化工原理課件-5傳熱

1、第五章 傳 熱 通過本章學習，掌握傳熱的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(yugun)問題。學習目的(md)與要求1精品資料5.1 傳熱(chun r)過程概述第五章 傳 熱2精品資料傳熱(chun r)熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動(ydng)的過程稱為熱量傳遞，簡稱傳熱。 一是強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱。二是削弱傳熱過程，如對設備或管道的保溫，以減少熱損失。化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求概述3精品資料5.1 傳熱(chun r)過程概述5.1.1熱傳導及導熱系數(shù)第五章 傳 熱4精品資料一、熱傳導(導熱(dor)熱傳導(導熱(dor) 不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)

2、點的宏觀混合運動而借助于物體分子、原子、離子、自由電子等微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導，簡稱導熱。 5精品資料dQtdSn 描述熱傳導現(xiàn)象(xinxing)的物理定律為傅立葉定律（Fouriers Law），其表達式為傅立葉定律(dngl)（Fouriers Law）溫度梯度導熱系數(shù)微分導熱通量熱通量與溫度梯度方向相反一、熱傳導(導熱)6精品資料二、導熱(dor)系數(shù)導熱(dor)系數(shù)dQ dStn 導熱系數(shù)表征了物質(zhì)熱傳導能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度等有關。 7精品資料導 熱 ( d o r ) 系 數(shù)W/(m.oC)0.0060.060

3、.154200.0030.06氣體液體非導電(dodin)固體金屬絕熱材料二、導熱系數(shù)8精品資料1.固體的導熱(dor)系數(shù)純金屬的導熱系數(shù)與電導率的關系(gun x)可用魏德曼（Wiedeman）-弗蘭茲（Franz）方程描述 eLT良好的電導體必然是良好的導熱體，反之亦然。 二、導熱系數(shù)9精品資料對大多數(shù)均質(zhì)固體，導熱系數(shù)與溫度(wnd)近似呈線性關系 01t對大多數(shù)金屬材料，為負值；而對大多數(shù)非金屬材料，為正值(zhn zh)；對理想氣體，=1/T ，1/K。 二、導熱系數(shù)10精品資料2.液體(yt)的導熱系數(shù)除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體的導熱系數(shù)(xsh)亦隨溫度

4、的升高而降低。 金屬液體的導熱系數(shù)(xsh)比一般的液體要高 純液體的導熱系數(shù)(xsh)比其溶液的要大 二、導熱系數(shù)11精品資料3.氣體(qt)的導熱系數(shù)氣體(qt)導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在相當大的壓力范圍內(nèi)，氣體(qt)的導熱系數(shù)隨壓力的變化很小，可以忽略不計。 二、導熱系數(shù)12精品資料5.1 傳熱(chun r)過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)第五章 傳 熱5 . 1 . 2 對 流(duli)13精品資料 對流是由流體(lit)內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀運動和混合而引起的熱量傳遞過程 對流(duli)對流傳熱 在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。 對流14精品資料對流傳

5、熱速率(sl)可由牛頓冷卻定律描述 dQtdS溫度差對流(duli)傳熱系數(shù)微分對流傳熱通量對流15精品資料5.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)(xsh)5.1.2 對流第五章 傳 熱5.1.3 熱輻射16精品資料熱輻射 因 熱 的 原 因 而 產(chǎn) 生 的 電 磁 波 在 空 間 的 傳 遞(chund)稱為熱輻射。 熱輻射1.可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。 2.不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。 3.任何物體只要(zhyo)在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但僅當物體的溫度較高、物體間的溫度差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。 17精品資料5.1 傳熱

6、(chun r)過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)5.1.2 對流5.1.3 熱輻射第五章 傳 熱5.1.4 冷熱流體（接觸(jich)）熱交換方式及換熱器18精品資料一、直接(zhji)接觸式換熱和混合式換熱器 二、蓄熱式換熱和蓄熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器 冷熱流體（接觸(jich)）熱交換方式及換熱器19精品資料圖5-1 套管(to un)式換熱器1-內(nèi)管 2-外管冷熱流體（接觸(jich)）熱交換方式及換熱器動畫2220精品資料圖5-2 單程管殼式換熱器1-外殼,2-管束,3、4-接管(jigun),5-封頭,6-管板,7-擋板,8-泄水池 冷熱流體(lit)（接觸）熱交換方式及

7、換熱器動畫2121精品資料間壁式換熱器內(nèi)冷、熱流體(lit)間的傳熱過程包括以下三個步驟：（1）熱流體(lit)以對流方式將熱量傳遞給管壁；（2）熱量以熱傳導方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；（3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體(lit)。冷熱流體（接觸(jich)）熱交換方式及換熱器22精品資料5.1 傳熱(chun r)過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)5.1.2 對流5.1.3 熱輻射5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器第五章 傳 熱5.1.5 載熱體及其選擇(xunz)23精品資料載熱體及其選擇(xunz) 在化工生產(chǎn)(shngchn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻

8、時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的稱為加熱介質(zhì)（或加熱劑）；起冷卻（冷凝）作用的稱為冷卻介質(zhì)（或冷卻劑）。載熱體24精品資料選擇載熱體原則（1）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)(tioji)控制；（2）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解；（3）載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設備；（4）價格便宜，來源容易。載熱體及其選擇(xunz)25精品資料第五章 傳 熱5.2 熱傳導5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導26精品資料一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導假設：1.導熱系數(shù)不隨溫度變化(binhu)，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失。 圖5-3 單層平壁熱傳導27精

9、品資料對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導 dtQSdx 積分(jfn)并整理得12()SQttb微分(wi fn)式 積分式 一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導28精品資料12tttQbRS12ttQtqbSR熱傳導推動力熱傳導速率熱傳導熱阻導熱(dor)熱阻一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導29精品資料二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導圖5-4 三層平壁熱傳導假設：1.導熱系數(shù)不隨溫度(wnd)變化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失4.沒有接觸熱阻 30精品資料通過(tnggu)各層平壁截面的傳熱速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbb

10、SSS或二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導31精品資料三層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導速率方程 14312123ttQbbbSSS對n層平壁，其傳熱(chun r)速率方程可表示為11niittQbS二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導32精品資料接觸(jich)熱阻 因兩個接觸表面粗糙不平而產(chǎn)生的附加熱阻。 接觸熱阻包括通過實際接觸面的導熱熱阻和通過空穴的導熱熱阻（高溫時還有輻射傳熱）。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓力等因素有關，可通過實驗(shyn)測定。 二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導33精品資料圖圖5-5 5-5 接觸接觸(jich)(jich)熱阻的影響熱阻的影響接觸(jich)熱阻二、多層平壁的

11、一維穩(wěn)態(tài)熱傳導34精品資料練 習 題 目思考題作業(yè)題: 1、21. 熱量傳遞的三種(sn zhn)基本方式是什么？分別用什么定律可以描述？2.在熱傳導問題中，術語“一維”是什么意思？何謂穩(wěn)態(tài)熱傳導？3.試寫出有接觸熱阻存在時多層平壁熱傳導的計算公式。35精品資料第五章 傳 熱5.2 熱傳導5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導5.2.2 圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導36精品資料一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導常量(chngling)常量(chngling)傳熱(chun r)速率傳熱面積熱通量平壁圓筒壁常量隨半徑變常量隨半徑變37精品資料圖5-6 單層圓筒壁的熱傳導一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導38精品資料通

12、過該薄圓筒壁的傳熱速率(sl)可以表示為 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r積分(jfn)并整理得微分式 積分式 一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導39精品資料可寫成與單層平壁熱傳導速率方程相類似(li s)的形式 1221mttQSrr212122ln()mmrrSLr Lr r其中(qzhng)圓筒壁的對數(shù)平均面積一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導40精品資料21212211222lnln2mLrLrSSSLrSLrS2121lnmrrrrr或圓筒壁的對數(shù)(du sh)平均半徑一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導41精品資料二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 假設層與層之間接觸(j

13、ich)良好 ， 即 互 相 接 觸(jich)的兩表面溫度相同。 圖5-7 多層圓筒壁的熱傳導42精品資料熱傳導速率(sl)可表示為 1414332432421112233112233111lnlnln222mmmttttQrrrrrrrrrLrLrlrSSS 對n層圓筒壁，其熱傳導速率方程可表示(biosh)為11nniiimittQbS或11111ln2nniiiittQrLr 二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導43精品資料第五章 傳 熱5.3 換熱器的傳熱(chun r)計算5.3.1 熱平衡方程44精品資料 假設換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略不計，則在單位時間內(nèi)換熱器中熱流體放出的熱量必等于

14、(dngy)冷流體吸收的熱量。,m hhm ccdQqdIqdI 對于(duy)整個換熱器，其熱量衡算式為,12,21()()Tm hhhm cccQqIIqII熱平衡方程45精品資料 若換熱器中兩流體均無相變，且流體的定壓比熱容不隨溫度(wnd)變化或可取流體平均溫度(wnd)下的值， ,1212()()mmhphcpcTQcTTcttqq若換熱器中流體(lit)有相變，例如飽和蒸氣冷凝 ,21()mmhcpcTQcttqrq熱平衡方程46精品資料若換熱器中流體有相變，例如飽和蒸氣冷凝(lngnng)，且冷凝(lngnng)液在低于飽和溫度下離開換熱器,221()()mmhphscpcTQr

15、cTTcttqq熱平衡方程(fngchng)47精品資料第五章 傳 熱5.3 換熱器的傳熱計算(j sun)5.3.1 熱平衡方程5.3.2 總傳熱速率(sl)微分方程和總傳熱系數(shù)48精品資料一、總傳熱速率(sl)微分方程 冷、熱流體通過間壁換熱的傳熱機理為對流-傳導-對流的串聯(lián)過程，對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率(sl)必然相等，即 ()()()iwiwwmowodQTT dSTtdStt dSb11wwwwiimooTTTtttdQbdSdSdS或49精品資料根據(jù)(gnj)串聯(lián)熱阻疊加原理，可得()()()1111wwwwiimoiimoooTTTtttTtdQbbdSdSdSdSd

16、SdS上式兩邊(lingbin)均除以 OdS1oooiiomdQTtdbddSdd一、總傳熱速率微分方程50精品資料令 11oooiimoKdbddd則()oodQK Tt dS同理可得 ()iidQK Tt dS()mmdQKTt dS總傳熱速率(sl)微分方程總傳熱(chun r)速率微分方程總傳熱速率微分方程一、總傳熱速率微分方程51精品資料11iiiimooKbdddd1miioommKdbddd11oooiimoKdbddd基于管內(nèi)(un ni)表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于(jy)平均表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于管外表面積的局部總傳熱系數(shù) 一、總傳熱速率微分方程52精品資料顯然(x

17、inrn)有 oiioiodSKdKdSdommmooKdSdKdSd管內(nèi)徑(ni jn)管外徑平均管徑 工程上大多以外表面積為基準，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。 一、總傳熱速率微分方程53精品資料二、總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)K表示單位傳熱面積(min j)，冷、熱流體單位傳熱溫差下的傳熱速率，它反映了傳熱過程的強度。 K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，也是對換熱器進行傳熱計算的依據(jù)。 K的數(shù)值取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等，可通過計算、實驗測定或查閱相關手冊得到。 54精品資料1.總傳熱系數(shù)的計算(j sun)設計(shj)中應考慮污垢熱阻的

18、影響 011oooosisoiiimddbdRRKddd管壁外表面污垢熱阻管壁內(nèi)表面污垢熱阻總傳熱系數(shù)計算式二、總傳熱系數(shù)55精品資料提高總傳熱系數(shù)途徑(tjng)的分析 總熱阻=管內(nèi)(un ni)熱阻+管內(nèi)(un ni)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻011oooosisoiiimddbdRRKddd壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻二、總傳熱系數(shù)56精品資料若傳熱(chun r)面為平壁或薄管壁 111sisoiobRRKoioK當管壁(un b)熱阻和污垢熱阻均可忽略時 111ioK若管壁外側(cè)對流傳熱控制二、總傳熱系數(shù)57精品資料oiiK若管壁(un b)內(nèi)側(cè)對流傳熱控制o,i 若

19、管壁內(nèi)、外側(cè)(wi c)對流傳熱控制相當若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大污垢熱阻控制二、總傳熱系數(shù)58精品資料欲提高 值，強化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。 K二、總傳熱系數(shù) 值總是接近且永遠小于 中的小者。當兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時， 近似等于 中小者。 Ko,i Ko,i 59精品資料2.總傳熱系數(shù)的測定(cdng) 對于已有的換熱器，可以通過測定有關數(shù)據(jù)，如設備的尺寸、流體的流量和溫度等，然后由傳熱基本方程式計算值。顯然，這樣得到(d do)的總傳熱系數(shù)值最為可靠。二、總傳熱系數(shù)60精品資料3.總傳熱系數(shù)的推薦值 附錄二十中列出了管殼式換熱器的推薦值，可供設計時參考。 在

20、實際設計計算中，總傳熱系數(shù)通常采用推薦值。這些推薦值是從實踐中積累或通過實驗(shyn)測定獲得的。二、總傳熱系數(shù)61精品資料 在選用總傳熱系數(shù)的推薦值時，應注意以下幾點：設計中管程和殼程的流體應與所選的管程和殼程的流體相一致；設計中流體的性質(zhì)（黏度等）和狀態(tài)（流速(li s)等）應與所選的流體性質(zhì)和狀態(tài)相一致；設計中換熱器的類型應與所選的換熱器的類型相一致；二、總傳熱系數(shù)62精品資料總傳熱系數(shù)的推薦值一般范圍很大，設計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若需降低設備費（減小換熱面積(min j)）可選取較大的值；若需降低操作費（增大換熱面積(min j)）可選取較小的值。二、總傳熱系數(shù)63精

21、品資料練 習 題 目思考題作業(yè)題: 3、4、51.什么叫熱阻？試說明在多層平壁和多層筒壁熱傳導中應用熱阻的優(yōu)點。2.換熱器中總的傳熱熱阻包括哪幾部分 ？在強化(qinghu)傳熱中，如何有效地減小熱阻？64精品資料第五章 傳 熱5.3 換熱器的傳熱計算5.3.1 熱平衡方程5.3.2 總傳熱速率(sl)微分方程和總傳熱系數(shù)5.3.3 傳熱(chun r)計算方法65精品資料一、平均(pngjn)溫度差法()oodQK Tt dS對總傳熱(chun r)速率微分方程積分，可得TmQKS t總傳熱速率積分方程傳熱過程冷、熱流體的平均溫度差 66精品資料 推導平均溫度差的表達式時，對傳熱過程作以下簡

22、化假定：傳熱為穩(wěn)態(tài)操作過程；兩流體的定壓比熱容均為常量(chngling)；總傳熱系數(shù)為常量(chngling)；忽略熱損失。 一、平均(pngjn)溫度差法67精品資料1.恒溫傳熱時的平均溫度差 換熱器中間(zhngjin)壁兩側(cè)的流體均存在相變時，兩流體溫度可以分別保持不變，這種傳熱稱為恒溫傳熱。 T( - )QKS tKS T t 冷流體(lit)溫度 熱流體溫度 一、平均溫度差法68精品資料2.變溫傳熱(chun r)時的平均溫度差（1）逆流和并流時的平均溫度差逆流(nli)并流一、平均溫度差法69精品資料由熱量(rling)恒算并結合假定條件和，可得 ,m hphdQqcdT 常數(shù),

23、m cpcdQqcdt常數(shù)一、平均(pngjn)溫度差法70精品資料因此， 及 都是直線關系，可分別表示為 QTQtTmQktm Qk 上兩式相減，可得 也呈直線關系。將上述諸直線定性地繪于圖5-9中 Qt一、平均(pngjn)溫度差法71精品資料圖5-9 逆流時平均(pngjn)溫度差的推導一、平均(pngjn)溫度差法72精品資料21()TttdtdQQ21()TttdtK tdSQ根據(jù)假定條件(tiojin)，積分上式得2121lnTmttQKSKS ttt總傳熱(chun r)速率方程式一、平均溫度差法73精品資料2121lnmttttt對數(shù)(du sh)平均溫度差逆流(nli)和并流

24、時計算平均溫度差的通式。一、平均溫度差法74精品資料討論(toln)：（1）在工程計算中，當 時，可用算術平均溫度差（ ）代替對數(shù)平均溫度差，其誤差不超過4%。21/2tt 12()/2mttt （2）在冷、熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均(pngjn)溫差較并流的為大。 一、平均溫度差法75精品資料逆流： 采用逆流操作，若換熱介質(zhì)流量一定，則可以節(jié)省傳熱面積，減少設備費；若傳熱面積一定，則可減少換熱介質(zhì)的流量，降低操作費，因而工業(yè)上多采用逆流操作。并流： 若對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱(ji r)時不得超過某一溫度，或熱流體被冷卻時不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。 一、

25、平均(pngjn)溫度差法76精品資料（2）錯流和折流時的平均(pngjn)溫度差單管程，多管程單殼程，多殼程一、平均(pngjn)溫度差法77精品資料圖5-10 錯流和折流示意圖一、平均(pngjn)溫度差法78精品資料mtmtt溫差校正(jiozhng)系數(shù) ( ,)tf R P安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法(sun f) 一、平均溫度差法 先按逆流計算對數(shù)平均溫度差，然后再乘以考慮流動方向的校正因素。即79精品資料12221111TTRttttPTt熱流體的溫降冷流體的溫升冷流體的溫升兩流體的最初溫度差具體步驟如下(rxi)：根據(jù)冷、熱流體的進、出口溫度，算出

26、純逆流(nli)條件下的對數(shù)平均溫度差tm。按下式計算因數(shù) R 和 P：一、平均溫度差法80精品資料根據(jù) R 和 P 的值，從算圖中查出溫度差校正系數(shù)； 將純逆流(nli)條件下的對數(shù)平均溫度差乘以溫度差校正系數(shù)，即得所求的。 mtmtt一、平均(pngjn)溫度差法一邊恒溫時1t81精品資料 值恒小于1，這是由于各種復雜流動中同時存在逆流和并流的緣故。 t()()()ttt并流錯、折流逆流 通常在換熱器的設計中規(guī)定， 值不應小于0.8，否則值太小，經(jīng)濟上不合理。若低于此值，則應考慮增加殼方程數(shù)，將多臺換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過程接近于逆流。 t一、平均(pngjn)溫度差法82精品資料二、傳熱

27、(chun r)單元數(shù)法1. 傳熱效率maxTQQ實際的傳熱量最大可能的傳熱量換熱器的傳熱效率定義(dngy)為83精品資料定義最大可能(knng)傳熱量 maxmin11()()mpQq cTt式中 qmcp 稱為(chn wi)流體的熱容量流率，下標 min表示兩流體中熱容量流率較小者，并稱此流體為最小值流體。換熱器中可能達到的最大溫差 較小者具有較大溫差 二、傳熱單元數(shù)法84精品資料,2121,1111()()m cpcm cpcqcttttqcTtTt 若冷流體(lit)為最小值流體(lit)，則傳熱效率為 ,1212,1111()()m hphm hphqcTTTTqcTtTt若熱流

28、體(lit)為最小值流體(lit)，則傳熱效率為二、傳熱單元數(shù)法85精品資料 若已知傳熱效率，則可確定換熱器的傳熱量和冷、熱流體的出口(ch ku)溫度 maxmin11()()TmpQQq cTt2111()ttTt2111()TTTt二、傳熱(chun r)單元數(shù)法86精品資料 （2）傳熱(chun r)單元數(shù) NTU由換熱器熱平衡方程(fngchng)及總傳熱速率微分方程(fngchng) ,()m hphm cpcdQqc dTqc dtK Tt dS 對于冷流體 ,m cpcdtKdSTtqc二、傳熱單元數(shù)法87精品資料21,0()tScm cpctdtKdSNTUTtqc對于熱流體

29、(lit)，同樣可寫出12()ThTdTNTUTt積分(jfn)上式得基于冷流體的傳熱單元數(shù)基于熱流體的傳熱單元數(shù)二、傳熱單元數(shù)法88精品資料 傳熱單元數(shù)是溫度的量綱為一函數(shù)，它反映(fnyng)傳熱推動力和傳熱所要求的溫度變化，傳熱推動力愈大，所要求的溫度變化愈小，則所需要的傳熱單元數(shù)愈少。二、傳熱(chun r)單元數(shù)法89精品資料3.傳熱效率與傳熱單元(dnyun)數(shù)的關系 現(xiàn)以單程并流換熱器為例做推導(tudo)。假定冷流體為最小值流體，minmaxRCCC熱容量流率比令min,m cpcCqcmax,m hphCqc二、傳熱單元數(shù)法90精品資料min1 exp ()(1)1RRNTU

30、CC推導(tudo)可得minmin,()m cpcKSKSNTUcqc式中二、傳熱(chun r)單元數(shù)法91精品資料minmin,()m hphKSKSNTUCqc,minmax,m hphRm cpcqcCCCqc若熱流體(lit)為最小值流體(lit)，則min1 exp ()(1)1RRNTUCC式中二、傳熱(chun r)單元數(shù)法92精品資料對于單程逆流換熱器，可推導出傳熱(chun r)效率與傳熱(chun r)單元數(shù)的關系為 minmin1 exp ()(1)1exp ()(1)RRRNTUCCNTUC當兩流體(lit)中任一流體(lit)發(fā)生相變時 min1 exp ()NT

31、U 二、傳熱單元數(shù)法93精品資料當兩流體(lit)的熱容流率相等 單程(dnchng)并流換熱器單程逆流換熱器1 exp 2()2NTU1NTUNTU1RC 二、傳熱單元數(shù)法94精品資料 3. 傳熱(chun r)單元數(shù)法采用 法進行換熱器校核計算的步驟如下：NTU(1)根據(jù)換熱器的工藝及操作(cozu)條件，計算（或選?。┛倐鳠嵯禂?shù)；(2)計算 及 ，確定 及 ；,m hphqc,m cpcqcmax()mpq cmin()mpq c二、傳熱單元數(shù)法95精品資料（3）計算(j sun)：minminmax()()()mpRmpmpq cKSNTUCq cq c及（4）根據(jù)換熱器中流體流動的型

32、式，由和 查得相應的 ；NTURCQ（5）根據(jù)冷、熱流體進口溫度及 ，可求出傳熱量 及冷、熱流體的出口溫度。二、傳熱(chun r)單元數(shù)法96精品資料應予指出，一般在設計換熱器時宜采用平均溫度差法，在校核換熱器時宜采用 法。NTU二、傳熱(chun r)單元數(shù)法97精品資料練 習 題 目思考題作業(yè)題: 8、9、101.對數(shù)平均溫度差值與哪些因素有關？2.換熱器傳熱計算有哪兩種方法，它們之間的區(qū)別(qbi)是什么？3.在管殼式換熱器設計中，為什么要限制溫度差校正系數(shù)大于0.8 98精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳(lichun)熱99精品資料 對流傳熱是指運動流體與固體壁面之間的熱量(rl

33、ing)傳遞過程，對流傳熱與流體的流動狀況密切相關。 對流傳(lichun)熱概述圖5-12 對流傳熱的溫度分布情況100精品資料無相變有相變強制(qingzh)對流自然(zrn)對流對流傳熱蒸汽冷凝液體沸騰概述101精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1對流傳熱機理(j l)和對流傳熱系數(shù)102精品資料圖5-12 對流傳熱的溫度分布(fnb)情況一、對流傳(lichun)熱機理103精品資料一、對流傳(lichun)熱機理 當湍流(tunli)的流體流經(jīng)固體壁面時，將形成湍流(tunli)邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將進行熱交換。 層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍 流 邊界層

34、傳熱方式熱傳導熱傳導和渦流傳熱渦流傳熱104精品資料層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層溫度梯度 較大(jio d)居中較小熱阻 較大(jio d)居中較小對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。 一、對流傳熱機理105精品資料二、熱邊界層及對流(duli)傳熱系數(shù) 靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域(qy)，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層106精品資料圖 5-13 平板(pngbn)上的熱邊界層二、熱邊界層及對流(duli)傳熱系數(shù)107精品資料 若緊靠

35、壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導，因此傳熱速率(sl)可用傅立葉定律表示，即 ()wdtdQdSdy 緊靠壁面處薄層(bo cn)流體的溫度梯度二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)108精品資料 根據(jù)(gnj)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為()1 ()wwTTdQTTdSdS換熱器任一截面(jimin)上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫 換熱器任一截面上熱流體的平均溫度二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)109精品資料()()wwwdtdtTTdyt dy 因此(ync)有對流(duli)傳熱系數(shù)的另一定義式，它表明了對流(duli)傳熱系數(shù)與壁面溫度梯度之間的關系。 二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)110精

36、品資料二、熱邊界層及對流(duli)傳熱系數(shù) 當流體流過圓管進行傳熱時，管內(nèi)(un ni)熱邊界層的形成和發(fā)展。 對于一定的管長，破壞邊界層的發(fā)展也能強化對流傳熱。 對于同一種流體，強制對流傳熱的對流傳熱系數(shù)要大于自然對流的，有相變化的要大于無相變化的。 111精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理(j l)和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳(lichun)熱的量綱分析112精品資料一、影響對流(duli)傳熱系數(shù)的因素1.流體的種類和相變化的情況2.流體的特性：導熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度以及體積膨脹系數(shù) 3.流體的溫度4.流體的流動狀態(tài)5.流體流動的原因(yunyn)

37、6.傳熱面的形狀、位置和大小113精品資料二、對流傳(lichun)熱過程的量綱分析1.根據(jù)對問題的觀察，找出影響對流傳熱過程的因素2.通過量綱(lin n)分析確定相應的量綱(lin n)為一數(shù)群（準數(shù)）3.通過實驗確定相應的經(jīng)驗關聯(lián)式公式。量綱分析步驟114精品資料 量綱分析的基本依據(jù)是定理(dngl)：一個表示n個物理量間關系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-m個獨立的量綱為一數(shù)群間的關聯(lián)式，m指n個物理量中所涉及的基本量綱的數(shù)目。量綱分析的核心在于確定n和m，并用一定技巧將各個量綱為一數(shù)群的內(nèi)涵確定下來。量綱分析基本(jbn)依據(jù)二、對流傳熱過程的量綱分析115精品資料1.流體

38、(lit)無相變時的強制對流傳熱過程（1）列出影響(yngxing)該過程的物理量 ( , , )pf lcu 傳熱設備的特征尺寸二、對流傳熱過程的量綱分析116精品資料（2）確定量綱(lin n)為一數(shù)群的數(shù)目 上述(shngsh)7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析117精品資料通過(tnggu)量綱分析，可確定1lNu2Relu努賽爾特數(shù)(Nusselt number) 雷諾數(shù)(Reynolds number)表示(biosh)對流傳熱系數(shù)的準數(shù) 表示慣性力與黏性力之比，是表征流動

39、狀態(tài)的準數(shù) 二、對流傳熱過程的量綱分析118精品資料3Prpc普蘭德數(shù)(Prandtl number)表示(biosh)速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關的流體物性。 (Re,Pr)Nu強制對流（無相變）傳熱(chun r)時的準數(shù)關聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析119精品資料2.自然對流傳(lichun)熱過程（1）列出影響(yngxing)該過程的物理量 傳熱設備的特征尺寸( , ,)pf lcgt 作用在單位體積流體上的浮力ggt 二、對流傳熱過程的量綱分析120精品資料（2）確定(qudng)量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱(l

40、in n)：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析121精品資料通過(tnggu)量綱分析，可確定1lNu2Prpc努賽爾特數(shù)(Nusselt number) 普蘭德數(shù)(Prandtl number)二、對流傳(lichun)熱過程的量綱分析122精品資料格拉斯霍夫數(shù)(Grashof number)3232lgtGr表示(biosh)由溫度差引起的浮力與黏性力之比 (,Pr)NuGr自然(zrn)對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析123精品資料3.使用由實驗數(shù)據(jù)整理(zhngl)得到的關聯(lián)式應

41、注意的問題（1）應用范圍 關聯(lián)式中Re、Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍等；（2）特性尺寸 Nu、Re等準數(shù)中的應如何確定；（3）定性溫度(wnd) 各準數(shù)中的流體物性應按什么溫度(wnd)查取。二、對流傳熱過程的量綱分析124精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理(j l)和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體(lit)無相變時的對流傳熱系數(shù)125精品資料一、流體在管內(nèi)(un ni)作強制對流1.流體在光滑(gung hu)圓形直管內(nèi)作強制湍流（1）低黏度流體可應用迪特斯（Dittus）貝爾特（Boelter）關聯(lián)式0.80.023RePrnNu 0.80.

42、023()()pniiCd ud或或當流體被加熱時，n=0.4；當流體被冷卻時，n=0.3。 126精品資料特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度(wnd)：流體進、出口溫度(wnd)的算術平均值。應用(yngyng)范圍：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可將由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL進行校正。一、流體在管內(nèi)作強制對流127精品資料（ 2 ） 高 黏 度 流 體 ( l i t ) 可 應 用 西 德 爾（Sieder）泰特（Tate）關聯(lián)式0.81 30.027RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd ud或或壁溫下的黏度(nin

43、d)0.14()w考慮熱流方向的校正項 一、流體在管內(nèi)作強制對流128精品資料特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度(wnd)：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度(wnd)的算術平均值。應用(yngyng)范圍：4Re100.7Pr1700/60iL d 一、流體在管內(nèi)作強制對流129精品資料1 30.141.86(RePr)()iWdNuL2.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強制(qingzh)層流特性尺寸：管內(nèi)徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體(lit)進、出口溫度的算術平均值。應用范圍：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流體在管內(nèi)作強制對流130精品資料51.81 6 10 Re

44、Re2300 10000 當 時，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的公式計算，然后把算得的結果乘以校正系數(shù)。3. 流體(lit)在光滑圓形直管中呈過渡流一、流體在管內(nèi)(un ni)作強制對流131精品資料(1 1.77)idR 4. 流體在彎管內(nèi)作強制(qingzh)對流 流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，增大(zn d)了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大 管子的彎曲半徑一、流體在管內(nèi)作強制對流132精品資料22221212224()4eddddddd 5. 流體在非圓形管內(nèi)(un ni)作強制對流 流體在非圓形管內(nèi)(un ni)作強制對流時，只要將管內(nèi)(un ni)徑改為當量直徑，則

45、仍可采用上述各關聯(lián)式。傳熱當量直徑定義：究竟采用哪個當量直徑，由具體(jt)的關聯(lián)式?jīng)Q定。 一、流體在管內(nèi)作強制對流133精品資料練 習 題 目思考題作業(yè)題: 11、12、131.對流傳(lichun)熱系數(shù)的定義是什么？說明對流傳(lichun)熱的機理及求算對流傳(lichun)熱系數(shù)的途徑。2.量綱分析的步驟，所應用的基本定理是什么？3.傳熱過程所涉及到的量綱為一準數(shù)的名稱、計算式、含義是什么 ？134精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳(lichun)熱5.4.1 對流傳(lichun)熱機理和對流傳(lichun)熱系數(shù)5.4.2 對流傳(lichun)熱的量綱分析5.4.3 流體(

46、lit)無相變時的對流傳熱系數(shù)135精品資料二 、 流 體 在 換 熱 器 的 管 間 作 強 制(qingzh)對流換熱器管間流體的流動：裝有折流擋板。流體的流向(li xin)和流速不斷地變化。在Re100時即可達到湍流。 136精品資料圖5-14 換熱器折流擋板(dn bn)二、流體在換熱器的管間作(jinzu)強制對流137精品資料圖5-15 管間管束排列(pili)形式二 、 流 體 在 換 熱 器 的 管 間 作 強 制(qingzh)對流138精品資料0.551 30.36RePrNu凱恩（Kern）法應用范圍： 。特性尺寸：傳熱當量直徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進出口溫

47、度的算術平均值。36Re2 10 1 10二、流體在換熱器的管間作(jinzu)強制對流139精品資料三、自然(zrn)對流(Pr)nNuc Gr通過(tnggu)實驗測得的c和n值列于表5-7中。 140精品資料第五章 傳 熱5.4 對流(duli)傳熱5.4.1 對流(duli)傳熱機理和對流(duli)傳熱系數(shù)5.4.2 對流(duli)傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流(duli)傳熱系數(shù)5.4.4 流體(lit)有相變時的對流傳熱系數(shù)141精品資料一、蒸汽(zhn q)冷凝傳熱1.蒸汽(zhn q)冷凝方式圖5-16蒸汽冷凝方式滴狀冷凝膜狀冷凝142精品資料2.膜狀冷凝(l

48、ngnng)時的對流傳熱系數(shù)（1）層流膜狀冷凝(lngnng)時的對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時對流傳熱系數(shù)關系式推導中作了以下假設：冷凝液膜呈層流流動(lidng)，傳熱方式為通過液膜的熱傳導。蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。一、蒸汽冷凝傳熱143精品資料蒸汽冷凝(lngnng)成液體時所釋放的熱量僅為冷凝(lngnng)潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度保持不變。冷凝(lngnng)液的物性可按平均液膜溫度取值，且為常數(shù)。一、蒸汽冷凝(lngnng)傳熱144精品資料對蒸汽(zhn q)在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝 1 4230.943rgL t蒸汽(zhn q)的飽和溫度與壁面溫度之差 swttt 飽和蒸

49、汽的冷凝潛熱一、蒸汽冷凝傳熱145精品資料 麥克(mi k)亞當斯(McAdams)建議在工程設計時，應將計算結果提高20%，即1 4231.13()swrgL tt一、蒸汽冷凝(lngnng)傳熱146精品資料（2）湍流(tunli)膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù) 當液膜呈現(xiàn)湍流流動時可應用柯克柏瑞德(Kirkbride)的經(jīng)驗(jngyn)公式計算，即1 320.420.0076Refg一、蒸汽冷凝傳熱147精品資料冷凝(lngnng)時Ref的計算：Reebfd u當量(dngling)直徑 凝液的平均流速若以 表示凝液的流通面積， 表示潤濕周邊長度， 表示凝液的質(zhì)量流率，則有 APmq44R

50、emmfqAqPAP一、蒸汽冷凝傳熱148精品資料單位長度(chngd)潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率 mqP 4Ref則從層流到湍流的 臨界值一般可取為1800。 Ref一、蒸汽冷凝(lngnng)傳熱149精品資料（3）水平管外膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù) 對于蒸氣在單根水平管外的層流(cn li)膜狀冷凝，努賽爾特曾經(jīng)獲得下述關聯(lián)式1 4230.725()oswrgd tt特征尺寸(ch cun)管外徑一、蒸汽冷凝傳熱150精品資料水平(shupng)管束外冷凝 1 4230.725()oswrgnd tt垂直(chuzh)列上的管數(shù)若各列管子在垂直方向上的排數(shù)不相等4120.750.750.75

51、12()zmznnnnnnn一、蒸汽冷凝傳熱151精品資料比較(bjio)垂直(chuzh)管外水平管外1 4231.13()swrgL tt1 4230.725()oswrgd tt2式相比140.64OLd水平垂直對于長1.5m，外徑20mm的圓管，水平放置時其層流膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)約為垂直放置時的2倍。一、蒸汽冷凝傳熱152精品資料 應予指出，若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體(qt)，則壁面可能為氣體(qt)（導熱系數(shù)很?。铀谏w而增加一層附加熱阻，使對流傳熱系數(shù)急劇下降。故在冷凝器的設計和操作中，必須考慮排除不凝氣。 一、蒸汽冷凝(lngnng)傳熱153精品資料二、液體(yt)沸

52、騰傳熱所謂液體(yt)沸騰是指在液體(yt)的對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程。液體沸騰154精品資料液體沸騰(fitng)的方式過冷沸騰(fitng)飽和沸騰(fitng) 二、液體沸騰傳熱池內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰(流動沸騰或強制對流沸騰)155精品資料1.液體(yt)沸騰曲線圖5-17水的沸騰(fitng)曲線二、液體沸騰傳熱156精品資料2.液體沸騰(fitng)傳熱的影響因素（1）液體性質(zhì)的影響 通常，凡是有利于氣泡生成和脫離的因素均有助于強化沸騰(fitng)傳熱。二、液體沸騰傳熱157精品資料（2）溫度差的影響 溫度差是控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù)。一定(

53、ydng)條件下，多種液體進行泡核沸騰傳熱時的對流傳熱系數(shù)與的關系可用下式表達，即()nkt二、液體(yt)沸騰傳熱158精品資料（3）操作壓力的影響 提高沸騰操作的壓力相當于提高液體(yt)的飽和溫度，使液體(yt)的表面張力和黏度均下降，有利于氣泡的生成和脫離。 二、液體(yt)沸騰傳熱159精品資料（4）加熱壁面的影響 加熱壁面的材質(zhì)和粗糙度對沸騰(fitng)傳熱有重要影響。清潔而粗糙的加熱壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高。加熱壁面的布置情況，也對沸騰(fitng)傳熱有明顯的影響。二、液體(yt)沸騰傳熱160精品資料3.液體沸騰(fitng)傳熱系數(shù)的計算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCr

54、rg由于沸騰傳熱的機理相當復雜(fz)，目前還沒有適當?shù)姆治鼋饪梢悦枋稣麄€沸騰傳熱過程，故其傳熱系數(shù)的計算仍主要借助于經(jīng)驗公式，以下是工業(yè)計算中常用的羅森奧（Rohsenow）公式，即二、液體沸騰傳熱161精品資料第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理(j l)和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)5.4.4 流體有相變時的對流傳熱系數(shù)5.4.5 非牛頓(ni dn)型流體的傳熱（選讀）162精品資料練 習 題 目思考題作業(yè)題: 16、17、181.試說明流體有相變化時的對流傳熱系數(shù)大于無相變時的對流傳熱系數(shù)的理由。2為什么滴狀冷凝的

55、對流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)高？3對于膜狀冷凝，雷諾數(shù)是如何定義(dngy)的？4. 液體沸騰曲線的意義。163精品資料第五章 傳 熱5.6 換熱器5.6.1 間壁式換熱器的結構形式5.6.2 換熱器傳熱過程(guchng)的強化5.6.3 傳熱過程(guchng)強化效果的評價5.6.4 管殼式換熱器的設計(shj)和選型164精品資料一、換熱器設計的基本(jbn)原則1.流體流徑的選擇 不潔凈和易結垢的流體宜走管程，因為管程清洗比較方便。 腐蝕性的流體宜走管程，以免(ymin)管子和殼體同時被腐蝕，且管程便于檢修與更換。 壓力高的流體宜走管程，以免(ymin)殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬

56、消耗量。165精品資料 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對外的散熱作用，增強冷卻效果。 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝(lngnng)液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。 有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏。一、換熱器設計(shj)的基本原則166精品資料 流量小或黏度大的流體(lit)宜走殼程，因流體(lit)在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低Re（Re100）下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 若兩流體(lit)溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體(lit)走殼程，因壁面溫度與大的流體(lit)接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應力。 一、換熱器設計的基本(j

57、bn)原則167精品資料2.流體(lit)流速的選擇 增大(zn d)流速加大對流傳熱系數(shù)減少污垢的形成流動阻力加大總傳熱系數(shù)增大 動力消耗增多 一般需通過多方面權衡選擇適宜的流速。表5-11至表5-13列出了常用的流速范圍，可供設計時參考。 一、換熱器設計的基本原則168精品資料3.冷卻介質(zhì)（或加熱(ji r)介質(zhì)）終溫的選擇 一般來說，設計時冷卻水的進出口溫度差可取510。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫差。 一、換熱器設計的基本(jbn)原則169精品資料4.管子(gun zi)的規(guī)格和管間距管子(gun zi)規(guī)格 25 2.5mm19 2mm管徑 1.5m2m3m6m