1、傳傳 熱熱 過過 程程 3.0 3.0 概概 述述 3.1 3.1 熱熱 傳傳 導導 3.2 3.2 對對 流流 給給 熱熱 3.3 3.3 熱熱 輻輻 射射 3.4 3.4 傳熱過程的計算傳熱過程的計算3.0 概概 述述 傳熱過程在生產中的應用傳熱過程在生產中的應用 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 冷熱流體的接觸方式冷熱流體的接觸方式一、一、傳熱過程在生產中的應用傳熱過程在生產中的應用加熱或冷卻 保 溫 強化傳熱過程 削弱傳熱過程 換熱二、二、傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 1. 熱傳導熱傳導 熱傳導熱傳導( (導熱導熱) )：熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳

2、遞到與之接觸的另一物體的過程。 氣體氣體 分子做不規則熱運動時相互碰撞的結果 固體固體 導電體導電體：自由電子在晶格間的運動 非導電體非導電體：通過晶格結構的振動來實現 液體液體 分子動量傳遞引起特點特點：沒有物質的宏觀位移傳熱學傳熱學：研究熱體與冷體之間熱量交換速率的科學。2. 對流傳熱對流傳熱 對流傳熱：對流傳熱：不同溫度的流體，因攪拌、流動引起的物體內部質點發生相對位移的熱量傳遞過程。 3. 輻射傳熱輻射傳熱 輻射傳熱輻射傳熱(熱輻射熱輻射)：物體因熱的原因向冷體發出輻射能的過程。 自然對流 強制對流 具有波、粒二象性 能量轉移、能量形式的轉化 不需要任何物質作媒介 特點特點：對流傳熱的

3、種類：對流傳熱的種類：特點特點：宏觀質點發生相對位移；伴隨熱傳導。三、三、 冷熱流體的接觸方式冷熱流體的接觸方式1. 直接接觸式直接接觸式優點：優點： 設備結構較簡單 傳熱效果好缺點：缺點： 對流體有限定 2. 蓄熱式蓄熱式低溫流體高溫流體優點：優點： 結構較簡單 耐高溫缺點：缺點： 設備體積大 有一定程度的混合3. 間壁式間壁式 列管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內所有管束壁的表面積 熱流體熱流體T1T2冷流體冷流體t1t2三、熱載體及其選擇三、熱載體及其選擇（1）加熱劑：）加熱劑：起加熱作用的熱載體； 工業中常用的有熱水（40100）、飽和水蒸氣（100180）、礦物油或聯苯或二苯醚混合物等低

4、熔混合物（180540）、煙道氣（5001000）、電加熱等。1. 熱載體：熱載體： 為了將冷流體加熱或熱流體冷卻，供給或取走熱量的流體。（2）冷卻劑：）冷卻劑：而起冷卻作用的熱載體； 工業中常用的有水（2030）、空氣、冷凍鹽水、液氨（-33.4）等等。水又可分為河水、海水、井水等，水的傳熱效果好，應用最為普遍。在水資源較缺乏的地區，宜采用空氣冷卻，但空氣傳熱速度慢。2. 熱載體的選擇：熱載體的選擇： 溫度易調節控制； 飽和蒸汽壓較低； 毒性小，不易燃易爆，腐蝕性小； 價格便宜，來源容易。 3.1 熱熱 傳傳 導導 傳導的基本概念傳導的基本概念 傅傅 立立 葉葉 定定 律律 導導 熱熱 系系

5、 數數 通過平壁的穩定熱傳導通過平壁的穩定熱傳導 通過圓筒壁的穩定熱傳導通過圓筒壁的穩定熱傳導3.1.1 熱傳導的基本概念熱傳導的基本概念 ,z,y,xft t 某點的溫度， 或 K； x , y , z 某點的坐標； 時間。(1) 溫度場：溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。 1. 溫度場和等溫面溫度場和等溫面式中式中:熱傳導的必要條件：熱傳導的必要條件：物體或系統內存在溫度差。 一般情況下，其數學表達式為： 不穩定溫度場不穩定溫度場 ,zyxft 穩定溫度場穩定溫度場 zyxft,(2) 等溫面：等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。 不同溫度的等溫面不相交t1t2t

6、1t2等溫面等溫面Q0 t穩定一維溫度場穩定一維溫度場 xft 0 t0 ztyt2. 溫度梯度溫度梯度 ntntlimtgradn 0t+tt-ttnQdA 溫度梯度是一個點點的概念。 溫度梯度是一個向量。 方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正 一維穩定熱傳導溫度梯度是dxdt /說說 明：明：3.1.2 傅立葉定律傅立葉定律 ntdSdQ 式式 中：中：1. 傅立葉定律的內容傅立葉定律的內容 Q 熱傳導速率，W 或 J/s； S 導熱面積，m2； t / n 溫度梯度，/m 或 K/m； 導熱系數，W/(m) 或 W/(mK)。通過等溫面的導熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。 表征

7、材料導熱性能的物性參數導熱系數 越大，導熱性能越好 對一維穩態熱傳導 dxdtdSdQ 說說 明：明：2. 導熱系數導熱系數 dxdtdSdQ dxdtdSdQ 由傅立葉定律： 在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 是分子微觀運動的宏觀表現。 = f(結構,組成,密度,溫度,壓力） 各種物質的導熱系數由試驗方法測定金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 說說 明：明：(1) 固體固體 金屬金屬：純金屬 合金 非金屬非金屬：同樣溫度下， 越大， 越大。(2) 液體液體t ， （除水和甘油） 一般來說，純液體的大于溶液(3) 氣體氣體t ， 氣體不利用導熱，但可用來保溫或隔熱 金屬液體 較高，非金屬液體

8、 低，水的 最大。 3131/ii/iiimMyMy 氣體混合物導熱系數估算： 有機物水溶液估算： 有機物互混溶液估算： iim. 90iim 一、一、 單層平壁的穩定熱傳導單層平壁的穩定熱傳導假設：假設：S大，b 小；材料均勻；溫度僅沿x 變化，且不隨時間變化。t1t2 txdxQxQx+dx3.1.3 通過平壁的穩定熱傳導通過平壁的穩定熱傳導Ot2xtt1對于穩定溫度場 0 tconstQQQxxx d由傅立葉定律： dxdtSQ 邊界條件為： ,ttx10 時時，2ttbx 時，得： 210ttbSdtQdx 設 不隨t而變 SbttttSbQ 2121)( 討討 論：論： 熱阻導熱推動

9、力 RtQ )(21ttt SbR 2分析平壁內的溫度分布 210ttbSdtQdx 上限由2ttbx 時，ttxx 時，時，SQxttttSxQ 11)(1可表示為推動力：熱阻：改為 二、多層平壁的穩定熱傳導二、多層平壁的穩定熱傳導假假 設：設：S 大，b小；材料均勻；溫度僅沿 x 變化，且不隨時間變化。各層接觸良好，接觸面兩側溫度相同。t1t2b11 txb2b32 3 t2t4t3以三層平面壁熱傳導為例SbttSbttSbttQ334322321121 總熱阻總推動力 iiiiiiiRttSbttSbtQ413141 推廣至n層： niinniiinRttSbttQ111111 對于穩定

10、溫度場 321QQQQ 即： 三層平面壁熱傳導的傳熱速率： t1t2b11 txb2b32 3 t2t4t3Ot2xtt1t3t4溫度分布曲線溫度分布曲線 3.1.4 通過圓筒壁的穩定熱傳導 一、單層圓筒壁的穩定熱傳導一、單層圓筒壁的穩定熱傳導假假 定：定：圓筒很長；穩定溫度場；一維溫度場；b圓筒壁的傳熱面積隨半徑變化，溫度也隨半徑變化 對于穩定溫度場，在半徑 r 處沿半徑方向取 dr 同心薄層圓筒，根據傅立葉定律，drdtSQ drdtrL)2( 通過該圓筒的導熱速率為：邊界條件 11ttrr 時時，22ttrr 時時，得： 212121ttrrldtdrrq 設 不隨 t而變 122112

11、211)(2)(2rrlnttlrrlnttlq 進行變量分離 ： ldtdrrq 21 討討 論：論：1上式可以寫為 12122112121221)()()(2AAlnAAttrrlnrrrrttlq 熱阻熱阻推動力推動力 RtAttm )(21rlA 2 12rr 1212A/AlnAAAm 對數平均面積2 當212 rr，可以把圓筒的傳熱看成為壁厚為面積為)2(221rrlA 的平壁的熱傳導。計算結果誤差不大于4%3圓筒壁內的溫度分布 111122rrlnLQttrrlnttLQ 212121ttrrLdtdrrQ 上限從22ttrr 時時，改為ttrr 時，時，溫度分布曲線 tr 成對

12、數曲線變化 (假設不隨t變化)作業：作業：296頁1，2，3，4，5 二、多層圓筒壁的穩定熱傳導二、多層圓筒壁的穩定熱傳導 311413434323232121211)(21)(21)(21)(2iiiirrlnttLrrlnttLrrlnttLrrlnttLQ 對于n層圓筒壁： niinniiiinniiiinRttAbttrrlnttLQ1111m1111111)(2 三層圓筒壁： 3.2 對對 流流 傳傳 熱熱 對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析 對流傳熱速率對流傳熱速率 影響對流傳熱系數的因素影響對流傳熱系數的因素 對流傳熱系數經驗關聯式對流傳熱系數經驗關聯式3.2.1 對流熱過程分析對

13、流熱過程分析一、對流傳熱過程一、對流傳熱過程 對流傳熱過程（熱對流）：對流傳熱過程（熱對流）： 通過流體質點移動及混合而導致的熱量傳遞的過程。對流傳熱與流體流動及混合的狀況有關 對流傳熱分類：對流傳熱分類：流體無相變的對流傳熱流體無相變的對流傳熱 (2) 流體有相變的對流傳熱流體有相變的對流傳熱 自然對流傳熱：僅因溫度差而產生流體內部密度差引起流動的傳熱過程。 強制對流傳熱：流體因外力作用引起流動的傳熱過程。 蒸氣冷凝：氣體在傳熱過程中全部或部分冷凝為液體。 液體沸騰：液體在傳熱過程中沸騰汽化，部分液體轉化為氣體。f二、流體邊界層和傳熱邊界層二、流體邊界層和傳熱邊界層（1）意義上的區別：）意義

14、上的區別： 流體邊界層流體邊界層： 存在速度梯度的區域，表示速度分布的情況。 傳熱邊界層傳熱邊界層： 存在溫度梯度的區域，表示溫度分布的情況。 對流傳熱可以看作是在傳熱邊界層內的熱傳導過程。（2）引入傳熱邊界層的意義：）引入傳熱邊界層的意義：TWTbtT3.2.2 對流傳熱速率對流傳熱速率牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律fTWTbtT牛頓冷卻定律的推導牛頓冷卻定律的推導傳熱邊界層： ft由傳熱邊界層的概念，根據傅立葉定律：)(wtTTSQ t 令：令：)(wTTSQ 則：則：牛頓冷卻定律是一種推論。牛頓冷卻定律表達了復雜的對流傳熱過程所遵循的規律。RTSTTTTSQww 1)(wTTT SR 1 3.

15、 對流傳熱系數 是研究對流傳熱的核心問題，它反映對流傳熱速度的快慢， 越大，對流傳熱越快。 推動力：推動力：阻力：阻力：討討 論：論： 的獲得主要有三種方法：的獲得主要有三種方法：1理論分析法：理論分析法： 用因次分析法、再結合實驗，建立經驗關系式。 把理論上比較成熟的動量傳遞的研究成果類比到熱量傳遞過程。 建立理論方程式，用數學分析的方法求出 的精確解或數值解。這種方法目前只適用于一些幾何條件簡單的幾個傳熱過程，如管內層流、平板上層流等。2實驗方法：實驗方法：3類比方法：類比方法：3.2.3 影響對流傳熱系數影響對流傳熱系數 的因素的因素)(wTTSQ 電熱爐燒水電熱爐燒水 流動的流體與外界

16、的傳熱流動的流體與外界的傳熱tQQ邊界層是對流傳熱邊界層是對流傳熱的主要熱阻所在。的主要熱阻所在。ttwQ1. 引起流動的原因引起流動的原因自然對流自然對流強制對流強制對流自然對流自然對流：由于流體內部密度差而引起流體的流動。強制對流強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。 強 自 2. 流體的物性流體的物性 ， ， ，cp ，3. 流動形態流動形態 層流、過渡流、湍流 湍流 層流 4. 傳熱面的形狀，大小和位置傳熱面的形狀，大小和位置 形狀形狀：如管、板、管束等； 大小大小：如管徑和管長等； 位置位置：如管子的排列方式（管或板是垂直放置還是水平放置）。5. 是否發生相變是否發生相變 蒸汽冷凝、

17、液體沸騰 相變 無相變傳熱方式傳熱方式 W/(m2)空空 氣氣自然對流自然對流氣氣 體體強制對流強制對流水水自然對流自然對流水水強制對流強制對流水蒸氣水蒸氣冷冷 凝凝有機蒸氣有機蒸氣冷冷 凝凝5 25 20 100 20 1000 1000 15000 5000 15000 500 2000 值值 的的 范范 圍圍對流傳熱系數對流傳熱系數 的意義的意義: 在數值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率。 反映了對流傳熱的快慢, 愈大表示對流傳熱愈快。 不是流體的物理性質，而是受諸多因素影響的一個系數，反映對流傳熱熱阻的大小。一、因次分析法求無相變時的一、因次分析法求無相變時的 f (u，

18、L， ， ， ，cp， g)基本物理量：基本物理量：長度 L，時間 T ，質量 M，溫度 ，熱量Q變變 量量 總總 數：數： 8個)(wTTSQ 由牛頓冷卻定律：T q SQ q 則：令：q 熱通量無相變時影響 的因素有：q f (u，L， ， ， ，cp， g，T )無相變時影響 q的因素有：q表示為冪函數的形式：ihpfedcba)g(cTLku q 則上式中各物理量的單位及因次式為：物物 理理 量量單單 位位因因 次次quLT cp gJ/m2sm / smKkg/ mskg/ m3J/kgKm / s2 KQ L-2 T -1 L T 1L M L 1 T 1 M L 3Q M 1 -

19、1L T 2 -1(1)QL-2T-1 =k(LT1)a (L) b ( ) c ( ML1T1) d (QT1L1 -1) e ( ML 3 ) f (QM - 1 - 1 )h (LT 2 -1) i 因此（1）式兩邊物理量的因次式為：QL-2T-1 =kQ(e+h) L(a+b-d-e-3f+i) T (-a-d-e-2i) (c-e-h-i) M (d+f-h)根據因次式一致性原則，等式兩邊各物理量的因次相等 對于熱量對于熱量 Q 對于時間對于時間 T 對于溫度對于溫度 對于質量對于質量 M 對于長度對于長度 L 1= e + h 1=ade2i 0 = cehi 0 = d + fh

20、 2 = a + bde3f + i (2) 用 a, h, i 表示另外幾個字母 e = 1 h d =a + h 2i c = 1+ i f = a + 2i b = a + 3i 1 代入（1）式，得：ihpiahihaiiaagcTLku q)(212113 ihpaLTgcuLLTk q 223 T q ihpaLTgcuLkL 223 （3）式（式（3）為包括四個無因次準數群。）為包括四個無因次準數群。 LNu uLRe pcPr 223 LTgGr 1. 努塞爾努塞爾（Nusselt ）準數準數:2. 雷諾雷諾（Reynolds）準數準數:3. 普蘭特普蘭特（Prandtl ）準

21、數準數:4. 格拉斯霍夫格拉斯霍夫（Grashof ）準數準數:二、對流傳熱中的幾個準數及其物理意義二、對流傳熱中的幾個準數及其物理意義 物理涵義：包含的準數，表明流體與器壁換熱時，器壁尺寸的影響。物理涵義：確定傳熱時流體流動的形態對器壁換熱時的影響。物理涵義：表明流體物性對傳熱的影響。物理涵義：表明流體因受熱膨脹對傳熱的影響，主要是自然對流的影響。5. 定性溫度、特性尺寸的確定定性溫度、特性尺寸的確定（1）定性溫度：）定性溫度：確定物性參數數值的溫度稱為定性溫度。定性溫度的取法：定性溫度的取法：221ttt 2tttwm 取流體的平均溫度 取壁面的平均溫度 取流體和壁面的平均溫度（膜溫）wt

22、 圓管的特征尺寸為管內徑 di 非圓管取當量直徑： 對平壁：一般取厚度或高度 (長度)（2）特性尺寸：）特性尺寸：對流體流動和傳熱發生主要影響的尺寸。特性尺寸的取法：特性尺寸的取法：傳傳熱熱周周邊邊流流動動截截面面積積 4de3.2.4 流體無相變時的對流傳熱系數流體無相變時的對流傳熱系數 1. 流體在管內作強制湍流流體在管內作強制湍流（1）低粘度）低粘度常溫下低于2倍水的粘度n.PrRe.Nu800230 np.iicudd.)()(023080 idNu 半經驗公式n 取決熱流方向: 流體被加熱時，n0.4； 被冷卻時，n0.3。一、一、 流體在管內作強制對流流體在管內作強制對流適用范圍：

23、適用范圍： Re 10000，0.7 Pr 60 l /di 10000，0.7 Pr 60， 特征尺寸di 取內徑， 定性溫度：w 按壁溫 tw 確定，流體溫度 3180)()(0270/p.icdud. 221ttt 液體：液體：加熱時冷卻時051. 950. 氣體：氣體：加熱時冷卻時1 2. 流體在管內作強制層流流體在管內作強制層流0.143131)(861wi/LdPrRe.Nu 適用范圍：適用范圍： Re 2300，0.6 Pr 60 特征尺寸di 取內徑 定性溫度： w 按壁溫 tw確定，流體溫度221ttt 100)( LdPrRei2300 Re 10000時，先按湍流計算 ，

24、 3. 流體在管內作過渡流流體在管內作過渡流4. 流體在流體在彎曲管內彎曲管內作強制對流作強制對流)7711( rd.i 8151061.Re 然后乘以校正系數： 彎曲管中的對流傳熱系數，W/(m2 ) ； 直管中的對流傳熱系數，W/(m2 ) ； 彎曲軸彎曲半徑，m 。 r由于彎管處受離心力的作用，存在二次環流， 湍動加劇，對流傳熱系數增大。 適用范圍：適用范圍： 12000 Re 3000； 特征尺寸：特征尺寸：管的外徑 do 流速：流速：取最狹窄通道處。 錯列最狹窄距離取：(x1-d0) 和 2(t-d0) 中小者ttdo直列直列錯列錯列2. 流體在換熱器的管間流過流體在換熱器的管間流過

25、 一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流擋板，流動方向不斷改變，在較小的 Re下（Re =100）即可達到湍流。圓缺形折流擋板，弓形高度25% D， 的計算式：14031550)(360.w/.uPrRe.N Re = 2103106 定性溫度：進、出口溫度平均值；tw w。 特征尺寸：當量直徑 de適用范圍：適用范圍： 正方形排列：正方形排列： 0202)7850(4dd.tde 正三角形排列：正三角形排列： 0202)785023(4dd.tde （2）流速）流速u根據流體流過的最大截面積根據流體流過的最大截面積 A計算計算)1(0tdhDA

26、 式中式中 h相鄰擋板間的距離； D殼體的內徑。nGrPrcNu)( c、n為經驗常數。三、自然對流三、自然對流 自然對流：自然對流：指冷表面或熱表面（傳熱面）放置空間內，并且四周沒有其它阻礙自然對流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。 對流傳熱系數僅與反映自然對流的Gr和反映物性的Pr有關(1) 特性尺寸對水平管取外徑 do，垂直管或板取管長和板高H。(2) 定性溫度取膜溫 (t + tw) /2。(3) c, n（GrPr），具體數值列在書表中。 熱流方向 蒸汽ts 熱流方向 蒸汽ts 膜膜滴滴 一、一、 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 飽和蒸汽與溫度較低的壁面

27、接觸，蒸汽放出潛熱，在壁面上冷凝成液體。膜狀冷凝膜狀冷凝滴狀冷凝滴狀冷凝故冷凝器的設計總是按膜狀冷凝來處理工業上遇到的大多數是膜狀冷凝3.2.4 流體有相變時的對流傳熱系數流體有相變時的對流傳熱系數 1. 膜狀冷凝對流傳熱系數膜狀冷凝對流傳熱系數（1）努塞爾理論公式）努塞爾理論公式特性尺寸 L：垂直管或板的高度；2wsttt 定性溫度：膜溫 基本假設：冷凝液膜為層流層流，傳熱為通過液膜的熱傳導；蒸氣靜止不動，對液膜無摩擦；蒸氣冷凝成液體時僅釋放冷凝熱，蒸氣和壁溫保持不變；冷凝液的物性按平均膜溫取值，為常數。41329430 tLgr. 蒸氣在垂直管外或板上的冷凝：式中： t 蒸氣的飽和溫度ts

28、 與壁面tw 的溫度差； r 汽化潛熱（ts下），kJ/kg。4132327250 tLngr./ 式中：式中： n水平管束在垂直列上的管子數。特性尺寸L：管外徑 do2wsttt 定性溫度：膜溫 蒸氣在水平管束上冷凝：適用條件：適用條件： 冷凝液膜為層流，Re 1800 定性溫度：膜溫403123200770.Reg. 2wsttt 蒸氣在垂直管外或板上的冷凝； 形成的液膜是湍流。Re對對 的影響的影響：層流： Re ， ；湍流： Re ， 。 流體物性流體物性:2. 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 膜膜t 冷凝液膜兩側的溫度差冷凝液膜兩側的溫度差:當液膜呈滯流流動時，都影響冷凝傳熱系

29、數。、 、 、r 蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向:蒸氣和液膜同向流動蒸氣和液膜逆向流動 ， 。 ， ； u ， 。由膜狀冷凝傳熱系數計算式可知 蒸汽中不凝氣體含量的影響：蒸汽中不凝氣體含量的影響： 冷凝壁面的表面情況：冷凝壁面的表面情況： 冷凝壁面的影響：冷凝壁面的影響：a.垂直壁面（板或管）垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流動方向的尺寸增大，沿途積存的液體增多，則液膜增厚，使 下降，但當高度尺寸增至某一程度時，液膜進入湍流， 有開始增大。實驗證明：當蒸汽中含空氣量達1 %時， 下降60%左右。 不凝氣體存在，導致 ，定期排放。 對 的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜

30、層阻力，因而 降低。 冷凝液面從上面各排流到下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的 比上排的要低。b. 水平布置的管束水平布置的管束:垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列措施措施：減少冷凝液膜的厚度； 二、二、 液體沸騰液體沸騰 對液體加熱時，有液相變為氣相的過程，即在液體內部產生氣泡或氣膜，因液體沸騰時必伴有液體流動，故屬于對流傳熱過程。池內沸騰：池內沸騰：將加熱表面浸入液體的自由表面之下，液體在壁面受熱沸騰。管內沸騰：管內沸騰：液體在管內流動過程中于管內壁發生的沸騰。其傳熱機理要較池內沸騰復雜得多。1. 工業上的液體沸騰種類工業上的液體沸騰種類加熱加熱池內飽和沸騰池內飽和沸騰汽化

31、核心汽化核心 生成汽泡生成汽泡 長大長大 脫離壁面脫離壁面 新汽泡形成新汽泡形成 攪動液層攪動液層 池內液體沸騰過程：池內液體沸騰過程：產生沸騰條件：產生沸騰條件： 液體過熱、有汽化核心。2. 液體沸騰曲線液體沸騰曲線沸騰過程大致分三個階段：沸騰過程大致分三個階段：wSttt 自然對流階段:CtttSw 50 核狀沸騰階段:CtttSw 255 膜狀沸騰狀態:CtttSw 25 為保持理想的傳熱效果，常沸騰溫差保持在核狀沸騰階段 t = 20 40K，過高使局部過熱而燒壞設備 (暴沸現象暴沸現象)。壁面過熱度過熱度不大過熱度不大氣泡很少或氣泡很少或沒有沒有氣泡產生氣泡產生脫離頻率脫離頻率很快很

32、快大量氣泡在加大量氣泡在加熱面上匯合熱面上匯合形成蒸汽膜形成蒸汽膜 3. 液體沸騰傳熱系數液體沸騰傳熱系數 按照對比壓力計算泡核沸騰的傳熱系數332)(1631.tZ. wSttt 壁面過熱度Z 與操作壓力與臨界壓力有關的參數，W/(m2 ) ；333101.20.170.694)104.81()10819(100.cRRR.p.Z R對比壓力 ；cppp 操作壓力；pc 臨界壓力。4. 影響沸騰傳熱的主要影響因素影響沸騰傳熱的主要影響因素 液體性質：液體性質： , , swttt 加熱壁面狀況：加熱壁面狀況： 操作壓強操作壓強 ： 溫度差：溫度差：一般盡可能控制在核狀區使液體 和 ，有利于氣

33、泡的生成和脫離。 新的、潔凈的、粗糙的加熱面， 大。有利于氣泡生成和脫離的因素均能強化沸騰傳熱 , , , stp3.2.5 壁溫的估算壁溫的估算壁面溫度是對流傳熱系數中重要的參數用管內流體平均溫度 ti，管外流體平均溫度 to，試算法確定壁溫。試算法確定壁溫步驟：試算法確定壁溫步驟：在 ti 和to 間假設壁溫 tw 值 ；計算兩流體的對流傳熱系數 i 和 o ； 核算所設 tw 值是否正確。核算關系式：siiiwsoowoRttRtt 11 算出的 tw 值與假設不相符時，重設壁溫，按上面步驟重新計算，直到相符為止。給熱系數給熱系數 無相變無相變有相變有相變管管 內內外外 壁壁自然對流自然

34、對流層流層流湍流湍流水平圓管外水平圓管外圓管外圓管外冷凝傳熱冷凝傳熱沸騰傳熱沸騰傳熱對流傳熱系數小結對流傳熱系數小結 能量衡算能量衡算 總傳熱系數和總傳熱速率總傳熱系數和總傳熱速率 平均溫度差法平均溫度差法 傳熱過程的強化途徑傳熱過程的強化途徑 傳熱過程的計算傳熱過程的計算3.3 傳熱過程的計算傳熱過程的計算換熱器的傳熱計算：換熱器的傳熱計算：設計型計算：設計型計算：即根據工藝提出的條件，確定換熱器的傳熱面積 S。校核型計算：校核型計算：即對已知 S的換熱器，核算其傳熱量 Q、流體的流量 Vs 或溫度T 或 t。熱量衡算熱量衡算傳熱速率方程傳熱速率方程T1T2t1t23.3.1 能量衡算能量衡

35、算換熱器熱負荷換熱器熱負荷Q：單位時間內換熱器中冷，熱流體因溫度變化吸收或放出的熱量。式中：流體的質量流量，kg/h 或 kg/s；換熱器的熱負荷，kJ/h 或 W。1. 熱焓法熱焓法 假設換熱器絕熱良好 (熱損失可以忽略)，在單位時間內換熱器中熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。單位質量流體的焓，kJ/kg。)()(1221ccchhhIIWIIWQ QWI(1) 兩流體均無相變，且流體的比熱容不隨溫度變化或可取流體平均溫度下的比熱容時Q換熱器的熱負荷，kJ/h 或 kW。2. 比熱法比熱法cp流體的比熱容，kJ/(kg)t 冷流體的溫度，；T 熱流體的溫度，。(2) 流體有相變，例如飽和

36、蒸汽冷凝時Wh飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h; r 飽和蒸汽的汽化熱，kJ/kg。)()(1221ttcWTTcWQpccphh )(12ttcWrWQpcch (3) 冷凝液的溫度低于飽和溫度時cph冷凝液的比熱容，kJ/(kg )Ts冷凝液的飽和溫度，。注意：熱負荷和傳熱速率的區別和聯系注意：熱負荷和傳熱速率的區別和聯系熱負荷熱負荷：由工藝條件決定，是對換熱器的要求。傳熱速率傳熱速率：換熱器本身在一定操作條件下具有的換熱能力，是換熱器本身的特性。對于一個能滿足工藝要求的換熱器，傳熱速率必須略大于或等于熱負荷。在實際設計時，通常將兩者在數值上視為相等。區別區別聯系聯系:熱量衡算熱量衡算 熱負荷

37、熱負荷=傳熱速率傳熱速率 傳熱面積傳熱面積A mQKS t)()(122ttcWTTcrWQpccSphh 3.3.2 總傳熱系數總傳熱系數一、實際生產過程中的傳熱一、實際生產過程中的傳熱 主要形式為對流傳熱和熱傳導過程。熱流體以對流傳熱形式將熱量傳給固體壁面一側固體壁面一側以熱傳導形式將熱量傳給壁面另一側固體壁面另一側以對流傳熱形式將熱量傳給冷流體對流對流對流對流熱傳導熱傳導twTw冷流體t熱流體TQ1. 實際生產中的傳熱過程分析實際生產中的傳熱過程分析（3）壁內側對流)(1wooTTSQ )(2wwmtTSQ )(3ttSQwii （1）壁外側對流（2）壁內熱傳導對于穩定傳熱對于穩定傳熱

38、321QQQQ 2. 總傳熱速率總傳熱速率oowSQTT 1 iiwSQtt 3 mwwSQtT 2 （1）（2）（3）oomiiiiwmwwoowSSStTSttStTSTTQ 1111 oomiiSSSKS 111 式中：式中： K總傳熱系數，W/(m2K) 或 W/(m2) tKSQ 3. 總傳熱系數總傳熱系數RtSSStTQoomii 11推動力:熱阻:tTt oomiiSSSR 11 KStQ1 則：討討 論：論： 1. 當傳熱面為平面時，S=Si=So=SmoiK 111 2. 傳熱面為圓筒時：S=Si 時，ooimiiiddddK 11S=So 時，S=Sm 時，iiomoood

39、dddK 11oomiimmddddK 1ioiomddln/ddd)( 2 iodd近似用平壁計算當：3. 污垢熱阻污垢熱阻 通常污垢熱阻比傳熱壁的熱阻大得多，因而設計中應考慮污垢熱阻的影響。設管壁內、外側表面上的污垢熱阻分別為根據串聯熱阻疊加原理，soRsiR及osomoiosiiiooRddddRddK 11 總總熱熱阻阻對流對流熱阻熱阻對流對流熱阻熱阻污垢污垢熱阻熱阻污垢污垢熱阻熱阻導熱導熱熱阻熱阻4. 提高總傳熱系數提高總傳熱系數 K途徑的分析途徑的分析b.當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，a.若傳熱面為平壁或薄管壁時，osomoiosiiiooRddddRddK 11 moiddd

40、ososiiRRK 111 oiK 111 若 o i，則 1/K 1/ i，稱為管壁內側對流傳熱控制，此時欲提高K值，關鍵在于提高管壁內側的 。若 i o，則 1/K 1/ o，稱為管壁外側對流傳熱控制，此時欲提高K值，關鍵在于提高外側的 。若 i o ，則稱為管內、外側對流傳熱控制，此時必須同時提高兩側的 ，才能提高 K值。若管壁兩側 很大，即兩側的對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時欲提高 K值，必須設法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。c. 提高總傳熱系數K的措施4列管式換熱器中的總傳熱系數列管式換熱器中的總傳熱系數 K的經驗值的經驗值冷流體熱流體總傳熱系數總傳熱系

41、數K，W/(m2)水水850-1700水氣體17-280水有機溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280有機溶劑有機溶劑115-340水水蒸氣冷凝1420-4250氣體水蒸氣冷凝30-300水低沸點烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸氣冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸氣冷凝455-10203.3.3 平均溫度差法和總傳熱速率方程平均溫度差法和總傳熱速率方程1. 恒溫傳熱時的平均溫度差恒溫傳熱時的平均溫度差一、傳熱平均溫度差法一、傳熱平均溫度差法 tKStTKSQ )(換熱器的間壁兩側均有相變化定態傳熱、定態流動兩種流體的 cph、cpc為常數K 沿管長不變化熱損失忽略不計假設：假

42、設：蒸發器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱)(tTt 2. 在變溫差傳熱時的平均溫度差在變溫差傳熱時的平均溫度差變溫傳熱：變溫傳熱：在傳熱過程中，間壁一側或兩側的流體溫度，沿著壁面，雖位置的不同而不同。逆流逆流并流并流錯流錯流折流折流流體流向：流體流向：平均溫度差 tm 與流體流向有關(1) 逆流和并流時的逆流和并流時的mt 2121ttlntttm 211tTt 122tTt T2t1t2T1dTdtdAQt t2 t1Tt定態傳熱、定態流動兩種流體的 cph、cpc為常數K 沿管長不變化熱損失忽略不計假設：假設：逆流時：逆流時：（1）該運算式也適用于并流 111tTt 222tTt T2t1

43、t2T1Q t2 t1t2121ttlntttm （2）較大溫差記為 t1，較小溫差記為 t2（3）當 t1 / t2 2，則可用算術平均值代替2)(21/tttm 21tttm （4）當 t1= t2，討討 論：論：逆流逆流、并流比較：并流比較： 平均溫差大（當冷、熱二流體進，出口溫度一定時） 節省冷卻劑或加熱劑用量b.并流優勢并流優勢 控制出口端冷流體的溫度。 高粘度流體的加熱，使溫度迅速升高，增強流動性。a.逆流操作的優點逆流操作的優點mtKSq )()(1221ttcWTTcWQpccphh mmtt )(流流型型,R,Pf 1221ttTTR 冷流體溫升冷流體溫升熱流體溫降熱流體溫降

44、1112tTttP 兩兩流流體體初初溫溫差差冷冷流流體體溫溫升升mt ：逆流時的平均溫度差(2) 錯流、折流時的錯流、折流時的mt 查相應狀況下的校正系數圖得到 ，進行計算。 二、總傳熱速率方程二、總傳熱速率方程mtKSQ 式中：式中： K 平均總傳熱系數； tm 平均溫度差。 總傳熱速率方程 求 K 平均值。 熱量衡算式與傳熱速率方程間的關系。 tm 的求解。把對流-導熱聯合傳熱看作一個整體傳熱過程時運用該方程進行計算，必須解決的問題： 三、三、 傳熱單元數法傳熱單元數法 (-NTU)1. 傳熱效率傳熱效率 換熱器傳熱效率：maxQQ最大可能的傳熱量實際的傳熱量 假設換熱器中流體無相變及熱損

45、失：)()(1221ttcWTTcWQpccphh 換熱器中最大可能的傳熱量：)()(11tTWcQminpmax Wcp 流體熱容量流率；(Wcp)min 兩流體中熱容量流率較小者，最小值流體。(1) 假設熱流體為最小值流體：傳熱效率為：11211121)()(tTTTtTcWTTcWphhphhh (2) 假設冷流體為最小值流體：傳熱效率為：11121112)()(tTtttTcWttcWpccpccc 2. 傳熱單元數傳熱單元數 NTU換器的熱量衡算和傳熱速率的微分式為：dStTKdtcWdTcWdQpccphh)( 對于冷流體：pcccWKdStTdt 基于冷流體的傳熱單元數： Spc

46、cttccWKdStTdtNTU021)(pcccWKS pcccWLdnK)( 21ttpcctTdtKcWS或 21ttpcctTdtKdncWL 令：KdncWHpccc 傳熱單元長度，m。則：ccNTCHL)( 換熱器長度等于傳熱單元數與傳熱單元長度的乘積討討 論：論： 21)(ttctTdtNTU傳熱單元數 量綱為1，反映了傳熱推動力與傳熱要求的溫度變化間的關系；傳熱推動力越大，所要求的溫度變化越小；傳熱單元長度 量綱為m，是傳熱的熱阻和流體流動狀況的函數；總傳熱系數越大，熱阻越小，則傳熱單元長度越短，所需傳熱面積越小。KdncWHpccc 傳熱單元的意義：傳熱單元的意義： 一個傳熱

47、單元數可視為換熱器的一段，以冷流體為基準時，其長度為Hc。T1T2t1t2Th2Th1tc1tc2Hc溫度，溫度，長度，長度，m冷流體的溫度變化恰等于平均溫度差 21)(1)(ttmctTdtNTUmcctTtt)(21 21)(ccmtttT 2)()()(2112chchmtTtTtT 其中：3. 傳熱效率傳熱效率 和傳熱單元數的關系和傳熱單元數的關系根據總傳熱速率方程：mtKSQ 并流時：)()()()(22112211tTtTlntTtTtm 冷流體為最小值流體時：maxminmaxminmincCCCCNTUexp 1)1 ()(1 其中：phhmaxpccmincWC,cWC pc

48、cmincWKSNTU )(同理，熱流體為最小值流體時：)1 ()(1)1 ()(1maxminminmaxminmaxminminhCCNTUexpCCCCNTUexp 其中：pccmaxphhmincWC,cWC phhmincWSKNTU )(-NTU 關系圖：關系圖： 根據流體流向以及傳熱效率和傳熱單元數公式繪制的圖表，供設計時直接使用。本教材中給出了并流、逆流和折流時的 -NTU 關系圖0 1 2 3 4 5 傳熱單元數傳熱單元數 NTU 效率效率 20 40 60 80 1000 maxminC/C250.500.750.001. %并流換熱器的并流換熱器的 -NTU 關系關系3.3.4 傳熱過程的強化途徑傳熱過程的強化途徑一、增大一、增大 tmmtKSQ 兩側變溫情況下，盡量采用逆流流動 提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑t1的溫度為了增強傳熱效率，可采取 tm、S 、K 。二、增大二、增大 S /V 直接接觸傳熱，可增大S和湍動程度，使 Q 采用粗糙管和高效新型換熱器三、增大三、增大 K盡可能利用有相變的熱載體（ 大）用 大的熱載體，如液體金屬Na等減少污垢及減小兩側流體熱阻中較大者的熱阻提高 較小一側有效傳熱面 增大流速，提高流體的湍動程度 管內加擾流元件 改變傳熱面形狀和