食品工程原理传热3

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

2、及各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、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。（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，仅借分子、原子和自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。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。1.1.热传导热传导（又称导热）（又称导热）2.2.热对流热

3、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。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。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，致使流体产由于流体各处的温度不同而引起的密

4、度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。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

5、热方式很少单独出现，而往往是相互伴随着出现的。伴随着出现的。对流传热对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它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。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，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。主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。 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

6、湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯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） ：温度边界层。温度边界层。有温度梯度较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层传热的热阻即主要几种在此层中中。温度温度距离距离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流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热

7、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，； a对流传热系数对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或或W/m2）。）。 RtATTQw1上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律。 简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为简化处理：认为流体的全部温度差集中在

8、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= A（T-Tw）1 流体的状态：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；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：流体的物理性质：影响较大的物性如密度影响较大的物性如密度、比热比热cp、导热系数导热系数 、粘度粘度等；等；3 流体的运动状况：流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；4 流

9、体对流的状况：流体对流的状况：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流；5 传热表面的形状、位置及大小：传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管如管、板、管束、管径、管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。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，时间时间T，温度温度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关

10、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。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Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称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。寸作为特征尺寸。3 3、定性温度、定性温度

11、 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准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）。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。蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。两种方式。膜状冷凝膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而

12、能形成一层完整：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。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝滴状冷凝：若冷凝液不能润湿避免，由于表面张力的作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。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。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)(725.0tdn

13、gr1.1.1 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气体在液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降低。蒸汽流

14、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过程称为沸腾沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：(1) 管内沸腾管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。：液体在管内流动时受热沸腾。(2) 大溶积沸腾（池内沸腾）大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。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。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

15、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：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

16、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，

17、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

18、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

19、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

20、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) 若换热器中两流体若换热器中两流体无相变无相变时，且认为流体的比热不随温时，且认为流体的比热不随温度而变，则有度而变，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， Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若换热器中的热流体若换热器中的热流体有相变有相变，如，如饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝时，则有时，则有 当当冷凝液的温度低于饱

21、和温度冷凝液的温度低于饱和温度时，则有时，则有 式式中中 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)注注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。：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)式中式中 cph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

22、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， 上式称为上式称为总传热速率方程总传热速率方程。 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。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式中式中 Ki、Ko 、Km基

23、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dS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

24、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

25、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

26、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，流量为流量为6000kg/h，由由55冷却到冷却到30。管外。管外为冷却水，流量为为冷却水，流量为2700kg/

27、h，进口温度为进口温度为20。CO2与与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为冷却水呈逆流流动。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=0.2110-3m2K/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。 kmwRRddd

28、dbKm221212111/5 .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，这种传热称为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稳定的恒温传热温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。如蒸发

29、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稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：。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

30、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同的方向流动。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：生产上换热

31、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对的方向流动。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。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。 折流折流简单折流：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，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。使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。复杂折流：复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。参与热交换的双方流体均作折流。 T2T1t1t2T1T2t1t2图图 两侧流体

32、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= -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

33、 t=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)温度温度T1传热量传热量QT2t1t1t2t20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。1212lnt

34、ttttm注：注：（1）应用上式求）应用上式求tm时，取换热器两端的时，取换热器两端的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(ln

35、2121tttttm 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：由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的当流体进、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，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

36、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=

37、(t2-t1)/ (T1- t1) = 冷流体的温升冷流体的温升/两流体的最初温差两流体的最初温差 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积、冷流体侧传热面积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。和平均传热面积。 Tw、tw分别代表热流体侧和冷流体

38、侧的壁温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整理上式可得例例 在一由在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口温气体，进口500,出口出口400。管外为。管外为p=981kN/m2压力（绝压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数压）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水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/ m2。忽略管壁、污忽略管壁、污垢热阻。试求管内壁平均温度垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管

39、外壁平均及管外壁平均tw。 kmwddddbKm2212111/24225201000015 .2220450025. 025011111解：解：(a) 总传热系数总传热系数 以管子内表面积以管子内表面积S1为基准为基准 ( (c)c)计算单位面积传热计算单位面积传热量量 1882506558045011SQTTw( (d)d)管壁温度管壁温度 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 管内壁温度管内壁温度 (b) 平均温度差平均温度差 在在p=981 kN

40、/m2，水的饱和温度为水的饱和温度为179 2712)179400()179500(mt管外壁温度管外壁温度 mwwSQbTt21111/582905 .222065580mwddSQSSSQSQmmm8 .18458290450025.0188wt 由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热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，即阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。管壁两的温度比较接近。 强化传

41、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：强化传热的途径：1、加大传热面积、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。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、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

42、（热敏性、冰点）的限制。提高蒸汽压强，设备造价会随之提高。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。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、减少传热阻力 （1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（2）防）防止污垢形成或经常清除污垢；（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）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。层流内

43、层的厚度均有利于提高对流传热系数。换热器的分类：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、夹套式等等，后者包括板式、螺旋板式、夹套式等t1t2T1T2结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内

44、管可用U形形管连接，而外管之间也由管子连接。管连接，而外管之间也由管子连接。注意：适当选择两个管径，以使内管与环隙间的流体呈湍流注意：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。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。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。面易于增减

45、。蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种。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。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。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，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。如增设搅拌装置，则可提高传热效果。 喷淋蛇管式

46、换热器喷淋蛇管式换热器 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。点是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。 结构：壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。结构：壳体、管束、管板（又称花板）

47、、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，其行程称为通过管内，其行程称为管程管程；另一种流体在管外流动，其行程称为；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程壳程。 换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程一个管程；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，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，程数以传热温度差小，程数以2 2、4 4、6 6程多见。程多见。 管外流体每通过一次壳体成为管外流体每

48、通过一次壳体成为一个壳程一个壳程。在管外装有在管外装有折流板（或挡折流板（或挡板）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。常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭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：弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：浮头补偿浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为

49、浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而浮头），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。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。体，维修清洗方便。缺点：结合面较多，易泄漏。缺点：结合面较多，易泄漏。补偿圈补偿补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热：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。胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。U形管补偿形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可：将管子两端都

50、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。以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。隔板隔板挡板挡板管束管束壳体壳体 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。式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。(1) 平板式换热器平板式换热器板片被压制成槽形或波纹形的目的：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。分布。 优点：优点：总传热系数高，污垢热

51、阻亦较小；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；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；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。加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。 缺点：缺点：允许操作压力较低，最高不超过允许操作压力较低，最高不超过19611961kPakPa，否则容易渗漏；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；操作温度不能太高，

52、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。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。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。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。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

53、装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为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。一种流体的通道。使用注意事项：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。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。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

54、出。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。却水等作为载热体。 由刮板在靠近传热面处连续不断地运动，使料液成薄膜状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。间即为被处理料液的通道。刮板的作用：刮板的作用：l提高换热器的传热系数；

55、提高换热器的传热系数；l形成乳化、混合和增塑作用。形成乳化、混合和增塑作用。优点：传热系数高，拆装清洗方便。优点：传热系数高，拆装清洗方便。缺点：功率消耗大。缺点：功率消耗大。 混合式换热器常用于蒸汽的冷凝或气体的冷却器，有时兼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。作除尘器以及增湿或减湿之用。1、喷射式冷凝器、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

56、蒸气的排除。，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、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。生传热和传质。3、孔板式冷凝器、孔板式冷凝器 1、段辐射能、段辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以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。吸收的辐射能转变成热能。10-101010110210410610-410-210-6射线射线无线电波无线电波微波微波

57、X射线射线紫外紫外热射线热射线红外红外能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。热射线。2、电磁波的波长范围及热射线、电磁波的波长范围及热射线3、吸收率、吸收率 A，反射率反射率 R 和透过率和透过率 D （Absorption,Reflection and Diaphaneity )4、黑体、白体和透体、黑体、白体和透体黑体黑体 A=1 白体白体 R=1 透体透体 D=1DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRA根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：6、单色辐射能、单色辐射能 E及及 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单

58、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，其单位为发射单一波长辐射的辐射能，其单位为 W/m2bEE黑体发射能力物体发射能力黑体吸收辐射能的能力物体吸收辐射能的能力5、灰体和黑度、灰体和黑度 灰体：灰体： 能吸收从能吸收从0无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收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。率相等的物体称灰体。黑度黑度：辐射率辐射率黑体的单色辐射能黑体的单色辐射能 E Eb b 可用可用Planks Law Planks Law 精确地描述：精确地描述：1251eTCbCE 由黑体辐射谱中能量分布图由黑体辐射谱中能量分布图可知：随着温度的提高，

59、物体可知：随着温度的提高，物体最大辐射能渐向波长缩短的方最大辐射能渐向波长缩短的方向移动。向移动。E bT=1400 KT=1200 K010Eb黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，w/m3 波长，波长，mT物体的热力学温度，物体的热力学温度，KC1常数，其值为常数，其值为3.74310-16Wm2C2常数，其值为常数，其值为1.438710-2mK7、斯蒂芬、斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼（Stephen-Boltzman ）定律定律全辐射能为所有单色辐射能之和，即全辐射能为所有单色辐射能之和，即对黑体对黑体4040)100(TcTdEEbb 称为称为斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼辐射常数，其值为

60、辐射常数，其值为 5.6710-8 w/(m2K4) c0称为黑体辐射系数称为黑体辐射系数 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，此关系称为方，此关系称为斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律，波尔茨曼定律，亦称四次方定律。亦称四次方定律。0dEE(W/m2)42412121)100()100(TTACQC C 1212 称为总辐射系数；称为总辐射系数； 称为角系数，表示由辐射面称为角系数，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。获的分数，与两物体几何排列和面积有关。)(222222