第三章傳熱過程傳熱過程3.0概述

3.1熱傳導(dǎo)3.2對流給熱

3.3

熱輻射

3.4傳熱過程的計算3.0

概述傳熱過程在生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱的三種基本方式冷熱流體的接觸方式一、傳熱過程在生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱或冷卻保溫

強化傳熱過程削弱傳熱過程

換熱二、傳熱的三種基本方式

1.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)：熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程。

氣體

分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果

固體

導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運動

非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)

液體

分子動量傳遞引起特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移傳熱學：研究熱體與冷體之間熱量交換速率的科學。2.對流傳熱

對流傳熱：不同溫度的流體，因攪拌、流動引起的物體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。

3.輻射傳熱

輻射傳熱(熱輻射)：物體因熱的原因向冷體發(fā)出輻射能的過程。

自然對流強制對流

具有波、粒二象性能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介

特點：對流傳熱的種類：特點：宏觀質(zhì)點發(fā)生相對位移；伴隨熱傳導(dǎo)。三、冷熱流體的接觸方式1.直接接觸式優(yōu)點：

設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單傳熱效果好缺點：

對流體有限定

2.蓄熱式低溫流體高溫流體優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)較簡單

耐高溫缺點：

設(shè)備體積大有一定程度的混合3.間壁式

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t1t2三、熱載體及其選擇（1）加熱劑：起加熱作用的熱載體；

工業(yè)中常用的有熱水（40～100℃）、飽和水蒸氣（100～180℃）、礦物油或聯(lián)苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180～540℃）、煙道氣（500～1000℃）、電加熱等。1.熱載體：為了將冷流體加熱或熱流體冷卻，供給或取走熱量的流體。（2）冷卻劑：而起冷卻作用的熱載體；

工業(yè)中常用的有水（20～30℃）、空氣、冷凍鹽水、液氨（-33.4℃）等等。水又可分為河水、海水、井水等，水的傳熱效果好，應(yīng)用最為普遍。在水資源較缺乏的地區(qū)，宜采用空氣冷卻，但空氣傳熱速度慢。2.熱載體的選擇：溫度易調(diào)節(jié)控制；飽和蒸汽壓較低；毒性小，不易燃易爆，腐蝕性?。粌r格便宜，來源容易。3.1熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)的基本概念傅立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)3.1.1熱傳導(dǎo)的基本概念t──某點的溫度，℃或K；

x,y,z

──某點的坐標；

──時間。(1)溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。

1.溫度場和等溫面式中:熱傳導(dǎo)的必要條件：物體或系統(tǒng)內(nèi)存在溫度差。

一般情況下，其數(shù)學表達式為：不穩(wěn)定溫度場

穩(wěn)定溫度場

(2)等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。

不同溫度的等溫面不相交t1t2t1>t2等溫面Q穩(wěn)定一維溫度場

2.溫度梯度

t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)溫度梯度是說明：3.1.2傅立葉定律

式中：1.傅立葉定律的內(nèi)容

Q

──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；

S

──

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/(m·K)。通過等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。

表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)——導(dǎo)熱系數(shù)

越大，導(dǎo)熱性能越好

對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

說明：2.導(dǎo)熱系數(shù)由傅立葉定律：

在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）

各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)由試驗方法測定金屬固體>非金屬固體>液體

>

氣體

說明：(1)固體

金屬：純金屬>合金

非金屬：同樣溫度下，越大，越大。(2)液體t

，

（除水和甘油）

一般來說，純液體的大于溶液(3)氣體t

，

氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱

金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)估算：

有機物水溶液估算：

有機物互混溶液估算：

一、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：S大，b??；材料均勻；溫度僅沿x

變化，且不隨時間變化。t1t2

δtxdxQxQx+dx3.1.3通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)Ot2xtt1對于穩(wěn)定溫度場由傅立葉定律：邊界條件為：

得：

設(shè)不隨t而變

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：改為

二、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：S大，b小；材料均勻；溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3以三層平面壁熱傳導(dǎo)為例推廣至n層：對于穩(wěn)定溫度場即：三層平面壁熱傳導(dǎo)的傳熱速率：t1t2b1txb2b3t2t4t3Ot2xtt1t3t4溫度分布曲線3.1.4通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一、單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定：圓筒很長；穩(wěn)定溫度場；一維溫度場；b圓筒壁的傳熱面積隨半徑變化，溫度也隨半徑變化對于穩(wěn)定溫度場，在半徑r處沿半徑方向取dr同心薄層圓筒，根據(jù)傅立葉定律，通過該圓筒的導(dǎo)熱速率為：邊界條件得：設(shè)不隨t而變進行變量分離：討論：1．上式可以寫為對數(shù)平均面積2．當，可以把圓筒的傳熱看成為壁厚為δ面積為的平壁的熱傳導(dǎo)。計算結(jié)果誤差不大于4%3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為溫度分布曲線t～r

成對數(shù)曲線變化(假設(shè)不隨t變化)作業(yè)：296頁—1，2，3，4，5

二、多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)對于n層圓筒壁：三層圓筒壁：3.2對流傳熱對流傳熱過程分析

對流傳熱速率

影響對流傳熱系數(shù)的因素

對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式3.2.1

對流熱過程分析一、對流傳熱過程對流傳熱過程（熱對流）：

通過流體質(zhì)點移動及混合而導(dǎo)致的熱量傳遞的過程。對流傳熱與流體流動及混合的狀況有關(guān)對流傳熱分類：流體無相變的對流傳熱

(2)流體有相變的對流傳熱

自然對流傳熱：僅因溫度差而產(chǎn)生流體內(nèi)部密度差引起流動的傳熱過程。強制對流傳熱：流體因外力作用引起流動的傳熱過程。

蒸氣冷凝：氣體在傳熱過程中全部或部分冷凝為液體。液體沸騰：液體在傳熱過程中沸騰汽化，部分液體轉(zhuǎn)化為氣體。f二、流體邊界層和傳熱邊界層（1）意義上的區(qū)別：

流體邊界層：存在速度梯度的區(qū)域，表示速度分布的情況。

傳熱邊界層：存在溫度梯度的區(qū)域，表示溫度分布的情況。對流傳熱可以看作是在傳熱邊界層內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程。（2）引入傳熱邊界層的意義：TWTbtT3.2.2對流傳熱速率——牛頓冷卻定律fTWTbtT牛頓冷卻定律的推導(dǎo)傳熱邊界層：由傳熱邊界層的概念，根據(jù)傅立葉定律：令：則：牛頓冷卻定律是一種推論。牛頓冷卻定律表達了復(fù)雜的對流傳熱過程所遵循的規(guī)律。3.對流傳熱系數(shù)

是研究對流傳熱的核心問題，它反映對流傳熱速度的快慢，

越大，對流傳熱越快。

推動力：阻力：討論：的獲得主要有三種方法：1．理論分析法：用因次分析法、再結(jié)合實驗，建立經(jīng)驗關(guān)系式。

把理論上比較成熟的動量傳遞的研究成果類比到熱量傳遞過程。

建立理論方程式，用數(shù)學分析的方法求出

的精確解或數(shù)值解。這種方法目前只適用于一些幾何條件簡單的幾個傳熱過程，如管內(nèi)層流、平板上層流等。2．實驗方法：3．類比方法：3.2.3影響對流傳熱系數(shù)

的因素流動的流體與外界的傳熱邊界層是對流傳熱的主要熱阻所在。ttwQ1.引起流動的原因自然對流強制對流自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。

強

>自

2.流體的物性

，，，cp，β3.流動形態(tài)

層流、過渡流、湍流

湍流

>層流

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（管或板是垂直放置還是水平放置）。5.是否發(fā)生相變

蒸汽冷凝、液體沸騰相變

>

無相變傳熱方式W/(m2·℃)空氣自然對流氣體強制對流水自然對流水強制對流水蒸氣冷凝有機蒸氣冷凝5～2520～10020～10001000～150005000～15000500～2000

值的范圍對流傳熱系數(shù)α

的意義:

α

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。

α

反映了對流傳熱的快慢,α

愈大表示對流傳熱愈快。α

不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)，反映對流傳熱熱阻的大小。一、因次分析法求無相變時的

＝f(u，L，，，，cp，g)基本物理量：長度L，時間T

，質(zhì)量M，溫度，熱量Q變量總數(shù)：8個由牛頓冷卻定律：則：令：q’——熱通量無相變時影響的因素有：q’

＝f(u，L，，，，cp，g，ΔT)無相變時影響q’的因素有：q’表示為冪函數(shù)的形式：則上式中各物理量的單位及因次式為：物理量單位因次q’uLΔTcpg[J/m2·s][m/s][m][K][kg/m·s][kg/m3][J/kg·K][m/s2·K]Q·L-2·T-1L·T–1LM·L–1·T–1M·L–3Q·M–1·

-1L·T–2·

-1(1)QL-2T-1=k(LT–1)a·

(L)b·

()

c·

(

ML–1T–1)

d·

(QT–1L–1

-1)

e·(

ML–3)

f·

(QM-1-1

)h·(LT–2

-1)

i因此（1）式兩邊物理量的因次式為：QL-2T-1=kQ(e+h)

·L(a+b-d-e-3f+i)

·T(-a-d-e-2i)·(c-e-h-i)·M(d+f-h)根據(jù)因次式一致性原則，等式兩邊各物理量的因次相等對于熱量Q對于時間T對于溫度對于質(zhì)量M對于長度L1=e+h－1=－a－d－e－2i0=c－e－h(huán)－i

0=d+f－h(huán)

－2=a+

b－d－e－3f+i(2)

用a,h,i表示另外幾個字母

e=1－h(huán)

d=－a+h－2i

c=1+i

f=a+2i

b=a+3i

－1

代入（1）式，得：（3）式（3）為包括四個無因次準數(shù)群。1.努塞爾（Nusselt）準數(shù):2.雷諾（Reynolds）準數(shù):3.普蘭特（Prandtl）準數(shù):4.格拉斯霍夫（Grashof）準數(shù):二、對流傳熱中的幾個準數(shù)及其物理意義物理涵義：包含α的準數(shù)，表明流體與器壁換熱時，器壁尺寸的影響。物理涵義：確定傳熱時流體流動的形態(tài)對器壁換熱時的影響。物理涵義：表明流體物性對傳熱的影響。物理涵義：表明流體因受熱膨脹對傳熱的影響，主要是自然對流的影響。5.定性溫度、特性尺寸的確定（1）定性溫度：確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。定性溫度的取法：取流體的平均溫度取壁面的平均溫度取流體和壁面的平均溫度（膜溫）

圓管的特征尺寸為管內(nèi)徑di

非圓管取當量直徑：對平壁：一般取厚度或高度(長度)（2）特性尺寸：對流體流動和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸。特性尺寸的取法：3.2.4流體無相變時的對流傳熱系數(shù)1.流體在管內(nèi)作強制湍流（1）低粘度——常溫下低于2倍水的粘度——半經(jīng)驗公式n

取決熱流方向:流體被加熱時，n＝0.4；被冷卻時，n＝0.3。一、

流體在管內(nèi)作強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<120，氣體或粘度小于水的粘度的2倍時，l/di

>60

l/di<60時,進行校正（2）高粘度：令：——考慮熱流的校正項適用范圍：

Re

>10000，0.7<Pr<16700，

l/di>60，特征尺寸di取內(nèi)徑，

定性溫度：μw按壁溫tw確定，流體溫度液體：加熱時冷卻時氣體：加熱時冷卻時2.流體在管內(nèi)作強制層流適用范圍：

Re<2300，0.6<Pr<6700，

L/di>60特征尺寸di

取內(nèi)徑

定性溫度：μw按壁溫tw確定，流體溫度2300<Re<10000時，先按湍流計算，3.流體在管內(nèi)作過渡流4.流體在彎曲管內(nèi)作強制對流然后乘以校正系數(shù)：──彎曲管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃

)

；──直管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃

)

；──彎曲軸彎曲半徑，m

。’r’由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，

湍動加劇，對流傳熱系數(shù)增大。

適用范圍：

12000<Re<220000；d1/d2=1.65~17

其中d1為外管內(nèi)徑，

d2為內(nèi)管外徑，特征尺寸：de，定性溫度：5.流體在非圓形管內(nèi)作強制對流（1）

當量直徑法用de’代替di計算，（2）直接實驗法套管環(huán)隙：

水－空氣系統(tǒng)二、管外強制對流的對流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外橫向流過由于結(jié)構(gòu)件因素，易產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，從而使局部傳熱系數(shù)在不同位置相差較大。流體橫向流過單根圓管的流動情況直列管束的排列情況：錯列傳熱效果比直列好。錯列適用范圍：Re>3000；

特征尺寸：管的外徑do流速：取最狹窄通道處。

錯列最狹窄距離?。?x1-d0)和2(t-d0)中小者ttdo直列錯列2.流體在換熱器的管間流過一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流擋板，流動方向不斷改變，在較小的Re下（Re=100）即可達到湍流。圓缺形折流擋板，弓形高度25%D，的計算式：Re=2×103～106定性溫度：進、出口溫度平均值；tw→μw。

特征尺寸：當量直徑de適用范圍：

正方形排列：

正三角形排列：（2）流速u根據(jù)流體流過的最大截面積A計算式中

h——相鄰擋板間的距離；

D——殼體的內(nèi)徑?！猚、n為經(jīng)驗常數(shù)。三、自然對流

自然對流：指冷表面或熱表面（傳熱面）放置空間內(nèi)，并且四周沒有其它阻礙自然對流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。對流傳熱系數(shù)僅與反映自然對流的Gr和反映物性的Pr有關(guān)(1)特性尺寸對水平管取外徑do，垂直管或板取管長和板高H。(2)定性溫度取膜溫(t

+tw)/2。(3)c,n（GrPr），具體數(shù)值列在書表中。一、

蒸汽冷凝飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸，蒸汽放出潛熱，在壁面上冷凝成液體。膜狀冷凝滴狀冷凝故冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理工業(yè)上遇到的大多數(shù)是膜狀冷凝3.2.4流體有相變時的對流傳熱系數(shù)1.膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)（1）努塞爾理論公式特性尺寸L：垂直管或板的高度；定性溫度：膜溫

基本假設(shè)：冷凝液膜為層流，傳熱為通過液膜的熱傳導(dǎo)；蒸氣靜止不動，對液膜無摩擦；蒸氣冷凝成液體時僅釋放冷凝熱，蒸氣和壁溫保持不變；冷凝液的物性按平均膜溫取值，為常數(shù)。蒸氣在垂直管外或板上的冷凝：式中：△t

——蒸氣的飽和溫度ts與壁面tw的溫度差；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。式中：

n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)。特性尺寸L：管外徑do定性溫度：膜溫

蒸氣在水平管束上冷凝：適用條件：

冷凝液膜為層流，Re<1800（2）巴杰爾關(guān)聯(lián)式適用條件：Re>1800定性溫度：膜溫蒸氣在垂直管外或板上的冷凝；形成的液膜是湍流。Re對的影響：層流：Re

，；湍流：Re

，。流體物性:2.影響冷凝傳熱的因素冷凝液膜兩側(cè)的溫度差:當液膜呈滯流流動時，都影響冷凝傳熱系數(shù)。蒸汽的流速和流向:蒸氣和液膜同向流動蒸氣和液膜逆向流動，。，；

u

，

。由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計算式可知蒸汽中不凝氣體含量的影響：冷凝壁面的表面情況：冷凝壁面的影響：a.垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流動方向的尺寸增大，沿途積存的液體增多，則液膜增厚，使下降，但當高度尺寸增至某一程度時，液膜進入湍流，有開始增大。實驗證明：當蒸汽中含空氣量達1%時，下降60%左右。不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。對的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜層阻力，因而降低。冷凝液面從上面各排流到下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的比上排的要低。b.水平布置的管束:垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列措施：減少冷凝液膜的厚度；二、液體沸騰對液體加熱時，有液相變?yōu)闅庀嗟倪^程，即在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜，因液體沸騰時必伴有液體流動，故屬于對流傳熱過程。池內(nèi)沸騰：將加熱表面浸入液體的自由表面之下，液體在壁面受熱沸騰。管內(nèi)沸騰：液體在管內(nèi)流動過程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰。其傳熱機理要較池內(nèi)沸騰復(fù)雜得多。1.工業(yè)上的液體沸騰種類池內(nèi)飽和沸騰汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層

池內(nèi)液體沸騰過程：產(chǎn)生沸騰條件：液體過熱、有汽化核心。2.液體沸騰曲線沸騰過程大致分三個階段：自然對流階段:核狀沸騰階段:膜狀沸騰狀態(tài):為保持理想的傳熱效果，常沸騰溫差保持在核狀沸騰階段△t=20~40K，過高使局部過熱而燒壞設(shè)備(暴沸現(xiàn)象)。壁面過熱度過熱度不大氣泡很少或沒有氣泡產(chǎn)生脫離頻率很快大量氣泡在加熱面上匯合形成蒸汽膜3.液體沸騰傳熱系數(shù)按照對比壓力計算泡核沸騰的傳熱系數(shù)壁面過熱度Z——與操作壓力與臨界壓力有關(guān)的參數(shù)，W/(m2·℃

)

；R——對比壓力；p——操作壓力；pc

——臨界壓力。4.影響沸騰傳熱的主要影響因素液體性質(zhì)：加熱壁面狀況：操作壓強：溫度差：一般盡可能控制在核狀區(qū)使液體σ

和

μ↓，有利于氣泡的生成和脫離。

新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大。有利于氣泡生成和脫離的因素均能強化沸騰傳熱

λ,ρ,μ,σ3.2.5壁溫的估算壁面溫度是對流傳熱系數(shù)中重要的參數(shù)用管內(nèi)流體平均溫度ti，管外流體平均溫度to，試算法確定壁溫。試算法確定壁溫步驟：在ti和to

間假設(shè)壁溫tw值

；計算兩流體的對流傳熱系數(shù)i和o；

核算所設(shè)tw值是否正確。核算關(guān)系式：算出的tw值與假設(shè)不相符時，重設(shè)壁溫，按上面步驟重新計算，直到相符為止。給熱系數(shù)無相變有相變管內(nèi)外壁自然對流層流湍流水平圓管外圓管外冷凝傳熱沸騰傳熱對流傳熱系數(shù)小結(jié)能量衡算總傳熱系數(shù)和總傳熱速率平均溫度差法傳熱過程的強化途徑傳熱過程的計算3.3傳熱過程的計算換熱器的傳熱計算：設(shè)計型計算：即根據(jù)工藝提出的條件，確定換熱器的傳熱面積S。校核型計算：即對已知S的換熱器，核算其傳熱量Q、流體的流量Vs

或溫度T或t。熱量衡算傳熱速率方程T1T2t1t23.3.1能量衡算換熱器熱負荷Q：單位時間內(nèi)換熱器中冷，熱流體因溫度變化吸收或放出的熱量。式中：──流體的質(zhì)量流量，kg/h

或kg/s；──換熱器的熱負荷，kJ/h或W。1.熱焓法假設(shè)換熱器絕熱良好(熱損失可以忽略)，在單位時間內(nèi)換熱器中熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。──單位質(zhì)量流體的焓，kJ/kg。(1)兩流體均無相變，且流體的比熱容不隨溫度變化或可取流體平均溫度下的比熱容時Q──換熱器的熱負荷，kJ/h

或kW。2.比熱法cp──流體的比熱容，kJ/(kg·℃)t──冷流體的溫度，℃；T──熱流體的溫度，℃。(2)流體有相變，例如飽和蒸汽冷凝時Wh──飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h;

r──飽和蒸汽的汽化熱，kJ/kg。(3)冷凝液的溫度低于飽和溫度時cph──冷凝液的比熱容，kJ/(kg·℃

)Ts──冷凝液的飽和溫度，℃。注意：熱負荷和傳熱速率的區(qū)別和聯(lián)系熱負荷：由工藝條件決定，是對換熱器的要求。傳熱速率：換熱器本身在一定操作條件下具有的換熱能力，是換熱器本身的特性。對于一個能滿足工藝要求的換熱器，傳熱速率必須略大于或等于熱負荷。在實際設(shè)計時，通常將兩者在數(shù)值上視為相等。區(qū)別聯(lián)系:熱量衡算

熱負荷=傳熱速率

傳熱面積A3.3.2總傳熱系數(shù)一、實際生產(chǎn)過程中的傳熱主要形式為對流傳熱和熱傳導(dǎo)過程。熱流體以對流傳熱形式將熱量傳給固體壁面一側(cè)固體壁面一側(cè)以熱傳導(dǎo)形式將熱量傳給壁面另一側(cè)固體壁面另一側(cè)以對流傳熱形式將熱量傳給冷流體對流對流熱傳導(dǎo)twTw冷流體t熱流體TQ1.實際生產(chǎn)中的傳熱過程分析（3）壁內(nèi)側(cè)對流（1）壁外側(cè)對流（2）壁內(nèi)熱傳導(dǎo)對于穩(wěn)定傳熱2.總傳熱速率（1）（2）（3）式中：

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)或W/(m2·℃)

3.總傳熱系數(shù)推動力:熱阻:則：討論：

1.當傳熱面為平面時，S=Si=So=Sm2.傳熱面為圓筒時：S=Si

時，S=So

時，S=Sm時，近似用平壁計算當：3.污垢熱阻

通常污垢熱阻比傳熱壁的熱阻大得多，因而設(shè)計中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響。設(shè)管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻分別為根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，及總熱阻對流熱阻對流熱阻污垢熱阻污垢熱阻導(dǎo)熱熱阻4.提高總傳熱系數(shù)K途徑的分析b.當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，a.若傳熱面為平壁或薄管壁時，若o>>i，則1/K≈1/i，稱為管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制，此時欲提高K值，關(guān)鍵在于提高管壁內(nèi)側(cè)的。若i>>o，則1/K≈1/o，稱為管壁外側(cè)對流傳熱控制，此時欲提高K值，關(guān)鍵在于提高外側(cè)的。若i≈

o，則稱為管內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制，此時必須同時提高兩側(cè)的，才能提高K值。若管壁兩側(cè)很大，即兩側(cè)的對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時欲提高K值，必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。c.

提高總傳熱系數(shù)K的措施4．列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值冷流體熱流體總傳熱系數(shù)K，W/(m2·℃)水水850-1700水氣體17-280水有機溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280有機溶劑有機溶劑115-340水水蒸氣冷凝1420-4250氣體水蒸氣冷凝30-300水低沸點烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸氣冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸氣冷凝455-10203.3.3平均溫度差法和總傳熱速率方程1.恒溫傳熱時的平均溫度差一、傳熱平均溫度差法換熱器的間壁兩側(cè)均有相變化定態(tài)傳熱、定態(tài)流動兩種流體的

cph、cpc為常數(shù)K沿管長不變化熱損失忽略不計假設(shè)：蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱2.在變溫差傳熱時的平均溫度差變溫傳熱：在傳熱過程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度，沿著壁面，雖位置的不同而不同。逆流并流錯流折流流體流向：平均溫度差tm

與流體流向有關(guān)(1)逆流和并流時的T2t1t2T1dTdtdAQtt2t1Tt定態(tài)傳熱、定態(tài)流動兩種流體的

cph、cpc為常數(shù)K沿管長不變化熱損失忽略不計假設(shè)：逆流時：（1）該運算式也適用于并流T2t1t2T1Qt2t1t（2）較大溫差記為t1，較小溫差記為t2（3）當t1/t2<2，則可用算術(shù)平均值代替（4）當t1=t2，討論：逆流、并流比較：平均溫差大（當冷、熱二流體進，出口溫度一定時）節(jié)省冷卻劑或加熱劑用量b.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，增強流動性。a.逆流操作的優(yōu)點：逆流時的平均溫度差(2)錯流、折流時的查相應(yīng)狀況下的校正系數(shù)圖得到φ，進行計算。

二、總傳熱速率方程式中：

K——平均總傳熱系數(shù)；

tm——平均溫度差。——總傳熱速率方程求K平均值。熱量衡算式與傳熱速率方程間的關(guān)系。tm的求解。把對流-導(dǎo)熱聯(lián)合傳熱看作一個整體傳熱過程時運用該方程進行計算，必須解決的問題：三、

傳熱單元數(shù)法(ε-NTU)1.傳熱效率ε換熱器傳熱效率：假設(shè)換熱器中流體無相變及熱損失：換熱器中最大可能的傳熱量：Wcp

──流體熱容量流率；(Wcp)min──

兩流體中熱容量流率較小者，最小值流體。(1)假設(shè)熱流體為最小值流體：傳熱效率為：(2)假設(shè)冷流體為最小值流體：傳熱效率為：2.傳熱單元數(shù)NTU換器的熱量衡算和傳熱速率的微分式為：對于冷流體：基于冷流體的傳熱單元數(shù)：或令：——傳熱單元長度，m。則：換熱器長度等于傳熱單元數(shù)與傳熱單元長度的乘積討論：傳熱單元數(shù)量綱為1，反映了傳熱推動力與傳熱要求的溫度變化間的關(guān)系；傳熱推動力越大，所要求的溫度變化越??；傳熱單元長度量綱為m，是傳熱的熱阻和流體流動狀況的函數(shù)；總傳熱系數(shù)越大，熱阻越小，則傳熱單元長度越短，所需傳熱面積越小。傳熱單元的意義：一個傳熱單元數(shù)可視為換熱器的一段，以冷流體為基準時，其長度為Hc。T1T2t1t2Th2Th1tc1tc2Hc溫度，℃長度，m冷流體的溫度變化恰等于平均溫度差其中：3.傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系根據(jù)總傳熱速率方程：并流時：冷流體為最小值流體時：其中：同理，熱流體為最小值流體時：其中：ε-NTU

關(guān)系圖：根據(jù)流體流向以及傳熱效率和傳熱單元數(shù)公式繪制的圖表，供設(shè)計時直接使用。本教材中給出了并流、逆流和折流時的ε-NTU

關(guān)系圖012345傳熱單元數(shù)

NTU效率20406080100ε%并流換熱器的ε-NTU

關(guān)系3.3.4傳熱過程的強化途徑一、增大tm

兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑t1的溫度為了增強傳熱效率，可采取tm、S

、K

。二、增大S/V

直接接觸傳熱，可增大S和湍動程度，使Q

采用粗糙管和高效新型換熱器三、增大K盡可能利用有相變的熱載體（大）用大的熱載體，如液體