化工原理第四篇傳熱課件

1、第四章 傳熱 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 第三節(jié) 對流傳熱 第四節(jié) 傳熱過程計算第五節(jié) 熱輻射第六節(jié) 換熱器一、傳熱在化學(xué)工程中的應(yīng)用二、傳熱的基本方式熱傳導(dǎo)(conduction);熱對流(convection);熱輻射(radiation)。 化工產(chǎn)品加工過程中的溫度控制以及各種單元操作（如裂解、重整、聚合等）對溫度有一定的要求。 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(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：4.1 概述 1、熱傳導(dǎo) 氣體 分子做不規(guī)則熱運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果 固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動 非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動實現(xiàn) 液體 機(jī)理復(fù)雜特點：靜止介質(zhì)中的傳

2、熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移強(qiáng)制對流： 因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對流稱為強(qiáng)制對流。 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(qiáng)制對流。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。2、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。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)。 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

3、熱方式很少單獨出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔二、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T1T2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t1t2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 飽和水蒸氣熱負(fù)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。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

4、遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。一、基本概念非穩(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。三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2)或W/(m2K)； Q傳熱速率，W或J/s； A總傳熱面積，m2； tm兩流體的平均溫差，或K。 總傳熱速率方程：穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度場(temperature field)：某一瞬間空間中各點的溫度分布，稱為溫度場.式中：t 溫度； x, y, z 空間坐標(biāo)； 時間。 物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)，即 t = f (x，y，z，)4.2 熱傳導(dǎo)一、 傅立葉定律1

5、 溫度場和溫度梯度 不穩(wěn)定溫度場 穩(wěn)定溫度場 一維溫度場：若溫度場中溫度只沿著一個坐標(biāo)方向變化。 一維溫度場的溫度分布表達(dá)式為： t = f (x,) 等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。 t1t2t1t2等溫面Q等溫面的特點： （1）等溫面不能相交；（2）沿等溫面無熱量傳遞。 注意：沿等溫面將無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。 對于一維溫度場，等溫面x及(x+x)的溫度分別為t(x,)及t(x+x,)，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為： 溫度梯度: 溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以

6、溫度增加的方向為正。t+tt-ttnQdA 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單位時間傳導(dǎo)的熱量，簡稱傳熱速率，w A導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2 導(dǎo)熱系數(shù)(thermal conductivity)，w/m.k。式中的負(fù)號指熱流方向和溫度梯度方向相反。 2 傅立葉定律熱導(dǎo)率 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 = f(結(jié)構(gòu), 組成, 密度, 溫度, 壓力） 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)1.固體熱導(dǎo)率 金屬材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK)

7、 絕熱材料 10-210-1 W/(mK)在一定溫度范圍內(nèi)：對大多數(shù)金屬材料a 0 ， t 2.液體熱導(dǎo)率 金屬液體較高，非金屬液體低； 非金屬液體水的最大； 水和甘油：t ， 其它液體：t ，0.090.6 W/(mK)3.氣體熱導(dǎo)率 t ， 一般情況下，隨p的變化可忽略； 氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。0.0060.4 W/(mK)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)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。二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 單層平壁的熱傳導(dǎo)傅立葉定律：

8、 邊界條件為： 取dx的薄層，作熱量衡算： 得： 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； 平壁的熱導(dǎo)率，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，。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 不隨t變化， tx成呈線形關(guān)系。3當(dāng)隨t變化時若隨t變化關(guān)系為：則tx呈拋物線關(guān)系。 如：1t1，2t2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1，2，3，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

9、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) 第一層 第三層第二層對于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：Q1=Q2=Q3=Q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。 例：某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層厚10cm，填以絕熱材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70w/mk，絕熱材料的熱導(dǎo)率為0.04w/mk，墻外表面溫度為10 ，內(nèi)表面為-5 ，試計算進(jìn)入冷庫的熱流密度及絕熱材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。按溫度差分配計算t2、t3解： 根據(jù)題意，已知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=

10、 3= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk。按熱流密度公式計算q：Qt2t1r1rr2drL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=2rL。三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)根據(jù)傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為邊界條件 得：設(shè)不隨t而變 式中 Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； 熱導(dǎo)率，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度，； r1,r2 圓筒壁內(nèi)外半徑，m。

11、討論：1上式可以為寫 對數(shù)平均面積對數(shù)平均半徑2 3圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為tr成對數(shù)曲線變化(假設(shè)不隨t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。r1r2r3r4t1t2t3t4 對穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，單位時間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。 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)1，2，3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) 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算，可參照多層平壁。 對于第一、二、

12、三層圓筒壁有根據(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。例 在一603.5mm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)=0.07W/m，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)=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)=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=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3

13、=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m保溫層界面溫度t3解得 t3=131.2 對流傳熱：是在流體流動進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質(zhì)點的移動進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動情況密切相關(guān)。 當(dāng)流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對流）的方式進(jìn)行。 4.3 對流傳熱一、對流傳熱的基本概念傳熱過程高溫流體湍流主體壁面兩側(cè)層流底層湍流主體低溫流體湍流主體對流傳熱溫度分布均勻?qū)恿鞯讓訉?dǎo)熱溫度梯度大壁面導(dǎo)熱(導(dǎo)熱系數(shù)較流體大)有溫度梯度不同區(qū)域的傳熱特性：傳熱邊界層（thermal boundary layer） ：溫度邊界

14、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鱾鳠崾疽鈭D式中 Q對流傳熱速率，W； A傳熱面積，m2 t對流傳熱溫度差， t= T-TW或t= t-tW，； T熱流體平均溫度，； TW與熱流體接觸的壁面溫度，； t冷流體的平均溫度，； tW與冷流體接觸的壁面溫度，； a對流傳熱系數(shù)(heat transfer confficient)，W/m2K（或W/m2）。 簡化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚度為t的有效膜內(nèi)，但有效膜的厚度t又難以測定，所以以代替/t 而用下式描述對流傳熱的基本關(guān)系

15、Q= A（T-Tw）二、對流傳熱速率牛頓冷卻定律Q= A（tw-t） 三、 影響對流傳熱系數(shù)的主要因素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(qiáng)制對流：由于外力和壓差而引起的流動。 強(qiáng) 自 2.流體的物性 ，cp 5. 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 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。通過因

16、次分析可得，在無相變時，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：即四、對流傳熱中的因次分析準(zhǔn)數(shù)符號及意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）Nu=l/ 表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds）Re=lu/ 確定流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）Pr=cp/ 表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù) 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對流傳熱系數(shù)時，不能超出實驗條件范圍。在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時應(yīng)注意以下幾點：1、應(yīng)用范圍2、特性尺寸 無因次準(zhǔn)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

17、寸。3、定性溫度 流體在對流傳熱過程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)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(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。4、準(zhǔn)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。簡化： 強(qiáng)制對流 Nu=f (Re, Pr) 自然對流 Nu=f (Pr, Gr)Nu=0.023Re0.8Prn 式中n值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時，n=0.4，被冷卻時，n=0.3。應(yīng)用范圍 ： Re10000，0.7Pr50。若 L/di10000，0.7Pr60。特性尺寸 取管內(nèi)徑定性溫度 除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算

18、術(shù)平均值。當(dāng)液體被加熱時（/w）0.14=1.05當(dāng)液體被冷卻時（/w）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 例： 常壓下，空氣以15m/s的流速在長為4m，603.5mm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(qiáng)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=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/

19、0.053=75.560 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68W/m2 本題中空氣被加熱,k=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)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(dāng)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（/w）0.14 應(yīng)用范圍： Re2300，0.6Pr10。 特性

20、尺寸：取管內(nèi)徑di 定性溫度： 除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的 算術(shù)平均值。1.2 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流 當(dāng)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，按下式計算應(yīng)用范圍：Re50； 當(dāng)管子較短，l/d 膜 冷凝過程的熱阻冷凝液膜膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)1.1水平管束外定性溫度：tSr，其它膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù)r飽和蒸汽的冷凝潛熱1.2蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝qm冷凝液量，kg/sM冷凝負(fù)荷，kg/s.m層流Re1800湍流特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫 1.3 影響因素和強(qiáng)化措施(1) 液體

21、物性 ， ， r (2) 不凝氣體 不凝氣體存在，導(dǎo)致 ，需定期排放。(3)蒸汽流速與流向 （u10m/s ） 同向時，t， ；反向時， t， ； u ，(4) 蒸汽過熱 r=r+cp(tv-ts) 影響較小(5) 強(qiáng)化措施： 目的：減少冷凝液膜的厚度 水平管束：減少垂直方向上管數(shù)，采用錯列；垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。 對液體對流加熱時，在液相內(nèi)部伴有由液相變成氣相的過程稱為沸騰。工業(yè)上沸騰的方法有兩種：(1) 管內(nèi)沸騰：液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰。(2) 大溶積沸騰（池內(nèi)沸騰）：加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面受熱沸騰。沸騰傳熱的應(yīng)用：精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。2 液

22、體沸騰時的對流傳熱系數(shù)2.1沸騰傳熱的特點汽泡產(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=tWts 汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)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 2. 2 沸騰曲線 1）自然對流階段 t t5C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰 250C t25C工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰優(yōu)點：大，tW小2.3 影響因素及強(qiáng)化措施（1）液體的性質(zhì) （2）溫度差 核狀沸騰階段: t2.5， t （3）操作壓力（4）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大 （5）強(qiáng)化措施 表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒； 加表面活性劑（乙醇、丙酮等） 對流傳熱計算公式有兩種類型：

23、準(zhǔn)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(qiáng)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(dāng)流體的流動類型不能確定時，采用試差法進(jìn)行計算，再進(jìn)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)4.4 傳熱過程計算dA t2G1，T1G2，t1 T2熱流體 固體壁面一側(cè)固體壁面一側(cè) 另一側(cè)固體壁面另一側(cè) 冷流體twTw對流對流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ4.4.1 總傳熱速率方程式中 Q傳熱速率，W； tm兩流體的平均溫度差，； A傳熱面積，m2； K總傳熱系數(shù)，W/(m2

24、) 。（一）恒溫傳熱4.4.2 傳熱平均溫度差 兩種流體進(jìn)行熱交換時，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時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，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱。 t=T-t式中 T熱流體的溫度； t冷流體的溫度。 在傳熱過程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時溫度不同，但各點的溫度皆不隨時間而變化，即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。該過程又可分為下列兩種情況： (1) 間壁一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫，如用蒸汽加熱另一流體以及用熱流體來加熱另一種在較低溫度下進(jìn)行沸騰的液體 。(2) 間壁兩側(cè)流體皆發(fā)生溫度變化，這時參與換熱的兩種流體沿著傳熱兩側(cè)流動，其流

25、動方式不同，平均溫度差亦不同。即平均溫度差與兩種流體的流向有關(guān)。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況。 (二） 變溫傳熱 并流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相同的方向流動。 生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況： 逆流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相對的方向流動。錯流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)彼此呈垂直方向流動。 折流簡單折流：一側(cè)流體只沿一個方向流動，而另一側(cè)的流體作折流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替存在。復(fù)雜折流：參與熱交換的雙方流體均作折流。 T2T1t1t2T1T2t1t2圖 兩側(cè)流體變溫時的溫度變化并流逆流錯流折流12121212

26、圖 換熱器中流體流向示意圖假設(shè)：傳熱為穩(wěn)定操作過程。兩流體的比熱為常量。總傳熱系數(shù)為常量（K不隨換熱器的管長而變化）。換熱器的熱損失可忽略。以逆流為例：熱量衡算微分方程為 dQ= -Wh cphdT= Wc cpcdt 根據(jù)假定，則有（1）逆流和并流時的平均溫度差QT和Qt為直線關(guān)系，即 T=mQ+k t=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)溫度T1傳熱量QT2t1t1t2t20從上式可以看出： tQ關(guān)系呈直線，其斜率為將總傳熱速率微分方程代入上式，則有由于K為常量，積分上式有dQ=KtdS 式中tm稱為對數(shù)平均溫差。當(dāng)t2/ t1 2時，可用（t2+ t1）/2代替對數(shù)平均溫度差。注

27、：（1）應(yīng)用上式求tm時，取換熱器兩端的t中數(shù)值 大的為t2，小的為t1。 （2）上式對并流也適用。例 現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油，原油在管外流動，進(jìn)口溫度為100,出口溫度為160；某反應(yīng)物在管內(nèi)流動，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。試分別計算并流與逆流時的平均溫度差。解：并流 逆流 逆流操作時，因t2/ t1 2，則可用算術(shù)平均值 由上例可知：當(dāng)流體進(jìn)、出口溫度已經(jīng)確定時，逆流操作的平均溫度差比并流時大。 在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K值相同的條件下，采用逆流操作，可以節(jié)省傳熱面積，而且可以接生加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。在生產(chǎn)中的換熱器多采用逆流操作，只是對輪流體的溫度有限制時才采用

28、并流操作。 注：流體流動方向的選擇流向的選擇1. 所需傳熱面積 逆流優(yōu)于并流。2. 載熱體消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加熱任務(wù)：t1t2（T2并）min=t2（T2逆）min=t1 逆流優(yōu)于并流。3. 溫度差分布逆流時的溫度差分布更均勻。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4. 并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱， 或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場合。 方法：先按純逆流的情況求得其對數(shù)平均溫度差tm逆，然后再乘以校正系數(shù)t,即 tm=ttm逆 校正系數(shù)t與冷、熱兩種流體的溫度變化有關(guān)，是R和P的函數(shù)，即 t=f(R，P)式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 熱流體

29、的溫降/冷流體的溫升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流體的溫升/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R和P值后，校正系數(shù)t值可根據(jù)R和P兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。 （2） 錯流和折流時的平均溫度差4.4.3 總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)，W/(m2K)twTw管內(nèi)對流管外對流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ2（一）總傳熱系數(shù)計算管內(nèi)對流 管外對流 管壁熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)傳熱 （1）平壁 dA=dA1=dA2=dAm討論：（2）以外表面為基準(zhǔn) (dA=dA1) K1以外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2.K)dm對數(shù)平均直徑，m以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：d1/d2A計 或 Q

30、換 Q需要， 換熱器合適。 傳熱計算二、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)4.5 熱 輻 射10-101010110210410610-410-210-6射線無線電波微波X射線紫外熱射線紅外能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作熱射線。QQQNQ能量守恒定律： 吸收率 反射率 穿透

31、率 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 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： =0 + =1 氣體： =0 + =1 4. 輻能流率輻射功率，物體在單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能幅能流，物體單位面積上產(chǎn)生的輻射能輻射流率，單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻能流5、單色輻射能 E及 Planks Law 單色輻射能：一定溫度下從單位物體表面在單位時間內(nèi)發(fā)射單一波長輻射的輻射能，其單位為 W/m2黑體的單色輻射能 Eb 可用Planks Law 精確地描述： 由黑體輻射譜中能量分布圖可知：隨著溫度的提高，物體最大輻射能漸向波長縮短的

32、方向移動。E bT=1400 KT=1200 K010b黑體的單色輻射能力，w/m3 波長，mT物體的熱力學(xué)溫度，KC1常數(shù)，其值為3.74310-16Wm2C2常數(shù)，其值為1.438710-2mK6、斯蒂芬波爾茨曼（Stephen-Boltzman ）定律全輻射能為所有單色輻射能之和，即對黑體 稱為斯蒂芬波爾茨曼輻射常數(shù)，其值為 5.6710-8 w/(m2K4) c0稱為黑體輻射系數(shù) 上式說明，黑體的全發(fā)射能力正比于熱力學(xué)溫度的四次方，此關(guān)系稱為斯蒂芬波爾茨曼定律，亦稱四次方定律。(W/m2)灰體灰體的黑度： T21 2=1對灰體:熱交換達(dá)到平衡時 T1=T2,Q=0任意物體:q1q0（1

33、- 1）q0 1q0 灰體 黑體 克希霍夫定律 結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大（2）= 同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等（3） ，q qb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大（一）輻射傳熱速率二、兩固體間的相互輻射兩面積無限大的平行平板兩平面有限大的平行平板 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=Cb1 1. 溫度的影響 T4；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 ，可通過改變大小強(qiáng)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一、換熱器的分類 按用途分類 加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器 按冷、熱流體熱量交換方式分類混合式、蓄熱式、間壁式4.6 換熱器二、間壁式換熱器的類型（一）夾套換熱器優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單缺點： A小 釜內(nèi)小強(qiáng)化措施： 釜內(nèi)加攪拌 釜內(nèi)加蛇管 外循環(huán)（二）蛇管換熱器1.