量。應(yīng)用意義:。穩(wěn)態(tài)傳熱時，溫度差與熱阻成正比。據(jù)此，可獲得傳熱范圍內(nèi)任意兩距離之間的溫度差或某位置上的溫度值；與電路歐姆定律相同，故可用并聯(lián)、串聯(lián)計算電阻的方式計算熱阻。第二十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日例題單層平壁內(nèi)側(cè)溫度為300℃，外側(cè)溫度為60℃，已知平壁總厚度為40cm，試確定平壁內(nèi)距外壁面分別為15、30cm兩壁面上的溫度值。第二十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層平壁熱傳導(dǎo)例題1某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度為1650℃，外表面溫度為300℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)Λ=0.815+0.00076t（式中t的單位為℃，Λ的單位為W/(m.℃)。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）和變量計算時，試求平壁溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。第二十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層平壁熱傳導(dǎo)例題2現(xiàn)有一厚度為240mm的磚壁，內(nèi)壁溫度為600℃，外壁溫度為150℃。試求:①通過每平方米磚壁壁面的熱流密度q（熱通量）。②距內(nèi)壁面為40mm處的壁層溫度。③壁面總熱阻。已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）為0.6W/(m.℃)。第二十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層平壁熱傳導(dǎo)1(以三層為例）

設(shè)各層溫度分別為，且不變，即穩(wěn)態(tài)傳熱；各層熱導(dǎo)率分別為；傳熱面為一系列與軸線相平行的平面，面積相等，且均為S。且各層接觸良好，即各表面光滑或彼此完全吻合。否則，接觸面處接觸不好，出現(xiàn)空氣層，導(dǎo)致極大的附加熱阻（或接觸熱阻）第二十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層平壁熱傳導(dǎo)2

多層平壁熱傳導(dǎo)實(shí)際就是多層傳熱平壁串聯(lián)傳熱，所以總熱阻為各層熱阻總和，總傳熱溫度差為各層溫度差總和。第二十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層平壁熱傳導(dǎo)例題1燃燒爐的內(nèi)層為460mm厚的耐火磚，外層為230mm厚的絕緣磚。若爐的內(nèi)表面溫度t1為1400℃，外表面溫度t3為100℃。試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1=0.9+0.0007t，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為λ2=0.3+0.0003t。兩式中t可分別取為各層材料的平均溫度，單位為℃,λ單位為W/(m.℃)。第二十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層平壁熱傳導(dǎo)例題2平壁爐的爐壁由三種材料組成,其厚度和導(dǎo)熱系數(shù)列于本題附表中。若耐火磚層內(nèi)表面的溫度t1為1150℃，鋼板外表面溫度t4為30℃，今測得通過爐壁的熱損失為300W/m2，試計算導(dǎo)熱的熱通量（熱流密度）q。若計算結(jié)果與實(shí)測的熱損失不符，試分析原因和計算附加熱阻。第二十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日上例附表第二十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層平壁熱傳導(dǎo)例題3有一平壁燃燒爐，爐壁由三種材料組成，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。各層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)如下附表。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：①單位面積的熱損失；②保溫層與建筑磚之間界面的溫度；③建筑磚外側(cè)溫度。

第三十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日附表材料厚度（mm）導(dǎo)熱系數(shù)w/(m.℃)耐火磚1501.06保溫磚3100.15建筑磚2400.69第三十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)1第三十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)2假設(shè)圓筒內(nèi)壁面溫度值與外壁面溫度值關(guān)系為：，即熱量由筒內(nèi)向筒外傳遞。與單層平壁面熱傳導(dǎo)最大的不同是:圓筒熱傳導(dǎo)時，筒內(nèi)傳熱面積不是常數(shù)，隨半徑而變，溫度也隨半徑而變。第三十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)3在筒內(nèi)半徑為r處取定一個厚度為dr的圓環(huán)，設(shè)此圓環(huán)內(nèi)溫度變化為dt，則傳熱面積為2∏r，溫度梯度為dt/dr。當(dāng)穩(wěn)態(tài)傳熱時，有：或第三十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)4積分得：

第三十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)5其中第三十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)例題1在外徑為140mm的蒸汽管道外包扎保溫材料，以減少熱損失。蒸汽管外壁溫度為390℃，保溫層外表面溫度不大于40℃。保溫材料的λ與t的關(guān)系為λ=0.1+0.0002t（t的單位為℃,λ的單位為W/(m.℃)）若要求每米管長的熱損失Q／L不大450W／m，試求保溫層的厚度以及保溫層中溫度分布。第三十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日單層圓筒熱傳導(dǎo)例題2有外徑為426mm的水蒸氣管路，管外覆蓋一層厚度為400mm的保溫層。保溫材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系為λ=0.5+0.0009t[式中t的單位為℃，λ的單位為w/(m.℃)]。水蒸氣管路外表面溫度為150℃，保溫層外表面溫度為40℃。試計算該管路每米長的散熱量。第三十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層圓筒熱傳導(dǎo)（三層）1多層圓筒相互套裝，各接觸面接觸良好。若由內(nèi)向外，各層半徑分別為，其表面溫度分別為，且各溫度值：。則：第三十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層圓筒熱傳導(dǎo)（三層）2上式中，第四十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日多層圓筒壁熱傳導(dǎo)例題1在一ф60×3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.07w/(m.℃)，外層為20mm的石棉層，平均熱導(dǎo)率為λ=0.15w/(m.℃)?，F(xiàn)用熱電偶測得內(nèi)壁溫度為500℃，最外層表面溫度為80℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45w/(m.℃)。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。第四十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱速率計算式1本課程討論的熱對流為流動流體和它所流經(jīng)壁面兩者之間的熱量傳遞。熱對流過程是一個受到過多物理因素影響的過程。熱對流傳熱速率計算尚無理論公式，現(xiàn)在所用的公式都由半理論、半經(jīng)驗(yàn)而來。第四十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱速率計算式2以熱流體和壁面之間的傳熱為例，其中熱流體溫度為T，該側(cè)壁面溫度為，且管外傳熱。推導(dǎo)：。傳熱推動力為溫度差（）；傳熱速率必然和傳熱面積成正比；傳熱過程中，順著流體的流動方向，熱流體溫度逐漸降低，壁面溫度也隨位置而改變，所以每一局部區(qū)域的傳熱速率必不相同。需用微分式表達(dá)。第四十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱速率計算式3其余對對流傳熱有影響的因素歸結(jié)為一個物理量——對流傳熱系數(shù)α。綜上，熱對流傳熱速率可為：第四十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱速率計算式4上述公式稱為牛頓冷卻定律。對管內(nèi)冷流體一側(cè)熱對流：冷流體溫度為t，該側(cè)壁面溫度為。應(yīng)有：第四十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱速率計算式5實(shí)用對流傳熱速率計算，是對上述兩式求積分得到。即：或第四十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第四十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱系數(shù)物理意義：既是對流傳熱過程中除溫度差、傳熱面積之外的諸多影響因素的集合，反映對流傳熱的強(qiáng)度，其倒數(shù)又是對流傳熱的熱阻。第四十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日保溫層臨界直徑1臨界直徑——在設(shè)備或管道外設(shè)置保溫層，其厚度必須使保溫層的直徑達(dá)到某一臨界值，否則加厚保溫層將使熱損失更大，此臨界值對應(yīng)的保溫層直徑。設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t、大氣溫度為，熱量由此層傳導(dǎo)大氣中，經(jīng)保溫層內(nèi)的熱傳導(dǎo)、保溫層外的熱對流。第五十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日保溫層臨界直徑2保溫層內(nèi)的熱阻為。層外熱對流熱阻為?？倐鳠崴俾实谖迨豁摚惨话倬攀?，2022年，8月28日保溫層臨界直徑3上式中，當(dāng)增大時，將變大，將變小，總熱阻可能變大、變小或不變。該式對求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為0時有極值，該極值下，令，可求得：第五十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第五十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日保溫層臨界直徑求算例在管徑為15mm的管道外加設(shè)保溫層。若保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.14W/(m.℃)，外表面對環(huán)境空氣的對流傳熱系數(shù)為10W/(m2.℃)，試求算保溫層的臨界直徑。第五十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器的熱負(fù)荷計算1在沒有熱損失情況下，熱流體釋放的熱量即為冷流體所得到的全部熱量。傳熱兩流體都只有溫度變化，無相態(tài)變化時；其中下標(biāo)T、t——熱流體溫度、冷流體溫度；“h”、“c”——分別指熱流體、冷流體；“1”、“2”——分別指進(jìn)口、出口；。第五十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器的熱負(fù)荷計算2當(dāng)兩流體之一只有溫度變化，另一者只有相態(tài)變化，如熱流體為蒸汽冷凝，則：當(dāng)流體之一既有溫度變化，又有相態(tài)變化，則：第五十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器傳熱速率1推導(dǎo)：傳熱推動力為溫度差（T-t）；傳熱速率必然和傳熱面積S成正比；傳熱過程中，順著流體的流動方向，熱流體溫度逐漸降低，冷流體溫度溫度逐漸升高，所以每一局部區(qū)域的傳熱速率必不相同。需用微分式表達(dá)。其余對傳熱有影響的因素歸結(jié)為一個物理量——總傳熱系數(shù)K。第五十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器傳熱速率2表達(dá)式：。傳熱面積有不同的取法：，總傳熱系數(shù)對應(yīng)也有：。所以，表達(dá)式有：第五十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁式換熱器傳熱3各總傳熱系數(shù)之間關(guān)系，有：第五十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日總傳熱系數(shù)K計算1間壁式換熱器的傳熱步驟有：熱流體一側(cè)的熱對流、間壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)、冷流體一側(cè)的熱對流。K的倒數(shù)顯然跟對流傳熱系數(shù)的倒數(shù)一樣，是整個間壁傳熱的總熱阻。故應(yīng)是三個串聯(lián)傳熱過程熱阻的總和。

第六十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日總傳熱系數(shù)K計算2考慮壁面處污垢熱阻后。第六十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日總傳熱系數(shù)K計算3對于平壁面或薄壁管：第六十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱速率計算式例1某換熱器由ф25×2.5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆流流動。已知管內(nèi)側(cè)空氣的αi為50W/(m2.℃)，管外水側(cè)的αo為1000W/(m2.℃)，鋼的λ為45W/(m.℃)。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)Ko及按平壁計的總傳熱系數(shù)。第六十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱速率計算式例2在上例中，若忽略管子熱傳導(dǎo)熱阻和兩側(cè)污垢熱阻。⑴將αi提高一倍；⑵將αo提高一倍。試分別求算總傳熱系數(shù)K。第六十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第六十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第六十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱平均溫度差確定1總傳熱速率計算式中的傳熱溫度差指的是間壁傳熱過程中冷、熱流體的傳熱平均溫度差。其值的大小在兩流體進(jìn)、出口溫度已知,確定了端部溫度差時,取決于兩流體的相對流動方向。流體的流向種類:逆流、并流、錯流、折流。第六十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱平均溫度差確定2假設(shè)：。傳熱過程無熱損失；流體做穩(wěn)定流動；傳熱過程中，兩流體的比熱、換熱器總傳熱系數(shù)為常數(shù)。第六十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱平均溫度差確定3并流或逆流流動傳熱時，對于錯流和折流情況，則第六十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱平均溫度差確定4上式中，溫度校正系數(shù)。第七十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日逆流、并流傳熱溫度差比較熱流體由90℃冷卻至70℃，冷流體由20℃加熱至60℃，分別用逆流、并流方式換熱，試計算兩情況下的平均溫度差。又若上述熱量交換過程是在一單殼程、雙管程管殼式換熱器中進(jìn)行的，則對數(shù)平均溫度差是多少？第七十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日逆流、并流傳熱溫度差例題用列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)、出口溫度分別為100℃、150℃，加熱劑的進(jìn)、出口溫度各自為250℃、180℃。試求：①分別采用并流、逆流傳熱的平均溫度差；②若原油流量為1800kg/h，比熱容為2kj/(kg.℃)，總傳熱系數(shù)為100W/(m2.℃)，試求兩種傳熱情況下的傳熱面積；③若要求加熱劑的出口溫度降至150℃，試求此時并流和逆流的傳熱平均溫度差和傳熱面積，逆流時的加熱劑量可減少多少？（設(shè)比熱和K不變）第七十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日錯流和折流的平均溫度差計算先按逆流流動計算出逆流傳熱平均溫度差.通過相關(guān)計算并查圖,定出溫度校正系數(shù),兩者相乘,得數(shù)值.第七十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第七十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁換熱總傳熱速率計算例題1在一單殼程、四管程管殼式換熱器中，用水冷卻熱油。冷水在管內(nèi)流動，進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為32℃。熱油在殼方流動，進(jìn)口溫度為120℃，出口溫度為40℃。熱油的流量為1.25kg/s，平均比熱為1.9kJ/(kg.℃)。若換熱器的總換熱系數(shù)為470W/(m2.℃)，試求換熱器的傳熱面積。第八十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁換熱總傳熱速率計算例題2在一傳熱外表面積So為300m2的單程列管換熱器中，300℃的某種氣體流過殼方并被加熱到430℃。另一種560℃的氣體作為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動，流量均為1×104kg/h，平均比熱均為1.05kJ/(kg.℃)。試求總傳熱系數(shù)。假設(shè)換熱器的熱損失為殼方氣體傳熱量的10%。第八十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁換熱總傳熱速率計算例題3在并流換熱器中，用水冷卻油。水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和40℃，油的進(jìn)、出口溫度分別為150℃和100℃?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求油的出口溫度降到80℃，假設(shè)油和水的流量、進(jìn)口溫度及物性均不變，若原換熱器的管長為1m，試確定此換熱器的管長需增長到多少米才能滿足要求。設(shè)換熱器的熱損失可以忽略。第八十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日間壁換熱總傳熱速率計算例題4在一傳熱面積為50m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種溶液。兩流體呈逆流流動。冷水的流量為33000kg/h,溫度由20℃升至38℃。溶液的溫度由110℃降至60℃。若換熱器清洗后，在兩流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷水的出口溫度增到45℃。試計算：⑴兩種情況下的總傳熱系數(shù)；⑵換熱器清洗前傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。說明：①兩種情況下，流體物性可視為不變，水的平均比熱可取4.187kj/(kg.℃)；②按平壁處理，兩種情況下的兩側(cè)對流傳熱系數(shù)不變；③忽略熱損失。第八十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱單元數(shù)法在只知兩換熱流體的進(jìn)口溫度,換熱器的總傳熱系數(shù),流體的物理性質(zhì)時,為確定流體的出口溫度而采用的方法.相關(guān)概念:傳熱效率,傳熱單元數(shù),傳熱單元長度計算方法:公式法,圖解法第八十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第八十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱單元數(shù)法例題1在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油冷卻水。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℃。油和水的比熱分別為1.9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。第九十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱單元數(shù)法例題2在逆流操作的列管換熱器中，熱氣體將2.5kg／s的水從35℃加熱到85℃。熱氣體的溫度由200℃降到93℃。水在管內(nèi)流動。已知總傳熱系數(shù)為180W/(m2.℃)，水和氣體的比熱分別為4.18和1.09kJ／(kg.℃）。若將水的流量減少一半，氣體流量和兩流體的進(jìn)口溫度不變，試求因水流量減少一半而使傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)流體的物性不變，熱損失可忽略不計。第九十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱單元數(shù)法例題3重油和原油在單程列管式換熱器中呈并流流動，兩種油的初溫分別為243℃和128℃；終溫分別為167℃和157℃。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時流體的平均溫度差及它們的終溫。假設(shè)在兩種流動情況下，流體的物性和總傳熱系數(shù)不變化，換熱器的熱損失可以忽略。第九十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日傳熱計算綜合例在一傳熱面積為50m2的單程列管換熱器中，用水冷卻某溶液。兩流體呈逆流流動。冷水流量為33000kg／h，溫度由20℃升到38℃。溶液的溫度由110℃降到60℃。若換熱器清洗后，在流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷水出口溫度增到45℃。試估算換熱器清洗前后傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻。假設(shè)：①兩種情況下，流體物性不變，水的平均比熱為4.187kJ／(kg.℃)；②可按平壁計算，兩種情況下αi和αo分別相同；③忽略管壁熱阻和熱損失。

第九十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日壁溫估算1在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下，傳熱溫度差與相應(yīng)熱阻成正比，據(jù)此，可對管壁溫度進(jìn)行估算，公式如下：第九十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日壁溫估算2可見，壁溫總是更趨近于對流傳熱系數(shù)大的一側(cè)流體溫度。當(dāng)須考慮污垢熱阻時，第九十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日壁溫估算例題在一由碳鋼管構(gòu)成的廢熱鍋爐中，管內(nèi)通入高溫氣體，進(jìn)口溫度為500℃、出口溫度為400℃，管外為p=1MPa壓力的水沸騰。已知高溫氣體對流傳熱系數(shù)為，水沸騰的對流傳熱系數(shù)為。忽略污垢熱阻。試求管內(nèi)壁和管外壁平均溫度。第九十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式簡介對流傳熱的影響因數(shù)有六大方面:流體的種類、流體的物理性質(zhì)、流體的溫度、流體的流型、傳熱設(shè)備的形狀與尺寸、相態(tài)變化情況。將對流傳熱影響因素綜合,將形成多個準(zhǔn)數(shù)(如下頁)。對流傳熱系數(shù)的計算反映為各個準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系，但該關(guān)系隨流體的流型、傳熱面形狀、流體相態(tài)變化而不同。第九十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響流體對流傳熱系數(shù)的因素1流體的種類和相變化情況：。液體、氣體、蒸汽的對流傳熱系數(shù)不同；流體有無相態(tài)變化，對傳熱有不同的影響；流體的物理性質(zhì)：。導(dǎo)熱系數(shù)——對流傳熱熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)有直接關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)大，則熱阻小，對流傳熱系數(shù)高；粘度——粘度大的流體在其他流動條件相同時，雷諾準(zhǔn)數(shù)小，滯流內(nèi)層厚，對流傳熱系數(shù)低；比熱容和密度——兩者乘積代表單位體積流體的熱容量，顯然數(shù)值越大，熱容量越高，對流傳熱強(qiáng)度大。第九十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響流體對流傳熱系數(shù)的因素2體積膨脹系數(shù)——體積膨脹系數(shù)大的流體，所產(chǎn)生的密度差異越大，越有利于自然對流傳熱。流體的溫度：流體的溫度對對流傳熱的影響表現(xiàn)在多方面：對流體物理性質(zhì)有影響、附加自然對流強(qiáng)度、流體和壁面之間的溫度差。流體的流動狀態(tài)：。滯流流體依熱傳導(dǎo)傳熱，湍流流體做雜亂的渦流運(yùn)動，使該區(qū)域溫差極小，即熱阻小，故湍流對流傳熱系數(shù)大于滯流情況。第九十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響流體對流傳熱系數(shù)的因素3流體流動的原因：自然對流由溫度差導(dǎo)致密度差而引起，使流體質(zhì)點(diǎn)相對位移。設(shè)流體內(nèi)溫度為的兩區(qū)域的密度分別為，則密度差產(chǎn)生的升力為。當(dāng)體積膨脹系數(shù)為β時，則可得。于是，單位體積流體產(chǎn)生的升力：第一百頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響流體對流傳熱系數(shù)的因素4強(qiáng)制對流時，借助外力作用，使得對流傳熱系數(shù)是自然對流的數(shù)倍到幾十倍。傳熱面的形狀、位置、大?。簜鳠崦婊?yàn)楣?、板、環(huán)隙、翅片等形狀，又或者水平、豎直擺放，管束排列方式不同，以及流道尺寸如：管徑、管長、板高等不同都直接影響對流傳熱系數(shù)。第一百零一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日白金漢因次分析法—化工過程常用分析方法，步驟：將影響過程的n個物理因素列出，并將所有物理量的量綱找出，得出量綱個數(shù)m。依據(jù)π定理，π=n-m為無量綱準(zhǔn)數(shù)的個數(shù)。取定m個物理量為組成每個準(zhǔn)數(shù)的共同物理量，其原則有：①基本物理量中不包括待求量；②應(yīng)有所有基本量綱；③量綱相同的物理量不應(yīng)包括。第一百零二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日白金漢因次分析法—化工過程常用分析方法，步驟（續(xù)）：以共同物理量與剩余的每個物理量單獨(dú)寫成指數(shù)表達(dá)式，組成每個準(zhǔn)數(shù)。在該準(zhǔn)數(shù)量綱為0的條件下，列出方程，求解出每個物理量的指數(shù)，可得到各個準(zhǔn)數(shù)。第一百零三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1強(qiáng)制對流傳熱的對流傳熱系數(shù)α，其影響的因素可歸結(jié)為——流體的密度ρ、粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容Cp、流體流速u、換熱器尺寸l。即：基本量綱有質(zhì)量M、時間θ、溫度T、長度L四個。即π=n-m=7-4=3個。準(zhǔn)數(shù)可整理為3個。第一百零四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式2依據(jù)以上原則，可選定四個物理量作為共同物理量。所以各準(zhǔn)數(shù)將分別為：第一百零五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式3對每個準(zhǔn)數(shù)根據(jù)量綱為0的原則，解出所有指數(shù)，可得到三個準(zhǔn)數(shù)分別為：第一百零六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式4所以，強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式將表達(dá)為：第一百零七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日自然對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1影響的因素可歸結(jié)為——流體的密度ρ、粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容Cp、換熱器尺寸l、體積膨脹系數(shù)。依同樣的方式和步驟，可得到三個無因次準(zhǔn)數(shù)：第一百零八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日自然對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式2自然對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為:第一百零九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日應(yīng)用對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng)定性溫度：用于確定流體物理性質(zhì)參數(shù)數(shù)值的溫度。不同關(guān)聯(lián)式中會選用不同的溫度值，使用時應(yīng)特別注意。特征尺寸：換熱設(shè)備的尺寸取值。在應(yīng)用每個關(guān)聯(lián)式時，需要特別注意。第一百一十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百一十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百一十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體無相變時的管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)(湍流)1低粘度流體(低于2倍常溫水的粘度):

式中，①定性溫度為流體的進(jìn)出口平均溫度；②特征尺寸為管子內(nèi)徑；③Re＞，0.7＜Pr＜120，管長與管徑比≥60；④流體被加熱時，n=0.4；流體被冷卻時，n=0.3。第一百一十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體無相變時的管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)(湍流)2高粘度流體(高于2倍常溫水的粘度):式中，①除用壁溫外，定性溫度為流體的進(jìn)出口平均溫度；②特征尺寸為管子內(nèi)徑；③Re＞，0.7＜Pr＜16700，管長與管徑比≥60；④流體被加熱時，=1.05；流體冷卻時，=0.95第一百一十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體無相變時的管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)(滯流)計算式為：應(yīng)用范圍：特征尺寸：管子內(nèi)徑；定性溫度：流體進(jìn)出口平均溫度；另外：第一百一十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日其他管內(nèi)強(qiáng)制對流情況1管內(nèi)過渡流：按湍流情況計算得到的數(shù)值，再乘以校正系數(shù)φ。第一百一十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日其他管內(nèi)強(qiáng)制對流情況2短管（＜60）：上述各式乘以管入口效應(yīng)校正系數(shù)。

彎管：上述各式乘以校正系數(shù)。其中，R為彎管的曲率半徑。第一百一十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式例題1一套管換熱器，兩管規(guī)格分別為和，管長為2m，環(huán)隙內(nèi)為p=100KPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中流過，進(jìn)、出口溫度各為15℃和35℃。冷卻水的流速為0.4m/s，試求管內(nèi)水一側(cè)的對流傳熱系數(shù)。第一百一十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日管板上管子排列情況

第一百一十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體在管束外強(qiáng)制垂直流動1對于上頁的圖(a)、(d)所示傳熱情況：對于上頁的圖(b)、(c)所示傳熱情況:第一百二十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體在管束外強(qiáng)制垂直流動2兩式應(yīng)用范圍：。定性溫度：流體進(jìn)出口溫度算術(shù)平均值。管束排數(shù)應(yīng)為10。否則，計算結(jié)果應(yīng)乘以修正系數(shù)。第一百二十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日圓形直管作強(qiáng)制滯流的對流傳熱系數(shù)當(dāng)Gr＜2.5×105時，自然對流可以忽略，則

當(dāng)Gr＞2.5×105時，自然對流效應(yīng)不能忽略，上式乘以校正系數(shù)第一百二十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體垂直流過管束外作強(qiáng)制對流各排的對流傳熱系數(shù)可用下式求出：

式中n、C、ε由實(shí)驗(yàn)確定；流速取最窄通道處的流速；定性溫度為流體進(jìn)、出口平均溫度。平均對流傳熱系數(shù)為：第一百二十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日自然對流傳熱自然對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：C、n數(shù)值由下表選用。第一百二十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百二十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式例題2一垂直水蒸氣管，管徑為，管長為0.5m，若管外壁溫度為110℃，周圍空氣溫度為20℃，試計算該管單位時間內(nèi)散失的熱量。第一百二十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體有相變時的對流傳熱——蒸汽冷凝1蒸汽冷凝方式：膜狀冷凝：冷凝液可很好地濕潤壁面在壁面上形成一層連續(xù)液膜，重力作用下，液膜越往下越厚。滴狀冷凝：冷凝液在壁面上聚集成許多分散的液滴，沿壁面滾下，互相合并成大的液滴，露出壁面，使蒸汽能在壁面直接冷凝。第一百二十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日流體有相變時的對流傳熱——蒸汽冷凝2冷凝液形狀取決于它的表面張力和它對壁面的附著力。附著力大于表面張力時為膜狀冷凝，否則為滴狀冷凝。滴狀冷凝熱阻小，對流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝高出5~10倍。工業(yè)上大多情況為膜狀冷凝。第一百二十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日蒸汽膜狀冷凝時的對流傳熱3蒸汽在水平管外冷凝時：

式中，n為水平管束在垂直列上的管子數(shù)。第一百二十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日蒸汽膜狀冷凝時的對流傳熱2在垂直管外冷凝時：

（層流Re＜1800)

(湍流Re＞1800）兩式中，l為垂直管長或板高。第一百三十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日蒸汽冷凝液沿壁面流動的其表達(dá)式為：式中：——對流傳熱系數(shù)；——壁面高度；——蒸汽飽和溫度與壁面溫度差值；——汽化潛熱；——冷凝液粘度；第一百三十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響冷凝傳熱的因素1不凝性氣體：含有不凝性氣體時會導(dǎo)致對流傳熱系數(shù)降低，應(yīng)定期排放氣體。蒸汽流速和流向：蒸汽向下流動與液膜流向相同時，可加速液膜流動；且流速越高，對不凝性氣體吹散效果越好都可提高對流傳熱系數(shù)。第一百三十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響冷凝傳熱的因素2蒸汽過熱：蒸汽雖然過熱，但液膜表面溫度仍然為飽和溫度，不過于提高傳熱溫差。傳熱面形狀和布置：減薄液膜厚度可減小熱阻。故垂直壁面開設(shè)縱向溝槽、水平管束減少垂直方向排數(shù)或直列變錯列可提高對流傳熱系數(shù)。第一百三十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日液體沸騰傳熱1液體沸騰：在液體對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀啵谝合鄡?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程。分為：管內(nèi)沸騰——液體在管內(nèi)流動受熱沸騰；大容器沸騰——加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面受熱沸騰。第一百三十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日大容器沸騰過程1（水沸騰為例）沸騰情況隨溫度差（也稱壁面過熱度）而變化。（）自然對流（）：壁面處液體輕微過熱，產(chǎn)生自然對流，沒有氣泡逸出液面。對流傳熱系數(shù)和傳熱速率極低。核狀沸騰（泡狀沸騰）：此時，在加熱表面出現(xiàn)大量氣泡，氣泡生成、脫離和上升，使液體受到劇烈擾動，對流傳熱系數(shù)和傳熱速率極高。第一百三十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日大容器沸騰過程2膜狀沸騰：當(dāng)時，加熱面產(chǎn)生的氣泡大大增加，且氣泡產(chǎn)生的速度高于氣泡脫離速度，致使氣泡在壁面位置連接起來形成氣膜，使液體不能良好受熱。對流傳熱系數(shù)和傳熱速率急劇降低。由核狀沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為臨界點(diǎn)。第一百三十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百三十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日大容器沸騰的對流傳熱此時第一百三十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日影響沸騰傳熱的因素溫度差：泡狀沸騰時，增大溫差可提高對流傳熱系數(shù)。操作壓強(qiáng)：提高操作壓強(qiáng)可起促進(jìn)作用。加熱表面狀況：有污垢時，傳熱變差；粗糙面?zhèn)鳠嵝Ч?。第一百三十九頁，共一百九十頁?022年，8月28日熱輻射基本概念⑴吸收率,透過率,折射率;⑵黑體,鏡體,灰體,透熱體;⑶物體的輻射能力,單色輻射能力,黑度.第一百四十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百四十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日輻射傳熱基本概念

吸收率A：物體吸收被投射于其上的總輻射能量的分?jǐn)?shù)。反射率R：（反射的分?jǐn)?shù)）透過率D：（透過的分?jǐn)?shù)）黑體：能全部吸收輻射能的物體。（A=1）鏡體：能全部反射輻射能的物體。（R=1）灰體：能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能的物體。（A=常數(shù)）第一百四十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日輻射傳熱基本定律普郎克定律——揭示了黑體的輻射能力按波長的分配規(guī)律。斯蒂芬—波爾茲曼定律——揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系。此結(jié)論可推廣到灰體。克?；舴蚨伞沂玖宋矬w的輻射能力與吸收率的關(guān)系。第一百四十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日普朗克定律反映黑體的單色輻射能力和電磁波波長、物體表面溫度之間的關(guān)系。第一百四十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日斯蒂芬-波爾茲曼定律1反映黑體的輻射能力和物體表面溫度之間關(guān)系。上式，——黑體的輻射系數(shù)，數(shù)值為5.67。第一百四十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日斯蒂芬-波爾茲曼定律2該式稱為四次方程。將其結(jié)論推廣到灰體，則灰體的輻射能力也與其表面溫度成四次方關(guān)系?；駽——灰體的輻射系數(shù)。第一百四十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百四十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日物體的黑度ε定義——物體的輻射能力和灰體輻射能力之比。物體的黑度跟物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度值有關(guān)，在0~1之間。第一百四十八頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百四十九頁，共一百九十頁，2022年，8月28日克西霍夫定律反映物體的輻射能力和自身吸收率的關(guān)系?？梢姡矬w的黑度和吸收率雖然物理意義不同，但在數(shù)值上兩者相等。第一百五十頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百五十一頁，共一百九十頁，2022年，8月28日兩灰體之間的傳熱1與黑體和灰體之間的傳熱不同，兩實(shí)際物體（即灰體）之間的傳熱，由于只有部分的吸收，所以，吸收和輻射需經(jīng)無數(shù)次數(shù)才能完成。第一百五十二頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百五十三頁，共一百九十頁，2022年，8月28日兩灰體之間的傳熱2計算式為：式中：——總輻射系數(shù)；——角系數(shù)；S——傳熱面積。三者取值需視不同情況。第一百五十四頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百五十五頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百五十六頁，共一百九十頁，2022年，8月28日第一百五十七頁，共一百九十頁，2022年，8月28日熱輻射例題車間內(nèi)有一高和寬各為3m的鑄鐵爐門，其溫度為227℃，室內(nèi)溫度為27℃。為