第四章傳熱(應(yīng)化)(化工傳遞過(guò)程)

1、1第四章第四章 傳熱傳熱 ( Heat transfer)2第四章第四章 傳熱傳熱 ( Heat transfer)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱第四節(jié)第四節(jié) 傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第六節(jié)第六節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱第七節(jié)第七節(jié) 換熱器換熱器3第一節(jié)第一節(jié) 概述（概述（Introduction）4.1.0 傳熱的基本定義傳熱的基本定義4.1.1 傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用4.1.2 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式4.1.3 冷熱流體接觸方式冷熱流體接觸方式 4

2、.1.4 傳熱速率和熱通量傳熱速率和熱通量4.1.5 穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱4.1.5 載熱體及其選擇載熱體及其選擇4第一節(jié)第一節(jié) 概述（概述（Introduction）4.1.0 傳熱的基本定義傳熱的基本定義 系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱之為過(guò)程稱之為熱量傳遞過(guò)程熱量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱。，簡(jiǎn)稱傳熱。4.1.1 傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用l 對(duì)物料進(jìn)行加熱、冷卻、汽化或冷凝對(duì)物料進(jìn)行加熱、冷卻、汽化或冷凝l 減少熱損失，對(duì)高溫及低溫設(shè)備或管道保溫或隔熱減少熱損失，對(duì)高溫及低溫設(shè)備或管道

3、保溫或隔熱l 工業(yè)廢熱的回收與利用工業(yè)廢熱的回收與利用 n 強(qiáng)化傳熱過(guò)程強(qiáng)化傳熱過(guò)程n 削弱傳熱過(guò)程削弱傳熱過(guò)程54.1.2 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 工業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)熱存在于：固體內(nèi)部、接觸良好的工業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)熱存在于：固體內(nèi)部、接觸良好的固體之間、換熱器壁面、流體的層流內(nèi)層固體之間、換熱器壁面、流體的層流內(nèi)層。一、一、 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) (Conduction ) 物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀宏觀的相對(duì)位移，的相對(duì)位移，由微觀粒子由微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞過(guò)程。的熱運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞過(guò)程。l 金屬金屬自由電子的運(yùn)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng)l 氣體氣體分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)

4、動(dòng)l 非金屬、液體非金屬、液體分子、原子振動(dòng)分子、原子振動(dòng) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述-導(dǎo)熱導(dǎo)熱6 工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)流傳熱發(fā)生在固體壁面與流體之間，工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)流傳熱發(fā)生在固體壁面與流體之間，同時(shí)伴有熱傳導(dǎo)同時(shí)伴有熱傳導(dǎo) 。二、二、 對(duì)流對(duì)流 (Convection)流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生宏觀相對(duì)位移而引起的熱量傳遞。流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生宏觀相對(duì)位移而引起的熱量傳遞。按引起質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的原因分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。按引起質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的原因分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 自然對(duì)流：溫度差產(chǎn)生密度差，使流體運(yùn)動(dòng)。自然對(duì)流：溫度差產(chǎn)生密度差，使流體運(yùn)動(dòng)。 強(qiáng)制對(duì)流：依靠外力（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等）強(qiáng)制對(duì)流：依

5、靠外力（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等） 使流體運(yùn)動(dòng)。使流體運(yùn)動(dòng)。-對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱7 物體因熱的原因發(fā)出輻射能，物體因熱的原因發(fā)出輻射能，以電磁波的形式傳以電磁波的形式傳遞熱量遞熱量的過(guò)程。的過(guò)程。l 只有溫度較高時(shí)才成為主要傳熱方式只有溫度較高時(shí)才成為主要傳熱方式l 不需任何介質(zhì)，且伴隨電磁能與熱能的能量形式不需任何介質(zhì)，且伴隨電磁能與熱能的能量形式 的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換三、三、 熱輻射熱輻射 (Radiation )第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程很少是以一種方式進(jìn)行，實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程很少是以一種方式進(jìn)行，而是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換熱就是熱而是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換

6、熱就是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的串聯(lián)過(guò)程。對(duì)流和熱傳導(dǎo)的串聯(lián)過(guò)程。84.1.3 傳熱中冷、熱流體的接觸方式傳熱中冷、熱流體的接觸方式 一、直接混合式一、直接混合式-常用于熱氣體的水冷或熱水的空冷。常用于熱氣體的水冷或熱水的空冷。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 9二、蓄熱式二、蓄熱式常用于氣體余熱的利用第一節(jié)第一節(jié) 概述概述-冷、熱流體交替通過(guò)蓄熱室傳遞熱量101內(nèi)管 2外管三、間壁式三、間壁式第一節(jié)第一節(jié) 概述概述-冷、熱流體用間壁隔開，其型式很多。冷、熱流體用間壁隔開，其型式很多。11第一節(jié)第一節(jié) 概述概述( (間壁式）傳熱步驟：間壁式）傳熱步驟：（1 1）熱流體將熱量傳遞至熱流體將熱量傳遞至固體壁面左側(cè)（

7、固體壁面左側(cè)（對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱）（2 2）熱量自壁面左側(cè)傳遞熱量自壁面左側(cè)傳遞至壁面右側(cè)（至壁面右側(cè)（導(dǎo)熱導(dǎo)熱）（3 3）熱量自壁面右側(cè)傳遞熱量自壁面右側(cè)傳遞至冷流體（至冷流體（對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱）熱熱流流體體冷冷流流體體對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱Q Q導(dǎo)熱導(dǎo)熱T1T2t1t2（4 4）總傳熱面積：總傳熱面積：dlnA固體間壁固體間壁（1）（2）（3）12熱通量熱通量q（熱流密度）：（熱流密度）：?jiǎn)挝粋鳠崦娴膫鳠崴俾?，W/m2AdQdq 傳熱速率傳熱速率Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，J/s或W。 對(duì)于定態(tài)傳熱，通過(guò)換熱器各傳熱面的傳熱速率為對(duì)于定態(tài)傳熱，通過(guò)換熱器各傳熱面的傳熱速率為定值

8、，而熱通量與所選擇的面積有關(guān)，選內(nèi)側(cè)、外側(cè)和定值，而熱通量與所選擇的面積有關(guān)，選內(nèi)側(cè)、外側(cè)和平均面積時(shí)平均面積時(shí)q q值不同。值不同。4.1.4 傳熱速率和熱通量傳熱速率和熱通量第一節(jié)第一節(jié) 概述概述m0iAAA13第一節(jié)第一節(jié) 概述概述傳熱速率（傳熱速率（Q）通式：）通式：tqRtQR阻力（熱阻）推動(dòng)力（溫差）傳熱速率KAttKAQmm1R：整個(gè)傳熱面的熱阻，R：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的熱阻K：比例系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/m2K144.1.5 穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱第一節(jié)第一節(jié) 概述概述穩(wěn)定傳熱：穩(wěn)定傳熱：在傳熱體系中各點(diǎn)的溫度只隨換熱器的位在傳熱體系中各點(diǎn)的溫度只隨換熱器的位 置的變

9、化而變，不隨時(shí)間而變置的變化而變，不隨時(shí)間而變 特點(diǎn)：特點(diǎn)：傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。不穩(wěn)定傳熱：不穩(wěn)定傳熱：若傳熱體系中各點(diǎn)的溫度，既隨位置的若傳熱體系中各點(diǎn)的溫度，既隨位置的 變化，又隨時(shí)間變化。變化，又隨時(shí)間變化。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：傳熱速率、熱通量均為變量。傳熱速率、熱通量均為變量。 化工過(guò)程中連續(xù)生產(chǎn)主要為化工過(guò)程中連續(xù)生產(chǎn)主要為。154.1.6 載熱體及其選擇載熱體及其選擇第一節(jié)第一節(jié) 概述概述1. 1. 載熱體載熱體-提供或取走熱量的流體提供或取走熱量的流體（1 1）加熱介質(zhì)（加熱劑）加熱介質(zhì)（加熱劑）熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔

10、鹽、煙道氣等熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽、煙道氣等（2 2）冷卻介質(zhì)（冷卻劑）冷卻介質(zhì)（冷卻劑） 水、空氣、鹽水、氨蒸汽等水、空氣、鹽水、氨蒸汽等2. 2. 選用原則選用原則溫度易調(diào)，不易分解，無(wú)毒無(wú)害，便宜，易得溫度易調(diào)，不易分解，無(wú)毒無(wú)害，便宜，易得16第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 表表41 常用加熱劑及其適用溫度范圍常用加熱劑及其適用溫度范圍 表表42 常用冷卻劑及其適用溫度范圍常用冷卻劑及其適用溫度范圍17第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（Conduction）4.2.1 傅里葉定律傅里葉定律4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)4.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.4 圓筒壁

11、的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)18 1. 溫度場(chǎng)：任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布情況4.2.1 傅里葉定律傅里葉定律一、一、 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)(Temperature Field)和溫度梯度和溫度梯度),(zyxft ),(zyxft 定態(tài)溫度場(chǎng)：)(xft 定態(tài)一維溫度場(chǎng)：t1 t2 t1t2等溫面等溫面Q 等溫面：等溫面：同一時(shí)刻溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻溫度場(chǎng)中溫度相同溫度相同各點(diǎn)所組成的面。各點(diǎn)所組成的面。溫度不同的等溫面彼此不相交；溫度不同的等溫面彼此不相交；沿等溫面無(wú)熱量傳遞；沿等溫面無(wú)熱量傳遞；沿與等溫面相交的任何方向有熱量傳遞。沿與等溫面相交的任何方向有熱量傳遞。19 2. 溫度梯度溫度

12、梯度(Temperature Gradient)ntnttgradn0lim)(xddttgrad)(定態(tài)一維溫度場(chǎng)： 垂直于等溫面(法線方向），以溫度增加的方向?yàn)檎?溫度沿等溫面垂直方向的變化率，為矢量。4.2.1 傅里葉定律傅里葉定律20dxtdAdxdtAQ二、二、 傅立葉定律傅立葉定律 (Fouriers law)A 導(dǎo)熱面積，m2 導(dǎo)熱系數(shù)，W/mQ 導(dǎo)熱速率，W實(shí)踐證明：導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。實(shí)踐證明：導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比?！啊薄啊碧?hào)表示導(dǎo)熱方向總號(hào)表示導(dǎo)熱方向總是和溫度梯度方向相反是和溫度梯度方向相反。4.2.1 傅里葉定律傅里葉定律21dxdtqx

13、dtdAQl 物質(zhì)的物理性質(zhì)之一物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，越大越大, ,導(dǎo)熱性能越好導(dǎo)熱性能越好 4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)l 定義式定義式單位溫度梯度下的熱通量單位溫度梯度下的熱通量l 與組成、結(jié)構(gòu)、溫度等有關(guān)，用與組成、結(jié)構(gòu)、溫度等有關(guān)，用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定。l 氣體液體非金屬固體金屬固體表表43 物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級(jí)物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級(jí).),(pt22（3）氣體）氣體（2）液體）液體l 液體中，水最大。液體中，水最大。l T，水和甘油水和甘油，其它略，其它略導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，適于保溫隔熱。導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，適于保溫隔熱。T ，)1 (0ta（1）固體：）固體：a 溫度系數(shù)，對(duì)

14、大多數(shù)金屬，溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬，a 0-導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)234.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層平壁（一、單層平壁（Flat-walled）的定態(tài)熱傳導(dǎo)）的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)： 材料均勻，材料均勻，為常數(shù)；為常數(shù)； 面積與厚度相比無(wú)限大，面積與厚度相比無(wú)限大，忽略端熱損失；忽略端熱損失； 溫度僅沿溫度僅沿x方向方向變化，且變化，且不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化一維一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。t1t2txdxQA244.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)210ttbAdt-QdxdxdtAQ)(21ttAbQ阻力推動(dòng)力RtA

15、btt21RtbtAQqxqtxAQtt1125二、多層平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)： 面積相對(duì)于厚度無(wú)限大；面積相對(duì)于厚度無(wú)限大； 各層材料均勻；各層材料均勻； 溫度僅沿溫度僅沿x x變化，不隨時(shí)間變化，不隨時(shí)間變化變化維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)；維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)； 各層接觸面兩側(cè)溫度相同。各層接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2 b11tx b2 b323t2t4t326321QQQQ定態(tài)下：Abtt1121Abtt2232Abtt3343222322QRAbQttt333433QRAbQttt111211QRAbQttt4.2.3 平面壁的定態(tài)

16、熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)27AbAbAbttRRRtQ33221141321)(321321RRRQtttt總阻力總推動(dòng)力321332211321:RRRAbAbAbttt4.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)n1ii1n11n1i1RttAQniiiiibttn層平面壁：284.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)【例例】 一燃燒平壁爐，爐壁由三種材料構(gòu)成，由內(nèi)至外：一燃燒平壁爐，爐壁由三種材料構(gòu)成，由內(nèi)至外： 耐火磚，厚度耐火磚，厚度150mm，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)1.05W/m. 保溫磚，厚度保溫磚，厚度290mm，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)0.15W/m. 普通磚，厚度普通磚，

17、厚度228mm，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)0.81W/m. t1=1016, t4=34。求單位面積的熱損失及接觸面溫度。求單位面積的熱損失及接觸面溫度。解：各層間溫度如圖所示33221141bbbttAQq2/5 .41681. 0228. 015. 029. 005. 115. 0341016mW294.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)5 .9565 .5910165 .595 .4161429. 011211tttqRt4 .1511 .8055 .9651 .8055 .416933. 122322tttqRt4 .117344 .151433ttt304.2.3 平面壁的定態(tài)熱傳

18、導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)2. 總阻力總阻力為各層熱阻之和。即對(duì)多層壁面的定態(tài)熱傳為各層熱阻之和。即對(duì)多層壁面的定態(tài)熱傳 導(dǎo)，傳熱推動(dòng)力和傳熱阻力具有加和性；導(dǎo)，傳熱推動(dòng)力和傳熱阻力具有加和性；3. 多層壁多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱 阻呈正比。阻呈正比?？梢钥闯觯嚎梢钥闯觯? 1. . 過(guò)程的總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和；過(guò)程的總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和；314.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁一、單層圓筒壁(Cylinder)的熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)drdtrLdrdtAQ)2(分離變量，積分得：溫度分布為曲線LRtLrrttrr

19、ttLQ2lnln1)(212211221 傳熱面積傳熱面積A沿?zé)崃總鬟f方向沿?zé)崃總鬟f方向而變化，即傳熱面積而變化，即傳熱面積A隨圓筒的隨圓筒的半徑而變化。半徑而變化。324.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)mAbttQ21221rrrm寫成類似平壁導(dǎo)熱速率方程形式：LrrrrrLAmm2ln)(21212則：對(duì)數(shù)平均半徑(Logarithmic Mean Radius)rr212當(dāng)當(dāng) 時(shí)，用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值（時(shí)，用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值（4%），），LrrttQ2ln1221令：b = r2-r133二、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)二、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)4.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱

20、傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)344.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)321321RRRtttQ類似于多層平面壁，對(duì)三層圓筒壁：類似于多層平面壁，對(duì)三層圓筒壁：LrrLrrLrrtt334223112412ln2ln2ln33322211141mmmAbAbAbtt*bi 為層的厚度Ami為各層平均面積354.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)niinniimiinniiiinRttAbttrrLttQ1111111111ln21364.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)【例例】在在60mm3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40m

21、m的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.07W/（mK）；外層為）；外層為20mm的石棉層，平均導(dǎo)熱系數(shù)的石棉層，平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.15W/（mK）。測(cè)得管內(nèi)壁）。測(cè)得管內(nèi)壁溫度溫度500oC，最外層溫度，最外層溫度80oC，管壁導(dǎo)熱系數(shù)，管壁導(dǎo)熱系數(shù)=45W/（mK）。）。求每米長(zhǎng)的管道上的熱損失和兩層保溫層面的溫度。求每米長(zhǎng)的管道上的熱損失和兩層保溫層面的溫度。解（解（1）求每米管）求每米管長(zhǎng)長(zhǎng)的的熱損熱損失失Q/Lr1=53/2=26.5(mm), r2=60/2=30(mm)r3=30+40=70(mm),r4=70+20=90(mm)t1= 500oC，t4= 80o

22、C1=45W/(mK), 2=0.07W/(mK)3=0.15W/(mK）37 4.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo))70/90ln()15.0/1(8024.191)70/90ln()/1(23343tttLQ解得： t3=131oC （2）求兩保溫層界面的溫度求兩保溫層界面的溫度t3)/(4 .191)70/90ln()15. 0/1 ()30/70ln()07. 0/1 ()5 .26/30ln()45/1 (805002/ln)/1 ()/ln()/1 (/ln/1 (234323212141mWrrrrrrttLQ）38第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 (Convectio

23、n)4.3.1 對(duì)流傳熱分析對(duì)流傳熱分析4.3.2 對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)394.3.1 對(duì)流傳熱分析對(duì)流傳熱分析 當(dāng)流體沿壁面呈當(dāng)流體沿壁面呈湍流流動(dòng)湍流流動(dòng)時(shí)，臨近壁面處總有一層時(shí)，臨近壁面處總有一層層流內(nèi)層（底層）層流內(nèi)層（底層）存在，在此薄層內(nèi)流體成存在，在此薄層內(nèi)流體成層流流動(dòng)層流流動(dòng)。在層流內(nèi)層和湍流主體之間為在層流內(nèi)層和湍流主體之間為緩沖層（過(guò)渡流緩沖層（過(guò)渡流)。 對(duì)流傳熱當(dāng)流體流過(guò)固體壁面，因流體溫度與壁面對(duì)流傳熱當(dāng)流體流過(guò)固體壁面，因流體溫度與壁面溫度不同時(shí)發(fā)生的傳熱過(guò)程。溫度不同時(shí)發(fā)生的傳熱過(guò)程。404.3.1 對(duì)流傳熱分析對(duì)流傳熱分

24、析湍流主體湍流主體: :流體質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)劇烈，傳熱熱阻很小，溫差極流體質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)劇烈，傳熱熱阻很小，溫差極小，各處溫度基本相同。小，各處溫度基本相同。層流底層層流底層: :在傳熱方在傳熱方向上因無(wú)質(zhì)點(diǎn)位移，傳向上因無(wú)質(zhì)點(diǎn)位移，傳熱方式主要為熱方式主要為熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)，傳熱溫度差大，熱阻大。傳熱溫度差大，熱阻大。過(guò)渡流層過(guò)渡流層: :傳熱方式傳熱方式既有既有熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)又有又有對(duì)流對(duì)流，有一定的溫度差及熱阻。有一定的溫度差及熱阻。414.3.2 對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)424.3.2 對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)一、對(duì)流傳熱速率方程一、

25、對(duì)流傳熱速率方程 牛頓公式牛頓公式tAttwAQ 有效滯流膜理論: 將所有的傳熱阻力都集中在厚度為 （=b+f ) 的一層層流膜中，其中的傳熱方式為導(dǎo)熱，依 據(jù)傅里葉定律，有：AttQw令：牛頓公式牛頓公式43 定義：tAQ二、對(duì)流傳熱系數(shù)二、對(duì)流傳熱系數(shù)l 單位溫度差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率l 不是物性，而是受多種因素影響的一個(gè)參數(shù)W/m2.l 常用對(duì)流傳熱的值范圍可查表4.3.2 對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù)44第四節(jié)第四節(jié) 傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算4.4.1 熱量衡算熱量衡算4.4.2 總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程4.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱

26、系數(shù)4.4.4 傳熱平均溫差傳熱平均溫差4.4.5 傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例454.4.1 熱量衡算熱量衡算換熱器的熱負(fù)荷換熱器的熱負(fù)荷Q：換熱器在單位時(shí)間內(nèi)冷、熱流體換熱器在單位時(shí)間內(nèi)冷、熱流體所交換的熱量稱為換熱器的熱負(fù)荷。所交換的熱量稱為換熱器的熱負(fù)荷。 J/s或或W。1. 區(qū)別：區(qū)別： 傳熱速率傳熱速率: 換熱器單位時(shí)間能夠傳遞的熱量，是換熱換熱器單位時(shí)間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力，主要由換熱器自身的性能決定。器的生產(chǎn)能力，主要由換熱器自身的性能決定。 熱負(fù)荷熱負(fù)荷: 生產(chǎn)上要求換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，生產(chǎn)上要求換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，是由生產(chǎn)任務(wù)決定的。是由生產(chǎn)任

27、務(wù)決定的。熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系：熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系： 2. 聯(lián)系聯(lián)系 為確保換熱器能完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱為確保換熱器能完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱速率須大于至少等于其熱負(fù)荷。速率須大于至少等于其熱負(fù)荷。464.4.1 熱量衡算熱量衡算)()(1221ccpcchhphhttcWTTcWQ1. 若兩流體無(wú)相變，且cp 為常數(shù)，則： 2. 若熱流體有相變，如飽和蒸汽冷凝，則： )(12ttcWrWQpcch低于Ts下離開)()(122ttcWTTcrWQpccsphh冷凝液在Ts（飽和溫度）下離開T-熱 t-冷 h-熱 c-冷 1-進(jìn) 2-出式中：式中：r為飽和蒸汽冷凝潛熱；為飽和蒸汽冷

28、凝潛熱；s為冷凝液的飽和溫度為冷凝液的飽和溫度 熱流體放出的熱量被冷流體所吸收，冷流體熱流體放出的熱量被冷流體所吸收，冷流體獲得的熱量等于熱流體放出的熱量獲得的熱量等于熱流體放出的熱量-熱量衡算。熱量衡算。474.4.2 總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程 通過(guò)間壁換熱器任一微元面積通過(guò)間壁換熱器任一微元面積dA，流體間進(jìn)行傳熱，流體間進(jìn)行傳熱的總傳熱速率方程，可仿照對(duì)流傳熱速率方程寫出，即：的總傳熱速率方程，可仿照對(duì)流傳熱速率方程寫出，即：一、間壁式換熱器總傳熱速率微分方程一、間壁式換熱器總傳熱速率微分方程tdAKdAtTKdQ)(48tdAKdAtTKdQ)(4.4.2 總傳熱速率微分方

29、程總傳熱速率微分方程 式中：式中：dQ通過(guò)微元傳熱面積通過(guò)微元傳熱面積dA的傳熱速率，的傳熱速率，W； K局部總傳熱溫度系數(shù)，局部總傳熱溫度系數(shù)， W/（m. ）；）； t局部傳熱溫度差，局部傳熱溫度差，； T換熱器任一截面的熱流體的溫度，換熱器任一截面的熱流體的溫度，； t換熱器任一截面的冷流體的溫度，換熱器任一截面的冷流體的溫度，。 上式為上式為總傳熱速率微分方程式總傳熱速率微分方程式，也是總傳熱系數(shù)，也是總傳熱系數(shù)K的的定義式定義式。4900)(dAtTKdQ 如無(wú)特別說(shuō)明，手冊(cè)中的如無(wú)特別說(shuō)明，手冊(cè)中的K指指KoiidAtTK)(mmdAtTK)(4.4.2 總傳熱速率微分方程總傳熱速

30、率微分方程其他形式：其他形式：tdAKdAtTKdQ)(50 間壁式傳熱的三個(gè)步驟：間壁式傳熱的三個(gè)步驟：（1）熱流體）熱流體對(duì)流對(duì)流管壁管壁（2）熱管壁）熱管壁傳導(dǎo)傳導(dǎo)冷管壁冷管壁（3）冷管壁）冷管壁對(duì)流對(duì)流冷流體冷流體001)(dATTdQwmwwdAtTbdQ)(2iwidAttdQ)(34.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)（Overall Heat-transfer Coefficient)二、總傳熱系數(shù)二、總傳熱系數(shù) K對(duì)流對(duì)流對(duì)流對(duì)流傳導(dǎo)傳導(dǎo)51iimdAdAbdAtTdQ11004.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 對(duì)比與：dAtTKdQ)( 則得：則得：總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)與各與各分傳

31、熱系數(shù)分傳熱系數(shù)的關(guān)系為：的關(guān)系為：iimooAAbAAK111對(duì)于穩(wěn)定傳熱：dQ = dQ1= dQ2 = dQ3001dATTdQwmwwdAbtTiiwdAtt1524.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 對(duì)于平壁，A = Ao = Am = AiiobK111對(duì)于圓筒壁，如以外表面Ao為基準(zhǔn)，則K記為Ko，iimoobKA1AA1A1iimoooobKA1AA1A1ioimoooAAAAbK111即：ioimoooddddbK111或：534.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 同理，如以內(nèi)表面Ai為基準(zhǔn)，則K記為Ki，iimooiibKA1AA1A1imioioiAAbAAK111即：imioi

32、oiddbddK111或：同理，如以平均表面Am為基準(zhǔn)，則K記為Km，iimoommbKA1AA1A1imiomombKAA1AA11即：imiomomddbddK111或：544.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 以內(nèi)表面Ai為基準(zhǔn)：imioioiddbddK111 以平均表面Am為基準(zhǔn)：imiomomddbddK111 以外表面Ao為基準(zhǔn)：ioimoooddddbK111 平面壁：iobK111554.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 【例例】某列管換熱器的管束由某列管換熱器的管束由252.5mm的鋼管（的鋼管（=45 Wm-1K-1）組成，熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣呈逆流流動(dòng)。已）組成，

33、熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣呈逆流流動(dòng)。已知管內(nèi)熱空氣側(cè)的知管內(nèi)熱空氣側(cè)的i 為為 50 Wm-2K-1，管外水側(cè)的，管外水側(cè)的o為為 1000 Wm-2K-1，試求基于管外表面的傳熱系數(shù)，試求基于管外表面的傳熱系數(shù) Ko 和基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)和基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù) Ki ，并比較，并比較Ko Ao和和Ki Ai。 解：解：按圓管公式計(jì)算，基于外表面時(shí)：按圓管公式計(jì)算，基于外表面時(shí)：ooiioo1b1mAAAAKooiio1bmdddd代入已知數(shù)據(jù)計(jì)算得：代入已知數(shù)據(jù)計(jì)算得：1202606. 01WKmKo124 .38KmWKo564.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 計(jì)算結(jié)果表明，選取

34、不同的傳熱表面，計(jì)算所得計(jì)算結(jié)果表明，選取不同的傳熱表面，計(jì)算所得K值不同，但值不同，但KA是相同的??？是相同的??？ 若以內(nèi)表面為參考得：若以內(nèi)表面為參考得：1202085. 011WKmAAbAAKimiooii1248KmWKi1121201301504801. 30785. 04 .38KW.ldKAKKWmKmWldKAKiiiioooo對(duì)一根管取單位長(zhǎng)度有：對(duì)一根管取單位長(zhǎng)度有：57 換熱器的總傳熱系數(shù)主要與流體的物性和流動(dòng)狀態(tài)換熱器的總傳熱系數(shù)主要與流體的物性和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，下表為列管式換熱器的總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。有關(guān)，下表為列管式換熱器的總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。4.4.3 總傳熱系數(shù)

35、總傳熱系數(shù) 58三、污垢熱阻三、污垢熱阻iiisimsddddRdbdRK00000011總熱阻：l 若傳熱面為平壁或薄壁時(shí)：l 當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)： isisRbRK111000iK111004.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 換熱器在一段時(shí)間運(yùn)行后，傳熱壁面往往積存一層換熱器在一段時(shí)間運(yùn)行后，傳熱壁面往往積存一層污垢，對(duì)傳熱形成了附加（額外）熱阻，稱為污垢，對(duì)傳熱形成了附加（額外）熱阻，稱為污垢熱阻污垢熱阻。因此在估算因此在估算K值時(shí)，一般不能忽略污垢熱阻。值時(shí)，一般不能忽略污垢熱阻。59污垢熱阻污垢熱阻m2/W污垢熱阻污垢熱阻m2/W水水(u1m/s, t50) 蒸氣蒸氣 海水

36、海水0.0001 有機(jī)蒸汽有機(jī)蒸汽 0.0002 河水河水0.0006 水蒸氣水蒸氣(不含油不含油)0.0001 井水井水0.00058 水蒸氣廢氣水蒸氣廢氣(含油含油)0.0002 蒸餾水蒸餾水0.0001 制冷劑蒸汽制冷劑蒸汽(含油含油)0.0004 鍋爐給水鍋爐給水0.00026氣體氣體 未處理的涼水塔用水未處理的涼水塔用水0.00058 空氣空氣0.0003 經(jīng)處理的涼水塔用水經(jīng)處理的涼水塔用水0.00026 壓縮氣體壓縮氣體0.0004 多泥沙的水多泥沙的水0.0006 天然氣天然氣0.002 鹽水鹽水0.0004 焦?fàn)t氣焦?fàn)t氣0.0024.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 604.4.

37、3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 【例】【例】列管換熱器由列管換熱器由 252.5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆流流動(dòng)。已知管內(nèi)側(cè)空氣的冷卻水在管間與空氣呈逆流流動(dòng)。已知管內(nèi)側(cè)空氣的 i為為50W/ (m2)，管外水側(cè)的，管外水側(cè)的 o為為1000 W/(m2)，鋼的，鋼的 為為45 W/(m)?？湛諝鈧?cè)污垢熱阻氣側(cè)污垢熱阻Rsi = 0.510-3 m2 /W，水，水側(cè)污垢熱阻側(cè)污垢熱阻Rso = 0.210-3 m2 /W。 試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)Ko。解：由解：由其中其中 do=0.025m, di=0.0

38、20m, b=(do- di)/2=0.0025m dm= (do-di)/ln(do/di)=(25-20)/ln(25/20) =22.4mm=0.0224m代入數(shù)據(jù)得：代入數(shù)據(jù)得：Ko=37.2 W/(m2) iosiioimosoooddRddddbRK111614.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 【例】【例】在上例中，若管壁在上例中，若管壁和污垢的熱阻可忽略，為了提高總傳熱系和污垢的熱阻可忽略，為了提高總傳熱系數(shù)，在其它條件不變的情況下，分別提高不同流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，數(shù)，在其它條件不變的情況下，分別提高不同流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，即：即：(1) 將將 i提高一倍；提高一倍；(2) 將將

39、o提高一倍。試分別計(jì)算提高一倍。試分別計(jì)算Ko。解：解： (1) 將將 i提高一倍，提高一倍， i250100 W/(m2) Ko = 74 W/(m2) (2)將將 o提高一倍，提高一倍， o210002000 W/(m2)，Ko=39 W/(m2)討論討論： i 50 100 ， Ko = 74 o 1000 2000， Ko = 39 ioiooddK111原原Ko=37.2 W/(m2) 計(jì)算表明：提高大給熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)基本不變；提高小給計(jì)算表明：提高大給熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)基本不變；提高小給熱系數(shù)熱系數(shù)1倍，總傳熱系數(shù)提高近倍，總傳熱系數(shù)提高近1倍。倍。62 （1）K值永遠(yuǎn)接近且小

40、于值永遠(yuǎn)接近且小于?。嶙璐螅﹤?cè)流體的?。嶙璐螅﹤?cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)值。所以，提高對(duì)流傳熱系數(shù)值。所以，提高K值的途徑是提高小值的途徑是提高小。四四 、關(guān)于提高、關(guān)于提高K值的討論值的討論iiisimsddddRdbdRK00000011 （2）兩）兩接近時(shí)，須同時(shí)提高兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)值。接近時(shí)，須同時(shí)提高兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)值。 （3）污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為傳熱的主要阻力：加強(qiáng)水）污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為傳熱的主要阻力：加強(qiáng)水質(zhì)處理、加阻垢劑、定期除垢（機(jī)械、化學(xué)）。質(zhì)處理、加阻垢劑、定期除垢（機(jī)械、化學(xué)）。4.4.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 634.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳

41、熱平均溫差mtKAQ前提： K為常量； 用一平均溫差tm代替溫差（T-t），視為常量。進(jìn)行積分：對(duì)dAtTKdQ)(總傳熱速率方程總傳熱速率方程A換熱器的總傳熱面積tm兩流體在整個(gè)換熱器內(nèi)的平均溫差K總傳熱系數(shù)一、總傳熱速率方程一、總傳熱速率方程644.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差二、傳熱平均溫度差二、傳熱平均溫度差tm的計(jì)算的計(jì)算 按照參與熱交換的兩種流體在沿著換熱器壁面流動(dòng)按照參與熱交換的兩種流體在沿著換熱器壁面流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度變化的情況，可將傳熱分為：時(shí)各點(diǎn)溫度變化的情況，可將傳熱分為： 恒溫差傳熱；恒溫差傳熱； 變溫差傳熱。變溫差傳熱。 651、恒溫傳

42、熱時(shí)的平均溫度差、恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差tTtm任一截面上，4.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差 兩種流體進(jìn)行熱交換時(shí)，在沿傳熱壁面的不同位兩種流體進(jìn)行熱交換時(shí)，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時(shí)間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳置上，在任何時(shí)間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱。騰液體間的傳熱。 式中：式中：T熱流體的溫度熱流體的溫度，t冷流體的溫度冷流體的溫度。 662、變溫傳熱時(shí)的平均溫度差、變溫傳熱時(shí)的平均溫度差4.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳

43、熱速率方程與傳熱平均溫差 在傳熱過(guò)程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱在傳熱過(guò)程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時(shí)溫度不同。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體壁面，在不同位置時(shí)溫度不同。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動(dòng)方向大致可分為下列四種情況：流動(dòng)方向大致可分為下列四種情況： 并流并流: 兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以相同相同的方向流動(dòng)。的方向流動(dòng)。 逆流逆流: :兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以相反相反的方向流動(dòng)。的方向流動(dòng)。并流并流12逆流逆流12傳熱面674.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差 錯(cuò)流錯(cuò)流： 換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)彼

44、此呈換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)彼此呈垂直垂直方向流動(dòng)。方向流動(dòng)。 折流折流：簡(jiǎn)單折流：一側(cè)流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一側(cè)的流體作折簡(jiǎn)單折流：一側(cè)流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一側(cè)的流體作折 流，使兩側(cè)流體間有流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流并流與逆流的交替存在。的交替存在。復(fù)雜折流：參與熱交換的雙方流體均作復(fù)雜折流：參與熱交換的雙方流體均作折流折流。 684.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差3. 3. 逆流和并流時(shí)的平均溫度差逆流和并流時(shí)的平均溫度差傳熱為穩(wěn)定操作過(guò)程。傳熱為穩(wěn)定操作過(guò)程。兩流體的比熱為常量。兩流體的比熱為常量?？倐鳠嵯禂?shù)總傳熱系數(shù)K為常量。為常量。換熱

45、器的熱損失可忽略。換熱器的熱損失可忽略。以逆流為例：熱量衡算微分方程為以逆流為例：熱量衡算微分方程為 dQ= -Wh cphdT= Wc cpcdt 根據(jù)假定有：根據(jù)假定有：常量phhcWdTdQ常量pcccWdtdQ假設(shè)：假設(shè)：694.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差Q T和和Q t為直線關(guān)系，即為直線關(guān)系，即 T=mQ+k t=mQ+kt =T-t = (m-m)Q + (k-k)溫度溫度T1傳熱面?zhèn)鳠崦鍭T2t1t1t2t20704.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差從上式可以看出：從上式可以看出： t Q關(guān)系呈直線，其斜率為

46、：關(guān)系呈直線，其斜率為：QttdQtd21)(QtttdKtd21A)(將總傳熱速率微分方程代入上式，則有將總傳熱速率微分方程代入上式，則有由于由于K為常量，積分上式有為常量，積分上式有A012A)(121dQttttdKtt714.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差A(yù)ln11212QttttKmtKttttKQAlnA12121212lntttttm（1）當(dāng)）當(dāng)t2/ t1 2時(shí)，可用時(shí)，可用(t2+t1)/2代替對(duì)數(shù)平均溫度差。代替對(duì)數(shù)平均溫度差。（2） 應(yīng)用上式求應(yīng)用上式求tm時(shí)，一般取時(shí)，一般取t2t1。（3）上式對(duì)并流也適用。）上式對(duì)并流也適用。 對(duì)數(shù)平

47、均溫差對(duì)數(shù)平均溫差(Logarithmic Average Temperature Difference)724.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差出進(jìn)tTt1進(jìn)出tTt2逆流：T進(jìn)T出t出t進(jìn)t1t2并流：t1t2T進(jìn)T出t進(jìn)t出進(jìn)進(jìn)tTt1出出tTt2A734.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差【例例】套管換熱器用套管換熱器用20的冷卻水將某溶液從的冷卻水將某溶液從100冷卻冷卻至至60，溶液流量，溶液流量1500kg/h，溶液比熱，溶液比熱3.5kJ /(kg)，已測(cè)得水出口溫度為已測(cè)得水出口溫度為40，分別計(jì)算并流與逆流時(shí)的對(duì)

48、，分別計(jì)算并流與逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時(shí)總傳熱系數(shù)數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時(shí)總傳熱系數(shù)K=1000 W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。解：逆流和并流的平均溫差分別是：解：逆流和并流的平均溫差分別是：C3 .49206040100ln)2060()40100(,逆mtC3 .43406020100ln)4060()20100(,并mt逆流逆流并流并流74 結(jié)論：結(jié)論：l 其他條件一定時(shí)，逆流其他條件一定時(shí)，逆流tm比并流大，可節(jié)省傳熱面積。比并流大，可節(jié)省傳熱面積。l 若有一方恒溫，不必考慮流動(dòng)方向若有一方恒溫，不必考慮流

49、動(dòng)方向4.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差3121115003.5 101006058300W3600pQW CTT2583001.18m1000 49.3mQAK t逆逆2583001.35m1000 43.3A 并傳熱負(fù)荷為：傳熱負(fù)荷為：逆流操作和并流操作時(shí)換熱器的面積分別是：逆流操作和并流操作時(shí)換熱器的面積分別是：754. 錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫差錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫差Underwood-Bowman圖算法圖算法mtmtt)(PRft、溫差校正系數(shù)按逆流計(jì)算的平均溫差tmt4.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差 先按純逆流情況求

50、得對(duì)數(shù)平均溫度差，然后再乘以校正系數(shù)，即先按純逆流情況求得對(duì)數(shù)平均溫度差，然后再乘以校正系數(shù)，即式中式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 熱流體的溫降熱流體的溫降/冷流體的溫升冷流體的溫升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流體的溫升冷流體的溫升/兩流體的最初溫差兩流體的最初溫差 根據(jù)冷、熱流體進(jìn)、出口的溫度，依上式求出根據(jù)冷、熱流體進(jìn)、出口的溫度，依上式求出R和和P值后，校值后，校正系數(shù)正系數(shù)t值可根據(jù)值可根據(jù)R和和P兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。（P232） 76單殼程4.4.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差77雙殼程4.4

51、.4 總傳熱速率方程與傳熱平均溫差總傳熱速率方程與傳熱平均溫差784.4.5 傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例mtKAQ設(shè)計(jì)型：設(shè)計(jì)型：操作型：操作型：根據(jù)工藝要求的傳熱量，確定傳熱面積。判斷某一換熱器能否滿足生產(chǎn)要求，或預(yù)測(cè)某些參數(shù)變化后，換熱器傳熱能力的變化。（無(wú)相變?。?()(1221ccpcchhphhttcWTTcWQiiisimsddddRdbdRK000000111212lntttttm計(jì)計(jì)算算依依據(jù)據(jù)79【例】有一套管換熱器，熱流體走內(nèi)管，進(jìn)、出口溫度有一套管換熱器，熱流體走內(nèi)管，進(jìn)、出口溫度分別為分別為120和和70；冷流體走環(huán)隙，進(jìn)、出口溫度分；冷流體走環(huán)隙，進(jìn)、出口溫度分

52、別為別為20和和60，逆流操作?，F(xiàn)把換熱管加長(zhǎng)，使傳熱，逆流操作?，F(xiàn)把換熱管加長(zhǎng)，使傳熱面積增大一倍，若兩流體的流量及進(jìn)口溫度保持不變，面積增大一倍，若兩流體的流量及進(jìn)口溫度保持不變，求熱、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)在前、后工況下，求熱、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)在前、后工況下，流體的物性數(shù)據(jù)和換熱器的流體的物性數(shù)據(jù)和換熱器的K值均沒(méi)有變化。值均沒(méi)有變化。解：1.在原工況下：)()(12222111ttCWTTCWpp8 . 021122211TTttCWCWppmptKATTCWQ)(211111102111mptTTCWKA4.4.5 傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例802. 在新工況

53、下21002)20() 120(2222tTTttm)20() 120(222211tCWTCWpp)(8 . 012020221122aCWCWTtpp)(1110)2100(2120222btTT聯(lián)立（a）和（b）求解，T2=51，t2=75.22) 120(211mptKATCWQ11102120112pmCWKAtT4.4.5 傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例傳熱計(jì)算應(yīng)用舉例81第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式4.5.1 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素4.5.2 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)

54、相變時(shí)的對(duì)流傳熱824.5.1 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素 由于對(duì)流傳熱的多樣性，有必要將問(wèn)題分類加以研究。由于對(duì)流傳熱的多樣性，有必要將問(wèn)題分類加以研究。對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)無(wú)相變無(wú)相變有相變有相變強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流自然對(duì)流管內(nèi)管內(nèi)管外管外圓圓形形直直管管彎彎管管非非圓圓形形直直管管管束管束外的外的垂直垂直流動(dòng)流動(dòng)管管間間流流動(dòng)動(dòng)蒸蒸氣氣冷冷凝凝液液體體沸沸騰騰4.5.1 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素 834.5 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1. 流體的種類(氣、液、蒸氣)和相變化(有、無(wú))情況3. 流體的流動(dòng)類型(

55、層、 湍流)4. 對(duì)流的種類(自然、強(qiáng)制)5. 傳熱面的形狀、布置和大小2. 流體的物性( )、pc844.5.2 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立一、無(wú)相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流的影響因素一、無(wú)相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流的影響因素)(uclfp、通過(guò)因次分析因次分析，得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：)(reuPRfN、二、無(wú)相變自然對(duì)流的影響因素二、無(wú)相變自然對(duì)流的影響因素)(tgclfp、準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：)(rruPGN、式中：gt表示流體由于溫差t而產(chǎn)生的浮升力， 稱為流體的體積膨脹系數(shù)，因次為1/。85LuLpC223tlg4.5.2 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立864.5.2 對(duì)流傳熱

56、系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時(shí)，應(yīng)注意以下三個(gè)方面的問(wèn)題。在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時(shí)，應(yīng)注意以下三個(gè)方面的問(wèn)題。 定性溫度定性溫度： t t定定 取流體進(jìn)，出口溫度的算術(shù)平均值作為取流體進(jìn)，出口溫度的算術(shù)平均值作為 定性溫度；定性溫度；高粘度流體用壁溫作粘度定高粘度流體用壁溫作粘度定 性溫度；冷凝傳熱取冷凝液主體溫度和性溫度；冷凝傳熱取冷凝液主體溫度和 壁溫的算術(shù)平均值作為定性溫度。壁溫的算術(shù)平均值作為定性溫度。特征尺寸特征尺寸： 傳熱面的幾何因素有時(shí)是很復(fù)雜的，一傳熱面的幾何因素有時(shí)是很復(fù)雜的，一 般選取對(duì)傳般選取對(duì)傳熱起決定作用的幾何因素作熱起決定作用的

57、幾何因素作 為特征尺寸，管內(nèi)流動(dòng)取管內(nèi)徑作為特征為特征尺寸，管內(nèi)流動(dòng)取管內(nèi)徑作為特征 尺寸；非圓形管取當(dāng)量直徑作為特征尺寸。尺寸；非圓形管取當(dāng)量直徑作為特征尺寸。應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍： 只能在實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)應(yīng)用。只能在實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)應(yīng)用。Nu、Re874.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱1. 1. 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流nrePRNu8 . 0023. 0npiicudd)()(023. 08 . 0即：（1 1）低粘度液體（小于）低粘度液體（小于2 2倍常溫水的粘度）倍常溫水的粘度）一、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱一、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱n 流體被加熱時(shí)

58、取0.4，被冷卻時(shí)取0.3應(yīng)用范圍： 410eR1207 .0rP60idL特征尺寸L：di（取管內(nèi)徑） 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值 88:)(14. 0w14. 033. 08 . 0)(027. 0wreiPRd（2 2）高粘度液體）高粘度液體液體被加熱1.05，被冷卻0.95定性溫度：定性溫度：w 取壁溫時(shí)粘度，取壁溫時(shí)粘度，其余各物性取液體其余各物性取液體 平均溫度作定性溫度。平均溫度作定性溫度。校正熱流方向的影響4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱160ld應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re10000；0.7Pr16700；特征尺寸特征尺寸L：取管內(nèi)徑：取管內(nèi)徑d

59、i。892. 流體在圓形直管中作強(qiáng)制過(guò)渡流流體在圓形直管中作強(qiáng)制過(guò)渡流 8 . 151061eRf4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： Re = 230010000按湍流傳熱的公式計(jì)算值，然后乘以修正系數(shù) f ：903. 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流14. 03/13/13/1)()(86. 1WireuLdPRN應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 2300eR67006 . 0rP100)(LdPRire4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱特征尺寸特征尺寸L：取管內(nèi)徑：取管內(nèi)徑di。定性溫度：定性溫度：w 取壁溫時(shí)粘度，取

60、壁溫時(shí)粘度，其余各物性取液體其余各物性取液體 平均溫度作定性溫度。平均溫度作定性溫度。914. 流體在彎管中強(qiáng)制對(duì)流流體在彎管中強(qiáng)制對(duì)流)77.11 (Rdi4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱di為管內(nèi)徑，為管內(nèi)徑，R為彎曲半徑。為彎曲半徑。 直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)925. 流體在非圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在非圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流將管內(nèi)徑di改為de，仍用上述關(guān)聯(lián)式。如套管專用公式：如套管專用公式： 318 . 05 . 012)(02. 0reePRddd應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： ，22000012000eR7 . 165. 112dd4.5.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱流體無(wú)