食品工程原理第二章傳熱

關(guān)于食品工程原理第二章傳熱第1頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2主要內(nèi)容1概述2熱傳導(dǎo)3對流傳熱概述4穩(wěn)定傳熱計算5

熱輻射6

換熱器第2頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日3重點難點了解熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的基本概念；掌握導(dǎo)熱、對流換熱的基本規(guī)律及計算方法；熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點；掌握穩(wěn)定綜合傳熱過程的計算；了解并掌握強化傳熱和熱絕緣的措施。第3頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日4第一節(jié)概述傳熱又稱熱傳遞，指物體之間或物體內(nèi)部因溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移。傳熱的推動力溫度差傳熱的方向高溫向低溫第4頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日傳熱在食品工程中的應(yīng)用具體應(yīng)用：

(1)一般的加熱、冷卻、冷凝過程；

(2)食品的殺菌和保藏；

(3)蒸發(fā)濃縮、干燥、結(jié)晶(通過加熱去除水分)；

(4)蒸煮、焙烤(通過加熱使食品完成一定的生化反應(yīng))。食品生產(chǎn)過程對傳熱的要求：

強化傳熱(加熱或冷卻物料)

削弱傳熱(設(shè)備和管道的保溫)第5頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日傳熱的基本方式

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)；熱對流(convection)；熱輻射(radiation)。第6頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日7

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）相互接觸的物質(zhì)之間靜止的物質(zhì)內(nèi)部層流流動的物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生在第7頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日82.熱對流

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（或風機）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對流。

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。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。第8頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日9

流體流過固體表面時發(fā)生傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對流傳熱(又稱為給熱)。熱對流與對流傳熱對流傳熱注意：熱對流和對流傳熱是兩個不同的概念。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。熱對流第9頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日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。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)（可在真空中傳播）。

任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。

實際上，上述三種傳熱方式很少單獨出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。第10頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日11第二節(jié)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念傅里葉定律通過平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第11頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日12（一）熱傳導(dǎo)的基本概念溫度場等溫面溫度梯度第12頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日1、溫度場溫度場(temperaturefield)：某一瞬間空間中各點的溫度分布，稱為溫度場(temperaturefield)。

式中：t——溫度（℃或K）；

x,y,z——空間坐標；

τ——時間（S）。

物體的溫度分布是空間坐標和時間的函數(shù)，即

t=f(x，y，z，τ)第13頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

一維溫度場：若溫度場中溫度只沿著一個坐標方向變化。一維溫度場的溫度分布表達式為：

t=f(x,τ)對于一維的穩(wěn)定傳熱有：t=f(x)不穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)各點溫度隨時間而改變。

相應(yīng)的傳熱稱為非定態(tài)熱傳導(dǎo)。穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)各點溫度不隨時間而改變。

相應(yīng)的傳熱稱為穩(wěn)定傳熱溫度場

t=f(x，y，z)食品工業(yè)中大部分情況下的連續(xù)生產(chǎn)均為穩(wěn)定傳熱特點：通過某傳熱表面的傳熱速率為常量第14頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日等溫面的特點：（1）等溫面不能相交；（2）沿等溫面無熱量傳遞。t1t2t1>t2等溫面Q等溫面：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。對于等溫面x和x+Δx的溫度分別為t(x,τ)和t(x+Δx,τ)，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為：t(x+Δx,τ)－t(x,τ)Δx2、等溫面第15頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日3、溫度梯度溫度梯度是一個向量：方向垂直于該點所在等溫面；以溫度增加的方向為正。一維定態(tài)熱傳導(dǎo)t+tt-ttnQdA第16頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日17（二）傅立葉定律公式熱通量溫度梯度與傅里葉定律導(dǎo)熱系數(shù)第17頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：單位時間內(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，即式中Q——傳熱速率，單位時間傳導(dǎo)的熱量，w

A——導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2λ——導(dǎo)熱率（導(dǎo)熱系數(shù)），W/(m·k)式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向相反。

或1、公式第18頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日q:熱通量(熱流密度)，W/m2對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

2、熱通量根據(jù)傅里葉定律，單位時間內(nèi)單位傳熱面積傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度也成正比，因此傅里葉定律又可表示為：第19頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日ndAQt+△ttt-△t?t/?n圖溫度梯度和傅立葉定律3、溫度梯度和傅立葉定律第20頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日λ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，其值與物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強有關(guān)。由實驗測得。一般金屬（固體）的導(dǎo)熱系數(shù)>非金屬（固體）>液體>氣體表2-1物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級4、導(dǎo)熱系數(shù)單位：W/(mK)物質(zhì)種類氣體液體非導(dǎo)固體金屬絕熱材料λ，w/(m·k)0.006～0.60.07～0.70.2～0.315～240＜0.25第21頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日多數(shù)固體λ與溫度的關(guān)系

λ=k0+k×t單位：W/(mK)

k0--0℃下的導(dǎo)熱系數(shù)

k為經(jīng)驗常數(shù)。

對大多數(shù)金屬材料，其k值為負值；對非金屬材料則為正值。第22頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日對于金屬固體t↑、λ↓(通過自由電子的運動)

對于非金屬固體t↑、λ↑(通過靠晶格結(jié)構(gòu)的振動)

對于金屬液體t↑、λ↓(通過靠晶格結(jié)構(gòu)的振動)

對于非金屬液體t↑、λ略減小。

對于氣體t↑、λ↑(通過分子不規(guī)則熱運動)λ隨壓力變化不大。只有當系統(tǒng)的壓力P滿足200Mpa≤

P≤3kpa時，λ隨壓力的降低而降低；達到真空時λ約為0，保溫瓶夾層抽真空就是此道理。第23頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日（三）平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)多層平壁的熱傳導(dǎo)第24頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日如圖所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b，壁面積為A；壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)λ不隨溫度變化，視為常數(shù)；平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化，故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面。平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定。1、單層平壁的熱傳導(dǎo)第25頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

式中Δt=t1-t2為導(dǎo)熱的推動力(drivingforce)，而R=b/λA則為導(dǎo)熱的熱阻(thermalresistance)。

根據(jù)傅立葉定律

分離積分變量后積分，積分邊界條件：當x=0時，t=t1；x=b時，t=t2，第26頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日將上式推而廣之，則傳遞過程的普遍關(guān)系式為：

過程傳遞速率=過程的推動力/過程的阻力。

(對傳熱，傳質(zhì)，動量傳遞“三傳”均適用）當λ為常數(shù)，單層平壁內(nèi)溫度分布為直線當λ隨溫度變化時，單層平壁內(nèi)溫度分布為曲線。第27頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例：某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度t1為1650℃，外表面溫度為300℃，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.815+0.0076t（式中t的單位為℃，λ的單位為W/m·℃）。若將導(dǎo)熱系數(shù)按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）計算時，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。第28頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日解：導(dǎo)熱系數(shù)按照常量計算

平壁的平均溫度為tm=(t1+t2)/2=(1675+300)/2=975℃平壁材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)為

λm=0.815+0.00076×975=1.556W/(m·℃)由式可求得導(dǎo)熱熱通量為：q=λ/b(t1-t2)=1.556/0.37*(1650-300)=5677W/m2

第29頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日如圖所示：以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為b1，b2，b3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為λ1，λ2，λ3，皆視為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面。壁的面積為A，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，穿過各層的熱量必相等。2、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第30頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日第一層第三層第二層對于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：Q1=Q2=Q3=Q第31頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日同理，對具有n層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為式中i為n層平壁的壁層序號。第32頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日33

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。t1t2t2t4t3溫差與熱阻的關(guān)系：各層的溫差與熱阻成正比，溫差越大，熱阻越大。第33頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日34影響因素：接觸材料的種類及硬度接觸面的粗糙程度接觸面的壓緊力空隙內(nèi)的流體性質(zhì)接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計接觸熱阻接觸熱阻兩個名義上互相接觸的固體表面，實際上接觸僅僅發(fā)生在一些離散的面積元上，在未接觸的界面之間的間隙常常充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱的方式穿過這種氣隙層，這種情況與固體表面完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱為接觸熱阻。第34頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例1：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·k，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.04w/m·k，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。第35頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例1解：根據(jù)題意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。按熱流密度公式計算q：按溫度差分配計算t2、t3℃℃第36頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日（四）圓筒壁的熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第37頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日Qt2t1r1rr2drL如圖所示：設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1，內(nèi)壁溫度為t1，外半徑為r2，外壁溫度為t2。溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其面積隨半徑而變化。在半徑r處取一厚度為dr的薄層，若圓筒的長度為L，則半徑為r處的傳熱面積為A=2πrL。1單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第38頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日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)的熱量為第39頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日討論：（1）上式可以寫為對數(shù)平均面積（2）第40頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日（3）圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r呈對數(shù)關(guān)系變化（4）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卻不等第41頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日r1r2r3r4t1t2t3t4根據(jù)熱量守恒定律，穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中通過各層的導(dǎo)熱速率相等。如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ1，λ2，λ3皆視為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。2、多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第42頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算，可參照多層平壁。對于第一、二、三層圓筒壁有第43頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得

同理，對于n層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為

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，但是熱通量卻不相等。第44頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例1內(nèi)徑為25.4mm，外徑為50.8mm的不銹鋼管，其熱導(dǎo)率為21.63W/m·K。外包厚度為25.4mm的石棉保溫層，其熱導(dǎo)率為0.2423W/m·K。管的內(nèi)壁面溫度為538℃，保溫層的外表面溫度為37.8℃，計算鋼管單位長度的熱損失及管壁與保溫層分界面的溫度。第45頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日第46頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例2在一60×3.5mm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)λ=0.07W/m·℃，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=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℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·℃。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。解：每米管長的熱損失此處，r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2第47頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日保溫層界面溫度t3解得t3=131.2℃

第48頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日493、保溫層的臨界直徑某些情況下，如小直徑管外包裹定能不好的保溫材料時，熱損失隨保溫層厚度的增加而增加，只有外半徑大于某一直徑時，才能使熱損失減少，此直徑為臨界直徑。第49頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日基本概念對流傳熱機制對流傳熱中的因次分析無相變時的對流傳熱系數(shù)有相變時的對流傳熱系數(shù)

第三節(jié)對流傳熱第50頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日對流傳熱概念對流傳熱速率方程（牛頓冷卻定律）對流傳熱系數(shù)

（一）對流傳熱的基本概念第51頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

1、對流傳熱的基本概念定義：流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時的傳熱過程稱為對流傳熱。它在化工傳熱過程(如間壁式換熱器)中占有重要的地位。流體無相變的對流傳熱①強制對流傳熱②自然對流傳熱流體有相變的對流傳熱①蒸氣冷凝②液體沸騰對流傳熱第52頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日53對流傳熱是一個熱交換過程，一種介質(zhì)以對流形式將熱量傳遞給另一種介質(zhì)。不同介質(zhì)間

熱對流是介質(zhì)自身由于溫度分布造成密度分布不均勻而形成的對流現(xiàn)象。同種介質(zhì)對流傳熱和熱對流的區(qū)別第53頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日式中

Q——對流傳熱速率，W；A——傳熱面積，m2Δt——對流傳熱溫度差，Δt=Th-Tw或Δt=t-tw，℃；

Th——熱流體平均溫度，℃；Tw——與熱流體接觸的壁面溫度，℃；

α1——對流傳熱系數(shù)(heattransferconfficient)，W/m2·K（或W/m2·℃）。上式稱為牛頓冷卻定律。

對流傳熱是指流體與固體壁面之間的傳熱，其傳熱速率由牛頓冷卻定律給出：Q=αA（Th-Tw）或2、對流傳熱速率方程（牛頓冷卻定律）dQ=αdA

⊿T第54頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日55

對流傳熱速率方程對熱流體而言：對冷流體而言：若熱流體走管內(nèi)，冷流體走管外：具體表達式：熱流體冷流體twTwtT第55頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日3、對流傳熱系數(shù)α=Q/A⊿T對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下熱通量。反映對流傳熱的快慢，α越大，表示對流傳熱越快。

對流傳熱系數(shù)不是流體的物理性質(zhì)。第56頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日57空氣中水中總之：油類中的量級第57頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日58（二）對流傳熱機制對流傳熱分析傳熱邊界層第58頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日59層流內(nèi)層緩沖層湍流核心湍流邊界層傳熱方式熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)和對流對流1.對流傳熱分析溫度梯度較大居中較小熱阻較大居中較小

對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。第59頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日60為什么層流區(qū)以熱傳導(dǎo)而非熱對流形式傳熱熱對流第60頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日不同區(qū)域的傳熱特性：湍流主體：對流傳熱溫度分布均勻?qū)恿鞯讓樱簩?dǎo)熱

溫度梯度大壁面：導(dǎo)熱，有溫度梯度傳熱邊界層：溫度邊界層。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。溫度距離TTwtwt熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體湍流主體傳熱壁面層流底層層流底層傳熱方向?qū)α鱾鳠崾疽飧邷亓黧w傳熱壁面低溫流體傳熱過程第61頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日62o2.熱邊界層

靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層圖4-14平板上的熱邊界層第62頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日若緊靠壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導(dǎo)，則傳熱速率可用傅里葉定律表示，即緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度根據(jù)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫換熱器任一截面上熱流體的平均溫度邊界層內(nèi)外側(cè)溫度差一定時，熱邊界層越薄，溫度梯度越大第63頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日α的影響因素1.流體的種類和相變化情況:2.流體的特性:3.流體的溫度4.流體的流動狀態(tài):5.流體流動的原因：6.傳熱面的形狀、位置和大小αl>αg，α相變

>α非相變a湍流

>a層流a強制對流

>a自然對流形狀：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。Re;Re;;cpcp；

第64頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日65對流傳熱分類:(從大類→小類→具體情況)對流傳熱有相變傳熱無相變傳熱冷凝傳熱沸騰傳熱自然對流強制對流管外對流管內(nèi)對流圓直管非圓管道…彎管…湍流過渡流滯流(層流)

影響對流給熱系數(shù)的因素非常多，工程上采用因次分析和實驗的方法確定不同影響因素之間的具體關(guān)系，所有這些關(guān)系式統(tǒng)稱為對流給熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。影響對流傳熱系數(shù)的因素第65頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日無相變時，影響對流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示：八個物理量涉及四個基本因次：質(zhì)量M，長度L，時間T，溫度θ。通過因次分析可得，在無相變時，準數(shù)關(guān)系式為：即(三)對流傳熱中的因次分析第66頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日準數(shù)符號及意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾特準數(shù)（Nusselt）Nu=αl/λ

表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)（Reynolds）Re=luρ/μ

確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)（Prandtl）Pr=cpμ/λ

表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)（Grashof）Gr=βgΔtl3ρ2/μ2

表示自然對流影響的準數(shù)第67頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日68強制對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關(guān)聯(lián)式自然對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關(guān)聯(lián)式具體關(guān)聯(lián)式由實驗確定，使用關(guān)聯(lián)式時應(yīng)注意以下問題。①定性溫度。各準數(shù)中的流體物性應(yīng)按什么溫度查取。②特征尺寸。Nu、Re等準數(shù)中的l應(yīng)如何確定。第68頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日特征尺寸

無因次準數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是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。例如：圓管內(nèi)的強制對流傳熱，特征尺寸L為管道內(nèi)徑，若為非圓管，則取當量直徑de。de=4×流動截面積／傳熱周邊定性溫度

流體在對流傳熱過程中溫度是變化的。確定準數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。一般定性溫度有三種取法：進、出口流體的平均溫度：tm=（t進+t出）/2（常用）壁面平均溫度:tm=twm流體和壁面的平均溫度（膜溫）:tm=(t+tw)/2準數(shù)是一個無因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度。第69頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日70（四）無相變時的對流傳熱系數(shù)圓形直管內(nèi)強制對流圓形直管內(nèi)強制層流管外強制對流第70頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

Nu=0.023Re0.8Prn

n值：流體被加熱時，n=0.4；被冷卻時，n=0.3。應(yīng)用范圍：Re>10000，0.7<Pr<120，管長與管徑比L/di>60。特性尺寸：取管內(nèi)徑定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。1.1圓形直管內(nèi)強制湍流時的對流傳熱系數(shù)

1.1.1低粘度流體

1圓形直管內(nèi)強制對流第71頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日Nu=0.027Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14應(yīng)用范圍Re>10000，0.7<Pr<16700，L/di>60。特性尺寸取管內(nèi)徑定性溫度除μw取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。當液體被加熱時（μ/μw）0.14=1.05當液體被冷卻時（μ/μw）0.14=0.95

對于氣體，不論加熱或冷卻皆取1。1.1.2高粘度流體第72頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例：常壓下，空氣以15m/s的流速在長為4m，φ60×3.5mm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：此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強制對流定性溫度t=（150+250）/2=200℃查200℃時空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄）如下

Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03931W/m.℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3

Pr=0.68特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.5>60第73頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(2.6×10-5)=2.28×104>104(湍流)Pr=cpμ/λ=(1.026×103

×2.6×10-5)/0.03931=0.68W/m2·℃本題中空氣被加熱,n=0.4代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4

=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4

=60.4第74頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日75

在過渡流時，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的計算公式計算，根據(jù)所得的α值再乘以校正系數(shù)φ，即可得到過渡流下的對流傳熱系數(shù)。1.1.3圓形直管內(nèi)作過渡流Nu=0.023Re0.8Prnψ第75頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日例：一套管換熱器，套管為φ89×3.5mm鋼管，內(nèi)管為φ25×2.5mm鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中渡過，進口溫度為15℃，出口為35℃。冷卻水流速為0.4m/s，試求管壁對水的對流傳熱系數(shù)。解：此題為水在圓形直管內(nèi)流動定性溫度t=（15+35）/2=25℃查25℃時水的物性數(shù)據(jù)（見附錄）如下：Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-3N·s/m2ρ=997kg/m3

Re=duρ/μ=(0.02×0.4×997)/(90.27×10-5）=8836Re在2300~10000之間，為過渡流區(qū)(與流體流動有區(qū)別)第76頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

Pr=cpμ/λ=(4.179×103

×90.27×10-5)/60.8×10-2=6.2a可按式Nu=0.023Re0.8Prn

進行計算,水被加熱,n=0.4。校正系數(shù)f

W/m2·℃第77頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)大。式中di——管徑，m

R——彎管軸的彎曲半徑，m1.4彎管內(nèi)作強制對流Nu=0.023Re0.8Prnf

第78頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日采用上述各關(guān)聯(lián)式計算，將管內(nèi)徑改為當量直徑de即可。當量直徑按下式計算具體采用何種當量直徑，根據(jù)所選用的關(guān)聯(lián)式中的規(guī)定而定?；?.1.5非圓形管內(nèi)強制對流第79頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流時，應(yīng)考慮自然對流及熱流方向?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的影響。當Gr<25000，自然對流的影響比較小且可被忽略時，按下式計算：

Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14

應(yīng)用范圍：Re<2300，0.6<Pr<6700，（Re·Pr·di/L）>100。特性尺寸：取管內(nèi)徑di

定性溫度：除μw取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。對于液體，加熱時有（μ/μw）0.14=1.05，

冷卻時有（μ/μw）0.14=0.95，2圓形直管內(nèi)作強制層流第80頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

當Gr>25000，自然對流的影響不能忽略時，而自然對流的影響又因管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動方向不同而異。對水平管，按下式計算α=0.023Re0.8Prnf

f=0.8(1+0.015Gr1/3)第81頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日在錯列管束外流過時Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流過時Nu=0.26Re0.6Pr0.33應(yīng)用范圍：

Re>3000定性溫度：流體進、出口溫度的平均值。定性尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。管排數(shù)為10，若不為10時，計算結(jié)果應(yīng)校正。3.1流體在管束外強制垂直流動3流體在管外強制對流第82頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日上式修正系數(shù)排數(shù)12345678910121518253575錯列0.480.750.830.890.920.950.970.980.991.01.011.021.031.041.051.06直列0.640.800.830.900.920.940.960.980.991.0第83頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日843.2流體在換熱器的管間流動加折流擋板或填充物可有效提高流體的a。第84頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面積）時，殼方流體的對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：（1）多諾呼法

Nu=0.23Re0.6Pr1/3（μ/μw）0.14應(yīng)用范圍:Re=(2~3)×104

特性尺寸:取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。定性溫度:除μw取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。第85頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日（2）凱恩法

Nu=0.36Re0.55Pr1/3（μ/μw）0.14注：若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動，則仍用管內(nèi)強制對流的公式計算，只須將公式中的管內(nèi)徑改為管間的當量直徑。

應(yīng)用范圍:Re=2×103~1×105

特性尺寸:取當量直徑，管子排列不同，計算公式也不同。定性溫度:除μw取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。第86頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日加熱表面形狀特征尺寸GrPr

范圍cn水平圓管外徑d0104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3Nu=c（GrPr）n定性溫度:取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算術(shù)平均值。式中的c、n值見表4自然對流第87頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日蒸汽冷凝液體沸騰（五）流體有相變時的對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝滴狀冷凝第88頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日蒸汽冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。1、蒸汽冷凝第89頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日膜狀冷凝：由于冷凝液能潤濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個冷凝過程中，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進行，即蒸汽冷凝時放出潛熱，必須通過液膜后才能傳給冷壁面。冷凝液膜是其主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動，所形成的液膜越往下越厚，所以壁面越高或水平放置的管徑越大，使整個壁面對流傳熱系數(shù)越小。

潛熱，指物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量。固、液之間的潛熱稱為熔解熱（或凝固熱）液、氣之間的稱為汽化熱（或凝結(jié)熱）而固、氣之間的稱為升華熱（或凝華熱）。標準大氣壓下，100℃水蒸汽凝結(jié)成100℃液態(tài)水釋放的熱量為2258.4KJ/Kg。第90頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，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，此中冷凝稱為滴狀冷凝。滴狀冷凝的對流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝時大幾倍到幾十倍。在實際生產(chǎn)過程中，兩種冷凝通常同時存在，但多為膜狀冷凝過程。蒸汽冷凝時的傳熱推動力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。第91頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日Why熱阻主要集中在冷凝液膜，膜狀冷凝液膜較滴狀冷凝的厚。第92頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日①在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：式中

l——垂直板或管的高度

ρ、λ、μ——冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度（膜溫查詢）

r——飽和蒸汽的冷凝潛熱（用蒸汽飽和溫度ts查詢）

Δt——蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差

d——管子外徑（1）膜狀冷凝時對流傳熱系數(shù)冷凝液膜流動為層流（Re＜1800）時：冷凝液膜流動為湍流（Re＞1800）時：膜溫Re為板或管最低處的值第93頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日②水平管壁上作膜狀冷凝式中：

ρ、λ、μ——冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度（膜溫）

r——飽和蒸汽的冷凝潛熱（蒸汽飽和溫度）

Δt——蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差

d0——管子外徑

n——管束在垂直面上的列數(shù)

單管管束第94頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

（2）

影響冷凝傳熱的因素①蒸汽的流向和流速：

蒸汽和液膜同向流動，液膜厚度↓(δ↓)，α↑

若逆向流動，液膜厚度↑(δ↑)，α↓

蒸汽的流速較大，液膜吹跑δ↓↓，α↑↑②冷凝液膜兩側(cè)的溫度差Δt：

當液膜呈層流流動時，若Δt加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，α↓③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?。┧采w，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降，可達60%。第95頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日④冷凝壁面的影響：

若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，液膜增厚使傳熱系數(shù)下降。如對于翅片管和螺旋管

δ↓，α↑；傳熱面積S↑，α↑⑤冷凝管的方位：

對于水平管：若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜變厚，α↓；沿垂直方向排管數(shù)目↑，α↓。管束改為錯列，或加除液擋板，α↑。對于垂直管:尺寸↑，δ↑，α↓。管外開槽，α↑。⑥流體的物性：

（汽化熱r、密度ρ、λ）↑，α↑μ↓，α↑第96頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

2.1液體沸騰的基本概念

液體的沸騰:當液體被加熱時，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程。該過程既有導(dǎo)熱過程又有對流傳熱過程。包括大容積沸騰、管內(nèi)沸騰。2、液體沸騰第97頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

大容積沸騰:將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面受熱沸騰（池式沸騰）。大容積沸騰時，液體中一方面存在著由溫差引起的自然對流，另一方面又因氣泡運動所導(dǎo)致的液體運動。

管內(nèi)沸騰:液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時，管壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流動，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動。這種沸騰的機理更為復(fù)雜。第98頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日99產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象的必要條件：

粗糙不平的地方大容積沸騰第99頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日100ABCDE核狀沸騰在工業(yè)上具有重要意義優(yōu)點：大，tW小。525100（2）

液體沸騰曲線大容積沸騰第100頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2.2液體沸騰曲線

大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差△t（壁溫與液體飽和溫度之差）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。1、

AB段：表面汽化:溫度差△t

較小時，在加熱表面的液體內(nèi)產(chǎn)生自然對流，僅在液體表面發(fā)生蒸發(fā)，沒有氣泡逸出，沸騰傳熱系數(shù)α和熱通量q都較低。α溫度差ΔtqABCDα線

q線自然對流核狀沸騰膜狀沸騰E第101頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2.2液體沸騰曲線

2、BC段：核狀沸騰：當△t升高時，加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度隨△t上升而增加，由于氣泡的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動，因此，α和q

急劇增大。α溫度差ΔtqABCDα線

q線自然對流核狀沸騰膜狀沸騰E核態(tài)沸騰第102頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日α溫度差ΔtqABCDα線

q線自然對流核狀沸騰膜狀沸騰E3、CD段：不穩(wěn)定膜狀沸騰或部分核狀沸騰：當

△t增大到某一定數(shù)值時，加熱面上產(chǎn)生的汽泡大大增多，此時汽泡產(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，開始形成一層不穩(wěn)定的汽膜，隨時可能破裂變?yōu)榇笃蓦x開加熱面。隨著

△t的增大，汽泡趨于穩(wěn)定，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于液體的，所以傳熱系數(shù)反而下降。過渡沸騰第103頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日4、DE段：當達到D點時，傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋，形成穩(wěn)定的氣膜，隨△t增大，α不變，q又上升（因為壁溫升高，輻射傳熱的影響增大。一般將CDE段稱為膜狀沸騰。臨界點△tc和qc

：從核狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點。臨界點所對應(yīng)的熱流密度和溫差稱為臨界熱負荷qc

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)中一般總是設(shè)法控制在核狀沸騰。α溫度差ΔtqABCDα線

q線自然對流核狀沸騰膜狀沸騰E第104頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

（3）影響沸騰傳熱的因素

①

溫度差△t

：

△t是控制沸騰給熱過程的重要參數(shù)，控制△t不大于△tc

，使操作處于泡狀沸騰。在△t≤

△tc

時，，

△t↑，α↑。

②操作壓強：

提高沸騰壓強相當于提高液體的ts↑

，使液體的表面張力

σ和粘度μ均下降，有利于汽泡的生成和脫離，能強化沸騰傳熱。在相同的

△t下，α和q都提高。

③

液體性質(zhì)的影響

液體的ρ，μ，λ

和表面張力σ

，汽化潛熱r等均對沸騰傳熱有重要影響。一般認為：

λ↑（導(dǎo)熱能力↑）或ρ↑（自然對流↑）α↑

μ或σ↓（氣泡易于脫離↑）α↑第105頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日④

加熱表面

加熱壁面的材料和粗糙度對沸騰給熱有重要的影響。表面粗糙度ε↑，σ↓，氣泡核心數(shù)↑α↑

表面油污↑，σ↑

α↓

（4）沸騰傳熱系數(shù)的計算由于沸騰傳熱過程復(fù)雜，計算式均為經(jīng)驗式，如：莫斯金斯基經(jīng)驗式：R為對比壓強；p為操作壓強；pc為臨界壓強(流體處于臨界溫度時的飽和蒸氣壓)

第106頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

對流傳熱計算公式有兩種類型：準數(shù)關(guān)系式和純經(jīng)驗公式。在應(yīng)用這些方程時應(yīng)注意以下幾點：1、首先分析所處理的問題是屬于哪一類，如：是強制對流或是自然對流，是否有相變等。2、選定相應(yīng)的對流傳熱系數(shù)計算式，特別應(yīng)注意的是所選用的公式的使用條件。3、當流體的流動類型不能確定時，采用試差法進行計算，再進行驗證。4、計算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。對流傳熱系數(shù)小結(jié)5、冷凝傳熱和沸騰傳熱機理、影響因素。第107頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日一、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。熱輻射波長（0.4-20um）

特點：能量形式的轉(zhuǎn)換不需要任何介質(zhì)第四節(jié)輻射傳熱第108頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日3、吸收率A，反射率R和透過率D（Absorption,ReflectionandDiaphaneity)4、黑體、白體和透體

黑體A=1；鏡體R=1；透熱體D=1（單原子和對稱雙原子氣體）

黑體和鏡體都是理想物體，實際上并不存在。一般固體和液體是不透熱體，即D=0，氣體不存在反射，即R=0。

根據(jù)能量守恒定律：輻射能的吸收、反射和透射示意圖第109頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日5、灰體

灰體：能吸收從0~長的所有波長范圍的輻射能且吸收率相等的物體稱灰體?；殷w有以下特點：（1）灰體的吸收率與投射輻射的波長無關(guān)。（2）灰體是不透熱體，即A+R=1大多數(shù)工業(yè)上遇到的物體和常見的固體材料均可視為灰體。第110頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日111——普朗克定律二、物體的輻射能力物體的輻射能力是指物體在一定溫度下，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第111頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日0──黑體輻射常數(shù),

5.669×10-8W/(m2·K4)1、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熱力學溫度C0──黑體輻射系數(shù),5.669W/(m2·K4)第112頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日黑度ε：又稱發(fā)射率，通常將灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比定義為物體的黑度，即意義：ε≤1，實際物體在一定溫度下的輻射能力恒小于黑體在相同溫度下的的輻射能力。黑度表明物體的輻射能力與黑體的接近程度。性質(zhì)：黑度與物體的性質(zhì)、表面溫度、表面狀況有關(guān)，是物質(zhì)本身的特性。E=εEb=εC0(T/100)4第113頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日克?；舴?Kirchhoff)定律設(shè)1）兩塊相距很近的平行板，一塊板上的輻射能可以全部投射到另一板上；2）若板1為實際物體（灰體），其輻射能力、吸收率和表面溫度分別為E1、A1、T13）板2為黑體，其輻射能力、吸收率和表面溫度分別為E2（Eb）、A2、T24）T1＞T2，兩塊板間為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱。

以單位時間、單位面積為基準，由于板2為黑體，板1發(fā)射出的E1能被板2全部吸收，由板2發(fā)射出的Eb被板1吸收了A1Eb，余下的（1-A1）Eb被反射至板2，并被其全部吸收。對板1來說，q=E1-A1Ebq為兩板間輻射傳熱的熱通量，W/m2。E1EbAEb(1-A)Eb第114頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日該定律揭示了物體的輻射能力E與吸收率A之間的關(guān)系。

克希霍夫定律表明任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，即物體的吸收率愈大，其輻射能力也愈強，也就是說，善于吸收的物體必善于輻射。與黑度定義式比較當兩板達到熱平衡，即 T1=T2時，q=0。所以，E1=A1Eb在相同溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上是相同的。第115頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日116E1,R1,

T1E2,R2,T2E2板1(灰體)板2(灰體)T1>

T2E2R1E2R1R2E2R1R22E2R1R222E1,R1,

T1E2,R2,T2E1板1(灰體)板2(灰體)T1>

T2E1R2E2R1R2E1R1R22E1R1R222圖4-36平行灰體間的輻射過程三、兩固體間的輻射傳熱第116頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日117兩無限大平行面的輻射第117頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日118第118頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日總輻射系數(shù)角系數(shù)輻射面積凈的輻射傳熱速率角系數(shù)：總能能量被攔截的分數(shù)第119頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日120S，j

和C1-2的計算方法序號輻射情況面積S角系數(shù)j總輻射系數(shù)C1-21面積極大相距很近的兩平行面S1或S212面積有限且大小相等的兩平行面S1＜13很大的物體2包住物體1S114物體2恰好包住物體1，S1=S2S115界于3、4兩種情況之間S11第120頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日121影響輻射換熱的主要因素與ΔT4成正比，T,Q。e,Q。為增加電氣設(shè)備的散熱能力，可在其表面涂上黑度很大的油漆；需減少輻射散熱時，可在表面渡以黑度很小的銀、鋁等。用角系數(shù)j表示，從輻射面積S發(fā)射的能量被另一物體截獲的分數(shù)。如插入熱屏，增大熱阻，較小Q。4）介質(zhì)3）幾何位置2）表面黑度1）溫度第121頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日換熱器的分類：按用途分：加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等。按傳熱方式分：間壁式、混合式。按換熱器結(jié)構(gòu)和傳熱面形式（對間壁式換熱器）分類：主要包括：管式和板式兩類。管式包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，板式包括螺旋板式、夾套式等。第五節(jié)換熱器換熱器：實現(xiàn)冷、熱介質(zhì)熱量交換的設(shè)備第122頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日123第123頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日1、結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板（又稱花板）、封頭（端蓋）等。一、管殼式換熱器第124頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日125第125頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日126第126頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日127第127頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2、名詞解釋（1）管程冷、熱流體兩種流體在管殼式換熱器內(nèi)進行換熱時，一種流體通過管內(nèi)，其行程稱為管程。（2）殼程另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。第128頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日隔板擋板管束殼體雙管程單殼程單管程單殼程四管程雙殼程第129頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日130第130頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日在兩端封頭內(nèi)設(shè)置隔板，可實現(xiàn)多管程，通過提高管程流體的流速，增大對流傳熱系數(shù)，但能量損失增加，管程數(shù)以2、3、4、6程多見。在管外殼體內(nèi)裝有殼程隔板可實現(xiàn)多殼程，通過提高殼程流體的流速，增大湍流程度，以保持較高的傳熱系數(shù)，殼程數(shù)以2、3程多見。第131頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日為防止殼體和管束受熱膨脹不同導(dǎo)致的設(shè)備變形、管子扭彎或松脫，常采用熱補償?shù)姆椒ǎ饕幸韵聨追N：U形管補償：每根管子彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可以自由伸縮，與其他管子和外殼無關(guān)，相當于雙管程。第132頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日133第133頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日134第134頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日浮頭補償：換熱器兩端管板之一不固定在外殼上（此端稱為浮頭），當管子受熱或受冷時，連同浮頭一起自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。第135頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日136第136頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點：容易制造、生產(chǎn)成本低，適應(yīng)性強，尤其適于高壓流體，維修清洗方便。缺點：結(jié)合面較多，易泄漏。

對應(yīng)常見的列管式換熱器有：U形管換熱器、浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、補償圈補償：在外殼上焊上一個補償圈。當外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發(fā)生彈性形變，達到補償?shù)哪康摹５?37頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日138第138頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日二、板式換熱器是以板壁為換熱壁的換熱器，常見的有片式、螺旋板式等。1、片式換熱器板片被壓制成槽形或波紋形，目的是：增強剛度，不致受壓變形；增強液體的湍動程度，增大傳熱面積，也利于流體的均勻分布。第139頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

片式熱交換器及板片

第140頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日141第141頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日142第142頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日片式熱交換器第143頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日144第144頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日145第145頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日146第146頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日147第147頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點總傳熱系數(shù)高，污垢熱阻亦較小；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；操作靈活性大，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積，或以調(diào)節(jié)流道的辦法，適應(yīng)冷、熱流體流量和溫度變化的要求；制造容易、檢修清洗方便、熱損失小。第148頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日缺點允許操作壓力較低，否則容易滲漏；操作溫度不能太高，因受墊片耐熱性能的限制；（現(xiàn)在已有超高溫板式換熱器）處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過大。第149頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2、螺旋板式換熱器由兩張平行的薄鋼卷制而成，兩板之間焊有定距柱以保持兩板間距和增加螺旋板的剛度。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積提供的傳熱面積大，總傳熱系數(shù)較大，傳熱效率高，不易堵塞。缺點：操作壓力和溫度不能太高，流體阻力大，不易檢修。第150頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日螺旋板式換熱器第151頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日152第152頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日153第153頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日三、夾套式換熱器1、結(jié)構(gòu)

夾套裝在容器外部，在夾套和器壁間形成密閉的空間，成為一種流體的通道。如夾層鍋、夾層缸等。夾層蒸氣鍋

第154頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日155第155頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日夾層缸（冷熱缸）第156頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日2、使用注意事項（1）當用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管中排出。（2）用于冷卻時，則冷卻水由下部進入，由上部流出。（3）由于夾套內(nèi)部清洗困難，故一般用不易產(chǎn)生垢層的水蒸汽、冷卻水等作為載熱介質(zhì)。第157頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日結(jié)構(gòu)簡單，造價低，可當作盛裝容器，但傳熱面積小，總傳熱系數(shù)不高。適于傳熱量不大的場合，為提高傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體作強制對流。

3、特點第158頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日

1、結(jié)構(gòu)蛇管多以金屬管子彎繞而成，制成適應(yīng)容器需要的形狀，沉浸在容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進行換熱。

五、螺旋盤管式換熱器

第159頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日160第160頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、便于防腐、且能承受高壓。缺點：管外液體的對流傳熱系數(shù)較小，從而總傳熱系數(shù)亦小，如增設(shè)攪拌裝置，則可提高傳熱效果。2、特點第161頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日t1t2T1T21、結(jié)構(gòu)：兩種直徑不同的標準管組成同心套管，內(nèi)管可用U形管連接，而外管之間也由管子連接。六、套管式換熱器第162頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日163第163頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日164第164頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日注意：選擇適當管徑和較高流速，使內(nèi)管與環(huán)隙間的流體呈湍流且逆流狀態(tài)，以增大總傳熱系數(shù)，減少垢層形成。單位傳熱面的金屬消耗量很大，占地較大，一般適用于流量不大、所需傳熱面不大及高壓的場合。

特點：傳熱系數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡單、能耐高壓、制造方便、應(yīng)用靈便、傳熱面易于增減。第165頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日七、其它板翅式換熱器翅片式換熱器第166頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日167板翅式換熱器第167頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日168板翅式換熱器第168頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日169板翅式換熱器第169頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日170翅片式換熱器第170頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日171翅片式換熱器第171頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日刮板式換熱器第172頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日173第173頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日流體流徑的選擇流體流速的選擇冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）終溫的選擇管子的規(guī)格和管間距管程和殼程數(shù)的確定折流檔板的選用外殼直徑的確定換熱器的流動阻力（壓降）三、列管式換熱器的設(shè)計和選用第174頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日流體流徑的選擇不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程－清洗比較方便腐蝕性的流體宜走管程－以免管子和殼體同時被腐蝕，且管程便于檢修與更換壓力高的流體宜走管程－以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量被冷卻的流體宜走殼程－可利用殼體對外的散熱作用，增強冷卻效果。飽和蒸汽宜走殼程－便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。第175頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日流體流徑的選擇有毒易污染的流體宜走管程－減少泄漏量流量小或粘度大的流體宜走殼程－流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低Re（Re>100）下即可達到湍流，以提高傳熱系數(shù)。若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程－壁面溫度與α大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應(yīng)力第176頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日流體流速的選擇第177頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）終溫的選擇用冷卻水冷卻某種熱流體，水的進口溫度可根據(jù)當?shù)貧夂驐l件作出估計，而出口溫度需經(jīng)過經(jīng)濟權(quán)衡確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。一般來說，設(shè)計時冷卻水的溫度差可取5~10℃。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫差。若用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。第178頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日管子的規(guī)格管徑規(guī)格：25×2.5mm及19×2mm兩種潔凈的流體，可選擇小管徑；對于易結(jié)垢或不潔凈的流體，可選擇大管徑；管長的選擇以清理方便和合理使用管材為原則。我國生產(chǎn)的標準鋼管長度為6m，故系列標準中管長有1.5、2、3和6m四種。此外管長L和殼徑D的比例應(yīng)適當，一般L/D為4~6。第179頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日管間距t=1.25~1.5do第180頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日管程和殼程數(shù)的確定標準中管程數(shù)有1、2、4、6四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。殼程數(shù)的確定當溫度差校正系數(shù)φ△t<0.8時，應(yīng)采用殼方多程;由于殼程隔板在制造、安裝和檢修方面都很困難，故一般不宜采用。常用的方法是將幾個換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。第181頁，共240頁，2023年，2月20日，星期日折流檔板的選用折流擋板有弓形、圓盤形、分