第五章 传热6.3改

1、化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录1目录目录 第五章 传热及设备第一节 概论第二节 热传导一、热传导速率方程二、热导系数三、平壁稳定热传导四、圆筒壁稳定热传导化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录2目录目录 第三节第三节对流传热对流传热一、对流传热分析一、对流传热分析二、对流传热准数方程二、对流传热准数方程式式三、强制对流时的对流传热系数三、强制对流时的对流传热系数 1、管内层流、管内层流 2、管内湍流、管内湍流 3、管外强制对流、管外强制对流 4、自然对流、自然对流四、蒸汽冷凝时的传热四、蒸汽冷凝时的传热五、液体沸腾时的传热五、液体沸腾时的传热 对流传热系数小结对流传热系数小结

2、的数量级的数量级化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录3第五节第五节 传热过程的计算传热过程的计算 一、间壁换热器的传热方程一、间壁换热器的传热方程 二、污垢热阻计算二、污垢热阻计算 三、换热器的传热量计算三、换热器的传热量计算 四、平均温度差四、平均温度差tm计算 （一）恒温传热 （二）变温传热 （三）折流与错流传热 五、加热与冷却方法 5、传热单元数法 6、壁温的计算第四节第四节 热辐射热辐射一、热辐射的基本概念一、热辐射的基本概念二、热辐射基本定律二、热辐射基本定律三、物体间的辐射传热三、物体间的辐射传热化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章4/141第五章第五章 传热传

3、热第一节第一节概述概述 21ttAQ 牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： 电热炉烧水 靠靠电电磁磁波波传传热热v热传导热传导（导热）（导热） 强强制制对对流流自自然然对对流流v对流传热对流传热v辐射传热辐射传热传热有三种方式：传热有三种方式：( (举例电热炉烧水举例电热炉烧水) )机理：机理：有有宏宏观观位位移移流流体体内内部部流流体体发发生生在在相互接触的物质之间相互接触的物质之间静止的物质内部静止的物质内部层流流动的物质内部层流流动的物质内部发生在发生在管内层流管内层流热量入热量入对流传热系数或给对流传热系数或给热系数，热系数，W/m2 K气体气体-靠分子或原子的无规则若运动；靠分子或原子的无规

4、则若运动；固体固体-金属靠自由电子，非金属靠晶格的震动金属靠自由电子，非金属靠晶格的震动液体液体-两种观点（见教材）两种观点（见教材）导热导热导热导热自然自然对流对流化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章5/141第二节第二节 热传导热传导)(21ttbAQ一、传热速率基本方程及导热率一、传热速率基本方程及导热率 影响影响 因素：因素：与物质种类、与物质种类、T、浓度有关，一般浓度有关，一般 与与 P P 无关无关 T ， 气体气体 水水 ， 甘油甘油 ，其它液体的其它液体的 金属金属 ， 非非金属金属 。获取方法：获取方法：查相关物性数据手册，如附录二四。查相关物性数据手册，如附

5、录二四。 t t1 t2 0 b xQQb无限厚无限厚无限长无限长dx化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章6/141三、无限大三、无限大多层平壁多层平壁热传导热传导第二节第二节 热传导热传导 t t2 t3 t4 t1 0 x b 热热阻阻推推动动力力 qAQ 总总热热阻阻总总推推动动力力和和比比定定理理 AbttAbttAbttAbttQiii 3141334322321121特点：特点：同单层平壁同单层平壁此外，通过每一层的此外，通过每一层的Q（或（或 q）都相同）都相同对每一层均有：对每一层均有：Q作业：作业：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章7/141第二

6、节第二节 热传导热传导总总热热阻阻总总推推动动力力 AAbttAttAbttQiiiiii 113101043141 04ttAQ 牛牛顿顿冷冷却却定定律律：思考思考1：若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温 度为度为t0、对流传热系数为对流传热系数为 ，则传热量如何计算，则传热量如何计算？0t t1t4Q化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章8/141 t t1 r1 t2 r2 0 r b QQdr四、无限四、无限长长单层圆筒壁单层圆筒壁热传导热传导第二节第二节 热传导热传导特点：特点：属一维导热，属一维导热，A 常数，常数，

7、Q为常数，为常数， q 常数常数常常数数 drdtAqAQ rLA 2 drrLQdt 2 LrrQtt2ln11 若若 为常数，则：为常数，则：-可见温度分布可见温度分布 为对数关系为对数关系在在(t(t1 1，t)t)积分，得：积分，得：在在(t(t1 1，t t2 2) )积分，得：积分，得： LrrttQ2ln1221 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章9/141（一）（一）单层圆筒壁单层圆筒壁稳定导热稳定导热四、圆筒壁稳态热传导四、圆筒壁稳态热传导 12121221ln2rrrrLrrtt 1212lnrrrrrm 令令当212 rr时，可用算术平均代替mmAbttr

8、LbttQ 21212 于是于是热阻热阻推动力推动力对照：平壁：对照：平壁： AbttQ 21 t t1 r1 t2 r2 0 r b LrrttQ2ln1221 -对数平均半径对数平均半径 三种平均的比较化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章10/141对数平均、算术平均、几何平均的比较对数平均、算术平均、几何平均的比较：红线红线-算术平均（最大）算术平均（最大）黄线黄线-几何平均（其次）几何平均（其次）绿线绿线-对数平均（最小）对数平均（最小） 平均值x=5时对数平均对数平均几何平均几何平均算术平均算术平均返回上页且且x与与y相差越大，相差越大，对数平均值与对数平均值与x、y中

9、最小者越接近中最小者越接近化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章11/141（二）（二）多层圆筒壁多层圆筒壁稳定热传导稳定热传导四、圆筒壁稳定热传导四、圆筒壁稳定热传导热热阻阻推推动动力力 qAQ t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t2 0 r b1 b2 b3 总热阻总热阻总推动力总推动力 miiiimmmAbttQAbttAbttAbttQ 3141333432223211121对每一层均有：对每一层均有：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章12/141四、一维圆筒壁稳态热传导四、一维圆筒壁稳态热传导思考思考2 2： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服

10、穿在里面好，还是穿气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？在外面好？bb 1 2QQ 21 bb 2 1作业：作业：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章13/141影响因素影响因素：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，接触面接触面空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。 接触热阻：接触热阻：两固体之间由于未紧密接触而导致的两固体之间由于未紧密接触而导致的接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计返回目录返回目录化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章14/141第三节第三节 对流传热对

11、流传热1t2tQQ 电热炉烧水强制对流强制对流-湍流流动的流体与外界的传热湍流流动的流体与外界的传热自然对流自然对流-静止静止流体、层流流动流流体、层流流动流体与外界的传热体与外界的传热边界层是对流传热边界层是对流传热的主要热阻所在。的主要热阻所在。ttwQ流向流向近壁面近壁面传热放传热放大图大图一、对流传热分析一、对流传热分析化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章15/141二、对流传热准数方程二、对流传热准数方程个个基基本本因因次次数数变变量量数数无无因因次次数数群群个个数数347 影响影响 的因素主要有：的因素主要有： 1.引起流动的原因引起流动的原因：自然对流和强制对流：自

12、然对流和强制对流 2.流动型态流动型态：层流或湍流：层流或湍流 3.流体的性质流体的性质： 、 、cp、 等等 4.传热面的形状、大小、位置传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、：如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等管内与管外等 5.有相变与无相变有相变与无相变： cp或汽化潜热或汽化潜热r tgulrcfp 或或，或或，因次分析法：因次分析法：回忆第一章有关内容回忆第一章有关内容 用因次分析法、用因次分析法、再结合实验，建立再结合实验，建立经验关系式。经验关系式。 定理定理：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章16/141二、对流传热准数方程二、对流传热准数方

13、程 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或-格垃晓夫数格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的变形，相当于自然对流时的“雷诺数雷诺数”无因次数群：无因次数群：-努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比-普朗特数，反映物性的影响。普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的一般地，气体的Pr1 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章17/141二、对流传热准数方程二、对流传热准数方程 PrRe，或或GrfNu 故故定性温度：确定物性的温度，有两种定性温度：确定物性的温度，有两种2出出进进tttm 2主体主体壁壁tt

14、tm 主体平均温度主体平均温度 膜温膜温 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章18/141三、流体强制对流时的三、流体强制对流时的 （一）（一） 流体在管内强制流动流体在管内强制流动的的 1015. 018 . 031 Grf 当当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，式需考虑自然对流对传热的影响，式（5-5-6565）乘上一个大于乘上一个大于1的校正系数：的校正系数： 1、管内层流、管内层流时时0.6Pr6700，Gr25000（自然对流影响可以忽略），自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。温差（壁温

15、与流体主体温度之差）不大。使用范围为：使用范围为： 管子的进口段，管子的进口段，恒壁温、恒壁温、Re2300、思考：思考：为什么需乘上一为什么需乘上一个大于个大于1 1的校正系数？的校正系数？-传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章19/141三、流体强制对流时的三、流体强制对流时的 2 2、管内湍流、管内湍流（教材式（教材式5-63） 被被冷冷却却被被加加热热3 . 04 . 0PrRe023. 08 . 0nnNun化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章20/141三、流体强制对流时的三

16、、流体强制对流时的 2 2、管内湍流、管内湍流 被被冷冷却却被被加加热热3 . 04 . 0PrRe023. 08 . 0nnNun2080.du dNu pc Pr思考思考1 1： 与与u、d有何比例关系？有何比例关系？思考思考2：为什么加热时为什么加热时n取取0.4，冷却时取，冷却时取0.3？气体的气体的Pr1等温等温液体被加热液体被加热 或气体被冷却或气体被冷却液体被冷却液体被冷却 或气体被加热或气体被加热速度分布速度分布时，时， 变大变大时，时， 变小变小作业：作业：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章21/141Why？Why？因为：管内未充因为：管内未充分发展，层流底

17、分发展，层流底层较薄，热阻较层较薄，热阻较小。小。 若不满足适用范围时，需修正：若不满足适用范围时，需修正： （1）对于短管，）对于短管，L/d100即可达到湍流。式（即可达到湍流。式（5-72）化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章23/141三、流体强制对流时的三、流体强制对流时的 （三）流体在搅拌槽内的对流传热（三）流体在搅拌槽内的对流传热14. 033. 02)()()(WpmcndDC化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章24/141（一）蒸汽在水平管外冷凝（一）蒸汽在水平管外冷凝滴状冷凝膜状冷凝两种冷凝方式 热流方向 蒸汽 ts 热流方向 蒸汽 ts 膜膜滴

18、滴 液膜是主要热阻液膜是主要热阻四、蒸汽冷凝时的传热四、蒸汽冷凝时的传热41032)(725. 0tdngr 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章25/141四、蒸汽冷凝时的传热四、蒸汽冷凝时的传热why？水平管束：水平管束：膜状冷凝传热的强化膜状冷凝传热的强化：v 减薄冷凝液液膜厚度减薄冷凝液液膜厚度；v选择正确的蒸汽流动方向；选择正确的蒸汽流动方向；v在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；v用过热蒸汽；用过热蒸汽；v及时排放不凝性气体。及时排放不凝性气体。第一排的第一排的 与单管相似，与单管相似，第二排的第二排的 比第一排

19、小，比第一排小，第三排的第三排的 比第二排小，比第二排小，若干排后，若干排后， 基本上不变。基本上不变。平均平均 比单排的小（式比单排的小（式5-80与与5-80a对比）对比） 。膜状冷凝：膜状冷凝：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章26/141五、液体沸腾时的对流传热五、液体沸腾时的对流传热2 2、沸腾传热（大容积）、沸腾传热（大容积）（1）产生沸腾现象的必要条件：）产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、液体过热、 有汽化核心有汽化核心（2 2）沸腾传热机理：）沸腾传热机理：气泡的不断形成、长大、脱离壁面，气泡的不断形成、长大、脱离壁面，热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的

20、搅动。热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章27/141六、液体沸腾时的传热时的传热六、液体沸腾时的传热时的传热（3 3）大容积沸腾传热的沸腾曲线）大容积沸腾传热的沸腾曲线加加热热twts气 泡 产生和 脱 离频率很快大量气泡在加热面上汇合，形成蒸汽膜沸沸腾腾曲曲线线 log 过热度（tw-ts） 过热度不大，过热度不大，气泡没有；气泡没有； 辐射影响加强膜状沸腾膜状沸腾 自然对流自然对流核状沸腾核状沸腾工业上常用工业上常用化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章28/141六、液体沸腾时的传热时的传热六、液体沸腾时的传热时的

21、传热（4）核状沸腾传热系数的主要影响因素：）核状沸腾传热系数的主要影响因素： 表面粗糙度：表面粗糙度：粗糙表面粗糙表面 大，但粗糙度达到一定极限后，大，但粗糙度达到一定极限后， 就基本上没影响了。就基本上没影响了。过热度：过热度： 与与 t t的的2 23 3次方成正比。次方成正比。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章29/141对流传热系数小结对流传热系数小结 有相变有相变无相变无相变 自然对流自然对流管束外管束外水平圆管外水平圆管外外壁外壁湍流湍流层流层流管内管内 沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸

22、化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章30/141 的数量级的数量级 KmWKmW22/30030/255强强制制对对流流：自自然然对对流流： KmWKmWKmWKmW2222/300001500/150005000/80001000/1000200水沸腾：水沸腾：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气中空气中水中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 gl 总之：总之： KmWKmW22/3000500/1500500蒸蒸汽汽冷冷凝凝：强强制制对对流流：油类中油类中返回目录返回目录化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章31/141第四

23、节第四节 辐射传热辐射传热一、基本概念一、基本概念 Q（投入） QR（反射） QA（吸收） QD（透过） DRAQQQQ 吸收率吸收率 QQAA反射率反射率 QQRR透透过过率率 QQDD（一）什么是辐射传热？（一）什么是辐射传热？（二）、吸收率、发射率、透过率（二）、吸收率、发射率、透过率1 DRA热辐射线波长在热辐射线波长在0.4 m40 m，主要有可见光、红外线主要有可见光、红外线靠电磁波传热的方式，称为。靠电磁波传热的方式，称为。 自然界中凡是温度自然界中凡是温度在在0 K0 K以上的物体，以上的物体，都会不停地向四周发都会不停地向四周发射热辐射能。射热辐射能。化工原理化工原理电子教案

24、电子教案/ /第五章第五章32/141第四节第四节 辐射传热辐射传热（三）黑体、白体、透热体、灰（三）黑体、白体、透热体、灰体体灰体灰体-以相同的吸收率吸收所有波长的以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体。工业用的大多数固体热辐射能的物体。工业用的大多数固体材料可近似为灰体材料可近似为灰体。-透热体透热体，如单原子或对称双原子构成的气如单原子或对称双原子构成的气 体（体（ He ， H2，O2 等）等）吸收率吸收率A1 1反射率反射率R1 1透过率透过率D1 1-绝对黑体绝对黑体，如没有光泽的黑漆，如没有光泽的黑漆-绝对白体绝对白体或或镜体镜体，如十分光亮的金属，如十分光亮的金属 如图可见

25、，实际物体的辐射特性曲线过如图可见，实际物体的辐射特性曲线过于复杂，工程上为方便处理，以灰体近似替于复杂，工程上为方便处理，以灰体近似替代实际物体。代实际物体。！注意：！注意：灰体是一种假想体。灰体是一种假想体。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章33/141二、热辐射（发射）基本定律二、热辐射（发射）基本定律0EE010)1 (EAEEbEEA A -黑度（或辐射率）属物性，与材料性质属物性，与材料性质和温度、浓度等有关和温度、浓度等有关（二）克希霍夫定律（二）克希霍夫定律（一）热辐射四次方定律（一）热辐射四次方定律灰体灰体 黑体黑体 T1T2E1E0AE00)1 (EA 1

26、20EE注意：注意：只是数值上相等只是数值上相等发射能力强的吸收发射能力强的吸收能力也强能力也强4)100(TCE 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章34/141三、两物体间的辐射传热三、两物体间的辐射传热 B A 如图两物体之间的辐射传热量如图两物体之间的辐射传热量QAB不仅与两物体不仅与两物体的发射能力有关，还与两者的相互位置、周围环境的发射能力有关，还与两者的相互位置、周围环境的对其辐射有关，很复杂。本节重点讨论的对其辐射有关，很复杂。本节重点讨论两灰体组两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率的计算。成的封闭体系的辐射传热速率的计算。QAB环境环境环境环境化工原理化工原理电子

27、教案电子教案/ /第五章第五章35/141三、两灰体间辐射传热速率三、两灰体间辐射传热速率 j j r i i 影响角系数的因素：影响角系数的因素： 两物体间的距离两物体间的距离r、两物体表面积、两物体表面积A、两物体的放置角度、两物体的放置角度等。等。1、角系数、角系数辐射能被拦截的百分数，用辐射能被拦截的百分数，用 12、 21表示表示 jiijA AjiijjjiA AijjiiijdAdArAdAdArA22coscos1coscos1 可以证明：可以证明：jijijiAA 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章36/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速

28、率 11 Nkik 12112 4 5 3 1 2 思考思考2：如图，两相距很近的无限大平板，如图，两相距很近的无限大平板，角系数为多少？角系数为多少？思考思考1 1：如图，由如图，由N N个面组成的闭合体，个面组成的闭合体，任一面的所有角系数之和为多少？任一面的所有角系数之和为多少？化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章37/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率GEJ)1( -投入辐射投入辐射,W/m2-有效辐射，有效辐射， W/m22、几个概念、几个概念物体与环境交换的热量物体与环境交换的热量JGq 物体物体环境环境GJq 或或化工原理化工原理电子教案电子

29、教案/ /第五章第五章38/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率 1 2 T1 T2 3、对两灰体组成的封闭体系、对两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率的辐射传热速率Q1-21-2： 2 1 1 2 T1 T211111111)1 ()1 (GEGEJb 111111 bEJG22222222)1 ()1 (GEGEJb 222221 bEJG 111121AGJQQ 环境环境 2222AGJQ 环境环境GEJ)1 ( 对灰体对灰体1 1（灰体（灰体2 2）表面作热量衡算，有：）表面作热量衡算，有：J J1 1G G1 1化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章3

30、9/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率2222221111112111AEJJAEJJQbb 22222222222111111111111111AEJAJEAJEAJEbbbb 212121 AA 1211 AJ12121211 AJJQ 212211 AJJ 2122 AJ 21Q对灰体对灰体1 1与灰体与灰体2 2之间的任一面作热量衡算，有：之间的任一面作热量衡算，有： 1 2 T1 T2 表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻J J1 1J J2 2空间热阻空间热阻加和定理加和定理化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章40/141三、两灰体组成的封闭体系的

31、辐射传热速率三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb 空间热阻表面热阻辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb 424121100100TTAC小小（式（式5-985-98，式，式5-1025-102）化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章41/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率 424121100100TTAC小小空间热阻表面热阻辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb （式（式5-985-98，式，式5-

32、1025-102） 11121021 CC 1-2=1，A1=A2=A小小0121CC 1 2 T1 T2 1-2=1，021 AA（式（式5-975-97）具体地：具体地： 1 2 T1 T2 1-2=1，212211211AAAAC （式（式5-1015-101）A1=A小小化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章42/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率 1 3222223332323313132111112122223332323233131321111131233121111111111111AAAAAAEEAAAEEAAAEEQQQbbbbbb 思考

33、：思考：如图所示，写出两无限大平行平板之间平行插入第三块板时如图所示，写出两无限大平行平板之间平行插入第三块板时的辐射传热量计算式。的辐射传热量计算式。表面热阻表面热阻 空间热阻空间热阻空间热阻空间热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻32123211AAA 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章43/141三、两灰体间的辐射传热速率三、两灰体间的辐射传热速率2121 QQ显然，显然， 1 32 223131212112111 AEEQbb对照：对照：两无限大平行平板之间的辐射传热两无限大平行平板之间的辐射传热 111212121 AEEQbb热屏热屏化工原理化工原理

34、电子教案电子教案/ /第五章第五章44/1412221112112121111AAAEEQbb 影响辐射传热的因素：影响辐射传热的因素： QT, Q, u温度：与温度：与 T4有关，有关，u表面黑度：表面黑度：u介质：如插入热屏，增大热阻，减小介质：如插入热屏，增大热阻，减小Qu几何位置：几何位置： 1-21-2化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章45/141四、气体热辐射的特点四、气体热辐射的特点只有不对称的双原子气体和多原子气体具有只有不对称的双原子气体和多原子气体具有热辐射能力；热辐射能力；气体只在某些波段范围内具有热辐射能力；气体只在某些波段范围内具有热辐射能力；气体的热

35、辐射发生在整个体积内，而不是在气体的热辐射发生在整个体积内，而不是在表面。且沿程变化。表面。且沿程变化。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章46/141五、辐射、对流的联合传热五、辐射、对流的联合传热 ttAttAttAQwTwRwc 辐射传热量辐射传热量对流传热量对流传热量损损 440112111100100ttCAEEAwbb 辐辐射射传传热热量量 ttAwR1 其中：其中：暴露在空气中的设备的热损失计算中：暴露在空气中的设备的热损失计算中：联合传热膜系数，用经验式计算联合传热膜系数，用经验式计算化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章47/141第四章、第五章小结

36、第四章、第五章小结v导热导热概念：概念：导热系数导热系数（单位、固液气单位、固液气 的相对大小、的相对大小、t对对 的影响）的影响） 公式：公式：ntAddQq 圆圆筒筒壁壁平平壁壁热热阻阻推推动动力力 Abtt 21qAQ AbttQiii 3141总总热热阻阻总总推推动动力力 mAbttQ21 总总热热阻阻总总推推动动力力 miiiiAbttQ 31411212ln2rrrrrLrAmmm 1 1、傅立叶定律、傅立叶定律 2 2、一维稳态导热、一维稳态导热化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章48/141第四节第四节 间壁式换热器的传热间壁式换热器的传热 换热器是导热方式、对流

37、传热方式在工业换热器是导热方式、对流传热方式在工业应用中的典型代表。故在介绍完导热和对流传应用中的典型代表。故在介绍完导热和对流传热之后，我们接着介绍换热器的传热过程及计热之后，我们接着介绍换热器的传热过程及计算（教材第三节）。算（教材第三节）。 首先，需简单了解一下换热器的结构（教首先，需简单了解一下换热器的结构（教材第六章），以便正确地进行换热器的计算。材第六章），以便正确地进行换热器的计算。 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章49/141第四节第四节 间壁式换热器的传热间壁式换热器的传热一、换热器简介一、换热器简介T t 间壁式 热流体 蓄热式 t T 直接接触式 冷流体

38、 蓄热式蓄热式间壁式间壁式直接接触式直接接触式分类分类 换热器在我国石油化工、炼油、换热器在我国石油化工、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业冶金、轻工、制药、食品等行业应用极为普遍，占全部工艺设备应用极为普遍，占全部工艺设备投资的投资的2040。冷热流体直接接触，传热冷热流体直接接触，传热直接、效率高、热阻小直接、效率高、热阻小冷热流体隔一固体壁面冷热流体隔一固体壁面，传热效率不如直接接，传热效率不如直接接触式。工业应用最广。触式。工业应用最广。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章50/141间壁式换热器：间壁式换热器：管式：管式：套管式套管式*、列管式、列管式*、 蛇管式、喷淋

39、式蛇管式、喷淋式板式：螺旋板、板式、板式：螺旋板、板式、 板翅式、翅片管式板翅式、翅片管式热管：热管：夹套式：夹套式：请点击观看动画请点击观看动画以后再介绍以后再介绍化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章51/141 t1 T2 T1 t2 双管程、双壳程 t1 T1 T2 t2 单管程、单壳程 t1 T2 T1 t2 双管程列管式 列管式换热器：列管式换热器：管程数：单管程、双管程、多管程管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程四管程请点击观看动画请点击观看动画冷、热流体一冷、热流体一次经过换热器次经过换热器管程流体两次管程流体两

40、次经过换热器经过换热器管程、壳程流体管程、壳程流体两次经过换热器两次经过换热器管程流体四次管程流体四次经过换热器经过换热器化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章52/141二、间壁式换热器的传热过程分析二、间壁式换热器的传热过程分析 2 1 T1T2三个串联传热环节：三个串联传热环节：u热流体侧的对流传热热流体侧的对流传热u间壁的导热间壁的导热u冷流体侧的对流传热冷流体侧的对流传热传传热热边界层是传热的边界层是传热的主要热阻所在。主要热阻所在。 间间壁壁热热流流体体冷冷流流体体流向流向流向流向化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章53/141三、间壁式换热器的传热过程计

41、算三、间壁式换热器的传热过程计算221111dAttdAbtTdATTdQxwmwwxw mmxtKAdAtKtdAKQ 出出进进出出进进1、 总传热速率方程总传热速率方程（总）传热系数，单位（总）传热系数，单位W/m2K T Tw tw t T1T22211111dAdAbdAdAKxmxx 式中：式中：牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： ttAQw 热流体侧的热流体侧的对流传热对流传热dQ间壁的间壁的导热导热总总热热阻阻总总推推动动力力 221111dAdAbdAtTxmx dAKtTx1 其中其中dA可取可取dA1、dAm、dA2等。等。-总传热速率方程总传热速率方程 冷流体侧的冷流体侧的对流

42、传热对流传热化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章54/141三、间壁式换热器的传热过程计算三、间壁式换热器的传热过程计算mtKAQ 12222111ttcmTTcmQpsps rmQs -总传热热阻总传热热阻KA1 T Tw tw t T1T2t2 Q2、Q的计算的计算无相变时：无相变时：有相变时：有相变时：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章55/141三、间壁式换热器的传热过程计算三、间壁式换热器的传热过程计算（1）查经验数据：表）查经验数据：表5-6（2）实验测定）实验测定（3）分析计算）分析计算2211111dAdAbdAdAKxmxx 2211111AAb

43、AKAm 若若 取平均，微元面积可以用有限传热面积替代，则取平均，微元面积可以用有限传热面积替代，则（其中（其中A可取可取A1、Am、A2均可）均可）3、 K的计算的计算分析计算公式：分析计算公式：前面已推得：前面已推得：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章56/141三、间壁式换热器的传热过程计算三、间壁式换热器的传热过程计算 T Tw tw t T1T2t2 Q222211111AAAARAAbAARAAKsms 考虑到实际传热时，间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：考虑到实际传热时，间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：（其中（其中A可取可取A1、Am、A2均可）均可）总总热热阻

44、阻对流对流热阻热阻污垢污垢热阻热阻导热导热热阻热阻污垢污垢热阻热阻对流对流热阻热阻 若等号右边五项热阻中有一项特别大，若等号右边五项热阻中有一项特别大，则总热阻则总热阻1/K的数值主要取决于这一最大者，的数值主要取决于这一最大者，这一最大热阻称为这一最大热阻称为控制热阻控制热阻。 设法减小控制热阻的值，可以显著地改善设法减小控制热阻的值，可以显著地改善换热器的传热效果。换热器的传热效果。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章57/141作业：作业：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章58/141三、间壁式换热器的传热过程计算三、间壁式换热器的传热过程计算4、 tm的计

45、算的计算 T t t 0 AtTtm （1）恒温差传热）恒温差传热T Tw tw t mxtKAtdAKQ 出出进进TTttQ- t 恒定不变，故恒定不变，故冷冷凝凝沸沸腾腾化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章59/141 T t t2 t1 0 A T1 T2 t t 0 A T1 并流 T2 t t2 t1 0 A T1 t2 逆流 T2 t t1 0 A（2）变温差传热）变温差传热T Tw tw t T1T2mxtKAtdAKQ 出出进进- t 处处不等处处不等冷凝冷凝沸腾沸腾无相变无相变无相变无相变无相变无相变无相变无相变化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章

46、60/141（2）变温差传热）变温差传热tdAKdQ dtcmdQdTcmdQpsps2211 221111pspscmdQdtcmdQdT BcmcmdQtTdpsps 112211BtddQ tdAKBtd 2110ttQtdBdQ T1 t2 逆流 T2 t t1 0 dA A KAttB 21ln1以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：BttQ21 前面已推得：前面已推得：21ln1ttKAB t2 t1 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章61/141 T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 A 2121lnttttKAQ 2

47、121lntttttm -对数平均温差（逆、并流适用）（逆、并流适用）mtKAQ 对照对照得：得：作业：作业：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章62/141 错流 折流 逆逆,mmtt 若流动非逆、并流，如错流、折流，则若流动非逆、并流，如错流、折流，则 tm需采用相应需采用相应的计算式，如式的计算式，如式5-25。工程上，为了简便计算，工程上，为了简便计算， tm常用下述方法：常用下述方法： PRf, 1221ttTTR 1112tTttP 其中：其中： t1T1 T2 t2 列管式根据根据R、P查图查图思考思考1：证明，相同进证明，相同进出口温度下，出口温度下， tm,逆逆

48、总总是大于是大于 tm,并并。思考思考2：为什么为什么 总是总是小于小于1？化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章63/141小结小结222211111AAAARAAbAARAAKsms LMTD法法-对数平均温差法对数平均温差法 Logarithmic Mean Temperature Diffrence1212lntttttm （逆、并流）（逆、并流） （其他流动情况）（其他流动情况）mtKAQ 2111TTcmQps 1222ttcmQps 逆逆,mmtt 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章64/1415、传热单元数法（、传热单元数法（ -NTU）22111p

49、spsRcmcmC 11222pspsRcmcmC 11122tTtt 11211tTTT 121TTtTdTNTU11011psApsxcmKAcmdAK 212tttTdtNTU22022psApsxcmKAcmdAK tTdAKdtcmdTcmdQxpsps 2211回回忆忆：引入引入3个无量纲数群个无量纲数群：热容流量之比热容流量之比CR： 传热效率传热效率 ： 传热单元数传热单元数NTU：传热单元数法公式推导：传热单元数法公式推导：热热流流体体冷冷流流体体化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章65/1415、传热单元数法（、传热单元数法（ -NTU） T1 t2 T2 t

50、 t1 0 ABKAtt 12ln112211pspscmcmB 111212121121121121111121111221121211tTtttttttTTTtttTTTtTtttTTTtTtTtTtt 2221112111211221111 RpspsCtTtttTttcmcm以逆流为例：以逆流为例：()前面已推得：前面已推得：222pscmKANTU 11222pspsRcmcmC 11122tTtt 2221122221111RpspspspsCcmcmcmcm 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章66/1415、传热单元数法（、传热单元数法（ -NTU） 222222

51、221111lnRRpsRCNTUCcmKAC 代入式代入式（ ）中得：中得： 2222221exp11exp1NTUCCNTUCRRR （逆流总传热速率方程） RRRCCCNTUor 111ln11（逆流总传热速率方程）类似地，有类似地，有 1111111exp11exp1NTUCCNTUCRRR 故可统一写成：故可统一写成： NTUCCNTUCRRR 1exp11exp1 （逆流总传热速率方程）化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章67/1415、传热单元数法（、传热单元数法（ -NTU） ,RCfNTU 可可见见 RRCNTUC 11exp1 （并流总传热速率方程）参见图参见

52、图5-2022类似推导可得并流时：类似推导可得并流时：u已知已知CR、 、NTU三者中任意两项，查图或用公式可以三者中任意两项，查图或用公式可以很方便地求出另外一项。很方便地求出另外一项。u图图5-2022的规律：的规律：（比公式直观！）（比公式直观！） CR一定时，一定时，NTU ，则，则； NTU一定时，一定时， CR ，则，则。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章68/141111 NTU RRRCCCNTU 111ln11（逆流总传热速率方程）表示为相变过程。表示为相变过程。22111pspsRcmcmC 11222pspsRcmcmC 思考思考1：使用式（使用式（5-4

53、4）、（）、（5-45）时，是否有必要先判断哪）时，是否有必要先判断哪种流体的热容流量较小？种流体的热容流量较小？思考思考2：逆流时，若逆流时，若CR=1，则，则NTU=？思考思考3： CR=0代表什么含义？代表什么含义？不必不必化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章69/141为什么称为什么称 为为“传热效率传热效率”？最最大大可可能能传传热热速速率率率率冷冷流流体体实实际际吸吸收收热热量量速速 maxQQ最最大大可可能能传传热热速速率率率率热热流流体体实实际际放放出出热热量量速速 maxQQ 12222111ttcmTTcmQpsps 11minmaxtTmcQp maxQQ最

54、大可能传热速率最大可能传热速率实际传热速率实际传热速率 实际传热速率：实际传热速率：最大可能传热速率：最大可能传热速率：当热流体的热容流量当热流体的热容流量ms1cp1最小时最小时当冷流体的热容流量当冷流体的热容流量ms2cp2最小时：最小时：11122tTtt 11211tTTT 的物理意义：的物理意义：-传热效率传热效率-传热效率传热效率11121 tTTT21112 tTtt-传热效率传热效率化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章70/141为什么称为什么称NTU为为“传热单元数传热单元数”？ T1 t2 T2 t1 0 A T(3) T(4) T(1) t(2) t(3)

55、t(1) t(4) T(2) 温温升升（或或温温降降）平平均均传传热热推推动动力力 传热单元什么是什么是“传热单元传热单元”？ 什么是什么是“传热单元数传热单元数”？ 传热单元的个数传热单元的个数-传热传热单元数。单元数。 如图，传热单元数为如图，传热单元数为5。kmt. ) 1()() 1()( kkkkttorTT以逆流为例，将整个传热面分成若干段，以逆流为例，将整个传热面分成若干段，每一段均满足：每一段均满足：1 12 23 34 45 5化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章71/141为什么称为什么称NTU为为“传热单元数传热单元数”？ T1 t2 T2 t1 0 A T

56、(3) T(4) T(1) t(2) t(3) t(1) t(4) T(2) 传热单元1 12 23 34 45 5 1NTU 1)1()()1()2()1()1(2TTTTTTTTNkktdT 12TTtTdTNmNkmkktTTtTT.)1(1.)1()( 2 .)1()2(1 .2)1(mmtTTtTT个（传热单元）个（传热单元）N 111 121TTtTdTNTU化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章72/141传热单元数的几何意义：传热单元数的几何意义： tT 1 T2 T1 T 121TTtTdTNTU11pscmKA 思考思考1 1：传热单元数传热单元数大好还是小好？

57、大好还是小好？NTU就是图中阴影部分面积就是图中阴影部分面积如图，如图，NTU小就意味着达小就意味着达到相同的出口温度（到相同的出口温度（T2或或t2）时，所需的）时，所需的A小。小。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章73/141小结小结 -NTU法法 ,RCfNTU 其其余余情情况况：（逆流时） RRCNTUC 11exp1 （并流时） NTUCCNTUCRRR 1exp11exp1 或查图或查图5-205-20或查图或查图5-215-21查图查图22111pspsRcmcmC 11222pspsRcmcmC 11122tTtt 11211tTTT 111pscmKANTU

58、222pscmKANTU 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章74/141LMTD法与法与 -NTU法比较法比较v两种方法本质相同，至少应熟练掌握其中一种方法；两种方法本质相同，至少应熟练掌握其中一种方法；v使用时方便程度各有优劣。详见下面的习题课内容。使用时方便程度各有优劣。详见下面的习题课内容。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章75/141习题课习题课 操作型操作型设计型设计型 -根据换热任务，求取换热器面积。根据换热任务，求取换热器面积。-操作条件改变后，对已有的换热器换热操作条件改变后，对已有的换热器换热 能力或出口温度进行核算。能力或出口温度进行核算。化

59、工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章76/141习题课习题课-设计型问题举例设计型问题举例 水 t2 2=3.5kW/m2K cp2=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80? T1=150? cp1=2.0 kJ/kgK， t1=20? 1=1.5 kW/m2K 【例例1】在套管式油冷却器里，热油在在套管式油冷却器里，热油在 25 2.5mm的金属管的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为为216kg/h，油的进、出口温度分别为，油的进、出口温度分别为150和和80，水的进，水的

60、进口温度为口温度为20。油侧对流传热系数为。油侧对流传热系数为1.5kW/m2K，水侧的对，水侧的对流传热系数为流传热系数为3.5kW/m2K ，油的比热为，油的比热为2.0kJ/kgK 。 试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。 忽略污垢热阻及管壁导热热阻。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。 25 2.5mm化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第五章第五章77/141 20187. 4801500 . 22 tCt 4 .532 12211221lntTtTtTtTtm ，逆逆 skJTTcmQps4 . 8801500 . 236002162111 【解法