食品工程原理(李云飛)第二章ppt 傳熱

1、p了解熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱對(duì)流和熱輻射的基本概念；了解熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱對(duì)流和熱輻射的基本概念；p掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法； p熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； p掌握穩(wěn)定綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算；掌握穩(wěn)定綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算； p了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)第二章第二章 傳熱傳熱一、傳熱在食品工程中的應(yīng)用一、傳熱在食品工程中的應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 傳熱的基本概念傳熱的基本概念傳熱：傳熱：是不同溫度的兩個(gè)物體之間或同一物體的兩個(gè)不同溫是不同溫度的兩個(gè)物體之間或同一物體

2、的兩個(gè)不同溫度部位之間所進(jìn)行的熱的轉(zhuǎn)移。度部位之間所進(jìn)行的熱的轉(zhuǎn)移。傳熱在食品工程中的應(yīng)用：傳熱在食品工程中的應(yīng)用： (1)(1)一般的加熱、冷卻、冷凝過(guò)程；一般的加熱、冷卻、冷凝過(guò)程； (2)(2)食品的殺菌和保藏；食品的殺菌和保藏； (3)(3)蒸發(fā)濃縮、干燥、結(jié)晶蒸發(fā)濃縮、干燥、結(jié)晶( (通過(guò)加熱去除水分通過(guò)加熱去除水分) )； (4)(4)蒸煮、焙烤蒸煮、焙烤( (通過(guò)加熱使食品完成一定的生化反應(yīng)通過(guò)加熱使食品完成一定的生化反應(yīng)) )。食品生產(chǎn)過(guò)程對(duì)傳熱的要求：食品生產(chǎn)過(guò)程對(duì)傳熱的要求： 強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱( (加熱或冷卻物料加熱或冷卻物料) ) 削弱傳熱削弱傳熱( (設(shè)備和管道的保溫設(shè)

3、備和管道的保溫) )二、傳熱的基本方式二、傳熱的基本方式 熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)起的，根據(jù)傳熱機(jī)理傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：不同，傳熱的基本方式有三種： 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)( (conduction)conduction)； 對(duì)流對(duì)流( (convection)convection)； 輻射輻射( (radiation)radiation)。 物體各部分之間物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由，僅借分子、原子和自由電子等微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。電子等微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱

4、量傳遞稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。 金屬固體：金屬固體： 熱傳導(dǎo)主要依靠自由電子運(yùn)動(dòng)。熱傳導(dǎo)主要依靠自由電子運(yùn)動(dòng)。 不良導(dǎo)體的固體與液體：不良導(dǎo)體的固體與液體： 主要靠分子、原子的振動(dòng)。主要靠分子、原子的振動(dòng)。 氣體：氣體： 主要靠分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。主要靠分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。1.1.熱傳導(dǎo)（又稱(chēng)導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（又稱(chēng)導(dǎo)熱）2.2.熱對(duì)流熱對(duì)流 流體各部分之間流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱(chēng)為熱所引起的熱傳遞過(guò)程稱(chēng)為熱對(duì)流。對(duì)流。 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。通常把熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。通常把流體流體與與固體壁面固體壁面之間的之間的傳熱傳熱稱(chēng)為稱(chēng)為對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流： 因泵（或

5、風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。 流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能一流體中有可能同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流的兩種方式：熱對(duì)流的兩種方式：自然對(duì)流：自然對(duì)流： 由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱(chēng)為自然對(duì)流。產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱(chēng)為自然對(duì)流。3、熱輻射、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波電磁波在空間的傳遞，稱(chēng)為熱輻射。在空間的傳遞，稱(chēng)

6、為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)。當(dāng)電磁波遇到物體時(shí)，介質(zhì)。當(dāng)電磁波遇到物體時(shí)，任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。 實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。伴隨著出現(xiàn)的。三、三、 換熱器類(lèi)型換熱器類(lèi)型換熱器換熱器：實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)冷、熱介質(zhì)冷、熱介質(zhì)熱量交換的設(shè)備熱量交換的設(shè)備

7、 冷、熱流體交換流過(guò)熱載體時(shí)，熱流體將熱量傳遞給冷流冷、熱流體交換流過(guò)熱載體時(shí)，熱流體將熱量傳遞給冷流體。如煉焦?fàn)t中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。體。如煉焦?fàn)t中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。 直接混合式直接混合式 將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。 蓄熱式蓄熱式 熱量熱量 存儲(chǔ)在熱載體上存儲(chǔ)在熱載體上 傳遞給冷流體。如傳遞給冷流體。如（圖（圖3-3動(dòng)畫(huà)）動(dòng)畫(huà)）用于輸送熱量的介質(zhì)用于輸送熱量的介質(zhì)載熱體載熱體。加熱介質(zhì)（加熱劑）加熱介質(zhì)（加熱劑）：起加熱作用的載熱體。起加熱作用的載熱體。水蒸氣、熱水等水蒸氣、熱水等。冷卻介質(zhì)（冷卻劑）冷卻介質(zhì)（冷

8、卻劑）：起冷卻作用的載熱體。起冷卻作用的載熱體。冷水、空氣制冷劑。冷水、空氣制冷劑。 間壁式間壁式 熱流體通過(guò)間壁將熱量傳遞給冷流體，熱流體通過(guò)間壁將熱量傳遞給冷流體，化工、食品生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，主要有：化工、食品生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，主要有： 夾套式熱交換器；夾套式熱交換器； 蛇型式熱交換器；蛇型式熱交換器； 套管式熱交換器；套管式熱交換器； 列管式熱交換器；列管式熱交換器； 板式熱交換器板式熱交換器。( (套管式換熱器套管式換熱器) )( (列管式換熱器列管式換熱器) )( (帶補(bǔ)償圈帶補(bǔ)償圈) )四、四、 傳熱過(guò)程中基本問(wèn)題與傳熱機(jī)理傳熱過(guò)程中基本問(wèn)題與傳熱機(jī)理 傳熱過(guò)程中的基本問(wèn)題可以

9、歸結(jié)為：傳熱過(guò)程中的基本問(wèn)題可以歸結(jié)為： 載熱體用量計(jì)算載熱體用量計(jì)算 傳熱面積計(jì)算傳熱面積計(jì)算 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。解決這些問(wèn)題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。解決這些問(wèn)題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。 熱量衡算熱量衡算根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過(guò)程中的熱量損失，則根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過(guò)程中的熱量損失，則Q熱熱=Q冷冷， 稱(chēng)為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱稱(chēng)為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。體的用量。 傳熱速率傳熱速率傳熱速率傳熱速率Q （熱流量）：指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量稱(chēng)（熱流量）：指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)

10、傳熱面的熱量稱(chēng)為傳熱速率，以為傳熱速率，以Q表示，其單位表示，其單位W(j/s)。熱通量熱通量q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面的熱量，：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面的熱量，W/m2。q=Q/S實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差tm及傳熱面積及傳熱面積S成正比，即：成正比，即： Q=KStm (1-1) S=nd L (1-2)式式 中：中： Q傳熱速率，傳熱速率，W；S傳熱面積，傳熱面積，m2 ；tm溫度差，溫度差，；K 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性

11、能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2 ； n 管數(shù)；管數(shù)； d 管徑，管徑，m； L 管長(zhǎng)，管長(zhǎng)，m。將式（將式（1-1）變換成下列形式：）變換成下列形式：式中：式中：tm傳熱過(guò)程的推動(dòng)力，傳熱過(guò)程的推動(dòng)力， 1/K 傳熱總阻力（熱阻），傳熱總阻力（熱阻），m2 /W兩點(diǎn)說(shuō)明：兩點(diǎn)說(shuō)明：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的傳熱速率單位傳熱面積的傳熱速率(熱通量熱通量)正比于推動(dòng)力，反比于熱正比于推動(dòng)力，反比于熱阻。因此，阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動(dòng)是提高傳熱推動(dòng)力和降低熱阻。力和降低熱阻。 從式（從式（1-1）可知，

12、如果己知傳熱量）可知，如果己知傳熱量Q，則可在確定，則可在確定K及及tm的基礎(chǔ)上算傳熱面積的基礎(chǔ)上算傳熱面積S，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。K/ttKSQmm1 (1-3)熱阻（阻力）熱阻（阻力）傳熱溫度差（推動(dòng)力）傳熱溫度差（推動(dòng)力）傳熱速率傳熱速率 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)(temperature field)：某一瞬間空間中各點(diǎn)的溫度分布，：某一瞬間空間中各點(diǎn)的溫度分布，稱(chēng)為溫度場(chǎng)稱(chēng)為溫度場(chǎng)(temperature field)。式中：式中：t 溫度；溫度； x, y, z 空間坐標(biāo)；空間坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。 物體的溫度分布是空

13、間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即 t = f (x，y，z，) (2-1) 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)一、一、 傅立葉定律傅立葉定律1 1 溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)和溫度梯度xdSQt+ttt-tt/x溫度場(chǎng)與溫度梯度溫度場(chǎng)與溫度梯度 一維溫度場(chǎng)：一維溫度場(chǎng)：若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。 一維溫度場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為：一維溫度場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為： t = f (x,) (2-1a) 等溫面的特點(diǎn)：等溫面的特點(diǎn)： （1）等溫面不能相交；）等溫面不能相交； （2）沿等溫面無(wú)熱量傳遞。）沿等溫面無(wú)熱量傳遞。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)

14、定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。：溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。 在不穩(wěn)定溫度場(chǎng)中的傳熱為在不穩(wěn)定溫度場(chǎng)中的傳熱為不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱。穩(wěn)定溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：若溫度不隨時(shí)間而改變。此時(shí)為：若溫度不隨時(shí)間而改變。此時(shí)為穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱。 等溫面等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。注意：注意：沿等溫面將無(wú)熱量傳遞，而和等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生沿等溫面將無(wú)熱量傳遞，而和等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿等溫面的垂直（法線(xiàn)）變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿等溫面的垂直（法線(xiàn)）

15、方向?yàn)樽畲?。沿等溫面法線(xiàn)方向上的溫度變化率稱(chēng)為方向?yàn)樽畲蟆Ｑ氐葴孛娣ň€(xiàn)方向上的溫度變化率稱(chēng)為溫度梯度溫度梯度。溫度梯度溫度梯度: :溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向?yàn)檎?。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向?yàn)檎txxtxxtgradtx),(),(lim0 對(duì)于一維溫度場(chǎng)，等溫面對(duì)于一維溫度場(chǎng)，等溫面x及及(x+x)的溫度分別為的溫度分別為t(x,)及及t(x+x,)，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為：，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為： xxtxxt),(),(tgraddxtd 2-22-2a 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳傅

16、立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即 式中式中 Q單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱速率，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱速率，w A導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)(thermal conductivity)，w/m.k。式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向相反相反。2 2 傅立葉傅立葉( (Fourier) )定律定律dxdtqSQ 上式可改寫(xiě)為：上式可改寫(xiě)為：Q/S=q：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積所

17、傳遞的熱量，稱(chēng)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積所傳遞的熱量，稱(chēng)為熱量通量熱量通量。Fourier定律表示熱量通量與溫度梯度成正比定律表示熱量通量與溫度梯度成正比。2-3a2-3xtdSdQ xtSQ 或或表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值與表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。一般金屬一般金屬（固體）（固體）的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)非金屬（固體）非金屬（固體）液體液體氣體氣體多數(shù)固體多數(shù)固體與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 =k0+kt 單位：?jiǎn)挝唬篧/(m K) k0 -0下的導(dǎo)熱

18、系數(shù)下的導(dǎo)熱系數(shù) k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 對(duì)大多數(shù)金屬材料，其對(duì)大多數(shù)金屬材料，其k值為負(fù)值；對(duì)非金屬材料則為正值。值為負(fù)值；對(duì)非金屬材料則為正值。xtqxtdSdQ 3.導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)由由2-3式推導(dǎo)式推導(dǎo)：2-3b單位：?jiǎn)挝唬篧/(m K)對(duì)于金屬對(duì)于金屬 t (通過(guò)自由電子的運(yùn)動(dòng)通過(guò)自由電子的運(yùn)動(dòng))對(duì)于非金屬對(duì)于非金屬 t (通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)) 對(duì)于液體對(duì)于液體 t (通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)通過(guò)靠晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)) 對(duì)于氣體對(duì)于氣體 t (通過(guò)分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)通過(guò)分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)) 隨壓力變化不大。只有當(dāng)系統(tǒng)的壓力隨壓力變化不大。只有當(dāng)系統(tǒng)的壓力P, 3kpa

19、P或或P200Mpa，隨壓力的降低，導(dǎo)熱系數(shù)，隨壓力的降低，導(dǎo)熱系數(shù)也降低，當(dāng)也降低，當(dāng)達(dá)到真空，達(dá)到真空，約為約為0，保，保 溫溫 瓶瓶 的的 夾夾 層層 抽抽 真真 空空 就就 是是 此此 道道 理理。如圖所示：如圖所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為平壁壁厚為b b，壁面積為，壁面積為A A； 壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨不隨溫度變化，視為常數(shù)；溫度變化，視為常數(shù)； 平壁的溫度只沿著垂直于壁面的平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x x軸方向變化，故等溫面皆為垂軸方向變化，故等溫面皆為垂直于直于x x軸的平行平面。即為一維軸的平行平面。即為一維熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)。 平壁側(cè)

20、面的溫度平壁側(cè)面的溫度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 1 單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo) 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2為導(dǎo)熱的為導(dǎo)熱的推動(dòng)力推動(dòng)力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/SR=b/S則為導(dǎo)熱的則為導(dǎo)熱的熱阻熱阻( (thermal resistancethermal resistance) )。 根據(jù)傅立葉定律根據(jù)傅立葉定律 對(duì)上式進(jìn)行積分，對(duì)上式進(jìn)行積分，積分邊界條件：當(dāng)積分邊界條件：當(dāng)x=0 x=0時(shí)，時(shí)，t= tt= t1 1；x x=b=b時(shí)，時(shí)，t= tt= t2

21、 2dxdtSQ RtSbttttSbQ2121RtbttSQq 21或或2-6將將2-6式推而廣之，則傳遞過(guò)程的普遍關(guān)系式為：式推而廣之，則傳遞過(guò)程的普遍關(guān)系式為： 過(guò)程傳遞速率過(guò)程傳遞速率=過(guò)過(guò)程的推動(dòng)力程的推動(dòng)力/過(guò)程的阻力。過(guò)程的阻力。 (對(duì)傳熱，傳質(zhì)，動(dòng)量傳遞對(duì)傳熱，傳質(zhì)，動(dòng)量傳遞“三傳三傳”均適均適用）用）當(dāng)當(dāng)為常數(shù)，為常數(shù)，xttbttq 121 ）（211ttbxtt 單層平壁內(nèi)溫度分布為直線(xiàn)單層平壁內(nèi)溫度分布為直線(xiàn)當(dāng)當(dāng)隨溫度變化時(shí)，單層平壁內(nèi)溫度分布為曲線(xiàn)。隨溫度變化時(shí)，單層平壁內(nèi)溫度分布為曲線(xiàn)。如圖所示：以三層平壁為例如圖所示：以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t

22、4假定各層壁的厚度分別為假定各層壁的厚度分別為b b1 1，b b2 2，b b3 3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為系數(shù)分別為1 1，2 2，3 3，皆，皆視為常數(shù)；視為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互接層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于面亦皆為垂直于x x軸的平行平面。軸的平行平面。 壁的面積為壁的面積為S S，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程中，穿過(guò)各層的熱量必相等。程中，穿過(guò)各層的熱量必相等。2 2 多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第一層第一層 第三層第三層第二層第二層對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程：對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程：Q

23、1=Q2=Q3=Q)(21111ttAbQS121111tttAbQS321332211)(tttAbAbAbQSSS2222tAbQS33133tAbQS32141321321RRRttRRRtttQ同理，對(duì)具有同理，對(duì)具有n層的平壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為層的平壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為式中式中i為為n層平壁的壁層序號(hào)。層平壁的壁層序號(hào)。 )()(33221141332211321AbAbAbttAbAbAbtttQSSSSSSRttAbttQnniiiin11011S多層平壁導(dǎo)熱是一個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò)程，由上式可見(jiàn)，串聯(lián)傳熱過(guò)多層平壁導(dǎo)熱是一個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò)程，由上式可見(jiàn)，串聯(lián)傳熱過(guò)程的推

24、動(dòng)力（總溫度差）為各分過(guò)程的溫度差之和，總熱阻是各程的推動(dòng)力（總溫度差）為各分過(guò)程的溫度差之和，總熱阻是各分過(guò)程熱阻之和，此即為分過(guò)程熱阻之和，此即為串聯(lián)熱阻疊加原則，當(dāng)總溫差一定時(shí)，串聯(lián)熱阻疊加原則，當(dāng)總溫差一定時(shí)，傳熱速率取決于總熱阻。傳熱速率取決于總熱阻。 例：某冷庫(kù)外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為例：某冷庫(kù)外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm12cm，中間夾層厚，中間夾層厚10cm10cm，填以絕緣材料，填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為。磚墻的熱導(dǎo)率為0.700.70w/mw/mk k，絕緣材料的熱導(dǎo)率為，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.040.04w/mw/mk k，墻外表面，墻外表面溫度為溫度為1010 ，內(nèi)表

25、面為，內(nèi)表面為-5-5 ，試計(jì)算進(jìn)入冷庫(kù)的，試計(jì)算進(jìn)入冷庫(kù)的熱通量（熱通量（熱流密度熱流密度）及絕及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。按溫度差分別計(jì)算按溫度差分別計(jì)算t2、t3解：根據(jù)題意，已知解：根據(jù)題意，已知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b b2 2=0.10m=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70w/m0.70w/mk k，2 2= = 0.04w/m0.04w/mk k。按熱流密度公式計(jì)算按熱流密度公式計(jì)算q q：233221141/27.570.012.004.01

26、0.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQqS1 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqtbttq211 t1t2t3t4b1b2b3132如圖所示：如圖所示：設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r r1 1，內(nèi)，內(nèi)壁溫度為壁溫度為t t1 1，外半徑為，外半徑為r r2 2，外壁溫度為外壁溫度為t t2 2。 溫度只沿半徑方向變化，溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點(diǎn)是其等溫面壁與平壁不同點(diǎn)是其等溫面隨半徑而變化。隨半徑而變化。 在半徑在半徑r r處取一厚度

27、為處取一厚度為drdr的的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L，則，則半 徑 為半 徑 為 r r 處 的 傳 熱 面 積 為處 的 傳 熱 面 積 為A=2rLA=2rL。三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 1 單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)Qt2t1r1rr2drL1221ln2rrttLQ將上式分離變量積分并整理得將上式分離變量積分并整理得 根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫(xiě)出傳導(dǎo)的熱量為根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫(xiě)出傳導(dǎo)的熱量為上式也可寫(xiě)成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類(lèi)似的形式，即上式也可寫(xiě)成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類(lèi)似的形式，即drdtrLdrdtAQ2

28、S122121)()(rrttAbttAQmmSmSm1212lnrrrrrm上兩式相比較，可得上兩式相比較，可得其中其中 式中式中 rm圓筒壁的圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑，m Sm圓筒壁的內(nèi)、外表圓筒壁的內(nèi)、外表面對(duì)數(shù)平均面積面對(duì)數(shù)平均面積，m2 當(dāng)當(dāng)S2/S12時(shí)，可認(rèn)為時(shí)，可認(rèn)為Sm=（S1+S2）/2算術(shù)平均值算術(shù)平均值12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAmSmLrrrrrLAmm2ln)(21212Smr1r2r3r4t1t2t3t4 對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即等于經(jīng)過(guò)各單層壁所傳

29、導(dǎo)的熱量：即等于經(jīng)過(guò)各單層壁所傳導(dǎo)的熱量：Q1 = Q2 = = Qn如圖所示：以三層圓筒壁為例。如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為假定各層壁厚分別為b b1 1= r= r2 2- - r r1 1， b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3； 各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)1 1，2 2，3 3皆視為常數(shù)；皆視為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。溫面皆為同心圓柱面。2 2 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 多層圓筒壁的熱傳

30、導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。 對(duì)于第一、對(duì)于第一、二、三層圓筒壁有二、三層圓筒壁有12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ121212rrlnLQtt 232322rrlnLQtt 343432rrlnLQtt 整理上三式可得整理上三式可得 :34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，對(duì)于同理，對(duì)于n層圓筒壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為層圓筒壁，穿過(guò)各層熱量的一般公式為 注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過(guò)各層的注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過(guò)各

31、層的熱傳導(dǎo)速率熱傳導(dǎo)速率都是都是相同相同的，但是的，但是熱通量熱通量卻卻不相等不相等。LrrrLttRRttQff010121121ln21 分析：當(dāng)分析：當(dāng)r r1 1不變、不變、r r0 0增大時(shí)，熱阻增大時(shí)，熱阻R R1 1增大，增大，R R2 2減小，因此有減小，因此有可能使總熱阻（可能使總熱阻（R R1 1+R+R2 2）下降，導(dǎo)致熱損失增大。）下降，導(dǎo)致熱損失增大。 通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對(duì)于小直徑通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對(duì)于小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，可圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，可能反而使熱

32、損失增大。能反而使熱損失增大。 假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t t1 1，環(huán)境溫度，環(huán)境溫度為為t tf f，保溫層的內(nèi)、外半徑分別為，保溫層的內(nèi)、外半徑分別為r r1 1和和r r0 0，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為，保溫層外壁與空氣，保溫層外壁與空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)為之間的對(duì)流傳熱系數(shù)為。熱損失為：熱損失為：保溫層的臨界直徑保溫層的臨界直徑tfr1r0t1上式對(duì)上式對(duì)r r0 0求導(dǎo)，可求出當(dāng)求導(dǎo)，可求出當(dāng)Q Q最大時(shí)的臨界半徑，即最大時(shí)的臨界半徑，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdQoof解得解得 r0=/當(dāng)保溫層的外徑當(dāng)保溫層的外

33、徑d do o 2 2/時(shí)，增加保溫層的厚度才使熱時(shí)，增加保溫層的厚度才使熱損失減少。損失減少。 對(duì)管徑較小的管路包扎對(duì)管徑較小的管路包扎較大的保溫材料時(shí)，要核算較大的保溫材料時(shí)，要核算d d0 0是是否小于否小于d dc c。所以，臨界半徑為所以，臨界半徑為 rc=/ 或或 dc=2/例：在一例：在一 603.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.07W/m，外層為，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.15W/m。現(xiàn)用熱?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫

34、度為500，最外層表面溫度為，最外層表面溫度為80，管，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/m。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。保溫層界面的溫度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：解：1、求每米管長(zhǎng)的熱損失：、求每米管長(zhǎng)的熱損失：已知：已知：r1=(60-3.52)/2=26.5 mm=0.0265 m , r2=0.0265+0.0035=0.03 m r3=0.03+0.04=0.07m , r4=0.07+0.02=0.09m t1=500 , t4=80 t3r1r3t1r4t4t2r2mwLQ/4.1910

35、7.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.322、求保溫層界面溫度、求保溫層界面溫度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得: t3=131.2 對(duì)流傳熱：對(duì)流傳熱：是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。況密切相關(guān)。 當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱

36、量當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱的基本概念一、對(duì)流傳熱的基本概念傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程高溫流體高溫流體湍流主體湍流主體層流底層層流底層壁面兩側(cè)壁面兩側(cè)層流底層層流底層湍流主體湍流主體低溫流體低溫流體q湍流主體湍流主體 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 溫度分布均勻溫度分布均勻 p層流底層層流底層 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 溫度梯度大溫度梯度大 p壁面壁面 導(dǎo)熱導(dǎo)熱(導(dǎo)熱系數(shù)較導(dǎo)熱系數(shù)較流體大流體大) 有溫度梯度有溫度梯度不同區(qū)域的不同區(qū)域的 傳熱特性：傳熱特性：傳熱邊界

37、層傳熱邊界層（thermal boundary layer） ：溫度邊界層。溫度邊界層。有溫度梯度較大的區(qū)域。有溫度梯度較大的區(qū)域。傳熱的熱阻即主要幾種在此層中傳熱的熱阻即主要幾種在此層中。溫度溫度距離距離TTwtwt熱流體熱流體冷流體冷流體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿嫱牧髦黧w湍流主體湍流主體湍流主體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿鎸恿鲗恿?底層底層層流層流 底層底層傳熱方向傳熱方向?qū)α鱾鳠崾疽鈭D對(duì)流傳熱示意圖式中式中 Q對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W； S傳熱面積，傳熱面積，m2 T熱流體平均溫度，熱流體平均溫度，； TW與熱流體接觸的壁面溫度，與熱流體接觸的壁面溫度，； t= T-TW對(duì)流傳熱溫度差對(duì)流傳熱溫度差，；

38、 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。 上式稱(chēng)為上式稱(chēng)為牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚度為度為t t的有效膜內(nèi)，并將對(duì)流傳熱看成是通過(guò)的有效膜內(nèi)，并將對(duì)流傳熱看成是通過(guò)t t的熱傳導(dǎo)，熱流體對(duì)熱壁面的傳熱速率為：的熱傳導(dǎo)，熱流體對(duì)熱壁面的傳熱速率為：二、對(duì)流傳熱速率二、對(duì)流傳熱速率 通常有效膜的厚度通常有效膜的厚度t t難以測(cè)定，所以用難以測(cè)定，所以用代替代替/t t 而用下式描而用下式描述對(duì)流傳熱的基本關(guān)系：述對(duì)流傳熱的基本關(guān)系：twTTSQ

39、Q= S（T-Tw）（熱熱阻阻）（推推動(dòng)動(dòng)力力）RtStSTTQw 111 流體的狀態(tài)：流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；2 流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度、比熱、比熱cp、導(dǎo)熱、導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù) 、粘度、粘度等；等；3 流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；4 流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；5 傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻堋?、管束、管

40、徑、傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 三、三、 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe 無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示：無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示： 八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量M，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度M，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度L，時(shí)間時(shí)間T，溫度，溫度。通過(guò)因次分析可得，在無(wú)相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：通過(guò)因次分析可得，在無(wú)相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：

41、即即四、對(duì)流傳熱中的因次分析四、對(duì)流傳熱中的因次分析準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義準(zhǔn)數(shù)名稱(chēng)準(zhǔn)數(shù)名稱(chēng)符號(hào)符號(hào)意義意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）Nu=l/表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) （Reynolds）Re=lu/ 確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù) （Prandtl）Pr=cp/ 表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù) 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系

42、數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1 1、應(yīng)用范圍、應(yīng)用范圍：各準(zhǔn)數(shù)都有一定的實(shí)驗(yàn)條件和范圍。各準(zhǔn)數(shù)都有一定的實(shí)驗(yàn)條件和范圍。2 2、特性尺寸、特性尺寸：無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)：無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)NuNu、ReRe等中所包含的傳熱面尺寸稱(chēng)等中所包含的傳熱面尺寸稱(chēng)為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。的尺寸作為特征尺寸。3 3、定性溫度、定性溫度：流體在對(duì)流傳熱過(guò)程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)流體在對(duì)流傳熱過(guò)程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱(chēng)

43、為定性溫度。一般定性溫?cái)?shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱(chēng)為定性溫度。一般定性溫度有三種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，度有三種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。流體和壁面的平均溫度（膜溫）。4 4、準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一、準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度的單位制度。npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4，被冷卻時(shí)，被冷卻時(shí)，n=0.3。應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 ： Re10

44、000，0.7Pr120，管長(zhǎng)與管徑比，管長(zhǎng)與管徑比L/di60。若。若 L/di10000，0.7Pr60 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104 (湍流湍流)Pr=Cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.688 .444 .60053. 003928. 0Nud（W/m2 ）本題中空氣被加熱，本題中空氣被加熱，k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮自

45、然對(duì)流自然對(duì)流及及熱流方向熱流方向?qū)?duì)流傳熱系數(shù)的影響。對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響。當(dāng)當(dāng)自然對(duì)流的影響比較小自然對(duì)流的影響比較小且可被忽略時(shí)，按下式計(jì)算：且可被忽略時(shí)，按下式計(jì)算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re2300，0.6Pr100。特性尺寸：取管內(nèi)徑特性尺寸：取管內(nèi)徑di 。定性溫度：除定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。均值。1.2 1.2 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流 當(dāng)自然對(duì)流的影響當(dāng)自然對(duì)流的影響不能忽略不能忽略時(shí)，而自然對(duì)流的影響又因管時(shí)

46、，而自然對(duì)流的影響又因管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動(dòng)方向不同而異。子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動(dòng)方向不同而異。對(duì)水平管對(duì)水平管，按下式計(jì)算：，按下式計(jì)算：應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re50； 當(dāng)管子較短，當(dāng)管子較短，l/d60 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在在230010000之間，為過(guò)渡流區(qū)之間，為過(guò)渡流區(qū)a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 進(jìn)行計(jì)算，水被加熱，進(jìn)行計(jì)算，水被加熱， k=0.4。 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2校正系數(shù)校正系數(shù)：952408

47、83610611061815815.R.e 19789524. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 0)()(023. 04 . 08 . 04 . 08 . 0fcuddpiiw/（m2 ）采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將管內(nèi)徑管內(nèi)徑改為改為當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de即可。即可。當(dāng)量直徑按下式計(jì)算當(dāng)量直徑按下式計(jì)算潤(rùn)濕周邊流體流動(dòng)截面積 4ed傳熱周邊流體流動(dòng)截面積 4ed或或1.5 流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流注：注：傳熱計(jì)算中，究竟采用哪個(gè)當(dāng)量直徑，由具體的關(guān)聯(lián)式?jīng)Q傳熱計(jì)算中，究竟采用哪個(gè)當(dāng)量直徑，由具體的關(guān)聯(lián)式?jīng)Q定。但將關(guān)聯(lián)式定。但

48、將關(guān)聯(lián)式中的中的di改用改用de是近似算法。對(duì)常用的非圓管是近似算法。對(duì)常用的非圓管道，可直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得計(jì)算道，可直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得計(jì)算的關(guān)聯(lián)式。例如的關(guān)聯(lián)式。例如套管環(huán)隙套管環(huán)隙，用水和空氣進(jìn)行用水和空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，可得，可得關(guān)聯(lián)式：關(guān)聯(lián)式：318053012020/.ePrReddd. 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：17651220000120012.dd,Re 特征尺寸：特征尺寸： 流動(dòng)當(dāng)量直徑流動(dòng)當(dāng)量直徑de。定性溫度：定性溫度： 流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。式中：式中：d1為套管的內(nèi)管直徑，為套管的內(nèi)管直徑，d2為套管的內(nèi)管直徑。為套管的內(nèi)管直徑。在錯(cuò)列管束外

49、流過(guò)時(shí)在錯(cuò)列管束外流過(guò)時(shí) Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流過(guò)時(shí)在直列管束外流過(guò)時(shí) Nu=0.26Re0.6Pr0.33應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍： Re3000定性溫度定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的平均值。：流體進(jìn)、出口溫度的平均值。 定性尺寸定性尺寸：取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。：取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。 管排數(shù)為管排數(shù)為10，若不為，若不為10時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。2 2 流體在管外強(qiáng)制對(duì)流流體在管外強(qiáng)制對(duì)流2.1 2.1 流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng) 換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板（缺口面積為換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋

50、板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面的殼體內(nèi)截面積）時(shí)，殼方流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：積）時(shí)，殼方流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：（1）多諾呼法）多諾呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: Re=(23)104 特性尺寸特性尺寸: 取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。的流速。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。術(shù)平均值。2.2 2.2 流體在換熱器的管間流動(dòng)流體在換熱器的管間流動(dòng)（2）凱恩法）凱恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w

51、）0.14注意注意：若換熱器的管間無(wú)擋板，管外流體沿管束平行流動(dòng)，：若換熱器的管間無(wú)擋板，管外流體沿管束平行流動(dòng)，則仍用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的公式計(jì)算，只須將公式中的管內(nèi)徑改為則仍用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的公式計(jì)算，只須將公式中的管內(nèi)徑改為管間的當(dāng)量直徑。管間的當(dāng)量直徑。 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: Re=21031 105 特性尺寸特性尺寸: 取當(dāng)量直徑，管子排列不同，計(jì)算公式也不同。取當(dāng)量直徑，管子排列不同，計(jì)算公式也不同。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。平均值。加熱表面形狀加熱表面形狀特征尺寸特征尺寸GrPr 范圍范圍cn水平圓管水平圓管

52、外徑外徑d01041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板高度高度L1041090.591/410910120.101/3Nu=c（GrPr）n定性溫度定性溫度: 取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算 術(shù)平均值。術(shù)平均值。式中的式中的c、n值見(jiàn)表值見(jiàn)表3 3 自然對(duì)流自然對(duì)流蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜狀冷凝膜狀冷凝和和滴狀冷凝滴狀冷凝兩種方式。兩種方式。膜狀冷凝膜狀冷凝：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜完整的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜是其主

53、要熱阻。是其主要熱阻。二、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)二、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1 1 蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 若冷凝液膜在重力的作用若冷凝液膜在重力的作用下向下流動(dòng)，則形成的液膜愈下向下流動(dòng)，則形成的液膜愈向下愈厚，故壁愈高或水平放向下愈厚，故壁愈高或水平放置的管徑愈大，整個(gè)對(duì)流傳熱置的管徑愈大，整個(gè)對(duì)流傳熱系數(shù)也愈小。系數(shù)也愈小。滴狀冷凝滴狀冷凝：若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱(chēng)為。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷

54、凝過(guò)程。稱(chēng)為。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷凝過(guò)程。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。 滴狀冷凝時(shí)，冷凝液在壁面上不能形成完整的液滴狀冷凝時(shí)，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜將蒸汽分開(kāi)，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可膜將蒸汽分開(kāi)，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。因此熱阻小得多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滴狀供蒸汽冷凝。因此熱阻小得多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大510倍。倍。 工業(yè)上，大多數(shù)是膜狀冷凝，在冷凝器的設(shè)計(jì)中工業(yè)上，大多數(shù)是膜狀冷凝，在冷凝器的設(shè)計(jì)中

55、按膜狀冷凝設(shè)計(jì)。按膜狀冷凝設(shè)計(jì)。4132)(725.0tdngr1.1.1 在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：1.1.2 水平管壁上作膜狀冷凝水平管壁上作膜狀冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度 r飽和蒸汽的冷凝潛熱飽和蒸汽的冷凝潛熱 t蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差 d管子外徑管子外徑 n管束在垂直面上的列數(shù)管束在垂直面上的列數(shù) 1.1 1.1 膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)4132131)tlgr(. 冷凝液膜流動(dòng)為層流冷凝液膜流動(dòng)為層流（Re1800）

56、時(shí)：）時(shí)：冷凝液膜流動(dòng)為湍流冷凝液膜流動(dòng)為湍流（Re1800）時(shí)：）時(shí)：403123200770./Reg. 1.1.3 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流動(dòng)，蒸汽和液膜同向流動(dòng)， 液膜厚度液膜厚度， ，若逆向流動(dòng)，液膜厚度若逆向流動(dòng)，液膜厚度， ，蒸汽的流速較大，蒸汽的流速較大， 液液 膜膜 吹吹 跑跑 ， 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差冷凝液膜兩側(cè)的溫度差 t： 當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若t加大，則蒸氣冷凝速率增加，因加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，而液膜層厚度增厚， 蒸汽中不凝氣體含量的影響蒸汽中不凝氣體含量的影

57、響：若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。┧粽羝泻胁荒龤怏w，壁面為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很小）所覆蓋，增加了一層附加熱阻，使覆蓋，增加了一層附加熱阻，使急劇下降，可達(dá)急劇下降，可達(dá)60%。 冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響： 如對(duì)于翅片管和螺旋管如對(duì)于翅片管和螺旋管 ，；傳熱面積；傳熱面積S， 冷凝管的方位冷凝管的方位： 對(duì)于水平管：對(duì)于水平管：若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜變厚，變厚， ；沿垂直方向排管數(shù)目；沿垂直方向排管數(shù)目， 。管束改。管束改為錯(cuò)列，為錯(cuò)列，或加除液擋板，或加除液擋板， 。 對(duì)于垂直管對(duì)于垂直管: 尺寸尺寸， ，

58、。管外開(kāi)槽，管外開(kāi)槽， 。 流體的物性流體的物性： （汽化熱（汽化熱r、密度、密度、），；，2 2 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 2.1 液體沸騰的基本概念液體沸騰的基本概念 液體的沸騰液體的沸騰: :當(dāng)液體被加熱時(shí)，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的當(dāng)液體被加熱時(shí)，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程。該過(guò)程既有過(guò)程。該過(guò)程既有導(dǎo)熱導(dǎo)熱過(guò)程又有過(guò)程又有對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱過(guò)程。過(guò)程。包括包括大容積沸騰、管內(nèi)沸騰大容積沸騰、管內(nèi)沸騰。 大容積沸騰大容積沸騰: :將加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸將加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸騰騰（池式沸騰）（池式沸騰） 。大容積沸騰時(shí)，液體中一方

59、。大容積沸騰時(shí)，液體中一方面存在著由溫差引起的面存在著由溫差引起的自然對(duì)流自然對(duì)流，另一方面又，另一方面又因氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的因氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的液體運(yùn)動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)。 管管 內(nèi)內(nèi) 沸沸 騰騰: :液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，管液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，管壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流動(dòng)，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動(dòng)。這種沸騰的動(dòng)，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動(dòng)。這種沸騰的機(jī)理更為復(fù)雜。機(jī)理更為復(fù)雜。2.2 液體沸騰曲線(xiàn)液體沸騰曲線(xiàn) 大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差t（壁溫與液體飽和（壁溫與液體飽和溫度之差）

60、而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。溫度之差）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。1、 AB段段：表面汽化表面汽化:溫度差溫度差t 較小時(shí)，在加熱表面的液體較小時(shí)，在加熱表面的液體 內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流自然對(duì)流，僅在液體，僅在液體 表面發(fā)生蒸發(fā)，沒(méi)有氣泡逸表面發(fā)生蒸發(fā)，沒(méi)有氣泡逸 出，沸騰傳熱系數(shù)出，沸騰傳熱系數(shù)和熱通和熱通 量量q都較低。都較低。2、 BC段段：核狀沸騰核狀沸騰： 當(dāng)當(dāng)t升升 高時(shí)，加熱表面的局部位置高時(shí)，加熱表面的局部位置 產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度 隨隨t上升而增加，由于氣泡上升而增加，由于氣泡 的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動(dòng)，因此，的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾