化工原理下冊第四章 傳熱

1第四章傳熱24.1概述4.1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應用4.1.2傳熱的三種基本方式4.1.3冷熱流體的接觸方式4.1.4熱載體及其選擇4.1.5間壁式換熱器的傳熱過程34.1概述4.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應用

熱力學第二定律：只要存在溫度差，熱量會自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向：傳熱極限：傳熱推動力：高溫→低溫溫度相等溫度差傳熱應用：科研、生產(chǎn)、生活4加熱或冷卻換熱保溫

強化傳熱過程削弱傳熱過程

56根據(jù)機理的不同，傳熱有三種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。傳熱過程可依靠其中的一種或幾種方式同時進行。

（一）熱傳導

熱傳導又稱導熱，是借助物質(zhì)的分子或原子振動以及自由電子的熱運動來傳遞熱量的過程。當物質(zhì)內(nèi)部在傳熱方向上無質(zhì)點宏觀遷移的前提下，只要存在溫度差，就必然發(fā)生熱傳導?？梢姛醾鲗Р粌H發(fā)生在固體中，同時也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。

在靜止流體內(nèi)部以及在作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱，是憑借流體分子的振動碰撞來實現(xiàn)的，換言之，這兩類傳熱過程也應屬于導熱的范疇。導熱過程的特點是：在傳熱過程中傳熱方向上無質(zhì)點塊的宏觀遷移。4.1.2傳熱的三種基本方式

1t12t2’QQ’層流7（二）熱對流

熱對流是利用流體質(zhì)點在傳熱方向上的相對運動來實現(xiàn)熱量傳遞的過程，簡稱對流。根據(jù)造成流體質(zhì)點在傳熱方向上的相對運動的原因不同，又可分為強制對流和自然對流。若相對運動是由外力作用引起的，則稱為強制對流。如傳熱過程因泵、風機、攪拌器等對流體做功造成傳熱方向上質(zhì)點塊的宏觀遷移。若相對運動是由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點發(fā)生相對運動的，則稱為自然對流。

8（三）熱輻射熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進行傳送，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鴮崿F(xiàn)傳熱。根據(jù)赫爾－波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時有接受電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對溫度的4次方成正比。94.1.3冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式主要特點：冷熱兩種流體間的熱交換，是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過程實現(xiàn)的。優(yōu)點：傳熱速度快、效率高，設備簡單，是工業(yè)換熱器的首選類型。典型設備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器適用范圍：無價值的蒸氣冷凝，或其冷凝液不要求是純粹的物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場合。廢蒸氣冷水熱水10

二、蓄熱式優(yōu)點：結(jié)構較簡單耐高溫缺點：設備體積大有一定程度的混合低溫流體高溫流體11三、間壁式

傳熱面為內(nèi)管壁的表面積

套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T212列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積

熱流體T1T2冷流體t1t2134.1.4熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等

用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等

冷卻溫度30C水加熱溫度180C飽和水蒸氣14熱負荷Q’：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時，吸收或放出的熱量，單位J/s或W。傳熱速率Q：熱流量，單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。熱流密度q：熱通量，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。4.1.5間壁式換熱器的傳熱過程一、基本概念15非穩(wěn)態(tài)傳熱

二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱

式中 A──總傳熱面積，m2。16三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體熱流體冷流體17穩(wěn)態(tài)傳熱：184.2熱傳導4.2.1有關熱傳導的基本概念4.2.2傅立葉定律4.2.3導熱系數(shù)4.2.4通過平壁的穩(wěn)定熱傳導4.2.5通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導194.2.1有關熱傳導的基本概念式中 t──某點的溫度，℃；

x,y,z──某點的坐標；──時間。溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。

(1)溫度場和等溫面20不穩(wěn)定溫度場

穩(wěn)定溫度場

等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。

不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1>t2等溫面Q21(2)溫度梯度

t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正一維穩(wěn)定熱傳導224.2.2傅立葉定律

式中dQ──熱傳導速率，W或J/s；

dA──導熱面積，m2；t/n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。23

負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反

表征材料導熱性能的物性參數(shù)

越大，導熱性能越好

用熱通量來表示

對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導

24(2)是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。4.2.3導熱系數(shù)

(1)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。

=f(結(jié)構,組成,密度,溫度,壓力）(3)各種物質(zhì)的導熱系數(shù)金屬固體

>非金屬固體

>液體

>氣體

258幾種氣體的導熱率412653t/℃072004006001000800165432λ×102/(Wm-1℃－1）1－水蒸氣2－氧氣3－二氧化碳4－空氣5－氮氣6－氬氣幾種氣體的熱導率：260161026242012各種液體的導熱率水115141312111098765432λ×85.98/(Wm-1℃－1）t/℃λH2O×85.98/(Wm-1℃－1）475153555759491－無水甘油2－蟻酸3－甲醇4－乙醇5－蓖麻油6－苯胺7－醋酸8－丙酮9－丁醇10－硝基苯11－異丙苯12－苯13－甲苯14－二甲苯15－凡士林油2060100140幾種液體的熱導率：27

物質(zhì)熱導率的大致范圍

物質(zhì)種類熱導率純金屬100~1400

金屬合金50~500液態(tài)金屬30~300非金屬固體0.05~50

非金屬液體0.5~5絕熱材料0.05~1

氣體0.005~0.50.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空氣甲烷二氧化碳苯（氣態(tài)）硅藻土冰水硅磚粘土耐火磚鎂磚鋁（液體）高合金鋼合金鋼低碳鋼鉀（液體）鋅（液體）鋼（液體）鋅（固體）銅鋁溫度K不同物質(zhì)導熱系數(shù)隨溫度變化的比較導熱系數(shù)λw/mK28在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0,──0℃,t℃時的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)。對大多數(shù)金屬材料a<0，t

對大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

1)固體

金屬：純金屬>合金非金屬：同樣溫度下，越大，越大。292)液體

金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。

t

（除水和甘油）3)氣體

一般來說，純液體的大于溶液

t

氣體不利用導熱，但可用來保溫或隔熱。30

4.2.4通過平壁的穩(wěn)定熱傳導

一、通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導

假設：(1)A大，b?。?2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。t1t2btxdxQxQx+dx31取dx的薄層，作熱量衡算：

對于穩(wěn)定溫度場

傅立葉定律：

邊界條件為：

32得：

設不隨t而變

式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

A──平壁的面積，m2；

b──平壁的厚度，m；

──平壁的導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──平壁兩側(cè)的溫度，℃。33討論：

2．分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1．可表示為推動力：熱阻：為34

不隨t變化，

t～x成呈線形關系。3．當隨t變化時若隨t變化關系為：則t～x呈拋物線關系。

如：1～t1，2～t235

二、通過多層平壁的穩(wěn)定熱傳導

假設：(1)A大，b??；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。(4)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t336推廣至n層：

37三、各層的溫差

思考：厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，哪一層熱阻最大，說明各層的大小排列。t1t2t3t431238例：

某平壁燃燒爐是由一層耐火磚與一層普通磚砌成，兩層的厚度均為100mm，其導熱系數(shù)分別為0.9W/（m·℃）及0.7W/（m·℃）。待操作穩(wěn)定后，測得爐膛的內(nèi)表面溫度為700℃，外表面溫度為130℃。為了減少燃燒爐的熱損失，在普通磚外表面增加一層厚度為40mm、導熱系數(shù)為0.06W/（m·℃）的保溫材料。操作穩(wěn)定后，又測得爐內(nèi)表面溫度為740℃，外表面溫度為90℃。設兩層磚的導熱系數(shù)不變，試計算加保溫層后爐壁的熱損失比原來的減少百分之幾？解：加保溫層前單位面積爐壁的熱損失為（Q/S）139此時為雙層平壁的熱傳導，其導熱速率方程為：

W/m2加保溫層后單位面積爐壁的熱損失為

此時為三層平壁的熱傳導，其導熱速率方程為：

40故加保溫層后熱損失比原來減少的百分數(shù)為：

41

4.2.5通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導

一、通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導

假定：

一維穩(wěn)定溫度場42取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：對于穩(wěn)定溫度場

傅立葉定律

43邊界條件

得：設不隨t而變

式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；

r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。44討論：1．上式可以為寫對數(shù)平均面積452．

3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r成對數(shù)曲線變化(假設不隨t變化)464．平壁：各處的Q和q均相等；圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。

二、通過多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導47對于n層圓筒壁：

式中q1,q2,q3分別為半徑r1,r2,r3處的熱通量。48接觸熱阻

接觸熱阻多層平壁相接時在接觸界面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面必增加傳導的熱阻。此項附加熱阻稱為接觸熱阻，R，W/(m2·℃)。Q=△t/（R1+R2+R）49小結(jié)：1、熱傳導△t=t1-t2

熱阻：R=b/λA2、推動力與阻力的加和性3、推動力與熱阻的分配Q1=△t1/R1Q2=△t2/R2Q3=△t3/R3△t1：△t2：△t3=R1：R2：R3作業(yè)：13504.3對流傳熱一、自然對流與強制對流1、自然對流加熱前：Pa=Pb=ρgl+pa加熱后：ta>tbρa<ρb設：ρb=ρρa=ρ/(1+β△t)β——膨脹系數(shù)lab51Pb=ρgl+paPa=ρgl/((1+β△t)+pa△P=ρgl-ρgl/(1+β△t)=ρgl(1-1/(1+β△t))=ρglβ△t/(1+β△t)≈ρglβ△t環(huán)流速度：uu2/2g∝△P/ρgu∝(lβ△t)1/2524.3.1對流傳熱過程分析dAt2G1，T1G2，t1T253dtA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體層流底層溫度梯度大，熱傳導方式湍流核心溫度梯度小，對流方式過渡區(qū)域熱傳導和對流方式544.3.2對流傳熱速率——牛頓冷卻定律流體被冷卻：式中 Q──對流傳熱速率，W；──對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Tw,tw──壁溫，℃；

T,t──流體平均溫度，℃；

A──傳熱面積，m2。流體被加熱：

55式中

t──總有效膜厚度；

e──湍流區(qū)虛擬膜厚度；

──層流底層膜厚度。下面來推導牛頓冷卻定律建立膜模型：流體被冷卻：tTTWtWt561.牛頓冷卻定律是一種推論，假設Q∝t。

2.復雜問題簡單化表示。推動力：阻力：574.3.3影響對流傳熱系數(shù)的因素1.引起流動的原因自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。

強

>自

2.流體的物性

，，，cp

585.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變

>無相變4.傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。3.流動形態(tài)層流、湍流湍

>層

594.3.4對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式的建立一、因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速?；疽虼危洪L度L，時間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。＝f(u，l，，，cp，，gt)60

Nusselt待定準數(shù)Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱的影響Prandtl，流體物性對對流傳熱的影響Grashof，自然對流對對流傳熱的影響61物理意義：Nu=αl/λ=α/（λ/l）=αA△t/λA（△t/l）

=Q對流/Q傳導對流傳熱與熱傳導的比值u∝(ρglβ△t)1/2Gr∝（ulρ/μ）2圓管：l=dGr∝（Re）2自然對流環(huán)流對傳熱的貢獻62一、流體在管內(nèi)的強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>604.3.5無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流63

特征尺寸為管內(nèi)徑di

流體被加熱時，k＝0.4；被冷卻時，k＝0.3。注意事項：定性溫度取64強化措施：

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體65以下是對上面的公式進行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di66(2)l/d<60(3)過渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管內(nèi)67(5)非圓形管強制湍流1)當量直徑法2)直接實驗法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：

12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17

其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計算，u不同de,要用實際的流通面積計算68有一列管式換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由20℃被加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進行加熱。試求管壁對苯的傳熱系數(shù)。當苯的流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化。解：苯在平均溫度℃下的物性可由附錄查得：密度ρ=860kg/m3；比熱容cp=1.80kJ/（kg·℃）；粘度μ=0.45mPa·s；導熱系數(shù)λ=0.14W/（m·℃）。加熱管內(nèi)苯的流速為69m/s

70W/（m2·℃）若忽略定性溫度的變化，當苯的流量增加一倍時，給熱系數(shù)為α′

W/（m2·℃）

71特點：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導致速度分布受熱流方向影響。

2）層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴重使得對流傳熱系數(shù)提高。

3）層流要求的進口段長度長，實際進口段小時，對流傳熱系數(shù)提高。

2.圓形管內(nèi)強制層流72熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊?3適用范圍：當：定性溫度：74

二、管外強制對流

a)流體橫向流過單管A

流體橫向流過單根圓管外時流動情況75表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布1）低雷諾數(shù)（70800~101300）φ=0-80°，層流邊界層厚度增大使α↓，φ>80°，邊界層分離，使α

↑，有一個最低點。

2）高雷諾數(shù)（140000~219000）有兩個最低點：

N01：φ=70-80°，層流邊界層→湍流邊界層；

N02：φ=140°（分離點），發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流體橫向流過圓管時局部努塞爾數(shù)的變化Reф=2190001860001400001013007080017000076常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑77

◆

管束的排列方式直列（正方形）、錯列（正三角形）b)流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意78x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意79直列第一排管直接沖刷；第二排管不直接沖刷；擾動減弱第二排管以后基本恒定。錯列第一排管錯列和直列基本相同；

第二排管錯列和直列相差較大，阻擋減弱，沖刷增強；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d80◆

各排管α的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ錯列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）81

可以看出，錯列傳熱效果比直列好?！魝鳠嵯禂?shù)的計算方法

任一排管子：C、ε、n

取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：管外徑適用范圍：82

c)流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器

圓缺折流板管板83折流擋板：

殼程流體的流動方向不斷改變，較小Re（Re=100），即可達到湍流。缺點：流動阻力↑，殼程壓降↑的重要因素。作用：●提高湍動程度，↑α，強化傳熱；●加固、支撐殼體。

圓缺折流板示意圖管板8410102103104101021管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算曲線ReRePr有折流擋板時殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：85擋板切割度：25%D。特征尺寸：流道的當量直徑。正方形排列d0t也可采用關聯(lián)式：86正三角形排列流速的確定：按最大流通截面(最小流速)計算。

DS1S2B

說明：無折流板時，流體平行流過管束，按管內(nèi)公式計算，特征尺寸為當量直徑。d0t87三、大空間的自然對流傳熱

注意：c,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關。定性溫度：膜溫特征尺寸：垂直的管或板為高度水平管為管外徑88一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝4.3.6有相變時的對流傳熱系數(shù)滴>膜

892.冷凝過程的熱阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外徑do定性溫度：膜溫

90湍流2）豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

914．冷凝傳熱的影響因素和強化措施1)流體物性冷凝液

,

；冷凝液,；潛熱r

,

2)溫差液膜層流流動時，t=ts－tW，,3)不凝氣體

不凝氣體存在，導致，定期排放。4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時，；反向時，；u925)蒸汽過熱包括冷卻和冷凝兩個過程。6)冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列93沸騰種類1）大容積沸騰

2）管內(nèi)沸騰1.汽泡產(chǎn)生的條件問題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？過熱度：t=tW－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細小凹縫處汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層

二、液體沸騰942.沸騰曲線

1）自然對流階段t<5C2）

核狀沸騰階段

25C>t>5C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰

25C>t>5C工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰250C>t>25C優(yōu)點：大，tW小95氣泡的產(chǎn)生過程963、沸騰傳熱的影響因素及強化措施1）液體的性質(zhì)強化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）2）溫差在核狀沸騰階段溫差提高，

3）操作壓強974）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大強化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒98994.4傳熱過程的計算4.4.1熱量衡算4.4.2總傳熱速率微分方程與總傳熱系數(shù)4.4.3平均溫差法與總傳熱速率方程4.4.4傳熱計算示例100冷流體t1t2熱流體T1T2對整個換熱器做熱量衡算Q熱──熱流體放出的熱量，Ｗ；Q冷──冷流體吸收的熱量，Ｗ；4.4.1熱量衡算101式中Ｗh,Ｗc──熱冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；Ｉh１,Ｉh2──熱流體的進出口焓，KJ/kg；

Ｉc1,Ｉc2──冷流體的進出口焓，KJ/kg。如果：冷熱流體在換熱過程無相變，冷熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。102cpc——冷流體平均的比熱容，kJ/kg·℃。cph——熱流體平均的比熱容，kJ/kg·℃。T１,T2──熱流體的進出口溫度，℃；t1,t2──冷流體的進出口溫度，℃。103如果：熱流體有相變，冷流體無相變，冷熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。熱流體冷凝液在飽和溫度下離開換熱器熱流體冷凝液在低于飽和溫度下離開換熱器式中r

熱──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；

TS──熱流體的飽和溫度，℃。104如果：冷流體有相變，熱流體無相變，熱流體比熱容可取平均溫度下的比熱容。式中r

冷──冷流體的汽化潛熱，kJ/kg；

tS──冷流體的飽和溫度，℃；

c’pc——冷流體發(fā)生相變后的比熱容，kJ/kg·℃。如果：冷熱流體均發(fā)生相變,出口溫度均為操作條件各自的飽和溫度。105例：某換熱器用120kPa的飽和水蒸汽加熱糖液，糖液走管內(nèi)，蒸汽在管外冷凝為飽和溫度下的液體，糖液流量為20×103kg/h，從55℃被加熱至85℃。若設備的熱損估計為5%，求糖液吸收的熱量及加熱蒸汽的耗用量。糖液的的平均比熱容cp為3.894kJ/(kg·℃),120kPa的飽和水蒸汽的汽化潛熱為r=2246.8kJ/kg。106解：107小結(jié)：熱量衡算解決的問題1、計算冷熱交換的熱量2、載熱體的量3、載熱體進出口溫度熱量衡算不能解決的問題之一換熱面積的確定？108一、總傳熱速率微分方程dS

熱流體冷流體

4.4.2總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)109熱流體twTw對流傳熱對流傳熱導熱t(yī)TdS熱流體冷流體Q固體壁面一側(cè)固體壁面另一側(cè)另一側(cè)固體壁面一側(cè)冷流體110（3）管內(nèi)對流（1）管外對流（2）管壁熱傳導對于穩(wěn)定傳熱

111式中K——局部總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。112總傳熱速率微分方程1）．當傳熱面為平面時，dS=dSo=dSi=dSm1、K的計算2、總傳熱系數(shù)1132）．以外表面為基準(dS=dSo):

114Ko——以換熱管的外表面為基準的總傳熱系數(shù)；

dm——換熱管的對數(shù)平均直徑。以內(nèi)表面為基準：以壁表面為基準：115

Ro、Ri——傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻，m2·℃/W。3）、考慮污垢熱阻的K的計算1/K值的物理意義116流體種類污垢熱阻m2·℃/W流體種類污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.00009

有機蒸汽0.0002

河水0.0006

水蒸氣(不含油)0.0001

井水0.00058

水蒸氣廢氣(含油)0.0002

蒸餾水0.00009

制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058

空氣0.0003

經(jīng)處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004

多泥沙的水0.0006

天然氣0.002鹽水0.0004

焦爐氣0.002污垢熱阻的大致數(shù)值1171）、列管換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)流體種類總傳熱系數(shù)KW/(m2·℃))水—氣體12~280水—水410~1160水—煤油350左右水—有機溶劑280~850氣體—氣體12~35飽和水蒸氣—水610左右飽和水蒸氣—氣體30~300飽和水蒸氣—油60~350飽和水蒸氣—沸騰油290~8702）、K的實驗測定2、獲取K值的其他途徑：118【例】熱空氣在冷卻管管外流過，αo=50W/（m2·℃），冷卻水在管內(nèi)流過，αi=1000W/（m2·℃）。冷卻管外徑do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁的λ=40W/（m·℃）。試求：①總傳熱系數(shù)Ko；②管外對流傳熱系數(shù)αo增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？③管內(nèi)對流傳熱系數(shù)αi增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？119W/（m2·℃）

可見管壁熱阻很小，通?？梢院雎圆挥?。

解：120②

傳熱系數(shù)增加了89.4%。

③

傳熱系數(shù)只增加了3.2%，說明：K<o,K<i

提高較小的αo值K值提高較大。1213、增大K途徑分析管壁和污垢熱阻可忽略,傳熱面為平壁或薄壁時提高較小一側(cè)有效，K提高若αo與i相差不大，必須同時提高兩側(cè)的，K提高

提高的方法(無相變)：增大流速管程：多管程，增大管內(nèi)流體u，提高管內(nèi)的殼程：折流檔板，增大殼程流體的湍動，提高殼程的122管內(nèi)加擾流元件插入物是麻花鐵、螺旋圈、金屬絲片等。防止結(jié)垢和及時清除垢阻采用短管換熱器1234.4.3.平均溫度差法和總傳熱速率方程假定：⑴穩(wěn)態(tài)傳熱、穩(wěn)態(tài)流動過程，冷熱流體質(zhì)量流量不變；⑵兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變；(3)熱損失忽略不計；(4)總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，不沿傳熱表面變化。124一、恒溫傳熱二、變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關Q=KS(T-t)=KS△t△t1△t2T1T2tt125逆流并流錯流折流熱流體T1冷流體t1t2T2126單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—擋板127雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板

1281、逆流和并流時的tmt2t1T1T2t2tAt1T2T1逆流:129并流:t1t2T1T2t2tAt1T2T1130ψ稱為溫差修正系數(shù)，表示為P和R兩參數(shù)的函數(shù)式中式(7.2-23)表示的溫差修正曲線繪于圖7-5(a)、(b)和(c)中。錯流或折流時的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據(jù)流動型式加以修正131溫差修正系數(shù)ψ＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，換熱器設計時ψ值不應小于0.8，否則不經(jīng)濟。增大ψ的一個方法就是改用多殼程。132以逆流為例推導冷流體t1，Wct2T2熱流體T1，Wh133t20QT2t1△t1T1△t2134——總傳熱速率方程式中K——平均總傳熱系數(shù)；

tm——平均溫度差，℃。

W/（m2·℃）

135例：某換熱器在并流和逆流時，熱流體的溫度都從90℃冷卻到70℃，冷流體都由20℃被加熱到60℃。試比較并流和逆流時的平均溫差。t2tAt1T2T1熱流體：90℃70℃20℃60℃冷流體：℃解：并流136逆流：t2tAt1T2T1熱流體：90℃70℃60℃20℃冷流體：℃137

【例4-1】在雙管程列管式換熱器中用0.3MPa(表壓)的飽和蒸汽將流量為2000kg/h的某溶液從20℃加熱至80℃，溶液走管程，蒸汽走殼程，冷凝水于飽和溫度下排出，換熱器內(nèi)裝有46根φ25×2.5mm的管子，已知溶液的比熱CP=2.8kJ/(kg·K)，密度r=850kg/m3，總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·K),傳熱溫差近似取為蒸汽的飽和溫度與溶液的平均溫度之差，溶液的平均溫度取為進、出口溫度的算術平均值。忽略換熱器的熱損失，試確定：

⑴溶液在管內(nèi)的流速；⑵蒸汽的消耗量；⑶換熱管的長度。138解：⑴溶液的體積流量：管程流通截面積：管內(nèi)平均流速：

⑵查得表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝潛熱r=2140kJ/kg,蒸汽消耗量139⑶表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝溫度ts=142.9℃,傳熱溫差：根據(jù)傳熱速率方程換熱管長度：140【例4-5】在套管換熱器中用20℃的冷卻水將某溶液從100℃冷卻至60℃，溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為3.5kJ/(kg·℃)，已測得水出口溫度為40℃，試分別計算并流與逆流操作時的對數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。141解：逆流和并流的平均溫差分別是：傳熱負荷為：逆流操作和并流操作時換熱器的面積分別是：142例143144145146作業(yè)：6710121474.4.4壁溫的計算穩(wěn)態(tài)傳熱

1．大，即b/Am小，熱阻小，tW=TW148TW接近于T，即大熱阻小側(cè)流體的溫度。

3．兩側(cè)有污垢

2．當tW=TW，得

2023/1/151491.設計型計算已知：qm1、T1、T2（生產(chǎn)任務），t1、qm2等求：傳熱面積A或校核換熱器是否合適步驟

:（1）計算熱負荷；（2）計算tm；（3）計算1、2及K；（4）計算A若A實

>A計

或Q換>Q需要，換熱器合適。2023/1/15150二、操作型計算（1）已知：換熱器A，qm1、T1，qm2

、t1

求：出口T2、t2（2）已知：換熱器A，qm1、T1，T2

、t1

求：qm2、

t2注意：列管式換熱器中流通面積傳熱面積151一、傳熱效率最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：4.4.5傳熱效率～傳熱單元數(shù)法152熱容流量：Wcp

由熱量衡算得最小值流體可獲得較大的溫度變化最小值流體：熱容流量最小的流體為最小值流體。153二、傳熱單元數(shù)154傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)的意義：熱流體溫度的變化相當于平均溫度差的倍數(shù)。同理：155三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關系根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程導出：逆流：并流：156逆流：并流：157在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進口溫度為110℃；水的流量為0.667kg/s，進口溫度為35℃。油和水的平均比熱容分別為1.9kJ/(kg·℃)及4.18kJ/(kg·℃)。換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/（m2·℃）試求水的出口溫度及傳熱量。解：本題用ε－NTU法計算。

Whcph=2.85×1900=5415W/℃

Wccpc=0.667×4180=2788W/℃故水（冷流體）為最小熱容量流體。

158

查圖4-27得ε=0.73。因冷流體為最小熱容量流率流體，故由傳熱效率定義式得

解得水的出口溫度為t2=0.73(110－35)+35=89.8℃換熱器的傳熱量為kW2023/1/15159一、基本概念1.輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2.熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。特點：能量形式的轉(zhuǎn)換不需要任何介質(zhì)第五節(jié)熱輻射2023/1/15160QQQNQ能量守恒定律：

——吸收率A

——反射率R

——穿透率

D

3.物體對熱輻射的作用總能量Q；被物體吸收Q

；被反射Q

；穿過物體Q

2023/1/15161

黑體：白體(鏡體)：透熱體：灰體：以相同的吸收率吸收所有波長輻射能的物體固體、液體：D=0A+R=1

氣體：R

=0A+D=1A=1R=1D=12023/1/15162二、物體的輻射能力物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能(波長從0到),E表示,W/m2──黑體輻射常數(shù),5.669×10-8W/(m2.K4)（一）黑體斯蒂芬-波爾茨曼定律四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感Cb──黑體輻射系數(shù),5.669W/(m2.K4)2023/1/15163（二）實際物體黑度：

<1

=f(物體的種類、表面溫度、表面狀況)C——灰體的輻射系數(shù)，C=Cb是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度

——實驗測定2023/1/15164（三）克?；舴蚨蓪殷w:熱交換達到平衡時T1=T2,q=0任意物體:T1>T2A1

A

2=1E1Eb（1-A1）EbA1Eb

Ⅰ灰體

Ⅱ黑體

克希霍夫定律2023/1/15165結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強，其吸收率越大（2）A=

同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等（3）A＜１，E＜Eb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大2023/1/15166（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相互輻射①兩面積無限大的平行平板②兩平面有限大的平行平板2023/1/15167③一物體被另一物體包圍若外圍為黑體，1=1

或A2》A1，則C1-2=C1=Cb12023/1/15168

1.溫度的影響

ＱT4；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式

2.幾何位置的影響

3.表面黑度的影響

Ｑ，可通過改變大小強化或減小輻射傳熱

4.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（小熱屏）（二）影響輻射傳熱的主要因素2023/1/15169五、高溫設備及管道的熱損失對流：

輻射：

令=1

總熱損失：

T——對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)2023/1/15170（1