食品工程原理課件 -第四章 傳熱

1、2022-4-61第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 第五章第五章 傳傳 熱熱 一、傳熱過程的應(yīng)用一、傳熱過程的應(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2022-4-62二、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 分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果 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：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)非導(dǎo)電體：通過晶格結(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

2、熱，靜止介質(zhì)中的傳熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移沒有物質(zhì)的宏觀位移2022-4-63（二）熱對(duì)流（二）熱對(duì)流 （三）熱輻射（三）熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 自然對(duì)流自然對(duì)流：由于流體內(nèi)溫度不同造成的浮升力：由于流體內(nèi)溫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，流動(dòng)介質(zhì)中的傳熱，流體作流體作宏觀宏觀運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)2022-4-64三、兩流體通過間壁

3、換熱過程三、兩流體通過間壁換熱過程 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2022-4-65傳熱速率傳熱速率Q（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過換熱器的（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或或W。熱流密度熱流密度q （熱通量）（熱通量） ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位傳：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位熱面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或或W/m2。（二）傳熱速率與熱流密度（二）傳熱速率與熱流密度AQq 2022-4-66非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱 ,zyxftqQ （三）穩(wěn)態(tài)與非

4、（三）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, 0 t2022-4-67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（四）兩流體通過間壁的傳熱過程（四）兩流體通過間壁的傳熱過程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 3212022-4-68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)。總總熱熱阻阻總總

5、傳傳熱熱推推動(dòng)動(dòng)力力 KAttKAQ/1mm（五）總傳熱速率方程（五）總傳熱速率方程2022-4-69一、傅立葉定律一、傅立葉定律溫度場(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)的溫度分布。 （一）溫度場(chǎng)和等溫面（一）溫度場(chǎng)和等溫面非非穩(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,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。 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)不同溫度的等溫面不相交不同溫度的等溫面不相交。2022-4-610（二）溫度梯度（二）溫度梯度 ntnttgradn 0limn n

6、 xt+ ttxnt Q 方向：法線方向，以溫度增加的方向?yàn)檎７较颍悍ň€方向，以溫度增加的方向?yàn)檎?022-4-611（三）傅立葉定律（三）傅立葉定律ntAQ dd 式中式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W或或J/s； dA 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2； t/ n 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2022-4-612二、熱導(dǎo)率二、熱導(dǎo)率 ntqntdAdQ / 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 = f(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 組成組成, 密度密

7、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)熱性能的表征材料導(dǎo)熱性能的物性物性參數(shù)參數(shù)2022-4-6131.1.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 2022-4-6142.2.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

8、油：t ， 其它液體：其它液體：t ，0.090.6 W/(mK)2022-4-6153.3.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)2022-4-616t1t2btxdxQ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。2022-4-617xtAntAQdd 210ttbAd

9、tQdx )(21ttbAQ 積分：積分：熱熱阻阻推推動(dòng)動(dòng)力力 RtAbttQ 212022-4-618 （二）多層平壁熱傳導(dǎo)二）多層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)：各層接觸良好，接觸面各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。兩側(cè)溫度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t32022-4-619AbttAbttAbttQ334322321121 總總熱熱阻阻總總推推動(dòng)動(dòng)力力 iRttAbAbAbttt41332211321 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 各層的溫差各層的溫差2022-4-620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

10、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。推廣至推廣至n層：層： niiinniiiAbttAbtQ1111 2022-4-621四、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)：傳熱面積隨半徑傳熱面積隨半徑變化，變化， 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。2022-4-622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 積分積分 21212ttrrrldtQdr 1221ln)(2rrttlQ 2022-

11、4-623討論：討論：RttlrrttQ2112212ln 1212ln2AAAAlrAmm 12rrb 對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積熱阻熱阻1212122lnrrrrlrrR 令令1212lnrrrrrm 對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑mAb 2022-4-624mAbttQ 21 rr212一般一般 時(shí)，時(shí)，221rrrm 2022-4-625 （二）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)二）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)2022-4-626 31141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQ 三層：三層：n層圓筒壁：層圓筒壁： niinnii

12、iinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 2022-4-627一、對(duì)流傳熱過程一、對(duì)流傳熱過程第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T22022-4-628ttWTWTA2A1傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 T tl 湍流主體湍流主體溫度梯度小，熱對(duì)流為主溫度梯度小，熱對(duì)流為主l 層流內(nèi)層層流內(nèi)層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主l 過渡區(qū)域過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流均起作用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流均起作用2022-4-629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)

13、，熱、冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 熱、冷流體的熱、冷流體的平均平均溫度及溫度及 平均平均壁溫，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2022-4-630（一）影響因素（一）影響因素2.引起流動(dòng)的原因引起流動(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)。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)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。 強(qiáng)制強(qiáng)制 自然自然 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1.1.流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài) 湍流湍流 層流層

14、流 2022-4-631自然對(duì)流的產(chǎn)生：自然對(duì)流的產(chǎn)生：設(shè)設(shè) 熱處：熱處：t2， 2； 冷處冷處：t1， 1 體積膨脹系數(shù)，體積膨脹系數(shù)，1/ C.tVVV 112 )1(12tVV 或或而而22 mV 11 mV 得：得：或或)1(21t ) t1(1112 2022-4-632由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的升力：由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的升力： tggtg 22221)1(加熱板加熱板冷卻板冷卻板2022-4-6335. 是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變 相變相變 無相變無相變4. 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； 大小大小管徑、管長(zhǎng)、板厚等；

15、管徑、管長(zhǎng)、板厚等； 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。3.流體的物性流體的物性 ，cp 2022-4-634三、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 無量綱特征數(shù)無量綱特征數(shù)（8-48-4）=4=4),(LtgCufp無相變時(shí)無相變時(shí)2022-4-6351. 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

16、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2022-4-6363. 普蘭普蘭特（特（Prandtl）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4. 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)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)2022-4-637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2. 特征尺寸特征尺寸3. 定性溫度定性溫度

17、強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流自然對(duì)流無相變無相變有相變有相變蒸汽冷凝蒸汽冷凝液體沸騰液體沸騰2022-4-638四、無相變時(shí)四、無相變時(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：）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)出口的算術(shù)平均）定性溫度：流體進(jìn)出口的算術(shù)平

18、均 值值（3）特征尺寸：管內(nèi)徑）特征尺寸：管內(nèi)徑2022-4-639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 2022-4-6402 . 08 . 08 . 018 . 08 . 0023. 0)()(023. 0duCpCpuddnnnn物性一定時(shí)：物性一定時(shí)：2 .08 .0du（2）影響因素：）影響因素：2022-4-641公式修正：公式修正：（1）當(dāng)）當(dāng)L/d 2 水水）14.

19、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 2022-4-642（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。2022-4-6432. 圓形直管內(nèi)流體處于過渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)圓形直管內(nèi)流體處于過渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 8 . 15Re1061 ff校校正正系系數(shù)數(shù)湍湍過過湍湍過過 2300 Re 1042022-4-6443

20、. 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)流傳熱過程。流傳熱過程。對(duì)于液體對(duì)于液體2022-4-64514. 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 特征尺寸：管內(nèi)徑特征尺寸：管內(nèi)徑2022-4-646（二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳

21、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流體在管束外垂直流過2022-4-647 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)：2022-4-6482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2022-4-649設(shè)置折流擋板目的設(shè)置折流擋板目的

22、：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=21031062022-4-650正方形排列正方形排列：正三角形排列：正三角形排列：特征尺寸特征尺寸：（：（1）當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de0202)785. 0(4ddtde 0202)785. 023(4ddtde d0tt2022-4-651（2）流速）流速u按流通截面最大處的截面計(jì)算：按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中式中 h兩塊折流擋板間距離，兩塊折流擋板間距離，m

23、； D換熱器殼徑，換熱器殼徑，m；)1(0tdhDS 2022-4-652（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。值及特征尺寸不同。 2022-4-6531. 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）滴狀冷凝冷凝過程的熱阻冷凝過程的熱阻冷凝液膜冷凝液膜（一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流

24、傳熱（一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱2022-4-6542. 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2022-4-655（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4Re44memqSdu SqM qm冷凝液量，冷凝液量，kg/sM冷凝負(fù)荷，冷凝負(fù)荷，kg/s.m2022-4-656層流層流413213. 1 tlgr Re1800湍流湍流4 . 03123

25、20077. 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 2022-4-6573.影響因素和強(qiáng)化措施影響因素和強(qiáng)化措施(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。(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 ，(4) 蒸汽過熱蒸汽過熱 r=r+cp(tv-ts) 影響較小影響較小2022-4-658(5) 強(qiáng)化措施：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

26、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：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。2022-4-659（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2022-4-660沸騰必要條件沸騰必要條件： 過熱度過熱度 t=t=（t tt ts s）00 存在汽化核心存在汽化核心 推動(dòng)力推動(dòng)力 （twts） 沸騰三個(gè)階段：沸騰三個(gè)階段：

27、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)上采用工業(yè)上采用核狀沸騰核狀沸騰 大，大，tW小小水沸騰曲線水沸騰曲線2022-4-6612. 影響因素及強(qiáng)化措施影響因素及強(qiáng)化措施（1）液體的性質(zhì)）液體的性質(zhì) ,（2）溫度差）溫度差 核狀沸騰階段核狀沸騰階段: t2.5， t （3）操作壓力）操作壓力stp2022-4-662（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；表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒； 加表面活性劑（乙醇、丙酮等）加表面活性劑（乙醇、丙酮等）2022-4-6

28、63 第四節(jié)第四節(jié) 傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(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 2022-4-664（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)一、傳熱平均溫度差一、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2022-4-6651. 逆流與并流逆流與并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流2022-4-666以逆流為

29、例推導(dǎo)以逆流為例推導(dǎo) tm假設(shè)：（假設(shè)：（1）穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，）穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，qm1、 qm2為常數(shù)；為常數(shù)； （2）cp1、cp2為常數(shù)；為常數(shù)； （3）K沿管長(zhǎng)不變化；沿管長(zhǎng)不變化； （4）熱損失忽略不計(jì)。）熱損失忽略不計(jì)。AT2t1t2T1dTdtdA t2 t1 t=T-t對(duì)于微元：對(duì)于微元：11mpdQqc dT 22mpdQqc dt 11.mpdQqcConstdT 22.mpdQqcConstdt 2022-4-667T1T2t2t1Q1t 2t tTt QttdQtd12)( 而而)(tTKdAdQ QtttdAKtd12)( dAQtttKtd12)( AttdAQttttdK012

30、21)(12022-4-668AQttttK1212ln1 mtKAttttKAQ 1212ln1212lntttttm 逆流、并流均適用；逆流、并流均適用； 當(dāng)當(dāng) t2/ t12，則可用算術(shù)平均值。，則可用算術(shù)平均值。對(duì)數(shù)平均溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差2022-4-669逆逆mmtt ),(流型流型RPf 1221ttTTR 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； 應(yīng)改變流型應(yīng)改變流型2022-4-670（三）流向的選

31、擇（三）流向的選擇1. 所需傳熱面積所需傳熱面積并并并并逆逆逆逆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。2022-4-6712. 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。2022-4-6723. 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

32、的加熱，并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱， 或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場(chǎng)合。或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場(chǎng)合。2022-4-673二、總傳熱系數(shù)二、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2022-4-674 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 321ddddQQQQ 22wmww

33、11wd1dd1dAttAbtTATTQ 22m11d1dd1AAbAtT 2022-4-67522m11d1dd1d1AAbAAK （1）平壁）平壁 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 2022-4-676212m111111ddddbKdlA K1以外表面為基準(zhǔn)以外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，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以以內(nèi)表面內(nèi)表面為基準(zhǔn)：為基準(zhǔn)：d1/d2A計(jì)計(jì) 或或

34、Q換換 Q需要需要， 換熱器合適。換熱器合適。 2022-4-683二、操作型計(jì)算二、操作型計(jì)算（1）已知：換熱器）已知：換熱器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口求：出口T2、t2（2）已知：換熱器）已知：換熱器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t2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2022-4-684一、基本概念一、基本概念1. 輻射：物體通過輻射：物體通過電磁波來傳遞能量電磁波來傳遞能量的過程。的過程。2. 熱輻射：物體由于熱輻射：物體由于熱的原因熱的原因以電磁波的形式向以電磁波

35、的形式向 外發(fā)射能量的過程。外發(fā)射能量的過程。 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2022-4-685Q 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 DRA 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 ；穿過物體；穿過物體Q 2022-4-686 黑體：黑體：1 白體白體(鏡體鏡體)：1 透熱體：透熱體：1 灰體：灰體：以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體固體

36、、液體：固體、液體： =0 + =1 氣體：氣體： =0 + =12022-4-687二、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)射的所發(fā)射的全部輻射能全部輻射能(波長(zhǎng)從波長(zhǎng)從0到到 ), E表示表示, W/m2 黑體輻射黑體輻射常數(shù)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黑體輻射黑體輻射系數(shù)系數(shù), 5.669W/(m2 .K4)2022-4-68

37、8 （二）實(shí)際物體（二）實(shí)際物體黑度：黑度： bEE T2 1 2=1E1Eb（1- 1）Eb 1Eb 灰體灰體 黑體黑體 克?；舴蚨煽讼；舴蚨?022-4-690 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、各種物體中以在任何溫度下、各種物體中以黑體黑體的輻射能力為最大的輻射能力為最大2022-4-691（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()() 100100TTQ

38、CA 1 212bCC 兩面積無限大的平行平板兩面積無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 1 2022-4-692 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 若外圍為黑體，若外圍為黑體， 1=1 或或 A2 A1，則則 C1-2=C1=Cb 12022-4-693 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 ，可通過改變，可通過改變 大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱

39、4. 輻射表面間介質(zhì)的影響輻射表面間介質(zhì)的影響 減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（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2022-4-694五、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) 2022-4-69

40、5（1）空氣自然對(duì)流，）空氣自然對(duì)流，tW5m/s )(07. 08 . 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，需考慮溫度熱溫度熱補(bǔ)償補(bǔ)償。根據(jù)熱補(bǔ)償方式不同，列管式換熱器分為：。根據(jù)熱補(bǔ)償方式不同，列管式換熱器分為：2022-4-61032. 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2022-4-61043. 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。2022-4-6105三、列管換熱器的選用三、列管換熱器的選用1.

41、 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。2022-4-61065. 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，