第五章传热PPT讲稿.ppt

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1、第五章传热第1页，共53页，编辑于2022年，星期三内容提要内容提要一、传热的三种基本方式一、传热的三种基本方式 热传导、对流、辐射热传导、对流、辐射二、两种流体热交换的基本方式二、两种流体热交换的基本方式 1、直接接触式换热、直接接触式换热2、蓄热式换热、蓄热式换热3、间壁式换热、间壁式换热三、传热速率与热通量三、传热速率与热通量传热速率（热流量传热速率（热流量）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为单位时间内通过传热面的热量，单位为W。第一节第一节 热量传递的基本概念热量传递的基本概念第2页，共53页，编辑于2022年，星期三热通量（又称为热流密度或传热速度）热通量（又称为热流密度或传热速

2、度）q 单位传热面积的传热速率。单位为单位传热面积的传热速率。单位为W/m2四、傅立叶定律四、傅立叶定律导热系数（热导率）导热系数（热导率）。W/mK-1第3页，共53页，编辑于2022年，星期三一、通过平壁的稳定热传导一、通过平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导、单层平壁的稳定热传导 第二节第二节 稳态热传导稳态热传导 R导热热阻，导热热阻，K/W；r单位面积的导热热阻单位面积的导热热阻第4页，共53页，编辑于2022年，星期三二、圆筒壁的稳定热传导二、圆筒壁的稳定热传导1、单层圆筒壁的热传导、单层圆筒壁的热传导2、多层平壁的稳定热传导、多层平壁的稳定热传导 第5页，共53页，编辑于2

3、022年，星期三2、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 第三节第三节 对流传热对流传热一、壁面和流体间的对流传热速率一、壁面和流体间的对流传热速率 牛顿冷却定律牛顿冷却定律二、对流传热系数二、对流传热系数第6页，共53页，编辑于2022年，星期三对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素：1、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性、流体的物性3、流体的温度、流体的温度4、流体流动状态、流体流动状态5、流体流动的原因、流体流动的原因6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 三、流体无相变时的对流传热系数三、流体无相变时的对流传热系数第7页，共53页

4、，编辑于2022年，星期三1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体倍常温水的粘度）流体当流体被当流体被加热时加热时n=0.4，流体被，流体被冷却时，冷却时，n=0.3。b)高粘度高粘度（大于（大于2倍常温水的粘度）倍常温水的粘度）的液体的液体 第8页，共53页，编辑于2022年，星期三2)流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制层流当当Gr 25000时，按上式计算出时，按上式计算出后，再乘以一校正因子后，再乘以一校正因子3）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对对于于Re=230010000之

5、之间间的的过过渡渡流流，先先按按湍湍流流的的公公式式计计算算，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数f。第9页，共53页，编辑于2022年，星期三4）流体在管外强制对流）流体在管外强制对流 当当列列管管式式换换热热器器管管外外装装有有割割去去25%直直径径的的圆圆缺缺形形折折流流板板时时，壳壳程的对流传热系数的计算公式为：程的对流传热系数的计算公式为：四、流体有相变时的对流传热系数四、流体有相变时的对流传热系数 一、膜状冷凝的传热系数一、膜状冷凝的传热系数a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 第10页，共53页，编辑于2022年，星期三b)蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在

6、水平管外冷凝 二、液体沸腾时的对流传热系数二、液体沸腾时的对流传热系数 对于水在对于水在1105 4106Pa 压力下的核状沸腾压力下的核状沸腾第11页，共53页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 传热计算传热计算一、热量衡算一、热量衡算 二、总传热速率方程二、总传热速率方程 逆流：逆流：并流：并流：第12页，共53页，编辑于2022年，星期三三、总传热系数三、总传热系数六、传热单元数法六、传热单元数法1、传热效率、传热效率 当热流体的热容量流率较小时当热流体的热容量流率较小时 第13页，共53页，编辑于2022年，星期三若冷流体的热容量流率较小若冷流体的热容量流率较小 2、传热单元数、传

7、热单元数NTU 如果冷流体是热容流量较小的流体如果冷流体是热容流量较小的流体基于冷流体的传热单元数基于冷流体的传热单元数(NTU)c：如果热流体是热容流量较小的流体如果热流体是热容流量较小的流体基于热流体的传热单元数基于热流体的传热单元数(NTU)h：第14页，共53页，编辑于2022年，星期三传热单元数的物理意义：传热单元数的物理意义：传传热热单单元元数数的的物物理理意意义义为为两两流流体体中中较较大大的的温温度度差差与与两两流流体体的的对对数数平平均均温温度度差差之之比比，即即传传热热要要求求的的最最大大温温差差与与传传热热推推动动力力之之比。比。3、传热效率与传热单元数的关系、传热效率与

8、传热单元数的关系 逆流时逆流时并流时并流时热容流量比热容流量比第15页，共53页，编辑于2022年，星期三1、在在套套管管式式换换热热器器中中用用水水冷冷却却某某成成品品油油，油油和和水水呈呈逆逆流流流流动动，已已知知油油的的质质量量流流率率为为2.0kg/s，进进口口温温度度为为120，出出口口温温度度为为80，冷冷却却水水质质量量流流率率为为2.5kg/s，进进口口温温度度为为20，(1)求求冷冷却却水水的的出出口口温温度度？已已知知油油的的热热容容为为2.45kJ/(kg)，水水的的热热容容为为4.18kJ/(kg)。(2)若若已已知知该该套套管管式式换换热热器器的的有有效效传传热热长长

9、度度为为5m，内内管管为为502.5mm的的不不锈锈钢钢管管，外外管管为为803mm的的不不锈锈钢钢管管，冷冷却却水水走走内内管管，成成品品油油走走管管外外环环隙隙，试试求求内内管管和和外外管管的的对对流流传传热热系系数数？水水的的密密度度取取1000kg/m3，油油 的的 密密 度度 取取850kg/m3，水水 的的 热热 导导 率率 为为0.62W/(mK)，油油 的的 热热 导导 率率 取取0.13W/(mK)，水水 的的 粘粘 度度 为为0.65610-3Pas，油的粘度，油的粘度为为0.27610-3Pas。第16页，共53页，编辑于2022年，星期三(3)若若管管壁壁热热阻阻和和成

10、成品品油油侧侧的的污污垢垢热热阻阻可可忽忽略略，冷冷却却水水侧侧的的污污垢垢热热阻阻取取0.2510-3m2K/W，求求换换热热器器基基于于管管外外表表面面积积的的总总传传热热系系数数K?(4)核算该换热器能否满足要求？核算该换热器能否满足要求？解：解：(1)根据热量衡算方程根据热量衡算方程有有从而解得：从而解得：第17页，共53页，编辑于2022年，星期三(2)两侧的传热系数：两侧的传热系数：因为水走内管，所以传热系数可以用下式来计算因为水走内管，所以传热系数可以用下式来计算因为冷却水被加热，所以因为冷却水被加热，所以n=0.4第18页，共53页，编辑于2022年，星期三所以，水侧的传热系数

11、：所以，水侧的传热系数：因为油走管外环隙，因此计算传热系数时因为油走管外环隙，因此计算传热系数时d应该用应该用de来代替来代替第19页，共53页，编辑于2022年，星期三所以，油侧的传热系数：所以，油侧的传热系数：第20页，共53页，编辑于2022年，星期三(3)基于管外表面积的总传热系数基于管外表面积的总传热系数Ko由由于于管管壁壁热热阻阻和和成成品品油油侧侧(管管外外)的的污污垢垢热热阻阻可可忽忽略略，所所以上式可简化为以上式可简化为第21页，共53页，编辑于2022年，星期三(4)核算换热器能否满足要求核算换热器能否满足要求如如果果换换热热器器的的换换热热能能力力Q冷冷热热流流体体交交换

12、换的的热热量量Q，则则换换热热器器就能够满足要求就能够满足要求代入得：代入得：第22页，共53页，编辑于2022年，星期三因为因为QQ，所以换热器不能满足要求，所以换热器不能满足要求2、接接上上题题，由由于于换换热热器器的的实实际际换换热热量量小小于于所所需需的的换换热热量量，因因此此热热流流体体的的出出口口温温度度必必然然要要高高于于80，现现在在求求该该换换热热器器在在实实际际操操作作过过程程中中成成品品油和冷却水的出口温度？油和冷却水的出口温度？解解：本本题题属属于于已已知知冷冷热热流流体体的的进进口口温温度度和和换换热热器器的的换换热热面面积积、总总传传热热系系数数，求求冷冷热热流流体

13、体出出口口温温度度类类型型的的问问题题，因因此此需需要要考考虑虑采用传热效率传热单元数法来求解：采用传热效率传热单元数法来求解：冷流体的热容流率：冷流体的热容流率：2.54.18=10.45kJ/s热流体的热容流率：热流体的热容流率：2.02.45=4.5kJ/s第23页，共53页，编辑于2022年，星期三第24页，共53页，编辑于2022年，星期三解得解得T2=105.5t2可由热量衡算求得：可由热量衡算求得：第25页，共53页，编辑于2022年，星期三3、在在列列管管式式换换热热器器（型型号号219-1.6-3.7-2/25-I，壳壳程程不不设设折折流流挡挡板板）中中用用水水冷冷却却某某成

14、成品品油油，油油和和水水呈呈逆逆流流流流动动，水水走走管管程程，油油走走壳壳程程。已已知知油油的的质质量量流流率率为为4.0kg/s，进进口口温温度度为为150，要要求求出出口口温温度为度为120，冷却水质量流率为，冷却水质量流率为2.5kg/s，进口温度为，进口温度为20。问问:(1)该换热器能否满足要求？该换热器能否满足要求？(2)如果不能满足要求，成品油的实际出口温度是多少？如果不能满足要求，成品油的实际出口温度是多少？(3)在在换换热热器器不不变变的的情情况况下下，如如何何改改变变操操作作条条件件使使成成品品油油出出口温度降至口温度降至120？已已知知油油的的热热容容为为1.34kJ/

15、(kg)，水水的的热热容容为为4.18kJ/(kg)。水水的的密密 度度 取取988kg/m3，油油 的的 密密 度度 取取 850kg/m3，水水 的的 热热 导导 率率 为为0.62W/(mK)，油油 的的 热热 导导 率率 取取0.13W/(mK)，水水 的的 粘粘 度度 为为0.65610-3Pas，油的粘度为，油的粘度为0.27610-3Pas。第26页，共53页，编辑于2022年，星期三解：解：根据换热器的型号查得换热器的基本尺寸为：根据换热器的型号查得换热器的基本尺寸为：公称直径：公称直径：管子根数：管子根数：管长：管长：管子外径：管子外径：管子内径：管子内径：管中心距：管中心距

16、：排列方式：排列方式：正三角形排列正三角形排列换热面积（以管外表面积为基准）：换热面积（以管外表面积为基准）：壳程数：壳程数：1；管程数：管程数：1 若管壁热阻和成品油侧的污垢热阻可忽略，冷却水侧的污若管壁热阻和成品油侧的污垢热阻可忽略，冷却水侧的污垢热阻取垢热阻取0.2510-3m2K/W。第27页，共53页，编辑于2022年，星期三分析：分析：换热器就能满足要求换热器就能满足要求冷却水的出口温度：冷却水的出口温度：由于管壁热阻和成品油侧由于管壁热阻和成品油侧(管外管外)的污垢热阻可忽略，的污垢热阻可忽略，如果如果第28页，共53页，编辑于2022年，星期三因为冷却水被加热，所以因为冷却水被

17、加热，所以n=0.4第29页，共53页，编辑于2022年，星期三所以，管内的给热系数：所以，管内的给热系数：管外给热系数：管外给热系数：因油被冷却因油被冷却，所以，所以n=0.3第30页，共53页，编辑于2022年，星期三第31页，共53页，编辑于2022年，星期三所以，换热器不能满足要求。所以，换热器不能满足要求。因此，油的出口温度将会超过因此，油的出口温度将会超过120。第32页，共53页，编辑于2022年，星期三(2)如果不能满足要求，成品油的实际出口温度是多少？如果不能满足要求，成品油的实际出口温度是多少？该问题属于已知进口温度，求出口温度，所以应该采用该问题属于已知进口温度，求出口温

18、度，所以应该采用NTU数法数法冷流体的热容流率：冷流体的热容流率：2.54.18=10.45kJ/s热流体的热容流率：热流体的热容流率：4.01.34=5.36kJ/s第33页，共53页，编辑于2022年，星期三第34页，共53页，编辑于2022年，星期三(3)在换热器不变的情况下，如何改变操作条件使成品油出口在换热器不变的情况下，如何改变操作条件使成品油出口温度降至温度降至120？首先分析一下热阻构成首先分析一下热阻构成从总热阻构成来看，壳程（油侧）热阻占了主要部分，管程从总热阻构成来看，壳程（油侧）热阻占了主要部分，管程（水侧）热阻为次要部分，污垢热阻最小。（水侧）热阻为次要部分，污垢热阻

19、最小。第35页，共53页，编辑于2022年，星期三这意味着提高壳程（油侧）的给热系数，才能有效增大总传热系这意味着提高壳程（油侧）的给热系数，才能有效增大总传热系数。数。由于由于给热给热系数正比于系数正比于u0.8，因此提高油，因此提高油侧侧流速可以流速可以显显著提著提高高给热给热系数。系数。但换热量但换热量Q正比于正比于u1.0，故通，故通过过提高提高油侧的流速来增大换热器油侧的流速来增大换热器换热能力换热能力Q的速度跟不上所需换热量的速度跟不上所需换热量Q增大的速度增大的速度，得不偿，得不偿失！失！而提高水侧的流速对增大给热系数的效果有不明显。而提高水侧的流速对增大给热系数的效果有不明显。

20、怎么办呢？怎么办呢？第36页，共53页，编辑于2022年，星期三可以考虑让壳程和管程流体互换，即油走管程，而冷却水可以考虑让壳程和管程流体互换，即油走管程，而冷却水走壳程！走壳程！这时，管内的给热系数：这时，管内的给热系数：第37页，共53页，编辑于2022年，星期三管外的给热系数：管外的给热系数：第38页，共53页，编辑于2022年，星期三所以，此时换热器适用！所以，此时换热器适用！第39页，共53页，编辑于2022年，星期三4、用煤气烧开水，水壶直径、用煤气烧开水，水壶直径D=22cm，里面盛满了凉水，凉水的，里面盛满了凉水，凉水的温度为温度为20，水的高度为，水的高度为10cm，如果要把

21、水烧开，如果要把水烧开(100)，求所，求所需的时间。已知与火焰接触的壶底温度为需的时间。已知与火焰接触的壶底温度为280，水壶的材质为，水壶的材质为不锈钢，厚度为不锈钢，厚度为1mm，不锈钢的热导率为，不锈钢的热导率为45W/(mK)。分析：分析：这属于一个导热和自然对流联合传热的问题。这属于一个导热和自然对流联合传热的问题。解：解：由于不锈钢的热导率比较大，且水壶的壁厚很薄，因此壶底由于不锈钢的热导率比较大，且水壶的壁厚很薄，因此壶底的导热热阻很小的导热热阻很小壶底的导热热阻：壶底的导热热阻：而一般自然对流传热系数只有而一般自然对流传热系数只有102W/(m2K)，即对流传热热阻即对流传热

22、热阻大约在大约在10-3(m2K)/W左右。左右。因此，壶底的导热热阻可以忽略不计，即认为水壶与水相接触因此，壶底的导热热阻可以忽略不计，即认为水壶与水相接触的一侧温度的一侧温度280。第40页，共53页，编辑于2022年，星期三查得水在查得水在20100 之间的物性为：之间的物性为：9010080706050403020温度温度/965.3958.4971.8977.8983.2988.1992.2995.7998.2密度密度/kg/m30.3150.2830.3550.4060.4700.5490.6530.8011.005粘度粘度/mpas0.6800.6830.6750.6680.65

23、90.6480.6340.6180.599热导率热导率/W/(mK)4.2084.2204.1954.1874.1784.1744.1744.1744.183热容热容/kJ/(kgK)0.6950.7520.6320.5700.5110.4490.3870.3210.182热膨胀系热膨胀系数数/10-3K-11.949 1.749 2.206 2.545 2.980 3.536 4.299 5.410 7.018 普朗特普朗特准数准数第41页，共53页，编辑于2022年，星期三由此可见，水的物性（除热容以外）随温度变化很大，并且由此可见，水的物性（除热容以外）随温度变化很大，并且水在加热过程中

24、温度是逐渐变化的，因此传热推动力水在加热过程中温度是逐渐变化的，因此传热推动力T是变是变化的，对流给热系数化的，对流给热系数也是也是变变化的，因此水的加化的，因此水的加热过热过程是一个程是一个非非稳态过稳态过程。程。由于不知道水的物性与温度之间的函数关系，因此需要考虑采由于不知道水的物性与温度之间的函数关系，因此需要考虑采用用分段计算的方法分段计算的方法求解这类非稳态对流传热问题！求解这类非稳态对流传热问题！以以10为一个阶段，在该阶段内可以认为水的物性和传热速率为为一个阶段，在该阶段内可以认为水的物性和传热速率为一恒定值，于是有：一恒定值，于是有：(1)第42页，共53页，编辑于2022年，

25、星期三查表查表5-12(P173)得：对于水平板，热面朝下时得：对于水平板，热面朝下时所有物性常数均取该温度段内的平均值。所有物性常数均取该温度段内的平均值。第43页，共53页，编辑于2022年，星期三于是有：于是有：901008090708060705060405030402030温度段温度段1.85 0.724 4.214 0.682 0.299 961.9 952.08 0.664 4.202 0.678 0.335 968.6 852.38 0.601 4.191 0.672 0.381 974.8 752.76 0.541 4.183 0.664 0.438 980.5 653.26

26、 0.480 4.176 0.654 0.510 985.7 553.92 0.418 4.174 0.641 0.601 990.2 454.85 0.354 4.174 0.626 0.727 994.0 356.21 0.252 4.179 0.609 0.903 997.0 25/10-3K-1kJ/(kgK)W/(mK)mpaskg/m3平均温度平均温度第44页，共53页，编辑于2022年，星期三由由(1)式得式得依次求得不同阶段的依次求得不同阶段的Gr和和，代入上式即可求得各段的，代入上式即可求得各段的t。温度段平均温度PrGrt/s2030256.21 5.95E+09231.5

27、 70.8 3040354.85 1.23E+10262.3 64.9 4050453.92 2.03E+10284.3 62.5 5060553.26 3.08E+10303.6 61.1 6070652.76 4.43E+10320.8 60.6 7080752.38 6.16E+10336.4 60.8 8090852.08 8.24E+10350.2 61.5 90100951.85 1.05E+11361.6 63.0 第45页，共53页，编辑于2022年，星期三将各段时间相加得，总时间将各段时间相加得，总时间3、如果这壶水烧开以后，再经过多长时间水会烧干？如果这壶水烧开以后，再经过

28、多长时间水会烧干？分析：分析：在水烧开以后的传热过程为沸腾传热，由于沸腾传热在水烧开以后的传热过程为沸腾传热，由于沸腾传热时温度不变，因此该过程可视为一个稳态传热过程时温度不变，因此该过程可视为一个稳态传热过程解：解：将水烧开所需的总热量：将水烧开所需的总热量：查得水在查得水在100下的汽化潜热下的汽化潜热 r=2258.4kJ/kg由此解得：由此解得：第46页，共53页，编辑于2022年，星期三水在水在1atm下沸腾的给热系数可按下式计算：下沸腾的给热系数可按下式计算：此计算结果此计算结果太小太小了，了，明显与事实不符！明显与事实不符！原因何在？原因何在？第47页，共53页，编辑于2022年

29、，星期三因为此时的沸腾传热系数很大，相当于沸腾传热热阻很小，因为此时的沸腾传热系数很大，相当于沸腾传热热阻很小，甚至比壶底导热热阻还小。因此，此时壶底导热热阻不可忽甚至比壶底导热热阻还小。因此，此时壶底导热热阻不可忽略。略。即，这时即，这时那么此时的那么此时的Tw？第48页，共53页，编辑于2022年，星期三整理得：整理得：设设Tw的初值为的初值为130，代入上式右边得，代入上式右边得Tw(1)=137.2将将 Tw(1)=137.2代入上式右边得代入上式右边得Tw(1)=136.8所以，可取所以，可取 Tw=137计算结果仍然偏小，不符合常理！计算结果仍然偏小，不符合常理！为什么呢为什么呢？

30、第49页，共53页，编辑于2022年，星期三1、发生沸腾时，壶底的面积大量被气泡所占据，有效传、发生沸腾时，壶底的面积大量被气泡所占据，有效传热面积减小！热面积减小！原因：原因：2、发生沸腾时，壶底存在一层气泡层，从而产生了、发生沸腾时，壶底存在一层气泡层，从而产生了一层附加热阻！一层附加热阻！那么这时如何求那么这时如何求？前面曾经提到过，沸腾时气泡能够稳定存在的条件是：前面曾经提到过，沸腾时气泡能够稳定存在的条件是：r越小，气泡能够存在所需的蒸汽压就越大，壁面的过热越小，气泡能够存在所需的蒸汽压就越大，壁面的过热度也应该越大，即度也应该越大，即Tw就越大，由此可见，壁面温度应该由就越大，由此

31、可见，壁面温度应该由沸腾时生成的最小气泡决定。沸腾时生成的最小气泡决定。第50页，共53页，编辑于2022年，星期三气泡的大小跟壁面的粗糙度有关系，一般可近似认为气泡的气泡的大小跟壁面的粗糙度有关系，一般可近似认为气泡的直径等于壁面粗糙峰的高度。直径等于壁面粗糙峰的高度。2r一般不锈钢制备的最小粗糙度为一般不锈钢制备的最小粗糙度为min0.006mm。则有：则有：所以，所以，查附录八（饱和水蒸气表），采用内差法得查附录八（饱和水蒸气表），采用内差法得第51页，共53页，编辑于2022年，星期三于是：于是：即烧开一壶水大约需要即烧开一壶水大约需要10min左右，而烧干一壶水大约需要左右，而烧干一壶水大约需要1h。第52页，共53页，编辑于2022年，星期三作业：作业：5-16;5-25第53页，共53页，编辑于2022年，星期三