华中农大食工原理04ppt课件

1、p掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；p熟悉各种热交换设备的结构和特点；熟悉各种热交换设备的结构和特点；p掌握稳定综合传热过程的计算；掌握稳定综合传热过程的计算；p了解强化传热和热绝缘的措施。了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点本章重点和难点一、传热在食品工程中的应用一、传热在食品工程中的应用二、传热的基本方式二、传热的基本方式热传导热传导(conduction);(conduction);对流对流(convection);(convection);辐射辐射(radiation)(radiation)。 食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各

2、种单元操作食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作如蒸馏、蒸发、枯燥、结晶等对温度有一定的要求。如蒸馏、蒸发、枯燥、结晶等对温度有一定的要求。 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传热机理不同，传热的基本方式有三种： 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。起的热量传递称为热传导。1.1.热传导又称导热）热传导又称导热）2.2.热对流热对流 流体各部分

3、之间发生相对位移所引起的热传递过程流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。称为热对流。 热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。强制对流：强制对流： 因泵或风机或搅拌等外力所导致的对流称为因泵或风机或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。强制对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种

4、对流称为自然对流。致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。3 3、热辐射、热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。介质。 任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。 实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往

5、往是相互伴随着出现的。伴随着出现的。 温度场温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场温度分布，称为温度场(temperature field)。式中：式中：t 温度；温度； x, y, z 空间坐标；空间坐标； 时间。时间。 物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x，y，z，) (4-1) 一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。标方向变化。 一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为： t = f (x,

6、) (4-1a) 等温面的特点：等温面的特点： （1等温面不能相交；等温面不能相交；（2沿等温面无热量传递。沿等温面无热量传递。不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。而改变。稳定温度场：若温度不随时间而改变。稳定温度场：若温度不随时间而改变。 等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。的面。 注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以

7、沿与等温面的垂直方向为最大。度以沿与等温面的垂直方向为最大。xxtxxt),(),(xtxxtxxtgradtx),(),(lim0 对于一维温度场，等温面对于一维温度场，等温面x及及(x+x)的温度分别为的温度分别为t(x,)及及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：，则两等温面之间的平均温度变化率为： 温度梯度温度梯度: : 温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。向为正。xtdAdQ 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及

8、垂直于热流方向的截面积成正比，即的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、构造、密导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、构造、密度、温度及压强有关。度、温度及压强有关。式中式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，w A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal conductivity)，w/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反

9、。 ndSQt+ttt-tt/n图图 温度梯度和傅立叶定律温度梯度和傅立叶定律如下图：如下图：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为，壁面积为A A；壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面平壁的温度只沿着垂直于壁面的的x x轴方向变化，故等温面皆为垂轴方向变化，故等温面皆为垂直于直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t1t1及及t2t2恒定。恒定。dxdtAQRtAbttttAbQ2121)( 式中式中t=t1-t2t=t1-t2为导热的推动力为导热的推动力(d

10、riving force)(driving force)，而，而R=b/AR=b/A则为导热的热阻则为导热的热阻(thermal resistance)(thermal resistance)。 根据傅立叶定律根据傅立叶定律 分离积分变量后积分，积分边界条件：当分离积分变量后积分，积分边界条件：当x=0时，时，t= t1；x=b时，时，t= t2，如下图：以三层平壁为例如下图：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为假定各层壁的厚度分别为b1b1，b2b2，b3b3，各层材质均匀，导热，各层材质均匀，导热系数分别为系数分别为11，22，33，皆，皆视为常数；视为常

11、数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于温面亦皆为垂直于x x轴的平行平轴的平行平面。面。壁的面积为壁的面积为A A，在稳定导热过，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。)(21111ttAbQ121111tttAbQ33133tAbQ2222tAbQ第一层第一层 第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q321332211)(tttAbAbAbQ)()(33221141332211321AbAbAbttAbAbAbtttQ32141321321R

12、RRttRRRtttQRttAbttQnniiiin11011同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。 例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm12cm，中间夹层厚，中间夹层厚10cm10cm，填以绝缘材料。砖墙的热导率为填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/mk0.70w/mk，绝缘材料的热导，绝缘材料的热导率为率为0.04w/mk0.04w/mk，墙外表面温度为，墙外表面温度为10 10 ，内表面为，内表面为-5 -5 ，试，试计算进入冷库的热流密度及

13、绝缘材料与砖墙的两接触面上的温计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。度。233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t31 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt解：解： 根据题意，已知根据题意，已知t1=10 t1=10 ，t4=-5 t4=-5 ，b1=b3=0.12mb1=b3=0.12m，b2=0.10mb2=0.10m，1= 3= 0.70w/mk1= 3= 0.70w/mk， 2

14、= 0.04w/mk 2= 0.04w/mk。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：Qt2t1r1rr2drL如下图：如下图：设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r1r1，内，内壁温度为壁温度为t1t1，外半径为，外半径为r2r2，外壁温度为外壁温度为t2t2。温度只沿半径方向变化，温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半壁与平壁不同点是其面随半径而变化。径而变化。在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的的薄层，若圆筒的长度为薄层，若圆筒的长度为L L，则，则半 径 为半 径 为 r r 处 的 传 热 面 积 为处 的 传

15、热 面 积 为A=2rLA=2rL。drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得 根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即122121)()(rrttAbttAQmmLrrrrrLAmm2ln)(212121212lnrrrrrm12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAm上两式相比较，可得上两式相比较，可得其中其中 式中式中 rm圆筒壁的对数平均半径，圆筒壁的对数平均半径

16、，m Am圆筒壁的内、外表面对数平均面积，圆筒壁的内、外表面对数平均面积，m2 当当A2/A12时，可认为时，可认为Am=（A1+A2）/2r1r2r3r4t1t2t3t4 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。 如下图：以三层圆筒壁为例。如下图：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b1= r2- b1= r2- r1r1，b2=r3- r2b2=r3- r2，b3=r4- r3b3=r4- r3；各层材料的导热系数各层材料的导热系数11，22，33皆视为常数；皆视为常数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相

17、等，各等温接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ 多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。 对于第一、对于第一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为

18、 注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。相同的，但是热通量却不相等。LrrrLttRRttQff010121121ln21 分析：当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有可能使总热阻R1+R2下降，导致热损失增大。 通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大。反而使热损失增大。 假设保温层内表面温度为假设

19、保温层内表面温度为t1t1，环境温度为，环境温度为tftf，保温层的内，保温层的内、外半径分别为、外半径分别为r1r1和和r0r0，保温层的导热系数为，保温层的导热系数为，保温层外壁，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为与空气之间的对流传热系数为。热损失为：热损失为：上式对上式对r0r0求导，可求出当求导，可求出当Q Q最大时的临界半径，即最大时的临界半径，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdQoof解得解得 r0=/当保温层的外径当保温层的外径do2/do2/do2/时，增加保温层的厚度才使热损失时，增加保温层的厚度才使热损失减少。减少。对管径较小的管路包扎对管径

20、较小的管路包扎较大的保温材料时，要核算较大的保温材料时，要核算d0d0是否是否小于小于dcdc。所以，临界半径为所以，临界半径为 rc=/ 或或 dc=2/例例 在一在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管。现用热电偶测得管内壁温度为内壁温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管壁的导热系数，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温

21、度。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mmwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln45

22、1)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。递的，与流体的流动情况密切相关。 当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导亦有较弱的自然对流的热量传递，主要以热传导亦有较弱的自然对流的方式进行。方式进行。 传热过程传热过程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍

23、流主体湍流主体q对流传热对流传热q温 度 分 布温 度 分 布均匀均匀q层流底层层流底层q导热导热q温 度 梯 度温 度 梯 度大大q壁面壁面q导热导热(导热导热系数较流体系数较流体大大)q有 温 度 梯有 温 度 梯度度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传热边界层传热边界层thermal boundary layer） ：温：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。阻即主要几种在此层中。温度温度间隔间隔TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层

24、流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图式中式中 Q对流传热速率，对流传热速率，W； A传热面积，传热面积，m2 t对流传热温度差，对流传热温度差， t= T-TW或或t= t-tW，； T热流体平均温度，热流体平均温度，； TW与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度，； t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，； tW与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，； 对流传热系数对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K或或W/m2）。）。 RtATTQw1上式称为牛顿冷却定律。上式称为牛顿冷却定律。 简化处理：认为流体的全部温度差集

25、中在厚度为简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜的有效膜内，但有效膜的厚度内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以又难以测定，所以以代替代替/t 而用下式而用下式描述对流传热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q= AT-Tw）1 流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变。有相 变时对流传热系数比无相变化时大的多；变时对流传热系数比无相变化时大的多； 2 流体的物理性质：影响较大的物性如密度流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热、比热cp、导热、导热系数系数 、粘度、粘度等；等；3 流体的运动状况：层流、过渡流

26、或湍流；流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；流体对流的状况：自然对流，强制对流；5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 ),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示： 八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度，长度M，长度，长度L，时间

27、时间T，温度，温度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即准数符号及意义准数符号及意义 准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注意以下几点：1 1、应用范围、应用范围2 2、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数NuNu、ReRe等中所包含的传热面尺寸等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。尺寸作为特征尺寸。3 3、定性温度、定性温度 流体在对流传

28、热过程中温度是变化的。确定流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度膜温）。和壁面的平均温度膜温）。4 4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。的单位制度。 npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，值视热流方向

29、而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。应用范围应用范围 ： Re10000，0.7Pr60。假设。假设 L/di10000 Re10000，0.7Pr167000.7Pr60L/di60。特性尺寸特性尺寸 取管内径取管内径定性温度定性温度 除除ww取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。当液体被加热时当液体被加热时/w0.14=1.05当液体被冷却时当液体被冷却时/w0.14=0.95 对于气体，不论加热或冷却皆取对于气体，不论加热或冷却皆取1。例：例： 常压下，空气以常压下，空气以15m/s的流速在长为的流速在长为

30、4m，603.5mm的的钢管中流动，温度由钢管中流动，温度由150升到升到250。试求管壁对空气的对。试求管壁对空气的对流传热系数。流传热系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度定性温度 t=（150+250）/2=200 查查200时空气的物性数据附录如下时空气的物性数据附录如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.550 Re=du/=(0.05315 0

31、.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. 0NudW / m 2 本题中空气被加热本题中空气被加热,k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较

32、小且可被忽略时，按下式计算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3di/L1/3/w0.14 应用范围：应用范围： Re2300，0.6Pr100。 特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径di 定性温度：定性温度： 除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的取壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。算术平均值。 当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：应用范围：Re50； 当管子较短，当管子较短，l/d3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺

33、寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为管排数为10，若不为，若不为10时，计算结果应校正。时，计算结果应校正。 换热器内装有圆缺形挡板缺口面积为换热器内装有圆缺形挡板缺口面积为25%的壳体内截面的壳体内截面积时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：积时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：（1多诺呼法多诺呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3/w0.14应用范围应用范围: Re=(23)104 特性尺寸特性尺寸: 取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度定性温度:

34、 除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。（2凯恩法凯恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3/w0.14注：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流注：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，则仍用管内强制对流的公式计算，只须将公式中动，则仍用管内强制对流的公式计算，只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。的管内径改为管间的当量直径。 应用范围应用范围: Re=21031 105 特性尺寸特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。 定性温度定性温度: 除除w取壁温外，均为流

35、体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。Nu=cGrPrn定性温度定性温度: 取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算 术平均值。术平均值。式中的式中的c、n值见表值见表蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝：若冷凝液不能润湿避免，由于表滴状冷凝：若冷凝液不能润湿避免，由于表面张

36、力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为。在实际滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。生产过程中，多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。4132)(943.0tlgr4132)(725.0tdngr1.1.1 在垂直管或垂直板上作膜状冷凝在垂直管或垂直板上作膜状冷凝1.1.2 水平管壁上作膜状冷凝水平管壁上作膜状冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度冷凝液的密度、导热系数、粘

37、度 r饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径管子外径 n管束在垂直面上的列数管束在垂直面上的列数 不凝性气体的影响不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速和流向的影响蒸汽流速和流向的影响冷却壁面的高度及布置方式冷却壁面的高度及布置方式流体物性流体物性 对液体对流加热时，在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：(1) 管内沸

38、腾：液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。(2) 大溶积沸腾池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液大溶积沸腾池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。温度差温度差tqABCD 线线 q线线 液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中的对流传热系数的对流传热系数和热流密度和热流密度q都发

39、生变化。都发生变化。 根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段：(1) 自然对流阶段自然对流阶段 如如AB段所示，温差小，无明显沸腾现象。此阶段段所示，温差小，无明显沸腾现象。此阶段和和q均均很小，且随着温差增大而缓慢增加。很小，且随着温差增大而缓慢增加。(2) 泡核沸腾阶段泡核沸腾阶段 如如BC段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段此阶段和和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。（1温度差：温度差是

40、控制沸腾传热的重要参数，应尽量在温度差：温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量在核状沸腾阶段操作。核状沸腾阶段操作。（2操作压力：提高操作压力可提高液体的饱和温度，从而操作压力：提高操作压力可提高液体的饱和温度，从而使液体的粘度及表面张力均下降，有利于气泡的生成与脱离壁使液体的粘度及表面张力均下降，有利于气泡的生成与脱离壁面，其结果是强化了对流传热过程。面，其结果是强化了对流传热过程。（3流体物性：气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸流体物性：气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润能力及液体的表面张力的大小有关，表面张力小，润湿能力润能力及液体的表面张力的大小有关，表面张力小，润湿能力大的

41、液体，形成的气泡易脱离表面，对沸腾传热有利。此外大的液体，形成的气泡易脱离表面，对沸腾传热有利。此外、等也有影响。等也有影响。（4加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。 对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：式。在应用这些方程时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。或是自然对流，是否有相变等。2、选定响应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选、选定

42、响应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式的使用条件。用的公式的使用条件。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。再进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。传热计算主要有两种类型：传热计算主要有两种类型： 设计计算设计计算 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。 校核计算校核计算 计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有对间壁式换热器作能量

43、恒算，在忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式。上式即为换热器的热量恒算式。式中式中 Q换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJ/h或或w W流体的质量流量，流体的质量流量，kg/h H单位质量流体的焓，单位质量流体的焓，kJ/kg 下标下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标分别表示冷流体和热流体，下标1和和2表示换热器的进口和出口。表示换热器的进口和出口。Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1) 若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有式中式中 cp流体的平均比热，流体的平均比热，kJ/（kg ） t冷流体的温度，冷流体的温度， T热流体的温度，热流体的温度

44、， Q = W h c p h ( T 1 -T2)=Wccpc(t2-t1)若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有 当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有 式中式中 Wh饱和蒸汽热流体的冷凝速率，饱和蒸汽热流体的冷凝速率，kg/h r饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。开换热器。Q = W h r + c p h ( T 1 -T2)=Wccpc(t2-t1)式中式中 c

45、ph冷凝液的比热，冷凝液的比热， kJ/（kg ） Ts冷凝液的饱和温度，冷凝液的饱和温度， 通过换热器中任一微元面积通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率的间壁两侧流体的传热速率方程仿对流传热速率方程为方程仿对流传热速率方程为 dQ=K(T-t)dS=KtdS式中式中 K局部总传热系数，局部总传热系数， w/（m2 ） T换热器的任一截面上热流体的平均温度，换热器的任一截面上热流体的平均温度， t换热器的任一截面上冷流体的平均温度，换热器的任一截面上冷流体的平均温度， 上式称为总传热速率方程。上式称为总传热速率方程。 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，

46、总传热系数的数值也不同。dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中式中 Ki、Ko 、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积 的总传热系数，的总传热系数， w/（m2 ） Si、So、Sm换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积， m2 注：在工程大多以外表面积为基准。注：在工程大多以外表面积为基准。 oomiidSdSbdStTdQ11 对于管式换热器，假定管内作为加热侧，管外为冷却侧，对于管式换热器，假定管内作为加热侧，管外为冷却侧，则通过任一微元面积则通过任一微元面积d

47、S的传热由三步过程构成。的传热由三步过程构成。由热流体传给管壁由热流体传给管壁 dQ=i(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体由管壁传给冷流体 dQ=o(tw-t)dSo通过管壁的热传导通过管壁的热传导 dQ=(/b)(Tw-tw)dSm由上三式可得由上三式可得 由于由于dQ及及T-t两者与选择的基准面积无关，则根据总两者与选择的基准面积无关，则根据总传热速率微分方程，有传热速率微分方程，有oioiiodddSdSkkomommodddSdSkkomoiioodbdddtTdSdQ1所以所以omoiioodbdddK11ooimiiidddbdK11oomiimmddbddK1总传热系数以外表面为

48、基准为总传热系数以外表面为基准为omoiioodbdddk11同理同理总传热系数表示成热阻形式为总传热系数表示成热阻形式为osomoiosiiiooRdbdddRddk11ososiioRbRk111 在计算总传热系数在计算总传热系数K时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁内、外侧表面上的热阻分别为内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及及Rso时，则有时，则有当传热面为平壁或薄管壁时，当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有近似相等，则有当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为oiok111oK11若若o i，则有，

49、则有总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差不大时，欲提高对流传热系数相差不大时，欲提高K值，关键在于提高对流值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的传热系数较小一侧的。若两侧的若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能，才能提高提高K值。值。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。及时清除污垢。由上可知：由上可知：例例 一列管式换热器，由一列管式换热器，由252.5mm的钢管组成。管的钢管组成。管内为内为CO2

50、，流量为，流量为6000kg/h，由，由55冷却到冷却到30。管。管外为冷却水，流量为外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为，进口温度为20。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为为3000W/m2K，CO2 侧的对流传热系数为侧的对流传热系数为40 W/m2K 。试求总传热系数。试求总传热系数K，分别用内表面积，分别用内表面积A1，外表面积外表面积A2表示。表示。 解：查钢的导热系数解：查钢的导热系数=45W/mK 取取CO2侧污垢热阻侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W 取水侧污垢热阻取水侧污垢热阻Ra2=0.2110-

51、3m2K/W以内、外表面计时，内、外表面分别用下标以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。表示。 kmwRRddddbKm221212111/5 .3800021. 000053. 0025. 002. 0300010225. 002. 0450025. 04011111kmwRRddbddKm221221212/3 .3100021. 000053. 0300010225. 0025. 0450025. 002. 0025. 04011111 两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热

52、称为稳定的恒任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。 t=T-t式中式中 T热流体的温度热流体的温度； t冷流体的温度冷流体的温度。 在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况： (1) 间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热

53、另一流间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体 。(2) 间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。方向大致可分为下列四种情况。 并流并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相参与

54、换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。同的方向流动。 生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况： 逆流逆流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。对的方向流动。错流错流 参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。直方向流动。 折流折流简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。交替存在。复

55、杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。 T2T1t1t2T1T2t1t2图图 两侧流体变温时的温度变化两侧流体变温时的温度变化并流并流逆流逆流错流错流折流折流12121212图图 换热器中流体流向示意图换热器中流体流向示意图常量phhcWdTdQ常量pcccWdtdQ假设：假设：传热为稳定操作过程。传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。两流体的比热为常量。总传热系数为常量总传热系数为常量K不随换热器的管长而变化）。不随换热器的管长而变化）。换热器的热损失可忽略。换热器的热损失可忽略。以逆流为例：热量衡算微分方程为以逆流为例：热量衡算微分方程为 dQ=

56、-Wh cphdT= Wc cpcdt 根据假定，则有根据假定，则有QT和和Qt为直线关系，即为直线关系，即 T=mQ+k t=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)温度温度T1传热量传热量QT2t1tt1 1t2t2t20从上式可以看出：从上式可以看出： tQ关系呈直线，其斜率为关系呈直线，其斜率为QttdQtd21)(QtttdSKtd21)(将总传热速率微分方程代入上式，则有将总传热速率微分方程代入上式，则有由于由于K为常量，积分上式有为常量，积分上式有SttdSQttttdK01221)(1SQttttK1212ln1mtKSttttKSQ1212ln 式中式中tm称为对数平均半

57、径。当称为对数平均半径。当t2/ t1 2时，可用时，可用t2+ t1）/2代替对数平均温度差。代替对数平均温度差。1212lntttttm注：（注：（1应用上式求应用上式求tm时，取换热器两时，取换热器两端的端的t中数值中数值 大的为大的为t2，小的为，小的为t1。 （2上式对并流也适用。上式对并流也适用。例例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为度为100,出口温度为出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温；某反应物在管内流动，进口温度为度为250，出口温度为，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平。试分别计算并

58、流与逆流时的平均温度差。均温度差。解：并流解：并流 逆流逆流65160180100250ln)160180()100250(ln2121tttttm 7 .84100180160250ln)100180()160250(ln2121tttttm 逆流操作时，因逆流操作时，因t2/ t1 2，则可用算术平均值，则可用算术平均值8528090221tttm 由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。平均温度差比并流时大。 在换热器的传热量在换热器的传热量Q及总传热系数及总传热系数K值相同的条件下，采用值相同的条件下

59、，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却逆流操作，可以节省传热面积，而且可以接生加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作。体的温度有限制时才采用并流操作。 注：流体流动方向的选择注：流体流动方向的选择 方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差tm逆，逆，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数t,即即 tm=ttm逆逆 校正系数校正系数t与冷、热两种流体的温度变化有关，是与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和和P的函数，即的

60、函数，即 t=f(R，P)式中式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 热流体的温降热流体的温降/冷流体的温升冷流体的温升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流体的温升冷流体的温升/两流体的最初温两流体的最初温差差 根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和和P值后，值后，校正系数校正系数t值可根据值可根据R和和P两参数从相应的图中查得。两参数从相应的图中查得。 mwwwmwtKSttStTSbTTSQ)()()(221111SQTTw22SQtSbQTtmww对稳定传热过程对稳定传热过程式中式中 S1、S2、Sm分别代表热流体侧传热面