熱量傳遞過(guò)程第一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20231ProcessSystemprinciple教學(xué)內(nèi)容對(duì)流傳熱過(guò)程熱傳導(dǎo)過(guò)程熱量傳遞過(guò)程概述輻射傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱設(shè)備（換熱器）第二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20232ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述熱量傳遞的目的圖4-1典型的換熱流程1---換熱器2---反應(yīng)器（1）加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度。（2）換熱，以回收利用熱量或冷量。（3）保溫，以減少熱量或冷量的損失。第三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20233ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述熱量傳遞的方式（2）對(duì)流傳熱。（3）輻射傳熱。（1）熱傳導(dǎo)。第四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20234ProcessSystemprinciple（1）直接接觸傳熱。圖4-2直接接觸換熱熱量傳遞過(guò)程概述冷、熱流體的接觸方式（2）間壁式傳熱。圖4-3間壁式換熱（3）蓄熱式傳熱。圖4-4蓄熱式換熱第五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20235ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述載熱體及其選擇（1）載熱體：起加熱作用的載熱體稱為加熱劑；起冷卻作用的載熱體稱為冷卻劑。

載熱體：供給冷流體熱量或?qū)崃黧w的熱量帶走的流體。（2）載熱體的選擇：加熱劑：熱水、飽和水蒸氣、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽和煙道氣等。冷卻劑：水、空氣和各種冷凍劑。

載熱體的選擇要求：加熱時(shí)，溫位越高，價(jià)值越大；冷卻時(shí)，溫位越低，價(jià)值越大。

第六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20236ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述載熱體及其選擇其它要求：

①載熱體的溫度應(yīng)易于調(diào)節(jié)；②載熱體的飽和蒸氣壓宜低，加熱時(shí)不會(huì)分解；③載熱體毒性要小，使用安全，對(duì)設(shè)備應(yīng)基本上沒(méi)有腐蝕；④載熱體應(yīng)價(jià)格低廉而且容易得到。

第七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20237ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述傳熱速率（1）熱流量Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)熱流體通過(guò)整個(gè)換熱器的傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量W。單位時(shí)間、通過(guò)單位傳熱面積的熱量W/m2。（2）熱流密度（或熱通量）q：第八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20238ProcessSystemprinciple熱量傳遞過(guò)程概述穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：特點(diǎn)：傳熱系統(tǒng)中，溫度分布不隨時(shí)間而變，且傳熱速率在任何時(shí)間都為常數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多是穩(wěn)態(tài)傳熱。（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱：特點(diǎn)：傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時(shí)間而變。間歇操作的換熱設(shè)備、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的開(kāi)工、停工。在傳熱系統(tǒng)中，不積累能量的傳熱過(guò)程稱穩(wěn)態(tài)傳熱。在傳熱系統(tǒng)中，有能量積累的傳熱過(guò)程稱非穩(wěn)態(tài)傳熱。第九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/20239ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)規(guī)律熱傳導(dǎo)（或?qū)幔何矬w各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞。1、熱傳導(dǎo)概念2、熱傳導(dǎo)規(guī)律（1）傅立葉（Fourier）定律：式中：q---熱流密度，w/m2；---法向溫度梯度，℃/m；λ---比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)第十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202310ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)規(guī)律（2）導(dǎo)熱系數(shù)λ例：金屬10～102w/(m·℃)建筑材料10-1～10w/(m·℃)絕熱材料10-2～10-1w/(m·℃)λ表征材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)參數(shù)，其值越大，材料導(dǎo)熱性能越好。實(shí)驗(yàn)測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)λ與溫度t的關(guān)系：式中：λ---固體在溫度t℃的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；λ0---固體在溫度0℃的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；a---溫度系數(shù)，1/℃，；對(duì)大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，對(duì)大多數(shù)非金屬材料為正值。第十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202311ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用1、通過(guò)平壁的熱傳導(dǎo)過(guò)程：圖4-5平壁的熱傳導(dǎo)平壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見(jiàn)圖4-5所示。由傅立葉（Fourier）定律可知：對(duì)上式積分得：又可寫(xiě)為：第十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202312ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用2、通過(guò)圓筒壁的熱傳導(dǎo)過(guò)程：圖4-6圓筒壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見(jiàn)圖4-6所示。在圓筒壁內(nèi)取同心薄層圓筒并對(duì)其作熱量衡算：對(duì)于定態(tài)熱傳導(dǎo)：則：第十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202313ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用又：所以：對(duì)上式進(jìn)行積分得：式中：r---圓筒任一徑向半徑；l---圓筒管長(zhǎng)。邊界條件：第十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202314ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用將邊界條件帶入上式，得：式子可以改寫(xiě)為：第十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202315ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用若圓筒壁熱阻為：3、多層平壁的熱傳導(dǎo)過(guò)程：圖4-7多層平壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見(jiàn)圖4-7所示。第十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202316ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用①推動(dòng)力和阻力的加和性②各層的溫差第十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202317ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用

結(jié)論：對(duì)多層圓筒壁同樣適合。即：例：界面溫度的求取。某爐壁由下列三種材料組成：（見(jiàn)圖3-7所示）耐火磚λ1=1.4w/(m·℃)，δ1=225mm保溫磚λ2=0.15w/(m·℃)，δ2=125mm建筑磚λ3=0.8w/(m·℃)，δ3=225mm已測(cè)得內(nèi)、外表面溫度分別為930℃和55℃，求單位面積的熱損失和各層間接觸面的溫度。第十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202318ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用解：（1）單位面積的熱損失為：（2）溫差及界面溫度：第十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202319ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程的概念流體各部分（或與固體表面）之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱為對(duì)流傳熱。對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流：流體中各處的溫度不同而引起的密度差別，使輕者上浮，重者下沉，流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流：因泵（風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。第二十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202320ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程分析

傳熱過(guò)程流動(dòng)截面的溫度分析：圖4-8流體流過(guò)平壁時(shí)的溫度分布

參見(jiàn)圖4-8所示。第二十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202321ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程分析三種情況流體傳給壁面的熱流密度仍由傅立葉定律確定，即：

結(jié)論：對(duì)流傳熱是流體流動(dòng)載熱與熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的結(jié)果，流體對(duì)壁面的熱流密度因流動(dòng)而增大。流體無(wú)相變化的給熱過(guò)程流體有相變化的給熱過(guò)程強(qiáng)制對(duì)流給熱過(guò)程自然對(duì)流給熱過(guò)程蒸汽冷凝給熱過(guò)程液體沸騰給熱過(guò)程對(duì)流傳熱第二十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202322ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述1、牛頓冷卻定律：式中：Tw，tw---熱或冷壁的溫度，

℃

；T，t---熱或冷流體的溫度，℃；α---給熱系數(shù)，w/(m·℃)流體加熱時(shí)：流體冷卻時(shí)：2、給熱系數(shù)α：三種獲得給熱系數(shù)α的方法：①理論分析法：對(duì)流場(chǎng)建立動(dòng)量傳遞、熱量傳遞衡算方程和速率第二十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202323ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述方程，聯(lián)立求解流場(chǎng)的溫度分布和壁面熱流密度，然后寫(xiě)成牛頓冷卻定律的形式，從而獲得α的理論計(jì)算式。②數(shù)學(xué)模型法：對(duì)給熱過(guò)程作出簡(jiǎn)化的物理模型和數(shù)學(xué)描述，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或修正模型，確定模型參數(shù)。③因次分析法：對(duì)影響給熱過(guò)程的因素?zé)o因次化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)決定無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系。3、給熱系數(shù)α的影響因素及無(wú)因次化：①影響因素：

液體的物理性質(zhì)：ρ、μ、Cp、λ；固體表面的特征參數(shù)：l；第二十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202324ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述強(qiáng)制對(duì)流的流速：u；自然對(duì)流的特征速度：gβΔt。其中：β---膨脹系數(shù)，℃-1υ---流體比體積，m3/kg，υ=1/ρ；υ2，υ1---對(duì)應(yīng)于t2、t1的流體比體積；于是：②無(wú)因次化：第二十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202325ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述式中：-----努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)數(shù)于是，描述給熱過(guò)程的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為-----雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)-----普朗特（Prandtl）準(zhǔn)數(shù)-----格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)第二十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202326ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述討論：各無(wú)因次數(shù)群的物理意義α*--給熱過(guò)程以純導(dǎo)熱方式進(jìn)行時(shí)的給熱系數(shù)。Nu反映對(duì)流給熱系數(shù)增大的倍數(shù)。

Nu準(zhǔn)數(shù)：

Re準(zhǔn)數(shù)：是流體所受的慣性力與粘性力之比，用以表征流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

Pr準(zhǔn)數(shù)：流體物性對(duì)給熱過(guò)程的影響。對(duì)于氣體，Pr≈1，對(duì)于液體，Pr＞＞1。第二十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202327ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述

Gr準(zhǔn)數(shù)：則Gr是Re的一種變形，表征自然對(duì)流的流動(dòng)狀態(tài)。4、關(guān)于定性溫度和特征尺寸：①定性溫度：根據(jù)定性溫度，確定物性數(shù)據(jù)。一般選用壁溫tw和流體主體溫度t的算術(shù)平均值作為定性溫度，并稱之為平均膜溫。第二十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202328ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述指對(duì)給熱過(guò)程產(chǎn)生直接影響的幾何尺寸。②特征尺寸：第二十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202329ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)1、流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)：當(dāng)ⅰ.Re>104

ⅱ.0.7<Pr<160（不適用液體金屬）ⅲ.流體是低粘度（μ<2μ水）ⅳ.l/d>30～40則A=0.023，a=0.8，加熱時(shí)，b=0.4；冷卻時(shí)，b=0.3即：第三十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202330ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)其它條件下，需修正α：①高粘度流體：μ---液體在主體平均溫度下的粘度μw---液體在壁溫下的粘度液體加熱時(shí)，則：液體冷卻時(shí)，則：適用于Re>104，0.5<Pr<100各種液體，不適用液體金屬。第三十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202331ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)②l/d<30～40的短管：③Re=2000～10000的過(guò)渡流④流體在彎管中流動(dòng)α---直管給熱系數(shù)，w/(m·℃)d---管內(nèi)徑，mR---彎管的曲率半徑，m第三十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202332ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)⑤流體在非圓形管中流動(dòng)套管：Re=1.2×104～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0第三十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202333ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)圖4-9列管換熱器

例題：右圖為列管換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸汽進(jìn)行加熱。（2）當(dāng)苯的流量提高一倍，給熱系數(shù)有何變化？（1）試求管壁對(duì)苯的給熱系數(shù)。第三十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202334ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)解：苯的平均溫度所以：根據(jù)該溫度，查得：ρ=860kg/m3，Cp=1.80kJ/（kg·℃）μ=0.45mPa·s；λ=0.12w/(m·℃)第三十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202335ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)若忽略定性溫度的變化，則：2、流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流的給熱系數(shù)：適合：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第三十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202336ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)流體在管外強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)：直排錯(cuò)排圖4-10管束的排列流體在管束外橫向流過(guò)管束的給熱系數(shù)：c、ε、n的值見(jiàn)后表4-1所示。應(yīng)用范圍：Re=5×103～7×104，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。第三十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202337ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)表4-1

各排的給熱系數(shù)不等，整個(gè)管束的平均給熱系數(shù)為：式中：αi---各排的給熱系數(shù)；Ai---各排的傳熱面積。第三十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202338ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)3、攪拌釜內(nèi)液體與釜壁的給熱系數(shù)：實(shí)驗(yàn)表明：4、大容積自然對(duì)流的給熱系數(shù)：

表4-2系數(shù)A和b第三十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202339ProcessSystemprinciple對(duì)流傳熱過(guò)程有相變的對(duì)流給熱蒸汽冷凝給熱：當(dāng)飽和蒸汽與低于其溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出汽化潛熱的給熱過(guò)程。包括滴狀冷凝和膜狀冷凝。液體沸騰給熱：液體與高溫壁面接觸被加熱汽化，并產(chǎn)生氣泡的過(guò)程稱為液體沸騰。第四十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202340ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程輻射傳熱過(guò)程的概念絕對(duì)溫度不為零度的物體，都會(huì)不停地以電磁波的形式向外界輻射能量；同時(shí)，又不斷吸收來(lái)自外界其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。這種傳熱方式稱為熱輻射。

在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，有實(shí)際意義的熱輻射波長(zhǎng)在0.38～1000μm之間，大部分集中于紅外線區(qū)段：0.76～20μm之間。

第四十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202341ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

1、黑體的輻射能力和吸收能力：外來(lái)輻射投影到物體表面的能量，會(huì)發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象，如圖4-11所示。圖4-11輻射能的吸收、反射和穿透

根據(jù)能量守衡定律，有：

式中：Q---投射總能量；Qa、Qr、Qd---吸收、反射、透射的能量。第四十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202342ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

式中：a、r、d---分別稱為吸收率、反射率和透射率。

固體、液體：d=0，氣體：r=0，黑體輻射能力服從斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律：

當(dāng)a=1，稱該物體為黑體。

式中：Eb---黑體輻射能力，w/m2；σ0---黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8w/（m2·K4）。T---黑體表面的絕對(duì)溫度，K。第四十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202343ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

或：

式中：C0---黑體輻射系數(shù)，5.67w/（m2·K4）。

2、實(shí)際物體的輻射能力和吸收能力：

式中：ε---實(shí)際物體的黑度。實(shí)際物體的輻射能力恒小于同溫度下的黑體輻射能力Eb。第四十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202344ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

表4-3

3、灰體的輻射能力和吸收能力：

對(duì)于灰體：輻射能力ε=吸收能力a實(shí)際物體的吸收能力與投入輻射的波長(zhǎng)有關(guān)?；殷w：對(duì)各種波長(zhǎng)輻射均能同樣吸收的理想物體。

上述規(guī)律稱為克希荷夫（Kirchhoff）定律。第四十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202345ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

4、黑體間的輻射傳熱A1、T1、φ1A2、T2、φ2圖4-12兩黑體間的輻射傳熱

因?yàn)椋?/p>

所以：第四十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202346ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射

5、灰體間的輻射傳熱

關(guān)于Φ12和εs，參見(jiàn)表4-4。

例題：遮熱板的作用。

室內(nèi)有一高為0.5m，寬為1m的鑄鐵爐門(mén)，表面溫度為600℃，室溫為27℃，試求：（1）爐門(mén)輻射散熱的熱流量？第四十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202347ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射表4-4（2）若在爐門(mén)前很近的距離平行放置一塊同樣大小的鋁質(zhì)遮熱板（已氧化），爐門(mén)與遮熱板的輻射熱流量為多少？第四十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202348ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射（2）爐門(mén)和遮熱板相距很近，設(shè)鋁板溫度為T(mén)3，則：解：鑄鐵的黑度ε1=0.78，鋁的黑度ε3=0.15（1）爐門(mén)為四壁包圍，A1/A2≈0，則：第四十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202349ProcessSystemprinciple輻射傳熱過(guò)程固體輻射遮熱板與四周墻壁：因?yàn)椋核?，解得：T3=733K第五十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202350ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述

1、傳熱速率方程：TTwtwtδ熱流體冷流體q圖4-13微元管段中的熱流密度

式中：T、t---熱、冷流體的主體溫度；Tw、tw---熱、冷流體側(cè)的器壁溫度；α1、α2---熱、冷流體的給熱系數(shù)；σ---器壁的厚度。

根據(jù)推動(dòng)力和阻力加和原理，得：第五十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202351ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述

K稱為總的傳熱系數(shù)。

2、傳熱系數(shù)與熱阻：（以套管換熱器為例）①忽略δ/λ：當(dāng)α1>>α2時(shí)，K=α2；α1<<α2時(shí)，K=α1。

內(nèi)表面：外表面：②當(dāng)內(nèi)、外表面積不同時(shí)，第五十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202352ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述

若為圓管，內(nèi)、外徑為d1、d2：

關(guān)于污垢熱阻：（若內(nèi)、外污垢熱阻為R1、R2）則

式中：第五十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202353ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)描述

3、壁溫的計(jì)算：

若Tw=tw，則：第五十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202354ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程基本方程

1、換熱器的熱量的衡算：圖4-14熱量衡算

總的熱量衡算：第五十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202355ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程基本方程

式中：Wh、Wc----熱、冷流體的質(zhì)量流量；Cph、Cpc----熱、冷流體的比熱；

2、傳熱基本方程式：t1t2tTT1T2(T-t)1(T-t)2(T-t)T=t圖4-15熱量衡算

已知：

又：

上式積分，可得：第五十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202356ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程基本方程

式中：△tm---對(duì)數(shù)平均溫度。傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。

3、傳熱過(guò)程的推動(dòng)力：圖4-16傳熱溫差第五十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202357ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程基本方程

例：并流和逆流對(duì)數(shù)平均溫差的比較。

在一臺(tái)螺旋板式換熱器中，熱水流量為2000kg/h，冷水流量為3000kg/h，熱水進(jìn)口溫度為T(mén)1=80℃，冷水進(jìn)口溫度為t1=10℃。如果要求將冷水加熱到t2=30℃，試求并流和逆流對(duì)數(shù)平均溫差。

解：題目條件下，Cph=Cpc=4.2kJ/（kg·℃）

所以：

求得：T2=50℃由于：第五十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202358ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程基本方程則：并流時(shí)△t1=80℃-10℃=70℃△t2=50℃-30℃=20℃

則：逆流時(shí)△t1=80℃-30℃=50℃△t2=50℃-10℃=40℃第五十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202359ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算

1、設(shè)計(jì)型計(jì)算①計(jì)算熱負(fù)荷：設(shè)計(jì)任務(wù)：將流量為G1的熱流體自給定溫度T1冷卻至指定溫度T2。

設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)的溫度，即冷流體的進(jìn)口溫度t1。

計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器其他有關(guān)尺寸。

計(jì)算方法：②適當(dāng)選擇并計(jì)算平均推動(dòng)力：△tm。③即使冷、熱流體的對(duì)流給熱系數(shù)及總K。④由傳熱方程計(jì)算傳熱面積。

第六十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202360ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算參數(shù)選擇：

①流體流向的選擇（并流、逆流或錯(cuò)流等）；

②選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度；③冷、熱流體流動(dòng)線路（管程、殼程）；④流體的流速；⑤污垢熱阻。

2、操作型計(jì)算第一類命題：給定條件：換熱器傳熱面積及相關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)，冷、熱流體的流量、進(jìn)口溫度、流動(dòng)方式。第六十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202361ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算計(jì)算目的：冷、熱流體的出口溫度。給定條件：換熱器傳熱面積及相關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)，熱流體的流量以及進(jìn)、出口溫度，冷流體進(jìn)口溫度及流動(dòng)方式。第二類命題：計(jì)算目的：冷流體的流量及出口溫度。

計(jì)算方法：②

①

第六十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202362ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算③

例：第一類命題的操作型計(jì)算。

在一逆流操作的換熱器，熱流體為空氣，α1＝100W/(m2·℃)，冷卻水走管內(nèi)，α2＝2000W/(m2·℃)。已測(cè)得熱、冷流體進(jìn)、出口溫度為T(mén)1=100℃，T2=70℃，t1=20℃，t2=85℃，管壁熱阻可以忽略。當(dāng)水流量增加一倍時(shí)，試求：

（1）空氣和水的出口溫度T2’，t2’?

（2）熱流量Q’比原熱流量Q增加多少?第六十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202363ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算

解：（1）原工況：

式中：第六十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202364ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算新工況：（a）、（b）兩式相除：第六十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202365ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算或：熱量衡算：聯(lián)立求解（c）、（d）兩式，得：第六十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202366ProcessSystemprinciple傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算（2）新、舊工況的熱量之比：即，熱量增加了34％。討論：從計(jì)算結(jié)果中可以得出什么結(jié)論？第六十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202367ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

結(jié)構(gòu)：夾套裝在容器外部，在夾套和容器壁之間形成密閉空間，成為一種流體的通道。1、夾套換熱器圖4-17夾套換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。

缺點(diǎn)：傳熱面積A小，傳熱效率低。

用途：廣泛用于反應(yīng)器的加熱和冷卻。為了提高傳熱效果，可在釜內(nèi)加攪拌器或蛇管和外循環(huán)。第六十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202368ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于防腐，能承受高壓。

缺點(diǎn)：傳熱面積不大，蛇管外對(duì)流傳熱系數(shù)小，為了強(qiáng)化傳熱，容器內(nèi)加攪拌。2、沉浸式蛇管換熱器

結(jié)構(gòu)：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應(yīng)容器所需要的形狀，沉浸在容器內(nèi)，冷熱流體在管內(nèi)外進(jìn)行換熱。圖4-18沉浸式蛇管換熱器第六十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202369ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型3、噴淋式換熱器

結(jié)構(gòu)：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來(lái)，沿管表面流下來(lái)，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進(jìn)行換熱。在下流過(guò)程中，冷卻水可收集再進(jìn)行重新分配。圖4-19噴淋式換熱器(1)第七十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202370ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好。

缺點(diǎn)：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。

用途：用于冷卻或冷凝管內(nèi)液體。圖4-20噴淋式換熱器(2)第七十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202371ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型4、套管式換熱器

結(jié)構(gòu)：由不同直徑組成的同心套管，可根據(jù)換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使平均對(duì)數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應(yīng)用方便。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。

用途：廣泛用于超高壓生產(chǎn)過(guò)程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場(chǎng)合。圖4-21套管式換熱器第七十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202372ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型5、列管式換熱器（管殼式換熱器）

主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。圖4-22列管式換熱器第七十三頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202373ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍動(dòng)程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種，前者更為常用。圖4-23列管式換熱器折流擋板第七十四頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202374ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型殼體內(nèi)裝有管束，管束兩端固定在管板上。由于冷熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，如兩者溫差較大，管子會(huì)扭彎，從管板上脫落，甚至毀壞換熱器。所以，列管式換熱器必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取各種補(bǔ)償?shù)霓k法，消除或減小熱應(yīng)力。

（1）固定管板式

根據(jù)所采取的溫差補(bǔ)償措施，列管式換熱器可分為以下幾個(gè)型式。殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補(bǔ)償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束之間有溫差時(shí)，依靠補(bǔ)償圈的彈性變形來(lái)適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。第七十五頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202375ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。圖4-24固定管板式（有膨脹節(jié)）換熱器

（2）浮頭式

兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長(zhǎng)方向浮動(dòng)。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。第七十六頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202376ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。圖4-25內(nèi)浮頭式換熱器第七十七頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202377ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。（3）U型管式圖4-26U型管式換熱器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。第七十八頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202378ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用1、選用步驟（1）根據(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷；（2）計(jì)算平均溫度差；先按單殼程多管程的計(jì)算，如果校正系數(shù)<0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)；（3）依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取總傳熱系數(shù)，估算傳熱面積；（4）確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定流體流速；由流速和流量估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的傳熱面積，估算管子長(zhǎng)度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號(hào)的換熱器。（5）核算總傳熱系數(shù)；第七十九頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202379ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用分別計(jì)算管程和殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，確定垢阻，求出總傳熱系數(shù)，并與估算的總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。（6）計(jì)算傳熱面積。根據(jù)計(jì)算的總傳熱系數(shù)和平均溫度差，計(jì)算傳熱面積，并與選定的換熱器傳熱面積相比，應(yīng)有10%～25%的裕量。2、選用換熱器中的有關(guān)問(wèn)題（1）流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則原則：傳熱效果好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；清洗方便?！霾粷崈艋蛞捉Y(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便?！龈g性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。第八十頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202380ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用（2）流體的流速流體的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過(guò)低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的?！鰤毫Ω叩牧黧w宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力?！鲲柡驼羝俗邭こ?，飽和蒸汽比較清潔，而且冷凝液容易排出?！隽髁啃《扯却蟮牧黧w一般以殼程為宜?！鲂枰焕鋮s物料一般選殼程，便于散熱。第八十一頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202381ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用0.2～1.5>0.53～150.5～0.3>15～30一般液體宜結(jié)垢液體氣體殼程管程流速m/s流體種類列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍：0.60.751.11.51.82.4>15001000～500500～100100～5335～1>1最大流速m/s液體粘度mPa.s不同粘度液體在列管換熱器中流速（在鋼管中）：

流動(dòng)方式的選擇：除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。第八十二頁(yè)，共九十二頁(yè)，2022年，8月28日3/4/202382ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用（3）換熱器中管子的規(guī)格和排列方式當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，對(duì)流傳熱系數(shù)越大，對(duì)傳熱過(guò)程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，對(duì)數(shù)平均值的溫差要加以修正。管子的規(guī)格19×2mm和25×2.5mm管長(zhǎng)：1.5、2.0、3.0、6.0和9.0m等；排列方式：正三角形、正方形直列和錯(cuò)列