1、傳熱機(jī)理與設(shè)備圖例,傳熱基本方式、傳熱計(jì)算和設(shè)備結(jié)構(gòu),傳熱概述,熱量傳遞推動(dòng)力：溫度差。 工業(yè)傳熱應(yīng)用： 物料加熱和冷卻； 熱量和冷量的回收利用； 設(shè)備和管道的保溫。,傳熱的三種基本方式1,熱傳導(dǎo):發(fā)生在兩直接接觸的相對(duì)靜止物體之間的熱量傳遞。以分子或原子的熱運(yùn)動(dòng)而傳熱。 物理意義熱對(duì)流:發(fā)生在流動(dòng)流體內(nèi)部的傳熱,以自然對(duì)流,或強(qiáng)制對(duì)流方式進(jìn)行。 自然對(duì)流； 強(qiáng)制對(duì)流；,傳熱的三種基本方式2,與普通物理意義熱對(duì)流不同,工業(yè)意義的熱對(duì)流指流動(dòng)流體和它所流經(jīng)的固體壁面之間熱量傳遞,其中將包括普通物理意義熱對(duì)流和壁面附近滯流層內(nèi)的熱傳導(dǎo)。實(shí)質(zhì)為復(fù)合傳熱。 熱輻射:發(fā)生在相距一定距離的物體之間,以電磁

2、波形式而傳熱。 復(fù)合傳熱:以兩種或兩種以上基本方式而傳熱。,幾個(gè)概念,穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱。 反映傳熱快慢的：傳熱速率Q和熱通量（或熱流密度）q。 q=Q/S 溫度場(chǎng)、三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、溫度梯度。,間壁式換熱器及其典型結(jié)構(gòu),間壁式換熱器是兩種流體間換熱時(shí)最常用的換熱器。在該換熱器中，兩流體由金屬固體壁面隔開(kāi)而流動(dòng)換熱。 典型結(jié)構(gòu):套管式、列管式。(見(jiàn)下圖),套管換熱器,兩種規(guī)格不同的標(biāo)準(zhǔn)管同心套裝，一種流體在小管內(nèi)空間流過(guò)，另一種流體在套管環(huán)隙中流動(dòng)，兩者通過(guò)小管壁面而進(jìn)行熱量交換。 小管壁面為間壁。傳熱面積為該管子表面積。,列管式換熱器的幾個(gè)概念和問(wèn)題1,結(jié)構(gòu):管束.外殼.封頭

3、.管板.折流擋板.工藝接管 管程.、管程流體.、多管程 殼程.、殼程流體.、多殼程 問(wèn)題:為什么要設(shè)置多管程?,列管式換熱器的幾個(gè)概念和問(wèn)題2,管束中所有管子的表面積總和構(gòu)成換熱面積。即 式中：n為管子根數(shù)。直徑可取管子內(nèi)徑 、管子外徑 、管子平均直徑 ，則傳熱面積可分別為內(nèi)表面積 、外表面積 、平均面積 。,傅立葉定律,反映熱傳導(dǎo)傳熱基本規(guī)律：傳熱速率與傳熱溫度梯度，兩物體接觸面積成正比。比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)。,導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率） 1,反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小的物理量。 定義式： 物理意義：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?、單位傳熱面積上所傳遞的熱量。單位： 。,各類物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率）數(shù)值范圍,氣體 0.006

4、0.6 液體 0.07 0.7 非導(dǎo)固體 0.23.0 固體 15420 絕熱材料 0.25 以上單位均用W/(m.) 。,導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率） 2,金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大、傳熱性能好，所以，換熱器都用金屬材料制造。 氣體導(dǎo)熱系數(shù)小、不利于傳熱，但利于絕熱，所以，在保溫材料內(nèi)一般充注空氣。 導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度呈線性變化。,單層平壁熱傳導(dǎo)1,假定：。 平壁兩側(cè)溫度分別為 ，且 ，且溫度不變，即為穩(wěn)態(tài)傳熱或說(shuō)傳熱速率為定值；平壁厚度為b。 平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)為 ； 傳熱面為一系列與兩側(cè)壁面平行的平面，傳熱面積處處相等，都為S。,單層平壁熱傳導(dǎo)2,則任意溫差為 、厚度為 的平壁層內(nèi)，有： 積分上式，可得：,

5、單層平壁熱傳導(dǎo)3,或者： 兩式中， 都稱為熱阻。前者單位是： ；后者單位是： 。,熱阻,定義：在傳熱過(guò)程中，由除推動(dòng)力溫度差以外的所有其他物理量綜合構(gòu)成的、對(duì)傳熱有阻礙效應(yīng)的一個(gè)物理量。 應(yīng)用意義:。 穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，溫度差與熱阻成正比。據(jù)此，可獲得傳熱范圍內(nèi)任意兩距離之間的溫度差或某位置上的溫度值； 與電路歐姆定律相同，故可用并聯(lián)、串聯(lián)計(jì)算電阻的方式計(jì)算熱阻。,例題,單層平壁內(nèi)側(cè)溫度為300，外側(cè)溫度為60，已知平壁總厚度為40cm，試確定平壁內(nèi)距外壁面分別為15、30cm兩壁面上的溫度值。,單層平壁熱傳導(dǎo)例題1,某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度為1650 ，外表面溫度為300，平壁材料導(dǎo)熱系

6、數(shù)=0.815+0.00076t （式中t的單位為， 的單位為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)算時(shí)，試求平壁溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。,單層平壁熱傳導(dǎo)例題2,現(xiàn)有一厚度為240mm的磚壁，內(nèi)壁溫度為600，外壁溫度為150。試求: 通過(guò)每平方米磚壁壁面的熱流密度q（熱通量）。 距內(nèi)壁面為40mm處的壁層溫度。 壁面總熱阻。 已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）為0.6W/(m. )。,多層平壁熱傳導(dǎo)1(以三層為例）,設(shè)各層溫度分別為 ，且 不變，即穩(wěn)態(tài)傳熱；各層熱導(dǎo)率分別為 ；傳熱面為一系列與軸線相平行的平面，面積相等，且均為S。 且各層接觸良好，即各

7、表面光滑或彼此完全吻合。否則，接觸面處接觸不好，出現(xiàn)空氣層，導(dǎo)致極大的附加熱阻（或接觸熱阻）,多層平壁熱傳導(dǎo)2,多層平壁熱傳導(dǎo)實(shí)際就是多層傳熱平壁串聯(lián)傳熱，所以總熱阻為各層熱阻總和，總傳熱溫度差為各層溫度差總和。,多層平壁熱傳導(dǎo)例題1,燃燒爐的內(nèi)層為460mm厚的耐火磚，外層為230mm厚的絕緣磚。若爐的內(nèi)表面溫度t1為1400 ，外表面溫度t3為100 。試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為1=0.9+0.0007t， 絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為2=0.3+0.0003t。兩式中t可分別取為各層材料的平均溫度，單位為, 單位為 W/(m.) 。,多層平壁熱傳導(dǎo)例題2,平壁爐的爐壁由

8、三種材料組成,其厚度和導(dǎo)熱系數(shù)列于本題附表中。若耐火磚層內(nèi)表面的溫度t1為1150 ，鋼板外表面溫度t4為30 ，今測(cè)得通過(guò)爐壁的熱損失為300 W/m2 ，試計(jì)算導(dǎo)熱的熱通量（熱流密度）q。若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的熱損失不符，試分析原因和計(jì)算附加熱阻。,上例附表,多層平壁熱傳導(dǎo)例題3,有一平壁燃燒爐，爐壁由三種材料組成，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。各層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)如下附表。 今測(cè)得爐的內(nèi)壁溫度為1000，耐火磚與保溫磚之間界面處的溫度為946。試求： 單位面積的熱損失； 保溫層與建筑磚之間界面的溫度； 建筑磚外側(cè)溫度。,附表,單層圓筒熱傳導(dǎo)1,單層圓筒熱傳導(dǎo)2,假設(shè)圓筒內(nèi)壁面溫

9、度值 與外壁面溫度值 關(guān)系為： ，即熱量由筒內(nèi)向筒外傳遞。 與單層平壁面熱傳導(dǎo)最大的不同是:圓筒熱傳導(dǎo)時(shí)，筒內(nèi)傳熱面積不是常數(shù)，隨半徑而變，溫度也隨半徑而變。,單層圓筒熱傳導(dǎo)3,在筒內(nèi)半徑為r處取定一個(gè)厚度為dr的圓環(huán)，設(shè)此圓環(huán)內(nèi)溫度變化為dt，則傳熱面積為2r，溫度梯度為dt/dr。當(dāng)穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，有： 或,單層圓筒熱傳導(dǎo)4,積分得：,單層圓筒熱傳導(dǎo)5,其中,單層圓筒熱傳導(dǎo)例題1,在外徑為140mm的蒸汽管道外包扎保溫材料，以減少熱損失。蒸汽管外壁溫度為390，保溫層外表面溫度不大于40。保溫材料的與t的關(guān)系為=0.1+0.0002t （t的單位為,的單位為W/(m.) ）若要求每米管長(zhǎng)的熱損

10、失QL不大450 Wm，試求保溫層的厚度以及保溫層中溫度分布。,單層圓筒熱傳導(dǎo)例題2,有外徑為426mm的水蒸氣管路，管外覆蓋一層厚度為400mm的保溫層。保溫材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系為=0.5+0.0009t式中t的單位為， 的單位為w/(m. )。水蒸氣管路外表面溫度為150 ，保溫層外表面溫度為40 。試計(jì)算該管路每米長(zhǎng)的散熱量。,多層圓筒熱傳導(dǎo)（三層）1,多層圓筒相互套裝，各接觸面接觸良好。若由內(nèi)向外，各層半徑分別為 ，其表面溫度分別為 ，且各溫度值： 。則：,多層圓筒熱傳導(dǎo)（三層）2,上式中，,多層圓筒壁熱傳導(dǎo)例題1,在一603.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧

11、化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.07 w/(m. )，外層為20mm的石棉層，平均熱導(dǎo)率為=0.15 w/(m. )?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得內(nèi)壁溫度為500，最外層表面溫度為80，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45 w/(m.)。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。,對(duì)流傳熱速率計(jì)算式1,本課程討論的熱對(duì)流為流動(dòng)流體和它所流經(jīng)壁面兩者之間的熱量傳遞。 熱對(duì)流過(guò)程是一個(gè)受到過(guò)多物理因素影響的過(guò)程。 熱對(duì)流傳熱速率計(jì)算尚無(wú)理論公式，現(xiàn)在所用的公式都由半理論、半經(jīng)驗(yàn)而來(lái)。,對(duì)流傳熱速率計(jì)算式2,以熱流體和壁面之間的傳熱為例，其中熱流體溫度為T，該側(cè)壁面溫度為 ，且管外傳熱。 推導(dǎo)：。 傳熱推動(dòng)力為溫度差（ ）； 傳熱速

12、率必然和傳熱面積 成正比； 傳熱過(guò)程中，順著流體的流動(dòng)方向，熱流體溫度逐漸降低，壁面溫度也隨位置而改變，所以每一局部區(qū)域的傳熱速率必不相同。需用微分式表達(dá)。,對(duì)流傳熱速率計(jì)算式3,其余對(duì)對(duì)流傳熱有影響的因素歸結(jié)為一個(gè)物理量對(duì)流傳熱系數(shù)。 綜上，熱對(duì)流傳熱速率可為：,對(duì)流傳熱速率計(jì)算式4,上述公式稱為牛頓冷卻定律。 對(duì)管內(nèi)冷流體一側(cè)熱對(duì)流：冷流體溫度為t，該側(cè)壁面溫度為 。應(yīng)有：,對(duì)流傳熱速率計(jì)算式5,實(shí)用對(duì)流傳熱速率計(jì)算，是對(duì)上述兩式求積分得到。即： 或,對(duì)流傳熱系數(shù),物理意義：既是對(duì)流傳熱過(guò)程中除溫度差、傳熱面積之外的諸多影響因素的集合，反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)度，其倒數(shù)又是對(duì)流傳熱的熱阻。,保溫層

13、臨界直徑1,臨界直徑在設(shè)備或管道外設(shè)置保溫層，其厚度必須使保溫層的直徑達(dá)到某一臨界值，否則加厚保溫層將使熱損失更大，此臨界值對(duì)應(yīng)的保溫層直徑。 設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t、大氣溫度為 ，熱量由此層傳導(dǎo)大氣中，經(jīng)保溫層內(nèi)的熱傳導(dǎo)、保溫層外的熱對(duì)流。,保溫層臨界直徑2,保溫層內(nèi)的熱阻為 。 層外熱對(duì)流熱阻為 。 總傳熱速率,保溫層臨界直徑3,上式中，當(dāng) 增大時(shí)， 將變大， 將變小，總熱阻可能變大、變小或不變。 該式對(duì) 求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為0時(shí)有極值，該極值下，令 ，可求得：,保溫層臨界直徑求算例,在管徑為15mm的管道外加設(shè)保溫層。若保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.14W/(m.) ，外表面對(duì)環(huán)境空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為

14、10 W/(m2.) ，試求算保溫層的臨界直徑。,間壁式換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算1,在沒(méi)有熱損失情況下，熱流體釋放的熱量即為冷流體所得到的全部熱量。 傳熱兩流體都只有溫度變化，無(wú)相態(tài)變化時(shí)； 其中下標(biāo)T、t熱流體溫度、冷流體溫度；“h”、“c”分別指熱流體、冷流體；“1”、“2”分別指進(jìn)口、出口；。,間壁式換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算2,當(dāng)兩流體之一只有溫度變化，另一者只有相態(tài)變化，如熱流體為蒸汽冷凝，則： 當(dāng)流體之一既有溫度變化，又有相態(tài)變化，則：,間壁式換熱器傳熱速率1,推導(dǎo)： 傳熱推動(dòng)力為溫度差（T-t）； 傳熱速率必然和傳熱面積 S 成正比； 傳熱過(guò)程中，順著流體的流動(dòng)方向，熱流體溫度逐漸降低，冷流體

15、溫度溫度逐漸升高，所以每一局部區(qū)域的傳熱速率必不相同。需用微分式表達(dá)。 其余對(duì)傳熱有影響的因素歸結(jié)為一個(gè)物理量總傳熱系數(shù)K。,間壁式換熱器傳熱速率2,表達(dá)式： 。 傳熱面積有不同的取法： ，總傳熱系數(shù)對(duì)應(yīng)也有： 。 所以，表達(dá)式有：,間壁式換熱器傳熱3,各總傳熱系數(shù)之間關(guān)系，有：,總傳熱系數(shù)K計(jì)算1,間壁式換熱器的傳熱步驟有：熱流體一側(cè)的熱對(duì)流、間壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)、冷流體一側(cè)的熱對(duì)流。 K的倒數(shù)顯然跟對(duì)流傳熱系數(shù)的倒數(shù)一樣，是整個(gè)間壁傳熱的總熱阻。故應(yīng)是三個(gè)串聯(lián)傳熱過(guò)程熱阻的總和。,總傳熱系數(shù)K計(jì)算2,考慮壁面處污垢熱阻后。,總傳熱系數(shù)K計(jì)算3,對(duì)于平壁面或薄壁管：,傳熱速率計(jì)算式例1,某換熱器由

16、252.5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆流流動(dòng)。已知管內(nèi)側(cè)空氣的i為50 W/(m2.) ，管外水側(cè)的o為1000 W/(m2.) ，鋼的為45 W/(m.) 。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)Ko及按平壁計(jì)的總傳熱系數(shù)。,傳熱速率計(jì)算式例2,在上例中，若忽略管子熱傳導(dǎo)熱阻和兩側(cè)污垢熱阻。將i提高一倍；將o提高一倍。試分別求算總傳熱系數(shù)K。,傳熱平均溫度差確定1,總傳熱速率計(jì)算式中的傳熱溫度差指的是間壁傳熱過(guò)程中冷、熱流體的傳熱平均溫度差。 其值的大小在兩流體進(jìn)、出口溫度已知,確定了端部溫度差時(shí),取決于兩流體的相對(duì)流動(dòng)方向。 流體的流向種類:逆流、并流、錯(cuò)流、折流。,傳熱

17、平均溫度差確定2,假設(shè)：。 傳熱過(guò)程無(wú)熱損失； 流體做穩(wěn)定流動(dòng)； 傳熱過(guò)程中，兩流體的比熱、換熱器總傳熱系數(shù)為常數(shù)。,傳熱平均溫度差確定3,并流或逆流流動(dòng)傳熱時(shí)， 對(duì)于錯(cuò)流和折流情況，則,傳熱平均溫度差確定4,上式中，溫度校正系數(shù) 。,逆流、并流傳熱溫度差比較,熱流體由90冷卻至70 ，冷流體由20 加熱至60 ，分別用逆流、并流方式換熱，試計(jì)算兩情況下的平均溫度差。 又若上述熱量交換過(guò)程是在一單殼程、雙管程管殼式換熱器中進(jìn)行的，則對(duì)數(shù)平均溫度差是多少？,逆流、并流傳熱溫度差例題,用列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)、出口溫度分別為100、150，加熱劑的進(jìn)、出口溫度各自為250、180。試求：分別

18、采用并流、逆流傳熱的平均溫度差；若原油流量為1800kg/h，比熱容為2kj/(kg.)，總傳熱系數(shù)為100W/(m2.)，試求兩種傳熱情況下的傳熱面積；若要求加熱劑的出口溫度降至150，試求此時(shí)并流和逆流的傳熱平均溫度差和傳熱面積，逆流時(shí)的加熱劑量可減少多少？（設(shè)比熱和K不變）,錯(cuò)流和折流的平均溫度差計(jì)算,先按逆流流動(dòng)計(jì)算出逆流傳熱平均溫度差. 通過(guò)相關(guān)計(jì)算并查圖,定出溫度校正系數(shù),兩者相乘,得數(shù)值.,間壁換熱總傳熱速率計(jì)算例題1,在一單殼程、四管程管殼式換熱器中，用水冷卻熱油。冷水在管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度為15 ，出口溫度為32 。熱油在殼方流動(dòng)，進(jìn)口溫度為120 ，出口溫度為40 。熱油的流

19、量為1.25kg/s，平均比熱為1.9kJ/(kg. )。若換熱器的總換熱系數(shù)為470 W/(m2.) ，試求換熱器的傳熱面積。,間壁換熱總傳熱速率計(jì)算例題2,在一傳熱外表面積So為300 m2的單程列管換熱器中，300 的某種氣體流過(guò)殼方并被加熱到430 。另一種560 的氣體作為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動(dòng)，流量均為1 104 kg/h，平均比熱均為1.05kJ/(kg. )。試求總傳熱系數(shù)。假設(shè)換熱器的熱損失為殼方氣體傳熱量的10%。,間壁換熱總傳熱速率計(jì)算例題3,在并流換熱器中，用水冷卻油。水的進(jìn)、出口溫度分別為15 和40 ，油的進(jìn)、出口溫度分別為150 和100 ?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求油的

20、出口溫度降到80 ，假設(shè)油和水的流量、進(jìn)口溫度及物性均不變，若原換熱器的管長(zhǎng)為1m，試確定此換熱器的管長(zhǎng)需增長(zhǎng)到多少米才能滿足要求。設(shè)換熱器的熱損失可以忽略。,間壁換熱總傳熱速率計(jì)算例題4,在一傳熱面積為50 m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種溶液。兩流體呈逆流流動(dòng)。冷水的流量為33000kg/h,溫度由20升至38。溶液的溫度由110降至60。若換熱器清洗后，在兩流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷水的出口溫度增到45。試計(jì)算：兩種情況下的總傳熱系數(shù)；換熱器清洗前傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。 說(shuō)明：兩種情況下，流體物性可視為不變，水的平均比熱可取4.187kj/(kg. )；按平壁處理，兩種

21、情況下的兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)不變；忽略熱損失。,傳熱單元數(shù)法,在只知兩換熱流體的進(jìn)口溫度,換熱器的總傳熱系數(shù),流體的物理性質(zhì)時(shí),為確定流體的出口溫度而采用的方法. 相關(guān)概念:傳熱效率,傳熱單元數(shù),傳熱單元長(zhǎng)度 計(jì)算方法:公式法,圖解法,傳熱單元數(shù)法例題1,在一傳熱面積為15.8 m2的逆流套管換熱器中，用油冷卻水。油的流量為2.85kg/s，進(jìn)口溫度為110；水的流量為0.667kg/s，進(jìn)口溫度為35。油和水的比熱分別為1.9及4.18 kJ(kg. ）。換熱器的總傳熱系數(shù)為320 W/(m2.) 。試求水的出口溫度。,傳熱單元數(shù)法例題2,在逆流操作的列管換熱器中，熱氣體將2.5kgs的水從35

22、加熱到85。熱氣體的溫度由200降到93。水在管內(nèi)流動(dòng)。已知總傳熱系數(shù)為180 W/(m2.) ，水和氣體的比熱分別為4.18和1.09 kJ(kg. ） 。若將水的流量減少一半，氣體流量和兩流體的進(jìn)口溫度不變，試求因水流量減少一半而使傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)流體的物性不變，熱損失可忽略不計(jì)。,傳熱單元數(shù)法例題3,重油和原油在單程列管式換熱器中呈并流流動(dòng)，兩種油的初溫分別為243 和128 ；終溫分別為167 和157 。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時(shí)流體的平均溫度差及它們的終溫。假設(shè)在兩種流動(dòng)情況下，流體的物性和總傳熱系數(shù)不變化，換熱器的熱損失可以忽略。,傳熱計(jì)算

23、綜合例,在一傳熱面積為50 m2的單程列管換熱器中，用水冷卻某溶液。兩流體呈逆流流動(dòng)。冷水流量為33000kgh，溫度由20升到38 。溶液的溫度由110 降到60 。若換熱器清洗后，在流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷水出口溫度增到45 。試估算換熱器清洗前后傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻。假設(shè)：兩種情況下，流體物性不變，水的平均比熱為4.187kJ(kg. ) ；可按平壁計(jì)算，兩種情況下i和o分別相同；忽略管壁熱阻和熱損失。,壁溫估算1,在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下，傳熱溫度差與相應(yīng)熱阻成正比，據(jù)此，可對(duì)管壁溫度進(jìn)行估算，公式如下：,壁溫估算2,可見(jiàn)，壁溫總是更趨近于對(duì)流傳熱系數(shù)大的一側(cè)流體溫度。 當(dāng)須考慮污

24、垢熱阻時(shí)，,壁溫估算例題,在一由 碳鋼管構(gòu)成的廢熱鍋爐中，管內(nèi)通入高溫氣體，進(jìn)口溫度為500、出口溫度為400，管外為p=1MPa壓力的水沸騰。已知高溫氣體對(duì)流傳熱系數(shù)為 ，水沸騰的對(duì)流傳熱系數(shù)為 。忽略污垢熱阻。試求管內(nèi)壁和管外壁平均溫度。,對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式簡(jiǎn)介,對(duì)流傳熱的影響因數(shù)有六大方面:流體的種類、流體的物理性質(zhì)、流體的溫度、流體的流型、傳熱設(shè)備的形狀與尺寸、相態(tài)變化情況。 將對(duì)流傳熱影響因素綜合,將形成多個(gè)準(zhǔn)數(shù)(如下頁(yè))。對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算反映為各個(gè)準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系，但該關(guān)系隨流體的流型、傳熱面形狀、流體相態(tài)變化而不同。,影響流體對(duì)流傳熱系數(shù)的因素1,流體的種類和相變化情況：。 液體

25、、氣體、蒸汽的對(duì)流傳熱系數(shù)不同； 流體有無(wú)相態(tài)變化，對(duì)傳熱有不同的影響； 流體的物理性質(zhì)：。 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)流傳熱熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)有直接關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)大，則熱阻小，對(duì)流傳熱系數(shù)高； 粘度粘度大的流體在其他流動(dòng)條件相同時(shí)，雷諾準(zhǔn)數(shù)小，滯流內(nèi)層厚，對(duì)流傳熱系數(shù)低； 比熱容和密度兩者乘積代表單位體積流體的熱容量，顯然數(shù)值越大，熱容量越高，對(duì)流傳熱強(qiáng)度大。,影響流體對(duì)流傳熱系數(shù)的因素2,體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)大的流體，所產(chǎn)生的密度差異越大，越有利于自然對(duì)流傳熱。 流體的溫度： 流體的溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在多方面：對(duì)流體物理性質(zhì)有影響、附加自然對(duì)流強(qiáng)度、流體和壁面之間的溫度差。 流體的流動(dòng)狀態(tài)：。 滯流

26、流體依熱傳導(dǎo)傳熱，湍流流體做雜亂的渦流運(yùn)動(dòng)，使該區(qū)域溫差極小，即熱阻小，故湍流對(duì)流傳熱系數(shù)大于滯流情況。,影響流體對(duì)流傳熱系數(shù)的因素3,流體流動(dòng)的原因： 自然對(duì)流由溫度差導(dǎo)致密度差而引起，使流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移。設(shè)流體內(nèi)溫度為 的兩區(qū)域的密度分別為 ，則密度差產(chǎn)生的升力為 。當(dāng)體積膨脹系數(shù)為時(shí)，則可得 。于是，單位體積流體產(chǎn)生的升力：,影響流體對(duì)流傳熱系數(shù)的因素4,強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，借助外力作用，使得對(duì)流傳熱系數(shù)是自然對(duì)流的數(shù)倍到幾十倍。 傳熱面的形狀、位置、大?。?傳熱面或?yàn)楣?、板、環(huán)隙、翅片等形狀，又或者水平、豎直擺放，管束排列方式不同，以及流道尺寸如：管徑、管長(zhǎng)、板高等不同都直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)。

27、,白金漢因次分析法化工過(guò)程常用分析方法，步驟：,將影響過(guò)程的n個(gè)物理因素列出，并將所有物理量的量綱找出，得出量綱個(gè)數(shù)m。依據(jù)定理，=n-m為無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)的個(gè)數(shù)。 取定m個(gè)物理量為組成每個(gè)準(zhǔn)數(shù)的共同物理量，其原則有：基本物理量中不包括待求量；應(yīng)有所有基本量綱；量綱相同的物理量不應(yīng)包括。,白金漢因次分析法化工過(guò)程常用分析方法，步驟（續(xù)）：,以共同物理量與剩余的每個(gè)物理量單獨(dú)寫(xiě)成指數(shù)表達(dá)式，組成每個(gè)準(zhǔn)數(shù)。在該準(zhǔn)數(shù)量綱為0的條件下，列出方程，求解出每個(gè)物理量的指數(shù)，可得到各個(gè)準(zhǔn)數(shù)。,強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1,強(qiáng)制對(duì)流傳熱的對(duì)流傳熱系數(shù)，其影響的因素可歸結(jié)為流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容Cp、流

28、體流速u、換熱器尺寸l。即： 基本量綱有質(zhì)量M、時(shí)間、溫度T、長(zhǎng)度L四個(gè)。即=n-m=7-4=3個(gè)。準(zhǔn)數(shù)可整理為3個(gè)。,強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式2,依據(jù)以上原則，可選定 四個(gè)物理量作為共同物理量。所以各準(zhǔn)數(shù)將分別為：,強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式3,對(duì)每個(gè)準(zhǔn)數(shù)根據(jù)量綱為0的原則，解出所有指數(shù)，可得到三個(gè)準(zhǔn)數(shù)分別為：,強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式4,所以，強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式將表達(dá)為：,自然對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1,影響的因素可歸結(jié)為流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容Cp、換熱器尺寸l、體積膨脹系數(shù) 。 依同樣的方式和步驟，可得到三個(gè)無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)：,自然對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式2,自然對(duì)流傳熱系

29、數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為:,應(yīng)用對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng),定性溫度：用于確定流體物理性質(zhì)參數(shù)數(shù)值的溫度。不同關(guān)聯(lián)式中會(huì)選用不同的溫度值，使用時(shí)應(yīng)特別注意。 特征尺寸：換熱設(shè)備的尺寸取值。 在應(yīng)用每個(gè)關(guān)聯(lián)式時(shí)，需要特別注意。,流體無(wú)相變時(shí)的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)(湍流)1,低粘度流體(低于2倍常溫水的粘度): 式中，定性溫度為流體的進(jìn)出口平均溫度；特征尺寸為管子內(nèi)徑；Re ，0.7Pr120，管長(zhǎng)與管徑比 60；流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3。,流體無(wú)相變時(shí)的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)(湍流)2,高粘度流體(高于2倍常溫水的粘度): 式中，除 用壁溫外，定性溫度為流體的進(jìn)出口平均溫度；特

30、征尺寸為管子內(nèi)徑；Re ，0.7Pr16700，管長(zhǎng)與管徑比 60；流體被加熱時(shí)， =1.05；流體冷卻時(shí)， =0.95,流體無(wú)相變時(shí)的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)(滯流),計(jì)算式為： 應(yīng)用范圍： 特征尺寸：管子內(nèi)徑； 定性溫度：流體進(jìn)出口平均溫度； 另外：,其他管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流情況1,管內(nèi)過(guò)渡流：按湍流情況計(jì)算得到的數(shù)值，再乘以校正系數(shù)。,其他管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流情況2,短管（ 60）：上述各式乘以管入口效應(yīng)校正系數(shù)。 彎管：上述各式乘以校正系數(shù) 。其中，R為彎管的曲率半徑。,對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式例題1,一套管換熱器，兩管規(guī)格分別為 和 ，管長(zhǎng)為2m，環(huán)隙內(nèi)為p=100KPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中流過(guò)，

31、進(jìn)、出口溫度各為 15 和35。冷卻水的流速為0.4m/s，試求管內(nèi)水一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。,管板上管子排列情況,流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)1,對(duì)于上頁(yè)的圖(a)、(d)所示傳熱情況： 對(duì)于上頁(yè)的圖(b)、(c)所示傳熱情況:,流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)2,兩式應(yīng)用范圍： 。 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度算術(shù)平均值。 管束排數(shù)應(yīng)為10。否則，計(jì)算結(jié)果應(yīng)乘以修正系數(shù)。,圓形直管作強(qiáng)制滯流的對(duì)流傳熱系數(shù),當(dāng)Gr2.5 105時(shí)，自然對(duì)流可以忽略，則 當(dāng)Gr2.5 105時(shí)，自然對(duì)流效應(yīng)不能忽略，上式乘以校正系數(shù),流體垂直流過(guò)管束外作強(qiáng)制對(duì)流,各排的對(duì)流傳熱系數(shù)可用下式求出： 式中n、C、由實(shí)驗(yàn)確定；流速取最

32、窄通道處的流速；定性溫度為流體進(jìn)、出口平均溫度。 平均對(duì)流傳熱系數(shù)為：,自然對(duì)流傳熱,自然對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為： C、n數(shù)值由下表選用。,對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式例題2,一垂直水蒸氣管，管徑為 ，管長(zhǎng)為0.5m，若管外壁溫度為110，周圍空氣溫度為20，試計(jì)算該管單位時(shí)間內(nèi)散失的熱量。,流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱蒸汽冷凝1,蒸汽冷凝方式： 膜狀冷凝：冷凝液可很好地濕潤(rùn)壁面在壁面上形成一層連續(xù)液膜，重力作用下，液膜越往下越厚。 滴狀冷凝：冷凝液在壁面上聚集成許多分散的液滴，沿壁面滾下，互相合并成大的液滴，露出壁面，使蒸汽能在壁面直接冷凝。,流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱蒸汽冷凝2,冷凝液形狀取決于它的表面張力和它

33、對(duì)壁面的附著力。附著力大于表面張力時(shí)為膜狀冷凝，否則為滴狀冷凝。 滴狀冷凝熱阻小，對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝高出510倍。 工業(yè)上大多情況為膜狀冷凝。,蒸汽膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱3,蒸汽在水平管外冷凝時(shí)： 式中，n為水平管束在垂直列上的管子數(shù)。,蒸汽膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱2,在垂直管外冷凝時(shí)： （層流Re1800) (湍流Re1800） 兩式中，l為垂直管長(zhǎng)或板高。,蒸汽冷凝液沿壁面流動(dòng)的,其表達(dá)式為： 式中： 對(duì)流傳熱系數(shù)； 壁面高度； 蒸汽飽和溫度與壁面溫度差值； 汽化潛熱； 冷凝液粘度；,影響冷凝傳熱的因素1,不凝性氣體：含有不凝性氣體時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)降低，應(yīng)定期排放氣體。 蒸汽流速和流向：

34、蒸汽向下流動(dòng)與液膜流向相同時(shí)，可加速液膜流動(dòng)；且流速越高，對(duì)不凝性氣體吹散效果越好都可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。,影響冷凝傳熱的因素2,蒸汽過(guò)熱：蒸汽雖然過(guò)熱，但液膜表面溫度仍然為飽和溫度，不過(guò)于提高傳熱溫差。 傳熱面形狀和布置：減薄液膜厚度可減小熱阻。故垂直壁面開(kāi)設(shè)縱向溝槽、水平管束減少垂直方向排數(shù)或直列變錯(cuò)列可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。,液體沸騰傳熱1,液體沸騰：在液體對(duì)流傳熱過(guò)程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，而在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程。 分為： 管內(nèi)沸騰液體在管內(nèi)流動(dòng)受熱沸騰； 大容器沸騰加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸騰。,大容器沸騰過(guò)程1（水沸騰為例）,沸騰情況隨溫度差（也稱壁面過(guò)熱度）而變化

35、。（ ） 自然對(duì)流（ ）：壁面處液體輕微過(guò)熱，產(chǎn)生自然對(duì)流，沒(méi)有氣泡逸出液面。對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱速率極低。 核狀沸騰（泡狀沸騰）：此時(shí) ，在加熱表面出現(xiàn)大量氣泡，氣泡生成、脫離和上升，使液體受到劇烈擾動(dòng)，對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱速率極高。,大容器沸騰過(guò)程2,膜狀沸騰：當(dāng) 時(shí)，加熱面產(chǎn)生的氣泡大大增加，且氣泡產(chǎn)生的速度高于氣泡脫離速度，致使氣泡在壁面位置連接起來(lái)形成氣膜，使液體不能良好受熱。對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱速率急劇降低。 由核狀沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為臨界點(diǎn)。,大容器沸騰的對(duì)流傳熱,此時(shí),影響沸騰傳熱的因素,溫度差：泡狀沸騰時(shí)，增大溫差可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 操作壓強(qiáng)：提高操作壓強(qiáng)可起促進(jìn)作用。

36、加熱表面狀況：有污垢時(shí)，傳熱變差；粗糙面?zhèn)鳠嵝Ч谩?熱輻射基本概念,吸收率,透過(guò)率,折射率; 黑體,鏡體,灰體,透熱體; 物體的輻射能力,單色輻射能力,黑度.,輻射傳熱基本概念,吸收率A：物體吸收被投射于其上的總輻射能量的分?jǐn)?shù)。 反射率R： （反射的分?jǐn)?shù)） 透過(guò)率D： （透過(guò)的分?jǐn)?shù)） 黑體：能全部吸收輻射能的物體。（ A=1） 鏡體：能全部反射輻射能的物體。（ R=1） 灰體：能以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體。（ A=常數(shù)）,輻射傳熱基本定律,普郎克定律揭示了黑體的輻射能力按波長(zhǎng)的分配規(guī)律。 斯蒂芬波爾茲曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系。此結(jié)論可推廣到灰體。 克希霍夫定律揭示了物體的輻射能力與吸收率的關(guān)系。,普朗克定律,反映黑體的單色輻射能力和電磁波波長(zhǎng)、物體表面溫度之間的關(guān)系。,斯蒂芬-波爾茲曼定律1,反映黑體的輻射能力和物體表面溫度之間關(guān)系。 上式， 黑體的輻射系數(shù)，數(shù)值為5.67 。,斯蒂芬-波爾茲曼定律2,該式稱為四次方程。將其結(jié)論推廣到灰體，則灰體的輻射能力也與其表面溫度成四次