化工原理傳熱

1、第四章第四章 傳傳 熱熱覆蓋內(nèi)容：覆蓋內(nèi)容：n傳熱的基本方式及特點；定常傳熱及非定常傳熱的概傳熱的基本方式及特點；定常傳熱及非定常傳熱的概念；傅立葉定律，一維定常導(dǎo)熱的計算（平壁圓筒壁念；傅立葉定律，一維定常導(dǎo)熱的計算（平壁圓筒壁及球壁）；導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素；對流傳熱過程分及球壁）；導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素；對流傳熱過程分析，牛頓冷卻定律，傳熱基本方程式及其應(yīng)用（傳熱析，牛頓冷卻定律，傳熱基本方程式及其應(yīng)用（傳熱速率、平均溫差、傳熱系數(shù)、污垢熱阻和控制熱阻）；速率、平均溫差、傳熱系數(shù)、污垢熱阻和控制熱阻）；熱效率與傳熱單元數(shù)的概念及計算；對流傳熱的主要熱效率與傳熱單元數(shù)的概念及計算；對流傳熱的主

2、要影響因素，對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式（熟練掌握管內(nèi)影響因素，對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式（熟練掌握管內(nèi)強制湍流對流傳熱系數(shù)），壁溫估算；輻射傳熱的基強制湍流對流傳熱系數(shù)），壁溫估算；輻射傳熱的基本概念，黑體、白體（鏡體）、透熱體和灰體，普郎本概念，黑體、白體（鏡體）、透熱體和灰體，普郎克定律，斯蒂芬克定律，斯蒂芬-波爾茨曼定律，克?；舴蚨桑瑑晌锊柎穆?，克?；舴蚨?，兩物體間的輻射傳熱速率計算，角系數(shù)的概念，熱損失的體間的輻射傳熱速率計算，角系數(shù)的概念，熱損失的計算；常用換熱器的結(jié)構(gòu)特點，換熱器設(shè)計原則、步計算；常用換熱器的結(jié)構(gòu)特點，換熱器設(shè)計原則、步驟。驟。掌握的內(nèi)容：掌握的內(nèi)容：n1、熱傳導(dǎo)

3、基本原理，一維定常態(tài)傅立葉定律及應(yīng)用，、熱傳導(dǎo)基本原理，一維定常態(tài)傅立葉定律及應(yīng)用，平壁及圓筒壁一維定常態(tài)熱傳導(dǎo)計算與分析平壁及圓筒壁一維定常態(tài)熱傳導(dǎo)計算與分析n2、對流傳熱基本原理，牛頓冷卻定律，影響對流傳熱、對流傳熱基本原理，牛頓冷卻定律，影響對流傳熱的主要因素的主要因素n3、無相變管內(nèi)強制對流的、無相變管內(nèi)強制對流的關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用；關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用；Nu、Re、Pr、Gr等的物理意義及計算。正確選用等的物理意義及計算。正確選用的計算式，的計算式，注意其用法和使用條件。注意其用法和使用條件。n4、傳熱計算：傳熱速率方程與熱負荷的計算、平均溫、傳熱計算：傳熱速率方程與熱負荷的計算、平均溫差推動力、

4、總傳熱系數(shù)、污垢熱阻、壁溫計算、傳熱差推動力、總傳熱系數(shù)、污垢熱阻、壁溫計算、傳熱面積、加熱程度和冷卻程度計算、強化傳熱的途徑面積、加熱程度和冷卻程度計算、強化傳熱的途徑熟悉的內(nèi)容：熟悉的內(nèi)容：n1、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗式建立的一般方法、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗式建立的一般方法n2、蒸汽冷凝、液體沸騰對流傳熱系數(shù)計算、蒸汽冷凝、液體沸騰對流傳熱系數(shù)計算n3、傳熱效率、傳熱單元數(shù)及其在傳熱操作型、傳熱效率、傳熱單元數(shù)及其在傳熱操作型計算中的應(yīng)用計算中的應(yīng)用n4、熱輻射的基本概念、兩灰體間輻射傳熱計、熱輻射的基本概念、兩灰體間輻射傳熱計算算n5、列管換熱器的結(jié)構(gòu)及選型計算、列管換熱器的結(jié)構(gòu)及選型計算了解的內(nèi)容

5、：了解的內(nèi)容：n1、加熱劑、冷卻劑的種類和選用、加熱劑、冷卻劑的種類和選用n2、各種常用換熱器的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用、各種常用換熱器的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用n3、高溫設(shè)備熱損失計算、高溫設(shè)備熱損失計算n重重 點：傳熱基本方程式；對流傳熱系點：傳熱基本方程式；對流傳熱系數(shù)的影響因素及計算。數(shù)的影響因素及計算。n難難 點：對流傳熱過程分析；最小值流點：對流傳熱過程分析；最小值流體；體；4-1概述概述傳熱（熱傳遞）：由傳熱（熱傳遞）：由溫度差溫度差引起的能量傳遞。自發(fā)過程中熱引起的能量傳遞。自發(fā)過程中熱量從高溫傳遞到低溫。量從高溫傳遞到低溫。熱力學(xué)：傳遞的總熱量；傳熱學(xué)：討論過程熱量的傳遞速率。熱力學(xué)：傳遞的總熱

6、量；傳熱學(xué)：討論過程熱量的傳遞速率。目的：強化傳熱過程；削弱傳熱過程。目的：強化傳熱過程；削弱傳熱過程。分類：分類：間歇傳熱間歇傳熱連續(xù)傳熱連續(xù)傳熱按連續(xù)性按連續(xù)性按與時間按與時間的關(guān)系的關(guān)系非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率 常數(shù)，常數(shù)，0T穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率=常數(shù)，常數(shù)，0T六、傳熱基本方式（傳熱機理）六、傳熱基本方式（傳熱機理）1熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）(conduction)：物體的各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分：物體的各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子、自由電子等微觀粒子的熱運動而引起熱量的傳遞，稱為熱傳導(dǎo)子、原子、自由電子等微觀粒子的熱運動而引起

7、熱量的傳遞，稱為熱傳導(dǎo) 金屬，自由電子的運動。金屬，自由電子的運動。 固體固體 分子晶體，分子的振動。分子晶體，分子的振動。 非金屬非金屬 原子晶體，原子的振動。原子晶體，原子的振動。 晶格結(jié)構(gòu)的振動，彈性波。晶格結(jié)構(gòu)的振動，彈性波。 離子晶體，離子的振動。離子晶體，離子的振動。 液體，分子的不規(guī)則熱運動（布朗運動），介于氣體與非金屬之間。液體，分子的不規(guī)則熱運動（布朗運動），介于氣體與非金屬之間。 氣體，分子的不規(guī)則熱運動（布朗運動）。氣體，分子的不規(guī)則熱運動（布朗運動）。2熱對流（對流）熱對流（對流）(convection)：流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳：流體各部分之間發(fā)生相對位

8、移所引起的熱傳遞。遞。由于同由于同 時存在分子不規(guī)則熱運動，所以對流必然伴隨導(dǎo)熱。時存在分子不規(guī)則熱運動，所以對流必然伴隨導(dǎo)熱。 自然對流：宏觀運動由流體密度差引起，而密度差由溫度差引起。自然對流：宏觀運動由流體密度差引起，而密度差由溫度差引起。 強制對流：宏觀運動由外力（泵、風(fēng)機、位差、壓差等）引起。強制對流：宏觀運動由外力（泵、風(fēng)機、位差、壓差等）引起。3熱輻射（輻射）熱輻射（輻射）(radiation)：因熱的原因而產(chǎn)生電磁波在空間的傳遞。特點：因熱的原因而產(chǎn)生電磁波在空間的傳遞。特點：1 不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)換；不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)換； 2 所有物體

9、都能將熱能以電磁波的形式發(fā)射出去，所有物體都能將熱能以電磁波的形式發(fā)射出去， 不需不需 要任何介質(zhì)。要任何介質(zhì)。在實際問題中，傳熱方式很少單獨存在，常常兩種或三種共存在實際問題中，傳熱方式很少單獨存在，常常兩種或三種共存對流傳熱：對流傳熱：流動的流體與固體壁面之間的熱量傳遞。流動的流體與固體壁面之間的熱量傳遞。412 傳熱過程中熱、冷流體傳熱過程中熱、冷流體(接觸接觸)熱熱交換的方式交換的方式一一.直接接觸式換熱和混合式換熱器直接接觸式換熱和混合式換熱器優(yōu)點：傳熱效果好，優(yōu)點：傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單n圖圖4-1 混合式冷凝器混合式冷凝器n(a)并流低位冷凝器并流低位冷凝器 (b)干式逆流高位

10、冷凝器干式逆流高位冷凝器n1一外殼一外殼 2一淋水板一淋水板 3、8一氣壓管一氣壓管 4一蒸汽進口一蒸汽進口 5一進水口一進水口 6不凝氣出口不凝氣出口 7一分離罐一分離罐二二蓄熱式換熱和蓄熱器蓄熱式換熱和蓄熱器n蓄熱式換熱是在蓄熱器中實現(xiàn)熱交換的一種換熱方式。蓄熱器內(nèi)蓄熱式換熱是在蓄熱器中實現(xiàn)熱交換的一種換熱方式。蓄熱器內(nèi)裝有填充物裝有填充物(如耐火磚等如耐火磚等)，熱、冷流體，熱、冷流體交替地交替地流過蓄熱器，利用流過蓄熱器，利用固體填充物來固體填充物來積蓄和釋放積蓄和釋放熱量而達到換熱的目的。熱量而達到換熱的目的。n蓄熱器結(jié)構(gòu)簡單，且可耐高溫，因此多用于高溫氣體的加熱。其蓄熱器結(jié)構(gòu)簡單，

11、且可耐高溫，因此多用于高溫氣體的加熱。其缺點是設(shè)備體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合，所以這缺點是設(shè)備體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合，所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用得不太多。類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用得不太多。三三 間壁式換熱和間壁式換熱器間壁式換熱和間壁式換熱器 冷、熱流體被固體壁面所隔開，分別在固體壁面兩側(cè)流冷、熱流體被固體壁面所隔開，分別在固體壁面兩側(cè)流動。冷、熱動。冷、熱 流體通過間壁進行熱量交換。流體通過間壁進行熱量交換。1套管式換熱器套管式換熱器2列管式換熱器列管式換熱器固定管板式固定管板式(結(jié)構(gòu)圖）、結(jié)構(gòu)圖）、浮頭式浮頭式、U型管式型管式優(yōu)點：單位體積內(nèi)具有較大的傳熱面積。

12、優(yōu)點：單位體積內(nèi)具有較大的傳熱面積。3沉浸式沉浸式、噴淋式噴淋式特點：只有熱量傳遞。特點：只有熱量傳遞。傳熱速率傳熱速率(Q)：單位時間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，：單位時間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，W；熱通量（熱通量（q）：單位時間單位傳熱面積傳遞的熱量，）：單位時間單位傳熱面積傳遞的熱量，w/m2。傳熱面積：傳熱面積：S0、Si、Sm。n圖圖4-3 間壁兩側(cè)流體間傳熱間壁兩側(cè)流體間傳熱n(1)熱流體將熱量傳至固體壁面左側(cè)熱流體將熱量傳至固體壁面左側(cè)(對流傳熱對流傳熱)。n(2)熱量自壁面左側(cè)傳至壁面右側(cè)熱量自壁面左側(cè)傳至壁面右側(cè)(熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo))。n(3)熱量自壁面右側(cè)傳至冷流體熱量自壁面右側(cè)傳至

13、冷流體(對流傳熱對流傳熱)。n圖圖4-4 套管式換熱器套管式換熱器nl一內(nèi)管一內(nèi)管2一外管一外管n它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起構(gòu)成的。冷、熱流體分別它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起構(gòu)成的。冷、熱流體分別n流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙而進行熱的交換。流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙而進行熱的交換。 單程列管式換熱器單程列管式換熱器1 1 外殼外殼 22管束管束 3 3、44接管接管 55封頭封頭 66管板管板 77擋板擋板 雙程列管式換熱器雙程列管式換熱器11殼體殼體 22管束管束 33擋板擋板 44隔板隔板4-1-3栽熱體及其選擇栽熱體及其選擇一一 概念概念物料在換熱器內(nèi)被加熱或被冷卻時，通常需用另一種流體供物料

14、在換熱器內(nèi)被加熱或被冷卻時，通常需用另一種流體供給或取走熱量，這種流體稱為給或取走熱量，這種流體稱為載熱體載熱體，其中起加熱作用的載，其中起加熱作用的載熱體稱為熱體稱為加熱劑加熱劑( (或稱加熱介質(zhì)或稱加熱介質(zhì)) )；起冷凝作用的載熱體稱為；起冷凝作用的載熱體稱為冷卻劑冷卻劑( (或稱泠卻介質(zhì)或稱泠卻介質(zhì)) )。二二 載熱體的選擇原則：載熱體的選擇原則：1) 1) 溫度易于調(diào)節(jié)溫度易于調(diào)節(jié)2) 2) 飽和蒸汽壓較低，加熱時不易分解；飽和蒸汽壓較低，加熱時不易分解；3) 3) 毒性小，不易燃、易爆、不易腐蝕設(shè)備毒性小，不易燃、易爆、不易腐蝕設(shè)備 4) 4) 價格便宜。價格便宜。三工業(yè)上常三工業(yè)上

15、常 用的載熱體用的載熱體加熱劑：熱水、蒸和蒸氣、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道加熱劑：熱水、蒸和蒸氣、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣；氣；冷卻劑：水、空氣和各種冷凍劑冷卻劑：水、空氣和各種冷凍劑4.2 4.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律一一 溫度場和溫度梯度溫度場和溫度梯度溫度場：任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和，溫溫度場：任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和，溫度場的數(shù)學(xué)表達式為：度場的數(shù)學(xué)表達式為：),(zyxft 0),(tzyxft當(dāng)穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場0, 0),(ztyttxft定態(tài)一維溫度場定態(tài)一維溫度場等溫面：溫度場中

16、同一時刻下相同溫度各點所組成的面積。等溫面：溫度場中同一時刻下相同溫度各點所組成的面積。特點：兩等溫面不相交；同一等溫面上各點間無熱量傳遞。特點：兩等溫面不相交；同一等溫面上各點間無熱量傳遞。溫度梯度：溫度梯度：方向為溫度增加的方向 tlim0ntntgradn傳熱速率：傳熱速率：熱通量：熱通量： tdxdtgrad 一維溫度場一維溫度場二二 傅立葉傅立葉(Fourier)(Fourier)定律定律ntdQntdsdQ.dS. .或負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)一般地，一般地， 導(dǎo)電固體導(dǎo)電固體 非導(dǎo)電固體非導(dǎo)電固體， 液體液體 氣體氣體 4-2-24-2-2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系

17、數(shù)一一. .定義：定義：ntdSdQ.導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其在數(shù)值上等于單位溫度梯導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。其數(shù)值與物質(zhì)的種類、度下的熱通量，它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。其數(shù)值與物質(zhì)的種類、組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度、壓強有關(guān)。組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度、壓強有關(guān)。二二. .固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù))1 (0ta0時的導(dǎo)熱系數(shù)溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料，為負值；對大多數(shù)非金屬材料為正值。三三. .液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體

18、的導(dǎo)熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。 金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)比一般的液體要高金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)比一般的液體要高 純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大 4 4 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù) T氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大，在相當(dāng)大的壓強范圍內(nèi)，在相當(dāng)大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強的變化甚微，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強的變化甚微，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，常氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，常用做保溫材料用做保溫材料4.2.2 4.2.2 平壁的熱傳導(dǎo)平壁的熱傳導(dǎo)一一 單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)1.1.幾點基本假設(shè)幾點基本假設(shè)1)平壁材料均勻，導(dǎo)熱系數(shù)平壁材料均

19、勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而變不隨溫度而變(或取平均導(dǎo)熱或取平均導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù))。2)平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于壁面的方向變化。平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于壁面的方向變化。3)壁邊緣處的熱損失可忽略。壁邊緣處的熱損失可忽略。n圖圖4-8 單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)n對此種定態(tài)的一維平壁熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱速率對此種定態(tài)的一維平壁熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱速率Q和傳熱面積和傳熱面積S都為常量，都為常量，故式故式4-5可簡化為可簡化為n當(dāng)當(dāng)x=0時，時，t=t1；x=b時，時，t=t2；且；且t1t2，積分上式可得，積分上式可得n或或 n式中式中 b平壁厚度，平壁厚度，m；nt溫度差，導(dǎo)熱推動力，溫度差，導(dǎo)熱推動力，； nR 導(dǎo)熱

20、熱阻，導(dǎo)熱熱阻，W；nR 導(dǎo)熱熱阻，導(dǎo)熱熱阻，m2W。 dxdtSQ)(21ttSbQRtSbttQ21,RtbtSQqSbn應(yīng)予指出，上式適用于應(yīng)予指出，上式適用于導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 為常數(shù)的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)為常數(shù)的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程。過程。實際上，物體內(nèi)不同位置上的溫度并不相同，實際上，物體內(nèi)不同位置上的溫度并不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也隨之而異。但是在工程計算中，對于因而導(dǎo)熱系數(shù)也隨之而異。但是在工程計算中，對于各處溫度不同的固體，其導(dǎo)熱系數(shù)可以取固體兩側(cè)面各處溫度不同的固體，其導(dǎo)熱系數(shù)可以取固體兩側(cè)面溫度下溫度下 值的算術(shù)平均值，或取兩側(cè)面溫度之算術(shù)平值的算術(shù)平均值，或取兩側(cè)面溫度之算術(shù)平均值下的均值下

21、的 值。值。n導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱推動力成正比導(dǎo)熱推動力成正比，與，與導(dǎo)熱熱阻成反比導(dǎo)熱熱阻成反比；還可看出，導(dǎo)熱距離愈大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)愈小，還可看出，導(dǎo)熱距離愈大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)愈小，則導(dǎo)熱熱阻愈大。則導(dǎo)熱熱阻愈大。 2、多層平壁的熱傳導(dǎo)、多層平壁的熱傳導(dǎo)以三層平壁為例，如圖所設(shè)，且假定以三層平壁為例，如圖所設(shè)，且假定 為常數(shù)，及層與層之間接觸為常數(shù)，及層與層之間接觸良好，沒有接觸熱阻，則由良好，沒有接觸熱阻，則由單層平壁公式，得單層平壁公式，得而由一維穩(wěn)態(tài)條件，得而由一維穩(wěn)態(tài)條件，得所以相加并整理，得所以相加并整理，得 或或 SbQtttSbQtttSbQttt3334332

22、22322111211321QQQQ32141332211321RRRttSbSbSbtttQniinniiinRttSbttQ111111影響因素：影響因素：接觸材料的種類及硬度，接觸材料的種類及硬度，接觸面的粗糙程度，接觸面的粗糙程度，接觸面的壓緊力，接觸面的壓緊力，空隙內(nèi)的流體性質(zhì)?？障秲?nèi)的流體性質(zhì)。接觸熱阻一般通過實驗測定或憑接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計經(jīng)驗估計三三 接觸熱阻接觸熱阻由于平壁表面粗糙不平使不同材料的由于平壁表面粗糙不平使不同材料的相鄰壁面出現(xiàn)明顯的溫度降低。相鄰壁面出現(xiàn)明顯的溫度降低。一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)常量常量傳熱速率傳熱面積熱通量平壁圓筒壁常量隨半

23、徑變常量隨半徑變圖5-6 單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)n若在圓筒半徑若在圓筒半徑r處沿半徑方向取微分厚度處沿半徑方向取微分厚度dr的薄壁圓筒，其的薄壁圓筒，其傳熱面積可視為常量，等于傳熱面積可視為常量，等于 ；同時通過該薄層的溫度變；同時通過該薄層的溫度變化為化為dt。仿照平壁熱傳導(dǎo)公式，通過該薄圓筒壁的導(dǎo)熱速率。仿照平壁熱傳導(dǎo)公式，通過該薄圓筒壁的導(dǎo)熱速率可以表示為可以表示為n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n整理整理12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQrL2drdtrLdrdtSQ)2(1221121222ln)(2rrttL

24、rLrrrLQRtSbttbttSrrttSSSSQmm212112211212ln式中式中 圓筒壁的內(nèi)、圓筒壁的內(nèi)、外表面的對數(shù)平均面積，外表面的對數(shù)平均面積，m2； 溫差，溫差， C； 熱阻，熱阻， C /W。1212lnSSSSSm21tttSbR二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 假設(shè)層與層之間接觸良好，即互相接觸的兩表面溫度相同。 圖5-7 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)速率可表示為 1414332432421112233112233111lnlnln222mmmttttQrrrrrrrrrLrLrlrSSS 對n層圓筒壁，其熱傳導(dǎo)速率方程可表示為11nniiimittQbS或11111ln2nn

25、iiiittQrLr 二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二二 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)：各層間接觸良好；各層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、2、3，厚度分別為b1、b2、b3。343232121 ; ; rrbrrbrrb321QQQQiiiiiiiirrLtrrLtQ11ln121ln214-34-3對流傳熱概述對流傳熱概述對流傳熱：流體流過固體壁面時的傳熱過程稱為對流傳熱對流傳熱：流體流過固體壁面時的傳熱過程稱為對流傳熱根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài) 對流傳熱對流傳熱無相變的對流傳熱無相變的對流傳熱強制對流傳熱強制對流傳熱自然對流傳熱自然對流傳熱有相變的對流傳熱有相

26、變的對流傳熱蒸汽冷凝蒸汽冷凝液體沸騰液體沸騰 一、傳熱方式和溫度分布一、傳熱方式和溫度分布11、層流、層流 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 非線性非線性 層流底層區(qū)層流底層區(qū) 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 近似線性近似線性22、湍流、湍流 過渡流區(qū)過渡流區(qū) 導(dǎo)熱與對流導(dǎo)熱與對流 非線性非線性 湍流主體區(qū)湍流主體區(qū) 對流為主對流為主 近似水平線近似水平線二、牛頓冷卻定律（對流傳熱系數(shù)的定義）：當(dāng)流體流過固體壁面時，通過流體且與二、牛頓冷卻定律（對流傳熱系數(shù)的定義）：當(dāng)流體流過固體壁面時，通過流體且與壁面垂直的對流熱流密度與壁面溫度和流體溫度的差成正比，即壁面垂直的對流熱流密度與壁面溫度和流體溫度的差成正比，即 或或 式中式中 qx局部對

27、流熱流密度，局部對流熱流密度，W/m2； Q對流傳熱速率或熱流量，對流傳熱速率或熱流量，W； S與流體接觸的固體傳熱面積，與流體接觸的固體傳熱面積，m2； x局部對流傳熱系數(shù)，局部對流傳熱系數(shù)，W/(m2 K)； tw，Tw分別為冷熱流體側(cè)的局部壁溫，分別為冷熱流體側(cè)的局部壁溫，K， C； t，T分別為冷熱流體的有限空間內(nèi)局部截面平均溫度或大空間中流體主流分別為冷熱流體的有限空間內(nèi)局部截面平均溫度或大空間中流體主流溫度，溫度，K， C。 )(),(ittdSdQqTTdSdQqwooxwixowoiwidSttdQdSTTdQ)(,)(4-3-1對流傳熱機理對流傳熱機理n對流傳熱中包括了對流傳

28、熱中包括了熱對流熱對流和和熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)兩種基本傳熱方式，兩種基本傳熱方式，對流傳熱與流體的流動狀況密切相關(guān)。對流傳熱與流體的流動狀況密切相關(guān)。n由于滯流內(nèi)層中流體分層運動，相鄰層間沒有流體的由于滯流內(nèi)層中流體分層運動，相鄰層間沒有流體的宏觀運動，因此在垂直于流動方向上不存在熱對流，宏觀運動，因此在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。層中溫度差較大，即溫度梯度較大。n在湍流主體中，由于流體

29、質(zhì)點的劇烈混合并充滿旋渦；在湍流主體中，由于流體質(zhì)點的劇烈混合并充滿旋渦；因此湍流主體中溫度差因此湍流主體中溫度差(溫度梯度溫度梯度)極小，各處的溫度極小，各處的溫度基本上相同?；旧舷嗤在緩沖層區(qū)，熱對流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，在該在緩沖層區(qū)，熱對流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。 一、對流傳熱分析一、對流傳熱分析 n圖圖4-13 對流傳熱的溫度分布情況對流傳熱的溫度分布情況n由上分析可知，對流傳熱是集由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，因此，綜合現(xiàn)象。對流傳熱的

30、熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。 u u u t u t t t t t圖圖 平平板板上上的的邊邊界界層層正如流體流過固體壁面時形成流動邊界層一樣，若流體自由流正如流體流過固體壁面時形成流動邊界層一樣，若流體自由流的溫度和壁面的溫度不同，必然會形成的溫度和壁面的溫度不同，必然會形成熱邊界面熱邊界面(又稱溫度邊界又稱溫度邊界層層)。 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為 的流體在表面溫度為的流體在表面溫度為tw的平板上流過時，流體和平的平板上流過時，流體和平板間進行換熱。板間進行換熱。流體的溫度在靠近固體壁面的薄層流體中有顯著的變

31、化，即在流體的溫度在靠近固體壁面的薄層流體中有顯著的變化，即在此流體層中存在溫度梯度，將此薄層定義為此流體層中存在溫度梯度，將此薄層定義為熱邊界層熱邊界層。在熱邊。在熱邊界層界層以外的區(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。為零。 tT一維流動流動方向xy傳熱方向T0Tw靜止層流湍流熱邊界層愈薄則層內(nèi)的熱邊界層愈薄則層內(nèi)的溫度梯度愈大。若緊靠溫度梯度愈大。若緊靠壁面附近薄層流體壁面附近薄層流體(滯滯流內(nèi)層流內(nèi)層)中的溫度梯度中的溫度梯度用用(dtdy) w表示，由表示，由于通過這一薄層的傳熱于通過這一薄層的傳熱只能是流體間的熱傳導(dǎo)，只能是

32、流體間的熱傳導(dǎo)， dSdydtdQw2 2 熱邊界層熱邊界層五、熱邊界層的發(fā)展五、熱邊界層的發(fā)展進口段（穩(wěn)定段）：從進口處到局部對流傳熱系數(shù)進口段（穩(wěn)定段）：從進口處到局部對流傳熱系數(shù) x基本基本穩(wěn)定的這一段距離。穩(wěn)定的這一段距離。在進口段內(nèi)，在進口段內(nèi)， 逐漸減小，在進口段后，逐漸減小，在進口段后， 基本保持恒定?；颈３趾愣?。 若流動邊界層在管中心匯合時仍為層流，則若流動邊界層在管中心匯合時仍為層流，則 從進口處從進口處開始降低到某一極限值后基本上保持恒定。若匯合前已開始降低到某一極限值后基本上保持恒定。若匯合前已發(fā)展為湍流，則在層流向湍流過渡時，發(fā)展為湍流，則在層流向湍流過渡時， 有所回

33、升，然有所回升，然后趨于恒定。當(dāng)湍流十分激烈時，進口段的影響即消失。后趨于恒定。當(dāng)湍流十分激烈時，進口段的影響即消失。 dSTTdSTTdQww)(1阻力推動力局部對流局部對流傳熱速率傳熱速率對流傳熱系數(shù)，對流傳熱系數(shù)，W/m2流體溫度壁溫微分傳熱面積微分傳熱面積 在換熱器中，換熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)在換熱器中，換熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積?；蚬芡鈧?cè)表面積。但對流傳熱系數(shù)必須和傳熱面積以及溫度但對流傳熱系數(shù)必須和傳熱面積以及溫度差相對應(yīng)。差相對應(yīng)。如熱流體在管內(nèi)流動，冷流體在管外流動。則對如熱流體在管內(nèi)流動，冷流體在管外流動。則對流傳熱速率方程式可分別表示

34、為：流傳熱速率方程式可分別表示為：owo) tt ( )(dSdSTTdQiwi二二. 對流傳（給）熱系數(shù)對流傳（給）熱系數(shù)tSQ.在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱 面積的對面積的對流傳熱速率。它反映了流傳熱速率。它反映了對流傳熱的快慢對流傳熱的快慢，它不是流，它不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)。體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)。dSdydtdQw由dSTTdQw)(wwwdydttdydtTT熱邊界層的厚度影響溫度分布，也影響溫度梯度，從而影響對熱邊界層的厚度影響溫度分布，也影響溫度梯度，從而影響對流傳熱系數(shù)。流傳熱系數(shù)?？諝庾匀?/p>

35、對流氣體強制對流水自然對流水強制對流水蒸汽冷凝有機蒸汽冷凝水沸騰5252010020 10001000 150005000 15000500 20002500 25000 值值( (W/(mW/(m2 2. . ) ) 的范圍的范圍0101212lnLrLrrttQf總熱阻總推動力00drdQ令 t1 t2 tf r1 r0 000000drdQrdrdQr時，當(dāng)時，當(dāng)Q rc r0 -臨界半徑 rc 故 Q 有極大值 則0r 4-3-3 4-3-3 保溫層的臨界厚度保溫層的臨界厚度時0r只有，增加保溫層的厚度才能使熱損失減少4-54-5傳熱過程計算傳熱過程計算4-5-1 4-5-1 能量衡算

36、能量衡算總焓衡算方程總焓衡算方程2121ccchhhHHWHHWQ當(dāng)換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或取當(dāng)換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或取平均溫度下的比熱容時平均溫度下的比熱容時1221ttCWTTCWQpccphh當(dāng)換熱器中兩流體有相變化時：當(dāng)換熱器中兩流體有相變化時：12212)(ttCWTTCrWQttCWrWQpccsphhpcch有相變而有相變而無降溫時無降溫時有相變且有相變且有降溫時有降溫時設(shè)計型計算：由生產(chǎn)任務(wù)確定熱負荷和傳熱面積。設(shè)計型計算：由生產(chǎn)任務(wù)確定熱負荷和傳熱面積。操作型計算：由傳熱面積及操作條件計算傳熱量、出口溫操作型計算：由傳

37、熱面積及操作條件計算傳熱量、出口溫度、載熱體流量等。度、載熱體流量等。4-5-24-5-2總傳熱速率微總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)分方程和總傳熱系數(shù)一一. .總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程dstKdstTKdQ.)(熱流體熱流體的平均溫度的平均溫度冷流體的冷流體的平均溫度平均溫度局部總傳局部總傳熱系數(shù)熱系數(shù)總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，即有：總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，即有：mmooiidStTKdStTKdStTKdQ)()()(二二. .總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)1.1.總傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍總傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍( (見下表見下表) )流體種類總傳熱系數(shù)KW/(m2K

38、)水氣體1260水水8001800水煤油350左右水有機溶劑280850氣體氣體1235飽和水蒸氣水14004700飽和水蒸氣氣體30300飽和水蒸氣油60350飽和水蒸氣沸騰油290870列管換熱器總傳熱系數(shù)列管換熱器總傳熱系數(shù)K K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 2.2.總傳熱系數(shù)的計算式總傳熱系數(shù)的計算式1 1）熱流體以對流傳熱的方式將熱量傳）熱流體以對流傳熱的方式將熱量傳給熱側(cè)表面；給熱側(cè)表面；2) 2) 熱側(cè)表面以傳導(dǎo)傳熱熱側(cè)表面以傳導(dǎo)傳熱方式將熱量傳給冷側(cè)表面；方式將熱量傳給冷側(cè)表面；3) 3) 然后冷然后冷側(cè)表面以對流傳熱方式將熱量傳給冷側(cè)表面以對流傳熱方式將熱量傳給冷流體。流體。 兩流體

39、通過管壁的傳熱包含以下過兩流體通過管壁的傳熱包含以下過程：程：iiwiwidSTTdSTTdQ1)(mwwmwwdSbtTdSbtTdQ)(通過管壁通過管壁的熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)熱流體對熱側(cè)固體壁熱流體對熱側(cè)固體壁面的傳熱速率方程面的傳熱速率方程oowowodSttdSttdQ1)(冷側(cè)固體壁面冷側(cè)固體壁面對冷流體的傳對冷流體的傳熱速率方程熱速率方程由以上三式可得總傳熱速率方程：由以上三式可得總傳熱速率方程：總熱阻總推動力oomiioowmwwiiwdSdSbdStTdSttdSbtTdSTTdQ1111在上式兩邊同除在上式兩邊同除dSdSo o, ,便可有：便可有：omoiioodSbdSdSdS

40、tTdSdQ1omoiioodbdddtTdSdQ1ioiodddSdSmomodddSdSomoiioodbdddK11所以有：所以有：同理有：同理有：im00mm001 11ddbddKdbdddKiimiii和3.3.污垢熱阻污垢熱阻 工程計算上通常是選用污垢熱阻的經(jīng)驗數(shù)值，如管壁工程計算上通常是選用污垢熱阻的經(jīng)驗數(shù)值，如管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的污垢熱阻分別是內(nèi)側(cè)和外側(cè)的污垢熱阻分別是R Rs si i和和R Rs so o，則總熱阻：，則總熱阻： 011omioiiiooRsdbddRsddK總傳熱系數(shù)：總傳熱系數(shù)：0000000000000011111ddddRbddRddKddRdbddd

41、RKddddRdbdRKmimsimsiimmisimiisiiiiisims提高總傳熱系數(shù)途徑的分析 總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻011oooosisoiiimddbdRRKddd壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻二、總傳熱系數(shù)若傳熱面為平壁或薄管壁 111sisoiobRRKoioK當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時 111ioK若管壁外側(cè)對流傳熱控制二、總傳熱系數(shù)oiiK若管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制o,i 若管壁內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制相當(dāng)若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大污垢熱阻控制二、總傳熱系數(shù)欲提高 值，強化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。 K二、總傳熱

42、系數(shù) 值總是接近且永遠小于 中的小者。當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時， 近似等于 中小者。 Ko,i Ko,i 2.總傳熱系數(shù)的測定 對于已有的換熱器，可以通過測定有關(guān)數(shù)據(jù)，如設(shè)備的尺寸、流體的流量和溫度等，然后由傳熱基本方程式計算值。顯然，這樣得到的總傳熱系數(shù)值最為可靠。二、總傳熱系數(shù)一、平均溫度差法()oodQK Tt dS對總傳熱速率微分方程積分，可得TmQKS t總傳熱速率積分方程傳熱過程冷、熱流體的平均溫度差 推導(dǎo)平均溫度差的表達式時，對傳熱過程作以下簡化假定：傳熱為穩(wěn)態(tài)操作過程；兩流體的定壓比熱容均為常量；總傳熱系數(shù)為常量；忽略熱損失。 一、平均溫度差法1.恒溫傳熱時的平均溫度差 換

43、熱器中間壁兩側(cè)的流體均存在相變時，兩流體溫度可以分別保持不變，這種傳熱稱為恒溫傳熱。 T( - )QKS tKS T t 冷流體溫度 熱流體溫度 一、平均溫度差法2、變溫傳熱、變溫傳熱n圖圖4-16 變溫傳熱時的溫度差變化變溫傳熱時的溫度差變化n(a)逆流逆流 (b)并流并流由熱量恒算并結(jié)合假定條件和，可得 ,m hphdQqcdT 常數(shù),m cpcdQqcdt常數(shù)一、平均溫度差法因此， 及 都是直線關(guān)系，可分別表示為 QTQtTmQktm Qk 上兩式相減，可得 也呈直線關(guān)系。將上述諸直線定性地繪于圖5-9中 Qt一、平均溫度差法圖5-9 逆流時平均溫度差的推導(dǎo)一、平均溫度差法所以所以 t與

44、與Q成線性關(guān)系，其斜率也可為成線性關(guān)系，其斜率也可為而而 假定假定 為常數(shù)，則為常數(shù)，則 ，令令 對數(shù)平均溫差，對數(shù)平均溫差，所以所以 總傳熱基本方程總傳熱基本方程 顯然，上式對并流也適用。顯然，上式對并流也適用。 012QttdQtdtdSKdStTKdQxx)(QtttdSKtdx1221)(12ttSoxdSQttKttdxKxKK QSttKtt)(ln12121212lnttttKSQ1212lntttttmmtKSQn圖圖4-18 錯流和折流示意圖錯流和折流示意圖n(a)錯流錯流(b)折流折流n錯流：錯流：兩流體的流向互相垂直，稱為錯流；兩流體的流向互相垂直，稱為錯流；n簡單折流：

45、簡單折流：一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復(fù)一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復(fù) 折流，稱為簡單折流。折流，稱為簡單折流。n復(fù)雜折流：復(fù)雜折流：若兩流體均作折流，或既有折流又有錯流，若兩流體均作折流，或既有折流又有錯流， 則稱為復(fù)雜折流。則稱為復(fù)雜折流。mtmtt溫差校正系數(shù) ( ,)tf R P安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法 一、平均溫度差法 先按逆流計算對數(shù)平均溫度差，然后再乘以考慮流動方向的校正因素。即12221111TTRttttPTt熱流體的溫降冷流體的溫升冷流體的溫升兩流體的最初溫度差具體步驟如下：根據(jù)冷、熱流體的進、出口溫度，算出純逆流條件下的對

46、數(shù)平均溫度差tm。按下式計算因數(shù) R 和 P：一、平均溫度差法根據(jù) R 和 P 的值，從算圖中查出溫度差校正系數(shù)； 將純逆流條件下的對數(shù)平均溫度差乘以溫度差校正系數(shù)，即得所求的。 mtmtt一、平均溫度差法一邊恒溫時1t 值恒小于1，這是由于各種復(fù)雜流動中同時存在逆流和并流的緣故。 t()()()ttt并流錯、折流逆流 通常在換熱器的設(shè)計中規(guī)定， 值不應(yīng)小于0.8，否則值太小，經(jīng)濟上不合理。若低于此值，則應(yīng)考慮增加殼方程數(shù)，將多臺換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過程接近于逆流。 t一、平均溫度差法n溫度差校正系數(shù)圖是基于以下假定作出的：溫度差校正系數(shù)圖是基于以下假定作出的：n(1)殼程任一截面上流體溫度

47、均勻一致。殼程任一截面上流體溫度均勻一致。n(2)管方各程傳熱面積相等。管方各程傳熱面積相等。n(3)總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K和流體比熱容和流體比熱容cp為常數(shù)。為常數(shù)。n(4)流體無相變化。流體無相變化。n(5)換熱器的熱損失可忽略不計。換熱器的熱損失可忽略不計。(三三)流向的選擇流向的選擇n若兩流體均為變溫傳熱時，且在兩流體進、出口溫度若兩流體均為變溫傳熱時，且在兩流體進、出口溫度各自相同的條件下：各自相同的條件下：n逆流時的平均溫度差最大，并流時的平均溫度差最小，逆流時的平均溫度差最大，并流時的平均溫度差最小，其它流向的平均溫度差介于逆流和并流兩者之間。其它流向的平均溫度差介于逆流和并流兩

48、者之間。n逆流的優(yōu)點是：逆流的優(yōu)點是：n1. 所需的換熱器傳熱面積較小。所需的換熱器傳熱面積較小。n2.可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。n1.換熱器應(yīng)盡可能采用逆流操作。換熱器應(yīng)盡可能采用逆流操作。n2.但是在某些生產(chǎn)工藝要求下，若對流體的溫度有所但是在某些生產(chǎn)工藝要求下，若對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時不得超過某一溫度，或熱流限制，如冷流體被加熱時不得超過某一溫度，或熱流體被冷卻時不得低于某一溫度，此時則宜采用并流操體被冷卻時不得低于某一溫度，此時則宜采用并流操作。作。n3.采用折流或其它流動型式的原因除了為滿足換熱器采用折流或其它流動型式的原因除了為

49、滿足換熱器的結(jié)構(gòu)要求外，就是為了提高總傳熱系數(shù)。但是平均的結(jié)構(gòu)要求外，就是為了提高總傳熱系數(shù)。但是平均溫度差較逆流時的為低。溫度差較逆流時的為低。n4.在選擇流向時應(yīng)綜合考慮，在選擇流向時應(yīng)綜合考慮， 值不宜過低，一般值不宜過低，一般設(shè)計時應(yīng)取設(shè)計時應(yīng)取 0.9，至少不能低于，至少不能低于0.8，否則另選，否則另選其它流動形式。其它流動形式。n5.當(dāng)換熱器中某一側(cè)流體有相變而保持溫度不變時，當(dāng)換熱器中某一側(cè)流體有相變而保持溫度不變時，不論何種流動形式，只要流體的進、出口溫度各自相不論何種流動形式，只要流體的進、出口溫度各自相同，其平均溫度差均相同。同，其平均溫度差均相同。tt4.4.4 總傳熱

50、速率方程的應(yīng)用總傳熱速率方程的應(yīng)用n1.傳熱面積的計算傳熱面積的計算n總傳熱速率方程、熱量衡算式總傳熱速率方程、熱量衡算式n（1）.總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K為常數(shù)為常數(shù)mtKQS（2）.總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K為變數(shù)為變數(shù) 當(dāng)流體的溫度變化較大時，流體的物性變化也較大，從而對流傳當(dāng)流體的溫度變化較大時，流體的物性變化也較大，從而對流傳熱系數(shù)的變化也較大，最終使總傳熱系數(shù)變化較大，所以上述公式熱系數(shù)的變化也較大，最終使總傳熱系數(shù)變化較大，所以上述公式誤差較大。誤差較大。 若若K隨溫度呈線性變化時，可用下式計算隨溫度呈線性變化時，可用下式計算若若K隨溫度不呈線性變化時，可分段計算，將每段的隨溫度不呈線

51、性變化時，可分段計算，將每段的K視為常數(shù)，則視為常數(shù)，則 或或 若若K隨溫度變化較大時，應(yīng)采用積分法：隨溫度變化較大時，應(yīng)采用積分法： 或或 12211221lntKtKtKtKSQjmjjjtSKQ)(njjQQ1njjmjjtKQS1)(12)()(00TTxphhQxStTKdTcWtTKdQdSS21)()(00ttxpccQxStTKdtcWtTKdQdSS4-5-4 4-5-4 傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法一一. .傳熱效率傳熱效率maxQQ最大可能傳熱速率實際傳熱速率在換熱器中可能達到的最大溫差：在換熱器中可能達到的最大溫差： T T1 1-t-t1 1最小值流體：換熱器中兩流體中熱

52、容量流率較小者，最小值流體：換熱器中兩流體中熱容量流率較小者，表示為：表示為： minPWC11211121)()(tTTTtTCWTTCWphhphhh11121112)()(tTtttTCWttCWpccpccc熱流體為最小值熱流體為最小值流體流體冷流體為最小值冷流體為最小值流體流體二二. .傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)NTUNTUdStTKdtcWdTcWdQpccphh)(換熱器的熱量衡算和傳熱速率微分方程為：換熱器的熱量衡算和傳熱速率微分方程為：對冷流體，上式可改寫為：對冷流體，上式可改寫為：pccCWKdStTdt基于冷流體的傳熱單元數(shù)基于冷流體的傳熱單元數(shù)(NTU)(NTU)C C：21

53、21ttpccdLnSttpcctTdtdKnCWdLtTdtKCWdS KL 2121ttpccttpcctTdtdnCWtTdtKCWS或 KHCdnCWpcc (NTU)HL CC 2傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)NTU（Number of Transfer Units）n1.傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)NTU：傳熱單元的個數(shù)。：傳熱單元的個數(shù)。n2.當(dāng)當(dāng) 時時 ， 即即 由由 得得 (T-t)m=(Th2-tcl)+(Thl-tc2)/2 所以，傳熱單元長度是溫度變化所以，傳熱單元長度是溫度變化 與該段換熱器內(nèi)的平與該段換熱器內(nèi)的平均推動力均推動力 相等時的換熱器長度。相等時的換熱器長度。cHL 1)(

54、cNTU211tttTdtbaabfdxxf)()(211)(12ttmtTtttTdt12tt mtT)(表示方法：表示方法：令令 傳熱單元長度，傳熱單元長度，m； 傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)dKncWHdKncWHpcccphhh2112)()(ttcTThtTdtNTUtTdTNTU 3.傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系（傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系（ 與與NTU）以以單程并流單程并流換熱器為例，傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系可以換熱器為例，傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系可以推導(dǎo)如下：推導(dǎo)如下：總傳熱速率方程為：總傳熱速率方程為：并流時對數(shù)平均溫度差為并流時對數(shù)平均溫度差為 ：整理上兩式，得整理上兩式，得mt

55、KSQ22112211ln)()(tTtTtTtTtm)(exp12211122QttQTTKStTtT因為因為代人上式代人上式,得得 若冷流體為最小值流體若冷流體為最小值流體,并令并令 Cmin =W ccpc Cmax=Whcph 則則 (NTU)min=所以，有所以，有 1221ttCWTTCWQpccphh)1 (exp1122phhpccpcccWcWcWKStTtTminCKS)1 ()(expmaxminmin1122CCNTUtTtTn因因 T2=n所以所以 n n n n )()(12maxmin1121ttCCTttcWcWTphhpcc1122tTtT11212maxmi

56、n1)(tTtttCCT111212maxmin11)()()(tTttttCCtT)1 (1)(1 (1maxmin1112maxminCCtTttCCn將上式代入將上式代入4-58，得，得n若熱流體為最小值流體，只要令若熱流體為最小值流體，只要令n(NTU)min= nCmin =W hcph Cmax=Wccpc n則可推出與上式相同的結(jié)果則可推出與上式相同的結(jié)果. n同理同理,可推導(dǎo)得到可推導(dǎo)得到逆流逆流時的傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系時的傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系為：為：maxminmaxminmin1)1 ()(exp1CCCCNTUphhcWKS)1 ()(exp1)1 ()(ex

57、p1maxminminmaxminmaxminminCCNTUCCCCNTUn當(dāng)兩流體之一有相變化時，當(dāng)兩流體之一有相變化時，(Wcp)max趨于無窮大，故趨于無窮大，故式式459和式和式460可簡化為可簡化為n 1-exp-(NTU)min n當(dāng)兩流體的當(dāng)兩流體的Wcp相等時，式相等時，式459和式和式460可分別可分別簡化為簡化為n 1-exp-2(NTU)/2 n NTU1NTU n圖圖4-22至至4-24分別為并流分別為并流,逆流逆流,和折流時的和折流時的n關(guān)系圖關(guān)系圖. n圖圖4-22 并流換熱器的并流換熱器的 關(guān)系關(guān)系NTUNTUn圖圖4-23 逆流換熱器的逆流換熱器的 關(guān)系關(guān)系N

58、TUn圖圖4-24 折流換熱器的折流換熱器的 關(guān)系關(guān)系(單殼程，單殼程，2、4、6管程管程)NTU4-5-4 傳熱過程計算傳熱過程計算一一.設(shè)計型計算設(shè)計型計算命題方式：將命題方式：將Wh(或或Wc)由由T1(或或t1)降溫（或升溫）到降溫（或升溫）到T2(或或t2)。計算目的：確定經(jīng)濟合理載熱體、傳熱面積、換熱器結(jié)構(gòu)。計算目的：確定經(jīng)濟合理載熱體、傳熱面積、換熱器結(jié)構(gòu)。步驟：步驟：計算熱負荷計算熱負荷選擇合適的載熱體及進、出口溫度選擇合適的載熱體及進、出口溫度確定載熱體消耗量確定載熱體消耗量確定流向確定流向計算平均溫度差選擇流速計算選擇流速計算 0、 i選擇選擇Rs0、Rsi計算計算K0計算

59、計算S0確定換熱器結(jié)構(gòu)確定換熱器結(jié)構(gòu)二二.操作型計算操作型計算第一類命題：給定換熱器傳熱面積及有關(guān)尺寸，冷、熱流體第一類命題：給定換熱器傳熱面積及有關(guān)尺寸，冷、熱流體物性、流量、流動方式、進口溫度。物性、流量、流動方式、進口溫度。計算目的：冷、熱流體出口溫度冷、熱流體出口溫度。第二類命題：給定換熱器傳熱面積及有關(guān)尺寸，熱流體物性、第二類命題：給定換熱器傳熱面積及有關(guān)尺寸，熱流體物性、流量、流動方式、進、出口溫度，冷流體進口溫度。流量、流動方式、進、出口溫度，冷流體進口溫度。計算目的：冷流體流量、出口溫度冷流體流量、出口溫度。換熱器校核：給定換熱器傳熱面積、結(jié)構(gòu)，冷、熱流體物性、換熱器校核：給定

60、換熱器傳熱面積、結(jié)構(gòu)，冷、熱流體物性、流量、進出口溫度。流量、進出口溫度。計算目的：判斷給定換熱器是否合用計算目的：判斷給定換熱器是否合用（S0實實？S0需需）。）。例例.有一逆流換熱器。熱流體為空氣有一逆流換熱器。熱流體為空氣 1=100W/m2. 。冷流體。冷流體為水（湍流）為水（湍流） 2=2000W/m2.。已知：。已知：t t1 1=20 =20 、t t2 2=85 =85 、T T1 1=100 =100 、T T2 2=70=70 ，管壁及污垢熱阻不計、管壁很薄。，管壁及污垢熱阻不計、管壁很薄。當(dāng)水流量增加一倍時，求：當(dāng)水流量增加一倍時，求：1 1）水和空氣的出口溫度？）水和空