川大化工原理课件

1、第七章传热基本概念传热基本概念传热的三种基本方式传热的三种基本方式:热传导、对流传热、辐射传热热传导、对流传热、辐射传热一、热传导一、热传导:热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温 区向低温区移动的过程叫热传导区向低温区移动的过程叫热传导,简称导热。简称导热。 电热炉烧水ntkq 温度梯度温度梯度, /mnt /1.1.傅立叶定律傅立叶定律( (Fourier s Law) )热传导热传导式中式中:q 热通量热通量,W/(m2.s);k 物质的导热糸数物质的导热糸数,W/(m.);负号表示负号表示 q 与温度梯度方向相反与温度梯度方向相反导热糸数导热糸数

2、k k=f (物质形态、组成、密度、温度、压强物质形态、组成、密度、温度、压强)单位单位: W/mK代表单位温度梯度下的热通量大小，代表单位温度梯度下的热通量大小， 故物质的故物质的 k 越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。一般地，一般地，k导电固体导电固体 k非导电固体非导电固体，k液体液体 k气体气体.T ，k气体气体 ， k水水 ，其它液体的，其它液体的 k 。物质种类物质种类k W/(m.)金金 属属16.3410非金属固体非金属固体0.0441.6液液 体体0.0738.21气气 体体0.0150.175 k 的范围的范围关于绝热保温关于绝热保温 传热基本概念传热基本概念传热的三

3、种基本方式传热的三种基本方式:热传导、对流传热、辐射传热热传导、对流传热、辐射传热对流传热对流传热 对流传热是由流体内部各部分质点发生宏对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程观运动而引起的热量传递过程,因而对流传热只发生在有因而对流传热只发生在有流体流动的场合。流体流动的场合。 电热炉烧水对流传热对流传热强制对流强制对流对流传热对流传热自然对流自然对流Q 对流传热速率对流传热速率, W ;A 与传热方向垂直的传热面积与传热方向垂直的传热面积, m2 ;h 对流传热糸数对流传热糸数, W/(m2.) ; t 固体壁面与流体主体之间的温度差固体壁面与流体主体之间的温度差,t

4、AhQ.对流传热速率可由牛顿冷却定律表述对流传热速率可由牛顿冷却定律表述,即即:三、辐射传热三、辐射传热:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为辐射。称为辐射。 传热基本概念传热基本概念传热的三种基本方式传热的三种基本方式:热传导、对流传热、辐射传热热传导、对流传热、辐射传热 电热炉烧水能量守衡定律能量守衡定律( () ) WQE热力学第一定律热力学第一定律 应用于具有开放体系性质的控制体，在应用于具有开放体系性质的控制体，在 dt 时间内控制时间内控制体内能量的改变速率为：体内能量的改变速率为： 对环境作功的速率扩散输出热量的速率扩散输入热量的速率对流

5、输出能量的速率对流输入能量的速率能量累积速率直角坐标系（直角坐标系（x, y, z） TktTcp2DDzTyTxTkzTuyTuxTutTczyxp222222zTTrrTrrrkzTurTrurTutTczrp22222112222222sin1sinsin11sinTrTrrTrrrkTruTrurTutTcrp柱坐标系（柱坐标系（r, , z） 球坐标系（球坐标系（r, , ） TcktTp2zTyTxTkzTuyTuxTutTczyxp222222热传导与热传导与速度有关的项为零速度有关的项为零导热微分方程导热微分方程注意注意: 温度差存在就会产生温度差存在就会产生自然对流（自然对流

6、（natural convection），速度项为零的假设条件不能严格成，速度项为零的假设条件不能严格成立，因此导热微分方程对于流体是近似的。立，因此导热微分方程对于流体是近似的。 0dd22xT1ddCxT21CxCT导热微分方程导热微分方程)(222222zTyTxTcktTp通过平壁的一维稳态导热通过平壁的一维稳态导热bxoQAT1T2若壁厚若壁厚 x=0 和和 x=b 处的温度分别为处的温度分别为 T1 和和 T2 ，则有，则有 bTTxT21dd211TTbxTT21dxdTTbAkATkAqQxdxdTknTkqx 积分常数积分常数 C1、C2 若由圆筒内、外壁面若由圆筒内、外壁面

7、 R1、R2 处的温处的温度度T1 、 T2 确定，则确定，则 0ddddrTrrrCrT1dd21lnCrCT21212lnln2TRRRrTTT使用柱坐标系，将轴对称的导使用柱坐标系，将轴对称的导热微分方程热微分方程(P52)简化为简化为 uQR1R2T1T2LQQ=const RRTTrrT1212ln1ddAAAAAm1212ln对数平均传热面积对数平均传热面积（logarithmic mean area） 12RRb R1R2T1T2LQQ=const mmmdRA 21212lnRRRRRm1212lndddddmmAbTTkRLRLRRLRRTTkQ211212122122ln2

8、1212/ln1ddRRTTrkrTkqrRRTTLkrTkrLqrLQr1221ln2dd22传热微分方程的应用传热微分方程的应用圆管内层流传热温度分布圆圆管内层流传热温度分布圆(P75)(P75)设管内流体通过管壁稳定地向外放热的热通量为设管内流体通过管壁稳定地向外放热的热通量为 qs 。假设流体进入传热段（假设流体进入传热段（z=0）以前具有均匀温度）以前具有均匀温度T0，z 0 以后，由于传热，流体的温度在以后，由于传热，流体的温度在 r 和和 z 两个方向都有改变两个方向都有改变应用传热微分方程求解这种情况下流体的二维温度分布。应用传热微分方程求解这种情况下流体的二维温度分布。Le

9、Hqsuz T0zroT(r,z)圆管内充分发展的稳定层流时流体温度的二维分布函数圆管内充分发展的稳定层流时流体温度的二维分布函数kRqRrRrkRqRuczqTzrTsszps247414,42max,0冷却等温加热虚拟膜模型虚拟膜模型 其内缘温度为粘附在固体壁面上的流体温度其内缘温度为粘附在固体壁面上的流体温度Ts，外缘温度为，外缘温度为Tb 。Tb 定义为流体按质量定义为流体按质量流率平均的主体温度流率平均的主体温度: RzpRzpbrrucrrTucT00d2d2HsbHHsTTkrTkq式中的虚拟导热系数式中的虚拟导热系数 kH 和虚拟膜厚都受和虚拟膜厚都受边界层内流型的影响边界层内

10、流型的影响,而不仅仅是流体物而不仅仅是流体物性的函数。性的函数。 sbsTThqHHkh T(r) TsTb H 湍流湍流sbsTThq热流体冷流体层流底层壁通过间 壁传热对流传热的热阻主要存在于层流内层对流传热的热阻主要存在于层流内层sbRrsbsTTrTkTTqhdd对于对流传热对于对流传热,由温度分布由温度分布,即可求即可求h 。对于对流传热也有如下表达式对于对流传热也有如下表达式: sbsTThq(牛顿冷却定律牛顿冷却定律)rTkqRrsdd(傅立叶定律傅立叶定律)h的获得主要有三种方法：的获得主要有三种方法：对流传热对流传热1.理论分析法理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法建

11、立理论方程式，用数学分析的方法求出求出h的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。上层流等。 2.实验方法实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。关系式。3.类比方法类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。果类比到热量传递过程。解决对流给热的解决对流给热的h (对流给热的准数关糸式对流给热的准数关糸式) 因次分析法因次分析法一、影响因素一、影响因素:

12、共同点共同点,不同点不同点 对流对流 1. 无相态变化无相态变化,自然对流自然对流; 2. 无相态变化无相态变化,强制对流强制对流; 3. 冷凝冷凝; 4. 沸腾沸腾 影响因素影响因素:实验方法求实验方法求h影响因素影响因素: :1. 自然对流自然对流tg浮升力=)(/VggVgV 单位质量的浮升力=gVVg/)( 膨胀糸数膨胀的体积/(总体积.t) =ttMMM1./ /t 单位质量的浮升力=tg t/tVVM/ 自然对流是因为温度差自然对流是因为温度差,而引起的密度差而引起的密度差,而引起的浮而引起的浮升力导致的运动。升力导致的运动。3.冷凝l膜状冷凝lt r h 滴状冷凝 4.沸沸腾腾

13、汽汽流流对对液液 体体冲冲击击、密密度度差差t 影响因素影响因素: :1. 自然对流自然对流tg2. u 、 、 Nu努塞尔特准数努塞尔特准数(Nusselt) khlNu Pr 普朗特准数(Prandtl) kcpPr 关于 Re(Reynolds) 粘滯力惯性力Re Gr格 拉 斯 霍 夫 准 数 (Grashof) 223tglGr 总体来看总体来看: h=f(对流类型对流类型,运动状况运动状况,物性物性,设备设备) 对一定的设备对一定的设备,经因次分析得经因次分析得: Pr),(Re,GrfNu 对无相态变化对无相态变化:nplllctgufh.,(1,设备的形状排列等设备的形状排列等

14、).k,lkhkhlNu/ tAhtAkAtkQdHH H为层流底层厚度 传导给热系数对流给热系数dhhNu 全部对流给热热阻层流底层热阻hhNud11 Nu努塞尔特准数努塞尔特准数(Nusselt) khlNu Pr 普朗特准数(Prandtl) kcpPr 关于 Re(Reynolds) 粘滯力惯性力Re Gr格 拉 斯 霍 夫 准 数 (Grashof) 223tglGr 总体来看总体来看: h=f(对流类型对流类型,运动状况运动状况,物性物性,设备设备) 对一定的设备对一定的设备,经因次分析得经因次分析得: Pr),(Re,GrfNu 对无相态变化对无相态变化:nplllctgufh.

15、,(1,设备的形状排列等设备的形状排列等).k,热量扩散系数动量扩散系数ppckkcPr Nu努塞尔特准数努塞尔特准数(Nusselt) khlNu Pr 普朗特准数(Prandtl) kcpPr 关于 Re(Reynolds) 粘滯力惯性力Re Gr格 拉 斯 霍 夫 准 数 (Grashof) 223tglGr 总体来看总体来看: h=f(对流类型对流类型,运动状况运动状况,物性物性,设备设备) 对一定的设备对一定的设备,经因次分析得经因次分析得: Pr),(Re,GrfNu 对无相态变化对无相态变化:nplllctgufh.,(1,设备的形状排列等设备的形状排列等).k,223tglGr

16、 tg 单位质量的浮升力单位质量的浮升力 tlg 浮升力作了功浮升力作了功,作的功完全变成动能作的功完全变成动能, 则有则有22utlg utlg 令令tgluf fu为特征速度为特征速度 222222223)(Re)(fffluultglGr Nu努塞尔特准数努塞尔特准数(Nusselt) khlNu Pr 普朗特准数(Prandtl) kcpPr 关于 Re(Reynolds) 粘滯力惯性力Re Gr格 拉 斯 霍 夫 准 数 (Grashof) 223tglGr 总体来看总体来看: h=f(对流类型对流类型,运动状况运动状况,物性物性,设备设备) 对一定的设备对一定的设备,经因次分析得经

17、因次分析得: Pr),(Re,GrfNu 对无相态变化对无相态变化:nplllctgufh.,(1,设备的形状排列等设备的形状排列等).k,对流传热中常用的准数对流传热中常用的准数 定定 义义 名名 称称意意 义义努塞尔准数努塞尔准数待求准数待求准数,包括待求的给热系数包括待求的给热系数雷诺准数雷诺准数反映对流强度对传热的影响反映对流强度对传热的影响普兰特准数普兰特准数反映流体物性的影响反映流体物性的影响格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数反映自然对流的影响反映自然对流的影响khlNu luRekcpPr223tglGr化工生产的传热问题化工生产的传热问题(P299) 化学反应：向反应器提供热量或从反

18、应器移走热量；化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；热能的合理利用和废热回收。热能的合理利用和废热回收。 高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；蒸发、蒸馏、干燥蒸发、蒸馏、干燥;传热过程中根据冷热流体的接触方式传热过程中根据冷热流体的接触方式, ,工业上的传热过工业上的传热过程可分为程可分为: :直接接触式、间壁式、蓄热式直接接触式、间壁式、蓄热式按应用分类按应用分类: :加热器、冷凝器、再沸器、热交换器。加热器、冷凝器、再沸器、热交换器。载热体载热体高温载热体高温载热体( (加热剂加热剂):):电热、饱和水蒸汽、烟道气等。电热、饱和水蒸汽、烟道气

19、等。低温载热体低温载热体( (冷却剂冷却剂):):水、空气、冷冻盐水等。水、空气、冷冻盐水等。工业上常用加热剂及其适用温度范围工业上常用加热剂及其适用温度范围(3) 载热体的毒性要小载热体的毒性要小,使用安全使用安全,对设备应基本上没有腐蚀对设备应基本上没有腐蚀;加热剂加热剂热水热水饱和水饱和水蒸汽蒸汽矿物矿物油油联 苯 混联 苯 混合物合物熔盐熔盐烟道气烟道气适 用 温适 用 温度度()4 0 1001 0 0 1801802502 5 5 3801 4 2 5305001000载热体的选择应考虑以下几方面载热体的选择应考虑以下几方面:(2) 载热体的饱和蒸汽压宜低载热体的饱和蒸汽压宜低,加

20、热时不会分解加热时不会分解;(1) 载热体的温度易于调节载热体的温度易于调节;(4) 载热体应价格低廉而且容易得到。载热体应价格低廉而且容易得到。间壁式换热：间壁式换热：参与传热的两种参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。体间壁进行热量的交换。直接混合式传热：直接混合式传热：冷热冷热两种流体直接接触，在两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。不常用，如凉水塔。单程列管式换热器单程列管式换热器 双程列管式换热器双程列管式换热器

21、 列管式换热器单单 管管 程程 双双 管管 程程 传热面积传热面积管数管数 n、管外、管外径径 do ,管内径管内径di 和管长和管长 lldnAooldnAii基于管内表面的传热面积：基于管内表面的传热面积： 基于管外表面的传热面积：基于管外表面的传热面积： 管程管程(管内管内)流体的流通截面积流体的流通截面积Af为为: 单单管管程程 24ifdnA双双管管程程 242ifdnA多多管管程程 24ifdmnAm为管程为管程数数列管式换热器单单 管管 程程 双双 管管 程程 管数管数 n、管外、管外径径 do ,管内径管内径di 和管长和管长 l传热的基本方程传热的基本方程(P327)TTWt

22、Wt热流体冷流体传热方向Q面积A传热(J/s)(m2) )(tTQAQAQtdAKdQ00AtdAKQ0mtKAQ00AtdAtAm传热基本方程式或总传热基本方程式或总传热方程式传热方程式Q: :单位时间传递的热量单位时间传递的热量(J/s)(J/s)A:A:传热面积传热面积 (m(m2 2) )K: :传热糸数或总传热糸数传热糸数或总传热糸数 W/(mW/(m2 2.K).K)则有则有:tdAKdQ传热过程的基本问题传热过程的基本问题 载热体用量的确定；载热体用量的确定； 设计新的换热器；设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能；核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。强化或削弱

23、传热的方法。 解决这些问题需要依靠两个基本关系式：解决这些问题需要依靠两个基本关系式： 热量恒算式热量恒算式 忽略过程热损失忽略过程热损失吸放QQmQKAtmQqKtA传热速率关系传热速率关系 传热基本方程式传热基本方程式 r 流体的汽化或冷凝潜热，流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。 无相变无相变)(21TTCWQhh)(12ttCWQccmQKAtWh、Wc 分别为热流体和冷流体的质量流率，分别为热流体和冷流体的质量流率，kg/s；Ch、Cc 分别为热流体和冷流体的比热，分别为热流体和冷流体的比热，J/(kgK)；T1、T2 分别为热流体的进口温度和出口温度，分别为热流体的进口温度和出口温度

24、，；t1、t2 分别为冷流体的进口温度和出口温度，分别为冷流体的进口温度和出口温度，；只有相变只有相变WrQ W为单位时间内发生相变的物料量为单位时间内发生相变的物料量(kg/s)传热负荷传热负荷P331有温变也有相变过程有温变也有相变过程, 需分段计算需分段计算例例: 在在1atm下下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为过热蒸汽变为60 水水,求单位时间放出的热量。求单位时间放出的热量。120 蒸汽蒸汽100 蒸汽蒸汽 100 水水 60 水水123)100120(1gWCQWrQ 2)60100(3水WCQ321QQQQ传热温差传热温差t tm m：推动力：推动力TTtt蒸汽冷凝液体沸腾1

25、.两流体 不变温tTtmTTt1t2蒸汽冷凝流体被加热T1T2tt液体沸腾烟道气冷却2.一流体变温T1T2t1t2T1T2t2t1并流逆流3.两流体变温(并流、逆流)2 2、3 3情况下如何求情况下如何求t tm m? ?00AtdAtAmmQK At关于对数平均值关于对数平均值)(xfy 1221xxydxyxxm00AtdAtAm是一个特例如果dxydy成立)(const则ym为对数平均值)ln(lnxcxyxylnxey)(121212122121xxeexxdxexxydxyxxxxxxxm又1212lnln)(yyxx 即1212lnyyyyym 对数平均值对数平均值TTt1t2dt

26、dA0AdAtTKdtCWdQCC)(dACWKtTdtCCdACWKtTtTdCC )(dxydy所以温差所以温差t tm m 必为对数平均值必为对数平均值2121lntttttm或1212lntttttmtTt11tTt22tTtT1T2t1t2T1T2t2t1并流逆流3.两流体变温(并流、逆流)并流:111tTt 222tTt 逆流:211tTt 122tTt 【例例】在套管换热器中用 20的冷却水将某溶液从 100冷却至60， ，已测得水出口温度为 40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。解解：逆流和并流的平均温差分别是： C3 .43406020100ln)4060()201

27、00(,并mtC3 .49206040100ln)2060()40100(,逆mt602040并流100100602040逆流4.两流体变温呈复杂 流动情况折流错流,mmtt逆 温差温差修正系数修正系数T1=T进T2=T出t1=t进t2=t出tm,逆 值与冷热两流体的温度变化有值与冷热两流体的温度变化有关，表示为关，表示为 P 和和 R 两参数的函数两参数的函数 ,f P R1221TTRtt热流体实际温度变化冷流体实际温度变化2111ttPtT冷流体实际温度变化冷流体最大温度变化热P335温 差 修 正 曲温 差 修 正 曲线线 (P337)(P337)1.流体最终温度和载热体消耗量比较流体

28、最终温度和载热体消耗量比较:任务任务: :冷流体被加热冷流体被加热, ,求加热剂消耗量求加热剂消耗量。T1T2t1t2并流(T2)min=t2逆流T1T2t1t2(T2)min=t1t2t1)()(min21minTTCQWhh并并t2显显然然(Wh,逆逆)mintm并5 50 00 01 15 50 02 20 08 80 0并流4801t702t9521270480ln70480并mt5 50 00 01 15 50 02 20 08 80 0逆流4201t1302t3247130420ln130420逆mtmQKAt总传热系数总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体综合反映传

29、热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数物性对传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。称为传热过程的总热阻。 取得取得K的途径的途径:1.实际测定实际测定mtKAQmtAQKKAttKAQmm1P336例例:为测定一台列管式换热器的为测定一台列管式换热器的K,将将1100m3/h(标态标态)压缩空压缩空气经换热器从气经换热器从140冷却至冷却至60,冷却介质为水冷却介质为水,水温从水温从28 升到升到38 (逆流逆流),该换热器规格如下该换热器规格如下:A: 252 2200mm;n=91根。此换热根。此换热器在此操作条件下器在此操作条件下K=?解解:查标态下空气物性查

30、标态下空气物性3/293. 1mkgKkgkJCh./009. 1wTTCWQhh31891)60140(10009. 13600293. 11100)(321A:27 .152 . 2025. 091mldnAoo22 .132 . 202. 091mldnAii1406028381021t322t4 .6032102ln32102mt)./(63.332KmwtAQKmoo)./(402KmwtAQKmiiKAAKAKiioowQ3189127 .15mAo22 .13 mAi4 .60mtmtAQKmQKAt总传热系数总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体综合反映传热设备性

31、能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数物性对传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。称为传热过程的总热阻。 取得取得K的途径的途径:1.实际测定实际测定mtKAQmtAQKKAttKAQmm12.用经验公式求用经验公式求K :3.用串联热阻的概念求用串联热阻的概念求K:用串联热阻的概念求用串联热阻的概念求K:K:TTWtWt热流体冷流体对流给热对流给热传导给热R1R2RW热阻热阻热阻总热阻21RRRRW 2221AhttQW2221AhR 1111AhR 对流给热对流给热,牛顿牛顿冷却定律描述冷却定律描述:thAQ111111)(AhTTTTAhQWW对热流体对热流体对冷流体

32、对冷流体由传导传热由传导传热 tAbkQmmWkAbRmWWWkAbtTQ1111AhR 2221AhR TTWtWt热流体冷流体对流给热对流给热传导给热R1R2RW热阻热阻热阻mWkAbRWQQQQ21WRRRR21KAttKAQmm1KAR12211111AhkAbAhKAmiimooAhkAbAhKA111iimooddhddkbddhK111ioimoooddhddkbhK111imioioihddkbddhK111ldnAooldnAldnAiimQKAt总传热系数总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数物性对

33、传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。称为传热过程的总热阻。 取得取得K的途径的途径:1.实际测定实际测定mtKAQmtAQKKAttKAQmm12.用经验公式求用经验公式求K :3.用串联热阻的概念求用串联热阻的概念求K:4 4.K的经验数值的经验数值221111AhttkAbtTAhTTQWmWWWTTWtWt热流体冷流体对流给热对流给热传导给热R1R2RW热阻热阻热阻在有关传热手册和专著中载在有关传热手册和专著中载有某些情况下有某些情况下 K 的经验数值，的经验数值，可供设计参考。可供设计参考。流体种类流体种类总传热系数总传热系数K W/(m2K)水水气体气体1260水水水

34、水8001800水水煤油煤油350左右左右水水有机溶剂有机溶剂280850气体气体气体气体1235饱和水蒸气饱和水蒸气水水14004700饱和水蒸气饱和水蒸气气体气体30300饱和水蒸气饱和水蒸气油油60350饱和水蒸气饱和水蒸气沸腾油沸腾油290870垢层热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。垢层热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是 Rs0

35、和和 Rsi，则总热阻，则总热阻 0000111ssimiiiddbdddRRKh ddk ddh d000111ssimiidbddRRKh dk dh d或者为或者为下式下式例例7.11：P340污垢热阻的大致数值污垢热阻的大致数值 流流 体体 种种 类类污 垢 热污 垢 热阻阻m2/W流体种类流体种类污垢热污垢热阻阻m2/W水水(u1m/s, t50) 蒸气蒸气 海水海水0.0001 有机蒸汽有机蒸汽 0.0002 河水河水0.0006 水蒸气水蒸气( (不含油不含油) )0.0001 井水井水0.00058 水蒸气废气水蒸气废气( (含油含油) )0.0002 蒸馏水蒸馏水0.0001

36、 制冷剂蒸汽制冷剂蒸汽( (含油含油) )0.0004锅炉给水锅炉给水0.00026气体气体 未处理的凉水塔用水未处理的凉水塔用水0.00058 空气空气0.0003 经处理的凉水塔用水经处理的凉水塔用水 0.00026压缩气体压缩气体0.0004 多泥沙的水多泥沙的水0.0006 天然气天然气0.002盐水盐水0.0004 焦炉气焦炉气0.002iimddhddkbddhK11100设:miAAAA0 midddd0 由于hkb1 ihhK1110若ihh 0,则ihK 若0hhi,则0hK 若若有有主主要要热热阻阻存存在在,强强化化总总的的传传热热需需强强化化主主要要热热阻阻一一测测的的流

37、流体体传传热热！ 求求:A=?:A=?解解: :mootKQA以管外表以管外表面为基准面为基准wTTCWQhh118800)3080(190025. 1)(21苯801.25kg/s30hi=850(w/m2K)20h0=1700(w/m2K)水苯505 . 225k=45w/m.K查手册,苯的比热 )./(9 . 1KkgkJCh 803050202 .181030ln1030mt170015 .2225.450025. 020850251110000hddkbddhKmii)./(7 .4712KmwKo28 .132 .187 .471118800mAoldnA00能否用并流能否用并流?

38、开始开始2013.4.16tWCQ.thAQtKAQtAbkQt=t2-t1或或t=T1-T2;描述一描述一侧流体被加热或被冷却侧流体被加热或被冷却(无相无相变变)时的传热速率。时的传热速率。t=tW-t或或t=T-TW;描述流体描述流体与壁面之间的对流传热速率。与壁面之间的对流传热速率。t= 为冷热流体的对为冷热流体的对数平均温差数平均温差;描述高温流体描述高温流体通过壁面将热传给冷流体通过壁面将热传给冷流体的传热速率。的传热速率。mtt=TW tW;描述热由高温壁描述热由高温壁面通过热传导的方式传给低面通过热传导的方式传给低温壁面的传热速率。温壁面的传热速率。下面内容分别讨论

39、热传导及对流传热问题下面内容分别讨论热传导及对流传热问题iimddhddkbddhK111007.3固体中的热传导固体中的热传导（P301）单层平壁的传导传热已在单层平壁的传导传热已在节中进行了讨论，通过导节中进行了讨论，通过导热微分方程的求解，获得了平壁及圆筒壁导热速率的方程热微分方程的求解，获得了平壁及圆筒壁导热速率的方程式分别为式分别为: 2112tttttQkAbbRkA121212221122lnlnmL TTL TTTTQkkkArdbrd下面将从付里叶定律出发下面将从付里叶定律出发,推导圆筒壁及平壁的一维稳定热传导推导圆筒壁及平壁的一维稳定热传导 dAdrdtkdQ

40、 rrAQdAdrdtkdQ00 rQ为通过半径为 r 的圆筒壁的热流(w); rA为半径为 r 的圆筒壁的导热面积(m2) 由付里叶定律得由付里叶定律得:rrAdrdtkQ 2121ttrrrrdtAkdrQ )()(2112ttkArrQmr 1221ttdtAAttrm QQrmAbttkQ2112rrb固体中的热传导固体中的热传导-r2r1l lt1t2l关于关于AmrrAdrdtkQrlAr2ldrdAr2ldAdrr2dtQlkAdArrr21212lnAAAAAmldlrAmmm 2由前述可知由前述可知:又又由此可知由此可知Am为对数平均值为对数平均值1212lnrrrrrm12

41、12lndddddmr2r1l lt1t2lmAbttkQ21固体中的热传导固体中的热传导r2r1l lt1t2l圆筒壁的一维稳定热传导圆筒壁的一维稳定热传导单层平壁单层平壁的一维稳定热传导的一维稳定热传导AAA21即即:AbttkQ21bxoQAT1T2多层圆筒壁多层圆筒壁中的热传导中的热传导1221RttQ2332RttQ3443RttQ33322211141mmmAkbAkbAkbttQ34231241342312433221RRRttRRRttttttQ143241122332111lnlnlnl ttQdddkdkdkd t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t20 r b1 b2

42、 b31212lnyyyyym当当2小大yy221yyym注意注意: 多层圆筒壁多层圆筒壁中的热传导中的热传导33322211141mmmAkbAkbAkbttQ t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t20 r b1 b2 b31212lnyyyyym当当2小大yy221yyym注意注意: 多层平壁多层平壁中的热传导中的热传导33322211141mmmAkbAkbAkbttQAkbAkbAkbttQ33221141 t t2 t3 t4 t1 0 x b由多层圆筒壁由多层圆筒壁中的热传导中的热传导思考思考1 1：气温下降，应添加衣服，应气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，

43、把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？还是穿在外面好？思考思考2 2： 圆管保温层越厚，保温效圆管保温层越厚，保温效果越好吗？果越好吗？思考题思考题有一有一 252的蒸汽管道的蒸汽管道,管内饱和管内饱和蒸汽蒸汽温度为温度为130,管外包一层管外包一层k=0.8W/(m2.K)的保温层的保温层,保温层外保温层外面是面是30 的大气的大气,给热糸数为给热糸数为h0=10 W/(m2.K),试问试问:(1)是否在任何条件下都是保温层的是否在任何条件下都是保温层的 厚度越厚越好厚度越厚越好?(2)若蒸汽冷凝给热糸数若蒸汽冷凝给热糸数hi=10000 W/(m2.K) ,管壁导热糸管壁导热糸 数数

44、k1=50 W/(m2.K),当保温半径为当保温半径为50,80,100和和200mm时，时， 每米管长的热损失为多少每米管长的热损失为多少?r rr r1 1r r2 2t0t t3 3t t1 1t t2 2t t4 4解解:(1)设保温层半径为设保温层半径为r,每米管长的热阻为每米管长的热阻为:rhkrrkrrrhAhkArrAkrrAhRimmii212ln2ln211102112100221112r rr r1 1r r2 2t0t t3 3t t1 1t t2 2t t4 4rhkrrkrrrhRi212ln2ln21021121rkrr2ln2rh210R必然存在一个极值必然存在

45、一个极值,且为极小值。且为极小值。r rr r1 1r r2 2t0t t3 3t t1 1t t2 2t t4 4rhkrrkrrrhRi212ln2ln21021121rkrr2ln2rh210R必然存在一个极必然存在一个极值值,且为极小值。且为极小值。Q rcr2rhkrrkrrrhRi212ln2ln21021121产生最小热阻的保温层半径可由下产生最小热阻的保温层半径可由下式求出式求出:0121121)(20rhrkdrRd0hkr 对于本题对于本题:mr08. 0108 . 0即即:当当r80mm时时,保温层越厚保温层越厚,热损失越小。热损失越小。r rr r1 1r r2 2t0

46、t t3 3t t1 1t t2 2t t4 4(2)单位管长的热损失单位管长的热损失裸管裸管:WCrhkrrrhRi/275. 10125. 021015025 .105 .12ln0105. 02100001212ln21201121mWRttQ/4 .78275. 13013041r rr r1 1r r2 2t0t t3 3t t1 1t t2 2t t4 4保温保温层半径层半径r=50mm:WCrhkrrkrrrhRi/596. 005. 021018 . 025 .1250ln5025 .105 .12ln0105. 02100001212ln2ln21021121mWQ/8 .1

47、67596. 030130同理可求同理可求r为为80、100、200mm的热损的热损失分别为失分别为175.4W/m、174W/m和和158W/m。r为为80mm时时,热损失最大。热损失最大。影响因素：影响因素：接触材料的种类及硬度，接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测定接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计或凭经验估计一维稳态导热一维稳态导热接触热阻接触热阻对流传热分类对流传热分类 ( (从大类从大类小类小类具体情况具体情况) )对流对流传热传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自

48、然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流(层流)应用注意:1.应用范围:Re、Pr 2.特征尺寸l 3.定性温度4.采用的流速(即选用的哪一个截面的问题)对流传热中常用的准数对流传热中常用的准数 流体无相变的给热系数流体无相变的给热系数 1.流体在管内作强制对流流体在管内作强制对流定 义 名 称意 义Nu = hl / k努塞尔准数待求准数,包括待求的给热系数Re = lu / 雷诺准数反映对流强度对传热的影响Pr = cp / k普兰特准数反映流体物性的影响Gr = l 32gt / 2格拉斯霍夫准数 反映自然对流的影响流体在管内作强制对流流体在管内作强制对流(1)低

49、粘度低粘度(2cp)0.80.023nNuRe Pr流体被加热时流体被加热时,n n=0.4=0.4;流体被冷却时流体被冷却时,n n=0.3=0.3特征尺寸：取为管内径特征尺寸：取为管内径d d应用范围：应用范围：Re10000；0.7Pr120；50/dl定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值24ifdmnA计算流速的截面计算流速的截面:如果如果l /d50,/d1; Pr0.4Pr0.3层流底层温度高于平均温层流底层温度高于平均温度度, 更大更大,层流底层更厚层流底层更厚,h更小。更小。Pr1; Pr0.4 3 时时C = 1.320.650.1

50、510.60.22830.650.1510.60.29040.650.1510.60.2904 .0PrReCNun由于各排的给热系数不同，则整个管束的平由于各排的给热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出：均给热系数应按下式求出： 式中：式中：A1、A2、A3分别为第一排，第二排，第分别为第一排，第二排，第三排三排的传热面积；的传热面积； h1、h2、h3分别为第一排，第二排，第分别为第一排，第二排，第三排三排的传热系数。的传热系数。 321332211AAAAhAhAhhm对于常用的列管式换热器：对于常用的列管式换热器：1.1.由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。由于壳体是圆筒，

51、管束中各排的管数不同。2.2.壳体内装有折流挡板，流体先是横掠管束进行流动，在壳体内装有折流挡板，流体先是横掠管束进行流动，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。3.3.由于流速和流向的不断变化，由于流速和流向的不断变化，Re100 即可达到湍流。即可达到湍流。4.4.壳程给热系数的计算要考虑具体的结构型式以选取合适壳程给热系数的计算要考虑具体的结构型式以选取合适的计算式。的计算式。（a a）圆盘形）圆盘形（b b）分流形）分流形（c c）弓形（圆缺形）弓形（圆缺形）对于装有圆缺型挡板时（割去直径的对于装有圆缺型挡板时（割去直径的 25% 所留下

52、的所留下的部分）的列管式换热器，壳程给热系数：部分）的列管式换热器，壳程给热系数： (1) (1) Re = 312104 时时 (2) (2) Re = 21031106 时时 0.141/30.623. 0wPrReNu0.141/30.5536.0wPrReNu222244etddd定性温度：除定性温度：除 w 取壁温外，其余均取流体平均温度；取壁温外，其余均取流体平均温度；特征尺寸：用当量直径。特征尺寸：用当量直径。22223424etddd 直列直列错列错列D 为换热器壳体内径为换热器壳体内径)1 (0tdlDS则计算流速的截面积则计算流速的截面积: l 为折流档板间距为折流档板间距

53、lDl大容积自然对流大容积自然对流大容积自然对流：如无搅拌时釜内液体的加热；传热大容积自然对流：如无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热。设备外表面与周围环境大气之间的对流传热。定性温度：取壁温定性温度：取壁温 tw 和流体平均温度和流体平均温度 tm 的算术平均的算术平均值值 nNuC Gr Pr加热面形状加热面形状 特征尺寸特征尺寸 (GrPr) 范范围围Cn水平园管水平园管 外径外径 d0 1041090.531/4垂直管或板垂直管或板 高度高度 L 1041090.591/410910120.101/3C 和和 n 的实验值的实验值其中其中GrPr在在109

54、1012范围内范围内,n=1/3,则则h为为:31223).(kCtlglkChph h与与 无关无关, ,即自动模化即自动模化l膜状冷凝：膜状冷凝：特点：液膜层为壁面与蒸汽特点：液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻间传热的主要热阻滴状冷凝：滴状冷凝：特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的凝的 5 510 10 倍甚至更高。倍甚至更高。实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。类物质；对管

55、表面进行改性处理。冷凝液滴冷凝方式冷凝方式 膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝蒸汽冷凝的热阻主要存在液膜内蒸汽冷凝的热阻主要存在液膜内)(0KfNu wstttugl 22222223ReGalglglGatkrgltCrGaKp230.Pr.tCrGaKp.Pr.0K K0 0为综合冷凝因素为综合冷凝因素tCrp冷凝准数冷凝准数223glGa盖里略准数盖里略准数223glGa 物意物意: : 重力重力 gl3重力作的功重力作的功lgl.3单位质量作的功单位质量作的功glllgl33.功全用于增加动能功全用于增加动能22ugl 视为某一特征速度视为某一特征速度gl(1) (1) 蒸汽在水平单管及

56、水平管束外冷凝蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 单管单管平均给热系数可用下式计算：平均给热系数可用下式计算： 41032)(725. 0tdrkgh定性温度定性温度: :r r取取t ts s下的值下的值 特征尺寸特征尺寸: :0dl 2wstt ( (膜平均温度膜平均温度) )(1) (1) 蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 单管单管平均给热系数可用下式计算：平均给热系数可用下式计算： 41032)(725. 0tdrkgh蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数( ( hm m ) )： mmhk hh为单根水平管时的给热糸数为单根水平

57、管时的给热糸数km m 为管束校正系数为管束校正系数校正系数为校正系数为: :1 6mmkN式中：式中： m 为虚拟的垂直列为虚拟的垂直列数，其值与总管数数，其值与总管数 N 和管和管束放置方位有关。束放置方位有关。B B 方位放置时对角线上管方位放置时对角线上管列水平，虚拟的垂直列数列水平，虚拟的垂直列数: :管束按三角形排列时的两种放置方位：管束按三角形排列时的两种放置方位：413Nm41213NmA A 方位放置时对角线上管方位放置时对角线上管列垂直，虚拟的垂直列数列垂直，虚拟的垂直列数 : :A A 方位方位B B 方位方位(2) (2) 蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝蒸汽在垂直管外或

58、垂直板侧的冷凝 当当 Re2100，膜内为滞流，则，膜内为滞流，则 t 蒸汽饱和温度蒸汽饱和温度 ts 与壁面与壁面 tw 之差，之差，。若若 Re2100，膜层为湍流，则，膜层为湍流，则 1 4231.13gk rhl t1 3230.068gk rhl t定性温度：蒸汽冷凝潜热定性温度：蒸汽冷凝潜热 r 取饱和温度取饱和温度 ts 下的值，其下的值，其余物性参数取液膜平均温度余物性参数取液膜平均温度 ( (ts+tw)/)/2 下的值。下的值。特征尺寸：特征尺寸：l 取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。k、 、 分别为凝液的导热系数，密度和粘度；分别为凝液的导热系数，密度和粘度；r 冷

59、凝潜热，冷凝潜热，kJ/kg；定性温度：蒸汽冷凝潜热定性温度：蒸汽冷凝潜热 r 取饱和温度取饱和温度 ts 下的值，其下的值，其余物性参数取液膜平均温度余物性参数取液膜平均温度 ( (ts+tw)/)/2 下的值。下的值。特征尺寸：特征尺寸：l 取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。W 凝液质量流量，凝液质量流量，kg/s；b 浸润周边长度，浸润周边长度，m；M 冷凝负荷，冷凝负荷，M=W/b；A 膜层流通截面积，膜层流通截面积，m2；de 液膜当量直径，液膜当量直径，m。 MAWbAude44)(Re计算步骤计算步骤: :(1)(1)一般设为滞流一般设为滞流, ,算出算出h;(2);(2)

60、然后由传然后由传热方程求出热方程求出Re校验假定是否正确。校验假定是否正确。影响冷凝传热的某些因素影响冷凝传热的某些因素（1 1）蒸汽流速和流动方向的影响）蒸汽流速和流动方向的影响（3 3）不凝性气体影响）不凝性气体影响（2 2）凝液走过的垂直距离影响）凝液走过的垂直距离影响(4) (4) 冷凝液排放冷凝液排放(5) (5) 过热蒸气过热蒸气 ( (主要讨论大容积沸腾主要讨论大容积沸腾 ) )大容积沸腾大容积沸腾( (或称池内沸腾或称池内沸腾) )：加热面沉浸在具有自由表：加热面沉浸在具有自由表面的面的液体中所发生的沸腾现象液体中所发生的沸腾现象，液体的运动，液体的运动由自然由自然对流和汽泡的