最新四章节传热PPT课件.ppt

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1、传热过程的应用传热过程的应用 物料的加热与冷却物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温设备与管路的保温热传递的三种基本方式热传递的三种基本方式 热传导热传导 热对流热对流 热辐射热辐射传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 直接接触式换热直接接触式换热 蓄热式换热蓄热式换热 间壁式换热间壁式换热 二二 傅立叶定律傅立叶定律 单位时间内传导的热量与单位时间内传导的热量与温度梯度温度梯度及及垂直于热流方向的垂直于热流方向的截面截面成正比成正比 dxdtAQ Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，：导热速率，方向与温度梯

2、度的方向相反，WA：导热面积，：导热面积，m2 ：导热系数，：导热系数，W/（m ）方向的温度梯度方向的温度梯度沿沿xdxdt:导热系数的物理意义导热系数的物理意义dxdtAQ dXdtAQ AQq 热流密度（热通量）热流密度（热通量） ：单位温度梯度下的热通量：单位温度梯度下的热通量金属金属 非金属非金属 液体液体 气体气体为物质的物理性质为物质的物理性质固体导热系数固体导热系数 金属金属 纯度：纯度越高纯度：纯度越高越大越大 T： T 非金属非金属 ： T：T 大多数固体：大多数固体： = o（1+t） 对于金属，对于金属， 0 液体导热系数液体导热系数 气体导热系数气体导热系数 T： T

3、 P： P 一单层平壁的热传导单层平壁的热传导t=f(x)假设：假设：为常数或取壁面范围内的平均值为常数或取壁面范围内的平均值平壁面积与厚度相比无限大平壁面积与厚度相比无限大根据傅立叶定律：根据傅立叶定律：dxdtAQ 210ttbdtAdxQ )(21ttAbQ 平壁间的热传导公式平壁间的热传导公式阻力阻力推动力推动力 RtAbttQ 21WCAbR/, 导热热阻导热热阻 bttAQq21)( 热热通通量量热热流流密密度度xy二 多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导123t1t2t3t4t1 t2 t3 t4稳态导热时，稳态导热时，Q=Q1=Q2=Q3AbttQAbttQAbttQQ33

4、4332232211211 AbAbAbttAbAbAbtttQ33221141332211321 niiniinnnRtAbAbAbtttQn11221121 程式：程式：层平壁，热传导速率方层平壁，热传导速率方对对二 多层平壁的热传导多层平壁的热传导o 接触热阻接触热阻各层的热阻越大，温度差越大各层的热阻越大，温度差越大121 2一 单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导drdtrldrdtAQ 22t1t2r1rdtl2rQdr 1221rrln)tt (l2Q 单层圆筒壁的热传导公式单层圆筒壁的热传导公式1221rrln)tt (l2Q Rttl2rrlnttQ211221 l2rrln

5、R12122121)(rrttAAbttQmm 1212ln2rrrrlAm lr2m rm为圆筒的平均半径为圆筒的平均半径1212mrrlnrrr1221rrln)tt (l2 Am的另一种表示方式的另一种表示方式121212121212ln22ln)(2ln2AAAAlrlrrrlrrrrlAm mmArrAbR 12 x1/x2比值越大时，（对数平均值比值越大时，（对数平均值/算术平均值）越大算术平均值）越大二 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导32141333222111321RRRttAbAbAbtttQmmm 34343323232212121122111rrln1)tt ( l

6、2Qrrln1)tt ( l2Qrrln1)tt ( l2rrln)tt (l2Q 34323212141rrln1rrln1rrln1)tt ( l2Q Q=2r1Lq1= 2r2Lq2= 2r3Lq3r1q1=r2q2=r3q3q1q2 q3第三节 对流传热对流传热对流传热 流体与流体间传热流体与流体间传热 流体与固体壁面间的传热流体与固体壁面间的传热对流传热的分类对流传热的分类 流体无相变的对流传热流体无相变的对流传热 强制对流传热强制对流传热 自然对流传热自然对流传热 流体有相变的对流传热流体有相变的对流传热 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 液体沸腾液体沸腾对流传热分析对流传热分析一 对流传热速率方

7、程对流传热速率方程牛顿冷却定律牛顿冷却定律阻力阻力推动力推动力 AtAtQ 1 ：平均对流传热系数，：平均对流传热系数，W/（m2） AR 1 Q：对流传热速率，：对流传热速率，WTTW二影响对流传热系数的因素：影响对流传热系数的因素： 对流传热系数的物理意义对流传热系数的物理意义tsQ 单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况流体的特性流体的特性 导热系数导热系数 粘度粘度 比热容和密度比热容和密度Cp 体积膨胀系数体积膨胀系数流体的温度流体的温度流体的流动状态流体的流动状态流体流动的原因流体流动的原因传热面

8、的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小1、 流体流体无相变无相变时的时的强制对流强制对流传热过程传热过程一 首先列出影响该传热过程的物理量首先列出影响该传热过程的物理量 =f（l， ，Cp，u）一 确定无因次准数的数目确定无因次准数的数目 定理：定理：该过程的无因次准数的数目该过程的无因次准数的数目i 等于变量数等于变量数n与基本因次数与基本因次数m之差。之差。 变量数变量数n=7， 基本因次数基本因次数m=4（M、L、T） 准数数目准数数目i=n-m=7-4=3，用，用1 、2、 3 一 1 =（2、 3 ） 1. 确定准数的形式确定准数的形式l 列出物理量的因次列出物理量的因次L因因次

9、次uCpl物物理理量量TM3 3LM LMTL22 TML3 L选择选择m个（基本因次的数目）物理量作为个（基本因次的数目）物理量作为i个无因次准数个无因次准数 的共同物理量的共同物理量m=4，i=3不能包括待求物理量不能包括待求物理量不能选用因次相同的物理量不能选用因次相同的物理量选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次从从7个物理量中选个物理量中选4个物理量，这个物理量，这4个物理量中必须包括个物理量中必须包括L、M、 、T本例中选本例中选l、 、l 因次分析因次分析（将共同物理量与剩余的物理量分别组成将共同物理量与剩余的物理量分别组成无

10、因次准数无因次准数）Cpulululmkji3hgfe2dcba1 对对1整理其因次整理其因次)TM()L()LM()TML(L3dcb3a1 1b3dcb3dcba1cbTLM 0000TLM 01b03dcb30dcba01cb0d, 0c , 1b努塞尔准数,Null11 雷诺准数Re,lu2 ，普兰特准数PrCp3 表示对传热系数的准数表示对传热系数的准数确定流动状态的准数确定流动状态的准数表示物性影响的准数表示物性影响的准数流传热时的准数关系式为流体无相变时强制对Pr),(Re,fNu 2、自然对流传热过程、自然对流传热过程 自然对流传热引起流动的原因：单位体积流体的升力，自然对流传

11、热引起流动的原因：单位体积流体的升力，gt =f（l， ，Cp，gt） 1 =（2、 3 ） 努塞尔准数,Null11 ，普兰特准数PrCp3 格拉斯霍夫准数,Grtgl2233 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数流传热时的准数关系式为流体无相变时自然对Pr),Gr( fNu 3、 应用准数关联式应注意的问题应用准数关联式应注意的问题三 定性温度定性温度三 取流体平均温度取流体平均温度t=（t1+t2）/2三 取壁面温度取壁面温度tw三 取流体和壁面平均温度取流体和壁面平均温度tm=（tw+t）/2三 特征尺寸特征尺寸1. 传热当量直径传热当量直径传热周边长流动截面积4de（一）（一

12、） 流体在管内作强制对流传热流体在管内作强制对流传热一 流体在流体在圆形管内作强制湍流圆形管内作强制湍流1. 低粘度（大约低于低粘度（大约低于2倍常温下水的粘度）液体，倍常温下水的粘度）液体，用迪特斯（用迪特斯（Dittus）和贝尔特（）和贝尔特（Boelter）关系式）关系式n8 . 0PrRe023. 0Nu idNu 说明：说明：n的取值，当流体被加热时，的取值，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3应用范围：应用范围：Re1x104，0.7Pr60特征尺寸：特征尺寸：di定性温度：定性温度： n8 . 0iPrRed023. 0 讨论（讨论（1）中）中n的取值的取值

13、 对于大多数液体，对于大多数液体，Pr1 被加热时，被加热时， Pr0.4 Pr0.3，n=0.4 被冷却时，被冷却时， Pr0.3 Pr0.4 ，n=0.3 对于大多数气体对于大多数气体Pr 1 被加热时，被加热时， Pr0.4 Pr0.4 ，n=0.3n8 . 0iPrRed023. 0 l 高粘度流体用西德尔和塔特关联式高粘度流体用西德尔和塔特关联式14. 0w318 . 0)(PrRe027. 0Nu 说明：说明：项是考虑热流方向的校正14. 0w)(1 应用范围：应用范围：Re1x104，0.7Pr60特征尺寸：特征尺寸：di定性温度：定性温度：w取壁温，取壁温， 其余取其余取0 .

14、 1)(95. 0)(05. 1 .)(14. 0w14. 0w14. 0w 冷却对于气体，不论加热或液体被冷却时液体被加热时（二）（二） 流体在管外强制对流流体在管外强制对流l 流体在管束外强制垂直流动（垂直于管束流流体在管束外强制垂直流动（垂直于管束流动）动） 管束的排列管束的排列直列直列错列错列正方形正方形等边三角形等边三角形 流体在错列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：流体在错列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：33. 06 . 0PrRe33. 0Nu 流体在直列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：流体在直列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：33. 06 . 0

15、PrRe26. 0Nu 说明说明l 应用范围：应用范围：Re 3000l 特征尺寸：管外径特征尺寸：管外径do，流速，流速u取流体通过每排管子取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度中最狭窄通道处的速度1) 管束排数为管束排数为10：若不是：若不是10，上述计算式需乘以系数，上述计算式需乘以系数l 流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动第四节 两流体间传热过程的计算化工计算中的两种衡算方程化工计算中的两种衡算方程 热量衡算方程热量衡算方程 传热速率方程传热速率方程总传热速率方程总传热速率方程总推动力：总推动力：T-t总阻力：总阻力：R1+R2+R3Q热流体放出热流体放出= Q冷流体吸收冷流

16、体吸收+ Q损失损失)(tTAKQ 对间壁式换热器能量衡算对间壁式换热器能量衡算)()(122211ccmhhmHHqHHqQ Q：换热器的热负荷，：换热器的热负荷，KJ/h或或Wqm1 、 qm2 ：热、冷流体的质量流量，：热、冷流体的质量流量，Kg/hH1、 H2 ：热流体的进出口的单位质量的焓，：热流体的进出口的单位质量的焓，KJ/Kgh1、h2：冷流体的进出口的单位质量的焓，：冷流体的进出口的单位质量的焓，KJ/Kg 换热器中冷热流体都没有相变化换热器中冷热流体都没有相变化dtdHCp)()(12222111ttCqTTCqQPmPm 换热器中流体有相变换热器中流体有相变KgKJrtt

17、CqrqQPmm/:),(12221饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热， 换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时热热流流体体的的饱饱和和温温度度）（:),(1222211sPmsPmTttCqTTCrqQ 一 恒温传热时的平均温度差恒温传热时的平均温度差当换热器的管程和壳程都有相变化时当换热器的管程和壳程都有相变化时t=T-t Q=KA t二 变温传热时的平均温度差变温传热时的平均温度差逆流时的平均温度差逆流时的平均温度差 dtCqdTCqdQPmPm2211 常量常量常量常量 dtCqdtdQCqdTdQPmPm2211Q-T、Q-t

18、为直线关系为直线关系T=mQ +k，t=mQ+k 两式相减得：两式相减得：t= T- t =（m -m ） Q+（k-k ）假设假设：（：（1）热、冷流体的质量流量）热、冷流体的质量流量qm1和和qm2均为常数；均为常数； （2）热、冷流体的比热容）热、冷流体的比热容Cp1和和Cp2及总传热系数及总传热系数K沿沿 传热面均不变；传热面均不变； （3）忽略热损失。）忽略热损失。逆流逆流t1t2 AttdAQttttdK01221)(1AQttttK1212ln1 1212lnttttAKQ 又又Q=KA tm1212lntttttmQttdQtd12)( dAtTKdQ)( 又又QttdAtKt

19、d12)( dAQttttdK12)(1 并流时的平均温度差1212lntttttmmtAKQ 错流和折流时的平均温度差q Underwood和和Bowman图算法图算法先按逆流时计算对数平均温度差，先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正系数再乘以考虑流动方向的校正系数tm= t tmtm ：按逆流时计算的对数平均温度差：按逆流时计算的对数平均温度差 t：校正系数：校正系数冷热流体的最初温差冷物流的温升1112tTttP冷流体的温升热物流的温降1221ttTTR t=f（P，R）单壳程换热器单壳程换热器两壳程换热器两壳程换热器四壳程换热器四壳程换热器三壳程换热器三壳程换热器 t

20、 2 21111 K2221,11,11 KK提高对流传热系数小的一侧的提高对流传热系数小的一侧的 如果如果 1与与2 相差不大，必须同时提高两侧的相差不大，必须同时提高两侧的 如果如果Rd1与与Rd2为总热阻中的控制因素，则必须减慢污垢的形为总热阻中的控制因素，则必须减慢污垢的形 成速度或及时清理污垢成速度或及时清理污垢（四）总传热速率与热衡算式的关系（四）总传热速率与热衡算式的关系mPmPmtAKttCqTTCqQ )()(12222111 在间壁两侧流体的在间壁两侧流体的ti和和to间设壁温间设壁温tw由于管壁一般都为热良导体，故可认为管壁内外由于管壁一般都为热良导体，故可认为管壁内外温

21、度相同温度相同计算计算i和和o计算计算twsiiiwsoowoR1ttR1tt 4.5 热辐射辐射：凡是热力学温度在零度以上的物体都能以电辐射：凡是热力学温度在零度以上的物体都能以电磁波的方式传递能量的过程。磁波的方式传递能量的过程。辐射能：以辐射的形式所传递的能量。辐射能：以辐射的形式所传递的能量。热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。反射和折射定律根据能量守恒定律根据能量守恒定律：QQQQ 1 QQQQQQ 1 QQQQ物体的透过率物体的透过率物体的反射率物体的反射

22、率物体的吸收率物体的吸收率QQQQQQ 黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 =1, = =0镜体(绝对白体)：能将辐射能全部反射的物体，即 =1, = =0。透热体：辐射能全部透过的物体，即 =1, = =0。 对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。灰体：能够以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体 灰体也是理想物体 吸收率 与波长无关 为不透热体 ( + =1) 工业上常见的固体材料均可视为灰体。物体的辐射能力物体的辐射能力E E 一定温度下一定温度下, , 物体在单位表面积、单位时间内发射物体在单位表面积、单位时间内发射的全部波长的总能量的全部波长的总能量

23、. W/m. W/m2 2单色辐射能力单色辐射能力E : 在相同条件下在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量物体发射的特定波长的能量. dEE0其中其中 ：波长，：波长，m m或或 m mE E ：单色辐射能力，：单色辐射能力，W/mW/m3 3AEddEElim 0 1.普朗克定律普朗克定律 揭示了黑体辐射能力按照揭示了黑体辐射能力按照 波长的分配规律，即表示波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力黑体的单色辐射能力Eb随波长和温度变化的函数关随波长和温度变化的函数关系。系。1251T/cbecE T T：黑体的热力学温度，：黑体的热力学温度，K KC C1 1：常数，：常数，3.7433

24、.743 1010-16-16 W W m m2 2C C2 2：常数，：常数，1.43871.4387 1010-2-2 W W m m2 22斯斯斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 揭示了黑体总辐射能力与表面温度的关系揭示了黑体总辐射能力与表面温度的关系 decdEETcbb 0/5101244100 TCTEbb 黑体的辐射常数，为黑体的辐射常数，为5.67 5.67 10 10-8-8 W/ W/（ m m2 2KK4 4 ）；）；C Cb b 黑体的辐射系数，为黑体的辐射系数，为5.67W/(m5.67W/(m2 2KK4 4) ) 四次方定律四次方定律可推广到灰体四次方定律可推

25、广到灰体4100TCEC C 灰体的辐射系数，其值恒小于灰体的辐射系数，其值恒小于C Cb b bEEbCC 4100 TCEEbb 3克希霍夫定律克希霍夫定律 揭示了物体的辐射能力揭示了物体的辐射能力E与它的吸收率与它的吸收率之间的关系之间的关系E1, 1, T1Eb, T2E1板1(灰体)板2(黑体)Eb 1Eb(1- 1)EbT1 T2板1(灰体)能量平衡：辐射传热达平衡(两物体温度相等)时：q=E1-1Ebq q：两板间辐射传热的热通量，：两板间辐射传热的热通量，W/mW/m2 2q=0E1=1Eb 或或 E1/1=Eb若板 1 用任意灰体板来代替，则得bEEEEE 332211v灰体

26、辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力 =f(T)=f(T) bEE 4100 TCb 4100 TCEEbb = = C C1-21-2：总辐射系数：总辐射系数若平行的平板面积均为若平行的平板面积均为A A，则辐射传热速率为：，则辐射传热速率为： 4241212-1100100 QTTAC 4241212-1100100 QTTAC 第六节 换热器（一）按用途分类（一）按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器（二）按冷、热流体的传热方式分类（二）按冷、热流体的传热方式分类 两流体直接接触式换热器两流

27、体直接接触式换热器 蓄热式换热器蓄热式换热器 间壁式换热器间壁式换热器（一）夹套式换热器（一）夹套式换热器为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。（二）沉浸式蛇管换热器（二）沉浸式蛇管换热器为了强化传热，容器内加搅拌。 优点：结构简单，不便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小， （三）喷淋式换热器（三）喷淋式换热器用途：用于冷却或冷凝管内液体。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗 ，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，安装在室外。（四）套

28、管式换热器（四）套管式换热器用途：广泛用于超高压生产过程，用于所需传热面积不多的场合。 优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大， 能保持完全逆流，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多易漏，占地较大。（五）螺旋板式换热器（五）螺旋板式换热器优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑A/V大， 成本较低。缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修， 流体阻力较大。 （六）板式换热器（六）板式换热器优点：传热效率高，总传热系大，结优点：传热效率高，总传热系大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。构紧凑，操作灵活，安装检修方便。缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，缺

29、点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。处理量小。 （七）板翅式换热器（七）板翅式换热器优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。（八）翅片管换热器（八）翅片管换热器（九）列管式换热器（热补偿方式）（九）列管式换热器（热补偿方式） 固定管板式固定管板式 U型管换热器型管换热器 浮头式换热器浮头式换热器特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力， 是应用较多的一种结构形式。 流体流径的选择流体流径的选择 不洁净、易结垢、腐蚀性、压强高的流体走管程不洁净、易结垢、腐蚀性、压强高的流体走管程 饱和蒸汽走壳程饱和蒸汽走壳程 被冷却流体走壳程被冷却流体走壳程 粘度大的流体走壳程粘度大的流体走壳程流体流速的选择流体流速的选择管子的排列方法的选择管子的排列方法的选择管程和壳程数的选择管程和壳程数的选择折流挡板的选择折流挡板的选择外壳直径的选择外壳直径的选择材料的选择材料的选择主要附件主要附件增大传热面积增大传热面积增大平均温度差增大平均温度差增大总传热系数增大总传热系数 增大流速增大流速 防止结垢和及时清除污垢防止结垢和及时清除污垢