流体输送装置1,2

1、第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 在化工生产中，为了满足工艺要求，常需要将流体从一地方输在化工生产中，为了满足工艺要求，常需要将流体从一地方输 送到另一个地方，或从低压输送到高压。流体输送机械就是对流体送到另一个地方，或从低压输送到高压。流体输送机械就是对流体 做功，以完成输送任务的机械。本章主要介绍化工中常用的流体输做功，以完成输送任务的机械。本章主要介绍化工中常用的流体输 送设备的基本结构、工作原理和特性。送设备的基本结构、工作原理和特性。 2.1流体输送机械流体输送机械 流体输送机械的种类很多，主要有两大类：离心泵和正位移泵。流体输送机械的种类很多，主要有两大类：离心泵和正位移泵。

2、 一、离心泵一、离心泵 离心泵的工作原理离心泵的工作原理 1. 启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，启动前，前段机壳须灌满被输送的液体， 以防止气缚。以防止气缚。 2. 启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。 3. 液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘 抛出，获得能量，液体以较高的静压能及抛出，获得能量，液体以较高的静压能及 流速流入机壳流速流入机壳( 沿叶片方向，沿叶片方向，u , P静静 )。 由于涡流通道的截面逐渐增大，由于涡流通道的截面逐渐增大， P动动 P 静静 。液体以较高的压力排出泵体，流到所。液体以较高的压力排出泵体

3、，流到所 需的场地。需的场地。 4. 由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一 定的真空度，泵外流体的压力较高，在压定的真空度，泵外流体的压力较高，在压 力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体 的空间。的空间。 5. 叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，叶片不断转动，液体不断被吸入、排出， 形成连续流动。形成连续流动。 2、离心泵的主要部件、离心泵的主要部件 A、泵壳（蜗壳）、泵壳（蜗壳） 采用渐开线形采用渐开线形(半径通道逐渐扩大半径通道逐渐扩大）的泵壳。有利于流体在叶轮和泵壳之间）的泵壳。有利于流体在叶轮和泵壳之间 的通道流动时

4、将动能转化为静压能。的通道流动时将动能转化为静压能。 B、叶轮、叶轮 叶轮是泵对流体做功的部件，也是泵内高速旋转的部件，叶轮的好坏直接叶轮是泵对流体做功的部件，也是泵内高速旋转的部件，叶轮的好坏直接 关系到泵的性能好坏。关系到泵的性能好坏。 叶轮一般有三种类型的：开式、半开式、封闭式叶轮。叶轮一般有三种类型的：开式、半开式、封闭式叶轮。 3.离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。 、流量、流量 Q ，/或或m3/ 泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。泵的流量（又称送液能力）是指

5、单位时间内泵所输送的液体体积。 、扬程，米液柱、扬程，米液柱 泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。 离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情 况等）、转速及流量。况等）、转速及流量。 fg uu g pp HhH vm 20 2 1 2 2 实验：泵压头的测定实验：泵压头的测定 如右图所示，在泵的进出口处分别安装如右图所示，在泵的进出口处分别安装 真空表和压力表，在真空表与压力表之真空表和压力表，在真空表与压力表之 间列柏努

6、得方程式，即间列柏努得方程式，即 式中：式中：pM 压力表读出压力（表压），压力表读出压力（表压），N/m2； pV真空表读出的真空度，真空表读出的真空度，N/m2； u1、u2吸入管、压出管中液体的流速，吸入管、压出管中液体的流速，m/s； Hf两截面间的压头损失，两截面间的压头损失，m。 两截面之间管路很短，其压头损失两截面之间管路很短，其压头损失Hf可忽略不计。可忽略不计。 例例- 某离心泵以某离心泵以20水进行性能实验，测得水进行性能实验，测得 体积流量为体积流量为720m 3/h，泵出口压力表读数为 ，泵出口压力表读数为 0.4MPa，吸入口真空表读数为，吸入口真空表读数为-0.02

7、8MPa ，压，压 力表和真空表间垂直距离为力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和，吸入管和 压出管内径分别为压出管内径分别为350mm及及300mm。试求泵的。试求泵的 压头。压头。 4、功率、功率 泵的有效功率泵的有效功率Pe ：流体所获得的功率。：流体所获得的功率。 PeqvH g 式中式中Pe 泵的有效功率，泵的有效功率，W； qv 泵的流量，泵的流量，m3/s； H 泵的压头，泵的压头，m ； 液体的密度，液体的密度，kg/m3； g 重力加速度，重力加速度，m/s2。 5、轴功率、轴功率P 轴功率指泵轴所获得的功率。轴功率指泵轴所获得的功率。 由于有容积损失、水力损失与机械由

8、于有容积损失、水力损失与机械 损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即 注意：注意：1. 泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵 的轴功率大。的轴功率大。 2. 在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外， 均系指输送清水时的数值。均系指输送清水时的数值。 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 2 1 2 1 n n Q Q 2 )( 2 1 2 1 n n H H 3 )( 2 1 2 1 n n N N 二、离心泵

9、的转数对特性曲线的影响二、离心泵的转数对特性曲线的影响 当转速由当转速由n1 改变为改变为n2 时，其流量、压头及功率的近似关系为：时，其流量、压头及功率的近似关系为： 此式称为比例定律，当转速变化小于此式称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用时，可认为效率不变，用 上式进行计算误差不大。上式进行计算误差不大。 四、物理性质对特性曲线的影响四、物理性质对特性曲线的影响 泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性 质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。质与水相差较大时，要考虑粘度

10、及密度对特性曲线的影响。 1、粘度的影响：所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵、粘度的影响：所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵 的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改 变。变。 2、密度的影响：离心泵的压头与密度无关。（定性分析）、密度的影响：离心泵的压头与密度无关。（定性分析） 泵的轴功率随液体密度而改变。泵的轴功率随液体密度而改变。 离心泵的安装高度和气蚀现象离心泵的安装高度和气蚀现象 p1pa , p1 有有 一定真空度，真空度越高，吸力一定真空度，真空度越高，吸力 越大越

11、大, Hg 越大。越大。 当当p1 小于一小于一 定值后定值后(p1pv, pv 为环境温度下液为环境温度下液 体的饱和蒸汽压体的饱和蒸汽压)，将发生气蚀现，将发生气蚀现 象。为避免发生气蚀现象，应限象。为避免发生气蚀现象，应限 制制p1不能太低，或不能太低，或Hg不能太大，不能太大， 即泵的安装高度不能太高。即泵的安装高度不能太高。 安装高度安装高度Hg 的计算方法一般有两种：的计算方法一般有两种： 允允 许吸上真空高度法；气蚀余量法许吸上真空高度法；气蚀余量法 。 g p g u g p v h 2 2 11 fg p g p g HhH v 0 汽蚀余量：汽蚀余量汽蚀余量：汽蚀余量h是指

12、离心泵入口处，液体的静压头是指离心泵入口处，液体的静压头p1/g 与动与动 压头压头 u12/2g之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv/g的某一最的某一最 小指定值，即小指定值，即 式中式中 h 汽蚀余量，汽蚀余量，m； pv 操作温度下液体饱和蒸汽压，操作温度下液体饱和蒸汽压，N/m2。 如何利用气蚀余量确定泵的安装高度？如何利用气蚀余量确定泵的安装高度？ 将式（将式（2-9）与（）与（2-12）合并可导出汽蚀余量）合并可导出汽蚀余量 h与允许安装高度与允许安装高度Hg之间之间 关系为关系为 上式中上式中p0为液面上方的压力，若为敞口液面则为液面上

13、方的压力，若为敞口液面则p0=pa。 注：注：1. 泵性能表上的值也是按输送泵性能表上的值也是按输送20水而规定的。当输送其它液体时水而规定的。当输送其它液体时 ，需进行校正。具体校正方法可参阅有关文献。，需进行校正。具体校正方法可参阅有关文献。 2. 只要已知允许吸上真空高只要已知允许吸上真空高Hs与汽蚀余量中的任一个参数，均可确定与汽蚀余量中的任一个参数，均可确定 泵的安装高度。泵的安装高度。 例例2-2 2-2 用型号为用型号为IS 65-50-125IS 65-50-125的离心泵将敞口水槽的离心泵将敞口水槽 中的水送出中的水送出, , 吸入管路的压头损失为吸入管路的压头损失为4m(H

14、2O),4m(H2O),当地环当地环 境大气压力的绝对压力为境大气压力的绝对压力为98kpa ,98kpa ,试求试求: (1) : (1) 水温水温 2020时泵的安装高度时泵的安装高度. (2) 水温水温80时泵的安装时泵的安装 高度高度. 解解: 查得泵的汽蚀余量查得泵的汽蚀余量h = 2m 泵的安装高度为泵的安装高度为: 故泵的安装高度故泵的安装高度Hg1.62m。 20时水的时水的 饱和蒸汽压饱和蒸汽压Pv = 23.38kPa m Hh g pp H f v g 62. 1 42 81. 92 .998 10)38.2398( 3 0 允许 七、离心泵的类型与选用七、离心泵的类型与

15、选用 A、清水泵、清水泵 该类流体主要是针对输送清水设计的，原型号用该类流体主要是针对输送清水设计的，原型号用B表示，新的使用表示，新的使用SH表示。是一表示。是一 类使用广泛的泵，既应用于工业生产，还使用于农业生产、水利、灌溉。类使用广泛的泵，既应用于工业生产，还使用于农业生产、水利、灌溉。 B、耐腐蚀泵、耐腐蚀泵 原型号原型号F，新型号为，新型号为IH，是一类输送腐蚀性液体的泵。可以通过更换耐腐蚀元件，是一类输送腐蚀性液体的泵。可以通过更换耐腐蚀元件， 达到适应不同液体的目的。达到适应不同液体的目的。 C、油泵、油泵 型号代码为型号代码为Y，是一类广泛使用于输送有机液体的泵。，是一类广泛使

16、用于输送有机液体的泵。 D、杂质泵、杂质泵 主要是输送含有固体杂质的混合液体的泵，型号代码：主要是输送含有固体杂质的混合液体的泵，型号代码：P 二、其他类型的泵简介二、其他类型的泵简介 （略）（略） 2.2 气体输送机械气体输送机械 气体输送机械的基本原理及其操作原理，与液体输送机械类似，也可以分为离心气体输送机械的基本原理及其操作原理，与液体输送机械类似，也可以分为离心 式、往复式等几类。但由于气体具有可压缩性，在气体在被压送的同时，气体的体积、式、往复式等几类。但由于气体具有可压缩性，在气体在被压送的同时，气体的体积、 压强、温度也随之变化，这些导致气体输送机械在结构、形状有很大的不同。压

17、强、温度也随之变化，这些导致气体输送机械在结构、形状有很大的不同。 例题：用泵把例题：用泵把2020的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为300 300 l l/ /minmin。高位槽液面比贮罐液面高。高位槽液面比贮罐液面高10m10m。泵吸入管用。泵吸入管用 89894mm4mm的的 无缝钢管，直管长为无缝钢管，直管长为15m15m，管上装有一个底阀，管上装有一个底阀( (可初略地按旋启可初略地按旋启 式止回阀全开时计算式止回阀全开时计算) )、一个标准弯头；泵排出管用、一个标准弯头；泵排出管用 57573.5mm3.5mm的无缝钢管，直管长度为的无缝钢管，直管长

18、度为50m50m，管路上装有一个全开，管路上装有一个全开 的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。设的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。设 贮罐液面维持恒定。试选择合适的泵。贮罐液面维持恒定。试选择合适的泵。 11 22 10m 7m 7m f upup hgzWgz 2221 2 22 2 11 式中，式中，z1=0, z2=10m, p1=p2, u1 0, u2 0 W=9.8110+hf 局直fff hhh 解：解： 依题意，绘出流程示意图。取截面和基准面，依题意，绘出流程示意图。取截面和基准面， 如图所示。如图所示。在两截面间列柏努利方程，则有在两截面间列

19、柏努利方程，则有 2 2 u d l f h 直 进口段：进口段： 局直（进口段） hhh f d=89-24=81mm, l=15m 5 105 . 6 88097. 0081. 0 1006. 1Re 4 du smu/97. 0 2 4 081. 0601000 300 0037. 0,3 . 0 81 3 . 0 d mm 查图，查图， 得得 =0.029 22 22 eu f u d l f hh 局局 或 进口段的局部阻力：进口段的局部阻力： 底阀：底阀：le=6.3m 弯头：弯头：le=2.73m 进口阻力系数：进口阻力系数： =0.5 kgJ h u d ll f e /28.

20、4 5.0029.0 )( 2 97.0 081.0 )7.23.6(15 2 2 2 （进口段） 局直（出口段） hhh f 2 2 u d l f h 直22 22 eu f u d l f hh 局局 或 d=57-23.5=50mm, l=50m smu/55. 2 2 4 05. 0601000 300 5 105 . 6 88097. 005. 0 1073. 1Re 4 du 006. 0,3 . 0 50 3 . 0 d mm 查图，查图， 得得 =0.0313 出口段：出口段： 出口段的局部阻力：出口段的局部阻力： 全开闸阀：全开闸阀： le=0.33m 全开截止阀：全开截止

21、阀：le=17m 标准弯头标准弯头(3)：le=1.63=4.8m 出口阻力系数：出口阻力系数： =1.0 kgJ h u d ll f e /150 10313. 0 )( 2 55. 2 05. 0 13.2250 2 2 2 （进口段） kgJhhh fff /3 .15415028. 4 出口进口 总阻力：总阻力： kgJW/4 .2523 .1541 .98 轴功率：轴功率： 选泵选泵 Qe=30060/1000=18 m3/h He= (w/g)=(252.4/9.81)=25.72 m 从离心泵的产品目录中选择泵：从离心泵的产品目录中选择泵：2B31，其参数为：，其参数为： 流量

22、：流量： 25 m3/h； 扬程：扬程： 32m; 转速：转速： 2900 r/min; 功率：功率： 3.71 kW; 效率：效率： 66%； 汽蚀余量：汽蚀余量： 2.5m )(194. 0 66. 0 2 .99872.253600/18 102 kWN HQ e N 泵泵 轴 例例2-32-3：若某输水管路系统要求流量为：若某输水管路系统要求流量为50m50m3 3/h/h，压头为，压头为 18m18m，试选择一台适宜的离心泵，再求该泵实际运行时，试选择一台适宜的离心泵，再求该泵实际运行时 所需轴功率及因用阀门调节流量而多消耗的轴功率。所需轴功率及因用阀门调节流量而多消耗的轴功率。 解

23、解:(1):(1)选泵的型号选泵的型号 由于输送清水，选由于输送清水，选ISIS型水泵，按型水泵，按Q Qe e=50m=50m3 3/h/h，H He e=18m=18m的要求的要求 查查ISIS型水泵系列特性曲线图，可选型水泵系列特性曲线图，可选IS80-65-125IS80-65-125型水泵，转速型水泵，转速 为为2900r/min2900r/min。查附录得该泵的性能如下：。查附录得该泵的性能如下： Q=50mQ=50m3 3/h/h，H=20mH=20m，N=3.63kWN=3.63kW， (NPSH)(NPSH)r r=3.0m=3.0m，=75%=75%， (2)(2)该泵实际

24、运行时所需的轴功率该泵实际运行时所需的轴功率 即泵工作点所对应的轴功率，即当即泵工作点所对应的轴功率，即当Q=50mQ=50m3 3/h/h，轴，轴 功率为功率为N=3.63kWN=3.63kW。 (3)(3)用阀门调节流量而多消耗的功率用阀门调节流量而多消耗的功率 查得查得 Q=50mQ=50m3 3/h/h时，时，H=20mH=20m，=75%=75% 。而管路要求。而管路要求 为为Q Qe e=50m=50m3 3/h/h，H He e=18m=18m。为达到要求的输水量，应改变。为达到要求的输水量，应改变 管路系统所需压头也为管路系统所需压头也为20m20m。 由于阀门调节流量而多消耗

25、的压头为由于阀门调节流量而多消耗的压头为 mH21820 多消耗的轴功率为多消耗的轴功率为 kW HQ N363. 0 75. 03600102 1000502 102 计算允许安装高度计算允许安装高度 安装高度：安装高度： 81. 9 28. 4 81. 92 97. 0 12 2 2 s fg u sg H HHH 判断泵安装高度是否合理。判断泵安装高度是否合理。 1000 24. 0 1081. 9 )10( 3 v ass p HHH 校正允许吸上真空度：校正允许吸上真空度： 一般根据气体压强的变化将气体输送机械分为以下几类：一般根据气体压强的变化将气体输送机械分为以下几类： 1、通风

26、机：出口压强在、通风机：出口压强在15Kpa以下（表压，下同）压缩比以下（表压，下同）压缩比11.5。 2、鼓风机：出口压强在、鼓风机：出口压强在15300Kpa，压缩比小于，压缩比小于4。 3、压缩机：出口压强在、压缩机：出口压强在300Kpa以上，压缩比在以上，压缩比在4以上。以上。 4、真空泵：出口压强在当地的大气压，但入口压强小于大气压。、真空泵：出口压强在当地的大气压，但入口压强小于大气压。 一、离心通风机一、离心通风机 1、工作原理、工作原理 与离心泵相同（略）与离心泵相同（略） 2、结构、结构 同样具有：机壳、叶轮、吸入口和排出口组成。同样具有：机壳、叶轮、吸入口和排出口组成。

27、3、特性参数、特性参数 A、风量：是指出口处排出的风的体积（以进口处的状态计、风量：是指出口处排出的风的体积（以进口处的状态计 算）。算）。 B、风压：是指单位体积的气体流过风机时获得的能量，由于、风压：是指单位体积的气体流过风机时获得的能量，由于 单位与压强单位一直，故称为风压。单位与压强单位一直，故称为风压。 D、轴功率：传动轴所需要的功率。、轴功率：传动轴所需要的功率。 E、效率：传动轴的功率不是完全用来对气体做功，气体获得、效率：传动轴的功率不是完全用来对气体做功，气体获得 的功与轴功率之比。的功与轴功率之比。 二、离心鼓风机和压缩机二、离心鼓风机和压缩机 离心鼓风机与压缩机的结构和操

28、作原理与离心通风机相似。有离心鼓风机与压缩机的结构和操作原理与离心通风机相似。有 单级和多级之分。多级鼓风机其实就是下一级以上一级的出口为入单级和多级之分。多级鼓风机其实就是下一级以上一级的出口为入 口，进行进一步加压。口，进行进一步加压。 三、往复压缩机和真空泵三、往复压缩机和真空泵 1、往复压缩机、往复压缩机 结构如图：结构如图： 由于气体是可以被压缩的，故行程与由于气体是可以被压缩的，故行程与压强的关系曲线，压强的关系曲线， 与往复泵的曲线有点不同。与往复泵的曲线有点不同。 特点：具有很高的压缩比，输出压强可以达到很高的值。特点：具有很高的压缩比，输出压强可以达到很高的值。 第四章第四章

29、 传热传热 4.1概述概述 一、传热的目的及应用一、传热的目的及应用 1、传热的概念、传热的概念 无论是固体、液体、气体，凡是存在温度差，就必然导致热自发的无论是固体、液体、气体，凡是存在温度差，就必然导致热自发的 从高温处向低温处传递，这一过程就是热量传递过程，简称传热。从高温处向低温处传递，这一过程就是热量传递过程，简称传热。 2、传热的目的、传热的目的 传热过程广泛的存在于化工生产过程，且在其中具有极其重要的地传热过程广泛的存在于化工生产过程，且在其中具有极其重要的地 位和作用。位和作用。 A、物料的加热与冷却、物料的加热与冷却; B、热量与冷量的回收利用、热量与冷量的回收利用 C 、设

30、备与管路的保温、设备与管路的保温 二、热量传递的基本方式二、热量传递的基本方式 1、热传导、热传导 热传导简称导热，它是物质各部分之间不发生宏观的相对位移热传导简称导热，它是物质各部分之间不发生宏观的相对位移 的情况下，物质分子热运动的传递。的情况下，物质分子热运动的传递。 2、对流传热、对流传热 由于流体的流动，将热量由一个地方带到另一个地方。由于流体的流动，将热量由一个地方带到另一个地方。 A、自然对流：流体温度发生变化时，密度也相应发生变化，、自然对流：流体温度发生变化时，密度也相应发生变化， 密度小的流体向上流动，密度大的向下流动。密度小的流体向上流动，密度大的向下流动。 B、强制对流

31、：由于外力的作用使流体发生流动的对流传热。、强制对流：由于外力的作用使流体发生流动的对流传热。 3、辐射传热、辐射传热 凡是温度高于绝对凡是温度高于绝对0度的物质，都有向外发射电磁波的能力，度的物质，都有向外发射电磁波的能力， 波所具有的能量为辐射能。热量以辐射能的形式向外传递的传热方波所具有的能量为辐射能。热量以辐射能的形式向外传递的传热方 式称为辐射传热。式称为辐射传热。 三、三、两流体通过间壁换热与传热速率方程式两流体通过间壁换热与传热速率方程式 1、间壁式换热、间壁式换热 冷、热流体之间隔着一个固体的间壁，在换热的过程中相互不冷、热流体之间隔着一个固体的间壁，在换热的过程中相互不 接触

32、。接触。 如图：为单管程列管式换热器如图：为单管程列管式换热器 2、混合式换热器、混合式换热器 冷、热流体直接接触完成热量的传递；冷、热流体直接接触完成热量的传递； 如图：为机械通风式凉水塔如图：为机械通风式凉水塔 该类换热器具有结构简单、该类换热器具有结构简单、 效率高的特点；但是也具有显效率高的特点；但是也具有显 著的缺点：适用范围很狭窄。著的缺点：适用范围很狭窄。 3、蓄热式换热器、蓄热式换热器 冷、热流体周期性的通过换热器，轮流对蓄热体冷、热流体周期性的通过换热器，轮流对蓄热体 进行加热、冷却，从而完成换热。进行加热、冷却，从而完成换热。 如图：为蓄热式换热器。如图：为蓄热式换热器。

33、4.2热传导热传导 一、热传导的基本概念一、热传导的基本概念 1、温度场、温度场 某一瞬间物体内温度的分布称为温度场。一般情况下温度场是某一瞬间物体内温度的分布称为温度场。一般情况下温度场是 空间和时间的函数：空间和时间的函数： 若温度随时间变化，则为非定态传热。若温度随时间变化，则为非定态传热。 2、等温面和温度梯度、等温面和温度梯度 A、等温面、等温面 温度场内温度相等各点组成的曲面，称为等温面。可能是平面温度场内温度相等各点组成的曲面，称为等温面。可能是平面 也可能是曲面。也可能是曲面。 B、温度梯度、温度梯度 等温面的各点温度都是相等的，因此在等温面上没有热量传递等温面的各点温度都是相

34、等的，因此在等温面上没有热量传递 的，热量传递只发生在温度不同的等温面之间。的，热量传递只发生在温度不同的等温面之间。 ).,.,(zyxft (二). 传热速率与热流密度 (三). 稳态传热与非稳态传热 (四).两流体通过间壁的传热过程 (五).传热速率方程式 2、傅立叶定律、傅立叶定律 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：量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即： x t dAdQ （式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。）式中的负号指热流方向和温度梯度方向

35、相反。） 式中式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，w A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal conductivity)，w/m.k。 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，导热系数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。其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。 n t n t gradt n lim 0 3、导热系数、导热系数 上述各式中的上述各式中的作为比例系数为导热系数。作为比例系数为导热系数。的大小

36、表示物质的大小表示物质 导热能力的大小。导热能力的大小。 它的物理意义可以表述为：单位温度梯度下的热通量。数学它的物理意义可以表述为：单位温度梯度下的热通量。数学 式可以表示为：式可以表示为： )/()/(dxdt q dxdtS Q 二、平壁定态热传导二、平壁定态热传导 1、单层平壁热传导、单层平壁热传导 如图：所示单层平壁，建立坐如图：所示单层平壁，建立坐 标系，并在其中取厚度为标系，并在其中取厚度为dx的微元。的微元。 传热速率有：传热速率有： 由于由于x=0时，时，t=tw1；x=时，时， t=tw2； ；对上式进行积分有： 对上式进行积分有： 式中：式中： （热阻）（热阻） dx d

37、t AQ A b R R t A b tt ttA b Q 21 21 )( 2、多层平壁热传导、多层平壁热传导 如图：所示为三层平壁定态热传导示意图。如图：所示为三层平壁定态热传导示意图。 因为是定态热传导，因此有：因为是定态热传导，因此有： 而：而： （1） （2） （3） 将上述三式相加，且将上述三式相加，且 ，有：，有： =t 或者写成：或者写成： 321 QQQQ 总 S Qtt S tt Q 1 1 121 1 1 21 1 S Qtt S tt Q 2 2 232 2 2 32 2 S Qtt S tt Q 3 3 343 3 3 43 3 321 QQQQ 总 )( 3 3 2

38、 2 1 1 41 SSS Qtt 321 3 3 2 2 1 1 RRR t SSS t Q 例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为 12cm，中间夹层厚，中间夹层厚10cm，填以绝缘材，填以绝缘材 料。砖墙的热导率为料。砖墙的热导率为0.70w/mk，绝缘，绝缘 材料的热导率为材料的热导率为0.04w/mk，墙外表面，墙外表面 温度为温度为10 ，内表面为，内表面为-5 ，试计算，试计算 进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙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。的两接触面上的温度。 三、圆筒壁定态热传导三、圆筒壁定态热传导 1、单层圆筒壁定态热传导

39、、单层圆筒壁定态热传导 如图：在内直径和外直径之间，如图：在内直径和外直径之间， 取半径为取半径为r的微层，厚度为的微层，厚度为dr，温差为，温差为dt， 则有：则有： 对上式进行积分有：对上式进行积分有： 令：令： 有：式中：有：式中： （热阻）（热阻） (2) d td t QSrl d rd r 122112 22 21 22 2()2()() ln() ln wwww lttlrrtt Q rr rr rr 21 rr 21 2 1 ln m rr r r r 121212 ()()() mwwwwww m Stttttt Q R S m R S 2、多层圆筒壁定态热传导、多层圆筒壁定

40、态热传导 如图：定态传热时：如图：定态传热时： 将将相加，有：相加，有： 123 QQQQ 总 121 1121 1 11 11 ww ww m m tt QttQ S S 232 2232 2 22 22 ww ww m m tt QttQ S S 343 3343 3 33 33 ww ww m m tt QttQ S S 1414 312 123 1 12233 wwww mmm tttt Q RRR SSS 例例 在一在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材的钢管外层包有两层绝热材 料，里层为料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数 =0.07W/m，外层为

41、，外层为20mm的石棉层，其平均的石棉层，其平均 导热系数导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁。现用热电偶测得管内壁 温度为温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管壁的导，管壁的导 热系数热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两。试求每米管长的热损失及两 层保温层界面的温度。层保温层界面的温度。 4.3对流传热对流传热 一、牛顿冷却定律一、牛顿冷却定律 1、对流传热过程、对流传热过程 如图：为间壁对流传热如图：为间壁对流传热 热流体将热量传递给间壁，热量在热流体将热量传递给间壁，热量在 间壁内做热传导，再传递给冷流体。间壁内做热传导，再传递给冷流体。 冷、热流体与

42、间壁接触处，均存冷、热流体与间壁接触处，均存 在层流内层，层流内层的存在是在层流内层，层流内层的存在是 对流传热的热阻主要集中处。对流传热的热阻主要集中处。 2、牛顿冷却定律、牛顿冷却定律 流体被壁面加热时：流体被壁面加热时： 流体被壁面冷却时：流体被壁面冷却时： () w dQtt dS () w dQTT dS 对于整个对流传热过程来说，由于流体温度是变化的，因此对于整个对流传热过程来说，由于流体温度是变化的，因此值也是在变化值也是在变化 的，引入平均对流给热系数的概念后有：的，引入平均对流给热系数的概念后有： 二、影响对流给热系数的因素二、影响对流给热系数的因素 1、流体流动产生的原因、

43、流体流动产生的原因 流体流动产生的原因有：自然对流和强制对流。强制对流的给热系数要比流体流动产生的原因有：自然对流和强制对流。强制对流的给热系数要比 自然对流的给热系数大。自然对流的给热系数大。 2、流动型态及流速的影响、流动型态及流速的影响 由于流动型态的不同，影响层流内层的厚度，由于流动型态的不同，影响层流内层的厚度，Re数大则，层流内层薄，对数大则，层流内层薄，对 流给热系数就大。流给热系数就大。 3、流体物理性质的影响、流体物理性质的影响 影响流体对流给热系数的物理性质有：粘度、比热、体积膨胀系数等。影响流体对流给热系数的物理性质有：粘度、比热、体积膨胀系数等。 4、流体温度的影响、流

44、体温度的影响 5、流体相变、流体相变 6、换热面的几何形状、换热面的几何形状 QS t 1 tt Q R S 总传热速率方程总传热速率方程 （一）总传热速率微分方程（一）总传热速率微分方程 通过换热器中任一微元面积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的间壁两侧流体的传热速率方 程（仿对流传热速率方程）为程（仿对流传热速率方程）为 式中式中 K局部总传热系数，局部总传热系数， w/（m2 ） T换热器的任一截面上热流体的平均温度，换热器的任一截面上热流体的平均温度， t换热器的任一截面上冷流体的平均温度，换热器的任一截面上冷流体的平均温度， 总传热系数必须和所选择的传热面积相对

45、应，选择的传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。热面积不同，总传热系数的数值也不同。 第四节第四节 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算 m tKAQ 对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有 1. 若换热器中两流体若换热器中两流体无相变无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有时，且认为流体的比热不随温度而变，则有 2. 若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有 式中式中 r饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/k

46、g 注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。 3. 当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有 式中式中 cp冷凝液的比热，冷凝液的比热， kJ/（kg ） Ts冷凝液的饱和温度，冷凝液的饱和温度， )h(hq)H(HqQ 21m221m1 )t(tCq)T(TCqQ 12p2m221p1m1 式中式中 cp流体的平均比热，流体的平均比热，kJ/（kg ） t冷流体的温度，冷流体的温度， T热流体的温度，热流体的温度， )t(tCqqQ 12p2m2m1 r )t(tCqT(TcrqQ 12p2m22sp1m1

47、二、传热平均温度差的计算二、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。化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。 （一）、恒温传热（一）、恒温传热 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，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。饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。 t

48、=T-t 式中式中 T热流体的温度热流体的温度； t冷流体的温度冷流体的温度。 （二）变温传热（二）变温传热 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。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：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）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热流体来加热

49、另一种在较低温度下进行沸腾的液体 。 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）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。况。 生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况： 并流并流 ：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。：参与换

50、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。：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。：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，流， 使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。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。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。 常量 phmh cq

51、 dT dQ 常量 pcmc cq dt dQ m tKA t t tt KAQ 1 2 12 ln 1 2 12 ln t t tt t m 1、逆流和并流时的平均温度差、逆流和并流时的平均温度差 以逆流为例：热量衡算微分方程为以逆流为例：热量衡算微分方程为 dQ= -qmh cphdT= qmc cpcdt 根据假定，则有根据假定，则有 QT和和Qt为直线关系，即为直线关系，即 T=mQ+k t=mQ+k t=T- t=(m-m)Q+(k-k) 从上式可以看出：从上式可以看出： tQ关系呈直线，关系呈直线， 其斜率为其斜率为 将总传热速率微分方程代入上式，则有将总传热速率微分方程代入上式，

52、则有 由于由于K为常量，积分上式有为常量，积分上式有 式中式中tm称为对数平均半径。当称为对数平均半径。当t2/ t1 2时，可用（时，可用（t2+ t1）/2代替对数平均代替对数平均 温度差。温度差。 Q tt dQ td 21 例例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外现用一列管式换热器加热原油，原油在管外 流动，进口温度为流动，进口温度为100,出口温度为出口温度为160；某；某 反应物在管内流动，进口温度为反应物在管内流动，进口温度为250，出口温，出口温 度为度为180。试分别计算并流与逆流时的平均温。试分别计算并流与逆流时的平均温 度差。度差。 2 2 11 2 2 1 1 m

53、d bd d d K 2 2 11 2 2 11 m d bd d d k （二）总传热系数（二）总传热系数 1、总传热系数的计算式：、总传热系数的计算式： 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 微元面积微元面积dA的传热由三步过程构成。的传热由三步过程构成。 由热流体传给管壁由热流体传给管壁 dQ=1(T-Tw)dA1 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 dQ=(/b)(Tw-tw)dAm 由管壁传给冷流体由管壁传给冷流体 dQ=2(tw-t)dA2 由于由于dQ及（及（T-t）两者与选择的基准面积无关，则）两

54、者与选择的基准面积无关，则 根据总传热速率微分方程，总传热系数（以外表面根据总传热速率微分方程，总传热系数（以外表面 为基准）为为基准）为 2211 11 dAdA b dA tT dQ m 2、错流和折流时的平均温度差、错流和折流时的平均温度差 方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差tm逆，然逆，然 后再乘以校正系数后再乘以校正系数t,即即 根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和和P值后，校正值后，校正 系数系数t值可根据值可根据R和和P两参数从相应的图中查得。两参数从相应的图中查得。 例例 在一由在

55、一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，钢管构成的废热锅炉中， 管内通入高温气体，进口管内通入高温气体，进口500,出口出口400。管外。管外 为为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。已知高温压力（绝压）的水沸腾。已知高温 气体对流传热系数气体对流传热系数a1=250W/ m2，水沸腾的对，水沸腾的对 流传热系数流传热系数a2=10000 W/ m2。忽略管壁、污。忽略管壁、污 垢热阻。试求管内壁平均温度垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均及管外壁平均tw。 三、提高总传热系数的途径三、提高总传热系数的途径 传热过程的总热阻是由各串联环节的热阻叠加而成，传热过程的总热阻是由各串联环

56、节的热阻叠加而成，减小任何环节的热阻减小任何环节的热阻 都可提高传热系数。都可提高传热系数。 当各环节的热阻相差较大时，总热阻的数值将主要由其中的当各环节的热阻相差较大时，总热阻的数值将主要由其中的最大热阻所决最大热阻所决 定定。此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数。此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数。 若若12，欲要提高，欲要提高K值，关键在于值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的提高对流传热系数较小一侧的2。 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。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。 21 11 so m o i o si

57、 i o o R d bd d d R d d K 五、传热的强化五、传热的强化 例题：在例题：在1米管长的冷却器中用米管长的冷却器中用12 冷水将油品从冷水将油品从147 冷冷 却到却到97 ，冷水被加热到，冷水被加热到37 ，两流体并流流动。求：欲使，两流体并流流动。求：欲使 油品出口温度降至油品出口温度降至77 ，管子需增加多少米？（上述各工况油、，管子需增加多少米？（上述各工况油、 水的流量、入口温度及所有物性常数均不变，忽略热损失。）水的流量、入口温度及所有物性常数均不变，忽略热损失。） 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用 解：换热器中两流体无相变化，则有解：换热器中两流体无相

58、变化，则有 Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1) Q=Whcph(147-97)=Wccpc(37-12)（a） Q=Whcph(147-77)=Wccpc( t2 -12) （b） 联立式a和b，解得： t2=47 改变条件后，设冷水被加热到改变条件后，设冷水被加热到t2 T1=147 T2=97 t2=37t1=12 5 .92 3797 12147 ln )3797()12147( 1 m t T1=147 T2=77 t2=47t1=12 8 .69 4777 12147 ln )4777()12147( m t m m m m m m phh phh tL tL t

59、rLK trLK tKS tKS TTCW TTCW Q Q 2 11 2 11 2 11 21 21 2 1 )2( )2( )( )( 代入数据得代入数据得 8 .69 5 .92 77147 97147 2 1 L L 86. 1 1 2 L L 例题：在例题：在1m长的套管换热器中用热水将管内的果长的套管换热器中用热水将管内的果 汁从汁从t1=10 加热至加热至t2=50 ，热水从进口温度，热水从进口温度T1=98 降至降至T2=68 ，两流体并流流动，求（，两流体并流流动，求（1）欲将果汁）欲将果汁 加热至加热至 t2=60 ，管长需增加多少米？，管长需增加多少米？ （2）若改用）若

60、改用 逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、 果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽 略热损失）略热损失） 解：换热器中两流体无相变化，则有解：换热器中两流体无相变化，则有 Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1) Q=Whcph(98-68)=Wccpc(50-10) （a） 当果汁加热至当果汁加热至 t2=60 时，设水的出口温度为时，设水的出口温度为T2，根，根 据题意有据题意有 Q=Whcph(98-T2)=Wccpc(60-10)（b） 联立式a和b，解得： T2