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1、,2.1 热传导 2.2 对流传热 2.3 辐射传热 2.4 稳定传热过程计算 2.5 不稳定传热 2.6 换热器简介,基本概念,热传导(conduction); 对流(convection); 辐射(radiation)。,传热是由于温度差而引起的能量转移热量传递。 根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：,强化传热：加热或冷却物料,削弱传热：设备和管道的保温，减少热损失,2.1热传导（conduction）,通过微观粒子（分子、原子和电子）的运动 实验能量传递。,A 傅立叶定律, 热导率（thermal conductivity）,W/(mK),其中保温隔热材料： 0.17 W/(mK),
2、2.1.1傅立叶导热定律与热导率,温度梯度,q热流密度，w/m2,负号表示高温传向低温，热流方向与温度梯度方向相反,B 热导率,表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。 与物质组成、结构、温度和压强有关。,： 金属非金属固体液体气体 大多数食品物料热导率的数量为101 热传导时，物质内不同位置的温度可能不同，也会不同，一般取两传热温度下的平均值。,平壁：一维热传导q为常量,圆筒壁：温度仅沿半径方向变 化Q是常量,2.1.2 通过平壁的稳态导热,A 单层平壁的稳态导热,o,Q:传热速度（热流量）W(J/S) R:导热热阻 S:传热面积,傅立叶定律是热传导的基本定律,当为常量时,则平壁内任一
3、等温面的温度,x,T1,T,T2,b,B 单层圆筒壁,则圆筒内的温度分布,温度仅仅沿半径方向变化,传热面积不是常量。随半径而变,Q是常数，q不是常数,A 多层平壁,2.1.3 多层平壁的稳态导热,平壁稳定导热q 相等,某冷库壁面由0.076m厚的混凝土外层，0.100厚的软木中间层及0.013m厚的松木内层组成。其相应的热导率为：混凝土0.762W/(mK)；软木0.0433W/(mK).松木0.151W/(mK).冷库内壁面温度为18，外壁面温度为24.求进入冷库的热流密度以及松木与软木交界面的温度。,解：由题意为三层平壁的导热，T1=24,T4=-18,b1=0.076m,b2=0.100
4、m,b3=0.013m,1=0.762W/(mK),2= 0.0433W/(mK) ,3 =0.151W/(mK),(1)计算热流密度q,(2)计算松木与软木交界面的温度T3,B 多层圆筒壁的稳态导热,多层圆筒壁Q相等,整理上三式可得,例：内径为25.4mm，外径为50.8mm的不锈钢管，其热导率为21.63w/(m.k).外包厚度为25.4mm的石棉保温层，其热导率为0.2423w/(m.k).管的内壁面温度为538，保温层的外表面温度为37.8,计算钢管单位长度的热损失及管壁与保温层分界面的温度。,（1）单位管长的热损失Q/L,T2 =532.5,（2）计算管壁与保温层分界面的温度,2.2
5、 对流传热,2.2.1 牛顿冷却定律,（Newtons Law of cooling ）,式中 对流传热系数，W/（m2K） S 总传热面积，m2 T 温度差的平均值,对流传热的所有复杂性都集中在中,对流传热-流体与固体壁面,热对流流体质点间发生相对位移而引起的热量传递过程仅发生在流体,反映了对流传热的快慢，越大表示对流传热愈快。与不同，不是物理性质，受许多因素影响。,距离,T,Tw,tw,t,热流体,冷流体,传热壁面,湍流主体,湍流主体,传热壁面,层流 底层,层流 底层,对流传热示意图,各质点混合温度梯度小各处温度基本相同对流传热,对流传热热阻主要滞流内层（层流底层）,分层流动，各层通过导热
6、进行。热导率小，导热热阻大，温度梯度大。,对流传热系数关联式,2.2.2 对流传热系数关联式的建立方法,理论方法,实验方法量纲分析实验确定各准数关系,准数的符号与意义,准数的符号与意义,流体在管内作强制对流,流体在圆形直管内用强制湍流、层流、过渡流,流体在圆形弯管内作强制对流,流体在非圆形管内作强制对流,流体外绕壁面强制对流,流体平行流过平板,流体流过单个球体的表面,流体垂直流过圆柱体,流体在搅拌槽内强制对流,大空间自然对流传热,蒸气冷凝放热,沸腾传热,2.2.3 流体在管内强制对流,气体或低粘度液体,高粘度液体,流体绕外壁强制对流,绕方形物体,绕柱形物体,流体绕外壁强制对流,2.2.6大空间
7、自然对流传热,例题：某管道上有一个边长为0.051m0.04m的长方形铜片，它的温度均匀地保持在82.2，当101.3kPa、7.8的冷空气以12.2m/s的速度沿长边平行流过此铜片时，试计算对流传热系数。,解：定性温度,定性尺寸 L0.051m,在附录中查得45、101.3kpa下空气物性如下：,2.2.7蒸气冷凝放热,冷凝传热过程分析,膜状冷凝传热系数的关联式,蒸气冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝,饱和蒸气与低于其温度的壁面接触时，放出潜热。,水以1m/s的流速从25mm2.5mm的管内流过，由20加热40，管长3m.求水与管壁之间的对流传热系数。,解：由题意得出管内强制流动。 （1）定性温度：
8、定性尺寸：,（2）查取定性温度下的物性。,（3）计算水的对流传热系数,为湍流，选用式210，水被加热，n=0.4,100的 饱和水蒸气在外径为0.05m，长度为2m的单根垂直圆管外冷凝，管外壁温度为80.度求单位时间的蒸气冷凝量。如果管子改为水平放置，问蒸气冷凝量为多少？,解：蒸气的冷凝潜热取100下的值，由附录查得：,定性温度 T（10080）/290 由附录查得90下水的物性为,（1）单根垂直圆管外冷凝。先假设为层流，则用式222,校对流动类型：,假设正确： 由牛顿冷却定律，得,蒸气冷凝量为,单根水平管外冷凝。以 分别表示管垂直和水平放置时的冷凝传热系数，用式224除以式222，并注意到N
9、1，得,2.2.8 沸腾传热,液体与温度高于其饱和温度的壁面接触被加热汽化、并产生气泡的过程称为液体沸腾或沸腾传热。,同种液体沸腾传热时的对流传热系数比无相变时的大。,大容器内饱和沸腾随加热面壁温与液体饱和温度之差TTw-Ts的变化出现不同类型的沸腾状（三个阶段） 1 当温差较小时，加热表面上的液体轻微过热，使液体内部产生自然对流，但没有气泡逸出液面，只在液体表面发生蒸发。自然对流 2 当温差升高，气泡开始在加热面个别地点产生（称为汽化核心）。在此阶段由汽化核心产生的气泡对传热起着主导的作用，泡核沸腾或核状沸腾 3 随着温差的进一步增大，加热面的汽化核心数进一步增多，气泡产生的速度大于脱离加热
10、表面的速度，使得气泡在脱离壁面前就连接起来，形成一层蒸气膜。不稳定膜状沸腾稳定膜状沸腾 由泡核沸腾向膜状沸腾过渡的转折点称为临界点。,2.3.1 基本概念,1.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称为热辐射,（thermal radiation）,2.3 辐射传热,2、吸收率 A，反射率 R 和透过率 D （Absorption,Reflection and Diaphaneity ),3、黑体、白体和透体,黑体 A=1 白体 R=1 热透体 D=1,根据能量守恒定律：,理想物体，并不存在,4、灰体,灰体： 能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称灰体。,理
11、想物体，工程材料作为灰体处理,吸收率与波长无关,不透热体 A+R=1,2.3.2 物体的辐射能力 物体的辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，记做E，单位是W/m2,A 斯蒂芬波尔茨曼（Stephen-Boltzman ）定律 黑体的辐射能力记做Eb 。,上式说明，黑体的发射能力正比于热力学温度的四次方，亦称四次方定律。,为黑体的辐射常数，其值为5.6710-8 w/(m2K4) T 为黑体表面的绝对温度，K,黑度（发射率）,B 克希霍夫（kirchhoff）定律,揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。,表明灰体的吸收率在数值上等于同温度下该灰体的
12、黑度。物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈强，善于吸收的物体必善于辐射,2.3.3 两固体间的辐射传热,A 有效辐射与角系数,灰体（S，）,本身辐射的能量,投射能量的反射,有效辐射 J,单位时间内由灰体表面所射离的总能量。 例图,设q为该灰体单位表面与外界的换热量,角系数F12 ：从物体1的表面所发射的能量被另一物体2所截获的分数，F12称为物体1对物体2的角系数。,S1F12=S2F21 S1、S2分别为物体1和物体2的表面积，m2 F12、F21分别为物体1对物体2的角系数和物体2对物体1 的角系数。,B 辐射传热的计算,对于S1=S2的大平板,对于S1S2,平行两有限表面,解：本题属于两表面
13、构成的封闭空间的辐射传热，应用式239，有,2.3.4 对流与辐射综合传热,在食品工业中，许多设备的外表温度高于环境温度，通过对流和辐射方式，向周围散热，造成大量的能量损失。,对流,辐射,总热损失,对流辐射综合传热系数,外径为194mm的蒸气管道，外包一层热导率为0.09w/(m.k)的保温材料。管道的外壁面温度为133，保温层外表面温度要求不超过40，周围环境温度为20，求保温层的厚度应为多少？,解：由题给条件，可选用式246计算。,设加了保温层以后的管道外径为d0，则单位管长的热损失为：,在稳定传热过程中，热损失等于通过保温层导出的热量,无相变化,上式即为换热器的热量恒算式。,式中 Q换热
14、器的热负荷，kJ/h或w QL 换热器的热损失，w Cp 流体的平均定压比热容，J/(kg.k) W流体的质量流量，kg/s 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=WhCph(Th1-Th2)=WcCpc(Tc2-Tc1)+QL,2.4 稳定传热过程计算2.4.1热量恒算,若换热器中 两流体有相变时，则有,式中 cp流体的比热，J/（kgk ） r饱和蒸气的冷凝潜热，J/kg Ts冷凝液的饱和温度，,Q=Whr+cph(Th1-Th2)=WcCpc(Tc2-Tc1)+QL,Q=Whr=WcCpc(Tc2-Tc1)+QL,2.4.2 总传热速率方程,间壁式换热器
15、,K换热器的平均传热系数，(总传热系数)w/(m2.k) 主要取决于流体的物性、操作条件、换热器类型,A 总传热系数的计算,通过管壁的导热,外侧的对流传热,Q1,Qcond,Q0,稳定传热通过各步的传热速率相等,管壁内侧的对流,与Q=KSTm比较,外壁,内壁,平壁,总热阻,B 污垢热阻,由于传热壁面上积存一层污垢，对传热产生的附加热阻。管内外表面的污垢热阻分别为Rsi，Rso,m2.K/w,平壁,某一蒸发器，管内通90热流体加热，对流传热系数i为1160w/(m2K).管外有某种流体沸腾，沸点为50，对流传热系数0为5800w/(m2K). 求以下两种情况下的壁温： （1）管壁清洁无垢 （2）
16、外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005w/(m2K).,解：在传热过程中，金属壁的热阻很小，通常可以忽略不计。根据温度差与热阻成正比，壁温TW，管内流体温度Th，管外流体温度为Tc,壁温更接近热阻较小一侧的流体温度,1.管壁无污垢时的壁温,2.管壁外侧有污垢时的壁温,2.4.4 传热的平均温度差,A 恒温传热时的平均温差,恒温传热：换热器中间壁两侧的流体均有相变化，两流体温度保持不变。 Tm=Th-Tc,B 变温传热时,逆流和并流,错流和折流,逆流时,热流体Th,冷流体Tc,进口 100,出口 30,40 出口,15 进口,T,70,25,并流时,热流体Th,冷流体Tc,进口 100,进口 15
17、,40 出口,30 出口,T,85,10,用一传热面积为20m2的换热器将流量为1.4kg/s的某种气体从50冷却到35，使用的冷却水初温为25，与气体作逆流流动。换热器总传热系数为230W/(m2K).气体的平均比热容为1.0kJ/(kgK)。求冷却水用量及出口温度。水的比热容取为4.18kJ/(kgK) 。,解：热量衡算式,将已知数据代入上两式得：,2.4.5 传热面积的计算,A 总传热系数K为常数 若流体的物性随温度变化不大，则K可视为常数或进出口处传热系数的算数平均值。,B K为变数,K1，K2换热器两端处的传热系数,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
18、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。,3、减少传热阻力 （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均有利于提高对流传热系数。,2.4.6 传热的强化,2.5 不稳定传热,不稳定传热：是在传热过程中温度场随时间而变化的传热过程。
19、 工业生产上间歇换热设备和连续生产时换热设备的启动 及停车过程，罐头食品和香肠在蒸气中的加热灭菌及浸在冷水的冷却，鲜肉的冷冻或解冻等。,集总参数分析法,图解法,2.5.1 集总参数分析法（忽略内阻）,假定在不稳定传热过程中的任意时刻物体内部温度均匀一致,把温度为T1的高温固体置于T1的冷流体中， 使用上式需满足条件。Bi,2.6 换热器简介,A 换热器的分类,1.直接接触式,冷热两流体直接接触混合换热，传热效率很高,例：喷射式冷凝器,2.非直接接触式,（1）间壁式,（2）蓄热式,（3）流化床,间壁式换热器又可分为：,管式换热器 包括壳管、列管、螺旋管式等,板式换热器 包括片式、螺旋板式等,扩展
20、表面式换热器 包括板翅式、管翅式等,1 夹套式换热器,结构简单，传热系数不高，可在釜内安装搅拌器，可在夹套内设置螺旋隔板。,设搅拌器（4）加强传热,夹套（3）中的介质：,蒸汽 1，5,水 5，1,2 沉浸式换热器,沉浸在容器的液体中。结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能受高压。 对流传热系数小，可在容器内安装搅拌器。,3 喷淋式换热器,也为蛇管换热器的一种，多用作冷却器。便于检修和清洗，传热效果好。但喷淋不易均匀。,4 套管式换热器,由直径大小不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成。构造简单，能耐高压，传热面积可根据需要而增减，严格逆流，有利传热。 但接头多，易泄漏，消耗金属量大。适用于
21、传热面积不大而压强较高的场合。,5 列管式换热器,A.结构形式,由圆筒形壳体及其内部的管束组成,管子两端固定在管板上,管板将壳程 和管程流体分开,管板外各有壳体封头,温差补偿结构 有三种：,(a)固定管板式,在壳体上加装 膨胀节1,(c)U型管式,(b)浮头式,浮头2可滑动,B.管程结构,(1)管子 采细管径：d = 1533mm,(2)管板 与管束连接：胀接，焊接,与壳体连接：焊接，法兰夹接,管子在管板 上的排列方式：,(3) 封头和分程,管程分：,单程（流体经1次管全长）,多程：2,4,6程,管箱分程布置方案如图,3.壳程结构,(1) 壳体,(2)挡板,D400mm,用钢板卷制,折流挡板有
22、：,环盘型,圆缺型,挡板,（1） 固定管板式,带有补偿圈或称膨胀节的固定管板式换热器。不用于两流体的温度差过大（不大于70）和壳程流体压强过高的场合。,固定管板式换热器具有结构简单和造价低廉的优点。 缺点是不易检修和清洗；温度差较大时，应考虑热补偿。,（2） 浮头式,浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时， 管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。 其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。,
23、3 U形管式,U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物,4 板式换热器,1.片式换热器,板片间有垫圈：,密封,形成间隙,流体分流,流道基本形式,（a）并流 （b）串流 （c）混流,传热板片表面压成波纹形：,板片强度,湍流程度,波纹有人字形,平直波纹（a）,截面有三角形（b）,梯形（c）,优点 大,紧凑 例：一片式换热器可进行五段操作,2.螺旋板式换热器,2张平行钢板卷制而成,加顶盖、进出液接管,板式换热器,换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取得小些。对于不洁净或易结垢的流体，管径取得大些，以免堵塞。目前我国实行的系列标准规定采用25mm2.5mm和19mm2mm 的管子。 规格型号中通常标明型式，壳体直径，传热面积，能承受的压强和管程数等。 FB50065252。FB表示浮头式B型，换热管为25mm2.5mm，正方形排列，壳体公称直径500mm，公称传热面积65m2，公称压强2.5MPa,管程数为2.,