化工原理第四章1第1頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述4.1.1傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用4.1.2傳熱的三種基本方式4.1.3冷熱流體的接觸方式4.1.4熱載體及其選擇4.1.5間壁式換熱器的傳熱過(guò)程第2頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱或冷卻換熱保溫

強(qiáng)化傳熱過(guò)程削弱傳熱過(guò)程

第3頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2傳熱的三種基本方式

一、熱傳導(dǎo)

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(guò)程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。

特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)。氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)非導(dǎo)電體：原子或分子通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的液體機(jī)理復(fù)雜第4頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、對(duì)流流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程。三、熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱為熱輻射。

自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介

第5頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔第6頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、蓄熱式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單耐高溫缺點(diǎn)：設(shè)備體積大有一定程度的混合低溫流體高溫流體第7頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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第8頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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第9頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.4熱載體及其選擇

物料在換熱器內(nèi)加熱或冷卻時(shí)，通常需要另一種流體供給或取走熱量，這種流體稱作載熱體。選擇載熱體時(shí)必須考慮以下原則：①載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；②載熱體的飽和蒸汽壓較低，加熱時(shí)不易分解；③載熱體的毒性小、不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備；④價(jià)格便宜，來(lái)源容易；第10頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加熱劑：熱水、飽和水蒸氣、礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等若所需的加熱溫度很高則需采用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等冷卻溫度30C水加熱溫度180C飽和水蒸氣第11頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱負(fù)荷Q’：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時(shí)，吸收或放出的熱量，單位J/s或W。傳熱速率Q：熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)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(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。4.1.5間壁式換熱器的傳熱過(guò)程一、基本概念第12頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非穩(wěn)態(tài)傳熱

二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱：輸入能量等于輸出能量的傳熱過(guò)程

式中 A──總傳熱面積，m2。第13頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、冷熱流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程t2t1T1T2對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體第14頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中K──總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；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?？倐鳠崴俾史匠蹋悍€(wěn)態(tài)傳熱：第15頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2熱傳導(dǎo)4.2.1有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念4.2.2傅立葉定律4.2.3導(dǎo)熱系數(shù)4.2.4通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)4.2.5通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第16頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念式中 t──某點(diǎn)的溫度，℃；x,y,z──某點(diǎn)的坐標(biāo)；──時(shí)間。溫度場(chǎng)：某時(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布總和。

(1)溫度場(chǎng)和等溫面第17頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不穩(wěn)定溫度場(chǎng)

穩(wěn)定溫度場(chǎng)

等溫面：在同一時(shí)刻下，溫度場(chǎng)中相同溫度各點(diǎn)所組成的面積為等溫面。等溫面上溫度處處相等，無(wú)熱量傳遞。不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1>t2等溫面Q第18頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)溫度梯度

將與t相鄰等溫面之間的溫差t，與兩面間的垂直距離x之比值的極限稱為溫度梯度。t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個(gè)點(diǎn)的概念。溫度梯度是一個(gè)向量。方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增的方向?yàn)檎痪S穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第19頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2傅立葉定律

表示通過(guò)等溫表面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。即：式中dQ──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；dA──導(dǎo)熱面積，m2；t/x

──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。第20頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)

越大，導(dǎo)熱性能越好用熱通量來(lái)表示對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

第21頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。4.2.3導(dǎo)熱系數(shù)

(1)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）(3)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)金屬固體>非金屬固體>液體>氣體

第22頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0,──0℃,t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；a──溫度系數(shù)。對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0，t

對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

1)固體

金屬：純金屬>合金非金屬：同樣溫度下，越大，越大。第23頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)液體金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。t

（除水和甘油）3)氣體一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液t

氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來(lái)保溫或隔熱。第24頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一、通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：(1)A大，b?。?2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。t1t2btxdxQxQx+dx第25頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月取dx的薄層，作熱量衡算：

對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)

傅立葉定律：

邊界條件為：

第26頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月得：

設(shè)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；

──平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──平壁兩側(cè)的溫度，℃。第27頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論：

2．分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1．可表示為推動(dòng)力：熱阻：為第28頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不隨t變化，

t～x成呈線形關(guān)系。3．當(dāng)隨t變化時(shí)若隨t變化關(guān)系為：則t～x呈拋物線關(guān)系。

如：1～t1，2～t2第29頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4－1

平壁厚度b為500mm，內(nèi)表面溫度t1=900℃，外表面溫度t2=250℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.0(1+0.001t)W/(m.℃)。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）和變量計(jì)算，試求導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布。第30頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：(1)A大，b?。?2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。(4)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3第31頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月推廣至n層：

第32頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、各層的溫差思考：厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，哪一層熱阻最大，說(shuō)明各層的大小排列。t1t2t3t4312第33頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-2有一燃燒平壁爐，壁爐由三種材料組成。最內(nèi)層為耐火磚，其厚度為150mm，導(dǎo)熱系數(shù)可取為1.05W/(m.℃)；中間層為保溫磚，厚度為290mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/(m.℃)；最外層為普通磚，其厚度為228mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.81W/(m.℃)?，F(xiàn)測(cè)得爐內(nèi)外壁表面溫度分別為1016℃和34℃，試求單位面積的熱損失和各層間接觸界面的溫度。假設(shè)各層接觸良好。第34頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.5通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一、通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假定：(1)穩(wěn)定溫度場(chǎng)；(2)一維溫度場(chǎng)。第35頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)

傅立葉定律

第36頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月邊界條件

得：設(shè)不隨t而變

式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。第37頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論：1．上式可以為寫(xiě)對(duì)數(shù)平均面積第38頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r成對(duì)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。第39頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-3外徑為120mm的蒸汽管道，其外包扎一層厚度為400mm的保溫層，保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)取為0.6W/(m.℃)。若蒸汽管道的外表面溫度為180℃，保溫層的外表面溫度為40℃，試求每米管長(zhǎng)的熱損失及保溫層中的溫度分布關(guān)系式。第40頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、通過(guò)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第41頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于n層圓筒壁：

式中q1,q2,q3分別為半徑r1,r2,r3處的熱通量。第42頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

例題4-4內(nèi)徑為15mm，外徑為19mm的鋼管，其1為20W/m℃，其外包扎一層厚度為30mm，2為0.2W/m℃的保溫材料，若鋼管內(nèi)表面溫度為580℃,保溫層外表面溫度為80℃,試求:(1)每米管長(zhǎng)的熱損失;(2)保溫層中的溫度分布。第43頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-5有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比2/1=5，此時(shí)單位時(shí)間的熱損失為Q；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度t1、t3不變，則此時(shí)熱損失為Q’，求Q’/Q=？第44頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3對(duì)流傳熱4.3.1對(duì)流傳熱過(guò)程分析4.3.2對(duì)流傳熱速率4.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素4.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立4.3.5無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式4.3.6有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第45頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1對(duì)流傳熱過(guò)程分析dAt2G1，T1G2，t1T2第46頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2對(duì)流傳熱速率——牛頓冷卻定律流體被冷卻：式中 Q──對(duì)流傳熱速率，W；──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A──傳熱面積，m2。第47頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中

t──總有效膜厚度；

e──湍流區(qū)虛擬膜厚度；

──層流底層膜厚度。下面來(lái)推導(dǎo)牛頓冷卻定律建立膜模型：流體被冷卻：TTWttWt第48頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Q∝t。2.復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化表示。

推動(dòng)力：阻力：第49頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素1.引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。強(qiáng)>自

2.流體的物性

，，，cp

第50頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變>無(wú)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(zhǎng)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(dòng)形態(tài)

層流、湍流

湍>層

第51頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立一、量綱分析

式中l(wèi)——特性尺寸；u——特征流速?；玖烤V：長(zhǎng)度L，時(shí)間，質(zhì)量M，溫度T變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。＝f(u，l，，，cp，，gt)第52頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響第53頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理以強(qiáng)制湍流為例：Nu＝CReaPrk1．采用不同Pr的流體，固定RelgNu＝klgPr＋lgCRea雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系得一直線，斜率為k2．不同Pr的流體在不同的Re下lgNu/Prk＝algRe＋lgC雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中得一直線斜率為a，截距為CPrNukReNu/PrkCa第54頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定性溫度的取法：三、定性溫度、特性尺寸的確定2．特性尺寸取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。第55頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<120，<2mPa.s，l/d>604.3.5無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流①低黏度（大約低于2倍常溫水的黏度）可應(yīng)用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式第56頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特征尺寸為管內(nèi)徑di流體被加熱時(shí)，k＝0.4；被冷卻時(shí)，k＝0.3。注意事項(xiàng)：定性溫度取第57頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)化措施：u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體第58頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：②高粘度西德?tīng)柡退仃P(guān)聯(lián)式

Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di第59頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)l/d<60(3)過(guò)渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管內(nèi)第60頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4-6常壓下空氣在管長(zhǎng)為4m、管徑為Φ60mm×3.5mm的鋼管中流動(dòng)，流速為15m/s，溫度由150℃升至250℃。試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。第61頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。3）層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

2.圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流第62頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊懙?3頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月適用范圍：當(dāng)：定性溫度：第64頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4-7機(jī)油在內(nèi)徑為10mm、長(zhǎng)度為7.7m的管內(nèi)流動(dòng)，流速為0.31m/s，油的溫度從90℃冷卻到70℃，管內(nèi)壁面溫度為20℃，試求流體與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。第65頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3直管內(nèi)過(guò)渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)當(dāng)Re=2300~10000時(shí)為過(guò)渡流，用湍流公式計(jì)算出α值后，再乘以校正系數(shù)f。

第66頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4非圓形管內(nèi)強(qiáng)制湍流1)當(dāng)量直徑法2)直接實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，有時(shí)要用實(shí)際的流通面積計(jì)算第67頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)1.流體在管束外垂直流過(guò)第68頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在換熱器內(nèi)管束外垂直流過(guò)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)：第69頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月整個(gè)管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do

第70頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．流體在換熱器殼程的流動(dòng)擋板形式：圓形、圓缺形第71頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：

定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt第72頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流速u(mài)按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；D——換熱器殼徑，m；do——管子的外徑，m；t——相鄰兩管中心距，m。第73頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意：換熱器無(wú)折流擋板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，對(duì)流傳熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：3）加強(qiáng)湍動(dòng)，2）1）第74頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、大空間的自然對(duì)流傳熱

注意：C,

n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫特征尺寸：垂直的管或板為高度水平管為管外徑第75頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4-8在一室溫為20℃的大房間中，安有直徑為0.1m、水平部分長(zhǎng)度為10m、垂直部分高度1.0m的蒸汽管道，若管道外壁平均溫度為120℃，試求該管道因?yàn)樽匀粚?duì)流的散熱量。第76頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝4.3.6有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)滴>膜

第77頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜狀冷凝：一旦形成液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面上進(jìn)行，即蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱，必須通過(guò)液膜后才能傳給冷壁面。所以冷凝膜成為膜狀冷凝的主要熱阻。滴狀冷凝：在滴狀冷凝時(shí)，壁面大部分的面積暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。由于沒(méi)有液膜阻礙熱流，其傳熱系數(shù)比膜狀冷凝可高幾倍或十幾倍。第78頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.冷凝過(guò)程的熱阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；r——汽化潛熱（ts下），J/kg。特性尺寸l：管外徑do定性溫度：膜溫

第79頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月湍流2）豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

第80頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施1)流體物性冷凝液

,

；冷凝液,；潛熱r

,

2)溫差液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=ts－tW，,3)不凝氣體

不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時(shí)，；反向時(shí)，；u第81頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5)蒸汽過(guò)熱包括冷卻和冷凝兩個(gè)過(guò)程。6)冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列第82頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沸騰種類1）大容積沸騰

2）管內(nèi)沸騰1.汽泡產(chǎn)生的條件問(wèn)題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？過(guò)熱度：t=tW－ts

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(zhǎng)大脫離壁面新汽泡形成攪動(dòng)液層

二、液體沸騰第83頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.沸騰曲線1）自然對(duì)流階段t<5C2）

核狀沸騰階段25C>t>5C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰

25C＜t工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰250C>t>25C優(yōu)點(diǎn)：大，tW小第84頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施1）液體的性質(zhì)強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）2）溫差在核狀沸騰階段溫差提高，

3）操作壓強(qiáng)第85頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒第86頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4.3.1一套管式換熱器，由內(nèi)管為25×2.5mm的無(wú)縫鋼管，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：（1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（2）管子換為19×2mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（3）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性第87頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算4.4.1總傳熱系數(shù)和總傳熱速率4.4.2熱量衡算和傳熱速率方程間的關(guān)系4.4.3傳熱平均溫度差4.4.4壁溫的計(jì)算4.4.5傳熱效率～傳熱單元數(shù)法4.4.6傳熱計(jì)算示例第88頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1總傳熱系數(shù)和總傳熱速率方程dAt2q1，T1q2，t1T2第89頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ第90頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）管內(nèi)對(duì)流（1）管外對(duì)流（2）管壁熱傳導(dǎo)對(duì)于穩(wěn)定傳熱

第91頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。第92頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論：1．當(dāng)傳熱面為平面時(shí)，dA=dA1=dA2=dAm2．以外表面為基準(zhǔn)(dA=dA1):

第93頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中K1——以換熱管的外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)；dm——換熱管的對(duì)數(shù)平均直徑。以壁表面為基準(zhǔn)：以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：近似用平壁計(jì)算第94頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．1/K值的物理意義

第95頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-9一空氣冷卻器，空氣在管外橫向流過(guò)，α0=80W/(m2.K)，冷卻水在管內(nèi)流過(guò)，α1=5000W/(m2.K)，冷卻管為Φ25×2.5（mm）的鋼管，其λ=45W/(m.K)。求（1）該狀況下的傳熱系數(shù)。（2）若將管外對(duì)流傳熱系數(shù)α0提高一倍，其它條件不變，傳熱系數(shù)有何變化？（3）若將α1提高一倍，其它條件同（1），傳熱系數(shù)又如何變化？第96頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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（1）求K平均值。（2）熱量衡算式與傳熱速率方程間的關(guān)系。（3）tm的求解。第97頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、污垢熱阻

式中R1、R2——傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W。第98頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2熱量衡算和傳熱速率方程間的關(guān)系無(wú)熱損失：熱流體q1,T1,cp1,H1q2,T2,cp2,H2冷流體q2,t1,cp2,h1t2h2第99頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)相變時(shí)

熱量衡算：式中Q──熱冷流體放出或吸收的熱量，J/s；q1,q2──熱冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；cp1,cp2──熱冷流體的比熱容，J/(s.℃)；h1,h2──冷流體的進(jìn)出口焓，J/kg；H1,H2──熱流體的進(jìn)出口焓，J/kg。第100頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相變時(shí)

熱量衡算：式中r──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；TS──熱流體的飽和溫度，℃。傳熱計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)和核心：第101頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-10（課本P155）試計(jì)算壓力為150kPa，流量為1500kg/h的飽和水蒸氣冷凝后并降溫到50℃時(shí)放出的熱量。第102頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、恒溫傳熱二、變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關(guān)4.4.3.傳熱平均溫度差逆流并流錯(cuò)流折流第103頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、逆流和并流時(shí)的tmt2t1T1T2t1t2T1T2t2tAt1T2T1t2tAt1T2T1逆流并流第104頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以逆流為例推導(dǎo)假設(shè)：1）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動(dòng)，q1、q2一定2）cp1、cp2為常數(shù)，為進(jìn)出口平均溫度下的3）K沿管長(zhǎng)不變化。4）熱損失忽略不計(jì)。第105頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月dAt2q1，T1q2，t1T2第106頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月T2t1t2T1dTdtdQQtt2t1Tt第107頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）也適用于并流

T2t1t2T1At2t1第108頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）較大溫差記為t1，較小溫差記為t2；3）當(dāng)t1/t2<2，則可用算術(shù)平均值代替4）當(dāng)t1＝t2第109頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-11在一單殼程單管程無(wú)折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水把熱流體由100℃冷卻到40℃，冷卻水進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流時(shí)的平均溫差。第110頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月：逆流時(shí)的平均溫度差2、錯(cuò)流、折流時(shí)的第111頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-12（課本P159）換熱器殼程的熱流體進(jìn)、出口溫度分別是120℃和75℃，管程冷流體進(jìn)、出口溫度為20℃和50℃。試求單殼程、雙管程的列管式換熱器的平均溫度差。第112頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4.4壁溫的計(jì)算穩(wěn)態(tài)傳熱

1．大，即b/Am小，熱阻小，tW=TW第113頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TW接近于T，即大熱阻小一側(cè)流體的溫度。

3．兩側(cè)有污垢

2．當(dāng)tW=TW，得

第114頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題（課本P166）第115頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、傳熱效率4.4.5傳熱效率～傳熱單元數(shù)法傳熱效率只是說(shuō)明流體可用熱量被利用的程度和計(jì)算傳熱的一種手段，不能說(shuō)明換熱器在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)劣。第116頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：熱容流量：qcp第117頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由熱量衡算得最小值流體可獲得較大的溫度變化最小值流體：熱容流量最小的流體為最小值流體。第118頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若已知換熱器的傳熱效率，就可以根據(jù)兩流體的進(jìn)出口溫度確定換熱器的傳熱量，第119頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、傳熱單元數(shù)第120頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)：熱流體溫度的變化相當(dāng)于平均溫度差的倍數(shù)。同理：第121頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳熱單元數(shù)的意義：對(duì)于已知的換熱器和用它處理的物料而言，它表示該換熱器的換熱能力的大小，K與A大，表示換熱器的換熱能力大。對(duì)于已知流體的換熱要求而言，它表示換熱要求的高低與換熱的難易程度。換熱要求高，即流體的進(jìn)出口溫差大。傳熱的推動(dòng)力小，則換熱需要的傳熱單元數(shù)大。第122頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程導(dǎo)出：逆流：并流：第123頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆流：并流：第124頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-13一生產(chǎn)過(guò)程中需要冷卻水將油從100

℃冷卻到70℃，油的流量為8000kg/h，水的初溫為20℃，流量為2000kg/h?，F(xiàn)有一傳熱面積為12m2的套管式換熱器，問(wèn)在下列兩種流動(dòng)型式下（1）兩流體呈逆流流動(dòng)；（2）兩流體呈并流流動(dòng)。該換熱器能否滿足要求，并說(shuō)明油的實(shí)際出口溫度和冷卻水的出口溫度為多少？（假設(shè)：換熱器的傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，K=300W/（m2.K）,熱損失忽略不計(jì)。）第125頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)換熱器傳熱計(jì)算的4個(gè)關(guān)系式：傳熱基本方程：熱量衡算方程：傳熱平均溫差計(jì)算式：傳熱系數(shù)計(jì)算式：第126頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5換熱器4.5.1換熱器的分類4.5.2間壁式換熱器的類型4.5.3列管換熱器的選用4.5.4傳熱的強(qiáng)化措施4.5.5新型的換熱設(shè)備第127頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.1換熱器的分類按用途分類：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器按冷熱流體熱量交換方式分類：混合式、蓄熱式和間壁式主要內(nèi)容：1.根據(jù)工藝要求，選擇適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型；2.通過(guò)計(jì)算選擇合適的換熱器規(guī)格。第128頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2間壁式換熱器的類型一、夾套換熱器第129頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、管式換熱器1、蛇管換熱器（1）.沉浸式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。缺點(diǎn)：管外流體的α較小。強(qiáng)化措施：可減少管外空間；容器內(nèi)加攪拌器。第130頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）.噴淋式第131頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；便于防腐蝕；管內(nèi)能耐高壓；管外比沉浸式大。缺點(diǎn)：冷卻水噴淋不均勻影響傳熱效果；只能安裝在室外，占地面積大。

第132頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、套管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，能耐高壓；傳熱面積可以自由增減；能達(dá)到嚴(yán)格逆流。缺點(diǎn)：管間接頭多，易發(fā)生泄漏。單位長(zhǎng)度傳熱面積較小。第133頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、列管換熱器第134頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圓缺形圓盤(pán)形多管程：增大管內(nèi)流體u，提高管內(nèi)的加擋板：增大殼程流體的湍動(dòng)，提高殼程的第135頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、管殼式換熱器特點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積的傳熱面積較大，傳熱效果較好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造材料范圍廣泛，操作彈性大。由于流體溫度不同，管束和殼體的溫度也不同，熱膨脹程度也有差別。第136頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）.固定管板式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但殼程檢修和清洗困難。殼內(nèi)流體應(yīng)是較清潔，不易結(jié)垢的物料。第137頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）.浮頭式特點(diǎn)：可完全消除熱應(yīng)力,便于清洗和檢修,結(jié)構(gòu)復(fù)雜第138頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）.U型管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單；但管程不易清洗。第139頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.3列管換熱器的選用1.根據(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷2.計(jì)算tm3.依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取K，估算A4.確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定u先按單殼程多管程的計(jì)算，如果<0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)；由u和V估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的A，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。第140頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.核算K分別計(jì)算管程和殼程的，確定垢阻，求出K，并與估算的K進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。6.計(jì)算A根據(jù)計(jì)算的K和tm，計(jì)算A，并與選定的換熱器A相比，應(yīng)有10%~25%的裕量。第141頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月選用換熱器中的有關(guān)問(wèn)題：(1)流體流經(jīng)管程或殼程的選擇管程：不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體。殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體。原則：傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清洗方便(2)流體uuK，在同Q、tm下A，節(jié)省設(shè)備費(fèi)；uHf，操作費(fèi)用增加；u選擇是經(jīng)濟(jì)上權(quán)衡的問(wèn)題，但要避免層流流動(dòng)。第142頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)換熱器中管子的規(guī)格和排列方式管子的規(guī)格：19×2mm和25×2.5mm管長(zhǎng)：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形錯(cuò)列第143頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.4傳熱過(guò)程的強(qiáng)化途徑一、增大tm提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑t1的溫度兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng)為了增強(qiáng)傳熱效率，可采取tm、A/V、K。二、增大A/V直接接觸傳熱，可增大A和湍動(dòng)程度，使Q第144頁(yè)，課件共157頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月