第三章_傳熱(1)

1、第三章第三章 傳熱傳熱p了解熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的基本概念；了解熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的基本概念；p掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；p熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；p掌握定態(tài)綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算；掌握定態(tài)綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算；p了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)一、傳熱在化學(xué)工程中的應(yīng)用一、傳熱在化學(xué)工程中的應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 傳熱的基本概念傳熱的基本概念傳熱：傳熱：是不同溫度的兩個(gè)物體之間或同一物體的兩個(gè)不同溫是不同溫度的兩個(gè)物體之間或同一物體的兩個(gè)不同溫度部位之間所

2、進(jìn)行的熱的轉(zhuǎn)移。度部位之間所進(jìn)行的熱的轉(zhuǎn)移。傳熱在化學(xué)工程中的應(yīng)用：傳熱在化學(xué)工程中的應(yīng)用：化工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)傳熱的要求：化工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)傳熱的要求： 強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱( (加熱或冷卻物料加熱或冷卻物料) ) 削弱傳熱削弱傳熱( (設(shè)備和管道的保溫設(shè)備和管道的保溫) )二、傳熱的基本方式二、傳熱的基本方式 熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)起的，根據(jù)傳熱機(jī)理傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：不同，傳熱的基本方式有三種： 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction)(conduction)； 熱對(duì)流熱對(duì)流(convection)(convection)

3、； 熱輻射熱輻射(radiation)(radiation)。 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。1.1.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）（又稱導(dǎo)熱）2.2.熱對(duì)流熱對(duì)流（又稱對(duì)流傳熱）（又稱對(duì)流傳熱） 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱為熱流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱為熱對(duì)流。對(duì)流。 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。通常把通常把流體流體與與固體壁面固體壁面之間的之間的傳熱傳熱稱為稱為對(duì)流傳熱對(duì)流

4、傳熱強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流： 因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。 流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流的兩種方式：熱對(duì)流的兩種方式：自然對(duì)流：自然對(duì)流： 由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。3 3、熱輻射、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。因

5、熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)。介質(zhì)。 任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。 實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。伴隨著出現(xiàn)的。三、三、 換熱器類(lèi)型換熱器類(lèi)型換熱器換熱器：實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)冷、熱介質(zhì)冷、熱介質(zhì)熱量交換的設(shè)備熱量交換的設(shè)備

6、 冷、熱流體交換流過(guò)熱載體時(shí)，熱流體將熱量傳遞給冷流冷、熱流體交換流過(guò)熱載體時(shí)，熱流體將熱量傳遞給冷流體。如煉焦?fàn)t中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。體。如煉焦?fàn)t中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。 直接混合式直接混合式 將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。 蓄熱式蓄熱式 熱量熱量 存儲(chǔ)在熱載體上存儲(chǔ)在熱載體上 傳遞給冷流體。傳遞給冷流體。用于輸送熱量的介質(zhì)用于輸送熱量的介質(zhì)載熱體載熱體。加熱介質(zhì)（加熱劑）加熱介質(zhì)（加熱劑）：起加熱作用的載熱體。起加熱作用的載熱體。水蒸氣、熱水等水蒸氣、熱水等。冷卻介質(zhì)（冷卻劑）冷卻介質(zhì)（冷卻劑）：起冷卻作用的載熱體。起

7、冷卻作用的載熱體。冷水、空氣制冷劑。冷水、空氣制冷劑。 間壁式間壁式 熱流體通過(guò)間壁將熱量傳遞給冷流體，熱流體通過(guò)間壁將熱量傳遞給冷流體，化工、食品生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，主要有：化工、食品生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，主要有： 夾套式熱交換器；夾套式熱交換器； 蛇型式熱交換器；蛇型式熱交換器； 套管式熱交換器；套管式熱交換器； 列管式熱交換器；列管式熱交換器； 板式熱交換器。板式熱交換器。四、四、 傳熱過(guò)程中基本問(wèn)題與傳熱機(jī)理傳熱過(guò)程中基本問(wèn)題與傳熱機(jī)理 傳熱過(guò)程中的基本問(wèn)題可以歸結(jié)為：傳熱過(guò)程中的基本問(wèn)題可以歸結(jié)為： 載熱體用量計(jì)算載熱體用量計(jì)算 傳熱面積計(jì)算傳熱面積計(jì)算 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)

8、計(jì) 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。 解決這些問(wèn)題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。解決這些問(wèn)題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。 熱量衡算熱量衡算 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過(guò)程中的熱量損失，則根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過(guò)程中的熱量損失，則Q熱熱=Q冷冷， 稱為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱稱為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。體的用量。 傳熱速率傳熱速率傳熱速率傳熱速率Q （熱流量）：指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量稱為傳（熱流量）：指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量稱為傳熱速率，以熱速率，以Q表示，其單位表示，其單位W(J/s)。熱通量熱通量q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面的

9、熱量，：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面的熱量，W/m2。q=Q/A 實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差tm及傳熱面積及傳熱面積A成正比，即：成正比，即： Q=KAtm (1-1) A=nd L (1-2)式式 中：中： Q傳熱速率，傳熱速率，W；A傳熱面積，傳熱面積，m2 ；tm溫度差，溫度差，；K 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2 ； n 管數(shù)；管數(shù)； d 管徑，

10、管徑，m； L 管長(zhǎng)，管長(zhǎng)，m。將式（將式（1-1）變換成下列形式：）變換成下列形式：式中：式中：tm傳熱過(guò)程的推動(dòng)力，傳熱過(guò)程的推動(dòng)力， 1/K 傳熱總阻力（熱阻），傳熱總阻力（熱阻），m2 /W兩點(diǎn)說(shuō)明：兩點(diǎn)說(shuō)明：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的傳熱速率單位傳熱面積的傳熱速率(熱通量熱通量)正比于推動(dòng)力，反比于熱正比于推動(dòng)力，反比于熱阻。因此，阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動(dòng)提高傳熱推動(dòng)力和降低熱阻。力和降低熱阻。 從式（從式（1-1）可知，如果己知傳熱量）可知，如果己知傳熱量Q，則可在確定，則可在確定K及及tm的基礎(chǔ)上算傳熱面積的基礎(chǔ)上算傳熱面積A，進(jìn)而確定換

11、熱器的各部分尺寸，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。K/ttKSQmm1 (1-3)熱阻（阻力）熱阻（阻力）傳熱溫度差（推動(dòng)力）傳熱溫度差（推動(dòng)力）傳熱速率傳熱速率 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)(temperature field)：某一瞬間空間中各點(diǎn)的溫度某一瞬間空間中各點(diǎn)的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)。分布，稱為溫度場(chǎng)。式中：式中：t 溫度；溫度； x, y, z 空間坐標(biāo)；空間坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。 物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即 t = f (x，y，z，) 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)一、一、 傅立葉定律傅立葉定律1 1 溫

12、度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)和溫度梯度 一維溫度場(chǎng)：一維溫度場(chǎng)：若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。 一維溫度場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為：一維溫度場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為： t = f (x,)等溫面的特點(diǎn)等溫面的特點(diǎn)： （1 1）等溫面不能相交；）等溫面不能相交；（2 2）沿等溫面無(wú)熱量傳遞。）沿等溫面無(wú)熱量傳遞。非定態(tài)非定態(tài)溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。定態(tài)定態(tài)溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)：若溫度不隨時(shí)間而改變。若溫度不隨時(shí)間而改變。 等溫面：等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。t

13、1t2t1t2等溫面等溫面Q溫度梯度溫度梯度: :ntnttgradn 0lim 溫度梯度是一個(gè)向量。溫度梯度是一個(gè)向量。 方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增加的方向?yàn)檎较虼怪庇谠擖c(diǎn)所在等溫面，以溫度增加的方向?yàn)檎?一維定態(tài)熱傳導(dǎo)一維定態(tài)熱傳導(dǎo)t+ tt- ttnQdAxt d/d 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即式中式中 Q單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱傳熱速率，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱傳熱速率，w A導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方

14、向的表面積，導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率( (thermal conductivitythermal conductivity) )，w/m.kw/m.k。式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向相反。式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向相反。 2 2 傅立葉定律傅立葉定律xtdAdQxtAQ或或 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) 越大，導(dǎo)熱性能越好越大，導(dǎo)熱性能越好ntAQq dd 用熱通量來(lái)表示用熱通量來(lái)表示 對(duì)一維對(duì)一維定定態(tài)熱傳導(dǎo)態(tài)熱傳導(dǎo) ddtQAx 表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值與物表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之

15、一，其值與物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。一般金屬一般金屬（固體）（固體）的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)非金屬（固體）非金屬（固體）液體液體氣體氣體多數(shù)固體多數(shù)固體與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 =0（1+a）t 單位：?jiǎn)挝唬篧/(m K) 0 -0下的下的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 a為為溫度系數(shù)溫度系數(shù)。 對(duì)大多數(shù)金屬材料，其對(duì)大多數(shù)金屬材料，其a值為負(fù)值；對(duì)非金屬材料則為正值。值為負(fù)值；對(duì)非金屬材料則為正值。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)單位：?jiǎn)挝唬篧/(m K)QqdtdtAdxdx 對(duì)于金屬對(duì)于金屬 t (通過(guò)自由電子的運(yùn)動(dòng)通過(guò)自由電子的運(yùn)動(dòng))對(duì)于非金屬對(duì)于

16、非金屬 t (通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)) 對(duì)于液體對(duì)于液體 t (通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)) 對(duì)于氣體對(duì)于氣體 t (通過(guò)分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)通過(guò)分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)) 隨壓力變化不大。只有當(dāng)系統(tǒng)的壓力隨壓力變化不大。只有當(dāng)系統(tǒng)的壓力P, 3kpa P或或P200Mpa，隨壓力的降低，導(dǎo)熱系數(shù)，隨壓力的降低，導(dǎo)熱系數(shù)也降低，當(dāng)也降低，當(dāng)達(dá)到真空，達(dá)到真空，約為約為0，保，保 溫溫 瓶瓶 的的 夾夾 層層 抽抽 真真 空空 就就 是是 此此 道道 理理。如圖所示：如圖所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為平壁壁厚為b b，壁面積為，壁面積為A A；壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱

17、系數(shù)壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不不隨溫度變化，視為常數(shù)；隨溫度變化，視為常數(shù)；平壁的溫度只沿著垂直于壁面平壁的溫度只沿著垂直于壁面的的x x軸方向變化，故等溫面皆為垂軸方向變化，故等溫面皆為垂直于直于x x軸的平行平面。軸的平行平面。平壁側(cè)面的溫度平壁側(cè)面的溫度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的二、平壁的定態(tài)定態(tài)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)1 1 單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)dxdtAQRtAbttttAbQ2121)( 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2為導(dǎo)熱的推動(dòng)力為導(dǎo)熱的推動(dòng)力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/AR=b/A則為導(dǎo)熱的熱阻

18、則為導(dǎo)熱的熱阻( (thermal resistancethermal resistance) )。 根據(jù)傅立葉定律根據(jù)傅立葉定律 分離積分變量后積分，分離積分變量后積分，積分邊界條件：當(dāng)積分邊界條件：當(dāng)x x=0=0時(shí)，時(shí)，t= tt= t1 1；x=bx=b時(shí)，時(shí)，t= tt= t2 2，將上式推而廣之，則傳遞過(guò)程的普遍關(guān)系式為：將上式推而廣之，則傳遞過(guò)程的普遍關(guān)系式為： 過(guò)程傳遞速率過(guò)程傳遞速率=過(guò)程的推動(dòng)力過(guò)程的推動(dòng)力/過(guò)程的阻力。過(guò)程的阻力。 (對(duì)傳熱，傳質(zhì)，動(dòng)量傳遞對(duì)傳熱，傳質(zhì)，動(dòng)量傳遞“三傳三傳”均適用）均適用）當(dāng)當(dāng)為常數(shù)，為常數(shù)，單層平壁內(nèi)溫度分布為直線單層平壁內(nèi)溫度分布為直線

19、12/ttQxA1QxttA如圖所示：以三層平壁為例如圖所示：以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為假定各層壁的厚度分別為b b1 1，b b2 2，b b3 3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為數(shù)分別為1 1，2 2，3 3，皆視，皆視為常數(shù)；為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于溫面亦皆為垂直于x x軸的平行平軸的平行平面。面。壁的面積為壁的面積為A A，在，在定態(tài)定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)導(dǎo)熱過(guò)程中，穿過(guò)各層的熱量必相等。程中，穿過(guò)各層的熱量必相等。2 2 多層平壁的多

20、層平壁的定態(tài)定態(tài)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 第一層第一層 第三層第三層第二層第二層對(duì)于對(duì)于定態(tài)定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程：導(dǎo)熱過(guò)程：Q1=Q2=Q3=Q12111ttQbA23222ttQbA34333ttQbARttAbttQnniiiin11011同理，對(duì)具有同理，對(duì)具有n層的平壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為層的平壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為式中式中i為為n層平壁的壁層序號(hào)。層平壁的壁層序號(hào)。 14312123()ttQbbbAAA14123ttQRRR思考：思考： 厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示；試分析哪一層熱阻最大，并說(shuō)明各層示；試分析哪一層熱阻最大，并說(shuō)明各層 的大

21、的大小。小。t1t2t3t4 3 1 2Qxt例：某冷庫(kù)外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為例：某冷庫(kù)外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm12cm，中間夾層厚，中間夾層厚10cm10cm，填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70w/m0.70w/mk k，絕緣材料的熱導(dǎo)，絕緣材料的熱導(dǎo)率為率為0.04w/m0.04w/mk k，墻外表面溫度為，墻外表面溫度為10 10 ，內(nèi)表面為，內(nèi)表面為-5 -5 ，試，試計(jì)算進(jìn)入冷庫(kù)的熱通量及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度計(jì)算進(jìn)入冷庫(kù)的熱通量及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。233221141/27.570.012.004.010.070.012.

22、0)5(10)(mwbbbttAQq按溫度差分配計(jì)算按溫度差分配計(jì)算t2、t31 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt解：解： 根據(jù)題意，已知根據(jù)題意，已知t t1 1=10 =10 ，t t4 4=-5 =-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10mb2=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70w/m0.70w/mk k， 2 2= = 0.04w/m0.04w/mk k。按熱按熱通量通量公式計(jì)算公式計(jì)算q q：Qt2t1r1rr2drL如圖所示：如圖所示：設(shè)圓筒的內(nèi)半

23、徑為設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r r1 1，內(nèi)，內(nèi)壁溫度為壁溫度為t t1 1，外半徑為，外半徑為r r2 2，外壁溫度為外壁溫度為t t2 2。溫度只沿半徑方向變化，溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點(diǎn)是其面隨半壁與平壁不同點(diǎn)是其面隨半徑而變化。徑而變化。在半徑在半徑r r處取一厚度為處取一厚度為drdr的的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L，則，則半 徑 為半 徑 為 r r 處 的 傳 熱 面 積 為處 的 傳 熱 面 積 為A=2rLA=2rL。三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 1 單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱

24、傳導(dǎo)drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ將上式分離變量積分并整理得將上式分離變量積分并整理得 根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫(xiě)出傳導(dǎo)的熱量為根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫(xiě)出傳導(dǎo)的熱量為討論：討論：（1）上式可以寫(xiě)為）上式可以寫(xiě)為12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ 熱阻熱阻推動(dòng)力推動(dòng)力 RtAbttm21)( 12rrb 1212m/lnAAAAA 對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積（2） 212 rr221mAAA （3）平壁：各處的）平壁：各處的Q和和q均相等；均相等； 圓筒壁：不同半徑圓筒壁：不同半徑r處處Q相等，相等，但但q卻不等

25、卻不等r1r2r3r4t1t2t3t4 對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過(guò)各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。亦即經(jīng)過(guò)各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。 如圖所示：以三層圓筒壁為例。如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為假定各層壁厚分別為b b1 1= r= r2 2- - r r1 1，b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3；各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)1 1，2 2，3 3皆視為常數(shù)；皆視為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫接觸的表面

26、溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。面皆為同心圓柱面。2 2 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。 對(duì)于第一、對(duì)于第一、二、三層圓筒壁有二、三層圓筒壁有12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ121212rrlnLQtt 232322rrlnLQtt 343432rrlnLQtt 根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiin

27、rrttLQ1111ln1)(2同理，對(duì)于同理，對(duì)于n層圓筒壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為層圓筒壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為 注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過(guò)各層的熱傳導(dǎo)速率都是注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過(guò)各層的熱傳導(dǎo)速率都是相同的，但是熱通量卻不相等。相同的，但是熱通量卻不相等。111()ni niiimittbA例例 在一在一 603.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)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，其平均導(dǎo)熱系數(shù)的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.15W/m?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管?，F(xiàn)

28、用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為內(nèi)壁溫度為500，最外層表面溫度為，最外層表面溫度為80，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/m。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：每米管長(zhǎng)的熱損失解：每米管長(zhǎng)的熱損失此處，此處，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2mwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.

29、010265.003.0ln451)80500(14.32保溫層界面溫度保溫層界面溫度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱：是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情況密是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。切相關(guān)。 當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，主要以

30、熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。 第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱的基本概念一、對(duì)流傳熱的基本概念傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程高溫流體高溫流體湍流主體湍流主體壁面兩側(cè)壁面兩側(cè)層流底層層流底層湍流主體湍流主體低溫流體低溫流體q湍流主體湍流主體 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 溫度分布均勻溫度分布均勻p層流底層層流底層 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 溫度梯度大溫度梯度大p壁面壁面 導(dǎo)熱導(dǎo)熱(導(dǎo)熱系數(shù)較導(dǎo)熱系數(shù)較流體大流體大) 有溫度梯度有溫度梯度不同區(qū)域的不同區(qū)域的傳熱特性：傳熱特性：傳熱邊界層傳熱邊界層（thermal boundary layer） ：溫度邊界層。溫度邊界層。

31、有溫度梯度較大的區(qū)域。有溫度梯度較大的區(qū)域。傳熱的熱阻即主要集中在此層中傳熱的熱阻即主要集中在此層中。溫度溫度距離距離TTwtwt熱流體熱流體冷流體冷流體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿嫱牧髦黧w湍流主體湍流主體湍流主體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿鎸恿鲗恿鞯讓拥讓訉恿鲗恿鞯讓拥讓觽鳠岱较騻鳠岱较驅(qū)α鱾鳠崾疽鈭D對(duì)流傳熱示意圖式中式中 Q對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W； A傳熱面積，傳熱面積，m2 t對(duì)流傳熱溫度差，對(duì)流傳熱溫度差， t= T-TW或或t= t-tW，； T熱流體平均溫度，熱流體平均溫度，； TW與熱流體接觸的壁面溫度，與熱流體接觸的壁面溫度，； t冷流體的平均溫度，冷流體的平均溫度，； tW與冷流體接觸的壁面

32、溫度，與冷流體接觸的壁面溫度，； a對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。 上式稱為上式稱為牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律。 簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚度為簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚度為t的有效膜的有效膜內(nèi)，但有效膜的厚度內(nèi)，但有效膜的厚度t又難以測(cè)定，所以以又難以測(cè)定，所以以代替代替/t 而用下式而用下式描述對(duì)流傳熱的基本關(guān)系描述對(duì)流傳熱的基本關(guān)系 Q= A（T-Tw）二、對(duì)流傳熱速率二、對(duì)流傳熱速率1wTTtQRA1 流體的狀態(tài)：流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相液體、氣體

33、、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相 變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多； 2 流體的物理性質(zhì)：流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度影響較大的物性如密度、比熱、比熱cp、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù) 、粘度、粘度等；等；3 流體的運(yùn)動(dòng)狀況：流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；層流、過(guò)渡流或湍流；4 流體對(duì)流的狀況：流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；5 傳熱表面的形狀、位置及大小：傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管如管、板、管束、管徑、管 長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 三、三、

34、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素),(tgclufp無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示：無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示： 八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量M，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度L，時(shí)間，時(shí)間T，溫，溫度度。通過(guò)因次分析可得，在無(wú)相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：通過(guò)因次分析可得，在無(wú)相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：即即四、對(duì)流傳熱中的因次分析四、對(duì)流傳熱中的因次分析322() () ()pakgcllug tlCRe PrakgNuCGr準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式

35、，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1 1、特性尺寸、特性尺寸 無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。寸作為特征尺寸。2 2、定性溫度、定性溫度 流體在對(duì)流傳熱過(guò)程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)流體在對(duì)流傳熱過(guò)程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。一般定性溫度有數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。一般定性溫

36、度有2種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，流體和壁面的平均溫度種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。（膜溫）。3 3、準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一、準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度。的單位制度。 關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式無(wú)相變無(wú)相變有相變有相變自然對(duì)流自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流湍流湍流過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)層流層流蒸汽冷凝蒸汽冷凝液體沸騰液體沸騰管內(nèi)、外管內(nèi)、外直、彎管直、彎管圓或非圓形圓或非圓形 0.80.023()()pkiicd udNu=0.023Re0.8Prk 式中式中k值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)

37、，k=0.4，被冷卻時(shí)，被冷卻時(shí)，k=0.3。應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 ： Re10000，0.6Pr50。特性尺寸特性尺寸 ： 取管內(nèi)徑，取管內(nèi)徑， 定性溫度：定性溫度： 流體進(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。五、流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式五、流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1 1 流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1 1） 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 低粘度流體低粘度流體 Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 R Re e1000010000，0.70.

38、7Pr16700Pr6060。特性尺寸特性尺寸 取管內(nèi)徑取管內(nèi)徑定性溫度定性溫度 除除w w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算 術(shù)平均值。術(shù)平均值。當(dāng)液體被加熱時(shí)當(dāng)液體被加熱時(shí)（/w）0.14=1.05當(dāng)液體被冷卻時(shí)當(dāng)液體被冷卻時(shí)（/w）0.14=0.95 對(duì)于氣體，不論加熱或冷卻皆取對(duì)于氣體，不論加熱或冷卻皆取1。 高粘度流體高粘度流體 例：例： 常壓下，空氣以常壓下，空氣以15m/s的流速在長(zhǎng)為的流速在長(zhǎng)為4m，603.5mm的的鋼管中流動(dòng)，溫度由鋼管中流動(dòng)，溫度由150升到升到250。試求管壁對(duì)空氣的對(duì)。試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。流傳熱系數(shù)。 解：此

39、題為空氣在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流解：此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流 定性溫度定性溫度 t=（150+250）/2=200 查查200時(shí)空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄）如下時(shí)空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄）如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928

40、=0.688 .444 .60053. 003928. 0NudW/m2 本題中空氣被加熱本題中空氣被加熱,k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮自然對(duì)流及熱流流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮自然對(duì)流及熱流方向?qū)?duì)流傳熱系數(shù)的影響。方向?qū)?duì)流傳熱系數(shù)的影響。當(dāng)自然對(duì)流的影響比較小且可被忽略時(shí)，按下式計(jì)算：當(dāng)自然對(duì)流的影響比較小且可被忽略時(shí)，按下式計(jì)算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： Re2300，0.6Pr10

41、。 特性尺寸：取管內(nèi)徑特性尺寸：取管內(nèi)徑di 定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的 算術(shù)平均值。算術(shù)平均值。（2 2）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流例：一套管換熱器，套管為例：一套管換熱器，套管為893.5mm鋼管，內(nèi)管為鋼管，內(nèi)管為252.5mm鋼管。環(huán)隙中為鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中渡過(guò)，進(jìn)口溫度為卻水在內(nèi)管中渡過(guò)，進(jìn)口溫度為15，出口為，出口為35。冷卻水流。冷卻水流速為速為0.5m/s，試求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。，試求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。 解：此

42、題為水在圓形直管內(nèi)流動(dòng)解：此題為水在圓形直管內(nèi)流動(dòng) 定性溫度定性溫度 t=（15+35）/2=25 查查25時(shí)水的物性數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）如下時(shí)水的物性數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）如下 ：Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=11045 Re大于大于10000，為湍流區(qū)，為湍流區(qū) Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prk 進(jìn)行計(jì)算進(jìn)行計(jì)算,水被加熱水被加熱, k=0.4。Nu=0.023

43、Re0.8Prk a=2076.9采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑de即可。即可。當(dāng)量直徑按下式計(jì)算當(dāng)量直徑按下式計(jì)算具體采用何種當(dāng)量直徑，根據(jù)所選用的關(guān)聯(lián)式中的規(guī)定而定。具體采用何種當(dāng)量直徑，根據(jù)所選用的關(guān)聯(lián)式中的規(guī)定而定。潤(rùn)濕周邊流體流動(dòng)截面積 4ed傳熱周邊流體流動(dòng)截面積 4ed或或 流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜狀冷凝膜狀冷凝和和滴狀冷凝滴狀冷凝兩種方式。兩種方式。膜狀冷凝膜狀冷凝：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜是

44、其主要熱阻。的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜是其主要熱阻。滴狀冷凝滴狀冷凝：若冷凝液不能潤(rùn)濕若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面壁面，由于表面張力的作，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷凝過(guò)程。凝稱為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷凝過(guò)程。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。六、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)六、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1 1 蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)4132)(72

45、5.0tdngr在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝： 水平管壁上作膜狀冷凝水平管壁上作膜狀冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度 r飽和蒸汽的冷凝潛熱飽和蒸汽的冷凝潛熱 t蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差 d管子外徑管子外徑 n管束在垂直面上的列數(shù)管束在垂直面上的列數(shù) （1 1） 膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)4132131)tlgr(. 冷凝液膜流動(dòng)為層流冷凝液膜流動(dòng)為層流（Re1800）時(shí)：）時(shí)：冷凝液膜流動(dòng)為湍流冷凝液膜流動(dòng)為湍流（Re1800）時(shí)：）時(shí)：4

46、03123200770./Reg. 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流動(dòng)，蒸汽和液膜同向流動(dòng)， 液膜厚度液膜厚度( )，若逆向流動(dòng)，液膜厚度若逆向流動(dòng)，液膜厚度( )，蒸汽的流速較大，蒸汽的流速較大， 液液 膜膜 吹吹 跑跑 ， 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差冷凝液膜兩側(cè)的溫度差 t： 當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若t加大，則蒸氣冷凝速率增加，因加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，而液膜層厚度增厚， 蒸汽中不凝氣體含量的影響蒸汽中不凝氣體含量的影響：若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很小）所若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為

47、氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很小）所覆蓋，增加了一層附加熱阻，使覆蓋，增加了一層附加熱阻，使急劇下降，可達(dá)急劇下降，可達(dá)60%。 冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響： 如對(duì)于翅片管和螺旋管如對(duì)于翅片管和螺旋管 ，；傳熱面積；傳熱面積S， 冷凝管的方位冷凝管的方位： 對(duì)于水平管：對(duì)于水平管：若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜變厚，變厚， ；沿垂直方向排管數(shù)目；沿垂直方向排管數(shù)目， 。管束改。管束改為錯(cuò)列，為錯(cuò)列，或加除液擋板，或加除液擋板， 。 對(duì)于垂直管對(duì)于垂直管: 尺寸尺寸， ， 。管外開(kāi)槽，管外開(kāi)槽， 。 流體的物性流體的物性： （汽化熱（汽化熱r、密度、密度

48、、），；，2 2 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1 1） 液體沸騰的基本概念液體沸騰的基本概念 液體的沸騰液體的沸騰: :當(dāng)液體被加熱時(shí)，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的當(dāng)液體被加熱時(shí)，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程。該過(guò)程既有過(guò)程。該過(guò)程既有導(dǎo)熱導(dǎo)熱過(guò)程又有過(guò)程又有對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱過(guò)程。過(guò)程。包括包括大容積沸騰、管內(nèi)沸騰大容積沸騰、管內(nèi)沸騰。 大容積沸騰大容積沸騰: :將加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸將加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸騰騰（池式沸騰）（池式沸騰） 。大容積沸騰時(shí)，液體中一方。大容積沸騰時(shí)，液體中一方面存在著由溫差引起的面存在著由溫差引起的自然對(duì)流自然對(duì)

49、流，另一方面又，另一方面又因氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的因氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的液體運(yùn)動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)。 管管 內(nèi)內(nèi) 沸沸 騰騰: :液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，管液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，管壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流動(dòng)，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動(dòng)。這種沸騰的動(dòng)，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動(dòng)。這種沸騰的機(jī)理更為復(fù)雜。機(jī)理更為復(fù)雜。（2） 液體沸騰曲線液體沸騰曲線 大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差t（壁溫與液體飽和（壁溫與液體飽和溫度之差）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。溫度之差）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。1、 AB段段：表

50、面汽化表面汽化:溫度差溫度差t 較小時(shí)，在加熱表面的液體較小時(shí)，在加熱表面的液體 內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流自然對(duì)流，僅在液體，僅在液體 表面發(fā)生蒸發(fā)，沒(méi)有氣泡逸表面發(fā)生蒸發(fā)，沒(méi)有氣泡逸 出，沸騰傳熱系數(shù)出，沸騰傳熱系數(shù)和熱通和熱通 量量q都較低都較低。2、 BC段段：核狀沸騰核狀沸騰： 當(dāng)當(dāng)t升升 高時(shí)，加熱表面的局部位置高時(shí)，加熱表面的局部位置 產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度 隨隨t上升而增加，由于氣泡上升而增加，由于氣泡 的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動(dòng)，因此，的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動(dòng)，因此，和和 q 急劇急劇增大。增大。溫度差溫度差tqABCD線線 q 線線自然

51、對(duì)流自然對(duì)流核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰E3、CD段段：不穩(wěn)定膜狀沸騰或：不穩(wěn)定膜狀沸騰或 部分核狀沸騰：部分核狀沸騰：當(dāng)當(dāng) t增大到某一增大到某一定數(shù)值時(shí)，加熱面上產(chǎn)生的汽泡大大增多，此時(shí)汽泡產(chǎn)生的定數(shù)值時(shí)，加熱面上產(chǎn)生的汽泡大大增多，此時(shí)汽泡產(chǎn)生的速率大于脫離表面的速率。這樣汽泡在脫離表面前連接起來(lái)，速率大于脫離表面的速率。這樣汽泡在脫離表面前連接起來(lái)，開(kāi)始形成一層不穩(wěn)定的汽膜，隨時(shí)可能破裂變?yōu)榇笃蓦x開(kāi)開(kāi)始形成一層不穩(wěn)定的汽膜，隨時(shí)可能破裂變?yōu)榇笃蓦x開(kāi)加熱面。隨著加熱面。隨著 t的增大，汽泡趨于穩(wěn)定，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，汽泡趨于穩(wěn)定，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體的，所以傳熱系數(shù)反

52、而下降。遠(yuǎn)小于液體的，所以傳熱系數(shù)反而下降。4、DE段段：當(dāng)達(dá)到當(dāng)達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋，形成點(diǎn)時(shí)，傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋，形成穩(wěn)定的氣膜，隨穩(wěn)定的氣膜，隨t增大，增大，不變，不變，q又上升（因?yàn)楸跍厣?，又上升（因?yàn)楸跍厣撸椛鋫鳠岬挠绊懺龃?。一般將輻射傳熱的影響增大。一般將CDE段稱為段稱為膜狀沸騰膜狀沸騰。臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)tc和和qc ：從核狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。臨界點(diǎn)從核狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱流密度和溫差稱為臨界熱負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的熱流密度和溫差稱為臨界熱負(fù)荷qc 和臨界溫度和臨界溫度tc 。由于核狀沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，因此工業(yè)生產(chǎn)中一由

53、于核狀沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，因此工業(yè)生產(chǎn)中一般總是設(shè)法控制在核狀沸騰。般總是設(shè)法控制在核狀沸騰。（3） 影響沸騰傳熱的因素影響沸騰傳熱的因素 溫度差溫度差t ： t是控制沸騰給熱過(guò)程的重要參數(shù)，控制是控制沸騰給熱過(guò)程的重要參數(shù)，控制t 不大于不大于tc ， 使操作處于核狀沸騰。在使操作處于核狀沸騰。在t tc 時(shí)，時(shí)， ， t，。 操作壓強(qiáng)：操作壓強(qiáng)： 提高沸騰壓強(qiáng)相當(dāng)于提高液體的提高沸騰壓強(qiáng)相當(dāng)于提高液體的t s ，使液體的表面張力，使液體的表面張力 和粘度和粘度均下降，有利于汽泡的生成和脫離，能強(qiáng)化沸均下降，有利于汽泡的生成和脫離，能強(qiáng)化沸 騰傳熱。在相同的騰傳熱。在相同的 t下，下

54、，和和q都提高。都提高。 液體性質(zhì)的影響液體性質(zhì)的影響 液體的液體的， 和表面張力和表面張力 ，汽化潛熱，汽化潛熱r等均對(duì)沸騰等均對(duì)沸騰 傳熱有重要影響。一般認(rèn)為：傳熱有重要影響。一般認(rèn)為： （導(dǎo)熱能力（導(dǎo)熱能力）或）或（自然對(duì)流（自然對(duì)流） 或或（氣泡易于脫離（氣泡易于脫離） 32t 加熱表面加熱表面 加熱壁面的材料和粗糙度對(duì)沸騰給熱有重要的影響。加熱壁面的材料和粗糙度對(duì)沸騰給熱有重要的影響。 表面粗糙度表面粗糙度，氣泡核心數(shù)，氣泡核心數(shù) 表面油污表面油污， （4） 沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算由于沸騰傳熱過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算式均為經(jīng)驗(yàn)式，如：由于沸騰傳熱過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算式均為經(jīng)驗(yàn)式，如：莫

55、斯金斯基經(jīng)驗(yàn)式：莫斯金斯基經(jīng)驗(yàn)式：3321631.TZ. c.cp/pRRRR.p.Z 33310211703281048110241）（R為對(duì)比壓強(qiáng)；為對(duì)比壓強(qiáng)；p為操作壓強(qiáng)；為操作壓強(qiáng)；pc為臨界壓強(qiáng)為臨界壓強(qiáng) 對(duì)流傳熱計(jì)算公式有兩種類(lèi)型：準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式和純經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)流傳熱計(jì)算公式有兩種類(lèi)型：準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式和純經(jīng)驗(yàn)公式。在應(yīng)用這些方程時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在應(yīng)用這些方程時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、首先分析所處理的問(wèn)題是屬于哪一類(lèi)，如：是強(qiáng)制對(duì)流或、首先分析所處理的問(wèn)題是屬于哪一類(lèi)，如：是強(qiáng)制對(duì)流或是自然對(duì)流，是否有相變等。是自然對(duì)流，是否有相變等。2、選定相應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式，特別應(yīng)注意的是所選用、選

56、定相應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式，特別應(yīng)注意的是所選用的公式的使用條件。的公式的使用條件。3、當(dāng)流體的流動(dòng)類(lèi)型不能確定時(shí)，采用試差法進(jìn)行計(jì)算，再、當(dāng)流體的流動(dòng)類(lèi)型不能確定時(shí)，采用試差法進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行驗(yàn)證。4、計(jì)算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。、計(jì)算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié)對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié)5、冷凝傳熱和沸騰傳熱機(jī)理、影響因素（重點(diǎn)）。、冷凝傳熱和沸騰傳熱機(jī)理、影響因素（重點(diǎn)）。傳熱計(jì)算主要有兩種類(lèi)型：傳熱計(jì)算主要有兩種類(lèi)型： 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積。根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積。 校核計(jì)算校核計(jì)算 計(jì)算給定換熱器的傳熱量、流體的

57、溫度或流量。計(jì)算給定換熱器的傳熱量、流體的溫度或流量。第四節(jié)第四節(jié) 傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算 若換熱器中兩流體若換熱器中兩流體無(wú)相變無(wú)相變時(shí)，且認(rèn)為流體的比熱不隨溫時(shí)，且認(rèn)為流體的比熱不隨溫度而變，則有度而變，則有式中式中 cp流體的平均比熱，流體的平均比熱，kJ/（kg ） t冷流體的溫度，冷流體的溫度， T熱流體的溫度，熱流體的溫度， Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)一、換熱器的熱量平衡方程一、換熱器的熱量平衡方程前提：對(duì)間壁式換熱器作能量恒算，在前提：對(duì)間壁式換熱器作能量恒算，在忽略熱損失忽略熱損失的情況下的情況下若換熱器中的熱流體若換熱器中的熱流體有相變有相變

58、，如，如飽和蒸汽冷凝飽和蒸汽冷凝時(shí)，則有時(shí)，則有 當(dāng)當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度冷凝液的溫度低于飽和溫度時(shí)，則有時(shí)，則有 式式中中 qm1飽和蒸汽（熱流體）的冷凝速率，飽和蒸汽（熱流體）的冷凝速率，kg/h r飽和蒸汽的冷凝潛熱飽和蒸汽的冷凝潛熱(蒸汽冷凝相變焓蒸汽冷凝相變焓)，kJ/kgQ=qm1r=qm2cp2(t2-t1)注注：上式應(yīng)用條件是冷凝液在飽和溫度下離開(kāi)換熱器。：上式應(yīng)用條件是冷凝液在飽和溫度下離開(kāi)換熱器。Q=qm1r+cp1(Ts-T2)=qm2cp2(t2-t1)式中式中 cp1冷凝液的比熱，冷凝液的比熱， kJ/（kg ） Ts冷凝液的飽和溫度，冷凝液的飽和溫度， 二、總傳

59、熱系數(shù)二、總傳熱系數(shù)1 1 總傳熱系數(shù)的定義總傳熱系數(shù)的定義221111mTtdQbdAdAdA 對(duì)于管式換熱器，假定管內(nèi)對(duì)于管式換熱器，假定管內(nèi)作為加熱側(cè)，管外為冷卻側(cè)，作為加熱側(cè)，管外為冷卻側(cè)，則通過(guò)任一微元面積則通過(guò)任一微元面積dA的傳熱的傳熱由三步過(guò)程構(gòu)成。由三步過(guò)程構(gòu)成。由熱流體傳給管壁由熱流體傳給管壁 dQ2=2(T-Tw)dA2由管壁傳給冷流體由管壁傳給冷流體 dQ1=1(tw-t)dA1通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo) dQw=(/b)(Tw-tw)dAm由上三式可得由上三式可得twTw管外對(duì)流管外對(duì)流管內(nèi)對(duì)流管內(nèi)對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱冷冷流流體體熱熱流流體體tTdQdQ22dQ11dQ

60、w 通過(guò)換熱器中任一微元面積通過(guò)換熱器中任一微元面積dA的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程（仿對(duì)流傳熱速率方程）為方程（仿對(duì)流傳熱速率方程）為 dQ=KdA(T-t)式中式中 K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)， w/（m2 ） T換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度，換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度， t換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度，換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度， 上式稱為上式稱為總傳熱速率方程?？倐鳠崴俾史匠?。 定義：定義：2211111mbKdAdAdAdA 在工程大多以外表面積為基準(zhǔn)，即取在工程大多以外表面積為基準(zhǔn)，即取dA =dA1，當(dāng)，當(dāng)K取整取整個(gè)換熱器的平均