第五章-傳熱教程文件

目錄(mùlù)第五章傳熱及設(shè)備(shèbèi)第一節(jié) 概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅里葉定律二、熱導(dǎo)率三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1《化工原理》電子(diànzǐ)教案/目錄第一頁，共103頁。目錄(mùlù)第三節(jié) 對流傳熱一、實(shí)驗(yàn)法求二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（一）無相變1、管內(nèi)層流2、管內(nèi)湍流3、管外強(qiáng)制對流4、自然對流（二）有相變1、冷凝2、沸騰對流傳熱系數(shù)小結(jié)的數(shù)量級2《化工原理(yuánlǐ)》電子教案/目錄第二頁，共103頁。目錄(mùlù)第四節(jié)間壁式換熱器的傳熱一、換熱器簡介二、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)分析三、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)計算1、總傳熱速率方程2、Q的計算3、K的計算4、tm的計算5、傳熱單元數(shù)法

習(xí)題課6、壁溫的計算3《化工原理》電子(diànzǐ)教案/目錄第三頁，共103頁。目錄(mùlù)第五節(jié)間壁式換熱器介紹（教材(jiàocái)第六章）一、列管式換熱器（管殼式換熱器）二、其它類型的換熱器三、傳熱過程的強(qiáng)化4《化工(huàgōng)原理》電子教案/目錄第四頁，共103頁。目錄(mùlù)第六節(jié)輻射傳熱(chuánrè)一、基本概念二、物體的輻射能力三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱(chuánrè)速率四、氣體熱輻射的特點(diǎn)五、輻射、對流的聯(lián)合傳熱(chuánrè)第五章小結(jié)(xiǎojié)5《化工原理》電子教案/目錄第五頁，共103頁。第五章傳熱(chuánrè)及設(shè)備第一節(jié) 概述(ɡàishù)熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱(dǎorè)）對流傳熱輻射傳熱傳熱有三種方式：(舉例電熱爐燒水)機(jī)理：相互接觸的物質(zhì)之間靜止的物質(zhì)內(nèi)部層流流動的物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生在管內(nèi)層流熱量入對流傳熱系數(shù)或給熱系數(shù)，W/m2K氣體---靠分子或原子的無規(guī)則若運(yùn)動；固體---金屬靠自由電子，非金屬靠晶格的震動液體---兩種觀點(diǎn)（見教材）導(dǎo)熱導(dǎo)熱自然對流6第六頁，共103頁。第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅里葉定律(dìnglǜ)1、基本概念

單位(dānwèi)時間傳遞的熱量，J/s單位傳熱面積上的傳熱速率，J/m2s，矢量，方向(fāngxiàng)為傳熱面的法線方向(fāngxiàng)q溫度相同的點(diǎn)組成的面兩等溫面的溫差與兩等溫面間的任一距離之比兩等溫面的溫差與兩等溫面間的法向距離（最短）之比等溫面等溫面7第七頁，共103頁。2、傅里葉定律(dìnglǜ)負(fù)號表示q與溫度梯度方向相反稱為(chēnɡwéi)熱導(dǎo)率,單位為W/(mK)q對照(duìzhào)：牛頓黏性定律，形式上很相似8第八頁，共103頁。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。一般地，導(dǎo)電固體>非導(dǎo)電固體，液體(yètǐ)>氣體（見圖5-4）二、熱導(dǎo)率屬物性(wùxìnɡ)影響因素(yīnsù)：與物質(zhì)種類、T、濃度有關(guān)，一般與P無關(guān)T，氣體水，甘油，其它液體的金屬，非金屬。獲取方法：查相關(guān)物性數(shù)據(jù)手冊，如附錄二～四。9第九頁，共103頁。三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1.無限大單層平壁（無內(nèi)熱源(rèyuán)）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-------可見溫度(wēndù)分布為直線若為常數(shù)(chángshù)，則：b無限厚無限長特點(diǎn)：屬一維導(dǎo)熱，A為常數(shù)，Q為常數(shù)10第十頁，共103頁。2、無限大多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(dǎorè)（無內(nèi)熱源）三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特點(diǎn)(tèdiǎn)：同單層平壁此外(cǐwài)，通過每一層的Q（或q）都相同對每一層均有：11第十一頁，共103頁。三、一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)思考1：若上述平壁的右側(cè)與環(huán)境進(jìn)行對流傳熱，設(shè)環(huán)境溫

度為t0、對流傳熱系數(shù)為，則傳熱量(rèliàng)如何計算？t1t412第十二頁，共103頁。1、無限(wúxiàn)長單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特點(diǎn)(tèdiǎn)：屬一維導(dǎo)熱，A常數(shù)，Q為常數(shù)，q常數(shù)若為常數(shù)(chángshù)，則：--------可見溫度分布為對數(shù)關(guān)系在(t1，t)積分，得：在(t1，t2)積分，得：13第十三頁，共103頁。1、無限(wúxiàn)長單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)------對數(shù)平均(píngjūn)半徑14第十四頁，共103頁。2、無限(wúxiàn)長多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對每一層均有：15第十五頁，共103頁。四、一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)思考2：氣溫(qìwēn)下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在里面好，還是穿在外面好？bb12QQbb2116第十六頁，共103頁。影響因素：接觸面的粗糙程度(chéngdù)，接觸面的壓緊力，接觸面空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。接觸熱阻：兩固體(gùtǐ)之間由于未緊密接觸而導(dǎo)致的接觸熱阻一般通過實(shí)驗(yàn)測定(cèdìng)或憑經(jīng)驗(yàn)估計返回目錄17第十七頁，共103頁。第三節(jié)對流傳(liúchuán)熱回憶(huíyì)：什么是對流傳熱？強(qiáng)制對流----湍流流動的流體與外界(wàijiè)的傳熱自然對流----靜止流體、層流流動流體與外界的傳熱對流傳熱系數(shù)，W/m2K邊界層是對流傳熱的主要熱阻所在。ttwQ牛頓冷卻定律：

流向近壁面?zhèn)鳠岱糯髨D18第十八頁，共103頁。第三節(jié)對流傳(liúchuán)熱獲得的主要(zhǔyào)方法：理論分析法解析求解(qiújiě)、數(shù)值求解(qiújiě)實(shí)驗(yàn)法：半理論半經(jīng)驗(yàn)方法，是目前的主要方法。牛頓冷卻定律：19第十九頁，共103頁。一、實(shí)驗(yàn)法求影響的因素主要有：1.引起流動的原因：自然對流和強(qiáng)制對流2.流動型態(tài)：層流或湍流3.流體的性質(zhì)：、、cp、等4.傳熱面的形狀、大小、位置(wèizhi)：如圓管與平板、垂直與水平、管內(nèi)與管外等5.有相變與無相變：cp或汽化潛熱r量綱分析法：第一章有關(guān)(yǒuguān)內(nèi)容用量綱分析法、再結(jié)合實(shí)驗(yàn)(shíyàn)，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。定理：20第二十頁，共103頁。一、實(shí)驗(yàn)法求------格垃曉夫數(shù)Gr是雷諾數(shù)的一種(yīzhǒnɡ)變形，相當(dāng)于自然對流時的“雷諾數(shù)”無因(wúyīn)次數(shù)群：-----努塞爾數(shù)，表示(biǎoshì)導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻之比-----普朗特數(shù)，反映物性的影響。一般地，氣體的Pr<1，液體的Pr>121第二十一頁，共103頁。一、實(shí)驗(yàn)法求故定性(dìngxìng)溫度：確定物性的溫度，有兩種主體(zhǔtǐ)平均溫度膜溫22第二十二頁，共103頁。二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（一）

無相變時當(dāng)Gr>25000，需考慮自然(zìrán)對流對傳熱的影響，式（5-65）乘上一個大于1的校正系數(shù)：1、管內(nèi)(ɡuǎnnèi)層流時0.6<Pr<6700，Gr<25000（自然對流影響可以忽略），溫差（壁溫與流體主體溫度之差）不大。使用范圍為：

管子的進(jìn)口段，恒壁溫、Re<2300、思考：為什么需乘上一個大于1的校正系數(shù)？---傳熱主要以導(dǎo)熱方式為主（有時有自然對流）23第二十三頁，共103頁。二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式2、管內(nèi)(ɡuǎnnèi)湍流（教材(jiàocái)式5-63）24第二十四頁，共103頁。二、各種情形(qíngxing)下的經(jīng)驗(yàn)式2、管內(nèi)(ɡuǎnnèi)湍流（教材(jiàocái)式5-63）思考1：與u、d有何比例關(guān)系？思考2：為什么加熱時n取0.4，冷卻時取0.3？∵氣體的Pr<1，液體的Pr>1等溫液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱速度分布時，變大時，變小25第二十五頁，共103頁。Why？Why？因?yàn)椋汗軆?nèi)未充分發(fā)展，層流底層較薄，熱阻較小。

若不滿足(mǎnzú)適用范圍時，需修正：（1）對于(duìyú)短管，L/d<50乘上一個大于1的校正(jiàozhèng)系數(shù)，見圖5-25（2）當(dāng)壁面與流體主體溫差較大時，需引入一個粘度的校正項(xiàng)：教材式（5-64）（5）非圓形管的強(qiáng)制湍流：上式仍可使用，但需將d換成de（4）彎管內(nèi)：乘上一個大于1的校正系數(shù)：式（5-68）（3）過渡流：乘上一個小于1的校正系數(shù)：式（5-67）Why？26第二十六頁，共103頁。二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式3、管外強(qiáng)制(qiángzhì)對流（3）流體(liútǐ)在管殼間的對流傳熱：Why？IIIIII（1）流體橫向流過單管傳熱：見圖5－27（2）流體橫向流經(jīng)管束（管簇）的傳熱：處處不同，需平均。式（5-71）有擋板，Re>100即可達(dá)到湍流。式（5-72）27第二十七頁，共103頁。二、各種情形(qíngxing)下的經(jīng)驗(yàn)式4、自然對流(duìliú)（大空間）C、n為經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)常數(shù)。

式（5-75）28第二十八頁，共103頁。二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（二）有相變豎直壁面：先層流(cénɡliú)，后湍流層流(cénɡliú)：式（5-79）、式（5-79b）湍流：式（5-82）1、冷凝(lěngníng)傳熱膜狀冷凝：液膜是主要熱阻水平圓管外：層流：式（5-80）29第二十九頁，共103頁。水平(shuǐpíng)管束：膜狀冷凝傳熱的強(qiáng)化：減薄冷凝液液膜厚度；選擇正確的蒸汽流動方向；在傳熱面上垂直方向上刻槽或安裝若干條金屬絲等；用過熱(ɡuòrè)蒸汽；及時排放不凝性氣體。第一排的與單管相似，第二排的比第一排小，第三排的比第二排小，……若干(ruògān)排后，基本上不變。平均比單排的小（式5-80與5-80a對比）。膜狀冷凝：30第三十頁，共103頁。二、各種情形(qíngxing)下的經(jīng)驗(yàn)式2、沸騰(fèiténg)傳熱（大容積）（1）產(chǎn)生沸騰(fèiténg)現(xiàn)象的必要條件：液體過熱、

有汽化核心（2）沸騰傳熱機(jī)理：氣泡的不斷形成、長大、脫離壁面，熱量隨氣泡被帶入液體內(nèi)部；同時引起液體的攪動。31第三十一頁，共103頁。二、各種情形(qíngxing)下的經(jīng)驗(yàn)式（3）大容積沸騰(fèiténg)傳熱的沸騰(fèiténg)曲線twts沸騰(fèiténg)曲線過熱度不大，氣泡沒有；

膜狀沸騰

自然對流核狀沸騰工業(yè)上常用32第三十二頁，共103頁。二、各種(ɡèzhǒnɡ)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（4）核狀沸騰傳熱系數(shù)的主要影響(yǐngxiǎng)因素：表面粗糙度：粗糙表面大，但粗糙度達(dá)到一定極限(jíxiàn)后，就基本上沒影響了。過熱度：與t的2～3次方成正比。33第三十三頁，共103頁。二、各種情形(qíngxing)下的經(jīng)驗(yàn)式對流(duìliú)傳熱系數(shù)小結(jié)注意經(jīng)驗(yàn)式的適用范圍、定性(dìngxìng)溫度、定性(dìngxìng)尺寸34第三十四頁，共103頁。的數(shù)量級空氣(kōngqì)中水中總之：油類中返回(fǎnhuí)目錄35第三十五頁，共103頁。第五節(jié)間壁式換熱器介紹(jièshào)（教材第六章）間壁式換熱器：該換熱器使用最廣泛，技術(shù)最成熟。本節(jié)將詳細(xì)(xiángxì)介紹，其它換熱器作一般性介紹。36第三十六頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）1、構(gòu)造(gòuzào)列管式（管殼式）換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅固，且能選用多種材料制造，故適應(yīng)性極強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置(zhuāngzhì)中得到普遍應(yīng)用。37第三十七頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）殼體、管板、管束(guǎnshù)、頂蓋（封頭）、擋板38第三十八頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）當(dāng)殼體和管壁之間的溫差在50℃以上(yǐshàng)時，由于兩者熱膨脹程度不同，可能會出現(xiàn)將管子扭曲或從管板上拉松，因此，要考慮溫度補(bǔ)償問題。2、溫度補(bǔ)償(bǔcháng)問題：39第三十九頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）思考：如何判斷管壁溫度tw、殼體壁溫Tw更接近(jiējìn)哪一個溫度：熱流體

溫度T、冷流體溫度tor環(huán)境溫度t0？若0大，則Tw更接近(jiējìn)t0；若1大，則Tw更接近(jiējìn)T。若1大，則tw更接近(jiējìn)T；若2大，則tw更接近(jiējìn)t。40第四十頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）3、溫度補(bǔ)償(bǔcháng)方法：換熱器兩端管板和殼體是連為一體的（見圖6-10）。當(dāng)殼體和管子之間的溫差較?。?0~70℃)且殼體承受壓力不太高時，可采用(cǎiyòng)補(bǔ)償圈（又稱膨脹節(jié)）。（1）補(bǔ)償(bǔcháng)圈補(bǔ)償(bǔcháng)-----固定管板式換熱器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，適用于殼體和管束溫差小、管外物料比較清潔、

不易結(jié)垢的場合。41第四十一頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）（2）浮頭(fútóu)補(bǔ)償------浮頭(fútóu)式換熱器特點(diǎn)(tèdiǎn)：（3）U型管補(bǔ)償(bǔcháng)------U型管式換熱器一端管板用法蘭與殼體連接固定，另一端在殼體中自由伸縮，整個管束可以由殼體中拆卸出來（見圖6-11）。用于殼體與管子間溫差大的場合，但管內(nèi)清洗比較困難。適用于殼體與管束間溫差大、需經(jīng)常進(jìn)行管內(nèi)、外清洗的場合。每根管子都為U形，可以自由伸縮（見圖6-12）。特點(diǎn)：42第四十二頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）4、選用(xuǎnyòng)、設(shè)計簡介已知：換熱任務(wù)（一種流體(liútǐ)的進(jìn)、出口溫度、流量）設(shè)計(shèjì)內(nèi)容：冷卻劑或加熱劑的選定：常用的冷卻劑有：水、空氣、液氨、冷凍鹽水等常用的加熱劑有：水蒸汽、熱空氣、熱油、聯(lián)苯混合物、煙道氣等43第四十三頁，共103頁。一、列管式換熱器（管殼式換熱器）冷、熱流體(liútǐ)的走向：管徑、管長、管數(shù)、管子排布(páibù)計算：一般原則：①不潔凈的或易結(jié)垢的流體-----②腐蝕性流體------③壓力高的----④溫度(wēndù)遠(yuǎn)高于環(huán)境的或遠(yuǎn)低于環(huán)境的流體-----⑤蒸汽----⑥粘度大的或流量較小的流體----易于清洗側(cè)管程殼程管程管程殼程（便于排放冷凝液及不凝性氣體）以上幾點(diǎn)有時會相互矛盾，應(yīng)抓住主要方面。按第一章和本章計算公式。44第四十四頁，共103頁。二、其它(qítā)類型的換熱器間壁式換熱器：特點(diǎn)：高效、緊湊，在許多方面優(yōu)于管殼式換熱器。

70～80年代是國外PHE(plateheatexchangers)發(fā)展的鼎盛時期。我國由于(yóuyú)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)薄弱，設(shè)計技術(shù)水平不高，制造與檢驗(yàn)手段落后，技術(shù)開發(fā)力量分散等原因，品種還不多，質(zhì)量也不高。請點(diǎn)擊(diǎnjī)觀看動畫請點(diǎn)擊觀看動畫請點(diǎn)擊觀看動畫請點(diǎn)擊觀看動畫45第四十五頁，共103頁。三、傳熱過程(guòchéng)的強(qiáng)化強(qiáng)化傳熱目的：用較少的傳熱面積或較小的設(shè)備（A）完成同樣的傳熱任務(wù)(rènwu)（Q）;或力求使換熱設(shè)備在單位時間、單位面積傳遞的熱量（Q/A）盡可能地大。1、提高tm-----操作中采用此法不經(jīng)濟(jì)，工業(yè)上還要設(shè)法降低tm；但設(shè)計中：(1)采用逆流流動(2)盡量(jǐnliàng)采用高溫加熱劑或低溫冷卻劑。2、采用新型高效的換熱設(shè)備例如，一般管殼式換熱器每1m3體積的傳熱面積約為150m2左右，而板式換熱器可達(dá)1500m2左右，板翅式高達(dá)5000m2左右。46第四十六頁，共103頁。三、傳熱過程(guòchéng)的強(qiáng)化換熱表面粗糙法：采用(cǎiyòng)帶環(huán)向凸出物的橫紋管管壁上繞上細(xì)金屬絲管壁上開槽3、提高(tígāo)K要設(shè)法減小熱阻較大項(xiàng)，才能有效地提高K值。

47第四十七頁，共103頁。三、傳熱過程(guòchéng)的強(qiáng)化流體(liútǐ)旋轉(zhuǎn)法:采用螺紋管、在管內(nèi)插入紐帶等，使流體(liútǐ)作旋轉(zhuǎn)流動。換熱表面特殊處理法：將換熱表面經(jīng)特殊處理，加工成表面多孔管，使換熱表面具有大量穩(wěn)定的汽化核心，可大大強(qiáng)化沸騰傳熱(chuánrè)過程。換熱表面擴(kuò)展法：采用各種形狀的肋片管。返回目錄48第四十八頁，共103頁。第四節(jié)間壁式換熱器的傳熱(chuánrè)換熱器是導(dǎo)熱方式、對流傳熱(chuánrè)方式在工業(yè)應(yīng)用中的典型代表。故在介紹完導(dǎo)熱和對流傳熱(chuánrè)之后，我們接著介紹換熱器的傳熱(chuánrè)過程及計算（教材第三節(jié)）。首先，需簡單了解一下?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)（教材第六章），以便正確地進(jìn)行換熱器的計算。49第四十九頁，共103頁。第四節(jié)間壁式換熱器的傳熱(chuánrè)一、換熱器簡介(jiǎnjiè)分類

換熱器在我國石油化工、煉油、冶金、輕工、制藥、食品等行業(yè)應(yīng)用極為普遍，占全部(quánbù)工藝設(shè)備投資的20－40％。冷熱流體直接接觸，傳熱直接、效率高、熱阻小冷熱流體隔一固體壁面，傳熱效率不如直接接觸式。工業(yè)應(yīng)用最廣。50第五十頁，共103頁。間壁式換熱器：管式：套管(tàoɡuǎn)式*、列管式*、蛇管式、噴淋式板式：螺旋板、板式、板翅式、翅片管式熱管：夾套式：※請點(diǎn)擊(diǎnjī)觀看動畫以后(yǐhòu)再介紹51第五十一頁，共103頁。列管式換熱器：管程數(shù)：單管程、雙管程、多管程

殼程數(shù)：單殼程、雙殼程、多殼程四管程請點(diǎn)擊(diǎnjī)觀看動畫冷、熱流體(liútǐ)一次經(jīng)過換熱器管程流體(liútǐ)兩次經(jīng)過換熱器管程、殼程流體兩次經(jīng)過換熱器管程流體四次經(jīng)過換熱器52第五十二頁，共103頁。二、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)分析21三個串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)：熱流體(liútǐ)側(cè)的對流傳熱間壁的導(dǎo)熱冷流體(liútǐ)側(cè)的對流傳熱傳熱(chuánrè)邊界層是傳熱的主要熱阻所在。間壁熱流體冷流體流向流向53第五十三頁，共103頁。三、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)計算1、總傳熱(chuánrè)速率方程（總）傳熱系數(shù)，單位W/m2K

式中：牛頓(niúdùn)冷卻定律：熱流體側(cè)的

對流傳熱dQ間壁的導(dǎo)熱其中dA可取dA1、dAm、dA2等。-----總傳熱速率方程

冷流體側(cè)的對流傳熱54第五十四頁，共103頁。三、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)計算------總傳熱(chuánrè)熱阻Q2、Q的計算(jìsuàn)無相變時：有相變時：55第五十五頁，共103頁。三、間壁式換熱器的傳熱(chuánrè)過程計算（1）查經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)數(shù)據(jù)：表5-6（2）實(shí)驗(yàn)測定（3）分析計算若取平均，微元面積(miànjī)可以用有限傳熱面積(miànjī)替代，則（其中A可取A1、Am、A2均可）3、K的計算分析計算公式：前面已推得：56第五十六頁，共103頁。三、間壁式換熱器的傳熱(chuánrè)過程計算Q考慮到實(shí)際傳熱(chuánrè)時，間壁兩側(cè)還有污垢熱阻，則上式變?yōu)椋海ㄆ渲?qízhōng)A可取A1、Am、A2均可）總熱阻對流熱阻污垢熱阻導(dǎo)熱熱阻污垢熱阻對流熱阻若等號右邊五項(xiàng)熱阻中有一項(xiàng)特別大，則總熱阻1/K的數(shù)值主要取決于這一最大者，這一最大熱阻稱為控制熱阻。設(shè)法減小控制熱阻的值，可以顯著地改善換熱器的傳熱效果。57第五十七頁，共103頁。三、間壁式換熱器的傳熱過程(guòchéng)計算4、tm的計算(jìsuàn)（1）恒溫差(wēnchā)傳熱TTttQ-----t恒定不變，故冷凝沸騰58第五十八頁，共103頁。（2）變溫差(wēnchā)傳熱-----t處處(chùchù)不等冷凝(lěngníng)沸騰無相變無相變無相變無相變59第五十九頁，共103頁。（2）變溫差(wēnchā)傳熱以冷、熱流體均無相變、逆流(nìliú)流動為例：前面(qiánmian)已推得：t2

t1

60第六十頁，共103頁。---------對數(shù)平均(píngjūn)溫差（逆、并流適用(shìyòng)）對照(duìzhào)得：61第六十一頁，共103頁。若流動非逆、并流，如錯流、折流，則tm需采用(cǎiyòng)相應(yīng)的計算式，如式5-25。工程上，為了簡便計算(jìsuàn)，tm常用下述方法：其中(qízhōng)：根據(jù)R、P查圖思考1：證明，相同進(jìn)出口溫度下，tm,逆總是大于tm,并。思考2：為什么總是小于1？62第六十二頁，共103頁。小結(jié)(xiǎojié)LMTD法------對數(shù)(duìshù)平均溫差法LogarithmicMeanTemperatureDiffrence（逆、并流）（其他(qítā)流動情況）

63第六十三頁，共103頁。5、傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（-NTU）引入3個無量(wúliàng)綱數(shù)群：熱容流量之比CR：

傳熱(chuánrè)效率：

傳熱(chuánrè)單元數(shù)NTU：傳熱單元數(shù)法公式推導(dǎo)：熱流體冷流體64第六十四頁，共103頁。5、傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（-NTU）以逆流(nìliú)為例：(＊)前面(qiánmian)已推得：65第六十五頁，共103頁。5、傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（-NTU）代入式（）中得：（逆流(nìliú)總傳熱速率方程）（逆流(nìliú)總傳熱速率方程）類似地，有故可統(tǒng)一寫成：（逆流總傳熱速率方程）66第六十六頁，共103頁。5、傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（-NTU）（并流總傳熱(chuánrè)速率方程）參見(cānjiàn)圖5-20～22類似推導(dǎo)可得并流時：已知CR、、NTU三者中任意兩項(xiàng)，查圖或用公式可以很方便地求出另外一項(xiàng)。圖5-20～22的規(guī)律：（比公式直觀！）CR一定時，NTU，則；

NTU一定時，CR，則。67第六十七頁，共103頁。（逆流(nìliú)總傳熱速率方程）表示(biǎoshì)為相變過程。思考1：使用式（5-44）、（5-45）時，是否有必要先判斷哪種流體(liútǐ)的熱容流量較小？思考2：逆流時，若CR=1，則NTU=？思考3：CR=0代表什么含義？不必68第六十八頁，共103頁。為什么稱為“傳熱效率”？實(shí)際傳熱(chuánrè)速率：最大可能(kěnéng)傳熱速率：當(dāng)熱流體(liútǐ)的熱容流量ms1cp1最小時當(dāng)冷流體的熱容流量ms2cp2最小時：的物理意義：---傳熱效率---傳熱效率---傳熱效率69第六十九頁，共103頁。為什么稱NTU為“傳熱(chuánrè)單元數(shù)”？什么是“傳熱(chuánrè)單元”？什么是“傳熱(chuánrè)單元數(shù)”？傳熱單元的個數(shù)------傳熱單元數(shù)。如圖，傳熱單元數(shù)為5。＝以逆流為例，將整個傳熱面分成若干段，每一段均滿足：1234570第七十頁，共103頁。為什么稱NTU為“傳熱(chuánrè)單元數(shù)”？1234571第七十一頁，共103頁。小結(jié)(xiǎojié)-NTU法（逆流(nìliú)時）（并流時）或查圖5-20或查圖5-21查圖72第七十二頁，共103頁。LMTD法與-NTU法比較(bǐjiào)兩種方法本質(zhì)(běnzhì)相同，至少應(yīng)熟練掌握其中一種方法；使用時方便程度各有優(yōu)劣。詳見下面的習(xí)題課內(nèi)容。73第七十三頁，共103頁。習(xí)題課

---根據(jù)(gēnjù)換熱任務(wù)，求取換熱器面積。---操作條件改變(gǎibiàn)后，對已有的換熱器換熱

能力或出口溫度進(jìn)行核算。74第七十四頁，共103頁。習(xí)題課---設(shè)計型問題(wèntí)舉例

【例1】在套管式油冷卻器里，熱油在252.5mm的金屬管內(nèi)流動，冷卻水在套管環(huán)隙內(nèi)流動，油和水的質(zhì)量流量皆為216kg/h，油的進(jìn)、出口溫度分別為150℃和80℃，水的進(jìn)口溫度為20℃。油側(cè)對流傳熱系數(shù)為1.5kW/m2K，水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為3.5kW/m2K，油的比熱(bǐrè)為2.0kJ/kgK。試分別計算逆流和并流操作所需要的管長。忽略污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻。252.5mm75第七十五頁，共103頁?！窘夥?jiěfǎ)一】：LMTD法逆流(nìliú)時：(以外表面(biǎomiàn)為基準(zhǔn))252.5mm76第七十六頁，共103頁。252.5mmQ、t2、K與逆流時相同

(以外表面為基準(zhǔn))并流時：77第七十七頁，共103頁。結(jié)論(jiélùn)：在相同條件下，逆流(nìliú)并流78第七十八頁，共103頁。逆流(nìliú)時：按冷、熱流體(liútǐ)當(dāng)中的任一計算均可。以下以熱流密度最小的熱流體(liútǐ)為基準(zhǔn)計算。代入式（1）得：252.5mm【解法(jiěfǎ)二】：-NTU法（逆流時）（1）79第七十九頁，共103頁。(以外(yǐwài)表面為基準(zhǔn))----參見(cānjiàn)解法一80第八十頁，共103頁。并流時：代入式（2）得：81第八十一頁，共103頁?？偨Y(jié)(zǒngjié)：對設(shè)計型問題，建議使用LMTD法。82第八十二頁，共103頁。習(xí)題課---操作型問題(wèntí)計算舉例【例2】有一臺現(xiàn)成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質(zhì)量流量950kg/h，冷凝溫度為40℃，冷凝傳熱系數(shù)1=7000W/m2K。冷卻水走管內(nèi)，其進(jìn)、出口溫度分別為32℃和36℃，污垢及管壁熱阻取為0.0009m2K/W（以外表面計）。假設(shè)管內(nèi)外流動可近似視為逆流。試核算該換熱器是否合用？列管式換熱器基本尺寸如下： 換熱管規(guī)格252.5mm 管長l=4m管程數(shù)M=4 總管(zǒnɡɡuǎn)數(shù)N=272根外殼直徑D=700mm附：氨冷凝潛熱r=1099kJ/kg 34℃下水的物性：83第八十三頁，共103頁。污垢及管壁(ɡuǎnbì)熱阻為0.0009m2K/W（以外表面計）【解法(jiěfǎ)一】：LMTD法根據(jù)已定的換熱任務(wù)，求出所需面積A需，然后與實(shí)際已給的面積A實(shí)比較。若A需<A實(shí)，則換熱器合用。這樣，將上述操作型問題轉(zhuǎn)化為了(wèile)設(shè)計型問題。其中：84第八十四頁，共103頁。1=7000kW/m2K污垢及管壁(ɡuǎnbì)熱阻為Ra2=0.0009m2K/W（以外表面計）污垢及管壁熱阻為0.0009m2K/W（以外(yǐwài)表面計）代入下式：85第八十五頁，共103頁。即換熱器合用(héyòng)!!!注意此題比較Q也可以(kěyǐ)，但比較K或tm則不妥。86第八十六頁，共103頁?！窘夥?jiěfǎ)二】：-NTU法污垢及管壁(ɡuǎnbì)熱阻為0.0009m2K/W（以外表面計）逆流。因熱流體(liútǐ)有相變，按冷流體(liútǐ)計算較為方便，此時前已求得：87第八十七頁，共103頁。習(xí)題課---操作型問題(wèntí)計算舉例【例3】如圖所示，單管程列管式換熱器，內(nèi)有180根191.5mm的管子，每根長3米，管內(nèi)走流量為2000kg/h的冷流體，與熱流體進(jìn)行(jìnxíng)逆流換熱，其進(jìn)口溫度為30℃。已知(ms2Cp2)/(ms1Cp1)=0.5（下標(biāo)2代表冷流體，下標(biāo)1代表熱流體）。冷流體的Cp2=1.05kJ/(kg℃)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m℃)，熱流體的進(jìn)口溫度為T1=150℃，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體的出口溫度T2。88第八十八頁，共103頁。180根191.5mm，長3米，(ms2Cp2)/(ms1Cp1)=0.5Cp2=1050J/(kg℃)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m℃)，熱流體(liútǐ)側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。【解法(jiěfǎ)一】：LMTD法89第八十九頁，共103頁。180根191.5mm，長3米，(ms2Cp2)/(ms1Cp1)=0.5Cp2=1050J/(kg℃)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m℃)，熱流體側(cè)、管壁(ɡuǎnbì)及垢層的熱阻可忽略。90第九十頁，共103頁。（1）又（2）聯(lián)立求解(qiúj