化工原理第五章傳熱

1、.1第五章 傳 熱.2換熱器 0.引言.3換熱器換熱器按用途：按用途： 加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器按冷熱流體熱量交換方式：混合式、蓄熱式和間壁式按冷熱流體熱量交換方式：混合式、蓄熱式和間壁式夾套換熱器夾套換熱器.4蛇管換熱器蛇管換熱器沉浸式沉浸式.5噴淋式噴淋式.6套管換熱器套管換熱器.7列管換熱器列管換熱器.8 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 第三節(jié)第三節(jié) 兩流體間的熱量傳遞兩流體間的熱量傳遞 第四節(jié)第四節(jié) 對(duì)流與對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流與對(duì)流傳熱系數(shù) 第五節(jié)第五節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱要求及目的：要求及目的： 了解和掌握傳熱的基本概

2、念、規(guī)律和計(jì)算；了解和掌握傳熱的基本概念、規(guī)律和計(jì)算； 能正確進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，合理選擇和使用換熱器。能正確進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，合理選擇和使用換熱器。.9第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述1. 傳熱在化工傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用生產(chǎn)中的應(yīng)用 利用余熱，以降低能耗；利用余熱，以降低能耗；任何工藝過(guò)程需在指定溫度下進(jìn)行，必須加任何工藝過(guò)程需在指定溫度下進(jìn)行，必須加熱或冷卻；熱或冷卻；絕熱絕熱加熱器冷凝器醋酸氣體醋酸氣體乙炔氣體乙炔氣體冷凝器精餾塔反應(yīng)器150200醋酸乙烯氣體醋酸乙烯氣體精醋酸精醋酸乙烯液乙烯液體產(chǎn)品體產(chǎn)品 粗醋酸粗醋酸乙烯液體乙烯液體冷油冷油熱油熱油.102. 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式一、

3、熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)（conduction) 依靠物體中微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳熱；依靠物體中微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳熱； 特點(diǎn)：物體內(nèi)部無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)，靠物體各部分的直接接觸產(chǎn)特點(diǎn)：物體內(nèi)部無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)，靠物體各部分的直接接觸產(chǎn)生熱量傳遞；生熱量傳遞； 介質(zhì)：物質(zhì)三態(tài)均可。介質(zhì)：物質(zhì)三態(tài)均可。二、對(duì)流二、對(duì)流（convection) ： 流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）發(fā)生流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）發(fā)生宏觀相對(duì)位移宏觀相對(duì)位移而引起的傳熱現(xiàn)象；而引起的傳熱現(xiàn)象； 特點(diǎn)：只能發(fā)生在流體中特點(diǎn)：只能發(fā)生在流體中 ； 對(duì)流給熱：對(duì)流給熱：通常把傳熱表面與接觸流通常把傳熱表面與接觸流 體的傳熱稱為對(duì)流給體的傳熱稱為對(duì)流給熱或給熱（即對(duì)流傳熱常

4、伴隨熱傳導(dǎo)）；熱或給熱（即對(duì)流傳熱常伴隨熱傳導(dǎo)）； 自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流。三、輻射三、輻射（Radiation) 高溫物體以電磁波的形式進(jìn)行的一種傳熱現(xiàn)象。熱輻射不高溫物體以電磁波的形式進(jìn)行的一種傳熱現(xiàn)象。熱輻射不要任何介質(zhì)作媒介。要任何介質(zhì)作媒介。 在高溫情況下，輻射傳熱成為主要傳熱方式。在高溫情況下，輻射傳熱成為主要傳熱方式。.11熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)對(duì)流對(duì)流輻射輻射.12 冬天，經(jīng)過(guò)在白天太陽(yáng)底下曬過(guò)的棉被，晚上蓋起來(lái)冬天，經(jīng)過(guò)在白天太陽(yáng)底下曬過(guò)的棉被，晚上蓋起來(lái)為什么感到很暖和？并且經(jīng)過(guò)拍打以后，為什么效果為什么感到很暖和？并且經(jīng)過(guò)拍打以后，為什么效果更加明顯？更加明顯？ 冬

5、天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到更冷些？時(shí)感到更冷些？ 夏季在維持夏季在維持20室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季保持在保持在22的室內(nèi)工作時(shí)，為什么必須穿絨衣才覺(jué)得的室內(nèi)工作時(shí)，為什么必須穿絨衣才覺(jué)得舒服？舒服？ 在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實(shí)心磚還是多孔的在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實(shí)心磚還是多孔的空心磚好？為什么？空心磚好？為什么？ 電影電影泰坦尼克號(hào)泰坦尼克號(hào)里，男主人公杰克在海水里被凍里，男主人公杰克在海水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而幸存下來(lái)。試從傳死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而

6、幸存下來(lái)。試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)解釋這一現(xiàn)象。熱學(xué)的觀點(diǎn)解釋這一現(xiàn)象。.133. 傳熱速率與熱阻傳熱速率與熱阻 熱流量熱流量Q: 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)全部傳熱面積傳遞的熱量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)全部傳熱面積傳遞的熱量 ，J/s或或W； 熱通量熱通量q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，W/m2； 傳熱面上不同局部面積的熱通量可以不同；傳熱面上不同局部面積的熱通量可以不同； q=dQ/dA； 傳熱速率傳熱速率=傳熱溫差傳熱溫差/熱阻熱阻 電流電流I=電壓電壓U/電阻電阻R.14Q單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量, W；A導(dǎo)熱面積，m2l導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K，W/m. 0Cntntn0

7、lim第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律一、傅立葉定律 1. 溫度場(chǎng)和等溫面溫度場(chǎng)和等溫面 溫度場(chǎng)：物體或空間各點(diǎn)溫度的分布；溫度場(chǎng)：物體或空間各點(diǎn)溫度的分布；( ,)tfx y z非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：等溫面：溫度相同的點(diǎn)組成的面，等溫面彼此不相交。等溫面：溫度相同的點(diǎn)組成的面，等溫面彼此不相交。),(zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：2. 溫度梯度溫度梯度溫度梯度的方向垂直于等溫溫度梯度的方向垂直于等溫面，面，以溫度增加方向?yàn)檎詼囟仍黾臃较驗(yàn)檎?. 傅立葉定律傅立葉定律-熱傳導(dǎo)的基本定律熱傳導(dǎo)的基本定律 單位實(shí)際時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度和導(dǎo)熱面積成正比。單位實(shí)際時(shí)間內(nèi)傳

8、導(dǎo)的熱量與溫度梯度和導(dǎo)熱面積成正比。tdQdAnl 傳熱方向與溫度梯度方向相反傳熱方向與溫度梯度方向相反.15)1(0tll二、二、 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)1. 固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù) 多數(shù)均一固體的多數(shù)均一固體的在一定范圍內(nèi)與溫度成直線關(guān)系：在一定范圍內(nèi)與溫度成直線關(guān)系：2. 液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù) 水的水的最大；最大； 多數(shù)液體（除水和甘油）的多數(shù)液體（除水和甘油）的隨溫度升高略有減小；隨溫度升高略有減??； 純液體的純液體的比溶液大；比溶液大；3. 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體的氣體的很小，有利于保溫；氣體的很小，有利于保溫；氣體的隨溫度升高而增大；隨溫度升高而增大； 一般情況

9、下，氣體的一般情況下，氣體的與壓力無(wú)關(guān)；與壓力無(wú)關(guān)；導(dǎo)熱系數(shù)大致范圍：導(dǎo)熱系數(shù)大致范圍： 金屬：金屬：2.3420 W/m.K； 建筑材料：建筑材料： 0.253 W/m.K； 絕緣材料：絕緣材料： 0.0250.25 W/m.K； 液體：液體： 0.090.6 W/m.K； 氣體：氣體：0.0060.4 W/m.K.161. 單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)dxxoQAt1t2邊界條件為：邊界條件為：x = 0 x = 0 時(shí)，時(shí)，t = tt = t1 1 x = b x = b 時(shí)，時(shí)，t = tt = t2 2三、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 傳熱量傳熱量Q與傳熱面積與

10、傳熱面積A、平壁兩側(cè)溫度差、平壁兩側(cè)溫度差和導(dǎo)熱系數(shù)成正比，與平壁厚度成反比；和導(dǎo)熱系數(shù)成正比，與平壁厚度成反比；tQAnl 穩(wěn)定溫度場(chǎng)中：穩(wěn)定溫度場(chǎng)中：dxdtAQl12QA ttbl積分上式：積分上式：12/tttQbARl阻力阻力導(dǎo)熱推動(dòng)力導(dǎo)熱推動(dòng)力.17阻力推動(dòng)力RtbttAQql/21 Q: Q:熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W W； A:A:平壁平壁（等溫面）（等溫面）面積，面積，m m2 2; ; q: q:熱傳導(dǎo)通量，熱傳導(dǎo)通量，W/mW/m2 2； b:b:平壁厚度，平壁厚度，m;m;t:t:兩壁面溫差兩壁面溫差,K; :,K; :導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.KW/m.K；l例例2

11、：平壁厚平壁厚500mm，若，若t1=900C，t2=250C，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)=1.0（1+0.001t) Wm-1K-1,試求平壁內(nèi)溫度分布。試求平壁內(nèi)溫度分布。（1）導(dǎo)熱系數(shù)按平壁的平均溫度）導(dǎo)熱系數(shù)按平壁的平均溫度tm取為常數(shù)；取為常數(shù)；（2）考慮導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化。）考慮導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化。例例1：厚度為厚度為230mm的磚壁，內(nèi)壁溫度為的磚壁，內(nèi)壁溫度為600C，外壁溫度為，外壁溫度為150C。磚壁的導(dǎo)熱系數(shù)可取為磚壁的導(dǎo)熱系數(shù)可取為1.0Wm-1K-1,試求通過(guò)每平米磚壁的導(dǎo)熱量。試求通過(guò)每平米磚壁的導(dǎo)熱量。.182. 多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)AdxoQt1

12、t2xt3t4b1 b2 b3穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)各層熱量相等：穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)各層熱量相等：各層溫度降：各層溫度降：211ttt433ttt322ttt333333433222222322111111211RtAbtbttARtAbtbttARtAbtbttAQllllll.111nniittQR 推動(dòng)力推動(dòng)力總溫度差總溫度差 總熱阻總熱阻各層熱阻之和各層熱阻之和3141321321332211321iiRttRRRtttAbAbAbtttQlll例例3:有一爐壁，由下列三種材料組成：有一爐壁，由下列三種材料組成：耐火磚：耐火磚： 1=1.4 Wm-1K-1，b1=230mm保溫磚：保溫磚： 2

13、=0.15 Wm-1K-1，b2=115mm建筑磚：建筑磚： 3=0.8 Wm-1K-1，b3=230mm今測(cè)得其內(nèi)壁溫度為今測(cè)得其內(nèi)壁溫度為900C，外壁溫度為，外壁溫度為80C，求：（求：（1）單位面積的熱損失）單位面積的熱損失 （2）各層接觸面上的溫度。）各層接觸面上的溫度。.20四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ( (Steady-state conduction through a cylinder) )u，t1Qr1r2t1t2lQ假設(shè)：（假設(shè)：（1 1）材料的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化（或取平均溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化（或取平均溫度）；度）； （2 2）溫度僅沿半徑方向

14、變化（一維），穩(wěn)定傳熱；）溫度僅沿半徑方向變化（一維），穩(wěn)定傳熱；.21通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)r1r2t1t2lQrdrdrdtrldrdtAQll221212ttrrdtlrdrQl分離變量，分離變量，積分：積分：12121221212lnln2ttttttQlRrrrrlll)(2ln2112ttlrrQl21212122112121)2()() ln/mmlrrttttttttQArrbbARrrlll)ln(1212rrrrrm對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑 mmlrA2rrb12壁厚度壁厚度 r2/r12：m038.0)025.0/055.0ln(25.0055.02

15、mr222m239.012mmrA每米管長(zhǎng)熱損失：每米管長(zhǎng)熱損失：W/m3976274.00022.0250239.02.003.0141.016005.0100350222111mmAbAbtLQll例例5：求例求例4中溫度分布中溫度分布.24例例6：在一在一603.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.07W/m，外層為，外層為20mm的石棉層，其平均的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)=0.15W/m?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為溫度為500，最外層表面溫度為，最外層表面溫度

16、為80，管壁的導(dǎo)，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)熱系數(shù)=45W/m。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。層保溫層界面的溫度。 .25(a)每米管長(zhǎng)的熱損失每米管長(zhǎng)的熱損失 r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 mr4 =0.07+0.02=0.09 m解解:b1=0.0035m b2=0.04m b3=0.02 mt1=500C t2=? t3=?t4=80C21121112177. 012;02825. 0203. 00265. 02; 213. 10265. 003. 0mrAmrrrrrm

17、mm2222323223296. 012;0472. 0)03. 0/07. 0ln(03. 007. 0)/ln(; 233. 203. 007. 0mrAmrrrrrrrmmm233433345024. 012;08. 0207. 009. 02; 228. 107. 009. 0mrAmrrrrrmmm.261333222111413 .191265. 093. 1000439. 04205024. 015. 002. 0296. 007. 004. 0177. 0450035. 080500mWAbAbAbttLQmmmlll(b)界面溫度界面溫度414121100 . 2265. 0

18、93. 1000439. 0000439. 0RRttttCtttttt9 .499100 . 2805005002424121879. 0265. 093. 1000439. 093. 124132RRttttCtttttt72.130879. 0805009 .499334132.27例例7 外徑為外徑為 426mm的蒸汽管道，其外包扎一層厚度為的蒸汽管道，其外包扎一層厚度為 426mm的的保溫層，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為保溫層，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.615 W/(m)。若蒸汽管道外。若蒸汽管道外表面溫度為表面溫度為 177 ，保溫層的外表面溫度為，保溫層的外表面溫度為 38，試求每米管長(zhǎng)

19、，試求每米管長(zhǎng)的熱損失以及保溫層中的溫度分布。的熱損失以及保溫層中的溫度分布。解：此題為單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。解：此題為單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。已知條件：已知條件：蒸汽導(dǎo)管外表面的半徑蒸汽導(dǎo)管外表面的半徑 r20.426/20.213m溫度溫度 t2177保溫層的外表面的半徑保溫層的外表面的半徑 r30.2130.4260.639m溫度溫度 t3382332ln2ttQr rl l由：由：.28可得每米管道的熱損失為：可得每米管道的熱損失為： 23322()20.615(17738)489W/m0.639lnln0.213ttQrlrl設(shè)保溫層內(nèi)半徑設(shè)保溫層內(nèi)半徑 r 處的溫度為處的溫度為

20、t，代入上式：，代入上式： 222()Q489lnttrlrl將已知數(shù)據(jù)代入，整理得溫度將已知數(shù)據(jù)代入，整理得溫度t與半徑的關(guān)系式為：與半徑的關(guān)系式為： t = -126.6 ln r 18.64筒壁內(nèi)的溫度分布不是直線，而是曲線。筒壁內(nèi)的溫度分布不是直線，而是曲線。 .29練習(xí)題練習(xí)題1內(nèi)徑為內(nèi)徑為15mm，外徑為，外徑為19mm的鋼管，其的鋼管，其l l1 為為20 W/m ，其外包扎一層厚度為，其外包扎一層厚度為30mm，l l2為為0.2 W/m 的保溫材料，若鋼管內(nèi)表面溫度為的保溫材料，若鋼管內(nèi)表面溫度為580,保保溫層外表面溫度為溫層外表面溫度為80,試求試求: (1)每米管長(zhǎng)的熱

21、損失每米管長(zhǎng)的熱損失; (2)保溫層中的溫度分布。保溫層中的溫度分布。.30 練習(xí)題練習(xí)題2 有一蒸汽管道，外徑為有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保溫，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚材料，每層材料均厚25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比料導(dǎo)熱系數(shù)之比l l2/l l1=5，此時(shí)單位時(shí)間的熱損失為，此時(shí)單位時(shí)間的熱損失為Q；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度的溫度t1、t3不變，則此時(shí)熱損失為不變，則此時(shí)熱損失為Q，求，求Q/Q=？.31第三節(jié)第三節(jié) 兩流體間的熱量傳遞兩流體間的熱量傳遞一

22、、一、 間壁兩側(cè)流體熱交換過(guò)程的分析間壁兩側(cè)流體熱交換過(guò)程的分析 流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）發(fā)生流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）發(fā)生宏觀相對(duì)位移宏觀相對(duì)位移而引起的傳熱現(xiàn)象；而引起的傳熱現(xiàn)象； 特點(diǎn)：只能發(fā)生在流體中；特點(diǎn)：只能發(fā)生在流體中； 自然對(duì)流：流體質(zhì)點(diǎn)由自然對(duì)流：流體質(zhì)點(diǎn)由溫差引起的密度差溫差引起的密度差而產(chǎn)生的相對(duì)宏而產(chǎn)生的相對(duì)宏觀運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生傳熱；觀運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生傳熱；強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流流體質(zhì)點(diǎn)在流體質(zhì)點(diǎn)在外力作用下外力作用下而產(chǎn)生的相對(duì)宏觀運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的相對(duì)宏觀運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生傳熱從而發(fā)生傳熱 。對(duì)流給熱：通常把傳熱表面與接觸流體的傳熱也稱為對(duì)流給熱對(duì)流給熱：通常把傳熱表面與接觸流體的傳熱也稱為對(duì)流給熱或

23、給熱（包括對(duì)流和熱傳導(dǎo)）?；蚪o熱（包括對(duì)流和熱傳導(dǎo)）。dAT2t1T1 t2.32熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)qu1Tw熱熱流流體體T 1高溫流體高溫流體對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱低溫流體低溫流體對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱冷冷流流體體 t 2u2tw()()dQqTtdAqK Tt總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)()dQK Tt dA)(2ttqw壁面壁面 冷流體：冷流體：熱流體熱流體 壁面：壁面：)(1wTTq傳熱基本方程傳熱基本方程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù).33二、二、 對(duì)流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律（熱對(duì)流的基本定律牛頓冷卻定律（熱對(duì)流的基本定律 ） ()()wwQA TTorQA tt2222/1)(d

24、AttdAttdQww11wdQTTdA高溫壁面高溫壁面 T w低溫壁面低溫壁面tw熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)dddwwwmwmtTQtTAbbAll/wwmdQTtdAbl1111/1)(dATTdATTdQww低溫壁面低溫壁面tw 冷流體冷流體t (冷流體一側(cè)）冷流體一側(cè)）熱對(duì)流熱對(duì)流22wdQttdA 熱流體熱流體T壁面壁面T w（熱流體一側(cè)）（熱流體一側(cè)）熱對(duì)流熱對(duì)流 間壁換熱器 傳熱過(guò)程分析.34注意：傳熱過(guò)程不同，對(duì)應(yīng)不同的推動(dòng)力及相應(yīng)的阻力。注意：傳熱過(guò)程不同，對(duì)應(yīng)不同的推動(dòng)力及相應(yīng)的阻力。穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過(guò)程穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過(guò)程1122/mdQTtdAbdAdAl 112211221/1/1/1

25、/wwwwmmTTTtttTtdQdAbdAdAdAbdAdAll2對(duì)流阻力對(duì)流推動(dòng)力傳導(dǎo)阻力傳導(dǎo)推動(dòng)力1對(duì)流阻力對(duì)流推動(dòng)力2對(duì)流阻力傳導(dǎo)阻力1對(duì)流阻力)(總推動(dòng)力由傳熱基本方程：由傳熱基本方程：對(duì)比兩式有：對(duì)比兩式有：AKtTAtTKQd1d)(d1122111mbdAdAdAKdAl.35K總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 當(dāng)間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時(shí)，當(dāng)間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時(shí)，dA1、dA2、dAm 和和 dA 相等或近似相等，則：相等或近似相等，則： KdAdAdAbdAm1112211l12111bKl 當(dāng)傳熱面為圓筒壁，內(nèi)外兩側(cè)傳熱面積不等，根據(jù)換熱當(dāng)傳熱面為圓筒壁，內(nèi)外兩

26、側(cè)傳熱面積不等，根據(jù)換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳熱面積以換熱管器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳熱面積以換熱管外表面外表面計(jì)算，則：計(jì)算，則： 22112111mdAdAbKdAdAl對(duì)圓管，因?yàn)椋簩?duì)圓管，因?yàn)椋?22111ddddlddAlddA222ddddmmmlddAlddA22112111mddbKddl2()dQKdA TtK與與 的區(qū)別：對(duì)流傳熱系數(shù)的區(qū)別：對(duì)流傳熱系數(shù) 具有局部性質(zhì)，具有局部性質(zhì)，K K是總傳熱系數(shù)；是總傳熱系數(shù)；.36例例8 8：例例4 4中，在石棉層外再包一厚度中，在石棉層外再包一厚度30mm的保溫材料，的保溫材料，導(dǎo)熱系導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)l l3 30.020.02W/m.K。如環(huán)境溫度。如環(huán)

27、境溫度tb為為20，兩種情況下，兩種情況下 保持不變，保持不變，求：熱損失減少的百分率；求：熱損失減少的百分率；保溫層外壁面溫度保溫層外壁面溫度t4。解：解： 熱損失減少的百分率；熱損失減少的百分率；CW/m4.14)20100(055.02397o 2W/m397)(233222111bmmttrAbAbtLQll對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)管壁傳給空氣的熱量管壁傳給空氣的熱量例例4 4：f50f505 5的不銹鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)l l1 1為為1616W/m.K，外包厚，外包厚30mm的石棉，的石棉，導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)l l2 2為為0.20.2W/m.K。如管內(nèi)壁溫為。如管內(nèi)壁

28、溫為350，保溫層外壁溫度為保溫層外壁溫度為100，計(jì)算每米管長(zhǎng)的熱損失。，計(jì)算每米管長(zhǎng)的熱損失。.37W/m6.1884.14085.021433.007.003.06274.00022.020350lLQllllll433322211113332221114121rAbAbAbttAbAbAbttLQmmmbmmmm069.0)055.0/085.0ln(055.0085.03mr233m433.02mmrA每米管長(zhǎng)熱損失：每米管長(zhǎng)熱損失：加保溫層后，r4=553085mm： r3=55mm：llllll433322211113332221114121rAbAbAbttAbAbAbttLQ

29、mmmbmmm.38C6.44)(2/1/o1414bmiiimiiittrAbAbttll 保溫層外壁面溫度保溫層外壁面溫度t4：熱損失減少的百分率：熱損失減少的百分率：%5.52%3976.188397QQQ.39三、污垢熱阻三、污垢熱阻Rs 計(jì)算熱阻時(shí)，需加上污垢層熱阻，因不易計(jì)算，可根據(jù)經(jīng)計(jì)算熱阻時(shí)，需加上污垢層熱阻，因不易計(jì)算，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)其大致數(shù)值，管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)均需分別計(jì)入；驗(yàn)估計(jì)其大致數(shù)值，管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)均需分別計(jì)入； 222121112111ssmdddbRRKdddl內(nèi)側(cè)污垢內(nèi)側(cè)污垢 外側(cè)污垢外側(cè)污垢 污垢熱阻的大致范圍：污垢熱阻的大致范圍：.40污垢熱阻污垢熱阻Rs污垢

30、熱阻的大致數(shù)值污垢熱阻的大致數(shù)值 流流 體體 種種 類類污垢熱阻污垢熱阻m2/W流體種類流體種類污垢熱阻污垢熱阻m2/W水水(u1m/s, t50)(u1m/s, t50) 蒸氣蒸氣 海水海水0.0001 有機(jī)蒸汽有機(jī)蒸汽 0.0002 河水河水0.0006 水蒸氣水蒸氣( (不含油不含油) )0.0001 井水井水0.00058 水蒸氣廢氣水蒸氣廢氣( (含油含油) )0.0002 蒸餾水蒸餾水0.0001 制冷劑蒸汽制冷劑蒸汽( (含油含油) )0.0004鍋爐給水鍋爐給水0.00026氣體氣體 未處理的涼水塔用水未處理的涼水塔用水0.00058 空氣空氣0.0003 經(jīng)處理的涼水塔用水經(jīng)

31、處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體壓縮氣體0.0004 多泥沙的水多泥沙的水0.0006 天然氣天然氣0.002 鹽水鹽水0.0004 焦?fàn)t氣焦?fàn)t氣0.002為減少垢層熱阻，（為減少垢層熱阻，（1）定期清洗換熱器；）定期清洗換熱器； （2）對(duì)換熱流體進(jìn)行防垢預(yù)處理。）對(duì)換熱流體進(jìn)行防垢預(yù)處理。.41例例9 9：有一列管換熱器，由有一列管換熱器，由252.5mm的鋼管組的鋼管組成，成，CO2在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在管外流動(dòng)，已知管在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在管外流動(dòng)，已知管內(nèi)的內(nèi)的1=50Wm-2K-1，管外的，管外的2=2500Wm-2K-1。（1）求傳熱系數(shù)）求傳熱系數(shù)K；（；（2）若使）若使1增大

32、增大1倍，其他倍，其他條件不變，求傳熱系數(shù)增大的百分率；（條件不變，求傳熱系數(shù)增大的百分率；（3）若使）若使2增大增大1倍，其他條件不變，求傳熱系數(shù)增大的百倍，其他條件不變，求傳熱系數(shù)增大的百分率；（分率；（4）若計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，不對(duì)內(nèi)外表面差）若計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，不對(duì)內(nèi)外表面差異做校正，誤差有多大？異做校正，誤差有多大？（已知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)（已知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=45Wm-2K-1，CO2側(cè)污垢?jìng)?cè)污垢熱阻熱阻Rs1=0.510-3m2KW-1,冷卻水側(cè)污垢熱阻冷卻水側(cè)污垢熱阻Rs2=0.5810-3m2KW-1 ）.42四、傳熱溫差和熱量衡算四、傳熱溫差和熱量衡算 熱量衡算是反映兩流體在換熱過(guò)程中溫

33、度變化的相互關(guān)系熱量衡算是反映兩流體在換熱過(guò)程中溫度變化的相互關(guān)系 對(duì)于間壁式換熱器，假設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可忽略對(duì)于間壁式換熱器，假設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可忽略，則在單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。，則在單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。 冷流體冷流體ms2, t2,cp2冷流體冷流體ms2, t1,cp2熱流體熱流體ms1,T1,cp1熱流體熱流體ms1,T2,cp1.43T1T2t2t1T1T2t1t2 t2tAt1T2T1 t2tAt1T2T1逆流逆流并流并流.44T2t1t2T1dTdtdAAt tII tITt12ItTtII21tTt.4511

34、22spspdQm c dTm c dt ()dQK Tt dA11122221()()spspQm cTTm cttmQKA tln(/)IIImIIIttttt+/22IIIIIImttttt時(shí)，)/(1)/(1)/(1)/(122112211pspspspscmcmdtdTcmdtcmdTdQ.46T2t1t2T1A tII tI11ItTtII22tTt并流中，并流中， tI恒大于恒大于 tII;逆流中，逆流中， tI不一定大于不一定大于 tII一側(cè)流體變溫時(shí)，并流和逆流的對(duì)數(shù)平均溫度差是相等的；一側(cè)流體變溫時(shí)，并流和逆流的對(duì)數(shù)平均溫度差是相等的；兩側(cè)流體都變溫時(shí)，由于流體的流動(dòng)方向不

35、同，兩端的溫兩側(cè)流體都變溫時(shí)，由于流體的流動(dòng)方向不同，兩端的溫度差也不相同，因此并流和逆流時(shí)的平均溫度差是不相等的。度差也不相同，因此并流和逆流時(shí)的平均溫度差是不相等的。.47例例10：在換熱器中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，熱流體溫度都是在換熱器中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，熱流體溫度都是90冷卻到冷卻到70,冷流體溫度都是由冷流體溫度都是由20加熱到加熱到60,試比較并試比較并流與逆流的傳熱平均溫度差。流與逆流的傳熱平均溫度差。計(jì)算結(jié)果表明：在并流和逆流時(shí)，雖然兩流體的進(jìn)、出口溫計(jì)算結(jié)果表明：在并流和逆流時(shí)，雖然兩流體的進(jìn)、出口溫度不變，但逆流時(shí)的傳熱平均溫度差比并流要大度不變，但逆流時(shí)的傳熱平均溫度差

36、比并流要大28%度，故度，故工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流換熱工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流換熱。逆流傳熱時(shí)T9070t6020并流傳熱時(shí)T9070t2060CtCtCtmIII8 .301070ln107010,70CtCtCtmII2 .393050ln305050,30.48例例11：在一列管式換熱器中用機(jī)油和原油換熱，機(jī)油在管在一列管式換熱器中用機(jī)油和原油換熱，機(jī)油在管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度245C，出口溫度，出口溫度175C，原油在管，原油在管外流動(dòng)，溫度由外流動(dòng)，溫度由120C升到升到160C。（1）分別計(jì)算并流和逆流時(shí)的平均溫差；）分別計(jì)算并流和逆流時(shí)的平均溫差；（2）若已知機(jī)油質(zhì)量流量）

37、若已知機(jī)油質(zhì)量流量ms1=0.5kgs-1，定壓比熱容，定壓比熱容cp1=3kJkg-1K-1,并流和逆流時(shí)的并流和逆流時(shí)的K均為均為100Wm-2K-1，分，分別求所需傳熱面積。別求所需傳熱面積。例例12：某工廠用某工廠用300kPa（絕）的飽和蒸汽，將環(huán)丁砜水（絕）的飽和蒸汽，將環(huán)丁砜水溶液由溶液由105C加熱至加熱至115C后，送再生塔再生，已知其后，送再生塔再生，已知其流量為流量為200m3h-1，密度為，密度為1080kgm-3，比熱容為，比熱容為2.93kJkg-1K-1，試求蒸汽用量。又若換熱器的管外表面，試求蒸汽用量。又若換熱器的管外表面積為積為110m2，計(jì)算溫差時(shí)水溶液的溫

38、度可近似取為其算數(shù)，計(jì)算溫差時(shí)水溶液的溫度可近似取為其算數(shù)平均值，求傳熱系數(shù)。（已知平均值，求傳熱系數(shù)。（已知300kPa下水的汽化潛熱下水的汽化潛熱r=2168kJkg-1）.49例例13：有一列管式換熱器，其傳熱面積有一列管式換熱器，其傳熱面積A=100m2，用作鍋，用作鍋爐給水和原油之間的換熱。已知水的質(zhì)量流量為爐給水和原油之間的換熱。已知水的質(zhì)量流量為550kgmin-1，進(jìn)口溫度為，進(jìn)口溫度為35C，出口溫度為，出口溫度為75C，油，油的溫度要求由的溫度要求由150C降到降到65C，由計(jì)算得出水與油之間，由計(jì)算得出水與油之間的傳熱系數(shù)的傳熱系數(shù)K=250 Wm-2K-1，問(wèn)如果采用逆

39、流操作，此，問(wèn)如果采用逆流操作，此換熱器是否合用？換熱器是否合用？.50第五章第五章 傳熱傳熱 總結(jié)總結(jié)1、 穩(wěn)定傳熱的基本規(guī)律穩(wěn)定傳熱的基本規(guī)律穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱 T=f ( x , y , z ); 不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱 ： T=f ( x , y , z ，t t)2、 利用基本原理解決化工生產(chǎn)中的傳熱問(wèn)題：利用基本原理解決化工生產(chǎn)中的傳熱問(wèn)題： 傳熱過(guò)程和設(shè)備的計(jì)算傳熱過(guò)程和設(shè)備的計(jì)算設(shè)計(jì)換熱器；設(shè)計(jì)換熱器； 強(qiáng)化傳熱過(guò)程的途徑。強(qiáng)化傳熱過(guò)程的途徑。強(qiáng)化強(qiáng)化增強(qiáng)和削弱（絕熱）增強(qiáng)和削弱（絕熱）熱量恒算式熱量恒算式 吸放QQmQKAtmQqKtA傳熱速率關(guān)系傳熱速率關(guān)系 傳熱基本方程式傳熱

40、基本方程式 熱力學(xué)計(jì)算式熱力學(xué)計(jì)算式 式中：式中：Q Q傳熱速率，傳熱速率，W W； A A 與傳熱方向垂直的傳熱面積，與傳熱方向垂直的傳熱面積，m m2 2; ; q q傳熱通量，傳熱通量，W/mW/m2 2；t tm m 冷熱兩種流體的平均溫度差冷熱兩種流體的平均溫度差,K,K。 K K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/mW/m2 2.K.K；.51傳熱過(guò)程的計(jì)算 傳熱負(fù)荷傳熱負(fù)荷熱力學(xué)熱力學(xué)Q（Q放放、 Q吸吸）的計(jì)算）的計(jì)算 傳熱溫差傳熱溫差tm 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) K 傳熱計(jì)算的類型及其方法傳熱計(jì)算的類型及其方法吸放QQmQKAt傳熱任務(wù)傳熱能力.52K總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 當(dāng)間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時(shí)，當(dāng)間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時(shí)，dA1、dA2、dAm 和和 dA 相等或近似相等，則：相等或近似相等，則： KdAdAdAbdAm1112211l12111bKl 當(dāng)傳熱面為圓筒壁，內(nèi)外兩側(cè)傳熱面積不等，根據(jù)換熱當(dāng)傳熱面為圓筒壁，內(nèi)外兩側(cè)傳熱面積不等，根據(jù)換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳熱面積以換熱管器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳熱面積以換熱管外表面外表面計(jì)算，則：計(jì)算，則： 22112111mdAdAbKdAdAl對(duì)圓管，因?yàn)椋簩?duì)圓管，因?yàn)椋?221