化工原理傳熱精選版課件

1、 第四章傳 熱14.1 概述 傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 1.傳熱的三類應(yīng)用實例 （1）強(qiáng)化傳熱過程：流體的升溫或冷卻，產(chǎn)品的分離(蒸 發(fā)，蒸餾和干燥等)。 （2）削弱傳熱過程：管道，設(shè)備的保溫或保冷。 （3）熱能回收利用：廢熱回收2. 伴隨傳熱的流體作用過程：(1)化學(xué)過程：吸放熱反應(yīng)；(2)物理過程：耗能，干燥，蒸發(fā)等3. 傳熱在化工生產(chǎn)中的重要性： 石化產(chǎn)業(yè)：傳熱設(shè)備重量占總設(shè)備規(guī)模的30-40%； 傳熱設(shè)備投資占總設(shè)備投資的10-20%24.1.1 傳熱的基本方式 1.熱力學(xué)第二定律： 當(dāng)無外加功時，系統(tǒng)中熱量總是自發(fā)地從溫度較高的物體（部分）傳遞到溫度較低的物體（部分） 可見：熱傳遞產(chǎn)生

2、的原因是由于物體內(nèi)部或物體之間溫度差的存在 注：有外加功時，可以相反，如制冷機(jī)工作原理， 本章主要討論的自發(fā)過程。 2.傳熱的基本方式 （1）傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）：物體內(nèi)部分子通過碰撞或振動將熱量以分子動能形式傳遞給相鄰分子，但分子本身不產(chǎn)生宏觀位移的一種傳熱方式。 固體的傳熱 穿過流體層流內(nèi)層的傳熱（熱邊界層）現(xiàn)象 氣體，流體：分子布朗運動時碰撞傳熱 導(dǎo)電固體：自由電子在晶格中運動傳熱 非導(dǎo)電固體（流體）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振動傳熱機(jī)理3（2）對流：流體中質(zhì)點（微團(tuán)）產(chǎn)生相對位移引起的熱傳遞。 對流傳熱只發(fā)生在流體中 對流傳熱的強(qiáng)弱與流體流動狀況密切相關(guān)特點 自然對流：流體中各點溫度不同

3、引起流體密度差異，使輕者上浮， 重者下沉。 強(qiáng)制對流：流體因機(jī)械攪拌等外加功加入引起的對流對流傳熱的形式注意點 自然對流與強(qiáng)制對流常在流體中同時發(fā)生 化工生產(chǎn)中，強(qiáng)制對流的應(yīng)用比自然對流更普遍和重要關(guān)于對流傳熱的計算： 牛頓冷卻定律： Q = A（T高-t低） 對流傳熱膜系數(shù)（w/oCm2 ）4(3) 輻射：熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄔ诳臻g的傳遞 熱輻射不需任何介質(zhì) 熱輻射是熱能與電磁能的互相轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移 理論上，只要物體溫度T0K，均可產(chǎn)生輻射 實際上，只有當(dāng)物體之間溫差較大時，輻射傳熱現(xiàn)象才較突出，一般來說，當(dāng)物體的溫度超過500K時，輻射熱能才予以考慮。特點51、直接接觸式換熱和混合式換熱器4.1.

4、2 傳熱中冷、熱流體熱交換的方式 62、蓄熱式換熱器和蓄熱器73、間壁式換熱和間壁式換熱器84.1.3 典型間壁式換熱器 冷流體t1t2熱流體T1T2（一）間壁式換熱器夾套式換熱器9圖4-5 單程管殼式換熱器1-外殼 2-管束 3、4-接管 5-封頭 6-管板 7-擋板 8-泄水池 10圖4-6 雙程管殼式換熱器1殼體 2管束 3擋板 4隔板11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遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。4.1.4 傳熱速率與熱通量12非穩(wěn)態(tài)傳熱 4.1.5 穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)

5、傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱 13 在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的載熱體稱為加熱劑(或加熱介質(zhì));起冷卻(或冷凝)作用的載熱體稱為冷卻劑(或冷卻介質(zhì))。4.1.6 載熱體14 載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制； 載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解； 載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備； 價格便宜，來源容易。 工業(yè)上常用的加熱劑有熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等。選擇載熱體的原則154.2.1 基本概念和傅立葉定律溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。 1.溫度場和等溫面非穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場 等溫面

6、：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。 4.2 熱傳導(dǎo)不同溫度的等溫面不相交。2.溫度梯度 方向：法線方向，以溫度增加的方向為正。nnxt+ttxQ163 傅立葉定律式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，W或J/s； dS 導(dǎo)熱面積，m2； t/n 溫度梯度，/m或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。 負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反174.2.2 導(dǎo)熱系數(shù) 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)181.固體導(dǎo)熱系數(shù) 金屬材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/

7、(mK) 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 192.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)式中： Xwi i 組分質(zhì)量分率 0.9 有機(jī)液體的水溶液混合物 1.0 純有機(jī)流體混合物混合流體導(dǎo)熱系數(shù)可按下式計算：203.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。溫度越高，壓強(qiáng)越大，氣體導(dǎo)熱系數(shù)越大 分子動能增大密度增大，分子碰撞頻率增加混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)計算：yi 氣體組分摩爾（體積）分率Mi i 組分氣體分子量

8、 各種情況及各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均可查閱手冊而得21t1t2btxdxQ4.2.3 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1 單層平壁熱傳導(dǎo) 假設(shè)：材料均勻，為常數(shù)；一維溫度場，t沿x變化； S/b很大，忽略端損失。積分：222 多層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t323結(jié)論： 多層平壁熱傳導(dǎo)，總推動力為各層推動力之和，總熱阻為各層熱阻之和； 各層溫差與熱阻成正比。推廣至n層： 各層的溫差24接觸熱阻 由于表面粗糙不平，不同材料構(gòu)成的界面之間可能出現(xiàn)明顯的溫度降低而產(chǎn)生接觸熱阻。 因兩個接觸面間有空穴，而空穴內(nèi)又充滿空氣，因此，傳熱過程包括通過實際接觸面的熱傳導(dǎo)和通

9、過空穴的熱傳導(dǎo)(高溫時還有輻射傳熱)。一般來說，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，接觸熱阻主要由空穴造成。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓強(qiáng)等因素有關(guān)，主要依靠實驗測定。25某燃燒爐的平壁是由一層耐火磚（其1=1.047 W/(mk)）與一層普通磚（其2=0.814 W/(mk)）砌成，兩層厚度均為100mm，操作達(dá)到穩(wěn)定后，測得爐壁的內(nèi)表面溫度是700，外表面溫度為130。為了減少熱量損失，在普通磚外表面上增加一層厚度為40mm的保溫材料（含85的氧化鎂，3=1.047 W/(mk)）。待操作達(dá)到穩(wěn)定后，又測得壁的內(nèi)表面溫度為740，外表面（即保溫層表面）溫度為90。試計算加保溫層前后，每

10、小時每平方米的壁面各損失熱量多少？26多層平壁傳熱：1=1.047 W/(mk)，b1=100mm；2=0.814 W/(mk)，b2=100mm；3=0.07 W/(mk)， b3=40mm加保溫層前：t1=700，t3=130所以 加保溫層后：t1=740，t4=90所以 274.2.4 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1 單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)假定： （1）圓筒很長 （2）穩(wěn)定 （3）各向同性，密度均勻，同平壁在半徑r處取dr同心薄層圓筒積分28討論：對數(shù)平均面積熱阻令對數(shù)平均半徑一般 時，當(dāng) r 時，計算公式類似于平壁公式。29 2 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)三層：n層圓筒壁： 30注： （1）在多層平壁傳熱中

11、：（2）在多層圓筒壁中：由于故對多層球罐壁導(dǎo)熱 球罐壁的傳導(dǎo)傳熱式中可證明31例：有一過熱蒸汽輸送管，管外徑d0=320mm，壁溫tw0=510，外包兩層保溫層，內(nèi)層為粉煤灰及熟料泡沫混凝土，其1=0.097 W/(mk)，1=22mm；外層為石棉硅藻土，其2=（0.16220.000169tm）W/(mk)。若每米長的管子熱損失為1395.6 W/m，最外層壁溫為50。試求兩層保溫層交界處的壁溫和外層厚度。 32解：求兩層保溫層交界處的壁溫 對通過多層圓筒壁的傳熱： 其中， 所以 兩層保溫層交界處的壁溫tw1=215 332）求外層厚度保溫層外層：所以 由 得： r2=0.209 m 所以外

12、層壁厚2=r2-r1=0.027 m =27 mm344.3 對流傳熱1.基本概念 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強(qiáng)制對流傳熱自然對流傳熱流體有相變的對流傳熱蒸氣冷凝液體沸騰35 對流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗方法處理。 對流傳熱速率=對流傳熱推動力/對流傳熱阻力 =系數(shù)推動力對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述 36 換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)

13、表面積。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在管間(環(huán)隙)流動，則對流傳熱速率方程式可分別表示為37 牛頓冷卻定律也是對流傳熱系數(shù)的定義式，即 對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為W/(m2)。它反映了對流傳熱的快慢，愈大表示對流傳熱愈快。表4-5列出了幾種對流傳熱情況下的數(shù)值范圍。38o 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39保溫層的臨界厚度1.問題的提出： 對于圓筒壁的傳熱存在著相互制約的一對矛盾： 一方面，保溫層越厚, 外層的溫度越接近于環(huán)境溫度，則根據(jù)牛頓冷卻

14、定律 ，溫差小，熱量損失小。 另一方面,保溫層越厚，S越大熱量損失Q越大 結(jié) 論：必然存在一個最佳保溫層厚度c，使得保溫效果最佳。2.假設(shè)： （1）空氣傳熱膜系數(shù) 基本不變 （2）傳熱達(dá)到穩(wěn)定則：又：40即有：令：得：于是：（r0 中心至圓筒內(nèi)壁半徑）或應(yīng)用舉例： 金屬電線的散熱問題 ，解決方法是將其外層包扎一層塑料，這樣既可增強(qiáng)散熱效果，又可防止電線在環(huán)境中腐蝕和漏電，雙重作用對球罐壁的導(dǎo)熱及熱對流時臨界保溫層厚度，同理可得或41如圖，設(shè)A流體溫度 T B 流體溫度 t（1）A流體在平壁上的流動狀態(tài) 主體湍流區(qū) 過渡流區(qū) 層流內(nèi)層區(qū) 平壁A側(cè) B流體在平壁上的流動狀態(tài) 平壁B側(cè) 層流內(nèi)層區(qū)

15、過渡區(qū) 主體湍流區(qū)（2）傳熱及溫度情況 傳熱方向：因T t 故熱量Q從A傳向B 溫度降低方向 T t換熱分析42a.湍流區(qū)中的傳熱及溫度分布： 湍流區(qū)中傳熱方式主要是強(qiáng)制對流（自然對流作用不顯著）且由于湍流時，流體質(zhì)點微團(tuán)充分混合，故湍流區(qū)溫度趨于均勻b.過渡流區(qū)的傳熱與溫度情況 過渡流區(qū)中既有對流（強(qiáng)制和自然對流）傳熱，又有導(dǎo)熱，所占比重視具體情況變化。溫度沿與流動相垂直方向的變化程度與過渡區(qū)厚度成正比c.層流內(nèi)層區(qū)中傳熱溫度情況 在層流區(qū)中傳熱方式是導(dǎo)熱，流體質(zhì)點間無混合。液體（氣體）的導(dǎo)熱系數(shù)較小，故該層中的溫度變化較大，且與層流內(nèi)層厚度成正比d.平壁中的傳熱及溫度變化 導(dǎo)熱，溫度基本呈

16、直線變化43（3）實際情況簡化處理 因過渡區(qū)及層流內(nèi)層區(qū)厚度無法測定故常將湍流區(qū)中為對流給熱，層流區(qū)及平壁中為傳導(dǎo)傳熱。過渡區(qū)合并在湍流區(qū)層流區(qū)合并在平壁區(qū)整個過程簡化為：溫度湍流主體過渡層層流內(nèi)層平壁層流內(nèi)層過渡層湍流主體流體熱量A| c |BQ | |Tat44傳熱系數(shù)熱阻總熱阻對流給熱系數(shù)A（湍流及過渡）導(dǎo)熱系數(shù)c（層流及平壁）對流給熱系數(shù)B（湍流及過渡流）K總傳熱系數(shù)即：（平壁型總傳熱系數(shù)K計算公式）45 假設(shè)換熱器的熱損失可忽略，則單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。 對于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為對于整個換熱器，其熱量衡算式為4.4 傳熱過程計算4.4.

17、1 熱量恒算46 若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可取平均溫度下的比熱容時 若換熱器中的熱流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝時當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時47 通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程，可以仿照對流傳熱速率方程寫出，即一、總傳熱速率微分方程48 總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。總傳熱速率微分方程49顯然有 管內(nèi)徑管外徑平均管徑 工程上大多以外表面積為基準(zhǔn)，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。 50二、總傳熱系數(shù)1.總傳熱系數(shù)的計算 總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價換熱器

18、性能的一個重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計算所需的基本數(shù)據(jù)。 K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動范圍較大。 K值的來源：K值的計算；實驗查定；經(jīng)驗數(shù)據(jù)。51 兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程: 熱流體在流動過程中將熱量傳給管壁的對流傳熱； 通過管壁的熱傳導(dǎo)； 管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱。52 對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即 或53移項后相加，得上式兩邊均除以 ，并利用，得54比較 55基于管內(nèi)表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于平均表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于管外表面積的局部總傳熱系數(shù) 得56設(shè)計中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即 管壁外

19、表面污垢熱阻管壁內(nèi)表面污垢熱阻總傳熱系數(shù)計算式某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗值可查附錄。污垢熱阻(又稱污垢系數(shù))57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+管外熱阻壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻58若傳熱面為平壁或薄管壁，則 當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時 若管壁外側(cè)對流傳熱控制，則59管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制若管壁內(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若，則60 欲提高K值，強(qiáng)化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。 K值總是接近且永遠(yuǎn)小于 中的小者。 當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時，K近似等于 中小者。 61626364

20、652.K的實驗測定 對現(xiàn)有的換熱器，通過實驗測取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計算得到K值。 實測的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。663.總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值 某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值列于表4-6。 從表4-6可看出，通常經(jīng)驗值的范圍較大，設(shè)計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若為降低操作費，可選較小的K值；若為降低設(shè)備費，可選較大的K值。672.關(guān)于總傳熱系數(shù)及強(qiáng)化傳熱速率的基本手段的討論（1）垢阻的影響管內(nèi)外結(jié)垢，傳熱阻增大，總傳熱系數(shù)下降，傳熱量亦下降（2）強(qiáng)化傳熱操作的方法根

21、據(jù)式可知，使Q增大可采取下列三種方法（1）增大傳熱面積A.從設(shè)備結(jié)構(gòu)著手，如減小管徑，增加管數(shù)。但存在二個問題，即：流動阻力增大，制造和運行費上升（2）增大tm如采用逆流操作；當(dāng) 一方為蒸汽換熱時，增大蒸汽壓強(qiáng)，使其溫度提高。68（3）增大K值 減小垢阻和降低管壁熱阻（勤清洗） 當(dāng)垢阻和管壁熱阻可忽視時，則：K1，即在此情況下，K值取決于對流給熱系數(shù)較小的流體，故應(yīng)使1增大，效果才顯著（瓶頸效應(yīng)），關(guān)于提高值的措施，以后章節(jié)有詳細(xì)討論。 變溫差傳熱的幾類情況平均溫度差的計算1.在恒溫差傳熱時：2.在變溫差傳熱時：69（1）逆流70（2）并流71（3）一側(cè)發(fā)生相變時72 平壁兩側(cè)流體A、B主體湍

22、流區(qū)，溫度分別為T、t 且不隨位置而變化，即如圖（2）所示。 如：兩側(cè)同時相變過程或均為全混合狀態(tài)。 對于有流動情況下的平壁與圓筒壁，當(dāng)二側(cè)無相變時，盡管與流動相垂直的某一截面（T-t）不隨時間變化，但會隨位置變化（Tt）（T t ）如圖（3）所示。3.平均溫度差問題的提出問題：式（a）的基本前提是 ：此時如何用若令：則：或：表示即：解決方法：采用平均方法（算術(shù)、對數(shù)、幾何？）解決表達(dá)73假定： （1）傳熱達(dá)到穩(wěn)定，換熱器與外界無熱交換（熱損失為零）（2）冷、熱流體流量為常數(shù)，比熱均不隨溫度改變（3）傳熱總系數(shù)為常數(shù)（或變化時有具體函數(shù)關(guān)系式表示）4.平均溫差公式的推導(dǎo)74于是：在微元傳熱面積

23、dA上所傳遞的熱量從換熱器的微元傳熱面積考慮故冷熱流體的溫度差又：從冷熱流體的傳熱情況分析故：或：75即：積分整理：tm為對數(shù)平均溫差。注意與對數(shù)平均半徑的類似性同理，當(dāng)t1/ t2 2 時， tm可用算術(shù)平均值法代替，誤差4%。另：當(dāng)t1 t2 時，利用極限可證明76討論： （1）此式既適用于逆流，又適用于并流（有相變亦可） （2）對于錯、折流，先按逆流處理計算tm ，再引入校正函數(shù) t，（3）對于K不等于常數(shù) ， 時，而 不難導(dǎo)出：773.流向的選擇(1)逆流 當(dāng)換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K一定時，采用逆流操作，所需的換熱器傳熱面積較小。 若傳熱面積一定，則可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量

24、。因而換熱器應(yīng)盡可能采用逆流操作。78(2)并流 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，或熱流體被冷卻時不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。 采用折流或其他流動形式的原因，除了為滿足換熱器的結(jié)構(gòu)要求外，就是為了提高總傳熱系數(shù)。但是平均溫度差較逆流時的低。在選擇流向時應(yīng)綜合考慮，t值不宜過低，一般設(shè)計時應(yīng)取t0.9，至少不能低于0.8，否則應(yīng)另選其他流動形式。79關(guān)于逆流操作的優(yōu)點平均溫差大（當(dāng)二流體進(jìn)，出口溫度一定時）節(jié)省冷卻劑或加熱劑用量并流優(yōu)勢控制出口端冷流體的溫度。高粘度流體的加熱，使溫度迅速升高，增強(qiáng)流動性。思考題： 1、在全混釜夾套中tm如何計算，（與相變過程相同

25、）； 2、有化學(xué)反應(yīng)的過程（化學(xué)反應(yīng)）總結(jié)808182834.4.5 傳熱單元數(shù)法1.定義：傳熱效率 若以熱流體的基準(zhǔn),則因T1一定，故若使（T1-T2）最大，則需使T2=T2min 對于逆流：對于并流：則：即 熱流體出口溫度的極限值是等于冷流體的進(jìn)口溫度84 若以冷流體為基準(zhǔn)，則：因冷流體出口溫度t2的極限是熱流體的進(jìn)口溫度T1 即：故：（逆流，以冷流體為基準(zhǔn)）或：又故（并流，以冷流體為基準(zhǔn)）85于是：理由：根據(jù)熱平衡，當(dāng)一側(cè)流體取得最大溫差時，在傳熱量不變（一定）時，其msCp必最小，否則，則要求另一側(cè)流體有更大溫差，出現(xiàn)假定上的矛盾。即：現(xiàn)要求又根據(jù)熱平衡于是：與假設(shè)矛盾。862. 的計

26、算NTU法由于故定義：傳熱單元數(shù)又可以推得：單程逆流時：單程并流時：式中： 熱容流量比87特別地：i )當(dāng)CR=1時，ii )當(dāng)CR0時，（類似于相變過程）883.引入的意義對于穩(wěn)定傳熱的換熱過程：以逆流為例：又：（1）（2）（3）當(dāng)CpT和Cpt已知時，上述3個方程中共有9個變量（1）若T1 , T2 , t1 , t2 已知及K, msT 或 mst 已知，則直接可以設(shè)計計算換熱器A，Q , mst或 msT ，設(shè)計型計算引入意義：若已知（通過 - NTU圖查取），則可直接計算T1或t1（2）若T1（T2）t1（t2）中任意二個已知，則需用試差法求解Q , t和T及K , A , msT

27、, mst ，操作型計算894.應(yīng)用NTU法優(yōu)點 不需計算對數(shù)平均溫差tm，亦不用試算 對串聯(lián)換熱器，則按下列計算：905.關(guān)于引入NTU的意義：又：故：H0傳熱單元高度（m）可見： 當(dāng)H0=1m時，換熱器的長度L=NTU 引入NTU和H0概念后，換熱器傳熱面積的計算可簡單表示為換熱器長度的計算，當(dāng)H0一定時，設(shè)計所要求的NTU越大（換熱要求越高），則L越大。 H0只與換熱器的K值和結(jié)構(gòu)（n、d）及流體的性質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，而與換熱（溫度變化）程度無關(guān)（K、Cp不隨溫度變化時）由 得914.5.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素2.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

28、力和壓差而引起的流動。 強(qiáng)制 自然 4.5 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1.流動狀態(tài) 湍流 層流 92自然對流的產(chǎn)生：設(shè) 熱處：t2，2； 冷處：t1，1體積膨脹系數(shù)，1/C.或而得：或93由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的升力：加熱板冷卻板945. 是否發(fā)生相變 相變 無相變4. 傳熱面的形狀，大小和位置 形狀管、板、管束等； 大小管徑、管長、板厚等； 位置管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流體的物性 ，cp 954.5.2 對流傳熱過程的量綱分析變量數(shù) 8個基本因次 4個：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度無量綱特征數(shù)（8-4）=4無相變時961. 努塞爾特（Nusselt ）數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的特征數(shù)2. 雷

29、諾（Reynolds）數(shù)反映流體的流動狀態(tài)對對流傳熱的影響973. 普蘭特（Prandtl）數(shù)反映流體的物性對對流傳熱的影響4. 格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)表示自然對流對對流傳熱的影響一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)簡化：強(qiáng)制對流 Nu=f (Re, Pr) 自然對流 Nu=f (Pr, Gr)98使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時注意：1. 應(yīng)用范圍2. 特征尺寸3. 定性溫度強(qiáng)制對流自然對流無相變有相變蒸汽冷凝液體沸騰99（一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流1. 圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流流體被加熱 n=0.4流體被冷卻 n=0.3（1）應(yīng)用范圍：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 氣體

30、或低粘度的液體（2 水）（2）定性溫度：流體進(jìn)出口的算術(shù)平均 值（3）特征尺寸：管內(nèi)徑4.5.3 流體無相變時對流傳熱系數(shù)100討論：（1）加熱與冷卻的差別：液體氣體101物性一定時：（2）影響因素：102公式修正：（1）當(dāng)L/d 2 水）工程處理：加熱：冷卻：103（3） 彎管（4）非圓形管道用當(dāng)量直徑計算。1042. 圓形直管內(nèi)流體處于過渡區(qū)時的對流傳熱系數(shù) 2300 Re 1041053. 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流（1）隨熱流方向不同，速度分布情況不同；（2）自然對流造成了徑向流動，強(qiáng)化了對流傳熱過程。對于液體106 自然對流可以忽略： Gr 25000乘校正因子： 適用范圍：定性溫度：特征尺

31、寸：管內(nèi)徑107（二）流體在管外強(qiáng)制對流傳熱1. 流體在管束外垂直流過108 應(yīng)用范圍：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處 定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值Nu=C Ren Pr0.4平均對流傳熱系數(shù)：1092流體在換熱器管間的流動折流擋板形式：圓缺形、圓環(huán)形110設(shè)置折流擋板目的：增加殼程流體的湍動程度，進(jìn)而提高殼程的。圓缺形折流擋板： 定性溫度：應(yīng)用范圍：Re=2103106111正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）當(dāng)量直徑ded0tt112（2）流速u按流通截面最大處的截面計算：式中 h兩塊折流擋板間距離，m；

32、D換熱器殼徑，m；113（三）自然對流時的對流傳熱系數(shù)定性溫度：膜溫（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板為高度H 水平管為管外徑d0各種情況下的C、n值及特征尺寸不同。 1141. 蒸汽冷凝方式4.5.4 流體有相變時的對流傳熱滴 膜 （1）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝冷凝過程的熱阻冷凝液膜（一）蒸汽冷凝時的對流傳熱115（1）努塞爾(Nusselt)理論公式 膜狀冷凝時對流傳熱系數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)中作了以下假設(shè)： 冷凝液膜呈層流流動，傳熱方式為通過液膜的熱傳導(dǎo); 蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力; 蒸氣冷凝成液體時所釋放的熱量僅為冷凝潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度保持不變; 冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值

33、，且為常數(shù)。2. 膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)116對蒸氣在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝 蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差 飽和蒸汽的冷凝潛熱117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比汽化熱118（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.m119層流Re1800湍流特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫 1203.影響因素和強(qiáng)化措施(1) 液體物性 ， ， 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

34、) 影響較小121(6) 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。(5) 冷凝壁面的影響： 冷凝壁面安放 冷凝壁面表面122（二）液體沸騰時的對流傳熱大容積沸騰 管內(nèi)沸騰1. 沸騰現(xiàn)象在粗糙加熱面的細(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123沸騰必要條件： 過熱度 t=（tts）0 存在汽化核心 推動力 （twts） 沸騰三個階段：自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰 工業(yè)上采用核狀沸騰 大，tW小圖4-32 水的沸騰曲線臨界點1242. 影響因素及強(qiáng)化措施（1）液體的性質(zhì) （2）溫度差 核狀沸

35、騰階段: t2.5， t （3）操作壓力125（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）126三、壁溫的計算穩(wěn)態(tài)傳熱 （1）大，b/Am小（壁阻?。﹖WTW127TW接近于T，即大(熱阻小)側(cè)流體的溫度 （3）兩側(cè)有污垢 （2）當(dāng)tW=TW 128四、傳熱計算總傳熱速率方程熱量衡算式 (熱負(fù)荷)無相變 有相變 應(yīng)用條件： 定態(tài)流動，qm為常數(shù)； cP為常數(shù)； K為常數(shù)； 忽略熱損失。1291. 設(shè)計型計算 已知：qm1、T1、T2（生產(chǎn)任務(wù)），t1、qm2等 求：傳熱面積A或校核換熱器是否合適步驟 :（1）計

36、算熱負(fù)荷； （2）計算tm； （3）計算1、2及K； （4）計算A若 A實 A計 或 Q換 Q需要， 換熱器合適。 130二、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131一、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)4.6 輻射傳熱132QQQNQ能量守恒定律： 吸收率 反射率 穿透率 3. 物體對熱輻射的作用總能量Q；被物體吸

37、收QA ；被反射QR ；穿過物體QD 133 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特點： 灰體的吸收率A不隨輻射線的波長而變； 灰體是不透熱體，即A+R=1。固體、液體： D =0 A+R =1 氣體： R =0 A+D=1134輻射能力輻射能力E 物體在一定的溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量。單位為 W/m2單色輻射能力單位為 W/m3 在相同條件下，物體發(fā)射特定波長的能力。二、物體的輻射能力135對黑體，輻射能力和單色輻射能力之間滿足 黑體輻射能力黑體單色輻射能力，136 普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，即表示黑體

38、的單色輻射能力隨波長和溫度變化的函數(shù)關(guān)系。，137圖4-34 黑體單色輻射能力按波長的分布規(guī)律138圖4-34 黑體單色輻射能力按波長的分布規(guī)律139 斯蒂芬玻耳茲曼定律揭示黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系。黑體的輻射常數(shù) 斯蒂芬（Stefan）玻耳茲曼（Boltzmann）定律四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感C0黑體輻射系數(shù)，5.669W/(m2 .K4)140 （二）實際物體黑度： T2A1 + A 2=1E1Eb（1-A1）EbA1Eb 灰體 黑體 克?；舴蚨?43 結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大（2）A= 同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等（3） A，E Eb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大144（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相