第三章 傳熱新

1、第三章第三章 傳熱傳熱 化學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 傳熱：由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移。傳熱：由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移。 在一種介質(zhì)內(nèi)部或兩種介質(zhì)之間，只要存在溫度差，就必然在一種介質(zhì)內(nèi)部或兩種介質(zhì)之間，只要存在溫度差，就必然 會(huì)出現(xiàn)傳熱過(guò)程。會(huì)出現(xiàn)傳熱過(guò)程。 1.1 傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過(guò)程，通常傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過(guò)程，通常 來(lái)說(shuō)有溫度差的來(lái)說(shuō)有溫度差的 存在就有熱的傳遞，也就是說(shuō)存在就有熱的傳遞，也就是說(shuō)溫差的存在溫差的存在是實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn) 傳熱的傳熱的 前提條件或者說(shuō)是推

2、動(dòng)力，在化工中很多過(guò)程都直接或間前提條件或者說(shuō)是推動(dòng)力，在化工中很多過(guò)程都直接或間 接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的目的不外乎是以下三種：接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的目的不外乎是以下三種： 削弱傳熱過(guò)程削弱傳熱過(guò)程 強(qiáng)化傳熱過(guò)程強(qiáng)化傳熱過(guò)程 1 1、為了使物料滿足生產(chǎn)規(guī)定的操作溫度需要加熱或冷卻；、為了使物料滿足生產(chǎn)規(guī)定的操作溫度需要加熱或冷卻； 2 2、物料在輸送或處理過(guò)程中有熱量損失時(shí)需要保溫；、物料在輸送或處理過(guò)程中有熱量損失時(shí)需要保溫； 3 3、由于節(jié)能的需要、由于節(jié)能的需要, ,對(duì)冷（熱）量要回收利用。對(duì)冷（熱）量要回收利用。 1.2 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 （1）熱傳

3、導(dǎo)（導(dǎo)熱）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，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)?；騻鬟f到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)。 特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移。特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移。 氣體氣體:分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果 固體固體:導(dǎo)電體：自由電子在導(dǎo)電體：自由電子在晶格間晶格間的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 非導(dǎo)電體：通過(guò)非導(dǎo)電體：通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的來(lái)實(shí)現(xiàn)的 液體液體:機(jī)理復(fù)雜，主要靠原子、分子在平衡位置上的熱運(yùn)動(dòng)。機(jī)理復(fù)雜，主要靠原子、分子在平衡位置上的熱運(yùn)動(dòng)。

4、 （2）對(duì)流）對(duì)流*(熱對(duì)流或?qū)α鱾鳠釤釋?duì)流或?qū)α鱾鳠? 流體與流體與固體表面固體表面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量傳遞過(guò)程。之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量傳遞過(guò)程。 （3）熱輻射）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。物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱為熱輻射。 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(diǎn)特點(diǎn) 分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng) 流體整體運(yùn)動(dòng)流體整體運(yùn)動(dòng) （電磁波傳遞）（電磁波傳遞） 本章主要介紹導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱，在此基礎(chǔ)上本章主要介紹導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱，在此基礎(chǔ)上 研究冷熱流體透過(guò)固體壁面進(jìn)行換熱的過(guò)程。研究冷熱流體透過(guò)固體壁面進(jìn)行換熱的過(guò)程。 自然對(duì)流自然對(duì)流溫差導(dǎo)致密度不同溫差導(dǎo)致

5、密度不同 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流外力攪動(dòng)引起的對(duì)流外力攪動(dòng)引起的對(duì)流 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 2.1 熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)方程 （1）傅立葉（）傅立葉（Fourier）定律）定律 dT QA dx dT q dx 或或 Q：熱流量或?qū)崴俾剩ǎ簾崃髁炕驅(qū)崴俾剩↗s-1或或W）；）； q：熱流：熱流密度密度（Jm-2s-1或或Wm-2）；）； A：導(dǎo)熱面積（：導(dǎo)熱面積（m2）；）； ：導(dǎo)熱系數(shù)（：導(dǎo)熱系數(shù)（Wm-1K-1） dT dx ：熱流方向上的溫度梯度（：熱流方向上的溫度梯度（Km -1）；）； 負(fù)號(hào)：熱能沿溫度降低的方向傳遞。負(fù)號(hào)：熱能沿溫度降低的方向傳遞。 上式為導(dǎo)熱的基本定律，即上式為導(dǎo)

6、熱的基本定律，即傅立葉定律。傅立葉定律。 返回返回 （2）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)） 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 是分子微觀運(yùn)是分子微觀運(yùn) 動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，它表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱它表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱。 Q dT A dx =f(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),組成組成,密度密度,溫度溫度,壓力壓力) 物理含義：代表物理含義：代表單位溫度單位溫度梯度下的梯度下的熱通量熱通量大小大小，故物質(zhì)的故物質(zhì)的 越大，導(dǎo)熱越大，導(dǎo)熱性能越性能越好好。 在一定溫度范圍內(nèi)：在一定溫度范圍內(nèi)： =0(1+at) 式中式中0，：0, t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，

7、W/(mK)； a ：溫度系數(shù)，：溫度系數(shù)，1/；對(duì)大多數(shù)金屬材料：；對(duì)大多數(shù)金屬材料：a 0，t，。 規(guī)律：規(guī)律： （a）一般地）一般地， 導(dǎo)電固體 導(dǎo)電固體 非導(dǎo)電固體非導(dǎo)電固體， ， 液體 液體 氣體氣體 t ， 氣體 氣體 ， ， 水 水 ，其它液體的 ，其它液體的 。 （b）液體：）液體：金屬液體金屬液體較高，非金屬液體較高，非金屬液體低，水的低，水的最大最大。 一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液，一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液， t，（除水和甘油）。（除水和甘油）。 （c）氣體：）氣體：t，、氣體不利于導(dǎo)熱，可以應(yīng)用在哪里呢？氣體不利于導(dǎo)熱，可以應(yīng)用在哪里呢？ 需要需要提高導(dǎo)熱速率的場(chǎng)合提高導(dǎo)

8、熱速率的場(chǎng)合選用導(dǎo)熱系數(shù)選用導(dǎo)熱系數(shù)大大的材料，反之，需要的材料，反之，需要 減小導(dǎo)熱速率減小導(dǎo)熱速率的場(chǎng)合選用導(dǎo)熱系數(shù)的場(chǎng)合選用導(dǎo)熱系數(shù)小小的材料。的材料。 可用來(lái)保溫或隔熱。工程上通常根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值來(lái)選擇合可用來(lái)保溫或隔熱。工程上通常根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值來(lái)選擇合 適的導(dǎo)熱材料。適的導(dǎo)熱材料。北方的雙層窗戶，多孔的材料北方的雙層窗戶，多孔的材料，不能使用實(shí)心磚。，不能使用實(shí)心磚。 部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)可從工具書中查閱。部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)可從工具書中查閱。 物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級(jí) 物質(zhì)種類氣體液體非導(dǎo)固體金屬絕熱材料 /W/(m) 0.0060.60.07 0.7 0.2 3.0 15 4201

9、0000，0.7Pr160， 50 3.4 3.4 無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式無(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)的湍流圓形直管內(nèi)的湍流 努塞特準(zhǔn)數(shù)努塞特準(zhǔn)數(shù) 普蘭特準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù) 特征尺寸為管內(nèi)徑特征尺寸為管內(nèi)徑di 流體被加熱時(shí)，流體被加熱時(shí)，k0.4；被冷卻時(shí)，；被冷卻時(shí)，k0.3。 雷諾數(shù)雷諾數(shù) 流體流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度的影響流體流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度的影響 流體物性的影響 對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度 30 圓形直管內(nèi)的層流圓形直管內(nèi)的層流d, 1/d0.2 流體物性的影響，選大的流體 8 . 0 18 . 0 2 . 0 8 . 0 8 . 0 023. 0)()

10、(023. 0 kk p k p c d u c du d 強(qiáng)化措施？強(qiáng)化措施？ 2圓形直管內(nèi)的層流圓形直管內(nèi)的層流 3/13/13/1 )()()(86.1 p cdu d L 要求：要求： Re10 管內(nèi)徑為當(dāng)量直徑管內(nèi)徑為當(dāng)量直徑 非圓形管道內(nèi)流動(dòng)非圓形管道內(nèi)流動(dòng) e d4 流體流動(dòng)截面積 流體潤(rùn)濕的傳熱周邊 32 二、大空間的自然對(duì)流傳熱二、大空間的自然對(duì)流傳熱 Pr),(GrfNu n GrCNuPr),( 注意：注意： c與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平） n取決于流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 定性溫度：定性溫度：壁面溫度與流體溫度算術(shù)平均值 特征尺寸：特征尺寸：垂直的管或板

11、取高度，水平管取管外徑 np tlg c l C)( 2 23 自然對(duì)流的格拉曉夫數(shù) 3.4 對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 各準(zhǔn)數(shù)的名稱和涵義列于下表。各準(zhǔn)數(shù)的名稱和涵義列于下表。 準(zhǔn)數(shù)名稱準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式準(zhǔn)數(shù)式涵義涵義 努塞特準(zhǔn)數(shù)努塞特準(zhǔn)數(shù) Nu 包含對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)，亦名包含對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)，亦名 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) Re 確定流體流動(dòng)型態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，亦名確定流體流動(dòng)型態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，亦名 流型流型準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) 普蘭特準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr 表示物理性質(zhì)影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名表示物理性質(zhì)影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名 物性物性準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) 格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫準(zhǔn)數(shù) Gr 表示

12、自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名 升力升力準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) 由于實(shí)驗(yàn)是在一定的條件下進(jìn)行的，因此由實(shí)驗(yàn)所得到的經(jīng)由于實(shí)驗(yàn)是在一定的條件下進(jìn)行的，因此由實(shí)驗(yàn)所得到的經(jīng) 驗(yàn)關(guān)聯(lián)式就要受到實(shí)驗(yàn)條件的制約，那么在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式就要受到實(shí)驗(yàn)條件的制約，那么在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí) 應(yīng)注意以下三點(diǎn)：應(yīng)注意以下三點(diǎn)： (a) 應(yīng)用范圍主要指應(yīng)用范圍主要指Re、Pr和和Gr等準(zhǔn)數(shù)的范圍。等準(zhǔn)數(shù)的范圍。 (b) 特征尺寸就是關(guān)聯(lián)式中的各準(zhǔn)數(shù)特征尺寸就是關(guān)聯(lián)式中的各準(zhǔn)數(shù)Nu、Re和和Gr中所規(guī)中所規(guī) 定的尺寸，即其中的定的尺寸，即其中的l如何取。如何取。 (c) 定性溫度指確定準(zhǔn)數(shù)中流體的物理性質(zhì)

13、如定性溫度指確定準(zhǔn)數(shù)中流體的物理性質(zhì)如Cp、 、等所依據(jù)的溫度。等所依據(jù)的溫度。 35 例題例題 一列管式換熱器，由一列管式換熱器，由38根根 252.5mm的無(wú)縫鋼管的無(wú)縫鋼管 組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20加熱到加熱到80 ，苯的流量，苯的流量 為為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：，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)；）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)； （2）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？ )/(80. 1,/860 3 CkgkJcmkg p )/(14. 0,45. 0CmWsm

14、Pa 解：苯的定性溫度解：苯的定性溫度 Tm=（20+80）/2=50 解： （1）管內(nèi)流速為）管內(nèi)流速為u= =0.023*0.14/0.028*309600.8*5.790.4 =1272wm-2K-1 8 . 0 18 . 0 2 . 0 8 . 0 8 . 0 023. 0)()(023. 0 kk p k p c d u c du d K=0.4 符合實(shí)驗(yàn)條件符合實(shí)驗(yàn)條件 （2）管內(nèi)流速增加一倍時(shí)）管內(nèi)流速增加一倍時(shí) 傳熱系數(shù)增加了（傳熱系數(shù)增加了（2215-1272）/1272=74.14% 第四節(jié)第四節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱 4.1 基本概念基本概念 （1）熱輻射的特性）熱輻射的特性

15、 輻射是用電磁波傳遞能量的過(guò)程，傳遞的能量，稱為輻射是用電磁波傳遞能量的過(guò)程，傳遞的能量，稱為 輻射能。目前已發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)小于輻射能。目前已發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)小于10-7m的宇宙射線和波長(zhǎng)的宇宙射線和波長(zhǎng) 長(zhǎng)達(dá)長(zhǎng)達(dá)20km的無(wú)線電波。如下表所示。的無(wú)線電波。如下表所示。 其中波長(zhǎng)在其中波長(zhǎng)在0.38-1000m范圍內(nèi)的電磁波（即紅外線和可見(jiàn)光）范圍內(nèi)的電磁波（即紅外線和可見(jiàn)光） 能被物體吸收而使物體發(fā)熱，因而這部分射線稱為能被物體吸收而使物體發(fā)熱，因而這部分射線稱為熱射線熱射線。實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 表明，自然界中大部分物體，只要溫度超過(guò)表明，自然界中大部分物體，只要溫度超過(guò)0K即向外界發(fā)射熱射即向外界發(fā)射熱射

16、線。線。只有當(dāng)物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收且重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苤挥挟?dāng)物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收且重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?的過(guò)程，才叫熱輻射。（的過(guò)程，才叫熱輻射。（ 0.8-40m ） 物體之間通過(guò)熱輻射進(jìn)行輻射換熱時(shí)，兩物體物體之間通過(guò)熱輻射進(jìn)行輻射換熱時(shí)，兩物體不必直接接觸不必直接接觸， 只要處在相互可見(jiàn)的位置，輻射過(guò)程就可以進(jìn)行。即使在真空狀只要處在相互可見(jiàn)的位置，輻射過(guò)程就可以進(jìn)行。即使在真空狀 態(tài)下，熱射線也能傳遞，這是熱輻射的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。態(tài)下，熱射線也能傳遞，這是熱輻射的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。 熱射線和可見(jiàn)光一樣，同樣具有熱射線和可見(jiàn)光一樣，同樣具有反反 射、折射和吸收射、折射和吸收的

17、特性；服從光的反的特性；服從光的反 射和折射定律，在均一介質(zhì)中作直線射和折射定律，在均一介質(zhì)中作直線 傳播；在真空和透明氣體中可以完全傳播；在真空和透明氣體中可以完全 透過(guò)。透過(guò)。 如右圖所示，投射在物體表面上如右圖所示，投射在物體表面上 的總輻射能為的總輻射能為Q，其中有一部分能量，其中有一部分能量 Q被吸收，一部分能量被吸收，一部分能量Q被反射，另被反射，另 一部分能量一部分能量Q則透過(guò)物體。則透過(guò)物體。 由能量守恒得： 即： 定義： 稱為物體的吸收率吸收率*absorptivity； 稱為物體的反射率反射率； reflectivity 稱為物體的透過(guò)率透過(guò)率。transmissivity

18、 故： 能全部吸收外界投入輻射能的表面，叫黑表面，具有黑表面能全部吸收外界投入輻射能的表面，叫黑表面，具有黑表面 的物體，稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱的物體，稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體黑體。 自然界中并沒(méi)有黑體，可以用人工的方法制造出十分接近于自然界中并沒(méi)有黑體，可以用人工的方法制造出十分接近于 黑體的模型。黑體模型為一開(kāi)有小孔的空腔，腔的內(nèi)壁涂有一層黑體的模型。黑體模型為一開(kāi)有小孔的空腔，腔的內(nèi)壁涂有一層 吸收率很高的炭黑，或者內(nèi)壁構(gòu)造多個(gè)隔板。當(dāng)熱射線經(jīng)小孔進(jìn)吸收率很高的炭黑，或者內(nèi)壁構(gòu)造多個(gè)隔板。當(dāng)熱射線經(jīng)小孔進(jìn) 入空腔時(shí)，在空腔內(nèi)要經(jīng)歷多次地吸收和反射，每吸收一次，輻入空腔時(shí)，在空腔內(nèi)要經(jīng)歷多次地吸

19、收和反射，每吸收一次，輻 射能量就減弱一次，最終離開(kāi)小孔的能量就微乎其微了。就輻射射能量就減弱一次，最終離開(kāi)小孔的能量就微乎其微了。就輻射 特點(diǎn)而言，小孔就好像一個(gè)黑表面一樣。特點(diǎn)而言，小孔就好像一個(gè)黑表面一樣。 黑體的吸收率為黑體的吸收率為1，實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，黑體的輻射能力最大黑體的輻射能力最大。 1的物體，稱為全反射體（絕對(duì)白體或鏡體）的物體，稱為全反射體（絕對(duì)白體或鏡體）。同黑。同黑 體一樣，自然界中并不存在絕對(duì)白體，但有些物體接近于全體一樣，自然界中并不存在絕對(duì)白體，但有些物體接近于全 反射體如反射體如表面磨光的金屬鏡面表面磨光的金屬鏡面反射率反射率為為0.950.97；對(duì)于氣；對(duì)

20、于氣 體，它的界面反射熱射線非常少，可以忽略不計(jì)，即體，它的界面反射熱射線非常少，可以忽略不計(jì)，即氣體反氣體反 射率射率一般均可看成為一般均可看成為0。 1的物體，的物體，稱為透熱體稱為透熱體。對(duì)空氣、雙原子或單原子構(gòu)。對(duì)空氣、雙原子或單原子構(gòu) 成的氣體（例如成的氣體（例如H2，O2，N2，He）一般可看成是透熱體。）一般可看成是透熱體。 值得注意的是，多原子氣體（例如值得注意的是，多原子氣體（例如H2O、CO2、O3）能有選）能有選 擇地吸收和發(fā)射某些波段范圍的輻射能，這些氣體不能看成擇地吸收和發(fā)射某些波段范圍的輻射能，這些氣體不能看成 透熱體。透熱體。0的物體（的物體（+=1)為不透熱體，

21、從熱輻射的角度為不透熱體，從熱輻射的角度 來(lái)講，所有來(lái)講，所有固體均可看成是不透熱體固體均可看成是不透熱體。 ，并不完全由并不完全由物體本身的性質(zhì)物體本身的性質(zhì)所決定，不但所決定，不但 和和物體溫度、表面狀況物體溫度、表面狀況有關(guān)，而且與有關(guān)，而且與投入來(lái)的輻射射線投入來(lái)的輻射射線 波長(zhǎng)波長(zhǎng)有關(guān)，例如玻璃，對(duì)投入來(lái)的波長(zhǎng)在有關(guān)，例如玻璃，對(duì)投入來(lái)的波長(zhǎng)在0.40.8m的的 可見(jiàn)光，可見(jiàn)光，0.9左右，可近似看成透熱體；而對(duì)投入射左右，可近似看成透熱體；而對(duì)投入射 線為線為0.81000m的紅外線，的紅外線，0.9左右，基本上不透左右，基本上不透 過(guò)。過(guò)。 以上討論了極端情況下的一些特例，自然界

22、中既沒(méi)以上討論了極端情況下的一些特例，自然界中既沒(méi) 有有=1的絕對(duì)黑體，也沒(méi)有的絕對(duì)黑體，也沒(méi)有=1的全反射體，如后文所描的全反射體，如后文所描 述的那樣，一般的物體多為述的那樣，一般的物體多為灰體：能夠以相同的吸收率灰體：能夠以相同的吸收率 吸收所有波長(zhǎng)范圍輻射能的物體吸收所有波長(zhǎng)范圍輻射能的物體。 4.2 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼（波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律）定律 工程上，人們往往關(guān)心的是物體的總輻射能力，斯蒂芬工程上，人們往往關(guān)心的是物體的總輻射能力，斯蒂芬-波爾波爾 茲曼根據(jù)普朗克定律積分，茲曼根據(jù)普朗克定律積分， 得到得到黑體的輻射能力與溫度黑體的輻射能力與溫度T

23、之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： 這里的這里的0為黑體的輻射常數(shù)（或?yàn)楹隗w的輻射常數(shù)（或Stefan-Boltzmann常數(shù)），其常數(shù)），其 值為值為5.6710-8W/m2K4，C0為為5.67。 表面溫度升高一倍時(shí)，表面向外輻射的能量增加表面溫度升高一倍時(shí)，表面向外輻射的能量增加16倍。由于倍。由于 物體的輻射能力與溫度的物體的輻射能力與溫度的4次方成正比，因此在次方成正比，因此在高溫高溫時(shí)，就不能時(shí)，就不能 像低溫時(shí)那樣忽略輻射傳熱了。像低溫時(shí)那樣忽略輻射傳熱了。 4.3 固體的熱輻射固體的熱輻射 （1）實(shí)際固體的輻射能力及黑度、單色黑度、灰體）實(shí)際固體的輻射能力及黑度、單色黑度、灰體 實(shí)際固體

24、的輻射能力與它的實(shí)際固體的輻射能力與它的表面溫度、輻射方向、輻表面溫度、輻射方向、輻 射線的波長(zhǎng)以及表面狀況有關(guān)射線的波長(zhǎng)以及表面狀況有關(guān)。但是，實(shí)際固體的單色輻。但是，實(shí)際固體的單色輻 射能力隨波長(zhǎng)和溫度的變化不服從普朗克定律；它的輻射射能力隨波長(zhǎng)和溫度的變化不服從普朗克定律；它的輻射 能力不服從斯蒂芬能力不服從斯蒂芬波爾茲曼定律。上一節(jié)已敘述了黑體波爾茲曼定律。上一節(jié)已敘述了黑體 輻射的各種規(guī)律，并知道自然界一切物體的輻射能力均小輻射的各種規(guī)律，并知道自然界一切物體的輻射能力均小 于同溫度下黑體的輻射能力。為了表示于同溫度下黑體的輻射能力。為了表示實(shí)際物體輻射能力實(shí)際物體輻射能力 的大小，

25、可以采用的大小，可以采用輻射率或黑度輻射率或黑度來(lái)表示，即實(shí)際物體的輻來(lái)表示，即實(shí)際物體的輻 射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比值。射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比值。 用符號(hào)用符號(hào)表示：表示：黑度黑度 常見(jiàn)物體的黑度見(jiàn)教材。常見(jiàn)物體的黑度見(jiàn)教材。 物體的單色黑度（單色發(fā)射率）物體的單色黑度（單色發(fā)射率）：實(shí)際物體的單色輻射能力實(shí)際物體的單色輻射能力 E與相同溫度下黑體單色輻射能力與相同溫度下黑體單色輻射能力E0的比值，即：的比值，即： 假如某種物體的單色輻射能力假如某種物體的單色輻射能力E與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色 輻射能力輻射能力E0之比等于常數(shù)，之比等于常數(shù)，

26、即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度 常數(shù)，這種物體叫作灰體常數(shù)，這種物體叫作灰體。許多工程材料都可以近似地看作灰體。許多工程材料都可以近似地看作灰體。 （2）固體的單色黑度和單色吸收率的關(guān)系克希霍夫）固體的單色黑度和單色吸收率的關(guān)系克?；舴?Kirchhoff)定律定律 克?；舴蚩讼；舴?Kirchhoff)定律：定律：物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率。物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率。 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下： 對(duì)于灰體對(duì)于灰體 注意：灰體的吸收不能任意推廣到對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，因?yàn)樘⒁猓夯殷w的吸收不能任意推廣到對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，因?yàn)樘?

27、陽(yáng)輻射中可見(jiàn)光占整個(gè)輻射的陽(yáng)輻射中可見(jiàn)光占整個(gè)輻射的46左右，左右，在高溫下，物體表面的在高溫下，物體表面的 顏色對(duì)可見(jiàn)光的吸收呈現(xiàn)強(qiáng)烈的選擇性顏色對(duì)可見(jiàn)光的吸收呈現(xiàn)強(qiáng)烈的選擇性；而在常溫下，物體的顏；而在常溫下，物體的顏 色對(duì)可見(jiàn)光的吸收則沒(méi)有什么差別。例如，白色對(duì)于從太陽(yáng)來(lái)的色對(duì)可見(jiàn)光的吸收則沒(méi)有什么差別。例如，白色對(duì)于從太陽(yáng)來(lái)的 高溫（高溫（6000K）輻射，白色顏料的吸收率約為）輻射，白色顏料的吸收率約為0.120.26；而對(duì)于；而對(duì)于 低溫下的熱輻射，白色顏料的吸收率卻為低溫下的熱輻射，白色顏料的吸收率卻為0.9左右。左右。 （3 3）兩固體間的相互輻射）兩固體間的相互輻射 44 1

28、2 1 21 2 TT CA() -() 100100 1 2 ：輻射傳熱速率，：輻射傳熱速率，W W 1 2 C ：總輻射系數(shù)，：總輻射系數(shù)，W.mW.m-2 -2.K .K-4 -4 ：幾何因子或角速度：幾何因子或角速度 ，W.mW.m-2 -2.K .K-4 -4 A A ：輻射面積：輻射面積 T T1 1，T T2 2 ：高溫和低溫物體溫度：高溫和低溫物體溫度 0 1 2 1 12 C C A1 A 2 1 （-1） A A1 1，A A2 2 ：被包圍和外圍物體的：被包圍和外圍物體的 表面積，表面積，m m2 2 第五節(jié)第五節(jié) 傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算 在實(shí)際生產(chǎn)中，需要冷熱兩種流體進(jìn)行熱交

29、換，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要冷熱兩種流體進(jìn)行熱交換， 但不允許它們混合，為此需要采用間壁式的換熱器。但不允許它們混合，為此需要采用間壁式的換熱器。 此時(shí)，冷、熱兩流體分別處在間壁兩側(cè)，兩流體間此時(shí)，冷、熱兩流體分別處在間壁兩側(cè)，兩流體間 的熱交換包括了固體壁面的導(dǎo)熱和流體與固體壁面的熱交換包括了固體壁面的導(dǎo)熱和流體與固體壁面 間的對(duì)流傳熱。關(guān)于導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱在前面已介紹間的對(duì)流傳熱。關(guān)于導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱在前面已介紹 過(guò)，本節(jié)主要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論過(guò)，本節(jié)主要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論間壁式換熱器間壁式換熱器 的傳熱計(jì)算。的傳熱計(jì)算。 總傳熱速率方程式總傳熱速率方程式 =KA Tm 上式稱為傳熱速率方程式或

30、傳熱基本方程式，其中上式稱為傳熱速率方程式或傳熱基本方程式，其中K為為 總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)， Tm平均溫度差。該式是換熱器設(shè)計(jì)最重平均溫度差。該式是換熱器設(shè)計(jì)最重 要的方程式。要的方程式。 T1 熱流體 T2 t1冷流體t2 A dA T t T+dT t+dt 1、冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度分別為、冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度分別為 t1、t2，T1、T2， 2、冷、熱流體的質(zhì)量流量為、冷、熱流體的質(zhì)量流量為qm,c、qm,h。 3、設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可以忽、設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可以忽 略，則兩流體流經(jīng)換熱器時(shí)，單位時(shí)略，則兩流體流經(jīng)換熱器時(shí)，單位時(shí) 間內(nèi)間內(nèi)熱流體放出熱等于冷流體吸

31、收熱。熱流體放出熱等于冷流體吸收熱。 5.1 換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算 （1）無(wú)相變：比熱容法）無(wú)相變：比熱容法 QL=qm,hCm,h(T1-T2)=qm,cCm,c(t2-t1) （2）有相變）有相變 若熱流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，如下式所示：若熱流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，如下式所示： hh ,m1L rq, 若液體沸騰氣化為同溫度的飽和蒸汽吸收的熱量：若液體沸騰氣化為同溫度的飽和蒸汽吸收的熱量： )()( 12,21, ttcqTTcrqQ pccmphhm 熱 流 體 冷 凝熱 流 體 冷 凝 先冷凝后冷卻先冷凝后冷卻 QL,c=qm,crc 熱負(fù)荷是熱負(fù)荷是由生產(chǎn)

32、工藝條件決定的，是對(duì)換熱器換熱由生產(chǎn)工藝條件決定的，是對(duì)換熱器換熱 能力的能力的要求要求；而；而傳熱速率是傳熱速率是換熱器本身在一定操作條件換熱器本身在一定操作條件 下的換熱能力，是換熱器下的換熱能力，是換熱器本身的特性本身的特性，二者是不相同的。，二者是不相同的。 對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器，其對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器，其傳熱速率值傳熱速率值 必須等于或略大于熱負(fù)荷值必須等于或略大于熱負(fù)荷值。而在實(shí)際設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，。而在實(shí)際設(shè)計(jì)換熱器時(shí)， 通常將傳熱速率和熱負(fù)荷數(shù)值上認(rèn)為相等，通過(guò)熱負(fù)荷通常將傳熱速率和熱負(fù)荷數(shù)值上認(rèn)為相等，通過(guò)熱負(fù)荷 可確定換熱器應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)傳熱速率來(lái)

33、計(jì)可確定換熱器應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)傳熱速率來(lái)計(jì) 算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過(guò)程計(jì)算的基礎(chǔ)算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過(guò)程計(jì)算的基礎(chǔ) 是傳熱速率方程和熱量衡算式。是傳熱速率方程和熱量衡算式。 1)用傳熱面積校核：用傳熱面積校核：換熱器面積為換熱器面積為 A 由由 計(jì)算出計(jì)算出A，若，若 則換熱器適用。則換熱器適用。 mpm tKAtcqQAA 2)用傳熱速率校核：用傳熱速率校核： m tAKQtcqQ pm 若若 適用適用QQ 換熱器校核換熱器校核 5.2 傳熱過(guò)程推動(dòng)力傳熱過(guò)程推動(dòng)力平均溫度差平均溫度差 前已述及，在沿管長(zhǎng)方向的不同部分，冷、熱流體前已述及，在沿管長(zhǎng)方向的不同

34、部分，冷、熱流體 溫度差不同，溫度差不同，本節(jié)討論如何計(jì)算其平均值本節(jié)討論如何計(jì)算其平均值 tm，就冷、熱，就冷、熱 流體的相互流動(dòng)方向而言，可以有不同的流動(dòng)型式，傳流體的相互流動(dòng)方向而言，可以有不同的流動(dòng)型式，傳 熱平均溫差熱平均溫差 tm的計(jì)算方法因的計(jì)算方法因流動(dòng)型式流動(dòng)型式而異。按照參與熱而異。按照參與熱 交換的冷熱流體在沿?fù)Q熱器傳熱面流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)溫度變交換的冷熱流體在沿?fù)Q熱器傳熱面流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)溫度變 化情況，可分為化情況，可分為恒溫差傳熱恒溫差傳熱和和變溫差傳熱變溫差傳熱。 恒溫差傳熱：兩側(cè)流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則恒溫差傳熱：兩側(cè)流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則 冷熱流體溫差處處

35、相等，不隨換熱器位置而變的情況。冷熱流體溫差處處相等，不隨換熱器位置而變的情況。 如間壁的一側(cè)液體保持恒定的沸騰溫度如間壁的一側(cè)液體保持恒定的沸騰溫度T下蒸發(fā)；下蒸發(fā)； 而間壁的另一側(cè)，飽和蒸汽在溫度而間壁的另一側(cè)，飽和蒸汽在溫度T下冷凝過(guò)程，此時(shí)下冷凝過(guò)程，此時(shí) 傳熱面兩側(cè)的溫度差保持均一不變，稱為傳熱面兩側(cè)的溫度差保持均一不變，稱為恒溫差傳熱。恒溫差傳熱。 TTT （1）定態(tài)恒溫傳熱溫度差）定態(tài)恒溫傳熱溫度差 （2）定態(tài)變溫傳熱溫度差）定態(tài)變溫傳熱溫度差 變溫差傳熱是指?jìng)鳠釡囟入S換熱器位置而變的情況。變溫差傳熱是指?jìng)鳠釡囟入S換熱器位置而變的情況。 當(dāng)間壁傳熱過(guò)程中一側(cè)或兩側(cè)的流體。沿著傳熱

36、壁面在不當(dāng)間壁傳熱過(guò)程中一側(cè)或兩側(cè)的流體。沿著傳熱壁面在不 同位置點(diǎn)溫度不同，因此傳熱溫度差也必隨換熱器位置而同位置點(diǎn)溫度不同，因此傳熱溫度差也必隨換熱器位置而 變化，該過(guò)程可分為變化，該過(guò)程可分為單側(cè)變溫和雙側(cè)變溫單側(cè)變溫和雙側(cè)變溫兩種情況。兩種情況。 （a）單側(cè)變溫）單側(cè)變溫 如用蒸汽加熱一冷流體，蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫如用蒸汽加熱一冷流體，蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫 度度T不變，而冷流體的溫度由不變，而冷流體的溫度由T1上升到上升到T2?；蛘邿崃黧w溫?；蛘邿崃黧w溫 度從度從T1下降下降T2，放出顯熱去加熱另一較低溫度，放出顯熱去加熱另一較低溫度T下沸騰的下沸騰的 液體，后者溫度始終保持在

37、沸點(diǎn)液體，后者溫度始終保持在沸點(diǎn)T。 （b）雙側(cè)變溫）雙側(cè)變溫 此時(shí)平均溫度差此時(shí)平均溫度差 Tm與換熱器內(nèi)冷熱流體流動(dòng)方向有關(guān)，與換熱器內(nèi)冷熱流體流動(dòng)方向有關(guān)， 下面先來(lái)介紹工業(yè)上常見(jiàn)的幾種流動(dòng)型式。下面先來(lái)介紹工業(yè)上常見(jiàn)的幾種流動(dòng)型式。 逆流 并流 錯(cuò)流 折流1： 多次錯(cuò)流多次錯(cuò)流 并流逆流交錯(cuò)并流逆流交錯(cuò) 逆流和并流逆流和并流 t1t2 T1 T2 t2 t1 T1 T2 t2 t A t1 T2 T1 t2 t A t1 T2 T1 逆流逆流 并流并流 并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。 逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面

38、平行而反向的流體。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。 并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。 逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。 沿傳熱面的局部溫度差（沿傳熱面的局部溫度差（T-T）是變化的，所以在計(jì)）是變化的，所以在計(jì) 算傳熱速率時(shí)必須用積分的方法求出整個(gè)傳熱面上的平均算傳熱速率時(shí)必須用積分的方法求出整個(gè)傳熱面上的平均 溫度差溫度差 Tm。 2 1 21 T T ln TT T m 當(dāng)當(dāng) T1/ T22，則可用算術(shù)平均值代替，則可用算術(shù)平均值代替 2

39、/ )TT(T 21 m （誤差（誤差4%，工程計(jì)算可接受），工程計(jì)算可接受） T1、 T2為換熱器兩端的冷熱流體的溫度差為換熱器兩端的冷熱流體的溫度差。 并流并流 T1=T1-T1 T2= T2-T2 逆流逆流 T1=T1-T2 T2= T2-T1 在大多數(shù)的列管換熱器中，兩流體并非簡(jiǎn)單的逆流或在大多數(shù)的列管換熱器中，兩流體并非簡(jiǎn)單的逆流或 并流，因?yàn)閭鳠岬暮脡?，除考慮溫度差的大小外，還要考并流，因?yàn)閭鳠岬暮脡?，除考慮溫度差的大小外，還要考 慮到影響傳熱系數(shù)的多種因素以及換熱器的結(jié)構(gòu)是否緊湊慮到影響傳熱系數(shù)的多種因素以及換熱器的結(jié)構(gòu)是否緊湊 合理等。所以實(shí)際上兩流體的流向，是比較復(fù)雜的多程流

40、合理等。所以實(shí)際上兩流體的流向，是比較復(fù)雜的多程流 動(dòng)，或是相互垂直的交叉流動(dòng)。動(dòng)，或是相互垂直的交叉流動(dòng)。 T2 T1 T1 T2 T1T2 T1 T2 例：在一石油裂解裝置中，所得熱裂物的溫度為例：在一石油裂解裝置中，所得熱裂物的溫度為300， 現(xiàn)設(shè)計(jì)一換熱器，欲將石油從現(xiàn)設(shè)計(jì)一換熱器，欲將石油從25預(yù)熱倒預(yù)熱倒180，熱裂物，熱裂物 通過(guò)換熱器后終止溫度不低于通過(guò)換熱器后終止溫度不低于200，試計(jì)算熱裂物與石，試計(jì)算熱裂物與石 油在換熱器中采用并流和逆流的對(duì)數(shù)平均溫度差油在換熱器中采用并流和逆流的對(duì)數(shù)平均溫度差 。m T （2）逆流）逆流 T1=300，T2=180，T2=200， T1

41、=25 T1=T1-T1 =300-25=275， T2= T2-T2=200-180=20 12 1 2 TT27520 T97.29 T275 lnln 20T m T1=T1-T2=300-180=120， T2= T2-T1=200-25=175 12 1 2 TT120 175 T145.77 T120 lnln 175T m 結(jié)論：結(jié)論：進(jìn)出口溫度一定進(jìn)出口溫度一定 時(shí)，時(shí)，逆流逆流時(shí)的時(shí)的平均溫度平均溫度 差差比比并流并流時(shí)大。時(shí)大。 并流并流 T1=T1-T1 T2= T2-T2 逆流逆流 T1=T1-T2 T2= T2-T1 解解（1）并流：并流： T1=300，T1=25，

42、T2=200，T2=180 300 200 25 180 275 20 300 200 180 25 120 175 思考：若兩種情況下?lián)Q熱條件接近，近思考：若兩種情況下?lián)Q熱條件接近，近 似認(rèn)為兩者換熱系數(shù)相同，熱負(fù)荷相同似認(rèn)為兩者換熱系數(shù)相同，熱負(fù)荷相同 時(shí)，為何一般選擇逆流？時(shí)，為何一般選擇逆流？ 逆逆并并mm tKAtKAQ 667. 0 逆 并 并 逆 m m t t A A 即同等條件下，逆流所需傳熱面即同等條件下，逆流所需傳熱面 積小于并流的，可減小設(shè)備體積。積小于并流的，可減小設(shè)備體積。 錯(cuò)流：兩種流體的流向垂直交叉。錯(cuò)流：兩種流體的流向垂直交叉。 折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，

43、另一流體反復(fù)來(lái)回折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)來(lái)回 折流；或者兩流體都反復(fù)折回。折流；或者兩流體都反復(fù)折回。 復(fù)雜流：幾種流動(dòng)型式的組合。復(fù)雜流：幾種流動(dòng)型式的組合。 對(duì)于這些情況，對(duì)于這些情況，先按逆流計(jì)算先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差 Tm逆 逆， ， 再再乘以校正系數(shù)乘以校正系數(shù) T 即：即： Tm= T Tm逆逆 12 21 tt TT R 冷流體溫升 熱流體溫降 11 12 tT tt P 兩流體初溫差 冷流體溫升 流型）,(RPf （1）、流向?qū)鳠崞骄鶞夭畹挠绊懀?、流向?qū)鳠崞骄鶞夭畹挠绊?、間壁兩側(cè)流體為恒溫、間壁兩側(cè)流體為恒溫 、間壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫、間

44、壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫 、間壁兩側(cè)均為變溫、間壁兩側(cè)均為變溫 Tm并 并=Tm逆逆主要考慮設(shè)備結(jié) 主要考慮設(shè)備結(jié) 構(gòu)以及操作上的方便構(gòu)以及操作上的方便 、間壁兩側(cè)流體為恒溫、間壁兩側(cè)流體為恒溫 、間壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫、間壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫 、間壁兩側(cè)均為變溫、間壁兩側(cè)均為變溫 Tm并 并 Tm逆 逆； ； = K A Tm 當(dāng)當(dāng)一定時(shí)，一定時(shí)，Tm增加，增加，A減小，說(shuō)明減小，說(shuō)明逆流時(shí)所需傳熱面積比并流小逆流時(shí)所需傳熱面積比并流小 （2）、流向?qū)d熱體用量的影響）、流向?qū)d熱體用量的影響 由于由于Tm并 并=Tm逆逆，并流逆流 ，并流逆流 時(shí)的載熱體用量都相等時(shí)的載熱體用量都相等 T

45、1 T2 T1并 并 T2并 并 T2逆 逆 T1逆 逆 (1)、并流時(shí)，加熱介質(zhì)由、并流時(shí)，加熱介質(zhì)由T1并 并降到 降到T2并 并 其其最低極限出口溫度最低極限出口溫度可以達(dá)到冷流體出口可以達(dá)到冷流體出口 溫度溫度T2。 (2)、逆流時(shí)，加熱介質(zhì)由、逆流時(shí)，加熱介質(zhì)由T1逆 逆降到 降到T2逆 逆 其其最低極限出口溫度最低極限出口溫度可以達(dá)到冷流體進(jìn)口可以達(dá)到冷流體進(jìn)口 溫度溫度T1。 T2T1 qmh并 并Cph（ （T1并 并 T2并并） ） = qmh逆 逆Cph（ （T1逆 逆 T2逆逆） ）=qmCCpc（T2 - T1） T1并=T1逆 qmh并 并 qmh逆 逆 ,則逆流操作

46、時(shí)就有可能使則逆流操作時(shí)就有可能使T2逆 逆 T2并 并. . 以下情況采用并流：以下情況采用并流： 、加熱某些加熱某些熱敏性物料熱敏性物料時(shí)時(shí)，采用并流較易控制物料出口，采用并流較易控制物料出口 溫度，從而避免因出口溫度過(guò)高而影響物料的質(zhì)量。溫度，從而避免因出口溫度過(guò)高而影響物料的質(zhì)量。 、加熱加熱高粘度物料高粘度物料時(shí)時(shí)，采用并流可使物料進(jìn)入換熱器后采用并流可使物料進(jìn)入換熱器后 迅速升高溫度，從而降低物料粘度，提高熱交換的效果。迅速升高溫度，從而降低物料粘度，提高熱交換的效果。 、對(duì)于某些、對(duì)于某些高溫?fù)Q熱器高溫?fù)Q熱器，采用逆流操作時(shí)，高溫集中一，采用逆流操作時(shí)，高溫集中一 端，會(huì)使一端的

47、溫度過(guò)高，對(duì)設(shè)備材料的耐熱性能要求較端，會(huì)使一端的溫度過(guò)高，對(duì)設(shè)備材料的耐熱性能要求較 高，而采用并流則可以降低該處的溫度，可以延長(zhǎng)換熱器高，而采用并流則可以降低該處的溫度，可以延長(zhǎng)換熱器 的壽命。的壽命。 5.3 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 三個(gè)來(lái)源：一是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備中所用的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明三個(gè)來(lái)源：一是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備中所用的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明 并總結(jié)出來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)并總結(jié)出來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選??；二是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選?。欢峭ㄟ^(guò) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定K值；三是計(jì)算。值；三是計(jì)算。 一、經(jīng)驗(yàn)值一、經(jīng)驗(yàn)值 根據(jù)已知根據(jù)已知K值的生產(chǎn)設(shè)備值的生產(chǎn)設(shè)備(設(shè)備類似、雷諾數(shù)和流體的物設(shè)備類似、雷諾數(shù)和流體的物

48、 性等相近時(shí)性等相近時(shí)) 二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定總傳熱系數(shù)：為與實(shí)測(cè)設(shè)備及操作條件相近的場(chǎng)合使用二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定總傳熱系數(shù)：為與實(shí)測(cè)設(shè)備及操作條件相近的場(chǎng)合使用 三、計(jì)算三、計(jì)算 間壁兩側(cè)流體的熱交換過(guò)程包括如下三個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò)間壁兩側(cè)流體的熱交換過(guò)程包括如下三個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò) 程，熱量從熱流體傳至管壁一側(cè)，通過(guò)間壁再傳至另一側(cè)的程，熱量從熱流體傳至管壁一側(cè)，通過(guò)間壁再傳至另一側(cè)的 冷流體。冷流體。 （1）熱流體一側(cè)傳熱速率）熱流體一側(cè)傳熱速率 （對(duì)流）（對(duì)流） （2）通過(guò)管壁的導(dǎo)熱速率）通過(guò)管壁的導(dǎo)熱速率 T2 T1 T1 T2 （傳導(dǎo)）（傳導(dǎo)） （3）冷流體一側(cè)傳熱速率）冷流體一側(cè)傳熱速率 （對(duì)流）（對(duì)流

49、） 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 1、K的推導(dǎo)的推導(dǎo) )( 111w TTAQ )( 223 ttAQ w b tTA Q wwm )( 2 m tKAQQQQ 321 11A Q TT w b A Q tT m ww 22A Q ttw 2211 A Q b A Q A Q tT m m m tKA R t AA b A tT Q 2211 11 2211 11 AA b A R m 2211 111 AA b AKA m 串聯(lián)的推動(dòng)力和熱阻具有加和性串聯(lián)的推動(dòng)力和熱阻具有加和性 討論討論 A可取可取Ai、Ao、Am，工程上習(xí)慣取，工程上習(xí)慣取Ao (外表面外表面) ； 對(duì)于圓管，對(duì)于圓管，A可換算

50、為可換算為d，則，則 oomiioo AA b AAK 111 om o i o io A Ab A A K 111 om o i o i d db d d K 111 2、污垢熱阻、污垢熱阻 管壁內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管壁內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管壁外側(cè)污垢熱阻：管壁外側(cè)污垢熱阻： si R so R o so m o i o si i o i R d db d d R d d K 111 3、K值計(jì)算的簡(jiǎn)化值計(jì)算的簡(jiǎn)化 1）平壁或薄的圓筒壁：）平壁或薄的圓筒壁：di、do、dm、（、（Ai、Ao、Am）近似相）近似相 等，則等，則 o sosi i R b R K 111 2）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢

51、熱阻可忽略，則）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻可忽略，則 oi b K 111 3）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻及管壁熱阻都忽略）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻及管壁熱阻都忽略 oi K 111 4）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)時(shí) oi o K當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) io i K 總熱阻是由總熱阻是由熱阻大的一側(cè)熱阻大的一側(cè)對(duì)流傳熱所控制，即當(dāng)兩個(gè)對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱所控制，即當(dāng)兩個(gè)對(duì)流傳熱 系數(shù)相差較大時(shí)，欲提高系數(shù)相差較大時(shí)，欲提高K值，關(guān)鍵在于值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較提高對(duì)流傳熱系數(shù)較 小小的一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。的一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。 當(dāng)傳熱面為圓筒壁時(shí)，兩側(cè)的傳熱面積不等當(dāng)傳熱面為圓筒壁時(shí)，兩側(cè)的傳

52、熱面積不等，如以外表，如以外表 面為基準(zhǔn)（在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中常如此規(guī)定），面為基準(zhǔn)（在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中常如此規(guī)定），則有：則有： 2 1 2 1 11 111 d d d d K m 以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：以內(nèi)表面為基準(zhǔn)： 2 2 1 2 12 111 m d d d d K 以壁表面為基準(zhǔn)：以壁表面為基準(zhǔn)： 2211 111 d d d d K mm m 例例3、在一外表面積、在一外表面積Ao為為300m2的單程管殼式換熱器中，的單程管殼式換熱器中，300 的某種氣體流過(guò)殼程并被加熱到的某種氣體流過(guò)殼程并被加熱到430，另一種，另一種560的氣體的氣體 作為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動(dòng)，流量均為作

53、為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動(dòng)，流量均為1104kg/h，平均，平均 比熱容均為比熱容均為1.05kJ/kg。試求總傳熱系數(shù)。假設(shè)換熱器的熱。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損失為殼方氣體傳熱量的10%。 解：WQttcwQ Lpcsc 5 4 3 12 1017. 4 3600 101 )300430(1005. 11 . 1)( )( 21 TTcwQ phsh 又 )560(1005. 1 3600 101 1017. 4 2 3 4 5 T 即 T417 2 560 417 430 300 tm5 .123 2 117130 mW tA Q K m 2 5 /3 .1

54、1 5 .123300 1017. 4 75 一、傳熱效率一、傳熱效率 max Q Q 最大可能傳熱速率 實(shí)際傳熱速率 傳熱效率 最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差 變化的傳熱速率。變化的傳熱速率。 理論上最大的溫差：理論上最大的溫差： 11 tT 5.4 5.4 傳熱效率傳熱單元數(shù)法傳熱效率傳熱單元數(shù)法 K值的獲得值的獲得 1）計(jì)算）計(jì)算 m tA Q K 2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定）實(shí)驗(yàn)測(cè)定3）經(jīng)驗(yàn)值）經(jīng)驗(yàn)值 四、壁溫的估算四、壁溫的估算 )( 1wi TTAQ )( 22 ttA w )( wwm tTA b m tKA )( 1222 ttcw ps

55、 sii iw soo wo R tt R tt 11 試差：假設(shè)一試差：假設(shè)一tw，計(jì)算，計(jì)算 、 ， 用上式近似計(jì)算用上式近似計(jì)算tw ，壁溫應(yīng)接，壁溫應(yīng)接 近于近于大的一側(cè)流體的溫度。大的一側(cè)流體的溫度。 i o 五、傳熱面積的計(jì)算五、傳熱面積的計(jì)算 dlnA 六、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化六、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化 1、增大傳熱平均溫度差、增大傳熱平均溫度差 m t 1）兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng)；）兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng)； 2）提高加熱劑的溫度或降低冷卻劑的溫度。）提高加熱劑的溫度或降低冷卻劑的溫度。 注：利用注：利用 來(lái)強(qiáng)化傳熱是有限的。來(lái)強(qiáng)化傳熱是有限的。 m t 2、增大總傳熱系數(shù)

56、、增大總傳熱系數(shù)K 1）盡可能利用有相變的熱載體，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)）盡可能利用有相變的熱載體，以提高對(duì)流傳熱系數(shù) ； 2）用）用 大的熱載體，如液體金屬大的熱載體，如液體金屬Na等；等； 3）減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻；）減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻； 4）提高）提高 較小一側(cè)有效。提高較小一側(cè)有效。提高 的方法包括：增大流速、的方法包括：增大流速、 管內(nèi)加擾流元件、改變傳熱面形狀和增加粗糙度等。管內(nèi)加擾流元件、改變傳熱面形狀和增加粗糙度等。 3、增大單位體積的傳熱面積、增大單位體積的傳熱面積 1）直接接觸傳熱：可增大）直接接觸傳熱：可增大A和湍動(dòng)程度，使和

57、湍動(dòng)程度，使Q； 2）采用高效新型換熱器。）采用高效新型換熱器。如板式換熱器、強(qiáng)化管式換熱器、如板式換熱器、強(qiáng)化管式換熱器、 熱管換熱器、流化床換熱器等熱管換熱器、流化床換熱器等 例例2、換熱器、換熱器 ， 管組成單程列管式換熱器，管組成單程列管式換熱器， 初始溫度為初始溫度為10的水將機(jī)油由的水將機(jī)油由200 冷卻至冷卻至100 ，水走管內(nèi)。，水走管內(nèi)。 水和油的質(zhì)量流量分別為水和油的質(zhì)量流量分別為 ， ， 比熱容分別為比熱容分別為 ， ，對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱 系數(shù)為系數(shù)為 ， ，逆流流動(dòng)。忽略，逆流流動(dòng)。忽略 污垢熱阻和管壁熱阻，核算該換熱器是否適用。污垢熱阻和管壁熱阻，核算該換熱器是否適用

58、。 2 3mA mm5 . 225 hkgws/1000 水 hkgws/1200 油 KkgkJcp/18. 4 水 KkgkJcp/0 . 2 油 KmW 2 /2000 水 KmW 2 /250 油 解：)()( 1221 ttcwTTcwQ psps 水水油油 t4 .67 2 200 100 67.4 10 6 .132 1 t 3 10625. 4 250 1 20 25 2000 1111 oi o i d d K KmWK 2 /2.216 2 8 . 2 9 .1092 .216 100067.66 m tK Q A m 適用 例例3、在逆流換熱器中，用初溫為、在逆流換熱器中

59、，用初溫為20的水將的水將1.25kg/s的液體的液體 （比熱容為（比熱容為1.9kJ/kg、密度為、密度為850kg/m3）由）由80冷卻到冷卻到30。 換熱器列管直徑為換熱器列管直徑為25mm2.5mm，水走管方。水側(cè)和液體側(cè)，水走管方。水側(cè)和液體側(cè) 的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為0.85kW/m2和和1.70 kW/m2，污垢熱，污垢熱 阻可以忽略。若水的出口溫度不能高于阻可以忽略。若水的出口溫度不能高于50，試求換熱器的傳，試求換熱器的傳 熱面積。熱面積。 解：解：kWTTcwQ phsh 119)3080(9 . 125. 1)( 21 20 50 30 80 t t tt

60、 tm2 .18 10 30 ln 1030 ln 2 1 21 mW d d K i o io o 211 /7 .485) 20 25 850 1 1700 1 () 11 ( 2 46.13 2 .187 .485 119000 m tK Q A m o 返回返回 返回返回 返回返回 返回返回 殼程管程管程返回返回 單程列管式換熱器 1 外殼 2管束 3、4接管 5封頭 6 管板 7擋板 返回返回 雙程列管式換熱器 1殼體 2管束 3擋板 4隔板 返回返回 返回返回 第六節(jié)第六節(jié) 熱交換器熱交換器 熱交換方式：熱交換方式：蓄熱蓄熱、直接直接和和間接間接式三種。式三種。 換熱器：蓄熱式、直