環(huán)境工程原理第四章傳熱

1、1第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 第四章第四章 傳傳 熱熱 一、傳熱過(guò)程的應(yīng)用一、傳熱過(guò)程的應(yīng)用（1 1）物料的加熱或冷卻）物料的加熱或冷卻（2 2）熱量與冷量的回收利用）熱量與冷量的回收利用 （3 3）設(shè)備與管路的保溫）設(shè)備與管路的保溫2二、傳熱的基本方式二、傳熱的基本方式 （一）熱傳導(dǎo)（一）熱傳導(dǎo) 氣體氣體 分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng) 固體固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng) 非導(dǎo)電體：通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)非導(dǎo)電體：通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn) 液體液體 機(jī)理復(fù)雜機(jī)理復(fù)雜特點(diǎn)：特點(diǎn)：靜止介質(zhì)中的傳熱，靜止介質(zhì)中的傳熱，沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移3（二）熱

2、對(duì)流（二）熱對(duì)流 （三）熱輻射（三）熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱為熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱為熱輻射。 自然對(duì)流自然對(duì)流：由于流體內(nèi)密度不同造成的浮升力：由于流體內(nèi)密度不同造成的浮升力 引起的流動(dòng)。引起的流動(dòng)。 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流：流體受外力作用而引起的流動(dòng)。：流體受外力作用而引起的流動(dòng)。 能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化能量形式的轉(zhuǎn)化 不需要任何物質(zhì)作媒介不需要任何物質(zhì)作媒介 特點(diǎn)：特點(diǎn)：流動(dòng)介質(zhì)中的傳熱，流體作流動(dòng)介質(zhì)中的傳熱，流體作宏觀宏觀運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。意義：意義：流體與固體壁面之間的傳熱過(guò)程。流體與固體壁面之間的傳熱過(guò)程。4三、基本概念三、基本概念 傳熱速率傳熱速率

3、Q（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或或W。（一）傳熱速率與熱流密度（一）傳熱速率與熱流密度AQq 熱流密度熱流密度q （熱通量）（熱通量） ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或或W/m2。5非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱 ,zyxftqQ（二）穩(wěn)態(tài)與非（二）穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)穩(wěn)態(tài)傳熱態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱 zyxftqQ, 0t一維穩(wěn)態(tài)傳熱一維穩(wěn)態(tài)傳熱 xftqQ,6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

4、度分布。 （三）溫度場(chǎng)（三）溫度場(chǎng)非非穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)溫度場(chǎng)溫度場(chǎng) ,zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) zyxft,一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) xft 7等溫面等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn) 組成的面。組成的面。 性質(zhì)性質(zhì)：（四）等溫面（四）等溫面l各等溫面不相交；各等溫面不相交；l同一等溫面上的各點(diǎn)無(wú)熱量傳遞；同一等溫面上的各點(diǎn)無(wú)熱量傳遞；l等溫面法線方向上的溫差變化率最大等溫面法線方向上的溫差變化率最大n n xt+ ttxnt Q8（五）溫度梯度（五）溫度梯度 ntnttgradn0limn n xt+ ttxnt Q 說(shuō)明說(shuō)明：l溫度梯度是

5、向量，方向垂直于等溫面，為法溫度梯度是向量，方向垂直于等溫面，為法線方向，以溫度增加的方向?yàn)檎?。線方向，以溫度增加的方向?yàn)檎?。l對(duì)于一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)：對(duì)于一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)：dxdttgrad 9四、兩流體通過(guò)間壁換熱過(guò)程四、兩流體通過(guò)間壁換熱過(guò)程 冷流體冷流體t1t2熱流體熱流體T1T2（一）間壁式換熱器（一）間壁式換熱器夾套式換熱器夾套式換熱器10管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱流體熱流體對(duì)流對(duì)流)(1)1(Q（二）兩流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程（二）兩流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程t2t1T1T2對(duì)流對(duì)流對(duì)流對(duì)流 傳導(dǎo)傳導(dǎo)冷冷流流體體Q熱熱流流體體管壁外側(cè)管壁外側(cè)管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo))(2)2(Q冷冷流流體體管管

6、壁壁外外側(cè)側(cè)對(duì)對(duì)流流)(3)3(Q穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：QQQQ 32111式中式中 tm兩流體的平均溫度差，兩流體的平均溫度差，或或K； A傳熱面積，傳熱面積，m2； K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2)或或W/(m2K)?？偪偀釤嶙枳杩偪倐鱾鳠釤嵬仆苿?dòng)動(dòng)力力 KAttKAQ/1mm（三）總傳熱速率方程（三）總傳熱速率方程12一、傅立葉定律一、傅立葉定律 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)dxdtAQ式中式中 Q 熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W或或J/s； A 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2； dt/dx 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。 負(fù)號(hào)表示傳熱方向

7、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dxdtAQq（W/mW/m2 2) )13二、熱導(dǎo)率二、熱導(dǎo)率 dxdtqdxdtAQ/ 在數(shù)值上等于單位溫度梯度在數(shù)值上等于單位溫度梯度(1K/m)下的熱通量下的熱通量 = 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） 金屬固體金屬固體 非金屬固體非金屬固體 液體液體 氣體氣體 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)141.1.固體熱導(dǎo)率固體熱導(dǎo)率 金屬材料金屬材料 10102 W/(mK) 建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK) 絕熱材料絕熱材料 10-210-1 W/(mK)1(0at 在一定溫

8、度范圍內(nèi)：在一定溫度范圍內(nèi)：對(duì)大多數(shù)金屬材料對(duì)大多數(shù)金屬材料a 0 ， t 152.2.液體熱導(dǎo)率液體熱導(dǎo)率 金屬液體金屬液體 較高，非金屬液體較高，非金屬液體 低；低； 非金屬液體水的非金屬液體水的 最大；最大； 水和甘油：水和甘油：t ， 其它液體：其它液體：t ，0.090.6 W/(mK)163.3.氣體熱導(dǎo)率氣體熱導(dǎo)率 t ， 一般情況下，一般情況下， 隨隨p的變化可忽略；的變化可忽略； 氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。0.0060.4 W/(mK)17t1t2btxdxQ三、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)三、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) （一）單層平壁熱傳導(dǎo)一）單層平壁熱

9、傳導(dǎo) 假設(shè)：假設(shè)：材料均勻，材料均勻， 為常數(shù)；為常數(shù)；一維溫度場(chǎng)，一維溫度場(chǎng)，t沿沿x變化；變化； A/b很大，忽略端損失。很大，忽略端損失。18xtAQdd 210ttbAdtQdx bAQtt21積分：積分：熱阻推動(dòng)力RtAbttQ21xAQtt1溫度分布：溫度分布：（直線關(guān)系）（直線關(guān)系）)(21ttbAQ t1t2btxdxQ19 （二）多層平壁熱傳導(dǎo)二）多層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)： 一維穩(wěn)態(tài)傳熱，各層接一維穩(wěn)態(tài)傳熱，各層接觸良好，忽略熱損失，觸良好，忽略熱損失，接觸面兩側(cè)溫度相同。接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t320AbttAbttAbttQ334322

10、321121 總熱阻總推動(dòng)力iRttAbAbAbtttQ41332211321 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 各層的溫差各層的溫差21結(jié)論：結(jié)論： 多層平壁熱傳導(dǎo)，總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和，總多層平壁熱傳導(dǎo)，總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和，總熱阻為各層熱阻之和；熱阻為各層熱阻之和； 各層溫差與熱阻成正比。各層溫差與熱阻成正比。 tiRi,溫度分布為一折線。 任一層內(nèi)某點(diǎn)的溫度（各層內(nèi)的溫度分布）： 第i層，先求ti ，再求tx推廣至推廣至n層：層： niiinniiiAbttAbtQ1111 xAQttiix22t1t2b11txb2b323t2t4t3思考：思考：

11、 如果如果b1=b2=b3 那么圖中哪那么圖中哪層的層的值最??？值最小？23四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) （一）單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)一）單層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：傳熱面積隨半徑變傳熱面積隨半徑變化，化， A=2 rl(1)(2) 一維溫度場(chǎng)，一維溫度場(chǎng)，t沿沿r變化。變化。24在半徑在半徑r處取處取dr同心薄層圓筒同心薄層圓筒rtrlrtAQdddd 2 1221ln)(2rrttlQ 討論：討論：RttlrrttQ2112212ln 11ln2rrlQttr（對(duì)數(shù)曲線關(guān)系）（對(duì)數(shù)曲線關(guān)系）251212ln2AAAAlrAmm 12rrb 對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積熱阻熱阻1

12、212122lnrrrrlrrR 令令1212lnrrrrrm 對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑mAb mAbttQ21rr212一般一般 時(shí)，時(shí)，221rrrm 26 （二）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)二）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)2731141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlQrrttlrrttlrrttlQ三層：三層：n層圓筒壁：層圓筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 28小小 結(jié)結(jié)u 傳熱的基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射；傳熱的基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射；u 傳熱速率方程；傳熱速率方

13、程；u 傅立葉定律；傅立葉定律；u 平壁熱傳導(dǎo)；平壁熱傳導(dǎo)；u 圓筒壁熱傳導(dǎo)；圓筒壁熱傳導(dǎo)；29一、對(duì)流傳熱過(guò)程一、對(duì)流傳熱過(guò)程第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T230ttWTWTA2A1傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 T t熱流體熱流體對(duì)流傳熱管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱傳導(dǎo)管壁外側(cè)管壁外側(cè)對(duì)流傳熱冷流體冷流體l 湍流主體：溫度梯度小，熱對(duì)流為主湍流主體：溫度梯度小，熱對(duì)流為主l 層流內(nèi)層：溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主層流內(nèi)層：溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主l 過(guò)渡區(qū)域：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流均起作用過(guò)渡區(qū)域：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流均起作用31簡(jiǎn)化假定：全部阻力都集中在厚度

14、為簡(jiǎn)化假定：全部阻力都集中在厚度為t的有效膜內(nèi)。的有效膜內(nèi)。AttAQTT/T令：令：阻力推動(dòng)力AtQ/1ttWTWTA2A1傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 T t32式中式中 Q 對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W； 1 、 2 熱、冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，熱、冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 熱、冷流體的平均溫度及熱、冷流體的平均溫度及 平均壁溫，平均壁溫，。 )(11WTTAQ )(22ttAQW 冷流體：冷流體：熱流體：熱流體：牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律33（一）影響因素（一）影響因素二、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素二、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素 相變化：相變化： 相

15、變相變 無(wú)相變無(wú)相變1.流體的性質(zhì)及相狀態(tài)流體的性質(zhì)及相狀態(tài) 影響較大的物性：影響較大的物性：，cp 2.流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài) 湍流湍流 層流層流343.引起流動(dòng)的原因引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：自然對(duì)流：?jiǎn)挝惑w積的浮升力單位體積的浮升力 gtgt 體積膨脹系數(shù)，體積膨脹系數(shù)，1/ C.)1(21t 由密度差而產(chǎn)生的單位體積的浮升力：由密度差而產(chǎn)生的單位體積的浮升力： tggtg 22221)1( 強(qiáng)制強(qiáng)制 自然自然 35傳熱面的形狀，大小和位置傳熱面的形狀，大小和位置 形狀形狀管、板、管束等；管、板、管束等； 水平圓管：水平圓管：d 大小大小 平板、垂直放圓管：長(zhǎng)度平板、垂直放圓管：長(zhǎng)度

16、l和厚度和厚度H 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列方式，垂直或水平放置。36三、對(duì)流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式三、對(duì)流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式變量數(shù)變量數(shù) 8 8個(gè)個(gè)基本因次基本因次 4個(gè)：長(zhǎng)度個(gè)：長(zhǎng)度L L，時(shí)間，時(shí)間T T，質(zhì)量，質(zhì)量M M，溫度，溫度 無(wú)量綱特征數(shù)無(wú)量綱特征數(shù)（8-48-4）=4=4),(LtgCufp無(wú)相變時(shí)無(wú)相變時(shí)371. 努塞爾特努塞爾特（Nusselt ）數(shù)）數(shù) LNu 表示對(duì)流傳熱系數(shù)的特征數(shù)表示對(duì)流傳熱系數(shù)的特征數(shù)2. 雷諾雷諾（Reynolds）數(shù)）數(shù) uL Re反映流體的流動(dòng)狀態(tài)反映流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響對(duì)對(duì)流傳熱的影響3. 普蘭普蘭特（特（P

17、randtl）數(shù)）數(shù) Cp Pr反映流體的物性對(duì)對(duì)流傳反映流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響熱的影響384. 格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù)223 tgLGr 表示自然對(duì)流表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱對(duì)對(duì)流傳熱的影響的影響一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)或或簡(jiǎn)化：強(qiáng)制對(duì)流簡(jiǎn)化：強(qiáng)制對(duì)流 Nu=f (Re, Pr) 自然對(duì)流自然對(duì)流 Nu=f (Pr, Gr)zyxGrANuPrReyxANuPrRezyGrANuPr1使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)注意：使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)注意：1. 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: Re/Pr2. 特征尺寸：特征尺寸：d/de/l/H3. 定性溫度定性溫度: 流

18、體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值39強(qiáng)制強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流自然自然對(duì)流對(duì)流無(wú)相變無(wú)相變有相變有相變蒸汽冷凝蒸汽冷凝液體沸騰液體沸騰對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱管外對(duì)流管外對(duì)流管內(nèi)對(duì)流管內(nèi)對(duì)流圓形直管圓形直管非圓管道非圓管道彎管彎管湍流湍流層流層流過(guò)渡流過(guò)渡流對(duì)流傳熱的分類：對(duì)流傳熱的分類：40四、無(wú)相變時(shí)四、無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流（一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流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nmCNuPrRe nNuPrRe023. 08 . 0 流體被加熱流體被加熱 n=0.4流體被冷卻流體被冷卻 n=0.3（1）應(yīng)用范圍

19、：）應(yīng)用范圍：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 氣體或低粘度的液體（氣體或低粘度的液體（ 2 水水）（2）定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值）定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值（3）特征尺寸：管內(nèi)徑）特征尺寸：管內(nèi)徑41討論：討論：（1）加熱與冷卻的差別：）加熱與冷卻的差別： ,WRettt加加熱熱液體液體3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 液液體體冷冷卻卻加加熱熱 氣體氣體 , Ret加加熱熱3 . 04 . 0, 1,PrPrPr 氣氣體體冷冷卻卻加加熱熱 422 . 08 . 08 . 018 . 08 . 0023. 0)()(023. 0duCpCpud

20、dnnnn物性一定時(shí)：物性一定時(shí)：2 .08 .0du（2）影響因素：）影響因素：43公式修正：公式修正：（1）當(dāng)）當(dāng)L/d 2 水水）14. 0)(PrRe027. 033. 08 . 0WNu工程處理：工程處理：加熱：加熱：冷卻：冷卻：05.1)(14.0 W 95.0)(14.0 W 7 . 011 ld 44（3） 彎管彎管彎彎管管的的曲曲率率半半徑徑）（直直彎彎直直彎彎 RRd77. 11 （4）非圓形管道非圓形管道neeuddPr)(023. 08 . 0 實(shí)實(shí) 用當(dāng)量直徑計(jì)算。用當(dāng)量直徑計(jì)算。452. 圓形直管內(nèi)流體處于過(guò)渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)圓形直管內(nèi)流體處于過(guò)渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系

21、數(shù) 8 . 15Re1061 ff校校正正系系數(shù)數(shù)湍湍過(guò)過(guò)湍湍過(guò)過(guò) 2300 Re 104463. 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流（1）隨熱流方向不同，隨熱流方向不同，速度分布情況不同；速度分布情況不同；（2）自然對(duì)流造成了自然對(duì)流造成了徑向流動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)徑向流動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱過(guò)程。流傳熱過(guò)程。對(duì)于液體對(duì)于液體4714. 031)()Pr(Re86. 1WLdNu 自然對(duì)流可以忽略：自然對(duì)流可以忽略： Gr 25000乘校正因子：乘校正因子： )Gr.(.f310150180 適用范圍：適用范圍：10)Pr(Re Ld670060 Pr.Re2300 定性溫度：定性溫度：221tttm

22、 特征尺寸：管內(nèi)徑特征尺寸：管內(nèi)徑48（二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱（二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱1. 流體在管束外垂直流過(guò)流體在管束外垂直流過(guò)49 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處 定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值Nu=C Ren Pr0.4112212nnmn A A AAAA 平均對(duì)流傳熱系數(shù)：平均對(duì)流傳熱系數(shù)：502流體在換熱器管間的流動(dòng)流體在換熱器管間的流動(dòng)折流擋板形式：圓缺形、圓環(huán)形折流擋板形式：圓缺形、圓環(huán)形51設(shè)置折流擋板目的

23、：設(shè)置折流擋板目的：增加殼程流體的湍動(dòng)程度，進(jìn)而提高殼程的增加殼程流體的湍動(dòng)程度，進(jìn)而提高殼程的 。圓缺形折流擋板：圓缺形折流擋板： 14. 03/155. 0PrRe36. 0 WNu 定性溫度：定性溫度：221tttm 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re=2103106特征尺寸：特征尺寸：d de e , u, u52（三）自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（三）自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)nGrCNu)(Pr定性溫度：膜溫（定性溫度：膜溫（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板為高度特征尺寸：垂直的管或板為高度H 水平管為管外徑水平管為管外徑d0各種情況下的各種情況下的C C、n n值及特征尺寸不同。值及特征尺

24、寸不同。 531. 蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式五、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱五、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱 滴滴 膜膜 （1）膜狀冷凝）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝）滴狀冷凝冷凝過(guò)程的熱阻冷凝過(guò)程的熱阻冷凝液膜冷凝液膜（一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱（一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱542. 膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1）水平管束外）水平管束外41032327250 tdngr /.2Wsttt 定性溫度：定性溫度：t tS Sr r，其它，其它膜溫膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù)水平管束在垂直列上的管數(shù)r比汽化熱比汽化熱55（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝rt

25、l4Reusude4RetltArqQm56層流層流413213. 1 tlgr Re1800湍流湍流4 . 0312320077. 0Reg 特性尺寸：管或板高特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫定性溫度：膜溫 573.影響因素和強(qiáng)化措施影響因素和強(qiáng)化措施(3)蒸汽流速與流向蒸汽流速與流向 （u10m/s ） 同向時(shí)，同向時(shí)， t ， ；反向時(shí)，；反向時(shí)， t ， ； u ，(1) 液體物性液體物性 ， ， r (2) 不凝氣體不凝氣體 不凝氣體不凝氣體存在，導(dǎo)致存在，導(dǎo)致 ，需定期排放。，需定期排放。(4) 蒸汽過(guò)熱蒸汽過(guò)熱 r=r+cp(tv-ts) 影響較小影響較小58(5) 強(qiáng)化措施：

26、強(qiáng)化措施： 目的：減少冷凝液膜的厚度目的：減少冷凝液膜的厚度 水平管束：減少垂直方向上管數(shù)，采用錯(cuò)列；水平管束：減少垂直方向上管數(shù)，采用錯(cuò)列；垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。59（二）液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱（二）液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱大容積沸騰大容積沸騰 管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰1. 沸騰現(xiàn)象沸騰現(xiàn)象在粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處：在粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處：汽化核心汽化核心 生成汽泡生成汽泡 長(zhǎng)大長(zhǎng)大 脫離壁面脫離壁面新汽泡形成新汽泡形成攪動(dòng)液層攪動(dòng)液層60沸騰必要條件沸騰必要條件： 過(guò)熱度過(guò)熱度 t=t=（t tt ts s）00 存在汽化核心存在汽化核心

27、推動(dòng)力推動(dòng)力 （twts）水沸騰曲線水沸騰曲線沸騰三個(gè)階段：沸騰三個(gè)階段：自然對(duì)流、核狀沸騰、自然對(duì)流、核狀沸騰、膜狀沸騰膜狀沸騰工業(yè)上采用核狀沸騰工業(yè)上采用核狀沸騰 大，大，tW小小612. 影響因素及強(qiáng)化措施影響因素及強(qiáng)化措施 ,（2）溫度差）溫度差 核狀沸騰階段核狀沸騰階段: t2.5， t stp（1）液體的性質(zhì)）液體的性質(zhì) （3）操作壓力）操作壓力62（4）加熱面）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，新的、潔凈的、粗糙的加熱面， 大大 （5）強(qiáng)化措施）強(qiáng)化措施表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒，定期除垢；表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒，定期除垢；加表面活性劑（乙醇、丙酮等），降低

28、表面張力。加表面活性劑（乙醇、丙酮等），降低表面張力。63小小 結(jié)結(jié) 對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算：無(wú)相變化和有相變化對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算：無(wú)相變化和有相變化對(duì)流傳熱的特征準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱的特征準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式64 第四節(jié)第四節(jié) 傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算總傳熱速率方程總傳熱速率方程式中式中 Q傳熱速率，傳熱速率，W； tm兩流體的平均溫度差，兩流體的平均溫度差，； A傳熱面積，傳熱面積，m2； K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2) 。m mQKAt 65管壁一側(cè)熱流體對(duì)流)(1) 1 (Q管壁另一側(cè)管壁一側(cè)熱傳導(dǎo))(2)2(Q冷流體管壁另一側(cè)對(duì)流)(3)3(QttWTWTA2A1傳熱

29、壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 T t66一、熱量衡算一、熱量衡算前提：前提：定態(tài)流動(dòng)；穩(wěn)態(tài)傳熱；定態(tài)流動(dòng)；穩(wěn)態(tài)傳熱；cp為常數(shù)；為常數(shù)；K為常數(shù)為常數(shù)QQQQ321流體無(wú)相變化：流體無(wú)相變化：)()(12222111ttcqTTcqQpmpm流體一側(cè)有相變化：流體一側(cè)有相變化：)(12221ttcqrqQpmm)()(1222211ttcqTTcrqQpmspm67（一）恒溫傳熱（一）恒溫傳熱t(yī)Tt m（二）變溫傳熱（二）變溫傳熱 tm與流體流向有關(guān)與流體流向有關(guān)二、傳熱平均溫度差二、傳熱平均溫度差逆流逆流并流并流錯(cuò)流錯(cuò)流折流折流681. 逆流與并流逆流與并流t2t1T1T2t1t2T1T

30、2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流69對(duì)于微元對(duì)于微元dA：dtcqdTcqdQpmpm2211ConstcqdQdtConstcqdQdTpmpm221111T1T2t2t1Q2t 1t tTt ConstcqcqdQtTddQdtdQdTpmpm221111)(QttdQtd212. 兩流體兩端的溫度差分別為兩流體兩端的溫度差分別為t1 、t2, t1 t270QtttdAKtd21分離變量并積分：分離變量并積分：KAQtttt2121ln2121lntttttm對(duì)數(shù)平均溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差 逆流、并流均適用；逆流、并流均適用； 當(dāng)當(dāng) t1/ t22，則可用算術(shù)

31、平均值。，則可用算術(shù)平均值。 當(dāng)冷熱流體的進(jìn)出口溫度一定時(shí)，當(dāng)冷熱流體的進(jìn)出口溫度一定時(shí)， tm逆逆 tm并并 。 單側(cè)變溫時(shí)，兩種流動(dòng)方式的平均溫度差大小相同。單側(cè)變溫時(shí)，兩種流動(dòng)方式的平均溫度差大小相同。71逆mmtt),(流向RPf1221ttTTR 冷冷流流體體溫溫升升熱熱流流體體溫溫降降1112tTttP 兩流體初溫差兩流體初溫差冷流體溫升冷流體溫升2. 錯(cuò)流與折流錯(cuò)流與折流查圖查圖 1 tm 0.9若若 0.8，溫差損失大，傳熱不穩(wěn)定；，溫差損失大，傳熱不穩(wěn)定；改變流向或增加殼程數(shù)改變流向或增加殼程數(shù)72（三）流向的比較（三）流向的比較1. 所需傳熱面積所需傳熱面積并并并并逆逆逆逆

32、mmtKAtKAQ 逆逆并并mmtt 并并逆逆AA 逆流優(yōu)于并流。逆流優(yōu)于并流。732. 載熱體消耗量載熱體消耗量t1t2T1T1T2并并T2逆逆加熱任務(wù)：加熱任務(wù)：t1t2（T2并并）min=t2（T2逆逆）min=t1逆逆并并)()(2121TTTT 1111()()mPmPq cq c 并并逆逆 逆流優(yōu)于并流。逆流優(yōu)于并流。)()(12222111ttcqTTcqQpmpm743. 溫度差分布溫度差分布逆流時(shí)的溫度差分布更均勻。逆流時(shí)的溫度差分布更均勻。T2并流并流T1t1t2t1t2T1T2逆流逆流4. 并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱，并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的

33、加熱， 或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過(guò)高或過(guò)低的場(chǎng)合?；蛏a(chǎn)工藝要求溫度不能過(guò)高或過(guò)低的場(chǎng)合。75三、總傳熱系數(shù)三、總傳熱系數(shù)AKtTtTAKQd1)(dd K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2K)twTw管內(nèi)對(duì)流管內(nèi)對(duì)流管外對(duì)流管外對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱冷冷流流體體熱熱流流體體tTdQdQ1dQ3dQ2（一）總傳熱系數(shù)計(jì)算（一）總傳熱系數(shù)計(jì)算物理意義：表征間壁兩側(cè)流物理意義：表征間壁兩側(cè)流 體傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱程度。體傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱程度。 76 管內(nèi)對(duì)流管內(nèi)對(duì)流)(ddw223ttAQ )(ddw111TTAQ 管外對(duì)流管外對(duì)流)(ddwwm2tTbAQ 管壁熱傳導(dǎo)管壁熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱 321ddddQQ

34、QQ 22wmww11wd1dd1dAttAbtTATTQ 22m11d1dd1AAbAtT 7722m11d1dd1d1AAbAAK （1）平壁或薄壁管）平壁或薄壁管 dA=dA1=dA2=dAm21111 bK討論：討論：（2）以外表面為基準(zhǔn)）以外表面為基準(zhǔn) (dA=dA1) 212m111dd1dd11AAAAbK 78212m111111ddddbKdlA K1以外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，以外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2.K)dm對(duì)數(shù)平均直徑，對(duì)數(shù)平均直徑，m2121mln/ )(ddddd 2m21212111 ddbddK（3）以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：）以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：d1/d2A計(jì)

35、計(jì) 或或 Q換換 Q需要需要， 換熱器合適。換熱器合適。 五、傳熱計(jì)算五、傳熱計(jì)算842. 操作型計(jì)算操作型計(jì)算（1）已知：換熱器）已知：換熱器A， qm1、T1， T2， qm2 、t1 ，t2 校核傳熱速率或出口溫度是否滿足生產(chǎn)要求。校核傳熱速率或出口溫度是否滿足生產(chǎn)要求。注意：列管式換熱器中注意：列管式換熱器中流通面積流通面積224dnA 流通流通傳熱面積傳熱面積ldnA1 傳傳熱熱（2）已知：換熱器）已知：換熱器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t285一、基本概念一、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。輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。2. 熱

36、輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向熱輻射：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。外發(fā)射能量的過(guò)程。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能量形式的轉(zhuǎn)換能量形式的轉(zhuǎn)換 不需要任何介質(zhì)不需要任何介質(zhì)第五節(jié)第五節(jié) 熱熱 輻輻 射射86Q Q Q NQ能量守恒定律：能量守恒定律：QQQQ 吸收率吸收率 反射率反射率 穿透率穿透率 QQ QQ QQ 1 3. 物體對(duì)熱輻射的作用物體對(duì)熱輻射的作用總能量總能量Q；被物體吸收；被物體吸收Q ；被反射；被反射Q ；穿過(guò)物體；穿過(guò)物體Q 87 黑體：黑體：1 白體白體(鏡體鏡體)：1 透熱體：透熱體：1 灰體：以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體灰體：以相同的吸收

37、率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體固體、液體：固體、液體： =0 + =1 氣體：氣體： =0 + =188二、物體的輻射能力二、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)物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能所發(fā)射的全部輻射能(波長(zhǎng)從波長(zhǎng)從0到到 ), E, W/m2 黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù), 5.669 10-8W/(m2 .K4)（一）黑體（一）黑體4bET 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感4()100bTC Cb黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù), 5.669W/(m2 .K4)AQE 89

38、 （二）實(shí)際物體（二）實(shí)際物體黑度：黑度： bEE T2E1Eb（1- 1）Eb 1Eb 灰體灰體 黑體黑體 克?；舴蚨煽讼；舴蚨蒪EEq11bEE1191 結(jié)論：結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大（2） = 同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等（3） ，E Eb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大92（一）輻射傳熱速率（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相互輻射四、兩固體間的相互輻射44121 21 2()() 100100TTQCA 1 212bCC

39、兩面積無(wú)限大的平行平板兩面積無(wú)限大的平行平板兩平面有限大的平行平板兩平面有限大的平行平板1 212111bCC 1 193 一物體被另一物體包圍一物體被另一物體包圍1 1 2112211(1)bCCAA A2 A1，可以無(wú)限大平壁計(jì)算，可以無(wú)限大平壁計(jì)算A A2 2 A A1 1, ,則則 C1-2=C1=Cb 194 1. 溫度的影響溫度的影響 T4；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式 2. 幾何位置的影響幾何位置的影響 3. 表面黑度的影響表面黑度的影響 ，可通過(guò)改變，可通過(guò)改變 大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱 4. 輻射表面間介質(zhì)的影響輻射表

40、面間介質(zhì)的影響 減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（ 小熱屏）小熱屏）（二）影響輻射傳熱的主要因素（二）影響輻射傳熱的主要因素95五、高溫設(shè)備及管道的熱損失五、高溫設(shè)備及管道的熱損失對(duì)流：對(duì)流： )(WWCCttAQ 輻射：輻射： 44WW21R)100()100(TTACQ 令令 =1 )()100()100(WWRWW44WW21RttAttttTTACQ總熱損失：總熱損失： )()()(WWTWWRCRCttAttAQQQ T對(duì)流對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K) 96（1）空氣自然對(duì)流，）空氣自然對(duì)流，tW5m/s )(07. 0

41、8 . 9WTtt 平壁保溫層外平壁保溫層外u2 . 42 . 6T 空氣速度空氣速度u 50 時(shí)時(shí)，需考慮溫度熱補(bǔ)，需考慮溫度熱補(bǔ)償。根據(jù)熱補(bǔ)償方式不同，列管式換熱器分為：償。根據(jù)熱補(bǔ)償方式不同，列管式換熱器分為：1042. 浮頭式浮頭式特點(diǎn)：可完全消除熱應(yīng)力特點(diǎn)：可完全消除熱應(yīng)力,便于清洗和檢修便于清洗和檢修, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜1053. U型管式型管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單；但管程不易清洗。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單；但管程不易清洗。106三、列管換熱器的選用三、列管換熱器的選用1. 根據(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷根據(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷2. 計(jì)算計(jì)算 tm3. 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取K，估算，估算

42、A4. 確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定u 先按單殼程多管程計(jì)算，如果先按單殼程多管程計(jì)算，如果 0.8，應(yīng)增，應(yīng)增加殼程數(shù)；加殼程數(shù)； 由由u和和qm估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的和估算的A，估算管子長(zhǎng)度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適，估算管子長(zhǎng)度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號(hào)的換熱器。當(dāng)型號(hào)的換熱器。1075. 核算核算K 分別計(jì)算管程和殼程的分別計(jì)算管程和殼程的 ，確定垢阻，求出，確定垢阻，求出K，并與估算的，并與估算的K進(jìn)行比較。如果相差較多，進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。應(yīng)重新估算。6. 計(jì)算計(jì)算A 根據(jù)計(jì)算的根據(jù)計(jì)算的K

43、和和 tm，計(jì)算，計(jì)算A，并與選定的換，并與選定的換熱器熱器A相比，應(yīng)有相比，應(yīng)有10%25%的余量。的余量。108(1) 流體流程選擇流體流程選擇管程：管程：不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體殼程：殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體原則：傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清洗方便原則：傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清洗方便(2) 流體流速的選擇流體流速的選擇u選擇是經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，要避免層流流動(dòng)選擇是經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，要避免層流流動(dòng) u K ，在同，在同Q、 tm下下A ，節(jié)省設(shè)備費(fèi)，節(jié)省設(shè)備費(fèi)uhf ，操作費(fèi)用增加，操作費(fèi)用增加109(3) 換熱器中管子的規(guī)格和排列方式換熱器中管子的規(guī)格和排列方式管子的規(guī)格：管子的規(guī)格： 19