食品工程原理第二章 传热 课件.ppt

第二章 传热,了解热传导、热对流和热辐射的基本概念；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；熟悉各种热交换设备的结构和特点；掌握稳定综合传热过程的计算；了解并掌握强化传热和热绝缘的措施。,本章重点和难点,一、传热在食品工程中的应用,第一节 传热的基本概念,传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所进行的热的转移。传热在食品工程中的应用：(1)一般的加热、冷却、冷凝过程；(2)食品的杀菌和保藏；(3)蒸发浓缩、干燥、结晶(通过加热去除水分)；(4)蒸煮、焙烤(通过加热使食品完成一定的生化反应)。食品生产过程对传热的要求：强化传热(加热或冷却物料)削弱传热(设备和管道的保温),二、传热的基本方式,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：,热传导(conduction)；热对流(convection)；热辐射(radiation)。,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。,1.热传导（又称导热）,2.热对流,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对流。热对流仅发生在流体中。,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。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。,热对流的两种方式：,自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。,3、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，而往往是相互伴随着出现的。,三、换热器类型,换热器：实现冷、热介质热量交换的设备,冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。,直接混合式 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。蓄热式 热量 存储在热载体上 传递给冷流体。,用于输送热量的介质载热体。加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。水蒸气、热水等。冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。,间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：夹套式热交换器；蛇型式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。,四、传热过程中基本问题与传热机理,传热过程中的基本问题可以归结为：载热体用量计算 传热面积计算 换热器的结构设计 提高换热器生产能力的途径。解决这些问题，主要依靠两个基本关系。热量衡算根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则Q热=Q冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。,传热速率传热速率Q（热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，以Q表示，其单位W(j/s)。热通量q：单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/S 实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差tm及传热面积S成正比，即：Q=KStm(1-1)S=nd L(1-2)式 中：Q传热速率，W；S传热面积，m2；tm温度差，；K 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2；n 管数；d 管径，m；L 管长，m。,温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场(temperature field)。,第二节 热传导一、傅立叶定律1 温度场和温度梯度,一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,),等温面的特点：（1）等温面不能相交；（2）沿等温面无热量传递。,不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场：若温度不随时间而改变。等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。,温度梯度:,温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正 一维定态热传导,傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即,式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，w S导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数(thermal conductivity)，w/m.k。,式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。,2 傅立叶定律,表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好,用热通量来表示,对一维稳态热传导,表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。一般金属（固体）的导热系数非金属（固体）液体气体多数固体与温度的关系=k0+kt 单位：W/(m K)k0-0下的导热系数 k为经验常数。对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。,导热系数,单位：W/(m K),对于金属 t(通过自由电子的运动)对于非金属 t(通过靠晶格结构的振动)对于液体 t(通过靠晶格结构的振动)对于气体 t(通过分子不规则热运动)随压力变化不大。只有当系统的压力P,3kpa P或P200Mpa，随压力的降低，导热系数也降低，当达到真空，约为0，保 温 瓶 的 夹 层 抽 真 空 就 是 此 道 理。,如图所示：,平壁壁厚为b，壁面积为S；壁的材质均匀，导热系数不随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。平壁侧面的温度t1及t2恒定。,二、平壁的稳定热传导1 单层平壁的热传导,式中t=t1-t2为导热的推动力(driving force)，而R=b/S则为导热的热阻(thermal resistance)。,根据傅立叶定律,分离积分变量后积分，积分边界条件：当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2，,将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：过程传递速率=过程的推动力/过程的阻力。(对传热，传质，动量传递“三传”均适用）,当为常数，,单层平壁内温度分布为直线,当随温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。,如图所示：以三层平壁为例,假定各层壁的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系数分别为1，2，3，皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁的面积为S，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。,2 多层平壁的稳定热传导,第一层,第三层,第二层,对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q,同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为,式中i为n层平壁的壁层序号。,例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm，填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/mk，绝缘材料的热导率为0.04w/mk，墙外表面温度为10，内表面为-5，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。,按温度差分配计算t2、t3,解：根据题意，已知t1=10，t4=-5，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=3=0.70w/mk，2=0.04w/mk。,按热流密度公式计算q：,如图所示：,设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半径为r2，外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面积随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为S=2rL。,三、圆筒壁的稳定热传导1 单层圆筒壁的稳定热传导,将上式分离变量积分并整理得,根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为,讨论：,（1）上式可以写为,对数平均面积,（2）,（3）圆筒壁内的温度分布,上限从,改为,tr呈对数关系变化,（4）平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等,对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。,如图所示：以三层圆筒壁为例。,假定各层壁厚分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各层材料的导热系数1，2，3皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。,2 多层圆筒壁的稳定热传导,多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。对于第一、二、三层圆筒壁有,根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得,同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为,注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。,思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示；试分析哪一层热阻最大，并说明各层的大小。,例 在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,解：每米管长的热损失,此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m,保温层界面温度t3,解得 t3=131.2,对流传热：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，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。,第三节 对流传热一、对流传热的基本概念,传热边界层（thermal boundary layer）：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。,式中 Q对流传热速率，W；S传热面积，m2 t对流传热温度差，t=T-TW或t=t-tW，；T热流体平均温度，；TW与热流体接触的壁面温度，；a对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或W/m2）。,上式称为牛顿冷却定律。,简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以代替/t 而用下式描述对流传热的基本关系,Q=S（T-Tw）,二、对流传热速率,1 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 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：影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数、粘度等；,3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；,4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；,5 传热表面的形状、位置及大小：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。,三、影响对流传热系数的主要因素,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M，长度L，时间T，温度。,通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：,即,四、对流传热中的因次分析,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：,1、应用范围,2、特性尺寸 无因次准数Nu、Re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寸作为特征尺寸。,3、定性温度 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）。,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的单位制度。,关联式,无相变,有相变,自然对流,强制对流,湍流过渡区层流,蒸汽冷凝液体沸腾,Nu=0.023Re0.8Prn,式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。,应用范围：Re10000，0.760。特性尺寸：取管内径，定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,第四节 对流传热系数关联式一、流体无相变时对流传热系数的关联式1 流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数1.1 圆形直管内强制湍流时的对流传热系数1.1.1 低粘度流体,Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14,应用范围 Re10000，0.760。特性尺寸 取管内径定性温度 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。,当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时（/w）0.14=0.95 对于气体，不论加热或冷却皆取1。,1.1.2 高粘度流体,例：常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，603.5mm的钢管中流动，温度由150升到250。试求管壁对空气的对流传热系数。,解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200 查200时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2=0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560,Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5)=2.28 104 104(湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68,W/m2,本题中空气被加热,n=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4,流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。,当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：,Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14,应用范围：Re100。特性尺寸：取管内径di 定性温度：除w取壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。,1.2 流体在圆形直管内作强制滞流,当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。,对水平管，按下式计算,应用范围：Re50；当管子较短，l/d50时，计算所得的值应校正。特性尺寸：取管内径di定性温度：壁温tw与流体进、出口平均温度的平均值tm，即 膜温。,Nu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2,对于垂直管，自然对流的影响较大，可作近似校正。如强制对流方向和自然对流方向相同时，值按上式计算结果减少15%，方向相反时，加大15%。,校正系数f的数值,在过渡流时，对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算，根据所得的值再乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热系数。,1.3 流体在圆形直管内作过渡流,流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。,式中 弯管中的对流传热系数，w/（m2）直管中的对流传热系数，w/（m2）R 弯管轴的弯曲半径，m,1.4 流体在弯管内作强制对流,例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为252.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为35。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。,解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25 查25时水的物性数据（见附录）如下：Cp=4.179103J/kg=0.608W/m=90.2710-3Ns/m2=997kg/m3,Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在230010000之间，为过渡流区,Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2=6.2a可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算,水被加热,n=0.4。,校正系数 f,W/m2,采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。,当量直径按下式计算,具体采用何种当量直径，根据所选用的关联式中的规定而定。,或,1.5 流体在非圆形管内强制对流,在错列管束外流过时 Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流过时 Nu=0.26Re0.6Pr0.33,应用范围：Re3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为10，若不为10时，计算结果应校正。,2 流体在管外强制对流2.1 流体在管束外强制垂直流动,换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：,（1）多诺呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14,应用范围:Re=(23)104 特性尺寸:取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度:除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。,2.2 流体在换热器的管间流动,（2）凯恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14,注：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，则仍用管内强制对流的公式计算，只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。,应用范围:Re=21031 105 特性尺寸:取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。定性温度:除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。,Nu=c（GrPr）n,定性温度:取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算 术平均值。,式中的c、n值见表,3 自然对流,蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。,膜状冷凝：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。,滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，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，此中冷凝称为滴状冷凝。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。,二、流体有相变时的对流传热系数1 蒸汽冷凝时的对流传热系数,1.1.1 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,式中 l垂直板或管的高度、冷凝液的密度、导热系数、粘度 r饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径 n管束在垂直面上的列数,1.1 膜状冷凝时对流传热系数,冷凝液膜流动为层流（Re1800）时：,冷凝液膜流动为湍流（Re1800）时：,1.1.3 影响冷凝传热的因素 蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度()，若逆向流动，液膜厚度()，蒸汽的流速较大，液 膜 吹 跑，冷凝液膜两侧的温度差 t：当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，可达60%。,冷凝壁面的影响：如对于翅片管和螺旋管，；传热面积S，冷凝管的方位：对于水平管：若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜变厚，；沿垂直方向排管数目，。管束改为错列，或加除液挡板，。对于垂直管:尺寸，。管外开槽，。流体的物性：（汽化热r、密度、），；，,2 液体沸腾时的对流传热系数 2.1 液体沸腾的基本概念 液体的沸腾:当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有导热过程又有对流传热过程。包括大容积沸腾、管内沸腾。大容积沸腾:将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾（池式沸腾）。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的自然对流，另一方面又因气泡运动所导致的液体运动。管 内 沸 腾:液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。,2.2 液体沸腾曲线 大容积饱和液体沸腾的情况随温度差t（壁温与液体饱和温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。1、AB段：表面汽化:温度差t 较小时，在加热表面的液体 内产生自然对流，仅在液体 表面发生蒸发，没有气泡逸 出，沸腾传热系数和热通 量q都较低。2、BC段：核状沸腾：当t升 高时，加热表面的局部位置 产生气泡，气泡产生的速度 随t上升而增加，由于气泡 的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，和 q 急剧增大。,3、CD段：不稳定膜状沸腾或 部分核状沸腾：当 t增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着 t的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反而下降。4、DE段：当达到D点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随t增大，不变，q又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为膜状沸腾。临界点tc和qc：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷qc 和临界温度tc。由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。,2.3 影响沸腾传热的因素 温度差t：t是控制沸腾给热过程的重要参数，控制t 不大于tc，使操作处于泡状沸腾。在t tc 时，t，。操作压强：提高沸腾压强相当于提高液体的t s，使液体的表面张力 和粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸 腾传热。在相同的 t下，和q都提高。液体性质的影响 液体的，和表面张力，汽化潜热r等均对沸腾 传热有重要影响。一般认为：（导热能力）或（自然对流）或（气泡易于脱离）,加热表面 加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。表面粗糙度，气泡核心数 表面油污，,2.4 沸腾传热系数的计算,由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：莫斯金斯基经验式：,R为对比压强；p为操作压强；pc为临界压强,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：,1、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。,2、选定相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。,3、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。,4、计算公式中的各物性数据的单位。,对流传热系数小结,5、冷凝传热和沸腾传热机理、影响因素（重点）。,传热计算主要有两种类型：,设计计算 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。,校核计算 计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。,第五节 稳定传热的计算,对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有,式中 Q换热器的热负荷，kJ/h或w W流体的质量流量，kg/h H单位质量流体的焓，kJ/kg 下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。,Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1),一、热量恒算,若热损失QL不能忽略：,Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)+QL,若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有,若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有,当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有,注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。,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方程（仿对流传热速率方程）为,上式称为总传热速率方程。,二、总传热速率方程1 总传热速率微分方程,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 Ki、Ko、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积 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，m2,在工程大多以外表面积为基准，即取Ko=K，当K取整个换热器的平均值，则总传热速率方程可写为：,Q=KSTm,Tm换热器间壁两侧流体的平均温差，S换热器外表面积，m2,总传热系数K是表示换热设备性能好坏的重要参数，也是传热计算中重要的依据。Kf（流体的物性、操作条件、换热器的类型等）K的来源：（1）生产实际的经验数据（查手册）（2）实验测定（3）分析计算,2 总传热系数,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dS的传热由三步过程构成。,由热流体传给管壁 dQ=i(T-Tw)dSi,由管壁传给冷流体 dQ=o(tw-t)dSo,通过管壁的热传导 dQ=(/b)(Tw-tw)dSm,由上三式可得,2.1 总传热系数的计算式,由于dQ及（T-t）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,所以,求 Ko,总传热系数（以外表面为基准）为:,同理可求出Ki，Km:,总传热系数表示成热阻形式为：,式中：,在计算总传热系数K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Rsi及Rso时，则有,当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有,2.2 污垢热阻,当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为,若o i，则有,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。,若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K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及时清除污垢。,由上可知：,例 一列管式换热器，由252.5mm的钢管组成。管内为CO2，流量为6000kg/h，由55冷却到30。管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为3000W/m2K，CO2 侧的对流传热系数为40 W/m2K。试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。,解：查钢的导热系数=45W/mK 取CO2侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W 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1、2表示。,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，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。,三、传热平均温度差的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。1 恒温传热,T,T,t,t,恒温传热温差图,t,t=T-t,式中 T热流体的温度；t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。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。,2 变温传热,(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方向大致可分为下列四种情况,即并流、逆流、错流和折流,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。,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。,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。,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，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。,并流,逆流,错流,折流,1,2,1,2,1,2,1,2,图 换热器中流体流向示意图,假设：传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。总传热系数为常量（K不随换热器的管长而变化）。换热器的热损失可忽略。,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,3 逆流和并流时的平均温度差,QT和Qt为直线关系，即,T=mQ+k t=mQ+k,t=T-t=(m-m)Q+(k-k),从上式可以看出：tQ关系呈直线，其斜率为,将总传热速率微分方程代入上式，则有,由于K为常量，积分上式有,式中,式中tm称为对数平均温度。当1/2 t2/t1 2时，可用（t2+t1）/2代替对数平均温度差。,当一侧流体变温，另一侧恒温时，不论并流或逆流，其平均温差相等；当两侧流体均变温时，并流和逆流的平均温差不等，通常是：,该式同样适用于并流传热过程。,例 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100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。,解：并流,逆流,逆流操作时，因t2/t1 2，则可用算术平均值,由上例可知：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。,在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对热敏性物料加热时，物料的出口温度有限制时才采用并流操作。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tm逆，然后再乘以校正系数t,即,tm=ttm逆,校正系数t与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和P的函数，即,t=f(R，P),式中 R=(T1-T2)/(t2-t1)=热流体的温降/冷流体的温升 P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流体的温升/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R和P值后，校正系数t值可根据R和P两参数从相应的图中查得。一般设计时，要求 0.9，最小不低于0.8,4 错流和折流时的平均温度差,例:在一双管程列管换热器中，壳方通入饱和水蒸气加热管内的空气。110 的饱和水蒸气冷凝成同温度的水，将空气由20 加热至80。试计算：(1)换热器第一管程出口空气的温度；(2)第一管程内的传热量占总传热量的百分数。解：(1)对双管程传热,则:,第一管程传热:,(2)第一管程内传热量:,总传热量:,例:在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管程湍流流动，并由20加热到106。列管换热器的管长为4m，内有19mm2mm的列管25根。若换热器的热负荷为125kw，蒸汽冷凝传热系数为7000w/(m2)，油侧垢层热阻为0.0005(m2)/w，管壁热阻和蒸汽侧垢热阻可忽略。试求：(1)管内油侧对流传热系数；(2)油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度不变，假设油的物性不变，求油的出口温度；(3)油的流速增加一倍，保持油进、出口温度不变，求饱和蒸汽的温度。,解：,解得 T=185.5,四、传热面积的计算,1、总传热系数K为常数(工程计算常用),2、总传热系数K为变数(不常用),（1）K随温度呈线性变化时：,（2）K随温度变化较大时：,或,2.用一由252.5mm的管子组成的单程列管式换热器，用初温为10的水将机油由200冷却至100，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000 kg/h和1200 kg/h，其比热分别为4.18 KJ/KgK和2.0 KJ/Kgk；水侧和油侧的对流传热系数分别为2000 W/m2k和250 W/m2k，两流体呈逆流流动，假设流体流动状态皆为湍流，忽略管壁和污垢热阻。试求：（1）冷却水的出口温度；（2）基于管外表面积的总传热系数K0(3)所需换热器的传热面积S,2.解：（1）,由,冷却水的出口温度Tc2为,（2）基于管外表面积的总传热系数K0,（3）,对稳定传热过程,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 和平均传热面积。Tw、tw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,整理上式可得,五、壁温的计算,例 在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500,出口400。管外为p=981kN/m2压力（绝压）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a2=10000 W/m2。忽略管壁的污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。,解：(a)总传热系数 以管子内表面积S1为基准,(c)计算单位面积传热量,(d)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 T=(500+400)/2=450,管内壁温度,(b)平均温度差 在p=981 kN/m2，水的饱和温度为179,管外壁温度,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，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。,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：,1、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 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压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。,五、传热的强化,3、减少传热阻力(提高K值)（1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（2）防止污垢形成或经常清除污垢；（3）加大流速，提高湍动程度，减少层流内层的厚度提高对流传热系数；（4）改变流动条件，设计特殊的传热壁面，使流体不断改变流动方向，提高湍流程度。如内插入物管、螺旋管、T型翅片管等；（5）尽量采用有相变的载热体，可以提高给热系数；,一、基本概念,1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。,特点：能量形式的转换 不需要任何介质,第六节 辐射传热,3、吸收率 A，反射率 R 和透过率 D（Absorption,Reflection and Diaphaneity),4、黑体、白体和透体,黑体 A=1 镜体 R=1 透体 D=1 黑体和镜体都是理想物体，实际上并不存在。,根据能量守恒定律：,辐射能的吸收、反射和透射示意图,5、灰体和黑度,灰体：能吸收从0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。灰体有以下特点：（1）灰体的吸收率与投射辐射的波长无关。（2）灰体是不透热体，即A+R=1,黑度：辐射率,二、物体的辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E表示,W/m2,0黑体辐射常数,5.669 10-8W/(m2K4),1、黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感,绝对温度,C0黑体辐射系数,5.669W/(m2K4),2.克希霍夫(Kirchhoff)定律,该定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。,克希霍夫定律表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈强，也就是说，善于吸收的物体必善于辐射。,三、两固体间的辐射传热,1、两物体表面构成封闭空间时,（1）S1=S2(即两物体表面无限大时),（2）S1S2，即S1/S20,2、两物体表面为平行放置的两有限表面时,F12为角系数，由平行面间辐射传热的角系数图查得。,换热器的分类：,按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。,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：主要包括：管式和板式两类。管式包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，板式包括螺旋板式、夹套式等。,第七节 换热器,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：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。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，如增设搅拌装置，则可提高传热效果。,1 蛇管式换热器,一、间壁式换热器,喷淋蛇管式换热器：冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下