《食品工程原理》課件第四章 傳熱

1、2. 對流傳熱內(nèi)容提要 1. 熱傳導(dǎo)3. 穩(wěn)定傳熱的計算4. 熱輻射5. 換熱器基本要求導(dǎo)熱、對流換熱的基本規(guī)律及計算穩(wěn)定傳熱過程的計算一、傳熱在食品工程中的應(yīng)用第一節(jié) 概述食品加工過程中的溫度控制、滅菌過程以及各種單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、結(jié)晶等）對溫度有一定的要求。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)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機理不同，傳熱的基本方式有三種：熱傳導(dǎo) (conduction)對流 (convection)輻射 (radiation)物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。1.熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）2.熱對流

2、流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。 熱對流僅發(fā)生在流體中。強制對流：因泵（或風(fēng)機）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對流稱為強制對流。流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。熱對流的兩種方式：自然對流：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)生相對位移，這種對流稱為自然對流。3、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。任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)射輻射能，故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)。只有在物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。實際上，各傳熱方式很少單獨出現(xiàn)，往往會相互伴

3、隨出現(xiàn)。一、傅立葉定律第二節(jié) 熱傳導(dǎo)1. 溫度場和溫度梯度溫度場(temperature field)：任一瞬間物體間或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布，稱為溫度場。物體的溫度分布是空間位置和時間的函數(shù)，即t = f (x，y，z，)式中：t 溫度x, y, z 空間坐標(biāo) 時間(4-1)t = f (x，)(4-1a)不定態(tài)溫度場：溫度場內(nèi)如果各點溫度隨時間而改變。定態(tài)溫度場：若溫度不隨時間而改變。一維溫度場：若溫度場中溫度只沿著一個坐標(biāo)方向變化。等溫面：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。等溫面的特點：（1）等溫面不相交；（2）沿等溫面無熱量傳遞。tn=tnn 0grad t = lim注意：沿等溫面

4、無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向，都有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。溫度梯度：兩相鄰等溫面的溫差為t與兩面間的垂直距離為n的比值的極限。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正。tx=gradt = limx 0t ( x + x , ) t ( x , )x溫度梯度是矢量方向垂直于等溫面ntt -tt +tt/n以溫度增加的方向為正溫度梯度對于一維溫度場：dtdxgrad t =力，與物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度、壓強有關(guān)。查表。2 傅立葉定律Fouriers LowxtdAt -tQt +tt/x單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱

5、流方向的截面積成正比： t xdQ = dAQ單位時間傳導(dǎo)的熱量，簡稱傳熱速率，w。dQ是對應(yīng)于dA 的A導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2導(dǎo)熱系數(shù)(thermal conductivity)，熱導(dǎo)率，w/m.k“-” 熱流方向和溫度梯度方向相反。是物質(zhì)的物理性質(zhì)，表征導(dǎo)熱能金 固非金 液 氣二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假 設(shè)：bt2Qt1tt1t2obx厚b，面積A；為常數(shù)；等溫面垂直于x軸；側(cè)面溫度t1及t2恒定。= 1 2 =dtdxQ = A tR=Q =bt1 t 2b AA( t1 t 2 ) =根據(jù)傅立葉定律QA trq =t tb熱通量：(熱流密度)積分

6、邊界條件：當(dāng)x=0時，t= t1；x=b時，t= t2，導(dǎo)熱的推動力導(dǎo)熱熱阻（二）多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4壁厚b1，b2，b3；1，2，3為常數(shù)；接觸表面上溫度相等；壁面積為A。b 2 2 AA ( t 1 t 2 )Q 1 = 1b 1Q 1= t 1 t 2 = t 1b 1 1 AQ 2Q 3= t 2= t 3b 2 2 Ab 3 3 A第一層第二層第三層對于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：Q1=Q2=Q3=QQ (+ +) = t 1 + t 2 + t 3b1 1 Ab 3 3 Ab1 b 2 b 3 1 A 2 A 3 Ab 2 2 Abi=i 1 A)

7、(b1 1 Ab 3 3 At 1 t 4+ +=) ( t 1 + t 2 + t 3+ +Q =t 1 t 4R 1 + R 2 + R 3=t 1 + t 2 + t 3R 1 + R 2 + R 3Q =Q =t 1 t n + 1 Rnit 1 t n + 1同理，對具有n層的平壁，熱傳導(dǎo)速率方程式為式中i為n層平壁的壁層序號。例：某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層厚10cm，填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70W/(m)，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.04 W/(m)，墻外表面溫度為10，內(nèi)表面為-5，試計算進入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。Qb1b2xtt

8、1t2b3t3t4q = =b 2+ += 10 5.27 = 9.1 + t 4 = 5.27 + ( 5) = 4.1 0.120.700.120.70)b 3 3b1 1(QA= 5.27W/m 210 ( 5)0.100.04=t 1 t 4+ + 2按溫度差分配計算t2、t30.120.70b 1 1t 2 = t 1 q解： 根據(jù)題意，t1=10，t4=-5，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1= 3= 0.70 W/(m)， 2= 0.04W/(m)。按熱流密度公式計算q：0.120.70b 3 3t 3 = q二、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假 設(shè)：圓

9、筒壁很長，沿軸向散熱可忽略，則通過圓筒壁的熱傳導(dǎo)可視為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)；r1 r2t1t2圓筒的內(nèi)外半徑分別為r1 、r2 ，長度為L；圓筒內(nèi)、外壁面溫度分別為t1 、t2，且t1t2。Ldrr2dtdrdtdrQ = A= 2rLlnt1 t 2r1Q = 2L將上式分離變量積分并整理得根據(jù)傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為上式也可寫成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類似的形式，即Am (t 1 t 2 )r2 r1=Am (t 1 t 2 )bQ =r2ln 22Lr 2ln 2ln= 2r m L2L(r 2 r1 )r1Am =rmr2 r1rr1=lnA2 A1AA1=2L(r 2 r1

10、 )2Lr 1Am =上兩式相比較，可得其中式中 rm圓筒壁的對數(shù)平均半徑，mAm圓筒壁的內(nèi)、外表面對數(shù)平均面積，m2當(dāng)A2/A12時，可認為Am=（A1+A2）/2（二）多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)r1r2 r3r4t1t2t3t4對穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，單位時間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。以三層圓筒壁為例：層與層接觸良好，各等溫面皆為同心圓柱面；各 層 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 1，2，3皆視為常數(shù)；各層壁厚分別為b1= r2- r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；b1 b2 b3r2 1 r3 1多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算，可參照多層平壁，則導(dǎo)熱速率：1 Am1 2 Am2

11、3 Am3t 1 t 4R1 + R2 + R3=t 1 + t 2 + t 3+ +Q =3r4r3lnln11+ ln +r1 2 r2 2L(t 1 t4 )Q =b i=i 1 A同理，對于n層圓筒壁2L(t 1 tn +1 )1 ri +1i i注：對于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過各層的熱傳導(dǎo)速率都是相同的，但是熱通量不相等。nt 1 t n + 1i miQ =t2例在一603.5mm 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)是0.07W/m，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)是0.15W/m?，F(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁溫度為500，最外層表面溫度為80，管壁的

12、導(dǎo)熱系數(shù)是45W/m。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。r1r2 r3r4t1t3t4=+lnlnt21 2 3r4r3lnQ 2(t 1 t4 )1= 45W/(m)，2= 0.07W/(m)，r1=0.053/2=0.0265m；r3=0.03+0.04=0.07m；3= 0.15W/(m);r2=0.0265+0.0035=0.03mr4=0.07+0.02=0.09mt1= 500,t4= 80解： 由題意可知，r1r2 r3r4t1t3t4每米管長的熱損失L 1 r2 1 r3 1 r1 r2 +ln+r2 1+lnln0.090.07lnln1452 3.14 (500

13、80)0.03 1 0.07 10.0265 0.07 0.03 0.15=QL= 191.4 W/m保溫層界面溫度t3r3r2ln ln11QL2(t 1 t3 )r1 2=1452 3.14 (500 t 3 )0.03 1 0.070.0265 0.07 0.03191.4 =解得t3=131.2對流傳熱(convection heat exchange)：流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程。第三節(jié) 對流傳熱一、對流傳熱的基本概念流動原因：強制對流、自然對流流動類型：湍流、層流影響因素：傳熱過程高溫流體湍流主體層流底層壁面兩側(cè)層流底層湍流主體低溫流體湍流主體對流傳熱溫

14、度分布均勻?qū)恿鞯讓訉?dǎo)熱溫度梯度大壁面導(dǎo)熱( 導(dǎo)熱系數(shù)較流體大)有溫度梯度傳熱邊界層（temperature boundary layer） ：溫度邊界層，溫度梯度較大的區(qū)域。厚度用t 表示。溫度距離傳熱特性： twtTTw熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體層流底層湍流主體層流底層傳熱方向?qū)α鱾鳠崾疽鈭D傳熱壁面T對流傳熱溫度差， T= T-TW，；T熱流體平均溫度，；TW與熱流體接觸的壁面溫度，；對流傳熱系數(shù)，W/m2K（或W/m2）。T T w1 AQ =Q=A(T-Tw)A傳熱面積，m2T T w t AQ =二、對流傳熱速率t 難以測定，以代 替/t牛頓冷卻定律式中 Q對流傳熱速率，W；1 狀態(tài)

15、：液態(tài)、氣態(tài)、蒸汽，相變；4 物理性質(zhì)：密度、比熱cp、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等；3 運動狀況：層流、過渡流或湍流；2 對流狀況：自然對流，強制對流；5 壁面：形狀、位置及大小。三、影響對流傳熱系數(shù)的主要因素與流體特性和壁面有關(guān)lu a c p k g tl 3 2 gNu = C Re Pr Gr l= C ( ) ( ) ( 2 )a kg四、對流傳熱中的準(zhǔn)數(shù)無相變時，對流傳熱系數(shù)： = f ( u , l , , , , c p , g t )整理成準(zhǔn)數(shù)式其中，Nu，Re，Pr，Gr是沒有單位(無量綱)的式子，稱準(zhǔn)數(shù)無相變時對流傳熱時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式準(zhǔn)數(shù)名稱符號意義努塞爾數(shù)（Nusself）lNu

16、=表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)（Reynolds）luRe =確定流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普朗特數(shù)（Prandtl）c p Pr =表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫數(shù)（Grashof）3 2gtl Gr = 2表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)符號及意義在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時應(yīng)注意以下幾點：準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是經(jīng)驗公式，應(yīng)用時不能超出實驗條件范圍。3、應(yīng)用范圍2、特征尺寸 指無因次準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸。常選取對流體流動和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。1、定性溫度 指確定準(zhǔn)數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度。一般定性溫度的取法：進、出口流體的平均溫度；壁面平均溫度；流體和壁面的平均溫度。4、準(zhǔn)數(shù)是一個無因次數(shù)群，其中涉及

17、到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制。d i u 0.8 c p n) ( ) (d i = 0.023第四節(jié) 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式一、無相變時的對流傳熱系數(shù)1 流體在圓直管內(nèi)強制對流1.1 圓直管內(nèi)強制湍流時的對流傳熱系數(shù)1.1.1 低粘度流體 (10000，0.7Pr50。若L/di10000，0.7Pr50特性尺寸: 管內(nèi)徑定性溫度: w壁溫，其它均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值當(dāng)液體被加熱時（/w）0.14=1.05當(dāng)液體被冷卻時（/w）0.14=0.95對于氣體，不論加熱或冷卻皆取11.1.2 高粘度流體 (210-3 Pas)6 10 5Re 1.8 = 1 1.1.3 處于過渡流動狀態(tài)的先

18、用湍流時的計算公式計算值；值乘以校正系數(shù)。例：常壓下，空氣以15m/s的流速在長為4m，603.5mm的鋼管中流動，溫度由150升到250。試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解：此題為空氣在圓直管內(nèi)作強制對流定性溫度： t=(150+250)/2=200物性數(shù)據(jù)(查附錄，200時空氣):Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =2.610-5Pa.s =0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸:d=0.060-20.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.550Nu = 60.4 = 44.8 W/m2 0.039280.053d =Re=du/=(0.05315

19、 0.746)/(0.610-5)=2.28104 104(湍流)空氣被加熱，k=0.4，所以：Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4(1) 當(dāng)自然對流的影響可忽略時 (Gr25000)Nu=1.86(RePrdi/L)1/3(/w)0.14應(yīng)用范圍：Re2300，0.6Pr10。特性尺寸：管內(nèi)徑di定性溫度：w取壁溫，其它均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。當(dāng)液體被加熱時（/w）0.14=1.05當(dāng)液體被冷卻時（/w）0.14=0.951.2 流體在圓直管內(nèi)作強制層流(2) 當(dāng)自然對流的影響不能忽略時 (Gr25000)Nu=0.023

20、Re0.8Prnf式中：f=0.8 ( 1+0.015 Gr1/3 )(1 0.77 )= + Rd i有離心力，湍動程度大，對流傳熱系數(shù)較大。 彎管中的對流傳熱系數(shù)，w/（m2 ） 直管中的對流傳熱系數(shù)，w/（m2 ）R 彎管軸的彎曲半徑，m1.4 流體在彎管內(nèi)作強制對流流體流動截面積潤濕周邊流體流動截面積傳熱周邊d e = 4 d e = 4 或1.5 流體在非圓管內(nèi)強制對流管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑deNu = 0.5 Re PrPr 0.25Nu = 0.25 Re Pr (Pr 0.252 流體在管外強制對流2.1 單管套管換熱器0.50.38)(Prw0.6 0.38)Prw當(dāng) Re =

21、103 2 105定性尺寸：管外徑；定性溫度：Prw外壁溫，其余均用流體平均溫度當(dāng) Re = 8 103 時，2.2 管 束列管換熱器錯列x1x2直列x1x2Nu=C1C2RenPr0.4應(yīng)用范圍：5000 Re 25C左右，加熱面上汽泡較多，形成不穩(wěn)定的蒸氣膜，熱阻增大， 和q 急劇下降。溫度差t(4) 膜狀沸騰階段(DE)D點后，溫差大，壁面氣膜穩(wěn)定； tw 較高， 增大小，熱通量q上升。2.2 液體的沸騰過程沸騰傳熱推動力： t=加熱面溫度-液體飽和溫度在大空間內(nèi)沸騰時，和熱流密度q 隨t變化。沸騰傳熱分四個階段：qABCDq線線影響沸騰傳熱的因素（2）溫度差：溫度差是控制沸騰傳熱的重要

22、參數(shù)，應(yīng)盡量在核狀沸騰階段操作。（3）操作壓力：提高操作壓力可強化對流傳熱過程。（1）流體物性： 一般情況下，隨表面張力和的增大而減小，而隨和的增大而增大。（4）加熱面的影響：加熱面的材料、粗糙度的影響。q( w / m k ) = 0.145p t(w / m k)20.15 0.7 = 0.560 p20.52.33p 壓強 ，Pa ；q 熱負荷，w/m2 。2.3 沸騰對流傳熱系數(shù)的計算(1) = ct 2.4 w / m 2 k 不同液體的c 值可查表 。對于水，c = 1045(2) 對于水，當(dāng)壓強p = 0.02 10 MPa流動情況公式定性溫度特性尺寸典型應(yīng)用無相變管內(nèi)圓直湍流低

23、黏度高粘度層流過渡彎管管外有相變冷凝沸騰對流傳熱系數(shù)小結(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定傳熱的計算熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體層流底層湍流主體層流底層Q傳熱壁面換熱器的微元截面一、能量衡算對間壁式換熱器作能量恒算，在忽略熱損失的情況下有上式即為換熱器的熱量衡算式。式中 Q換熱器的熱負荷，kJ/h或wW流體的質(zhì)量流量，kg/h或kg/sI流體的焓，kJ/kg下標(biāo)c、h分別表示冷流體和熱流體，下標(biāo)1和2表示換熱器的進口和出口。Q=Wh(Ih1-Ih2)=Wc(Ic2-Ic1)若換熱器中兩流體無相變，且認為流體的比熱不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱容時，則有式中 cp流體的平均比熱，kJ/（kg ）t冷流體的溫度，T

24、熱流體的溫度，Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若換熱器中的熱流體有相變，如飽和蒸汽冷凝時，則有當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時，則有式中 Wh飽和蒸汽（熱流體）的冷凝速率，kg/hr飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注：上式應(yīng)用條件是冷凝液在飽和溫度下離開換熱器。Q=Whr+cph(Ts-T2)=Wccpc(t2-t1)式中 cph冷凝液的比熱， kJ/（kg ）Ts冷凝液的飽和溫度， 二、總傳熱速率方程（一）總傳熱速率微分方程通過換熱器中任一微元面積dA的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程（仿對流傳熱速率方程）為dQ=K(T-t)dA=KtdA式中

25、K局部總傳熱系數(shù)， w/（m2 ）T換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度， t換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度， 上式稱為總傳熱速率方程?？倐鳠嵯禂?shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。dQ=Ki(T-t)dAi=Ko(T-t)dAo=Km(T-t)dAm式中 Ki、Ko 、Km基于管內(nèi)表面積、外表面積、內(nèi)外表面平均面積 的總傳熱系數(shù)， w/（m2 ）Ai、Ao、Am換熱器內(nèi)表面積、外表面積、內(nèi)外表面平均面積， m2注：在工程大多以外表面積為基準(zhǔn)。通過管壁的熱傳導(dǎo) dQ = T w w+ +dQ =（二）總傳熱系數(shù)1、總傳熱系數(shù)的計算式對于管式換熱器，假定管

26、內(nèi)作為加熱側(cè)，管外為冷卻側(cè)，則通過任一微元面積dS的傳熱由三步過程構(gòu)成。由管壁傳給冷流體由上三式可得T T w1由熱流體傳給管壁 dQ =dA mT t1 b 1 i dA i dA m o dA o i dA i tbt w t1 o dA odQ =dA idA mbdA obd o 1d id od md ok ok ik ok m= =dA o= =dA od o i d idAo o dAodAo i dAidQdS oT t+ +d m o=T t+ +dA m=根據(jù)總傳熱速率微分方程，dQ=Ki(T-t)dAi=Ko(T-t)dAo=Km(T-t)dAm則有：所以bd o 1bd

27、 i+ +d o bd o 1d o i d i1+ +d m oK o =d i o d o1 i1+ +d mK i =d m o d od m i d i1bK m=總傳熱系數(shù)（以外表面為基準(zhǔn)）為1K o= + + i d i d m o同理總傳熱系數(shù)表示成熱阻形式為= + R si+ + R so += + Rsi + + Rso +1 obd od md od id o i d i1K o1 o1 b i 1K2、污垢熱阻在計算總傳熱系數(shù)K時，污垢熱阻一般不能忽視，若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的熱阻分別為Rsi及Rso時，則有當(dāng)傳熱面為平壁或薄管壁時，di、do、dm近似相等，則有= +當(dāng)管

28、壁熱阻和污垢熱阻可忽略時，則可簡化為1 1 i o1K1 o1K若o i，則由上可知：當(dāng)兩個對流傳熱系數(shù)相差較大時，欲提高K值，關(guān)鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小的一側(cè)的。若兩側(cè)的相差不大時，則必須同時提高兩側(cè)的，才能提高K值。若污垢熱阻為控制因素，則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。例 一列管式換熱器，由252.5mm 的鋼管組成。管內(nèi)為CO2，流量為6000kg/h，由55冷卻到30。管外為冷卻水，流量為2700kg/h，進口溫度為20。CO2與冷卻水呈逆流流動。已知水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為3000W/m2K，CO2 側(cè)的對流傳熱系數(shù)為40W/m2K，CO2 側(cè)污垢熱阻為0.5310-3m2K

29、/W，水側(cè)污垢熱阻為0.2110-3m2K/W 。試求總傳熱系數(shù)K，分別用Ki和Ko表示。解：依題意知： i= 40W/m2K， o= 3000W/m2K，Rsi=0.5310-3m2K/W，Rso=0.2110-3m2K/W，di=（25-2.52）mm=0.02m，do=0.025m，b=0.0025m查表知，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=45.3 W/mK因do/di=0.025/0.02t1。(2) 上式對并流和逆流均適用。對數(shù)平均溫度差t 2250 100180 160例現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油，原油在管外流動，進口溫度為100,出口溫度為160；某反應(yīng)物在管內(nèi)流動，進口溫度為250，出口溫度為1

30、80。試分別計算并流與逆流時的平均溫度差。(250 100) (180 160)ln=lnt 2 t1t1解：并流 tm = 65 mln lnt1逆流操作時，因t2/ t10.9;當(dāng)t0.8時，則傳熱效率低，經(jīng)濟上不合理，操作不穩(wěn)定。習(xí)題 （傳熱綜合問題）在1m長的套管換熱器中用熱水將管內(nèi)的果汁從t1=10加熱至t2=50 ，熱水從進口溫度T1=98 降至T2=68 ，兩流體并流流動，求:（1）欲將果汁加熱至 t2=60 ，管長需增加多少米？（2）若改用逆流操作后管長增加多少米？（上述各工況下熱水、果汁的流量，入口溫度，所有的物性參數(shù)均不變且忽略熱損失）解：換熱器中兩流體無相變化，則有Q=W

31、hcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)Q=Whcph(98-68)=Wccpc(50-10) （a）當(dāng)果汁加熱至 t2=60 時，設(shè)水的出口溫度為T2，根據(jù)題意有Q=Whcph(98-T2)=Wccpc(60-10) （b）聯(lián)立式a和b，解得： T2=60.5 98 1068 5098 1060.5 60（1）流體為并流時對于第一種工況：對于第二種工況：= 44.1= 16.9( 98 10 ) ( 68 50 )ln( 98 10) ( 60.5 60)lnt m 1 =tm 2 =由總傳熱速率方程： Q=KAtm，可得Q1Q 2L1 t m 1L2 t m 2=KA1 t m 1

32、KA2 t m 2=W c C pc ( t 2 t1 )W c C pc ( t 2 t1 )=K ( 2rL1 ) t m 1K ( 2rL2 ) t m 2代入數(shù)據(jù)得=50 1060 10L1 44.1L2 16.9= 3 .26L2L160.5 1098 60（2）流體為逆流時熱水的出口溫度仍為 T2=60.5 T2=60.5t1=10T1=98t2=60=L1 t m 1L2 t mKA1 t m 1KA2 t mQ1Q 2W c C pc ( t 2 t1 )W c C pc ( t 2 t1 )K ( 2rL1 ) t m 1K ( 2rL2 ) t m代入數(shù)據(jù)得=50 1060

33、 10L1 44.1L2 44.0= 1.25L2L1逆流時傳熱溫度差為：或采用算術(shù)平均值代替= 44.0= 44.3( 60. 5 10 ) ( 98 60 )ln( 60. 5 10 ) + ( 98 60 )2t m =t m =五、傳熱的強化強化傳熱的目的：以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力。強化傳熱的途徑：1、加大傳熱面積 加大傳熱面積可以增大傳熱量，但設(shè)備增大，投資和維護費也隨之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金屬管。2、增加平均溫度差 在理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法，但受客觀條件（蒸汽壓強、氣溫、水溫）和工藝條件（熱敏性、冰點）的限制。提高蒸汽壓強，設(shè)

34、備造價會隨之提高。在一定氣源壓強下，可以采取降低管道阻力的方法來提高加熱蒸汽的壓強。在一定條件下也可采用逆流代替并流。3、減少傳熱阻力 （1）減少壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料；（2）防止污垢形成或經(jīng)常清除污垢；（3）加大流速，提高湍動程度，減少層流內(nèi)層的厚度均有利于提高對流傳熱系數(shù)。第六節(jié) 換熱器換熱器的分類：按用途分：加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器等按傳熱方式分：間壁式、直接接觸式或混合式、蓄熱式按換熱器結(jié)構(gòu)和傳熱面形式對間壁式換熱器分類：管式、板式、擴展表面式。管式換熱器：蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，板式換熱器：板式、螺旋板式、夾套式等擴展表面式換熱器：板翅式和管翅式等t1t

35、2T1T2一、間壁式換熱器結(jié)構(gòu)：兩直徑不同的同心管組成特點：結(jié)構(gòu)簡單、耐高壓、制造方便、使用靈活。金屬消耗量大，占地較大。適于流量、傳熱面不大、壓力高的場合應(yīng)用: 流量不大、所需傳熱面亦不大、高壓的場合。1、套 管 式 換 熱 器2 蛇管式換熱器沉浸式結(jié)構(gòu)：蛇管+大容器特點：簡單靈活應(yīng)用：控溫反應(yīng)噴淋式結(jié)構(gòu)：蛇管+噴管沉浸式蛇管換熱器特點：簡單、占地大應(yīng)用：醬油滅菌噴淋式蛇管換熱器蛇管蛇形套管3、列 管 式 換 熱 器結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板（又稱花板）、封頭（端蓋）、折流板等。管程：管內(nèi)流體的行程；殼程：管外流體的行程。特點：制造成本低，適應(yīng)性強，適于高壓，維修方便。易泄漏。擋板管束端蓋殼體管板4、板式換熱器1）平 板 式 換 熱 器結(jié)構(gòu)：板片(槽形、波紋形)，機架，通道特點：K大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱面積大；操作靈活；熱損小。壓力低，操作溫度不能太高；處理量不大，流速小。應(yīng)用：廣泛。滅菌2）螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)：卷板、殼體、通道特點：結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱面積大，K較大，操作壓力和溫度不能太高，流體阻力大，不易檢修。昂貴。3）夾 套 式 換 熱 器結(jié)構(gòu)：容器、夾套特點：結(jié)構(gòu)簡單，適于傳熱量不大的場合。應(yīng)用：浸提、反應(yīng)器的加熱或冷卻攪拌器蒸汽夾套冷凝水4) 板翅式換熱器在兩塊平行薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀或其他形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組成為一個單元體。各個單元體又以不同的疊