華東理工化工原理第02章

1、第第2 2章章 傳熱傳熱2.1 概述概述2.1.1 熱量傳遞熱量傳遞方式方式 2.1.2 傳傳熱基本概念熱基本概念熱負荷熱負荷 QL（J/s） )()(211TTcqQpmL 工藝要求，工藝要求，是同種流體的溫升、溫降。是同種流體的溫升、溫降。傳熱量傳熱量 Q （J/s） 單位時間內，熱流體通過整個換熱器的傳熱單位時間內，熱流體通過整個換熱器的傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量。面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量。熱流密度熱流密度 q （J/m2s） 單位時間、通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。單位時間、通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。AQqdd 顯然，一個能滿足工藝要求的換熱器應顯然，一個能滿足工藝要求的換熱器應 Q=Q

2、L Q、q是兩種流體之間的換熱，其傳熱推動力是是兩種流體之間的換熱，其傳熱推動力是 載熱體載熱體、冷卻劑、加熱劑、冷卻劑、加熱劑常用加熱劑：熱水、飽和蒸汽、礦物油、道生油、常用加熱劑：熱水、飽和蒸汽、礦物油、道生油、熔鹽、煙道氣；熔鹽、煙道氣；常用冷卻劑：液氨、液氮、液態(tài)乙烯等；常用冷卻劑：液氨、液氮、液態(tài)乙烯等；2.2傳熱機理傳熱機理傳導、對流、輻射傳導、對流、輻射2.3傳熱速率和熱量衡算傳熱速率和熱量衡算2.3.1傳熱速率方程傳熱速率方程2.3.2熱量衡算熱量衡算Q1=qm1cp1(T1-T2) Q2=qm2cp2(t2-t1)2.3.3傳熱基本方程傳熱基本方程KAttKAQmm12.3.

3、4 熱傳導熱傳導起因于物體內部微粒微觀運動的一種傳熱方式。起因于物體內部微粒微觀運動的一種傳熱方式。 ntq nt 1傅立葉定律傅立葉定律宏觀規(guī)律宏觀規(guī)律： 法向溫度梯度法向溫度梯度t=f(x,y,z,)導熱系數導熱系數： W/m愈大，導熱愈快。愈大，導熱愈快。注意注意：（1 1）與與一樣是分子微觀運動的宏觀表現。一樣是分子微觀運動的宏觀表現。（2 2）金屬金屬液體液體氣體氣體（3 3）溫度升高時，）溫度升高時， 液液 下降下降，但水明顯例外，但水明顯例外 氣氣 上升上升， 2 單層壁傳熱單層壁傳熱熱量衡算：進熱量衡算：進=出出+累積累積 QQQ出出入入定態(tài)：定態(tài)： 0 Q即即一維傳熱一維傳熱

4、：qq AqqAQ rtqdd )2(ddrLrtQ Q=Q, 2121dd2ttrrtrrLQ 寫成通式：寫成通式： 1212122112212/ln/ln2rrLrrrrttrrttLQ 阻力阻力推動力推動力 RtAttQm /21 1212/lnAAAAAm 其中：其中：AAm 21AAAm 平壁：平壁： 球壁：球壁： 3 多層壁傳熱多層壁傳熱 333432223211121mmmAttAttAttQ 33322211141mmmAAAtt niimnAttQ111)( （1 1）通式表示含義：）通式表示含義： 某層熱阻某層熱阻某層推動力某層推動力總熱阻總熱阻總推動力總推動力速率速率 （

5、2 2）層與層之間密切接觸時，不存在空隙。如接）層與層之間密切接觸時，不存在空隙。如接觸處有空隙時，由于有空氣，而觸處有空隙時，由于有空氣，而 ，增加，增加了接觸熱阻，往往成為控制因素。了接觸熱阻，往往成為控制因素。 金金屬屬氣氣 例：已知蒸汽管道外徑例：已知蒸汽管道外徑=150mm=150mm，外壁溫度，外壁溫度t t0 0=180,=180,=0.013+0.000198=0.013+0.000198t t( (t t單位為單位為),),保溫保溫層外壁溫度層外壁溫度t t1 1=50=50，冷凝量，冷凝量w w=1=11010-4-4kg/mkg/ms s。求：保溫層厚度求：保溫層厚度解：

6、解：Q QL L= =wrwr查查180水水 r r=2019kJ/kg=2019kJ/kgQ Q/ /L L=1=11010-4-42019=202W/m2019=202W/m對于圓筒壁：對于圓筒壁： 1221/ln2rrttLAtQm r1=75mm,r2=r1+=(75+)mm)mm保溫層平均溫度保溫層平均溫度： C115)(1021 tttm=0.013+0.000198=0.013+0.000198t tm m=0.126(W/m=0.126(W/mK)K)LQttrr/)(2)ln(1012 51. 0202)50180(126. 014. 32 2.4 對流給熱對流給熱 流動對傳

7、熱的貢獻流動對傳熱的貢獻流體被冷卻流體被冷卻 TTTd 導致導致 yyyqq 流體沿流體沿x方向作層流流動的結果，使垂直方向方向作層流流動的結果，使垂直方向上的熱流密度（上的熱流密度（q）隨距離）隨距離y的增大而減小，溫度梯的增大而減小，溫度梯度度 也隨之減小。也隨之減小。 yTdd在溫差相同的情況下在溫差相同的情況下 一定，一定， 流動增加了壁面處的溫度梯度流動增加了壁面處的溫度梯度，使壁面的，使壁面的熱流密度較流體靜止時為大。熱流密度較流體靜止時為大。湍流時曲線更平坦湍流時曲線更平坦 更大，更大，q更大更大一維導熱一維導熱+二維流動，使二維流動，使q)(0wTT 0)( yyT兩種對流形式

8、兩種對流形式自然對流與強制對流自然對流與強制對流（1）自然對流自然對流 流體內部溫度不同，引起密度不同而引起宏觀流體內部溫度不同，引起密度不同而引起宏觀流動。流動。t重者下沉重者下沉（2）強制對流強制對流在外力或在外力或 作用下引起流動作用下引起流動 t輕者上浮輕者上浮P 阻力阻力推動力推動力 RtAttQm /21)(TTqw 2.4.1 對流給熱過程的影響因素對流給熱過程的影響因素（1）牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律對照傅立葉定律對照傅立葉定律 熱傳導熱傳導： 對流傳熱對流傳熱：牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律 其中，其中，Tw為為壁溫；壁溫；T為流體主體溫度；為流體主體溫度；為給熱系數，為給熱系數，

9、 W/m2。 按牛頓冷卻定律，實驗的任務是測定不同情按牛頓冷卻定律，實驗的任務是測定不同情況下的給熱系數，并將其關聯成經驗表達式以供況下的給熱系數，并將其關聯成經驗表達式以供設計時用。設計時用。 （2）對流給熱系數對流給熱系數的量綱分析的量綱分析物性：物性：固體表面的特性尺寸：固體表面的特性尺寸：l強制對流的流速：強制對流的流速：u自然對流特性速度：自然對流特性速度：變量變量8個，基本量綱個，基本量綱4個個根據根據定理，無量綱準數定理，無量綱準數=8-4=4即即 分別為分別為: 努塞爾努塞爾 雷諾雷諾 普朗特普朗特 格拉斯霍夫格拉斯霍夫 ),(pctgluf ,pctg ),(GrPrRefN

10、u lNu luRe pcPr 223 tlgGr 2.4.2 無相變流體無相變流體經驗關聯式經驗關聯式2.4.2.12.4.2.1圓形直管內強制湍流圓形直管內強制湍流湍湍 0.3 流體被冷卻流體被冷卻或或 討論討論：(1)(1)任何經驗公式應用時要注意三點：任何經驗公式應用時要注意三點：適用范圍適用范圍 ， ，低，低定性溫度為定性溫度為 或或特性尺寸管徑特性尺寸管徑 d),(PrRefNu bPrReNu8 . 0023. 0 0.4 流體被加熱流體被加熱bPrRed8 . 0023. 0 湍湍410 Re1607 . 0 Pr)(2121TT )(2121tt b例：有一列管式換熱器，其管

11、束由例：有一列管式換熱器，其管束由269269根長根長3m3m，內，內徑徑d d=25mm=25mm的管子組成。管內走空氣，流量為的管子組成。管內走空氣，流量為8000kg/h8000kg/h，空氣被加熱。定性溫度下，空氣的，空氣被加熱。定性溫度下，空氣的 c cp p=1.01kJ/kg=1.01kJ/kg,=2.01=2.011010-2-2mPamPas,s,=2.87=2.871010-2-2W/mW/m,求空求空氣對管壁的給熱系數。氣對管壁的給熱系數。 條件條件: Re104 0.7Pr 30404 . 08 . 0023. 0PrRed 解：解：s16.84kg/m269025.

12、0785. 03600/800041222 ndqGm44510102.091001. 2025. 089.16 GdudReL /d=150300.70.7071087. 21001. 21001. 1253 pcPr=65.7(W/m2)4 . 08 . 0023. 0PrRed 4 . 08 . 042707. 0)1009. 2(025. 01087. 2023. 0 (2)公式的修正公式的修正高黏度修正高黏度修正對工程處理對工程處理加熱加熱 冷卻冷卻 過渡區(qū)過渡區(qū) 校正系數校正系數 彎管彎管R彎管的曲率半徑彎管的曲率半徑14. 033. 08 . 0)()()(027. 0wCpdu

13、d 05. 1)(14. 0 w 95. 0)(14. 0 w 4102000 Re湍湍過過 f 湍湍過過 8 . 15Re1061 f)77. 11Rd （湍湍彎彎 湍湍彎彎 (3)湍湍計算式靈活應用計算式靈活應用 bpcdud)()(023. 08 . 0 湍湍2 . 08 . 08 . 08 . 01023. 0ducbbpb 當當b=0.4時，即為式時，即為式改寫成改寫成 2 . 08 . 0duB 湍湍 B為慣性綜合系數為慣性綜合系數 因此因此 2 . 0218 . 01212)()(dduu 2 . 08 . 04 . 06 . 04 . 08 . 0023. 0ducp 湍湍課堂

14、討論：課堂討論：圓直管內處于高度湍流，無相變流體圓直管內處于高度湍流，無相變流體已知已知qv1,d1時時1，令，令d1=d2使使qv2=2qv1,則則2 2= = 1 1。2 . 0218 . 01212)()(dduu 已知已知qv1,d1時時1，令，令qv2=qv1使使d1=1/2d2,則則2 2= = 1 1。241duqV 8 . 1218 . 01212)()(ddqqVV 對照教材對照教材p69“p69“由式（由式（2-342-34）可以看出，在）可以看出，在其它因素不變時，其它因素不變時， ，說明管徑，說明管徑d d對對影響影響不大不大”一段話要特別留意。一段話要特別留意。引申：

15、引申： 若若 則改寫成則改寫成 2 . 01d 2 . 08 . 08 . 01023. 0ducbpb）（湍湍 2 . 08 . 0dGB 湍湍 2.4.3 有相變化時對流有相變化時對流給熱給熱1 沸騰給熱沸騰給熱傳熱推動力傳熱推動力： 壁溫與操作壓強下液體的飽和溫度之差。壁溫與操作壓強下液體的飽和溫度之差。兩種沸騰：兩種沸騰： 大容積大容積與管內沸騰與管內沸騰沸騰條件沸騰條件： 過熱度和汽化核心過熱度和汽化核心 為使氣泡產生，為使氣泡產生，pvp1過熱度過熱度=t-ts，并且，過熱度與氣泡，并且，過熱度與氣泡半徑有關，因而很難形成小氣泡。半徑有關，因而很難形成小氣泡。swtt （1）過熱度

16、過熱度：2)(21rpprv rppv 21 （2）汽化核心汽化核心 氣泡首先在粗糙表面凹縫中產生氣泡首先在粗糙表面凹縫中產生表面功小表面功小, ,對氣泡有依托作用對氣泡有依托作用, ,存在氣泡胚胎。存在氣泡胚胎。（3）核狀和膜狀沸騰）核狀和膜狀沸騰 大容積沸騰規(guī)律大容積沸騰規(guī)律 大，壁溫大，壁溫t tw w較低較低核狀沸騰好，工業(yè)采用核狀沸騰好，工業(yè)采用。影響影響沸沸因素多，在核狀因素多，在核狀沸騰下，沸騰下， 5 . 2t 沸沸 沸騰過程的強化沸騰過程的強化表面粗糙化添加劑加入表面粗糙化添加劑加入牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律： q=(T-Tw) =(tw-t)= =f f( (物性，操作特性

17、，幾何尺寸物性，操作特性，幾何尺寸) )2 冷凝給熱冷凝給熱(1)膜狀冷凝膜狀冷凝與與滴狀冷凝滴狀冷凝 傳熱推動力傳熱推動力：wstt 應用應用：工業(yè)上從安全考慮，冷凝器設計按：工業(yè)上從安全考慮，冷凝器設計按膜狀膜狀冷凝冷凝 膜膜滴滴 2.5.1 基本概念基本概念2.5 熱輻射熱輻射（1 1）熱輻射）熱輻射輻射輻射物體以電磁波方式傳遞熱量過程。物體以電磁波方式傳遞熱量過程。熱輻射熱輻射不同物體間互相輻射和吸收能量綜合不同物體間互相輻射和吸收能量綜合過程，其凈結果熱量高過程，其凈結果熱量高低。低。 熱輻射線可以在真空中傳播，無需任何介質熱輻射線可以在真空中傳播，無需任何介質，這是熱輻射與對流和傳

18、導的主要不同點。，這是熱輻射與對流和傳導的主要不同點。（2 2）黑體、白體、透射體）黑體、白體、透射體 吸收率吸收率 反射率反射率 透過率透過率黑體黑體a=1，白體，白體r=1,透熱體透熱體d=1固體和液體不允許熱輻射透過，固體和液體不允許熱輻射透過， d=0, a+r=1?！昂诤凇?，“白白”之分不據顏色之分不據顏色雪霜雪霜 a=0.985近似黑體，近似黑體，黑光金屬黑光金屬r=0.97近似白體。近似白體。入入入入入入QQQQQQdra 1= a + r + d（3 3）黑度）黑度黑度黑度 黑度只與輻射物體本身情況有關，是物體的一種黑度只與輻射物體本身情況有關，是物體的一種性質，而與外界無關。

19、性質，而與外界無關。黑黑體體輻輻射射能能力力實實際際物物體體輻輻射射能能力力 bEE 2.5.2 固體輻射固體輻射（1 1）黑體輻射能力）黑體輻射能力Eb 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼定律波爾茲曼定律 即即 四次方定律表明，輻射傳熱對溫度十分敏感。四次方定律表明，輻射傳熱對溫度十分敏感。Eb: 黑體輻能力黑體輻能力 W/m2T: 絕對溫度絕對溫度 KC0:黑體輻射系數，黑體輻射系數， 5.67W/(m2K4)40)100(TCEb 4(絕對溫度）絕對溫度） bE（2 2）灰體輻射能力和吸收能力）灰體輻射能力和吸收能力 克?；舴蚨煽讼；舴蚨?灰體灰體：能夠以相等的吸收率吸收所有波長輻射能夠以相等的

20、吸收率吸收所有波長輻射能的物體。能的物體。 灰體也是理想物體，但是大多數的材料，灰體也是理想物體，但是大多數的材料，在工業(yè)上應用最多的熱輻射（波長在在工業(yè)上應用最多的熱輻射（波長在0.7620m）范圍，其吸收率隨波長變化不大，因）范圍，其吸收率隨波長變化不大，因而可視為灰體。而可視為灰體?？讼；舴蚨桑嚎讼；舴蚨桑?a 在同一溫度下，灰體的吸收率等于黑度。輻射在同一溫度下，灰體的吸收率等于黑度。輻射能力愈大，其吸收能力愈大。能力愈大，其吸收能力愈大。灰體輻射能力灰體輻射能力 對太陽輻射，氣體輻射對太陽輻射，氣體輻射 41000)(TbCEE a （5 5）影響輻射的主要因素）影響輻射的主要因

21、素溫度影響溫度影響與與 T4成正比，很敏感。與對流、傳導不同。成正比，很敏感。與對流、傳導不同。幾何位置影響幾何位置影響表面黑度的影響表面黑度的影響* 減少輻射散熱時，可在表面上鍍以黑度很小的減少輻射散熱時，可在表面上鍍以黑度很小的銀、鋁等。銀、鋁等。輻射表面之間介質的影響輻射表面之間介質的影響* 減少輻射散熱，加遮熱板（例減少輻射散熱，加遮熱板（例6-7） （6 6）輻射給熱系數）輻射給熱系數 高溫設備（如管式爐）外壁對周圍空氣的高溫設備（如管式爐）外壁對周圍空氣的散熱，兼有輻射與自然對流作用散熱，兼有輻射與自然對流作用 輻射輻射 對流對流R )(21TTqqqcRcRt 2.6.1.1傳熱

22、過程數學描述傳熱過程數學描述 00d1dd1dAwAwwAwtttTTTQmii 總阻力總阻力總推動力總推動力 AKtTd12.6 傳熱過程計算傳熱過程計算若以外壁面為基準：若以外壁面為基準： 若為平壁若為平壁 注意：注意：（1 1）K K與與A A必須對應必須對應 一般情況管壁比較薄，一般情況管壁比較薄，A Ai i= =A Am m= =A A0 00000d1dd1d1AAAAKmii 00001dddd11 miiAAAAK0dddAAAmi 0111 iK(2)(2)考慮污垢：考慮污垢： 對新管子，經過清洗去垢后管子，對新管子，經過清洗去垢后管子，R Ri i= =R R0 0=0=

23、0，又通常又通常金屬金屬大，壁大，壁薄，故薄，故/ /00，忽略壁，忽略壁阻及垢阻：則阻及垢阻：則00111 RRKii0111 iK當當0 0 i i，則，則K K 比比i i還小還小當當0 0i i，則，則K Ki i，p79, p79, 例例2 25 5指出了強化傳熱途徑從指出了強化傳熱途徑從小入手小入手控制熱阻控制熱阻值工程概念值工程概念： 氣氣 幾十至上百幾十至上百 有相變有相變 幾千至上萬幾千至上萬因此當管外用飽和蒸汽加熱管內氣體時，因此當管外用飽和蒸汽加熱管內氣體時， 蒸汽蒸汽空氣空氣 K K 空氣空氣 無相變無相變 液液 幾百至幾千幾百至幾千 W/mW/m2 2K K壁溫計算：

24、壁溫計算：很小，很小，T Tw w= =t tw w結論：壁溫總是趨于結論：壁溫總是趨于值大一邊溫度。值大一邊溫度。壁溫討論意義重大壁溫討論意義重大！例如：管式爐中爐管為什么在烈火中不融化？例如：管式爐中爐管為什么在烈火中不融化？ )()(0ttTTqwwi 若若i i大，則（大，則（T T- -T Tw w）?。┬?即即T Tw w T T因為里面有液體，因為里面有液體，液液大，所以大，所以t tW Wt t液液2.6.1.2 平均溫差和傳熱基本方程式平均溫差和傳熱基本方程式 以逆流，無相變流體推導：以逆流，無相變流體推導： K為常數為常數 物性數據不變物性數據不變熱量衡算熱量衡算：前提：前

25、提： 定態(tài)，無熱損失定態(tài)，無熱損失)()(12222111ttcqTTcqQpmpm 122112211122ttTTttTTttTTcqcqpmpm 是傳熱操作線斜率是傳熱操作線斜率 dA面上傳熱速率式面上傳熱速率式或或 沿管長沿管長l作積分可得傳熱基本方程：作積分可得傳熱基本方程：1122pmpmcqcqAtTKTcqpmd)(d11 AtTKtcqpmd)(d22 mtKAQ 注意：注意：公式中公式中K與與A要對應要對應KiAi=K0A0 逆流時，逆流時，t t2 2= =T T1 1- -t t2 2, , t t1 1= =T T2 2- -t t1 1當當t t2 22tm并并 完

26、成同樣完成同樣Q Q( (KAKAt tm m) ) A A逆逆 2000;定性溫度定性溫度; ;定性尺寸定性尺寸14. 055. 00)(36. 031wPrRede (3)(3)換熱器壓降計算換熱器壓降計算 判別換熱器性能標準：判別換熱器性能標準： K大，大，P小小管程壓降管程壓降PtP=直管阻力直管阻力+局部阻力局部阻力 =ft：管程結垢校正系數：管程結垢校正系數當流量一定時，當流量一定時，而而 兼顧傳熱與壓降兼顧傳熱與壓降22)3(iuptdLNf NpndquiiVi/24 3pN P8 . 0piN 2.7.3 其它類型換熱器其它類型換熱器（1 1）板式換熱器）板式換熱器螺旋板式換

27、熱器螺旋板式換熱器優(yōu)點：優(yōu)點：傳熱效率高，不易堵傳熱效率高，不易堵塞，結構緊湊，成本塞，結構緊湊，成本較低。較低。缺點：缺點：操作壓力、溫度不能操作壓力、溫度不能太高，螺旋板難以維太高，螺旋板難以維修。修。板式換熱器板式換熱器優(yōu)點：優(yōu)點：傳熱效率高，傳熱系數傳熱效率高，傳熱系數K K大，結構緊湊，操作大，結構緊湊，操作靈活，安裝檢修方便。靈活，安裝檢修方便。缺點：缺點：耐溫、耐壓性較差，易耐溫、耐壓性較差，易滲漏，處理量小滲漏，處理量小 。板翅式換熱器板翅式換熱器優(yōu)點：優(yōu)點：結構高度緊湊，傳熱效結構高度緊湊，傳熱效率高，允許較高的操作率高，允許較高的操作壓力。壓力。缺點：缺點：制造工藝復雜，檢修清制造工藝復雜，檢修清洗困難。洗困難。（2 2）其他類型換熱器）其他類型換熱器翅片管式換熱器翅片管式換熱器特點：特點： 管外安裝翅片增管外安裝翅片增加了傳熱面積、傳熱加了傳熱面積、傳熱系數。系數。 熱管式換熱器熱管式換熱器特點：特點：有相變有相變大，結構簡大，結構簡單，壁溫均勻。單，壁溫均勻。 例：已知：例：已知：qm1=1.5kg/s，r=395kJ/kg，T=60管束管束n根根 252.5mm,管內河水管內河水t1=25，不計管，不計管外冷凝、管壁、垢層熱阻，外冷凝、管壁、垢層熱阻，NP=1求：求：