《华中农大食工原理》PPT课件.ppt

p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； p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。 本章重点和难点 第四章 传热 一、传热在食品工程中的应用 二、传热的基本方式 热传导(conduction); 对流(convection); 辐射(radiation)。 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、干燥、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，根据传 热机理不同，传热的基本方式有三种： 第一节 概述 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起的热量传递称为热传导。 1.热传导（又称导热） 2.热对流 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。 热对流仅发生在流体中。 强制对流： 因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。 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： 自然对流： 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，这种对流称为自然对流。 3、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 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 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 伴随着出现的。 温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度 分布，称为温度场(temperature field)。 式中：t 温度； x, y, z 空间坐标； 时间。 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) 第二节 热传导 一、 傅立叶定律 1 温度场和温度梯度 一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。 一维温度场的温度分布表达式为： t = f (x,) (4-1a) 等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）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 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 度以沿与等温面的垂直方向为最大。 对于一维温度场，等温面x及(x+x)的温度分别为t(x,)及 t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为： 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 向为正。 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、结构、密 度、温度及压强有关。 式中 Q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，m2 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。 2 傅立叶定律 n dS Q t+t t t-t t/n 图 温度梯度和傅立叶定律 如图所示： b t1 t2 Q t t1 t2 o bx 平壁壁厚为b，壁面积为A； 壁的材质均匀，导热系数不随 温度变化，视为常数； 平壁的温度只沿着垂直于壁面的 x轴方向变化，故等温面皆为垂直 于x轴的平行平面。 平壁侧面的温度t1及t2恒定。 二、平壁的稳定热传导 1 单层平壁的热传导 式中t=t1-t2为导热的推动力(driving force)，而 R=b/A则为导热的热阻(thermal resistance)。 根据傅立叶定律 分离积分变量后积分，积分边界条件：当x=0时，t= t1； x=b时，t= t2， 如图所示：以三层平壁为例 Q b1b2b3 x t t1 t2 t3 t4 假定各层壁的厚度分别为b1， b2，b3，各层材质均匀，导热系 数分别为1，2，3，皆视 为常数； 层与层之间接触良好，相互接 触的表面上温度相等，各等温 面亦皆为垂直于x轴的平行平面 。 壁的面积为A，在稳定导热过 程中，穿过各层的热量必相等 。 2 多层平壁的稳定热传导 第一层 第三层 第二层 对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q 同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为 式中i为n层平壁的壁层序号。 例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm， 填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/mk，绝缘材料的热导 率为0.04w/mk，墙外表面温度为10 ，内表面为-5 ，试 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。 按温度差分配计算t2、t3 解： 根据题意，已知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m， b2=0.10m，1= 3= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk。 按热流密度公式计算q： Q t2 t1 r1 r r2 dr L 如图所示： 设圆筒的内半径为r1，内壁 温度为t1，外半径为r2，外 壁温度为t2。 温度只沿半径方向变化，等 温面为同心圆柱面。圆筒壁 与平壁不同点是其面随半径 而变化。 在半径r处取一厚度为dr的 薄层，若圆筒的长度为L，则 半径为r处的传热面积为 A=2rL。 三、圆筒壁的稳定热传导 1 单层圆筒壁的稳定热传导 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 上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即 上两式相比较，可得 其中 式中 rm圆筒壁的对数平均半径，m Am圆筒壁的内、外表面对数平均面积，m2 当A2/A12/时，增加保温层的厚度才使热损失 减少。 对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，要核算d0是否小 于dc。 所以，临界半径为 rc=/ 或 dc=2/ 例 在一603.5mm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=0.07W/m，外层为20mm 的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管 内壁温度为500，最外层表面温度为80，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度 。 解：每米管长的热损失 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=0.09m 保温层界面温度t3 解得 t3=131.2 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热量传递 ，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。 第三节 对流传热 一、对流传热的基本概念 传热过程 高温流体 湍流主体 壁面两侧 层流底层 湍流主体 低温流体 q湍流主体 对流传热 温度分布均匀 p层流底层 导热 温度梯度大 p壁面 导热(导热系数较 流体大) 有温度梯度 不同区域的 传热特性： 传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层 。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此 层中。 温度 距离 T Tw tw t 热流体冷流体 传热壁面 湍流主体湍流主体传热壁面 层流 底层 层流 底层 传热方向 对流传热示意图 式中 Q对流传热速率，W； A传热面积，m2 t对流传热温度差， t= T-TW或t= t-tW，； T热流体平均温度，； TW与热流体接触的壁面温度， ； t冷流体的平均温度，； tW与冷流体接触的壁面温度，； 对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或W/m2） 。 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中在厚度为t的有效膜 内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以代替/t 而用下式 描述对流传热的基本关系 Q= A（T-Tw） 二、对流传热速率 1 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、比热cp、导热系数 、粘度等； 3 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； 5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 三、 影响对流传热系数的主要因素 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M，长度M，长度L， 时间T，温度。 通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为： 即 四、对流传热中的因次分析 准数符号及意义 准数名称准数名称符号符号意义意义 努塞尔特准数（努塞尔特准数（ NusseltNusselt） Nu=l/Nu=l/ 表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数 雷诺准数雷诺准数 （ReynoldsReynolds） Re=lu/Re=lu/ 确定流动状态的准数确定流动状态的准数 普兰特准数普兰特准数 （PrandtlPrandtl） Pr=cPr=c p p / 表示物性影响的准数表示物性影响的准数 格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数 （GrashofGrashof） Gr=gtlGr=gtl 3 3 2 2 / 2 2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数 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： 1、应用范围 2、特性尺寸 无因次准数Nu、Re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尺 寸作为特征尺寸。 3、定性温度 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）。 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 的单位制度。 Nu=0.023Re0.8Prn 式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。 应用范围 ： Re10000，0.760。若 L/di10000，0.760。 特性尺寸 取管内径 定性温度 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。 当液体被加热时（/w）0.14=1.05 当液体被冷却时（/w）0.14=0.95 对于气体，不论加热或冷却皆取1。 1.1.2 高粘度流体 例： 常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，603.5mm的 钢管中流动，温度由150升到250。试求管壁对空气的对流 传热系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200 查200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 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.550 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流) Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68 W/m2 本题中空气被加热,k=0.4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 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： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 应用范围： Re100。 特性尺寸：取管内径di 定性温度： 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。 1.2 流体在圆形直管内作强制滞流 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 应用范围：Re50； 当管子较短，l/d3000 定性温度：流体进、出口温度的平均值。 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10，若不为10时，计算结果应校正。 2 流体在管外强制对流 2.1 流体在管束外强制垂直流动 换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面 积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为： （1）多诺呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14 应用范围: Re=(23)104 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。 定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。 2.2 流体在换热器的管间流动 （2）凯恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14 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，只须将公式中的管内径改为管间 的当量直径。 应用范围: Re=21031 105 特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。 定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。 加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸GG r rP Pr r 范围范围 c c n n 水平圆管水平圆管外径外径 d d0 0 1010 4 4 1010 9 9 0.530.531/41/4 1010 9 9 101012 12 0.130.131/31/3 垂直管或板垂直管或板高度高度 L L 1010 4 4 1010 9 9 0.590.591/41/4 1010 9 9 101012 12 0.100.101/31/3 Nu=c（GrPr）n 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 术平均值。 式中的c、n值见表 3 自然对流 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。 滴状冷凝：若冷凝液不能润湿避免，由于表面张力的作 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。 二、流体有相变时的对流传热系数 1 蒸汽冷凝时的对流传热系数 1.1.1 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 式中 l垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度 r饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径 n管束在垂直面上的列数 1.1 膜状冷凝时对流传热系数 不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液 膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数 降低。 蒸汽流速和流向的影响 冷却壁面的高度及布置方式 流体物性 影响冷凝传热的因素： 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： (1) 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。 2 液体沸腾时的对流传热系数 2.1沸腾传热的特点 温度差t q AB C D 线 q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 度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中 的对流传热系数和热流密度q都发生变化。 2.2 液体的沸腾过程 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 如AB段所示，温差小，无明显沸腾现象。此阶段和q均 很小，且随着温差增大而缓慢增加。 (2) 泡核沸腾阶段 如BC段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用， 此阶段和q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。 2.3 影响沸腾传热的因素 （1）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。 （2）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 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 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。 （4）加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。 2.4 沸腾对流传热系数的计算 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： 1、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。 2、选定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。 3、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。 4、计算公式中的各物性数据的单位。 对流传热系数小结 传热计算主要有两种类型： 设计计算 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。 校核计算 计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。 第五节 稳定传热的计算 对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有 上式即为换热器的热量恒算式。 式中 Q换热器的热负荷，kJ/h或w W流体的质量流量，kg/h H单位质量流体的焓，kJ/kg 下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。 Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1) 一、能量恒算 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 cp流体的平均比热，kJ/（kg ） t冷流体的温度， T热流体的温度， Q=Whcph(T1-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 当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有 式中 Wh饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，kg/h r饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg Q=Whr=Wccpc(t2-t1) 注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。 Q=Whr+cph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1) 式中 cph冷凝液的比热， kJ/（kg ） Ts冷凝液的饱和温度， 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 方程（仿对流传热速率方程）为 dQ=K(T-t)dS=KtdS 式中 K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， t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。 二、总传热速率方程 1 总传热速率微分方程 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，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 Ki、Ko 、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积 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， m2 注：在工程大多以外表面积为基准。 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dS的传热由三步过程构成。 由热流体传给管壁 dQ=i(T-Tw)dSi 由管壁传给冷流体 dQ=o(tw-t)dSo 通过管壁的热传导 dQ=(/b)(Tw-tw)dSm 由上三式可得 2 总传热系数 2.1 总传热系数的计算式 由于dQ及（T-t）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 所以 总传热系数（以外表面为基准）为 同理 总传热系数表示成热阻形式为 在计算总传热系数K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Rsi及Rso时，则有 当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有 2.2 污垢热阻 当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为 若o i，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 对流传热系数相差不大时，欲提高K值，关键在于提高对流 传热系数较小一侧的。 若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提 高K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 及时清除污垢。 由上可知： 例 一列管式换热器，由252.5mm的钢管组成。管内 为CO2，流量为6000kg/h，由55冷却到30。管外为 冷却水，流量为2700kg/h，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为 3000W/m2K，CO2 侧的对流传热系数为40 W/m2K 。 试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表 示。 解：查钢的导热系数=45W/mK 取CO2侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W 取水侧污垢热阻Ra2=0.2110-3m2K/W 以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。 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。 t=T-t 式中 T热流体的温度； t冷流体的温度。 三、传热平均温度差的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温 度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。 1 恒温传热 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 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 。 (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 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 方向大致可分为下列四种情况。 2 变温传热 并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。 生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况： 逆流 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。 错流 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。 折流 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交替存在。 复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。 T2 T1 t1 t2 T1 T2 t 1 t 2 图 两侧流体变温时的温度变化 并流逆流 错流折流 1 2 1 2 1 21 2 图 换热器中流体流向示意图 假设： 传热为稳定操作过程。 两流体的比热为常量。 总传热系数为常量（K不随换热器的管长而变化）。 换热器的热损失可忽略。 以逆流为例：热量衡算微分方程为 dQ= -Wh cphdT= Wc cpcdt 根据假定，则有 3 逆流和并流时的平均温度差 QT和Qt为直线关系，即 T=mQ+k t=mQ+k t=T-t=(m-m)Q+(k-k) 温度 T1 传热量Q T2 t1 t1 t2 t2 0 从上式可以看出： tQ关系呈直线，其斜率为 将总传热速率微分方程代入上式，则有 由于K为常量，积分上式有 式中tm称为对数平均半径。当t2/ t1 2时，可用（ t2+ t1）/2代替对数平均温度差。 注：（1）应用上式求tm时，取换热器两端的t中数值 大的为t2，小的为t1。 （2）上式对并流也适用。 例 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100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温 度为250，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平 均温度差。 解：并流 逆流 逆流操作时，因t2/ t1 2，则可用算术平均值 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。 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，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 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。 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tm逆， 然后再乘以校正系数t,即 tm=ttm逆 校正系数t与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和P的 函数，即 t=f(R，P) 式中 R=(T1-T2)/(t2-t1) = 热流体的温降/冷流体的温升 P=(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流体的温升/两流体的最初温差 根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和P值后， 校正系数t值可根据R和P两参数从相应的图中查得。 4 错流和折流时的平均温度差 对稳定传热过程 式中 S1、S2、Sm分别代表热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积 和平均传热面积。 Tw、tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温 1、2分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数 整理上式可得 四、壁温的计算 例 在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高 温气体，进口500,出口400。管外为p=981kN/m2压力（绝 压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数a1=250W/ m2 ，水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/ m2。忽略管壁、污 垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。 解：(a) 总传热系数 以管子内表面积S1为基准 (c)计算单位面积传热量 (d)管壁温度 Q/S1=K1tm =242271=65580W/ m2 T-热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 T=(500+400)/2=450 管内壁温度 (b) 平均温度差 在p=981 kN/m2，水的饱和温度为179 管外壁温度 由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热 阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传 热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以 管壁两的温度比较接近。 强化传热的目的：以最小的传热设备获得最大的生产能力。 强化传热的途径： 1、加大传热面积 加大传热面积可以增大传热量，但设备增大，投 资和维费也随之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。 2、增加平均温度差 在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却 介质温度的办法，但受客观条件（蒸汽压强、气温、水温）和工艺条 件（热敏性、冰点）的限制。提高蒸汽压强，设备造价会随之提高。 在一定气源压强下，可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的 压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。 3、减少传热阻力 （1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（2）防 止污垢形成或经常清除污垢；（3）加大流速，提高湍动程度，减少 层流内层的厚度均有利于提高对流传热系数。 五、传热的强化 换热器的分类： 按用途分：加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等 按传热方式分：间壁式、混合式 按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类：管式和 板式两类。前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式 等，后者包括板式、螺旋板式、夹套式等 第六节 换热器 t1 t2 T1 T2 结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用U形 管连接，而外管之间也由管子连接。 一、间壁式换热器 1、套管式换热器 注意：适当选择两个管径，以使内管与环隙间的流体呈湍流 状态，使具有较高的总传热系数，同时也减少垢层的形成。 缺点：单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，故一般适 用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。 优点：结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面 易于增减。 蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种。 沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器需要的形状，沉浸在容器 中，两种流体分别在管内、外进行换热。 优点：结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。 缺点：管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小， 如增设搅拌装置，则可提高传热效果。 喷淋蛇管式换热器 冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下，沿管表面下流，而被冷却的流体 自最下面管子流入，由最上面管子中流出，与外面的冷流体进行热交换，所 以传热效果较沉浸式为好。与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。其缺 点是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。 2 蛇管式换热器 结构：壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。 冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体 通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为 壳程。 换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程 数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加 ，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。 管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡 板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式 常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。 3 列管式换热器 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭 弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种： 浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为 浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而 与外壳的膨胀无关。 优点：容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流 体，维修清洗方便。 缺点：结合面较多，易泄漏。 补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀 冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。 U形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可 以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。 隔板挡板管束壳体 板式换热器是以板壁为换热壁的换热器，常见的有平板式 、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。 (1) 平板式换热器 板片被压制成槽形或波纹形的目的： 增强刚度，不致受压变形； 增强液体的湍动程度，增大传热面积，亦利于流体的均匀分 布。 4 板式换热器 优点： 总传热系数高，污垢热阻亦较小； 结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大； 操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以 调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求； 加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。 缺点： 允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏； 操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制； 处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。 (2) 螺旋板式换热器 由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持 两板间距和增加螺旋板的刚度。 优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，总传热系数较 大，传热效率高，不易堵塞。 缺点：操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。 夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为 一种流体的通道。 使用注意事项： 该换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。适于传热量 不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液 体作强制对流。 l当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下 部接管中排出。 l用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。 l由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷 却水等作为载热体。 5 夹套式换热器 由刮板在靠近传热面处连续不断地运动，使料液成薄膜状 流动。换热器由内面磨光的中空圆筒和带有刮板的内转筒以 及外圆筒所构成。内转筒与中间圆筒内面之间狭窄的环形空 间即为被处理料液的通道。 刮板的作用： l提高换热器的传热系数； l形成乳化、混合和增塑作用。 优点：传热系数高，拆装清洗方便。 缺点：功率消耗大。 6 旋转刮板式换热器 混合式换热器常用于蒸汽的冷凝或气体的冷却器，有时兼 作除尘器以及增湿或减湿之用。 1、喷射式冷凝器 用逐渐收缩的锥形喷嘴将水或其他液体冷却剂喷射，致使 产生一定的真空度，使得水蒸气吸入，经导向板进入混和室 ，使其冷却。适用于真空系统中水蒸气的排除。 2、填料式冷却器 冷水从上部喷淋，与上升的蒸汽在填料层内接触，从而发 生传热和传质。 3、孔板式冷凝器 二、混合式换热器 1、段辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以 电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将 吸收的辐射能转变成热能。 10-101010 1102104106 10-4 10-210-6 射线 无线电波 微波 X射线 紫外 热射线 红外 能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。 2、电磁波的波长范围及热射线 第七节 热辐射 一、基本慨念 3、吸收率 A，反射率 R 和透过率 D （Absorption,Reflection and Diaphaneity ) 4、黑体、白体和透体 黑体 A=1 白体 R=1 透体 D=1 根据能量守恒定律： 6、单色辐射能 E及 Planks Law 单色辐射能：一定温度下从单位物体表面在单位时间内发 射单一波长辐射的辐射能，其单位为 W/m2 5、灰体和黑度 灰体： 能吸收从0无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收 率相等的物体称灰体。 黑度：辐射率 黑体的单色辐射能 Eb 可用Planks Law 精确地描述： 由黑体辐射谱中能量分布图 可知：随着温度的提高，物体最 大辐射能渐向波长缩短的方向移 动。 E b T=1400 K T=1200 K 0 10 Eb黑体的单色辐射能力，w/m3 波长，m T物体的热力学温度，K C1常数，其值为3.74310-16Wm2 C2常数，其值为1.438710-2mK 7、斯蒂芬波尔茨曼（Stephen-Boltzman ）定律 全辐射能为所有单色辐射能之和，即 对黑体 称为斯蒂芬波尔茨曼辐射常数，其值为 5.6710-8 w/(m2K4) c0称为黑体辐射系数 上式说明，黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次方 ，此关系称为斯蒂芬波尔茨曼定律，亦称四次方定律。 (W/m2) C 12 称为总辐射系数； 称为角系数，表示由辐射面A发射出的能量为另一物体所截 获的分数，与两物体几何排列和面积有关。 二、两固体间的辐射传热 此方程难以得到分析解，通常只能求数值解。 当物体为平壁圆柱和圆球等简单几何体，初始温度 to为均匀且 投入介质的温度tf 恒定时，则导热微分方程可化为一维形式： 第八节 几种特殊情况下的传热 一、不稳定导热 1 不稳定导热微分方程（无内热源的静止介质） Q = f() Q t t t T= f() Tf T Tw T0( center ) ( surface ) 不稳定传热 T和Q 的变化关系图 2 不稳定导热微分方程解 无因次数准数关联式 即： 其中： 称作量纲为一温度。 称作毕渥特(Biot)数，表示固体导热热阻与外侧 流体对流热阻之比。 称作傅里叶（Fourier)准数，即量纲为一时间。 称作量纲为一距离，表示相对位置。 以球体为例介绍图算过程。食品中, 汤团、碗豆、黄豆等 在速冻产品生产过程涉及的导热属于球体的不稳定导热。 边界条件: 当 r = R 时 其导热微风分方程为 r R 初始条件：t = 0, T/ = 1 则方程解的形式为 将其作成 T/（ F0，Bi, L0 ) 图，见下页。其中 3 简单几何形体的不稳定导热图算法 1。0 0。1 。01 。001 1。0