食品工程原理第二章传热

关于食品工程原理第二章传热2主要内容1概述2热传导3对流传热概述4稳定传热计算5

热辐射6

换热器第2页,共240页，2024年2月25日，星期天3重点难点了解热传导、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。第3页,共240页，2024年2月25日，星期天4第一节概述传热又称热传递，指物体之间或物体内部因温度差而引起的能量转移。传热的推动力温度差传热的方向高温向低温第4页,共240页，2024年2月25日，星期天传热在食品工程中的应用具体应用：

(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)第5页,共240页，2024年2月25日，星期天传热的基本方式

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)。第6页,共240页，2024年2月25日，星期天7

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）相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部发生在第7页,共240页，2024年2月25日，星期天82.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。

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。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。第8页,共240页，2024年2月25日，星期天9

流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。热对流与对流传热对流传热注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。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。热对流第9页,共240页，2024年2月25日，星期天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（可在真空中传播）。

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。第10页,共240页，2024年2月25日，星期天11第二节热传导热传导的基本概念傅里叶定律通过平壁的稳态热传导通过圆筒壁的稳态热传导第11页,共240页，2024年2月25日，星期天12（一）热传导的基本概念温度场等温面温度梯度第12页,共240页，2024年2月25日，星期天1、温度场温度场(temperaturefield)：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场(temperaturefield)。

式中：t——温度（℃或K）；

x,y,z——空间坐标；

τ——时间（S）。

物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即

t=f(x，y，z，τ)第13页,共240页，2024年2月25日，星期天

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,τ)对于一维的稳定传热有：t=f(x)不稳定温度场：温度场内各点温度随时间而改变。

相应的传热称为非定态热传导。稳定温度场：温度场内各点温度不随时间而改变。

相应的传热称为稳定传热温度场

t=f(x，y，z)食品工业中大部分情况下的连续生产均为稳定传热特点：通过某传热表面的传热速率为常量第14页,共240页，2024年2月25日，星期天等温面的特点：（1）等温面不能相交；（2）沿等温面无热量传递。t1t2t1>t2等温面Q等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。对于等温面x和x+Δx的温度分别为t(x,τ)和t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：t(x+Δx,τ)－t(x,τ)Δx2、等温面第15页,共240页，2024年2月25日，星期天3、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t+

tt-

ttnQdA第16页,共240页，2024年2月25日，星期天17（二）傅立叶定律公式热通量温度梯度与傅里叶定律导热系数第17页,共240页，2024年2月25日，星期天

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——传热速率，单位时间传导的热量，w

A——导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2λ——导热率（导热系数），W/(m·k)式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。

或1、公式第18页,共240页，2024年2月25日，星期天q:热通量(热流密度)，W/m2对一维稳态热传导

2、热通量根据傅里叶定律，单位时间内单位传热面积传导的热量与温度梯度也成正比，因此傅里叶定律又可表示为：第19页,共240页，2024年2月25日，星期天ndAQt+△ttt-△t∂t/∂n图温度梯度和傅立叶定律3、温度梯度和傅立叶定律第20页,共240页，2024年2月25日，星期天λ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>气体表2-1物质导热系数的数量级4、导热系数单位：W/(m

K)物质种类气体液体非导固体金属绝热材料λ，w/(m·k)0.006～0.60.07～0.70.2～0.315～240＜0.25第21页,共240页，2024年2月25日，星期天多数固体λ与温度的关系

λ=k0+k×t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。第22页,共240页，2024年2月25日，星期天对于金属固体t↑、λ↓(通过自由电子的运动)

对于非金属固体t↑、λ↑(通过靠晶格结构的振动)

对于金属液体t↑、λ↓(通过靠晶格结构的振动)

对于非金属液体t↑、λ略减小。

对于气体t↑、λ↑(通过分子不规则热运动)λ随压力变化不大。只有当系统的压力P满足200Mpa≤

P≤3kpa时，λ随压力的降低而降低；达到真空时λ约为0，保温瓶夹层抽真空就是此道理。第23页,共240页，2024年2月25日，星期天（三）平壁的热传导单层平壁的热传导多层平壁的热传导第24页,共240页，2024年2月25日，星期天如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为b，壁面积为A；壁的材质均匀，导热系数λ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。1、单层平壁的热传导第25页,共240页，2024年2月25日，星期天

式中Δt=t1-t2为导热的推动力(drivingforce)，而R=b/λA则为导热的热阻(thermalresistance)。

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，第26页,共240页，2024年2月25日，星期天将上式推而广之，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λ为常数，单层平壁内温度分布为直线当λ随温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。第27页,共240页，2024年2月25日，星期天例：某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1为1650℃，外表面温度为300℃，平壁材料的导热系数λ=0.815+0.0076t（式中t的单位为℃，λ的单位为W/m·℃）。若将导热系数按常量（取平均导热系数）计算时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。第28页,共240页，2024年2月25日，星期天解：导热系数按照常量计算

平壁的平均温度为tm=(t1+t2)/2=(1675+300)/2=975℃平壁材料的平均导热系数为

λm=0.815+0.00076×975=1.556W/(m·℃)由式可求得导热热通量为：q=λ/b(t1-t2)=1.556/0.37*(1650-300)=5677W/m2

第29页,共240页，2024年2月25日，星期天如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4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λ1，λ2，λ3，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A，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30页,共240页，2024年2月25日，星期天第一层第三层第二层对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q第31页,共240页，2024年2月25日，星期天同理，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。第32页,共240页，2024年2月25日，星期天33

思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t2t4t3温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。第33页,共240页，2024年2月25日，星期天34影响因素：接触材料的种类及硬度接触面的粗糙程度接触面的压紧力空隙内的流体性质接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻接触热阻两个名义上互相接触的固体表面，实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。第34页,共240页，2024年2月25日，星期天例1：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/m·k，绝缘材料的热导率为0.04w/m·k，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。第35页,共240页，2024年2月25日，星期天例1解：根据题意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。按热流密度公式计算q：按温度差分配计算t2、t3℃℃第36页,共240页，2024年2月25日，星期天（四）圆筒壁的热传导单层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导第37页,共240页，2024年2月25日，星期天Qt2t1r1rr2drL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A=2πrL。1单层圆筒壁的稳定热传导第38页,共240页，2024年2月25日，星期天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第39页,共240页，2024年2月25日，星期天讨论：（1）上式可以写为对数平均面积（2）第40页,共240页，2024年2月25日，星期天（3）圆筒壁内的温度分布上限从改为t～r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却不等第41页,共240页，2024年2月25日，星期天r1r2r3r4t1t2t3t4根据热量守恒定律，稳定热传导过程中通过各层的导热速率相等。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λ1，λ2，λ3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第42页,共240页，2024年2月25日，星期天

多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。对于第一、二、三层圆筒壁有第43页,共240页，2024年2月25日，星期天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。第44页,共240页，2024年2月25日，星期天例1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。第45页,共240页，2024年2月25日，星期天第46页,共240页，2024年2月25日，星期天例2在一

60×3.5mm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λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=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λ=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=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2第47页,共240页，2024年2月25日，星期天保温层界面温度t3解得t3=131.2℃

第48页,共240页，2024年2月25日，星期天493、保温层的临界直径某些情况下，如小直径管外包裹定能不好的保温材料时，热损失随保温层厚度的增加而增加，只有外半径大于某一直径时，才能使热损失减少，此直径为临界直径。第49页,共240页，2024年2月25日，星期天基本概念对流传热机制对流传热中的因次分析无相变时的对流传热系数有相变时的对流传热系数

第三节对流传热第50页,共240页，2024年2月25日，星期天对流传热概念对流传热速率方程（牛顿冷却定律）对流传热系数

（一）对流传热的基本概念第51页,共240页，2024年2月25日，星期天

1、对流传热的基本概念定义：流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程(如间壁式换热器)中占有重要的地位。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾对流传热第52页,共240页，2024年2月25日，星期天53对流传热是一个热交换过程，一种介质以对流形式将热量传递给另一种介质。不同介质间

热对流是介质自身由于温度分布造成密度分布不均匀而形成的对流现象。同种介质对流传热和热对流的区别第53页,共240页，2024年2月25日，星期天式中

Q——对流传热速率，W；A——传热面积，m2Δt——对流传热温度差，Δt=Th-Tw或Δt=t-tw，℃；

Th——热流体平均温度，℃；Tw——与热流体接触的壁面温度，℃；

α1——对流传热系数(heattransferconfficient)，W/m2·K（或W/m2·℃）。上式称为牛顿冷却定律。

对流传热是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率由牛顿冷却定律给出：Q=αA（Th-Tw）或2、对流传热速率方程（牛顿冷却定律）dQ=αdA

⊿T第54页,共240页，2024年2月25日，星期天55

对流传热速率方程对热流体而言：对冷流体而言：若热流体走管内，冷流体走管外：具体表达式：热流体冷流体twTwtT第55页,共240页，2024年2月25日，星期天3、对流传热系数α=Q/A⊿T对流传热系数在数值上等于单位温度差下热通量。反映对流传热的快慢，α越大，表示对流传热越快。

对流传热系数不是流体的物理性质。第56页,共240页，2024年2月25日，星期天57空气中水中总之：油类中

的量级第57页,共240页，2024年2月25日，星期天58（二）对流传热机制对流传热分析传热边界层第58页,共240页，2024年2月25日，星期天59层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层传热方式热传导热传导和对流对流1.对流传热分析温度梯度较大居中较小热阻较大居中较小

对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。第59页,共240页，2024年2月25日，星期天60为什么层流区以热传导而非热对流形式传热热对流第60页,共240页，2024年2月25日，星期天不同区域的传热特性：湍流主体：对流传热温度分布均匀层流底层：导热

温度梯度大壁面：导热，有温度梯度传热边界层：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。温度距离TTwtwt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传热方向对流传热示意高温流体传热壁面低温流体传热过程第61页,共240页，2024年2月25日，星期天62o2.热边界层

靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层图4-14平板上的热边界层第62页,共240页，2024年2月25日，星期天若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即紧靠壁面处薄层流体的温度梯度根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温换热器任一截面上热流体的平均温度边界层内外侧温度差一定时，热边界层越薄，温度梯度越大第63页,共240页，2024年2月25日，星期天α的影响因素1.流体的种类和相变化情况:2.流体的特性:3.流体的温度4.流体的流动状态:5.流体流动的原因：6.传热面的形状、位置和大小αl>αg，α相变

>α非相变a湍流

>a层流a强制对流

>a自然对流形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形

排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。Re;Re;;cpcp

；

第64页,共240页，2024年2月25日，星期天65对流传热分类:(从大类→小类→具体情况)对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆直管非圆管道…弯管…湍流过渡流滞流(层流)

影响对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。影响对流传热系数的因素第65页,共240页，2024年2月25日，星期天无相变时，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θ。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即(三)对流传热中的因次分析第66页,共240页，2024年2月25日，星期天准数符号及意义准数名称符号意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu=αl/λ

表示对流传热系数的准数雷诺准数（Reynolds）Re=luρ/μ

确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cpμ/λ

表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=βgΔtl3ρ2/μ2

表示自然对流影响的准数第67页,共240页，2024年2月25日，星期天68强制对流（无相变）传热时的准数关联式自然对流（无相变）传热时的准数关联式具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意以下问题。①定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。②特征尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。第68页,共240页，2024年2月25日，星期天特征尺寸

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。例如：圆管内的强制对流传热，特征尺寸L为管道内径，若为非圆管，则取当量直径de。de=4×流动截面积／传热周边定性温度

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：tm=（t进+t出）/2（常用）壁面平均温度:tm=twm流体和壁面的平均温度（膜温）:tm=(t+tw)/2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。第69页,共240页，2024年2月25日，星期天70（四）无相变时的对流传热系数圆形直管内强制对流圆形直管内强制层流管外强制对流第70页,共240页，2024年2月25日，星期天

Nu=0.023Re0.8Prn

n值：流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。应用范围：Re>10000，0.7<Pr<120，管长与管径比L/di>60。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。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

1圆形直管内强制对流第71页,共240页，2024年2月25日，星期天Nu=0.027Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14应用范围Re>10000，0.7<Pr<16700，L/di>60。特性尺寸取管内径定性温度除μw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（μ/μw）0.14=1.05当液体被冷却时（μ/μw）0.14=0.95

对于气体，不论加热或冷却皆取1。1.1.2高粘度流体第72页,共240页，2024年2月25日，星期天例：常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，φ60×3.5mm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=1.026×103J/kg.℃λ=0.03931W/m.℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3

Pr=0.68特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.5>60第73页,共240页，2024年2月25日，星期天Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(2.6×10-5)=2.28×104>104(湍流)Pr=cpμ/λ=(1.026×103

×2.6×10-5)/0.03931=0.68W/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第74页,共240页，2024年2月25日，星期天75

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α值再乘以校正系数φ，即可得到过渡流下的对流传热系数。1.1.3圆形直管内作过渡流Nu=0.023Re0.8Prnψ第75页,共240页，2024年2月25日，星期天例：一套管换热器，套管为φ89×3.5mm钢管，内管为φ25×2.5mm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=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-3N·s/m2ρ=997kg/m3

Re=duρ/μ=(0.02×0.4×997)/(90.27×10-5）=8836Re在2300~10000之间，为过渡流区(与流体流动有区别)第76页,共240页，2024年2月25日，星期天

Pr=cpμ/λ=(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·℃第77页,共240页，2024年2月25日，星期天

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di——管径，m

R——弯管轴的弯曲半径，m1.4弯管内作强制对流Nu=0.023Re0.8Prnf

第78页,共240页，2024年2月25日，星期天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1.1.5非圆形管内强制对流第79页,共240页，2024年2月25日，星期天

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Gr<25000，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（μ/μw）0.14

应用范围：Re<2300，0.6<Pr<6700，（Re·Pr·di/L）>100。特性尺寸：取管内径di

定性温度：除μw取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。对于液体，加热时有（μ/μw）0.14=1.05，

冷却时有（μ/μw）0.14=0.95，2圆形直管内作强制层流第80页,共240页，2024年2月25日，星期天

当Gr>25000，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α=0.023Re0.8Prnf

f=0.8(1+0.015Gr1/3)第81页,共240页，2024年2月25日，星期天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：

Re>3000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。3.1流体在管束外强制垂直流动3流体在管外强制对流第82页,共240页，2024年2月25日，星期天上式修正系数排数12345678910121518253575错列0.480.750.830.890.920.950.970.980.991.01.011.021.031.041.051.06直列0.640.800.830.900.920.940.960.980.991.0第83页,共240页，2024年2月25日，星期天843.2流体在换热器的管间流动加折流挡板或填充物可有效提高流体的a。第84页,共240页，2024年2月25日，星期天

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（μ/μw）0.14应用范围:Re=(2~3)×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μw取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。第85页,共240页，2024年2月25日，星期天（2）凯恩法

Nu=0.36Re0.55Pr1/3（μ/μw）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=2×103~1×105

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μw取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。第86页,共240页，2024年2月25日，星期天加热表面形状特征尺寸GrPr

范围cn水平圆管外径d0104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3Nu=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4自然对流第87页,共240页，2024年2月25日，星期天蒸汽冷凝液体沸腾（五）流体有相变时的对流传热系数膜状冷凝滴状冷凝第88页,共240页，2024年2月25日，星期天蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。1、蒸汽冷凝第89页,共240页，2024年2月25日，星期天膜状冷凝：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，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行，即蒸汽冷凝时放出潜热，必须通过液膜后才能传给冷壁面。冷凝液膜是其主要热阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，所形成的液膜越往下越厚，所以壁面越高或水平放置的管径越大，使整个壁面对流传热系数越小。

潜热，指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。固、液之间的潜热称为熔解热（或凝固热）液、气之间的称为汽化热（或凝结热）而固、气之间的称为升华热（或凝华热）。标准大气压下，100℃水蒸汽凝结成100℃液态水释放的热量为2258.4KJ/Kg。第90页,共240页，2024年2月25日，星期天滴状冷凝：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。滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝时大几倍到几十倍。在实际生产过程中，两种冷凝通常同时存在，但多为膜状冷凝过程。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。第91页,共240页，2024年2月25日，星期天Why热阻主要集中在冷凝液膜，膜状冷凝液膜较滴状冷凝的厚。第92页,共240页，2024年2月25日，星期天①在垂直管或垂直板上作膜状冷凝：式中

l——垂直板或管的高度

ρ、λ、μ——冷凝液的密度、导热系数、粘度（膜温查询）

r——饱和蒸汽的冷凝潜热（用蒸汽饱和温度ts查询）

Δt——蒸汽的饱和温度和壁面温度之差

d——管子外径（1）膜状冷凝时对流传热系数冷凝液膜流动为层流（Re＜1800）时：冷凝液膜流动为湍流（Re＞1800）时：膜温Re为板或管最低处的值第93页,共240页，2024年2月25日，星期天②水平管壁上作膜状冷凝式中：

ρ、λ、μ——冷凝液的密度、导热系数、粘度（膜温）

r——饱和蒸汽的冷凝潜热（蒸汽饱和温度）

Δt——蒸汽的饱和温度和壁面温度之差

d0——管子外径

n——管束在垂直面上的列数

单管管束第94页,共240页，2024年2月25日，星期天

（2）

影响冷凝传热的因素①蒸汽的流向和流速：

蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度↓(δ↓)，α↑

若逆向流动，液膜厚度↑(δ↑)，α↓

蒸汽的流速较大，液膜吹跑δ↓↓，α↑↑②冷凝液膜两侧的温度差Δt：

当液膜呈层流流动时，若Δt加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，α↓③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α急剧下降，可达60%。第95页,共240页，2024年2月25日，星期天④冷凝壁面的影响：

若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚使传热系数下降。如对于翅片管和螺旋管

δ↓，α↑；传热面积S↑，α↑⑤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，α↓；沿垂直方向排管数目↑，α↓。管束改为错列，或加除液挡板，α↑。对于垂直管:尺寸↑，δ↑，α↓。管外开槽，α↑。⑥流体的物性：

（汽化热r、密度ρ、λ）↑，α↑μ↓，α↑第96页,共240页，2024年2月25日，星期天

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。2、液体沸腾第97页,共240页，2024年2月25日，星期天

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。第98页,共240页，2024年2月25日，星期天99产生沸腾现象的必要条件：

粗糙不平的地方大容积沸腾第99页,共240页，2024年2月25日，星期天100ABCDE核状沸腾在工业上具有重要意义优点：

大，tW小。525100（2）

液体沸腾曲线大容积沸腾第100页,共240页，2024年2月25日，星期天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α和热通量q都较低。α温度差ΔtqABCDα线

q线自然对流核状沸腾膜状沸腾E第101页,共240页，2024年2月25日，星期天2.2液体沸腾曲线

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，α和q

急剧增大。α温度差ΔtqABCDα线

q线自然对流核状沸腾膜状沸腾E核态沸腾第102页,共240页，2024年2月25日，星期天α温度差ΔtqABCDα线

q线自然对流核状沸腾膜状沸腾E3、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。过渡沸腾第103页,共240页，2024年2月25日，星期天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，α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。α温度差ΔtqABCDα线

q线自然对流核状沸腾膜状沸腾E第104页,共240页，2024年2月25日，星期天

（3）影响沸腾传热的因素

①

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↑，α↑。

②操作压强：

提高沸腾压强相当于提高液体的ts↑

，使液体的表面张力

σ和粘度μ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，α和q都提高。

③

液体性质的影响

液体的ρ，μ，λ

和表面张力σ

，汽化潜热r等均对沸腾传热有重要影响。一般认为：

λ↑（导热能力↑）或ρ↑（自然对流↑）

α↑

μ或σ↓（气泡易于脱离↑）

α↑第105页,共240页，2024年2月25日，星期天④

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ε↑，σ↓，气泡核心数↑α↑

表面油污↑，σ↑

α↓

（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(流体处于临界温度时的饱和蒸气压)

第106页,共240页，2024年2月25日，星期天

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。第107页,共240页，2024年2月25日，星期天一、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。热辐射波长（0.4-20um）

特点：能量形式的转换不需要任何介质第四节辐射传热第108页,共240页，2024年2月25日，星期天3、吸收率A，反射率R和透过率D（Absorption,ReflectionandDiaphaneity)4、黑体、白体和透体

黑体A=1；镜体R=1；透热体D=1（单原子和对称双原子气体）

黑体和镜体都是理想物体，实际上并不存在。一般固体和液体是不透热体，即D=0，气体不存在反射，即R=0。

根据能量守恒定律：辐射能的吸收、反射和透射示意图第109页,共240页，2024年2月25日，星期天5、灰体

灰体：能吸收从0~

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大多数工业上遇到的物体和常见的固体材料均可视为灰体。第110页,共240页，2024年2月25日，星期天111——普朗克定律二、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辐射能(波长从0到

),

E表示,W/m2第111页,共240页，2024年2月25日，星期天

0──黑体辐射常数,

5.669×10-8W/(m2·K4)1、黑体斯蒂芬-波尔茨曼定律四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感热力学温度C0──黑体辐射系数,5.669W/(m2·K4)第112页,共240页，2024年2月25日，星期天黑度ε：又称发射率，通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，即意义：ε≤1，实际物体在一定温度下的辐射能力恒小于黑体在相同温度下的的辐射能力。黑度表明物体的辐射能力与黑体的接近程度。性质：黑度与物体的性质、表面温度、表面状况有关，是物质本身的特性。E=εEb=εC0(T/100)4第113页,共240页，2024年2月25日，星期天克希霍夫(Kirchhoff)定律设1）两块相距很近的平行板，一块板上的辐射能可以全部投射到另一板上；2）若板1为实际物体（灰体），其辐射能力、吸收率和表面温度分别为E1、A1、T13）板2为黑体，其辐射能力、吸收率和表面温度分别为E2（Eb）、A2、T24）T1＞T2，两块板间为透热体，系统与外界绝热。

以单位时间、单位面积为基准，由于板2为黑体，板1发射出的E1能被板2全部吸收，由板2发射出的Eb被板1吸收了A1Eb，余下的（1-A1）Eb被反射至板2，并被其全部吸收。对板1来说，q=E1-A1Ebq为两板间辐射传热的热通量，W/m2。E1EbAEb(1-A)Eb第114页,共240页，2024年2月25日，星期天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。与黑度定义式比较当两板达到热平衡，即 T1=T2时，q=0。所以，E1=A1Eb在相同温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相同的。第115页,共240页，2024年2月25日，星期天116E1,R1,

T1E2,R2,T2E2板1(灰体)板2(灰体)T1>

T2E2R1E2R1R2E2R1R22E2R1R222E1,R1,

T1E2,R2,T2E1板1(灰体)板2(灰体)T1>

T2E1R2E2R1R2E1R1R22E1R1R222图4-36平行灰体间的辐射过程三、两固体间的辐射传热第116页,共240页，2024年2月25日，星期天117两无限大平行面的辐射第117页,共240页，2024年2月25日，星期天118第118页,共240页，2024年2月25日，星期天总辐射系数角系数辐射面积净的辐射传热速率角系数：总能能量被拦截的分数第119页,共240页，2024年2月25日，星期天120S，j

和C1-2的计算方法序号辐射情况面积S角系数j总辐射系数C1-21面积极大相距很近的两平行面S1或S212面积有限且大小相等的两平行面S1＜13很大的物体2包住物体1S114物体2恰好包住物体1，S1=S2S115界于3、4两种情况之间S11第120页,共240页，2024年2月25日，星期天121影响辐射换热的主要因素与ΔT4成正比，T,Q。e,Q。为增加电气设备的散热能力，可在其表面涂上黑度很大的油漆；需减少辐射散热时，可在表面渡以黑度很小的银、铝等。用角系数j表示，从辐射面积S发射的能量被另一物体截获的分数。如插入热屏，增大热阻，较小Q。4）介质3）几何位置2）表面黑度1）温度第121页,共240页，2024年2月25日，星期天换热器的分类：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。第五节换热器换热器：实现冷、热介质热量交换的设备第122页,共240页，2024年2月25日，星期天123第123页,共240页，2024年2月25日，星期天1、结构：壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。一、管壳式换热器第124页,共240页，2024年2月25日，星期天125第125页,共240页，2024年2月25日，星期天126第126页,共240页，2024年2月25日，星期天127第127页,共240页，2024年2月25日，星期天2、名词解释（1）管程冷、热流体两种流体在管壳式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程。（2）壳程另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。第128页,共240页，2024年2月25日，星期天隔板挡板管束壳体双管程单壳程单管程单壳程四管程双壳程第129页,共240页，2024年2月25日，星期天130第130页,共240页，2024年2月25日，星期天在两端封头内设置隔板，可实现多管程，通过提高管程流体的流速，增大对流传热系数，但能量损失增加，管程数以2、3、4、6程多见。在管外壳体内装有壳程隔板可实现多壳程，通过提高壳程流体的流速，增大湍流程度，以保持较高的传热系数，壳程数以2、3程多见。第131页,共240页，2024年2月25日，星期天为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：U形管补偿：每根管子弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关，相当于双管程。第132页,共240页，2024年2月25日，星期天133第133页,共240页，2024年2月25日，星期天134第134页,共240页，2024年2月25日，星期天浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。第135页,共240页，2024年2月25日，星期天136第136页,共240页，2024年2月25日，星期天优点：容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流体，维修清洗方便。缺点：结合面较多，易泄漏。

对应常见的列管式换热器有：U形管换热器、浮头式换热器、固定管板式换热器、补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。第137页,共240页，2024年2月25日，星期天138第138页,共240页，2024年2月25日，星期天二、板式换热器是以板壁为换热壁的换热器，常见的有片式、螺旋板式等。1、片式换热器板片被压制成槽形或波纹形，目的是：增强刚度，不致受压变形；增强液体的湍动程度，增大传热面积，也利于流体的均匀分布。第139页,共240页，2024年2月25日，星期天

片式热交换器及板片

第140页,共240页，2024年2月25日，星期天141第141页,共240页，2024年2月25日，星期天142第142页,共240页，2024年2月25日，星期天片式热交换器第143页,共240页，2024年2月25日，星期天144第144页,共240页，2024年2月25日，星期天145第145页,共240页，2024年2月25日，星期天146第146页,共240页，2024年2月25日，星期天147第147页,共240页，2024年2月25日，星期天优点总传热系数高，污垢热阻亦较小；结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积，或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；制造容易、检修清洗方便、热损失小。第148页,共240页，2024年2月25日，星期天缺点允许操作压力较低，否则容易渗漏；操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制；（现在已有超高温板式换热器）处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。第149页,共240页，2024年2月25日，星期天2、螺旋板式换热器由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度。优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，总传热系数较大，传热效率高，不易堵塞。缺点：操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。第150页,共240页，2024年2月25日，星期天螺旋板式换热器第151页,共240页，2024年2月25日，星期天152第152页,共240页，2024年2月25日，星期天153第153页,共240页，2024年2月25日，星期天三、夹套式换热器1、结构

夹套装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。如夹层锅、夹层缸等。夹层蒸气锅

第154页,共240页，2024年2月25日，星期天155第155页,共240页，2024年2月25日，星期天夹层缸（冷热缸）第156页,共240页，2024年2月25日，星期天2、使用注意事项（1）当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。（2）用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。（3）由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热介质。第157页,共240页，2024年2月25日，星期天结构简单，造价低，可当作盛装容器，但传热面积小，总传热系数不高。适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。

3、特点第158页,共240页，2024年2月25日，星期天

1、结构蛇管多以金属管子弯绕而成，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。

五、螺旋盘管式换热器

第159页,共240页，2024年2月25日，星期天160第160页,共240页，2024年2月25日，星期天优点：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。2、特点第161页,共240页，2024年2月25日，星期天t1t2T1T21、结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用U形管连接，而外管之间也由管子连接。六、套管式换热器第162页,共240页，2024年2月25日，星期天163第163页,共240页，2024年2月25日，星期天164第164页,共240页，2024年2月