《食品工程原理》课件第四章 传热

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,2.,对流传热,内容提要,1.,热传导,3.,稳定传热的计算,4.,热辐射,5.,换热器,基,本要求,导热、对流换热的基本规律及计算,稳定传热过程的计算,一、传热在食品工程中的应用,第一节 概述,食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作,（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。,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),对流,(convection),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。,任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，故所有物体,都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。,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，各传热方式很少单独出现，往往,会相互伴随出现。,一、傅立叶定律,第二节 热传导,1.,温度场和温度梯度,温度场,(,temperature,field,),：,任一瞬间物体间或系统内各点,的温度分布，称为温度场。,物体的温度分布是空间位置和时间的函数，即,t = f (x,，,y,，,z,，,),式中：,t ,温度,x, y, z ,空间坐标,时间,(4-1),t = f (x,，,),(4-1a),不定态温度场,：,温度场内如果各点温度随时间而改变。,定态温度场,：,若温度不随时间而改变。,一维温度场,：,若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。,等温面,：,温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。,等温面的,特点,：,（,1,）等温面不相,交；,（,2,）沿等温面无热量传递。,t,n,=,t,n,n,0,grad,t,=,lim,注意,：沿等温面无热量传递，而沿和等温面相交的任何方,向，都有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面,的,垂直方向,为最大。,温度梯度,：两相邻等温面的温差为,t,与两面间的垂直距离,为,n,的比值的极限。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加,的方向为正。,t,x,=,gradt,=,lim,x,0,t,(,x,+ ,x,),t,(,x,),x,温度梯度是矢量,方向垂直于等温面,n,t,t,-,t,t,+,t,t/n,以温度增加的方向为正,温度梯度,对于一维温度场：,dt,dx,grad,t,=,力，与物质组成、结构、密度、温,度、压强有关。查表。,2,傅立叶定律,Fouriers Low,x,t,dA,t,-,t,Q,t,+,t,t/,x,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：,t,x,dQ,= ,dA,Q,单,位时间传导的热量，简称传热速率，,w,。,dQ,是对应于,dA,的,A,导热面积，即垂直于热流方向的表面积，,m,2,导热系数,(,ther,mal conductivity,),，热导率，,w/m,.,k,“-”,热流方向和温度梯度方向相反。,是物质的物理性质，表征,导热能,金,固,非金,液,气,二、平壁的稳定热传导,（一）单层平壁的稳定热传导,假 设：,b,t,2,Q,t1,t,t,1,t,2,o,b,x,厚,b,，,面积,A,；,为常数；,等温面垂直于,x,轴；,侧面温度,t,1,及,t,2,恒定。,=,1 2,=,dt,dx,Q,= ,A,t,R,=,Q,=,b,t,1,t,2,b,A,A,(,t,1,t,2,),=,根据傅立叶定律,Q,A,t,r,q,=,t,t,b,热通量：,(,热流密度,),积分边界条件：当,x,=0,时，,t= t,1,；,x=b,时，,t= t,2,，,导热的推动力,导热热阻,（二）多层平壁的稳定热传导,以三层平壁为例,Q,b,1,b,2,b,3,x,t,t,1,t,2,t,3,t,4,壁厚,b,1,，,b,2,，,b,3,；,1,，,2,，,3,为常数；,接触表面上温度相等；,壁面积为,A,。,b,2,2,A,A,(,t,1,t,2,),Q,1,=,1,b,1,Q,1,=,t,1,t,2,= ,t,1,b,1,1,A,Q,2,Q,3,= ,t,2,= ,t,3,b,2,2,A,b,3,3,A,第一层,第二层,第三层,对于稳定导热过程：,Q,1,=Q,2,=Q,3,=Q,Q,(,+ +,),= ,t,1,+ ,t,2,+ ,t,3,b,1,1,A,b,3,3,A,b,1,b,2,b,3,1,A,2,A,3,A,b,2,2,A,b,i,=,i 1, A,),(,b,1,1,A,b,3,3,A,t,1,t,4,+ +,=,) (,t,1,+ ,t,2,+ ,t,3,+ +,Q,=,t,1,t,4,R,1,+,R,2,+,R,3,=,t,1,+,t,2,+,t,3,R,1,+,R,2,+,R,3,Q,=,=,Q,=,t,1,t,n,+,1,R,n,i,t,1,t,n,+,1,同理，对具有,n,层的平壁，热,传导速率方程式为,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/(m,),，绝缘,材料的热导率为,0.04 W/(m,),，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。,Q,b,1,b,2,x,t,t,1,t,2,b,3,t,3,t,4,q,= =,b,2,+ +,=,10,5.27, =,9.1,+,t,4,=,5.27, +,(,5),= ,4.1,0.12,0.70,0.12,0.70,),b,3,3,b,1,1,(,Q,A,=,5.27W/m,2,10,(,5),0.10,0.04,=,t,1,t,4,+ +,2,按温度差分配计算,t,2,、,t,3,0.12,0.70,b,1,1,t,2,=,t,1,q,解： 根据题意，,t,1,=10,，,t,4,=-5,，,b,1,=b,3,=0.12m,，,b,2,=0.10m,，,1,=,3,= 0,.70 W/(m,),，,2,= 0.04W/(m,),。,按热流密度公式计算,q,：,0.12,0.70,b,3,3,t,3,=,q,二、圆筒壁的稳定热传导,（一）单层圆筒壁的稳定热传导,假 设：,圆筒壁很长，沿轴向散热可忽,略，则通过圆筒壁的热传导可视为,一维稳态热传导；,r,1,r,2,t,1,t,2,圆筒的内外半径分别为,r,1,、,r,2,，,长度为,L,；,圆筒,内、外壁面温度分别为,t,1,、,t,2,，且,t,1,t,2,。,L,dr,r,2,dt,dr,dt,dr,Q,= ,A,= ,2rL,ln,t,1,t,2,r,1,Q,=,2,L,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,上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即,A,m,(t,1,t,2,),r,2,r,1,=,A,m,(t,1,t,2,),b,Q,=,r,2,ln,2,2Lr,2,ln,2,ln,=,2r,m,L,2L(r,2,r,1,),r,1,A,m,=,r,m,r,2,r,1,r,r,1,=,ln,A,2,A,1,A,A,1,=,2L(r,2,r,1,),2Lr,1,A,m,=,上两式相比较，可得,其中,式中,r,m,圆筒壁的对,数平均半径，,m,A,m,圆筒壁的内、,外表面对数平均面积，,m,2,当,A,2,/A,1,2,时，可认为,A,m,=,（,A,1,+A,2,）,/2,（二）多层圆筒壁的稳定热传导,r,1,r,2,r,3,r,4,t,1,t,2,t,3,t,4,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。,以三层圆筒壁为例：,层与层接触良好，各等温面,皆为同心圆柱面；,各 层 的 导 热 系 数,1,，,2,，,3,皆视为常数；,各层壁厚分别为,b,1,= r,2,- r,1,，,b,2,=r,3,- r,2,，,b,3,=r,4,- r,3,；,b,1,b,2,b,3,r,2,1 r,3,1,多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁，则导热速,率：,1,A,m1,2,A,m2,3,A,m3,t,1,t,4,R,1,+,R,2,+,R,3,=,t,1,+,t,2,+,t,3,+ +,Q,=,3,r,4,r,3,ln,ln,1,1,+,ln,+,r,1,2,r,2,2L(t,1,t,4,),Q,=,b,i,=,i 1, A,同理，对于,n,层圆筒壁,2L(t,1,t,n,+,1,),1 r,i,+,1,i,i,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,热通量不相等,。,n,t,1,t,n,+,1,i mi,Q,=,t,2,例,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，平均导热系数是,0.07,W/m,，外层为,20mm,的石棉层，其平均导热系数是,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,，管壁的导热系数是,45W/m,。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,r,1,r,2,r,3,r,4,t,1,t,3,t,4,=,+,+,ln,ln,t,2,1 2 3,r,4,r,3,ln,Q 2(t,1,t,4,),1,= 45W/(m,),，,2,= 0.07W/(m,),，,r,1,=0.053/,2=0.0265m,；,r,3,=0.03+0.04=0.07m,；,3,= 0.15W/(m,);,r,2,=0.026,5+0.0035=0.03m,r,4,=0.07+0.02=0.09m,t,1,= 500,t,4,= 80,解： 由题意可知，,r,1,r,2,r,3,r,4,t,1,t,3,t,4,每米管长的热损失,L 1 r,2,1 r,3,1, r,1, r,2,+,+,ln,+,r,2,1,+,ln,ln,0.09,0.07,ln,ln,1,45,2,3.14,(500,80),0.03 1 0.07 1,0.0265 0.07 0.03 0.15,=,Q,L,=,191.4 W/m,保温,层界面温度,t,3,r,3,r,2,ln ln,1,1,Q,L,2(t,1,t,3,),r,1,2,=,1,45,2,3.14,(500,t,3,),0.03 1 0.07,0.0265 0.07 0.03,191.4,=,解得,t,3,=131.2,对流传热,(convection heat exchange),：,流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用,的传热过程。,第三节 对流传热,一、对流传热的基本概念,流动原因：强制对流、自然对流,流动类型：湍流、层流,影响因素：,传热过程,高温流体,湍流主体,层流底层,壁面两侧,层流底层,湍流主体,低温流体,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,(,导热系数较,流体大,),有温度梯度,传热边界层,（,tempe,rature boundary layer,）,：,温度边,界,层，温度梯度较大的区域。厚度用,t,表示。,温度,距离,传热特性：,t,w,t,T,T,w,热流体,冷流体,传热壁面,湍流主体,层流底层,湍流主体,层流底层,传热方向,对流传热示意图,传热壁面,T,对,流传热温度差，,T=,T-T,W,，；,T,热流体平均温度，；,T,W,与热,流体接触的壁面温度，；,对,流传热系数,，,W/m,2,K,（或,W/m,2,）。,T,T,w,1,A,Q,=,Q=,A(,T-T,w,),A,传热面积，,m,2,T,T,w,t,A,Q,=,二、对流传热速率,t,难以测定，,以,代 替,/,t,牛顿冷,却定律,式中,Q,对流传热速率，,W,；,1,状态：液态、气态、蒸汽，相变；,4,物理性质：密度,、比热,c,p,、导热系数,、粘度,等；,3,运动状况：层流、过渡流或湍流；,2,对流状况：自然对流，强制对流；,5,壁面：形状、位置及大小。,三、影响对流传热系数的主要因素,与流体特性和壁面有关,lu,a,c,p,k,g,tl,3,2,g,Nu,=,C,Re Pr,Gr,l,=,C,( ) ( ) (,2,),a k,g,四、对流传热中的准数,无相变时，对流传热系数：,=,f,(,u,l,c,p,g,t,),整理成准数式,其中，,Nu,，,Re,，,Pr,，,Gr,是没有单位,(,无量纲,),的式子，称准数,无相变时对流传热,时的准数关系式,准数名称,符号,意义,努塞尔数,（,Nusself,）,l,Nu,=,表示对流传热系数的准数,雷诺数,（,Reynolds,）,lu,Re,=,确定流动状态的准数,普朗特数,（,Prandtl,）,c,p,Pr,=,表示物性影响的准数,格拉晓夫数,（,Grashof,）,3 2,g,tl,Gr,=,2,表示自然对流影响的准数,准数符号及意义,在应用关联式时应注意以下几点：,准数关联式是经验公式，应用时不能超出实验条件范围。,3,、应用范围,2,、特征尺寸,指无因次准数,Nu,、,Re,等中所包含的传热面尺寸。,常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。,1,、定性温度,指,确定准数中流体物理特性参数的温度。一,般定性温度的取法：,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,。,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。,d,i,u,0.8,c,p,n,) ( ), ,(,d,i,=,0.023,第四节 对流传热系数关联式,一、无相变时的对流传热系数,1,流体在圆直管内强制对流,1.1,圆直管内强制,湍流,时的对流传热,系数,1.1.1,低粘度流体,(,10000,，,0.7,Pr,50,。,若,L,/,d,i,10000,，,0.7,Pr50,特性尺寸,:,管内径,定性温度,:,w,壁温，其它均为,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,(,2,10,-3,Pa,s),6,10,5,Re,1.8,=,1,1.1.3,处于过渡流动状态的,先用湍流时的计算公式计算,值；,值乘以校正系数,。,例：常压下，空气以,15m/s,的流速在长为,4m,，,60,3.5mm,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：此题为空气在圆直管内作强制对流,定性温度：,t,=(150+250)/2=200,物性数据,(,查附录，,200,时空气,):,C,p,=1.026,10,3,J/kg.,=0.03928W/m.,=2.6,10,-5,Pa.s,=0.746kg/m,3,Pr,=0.68,特性尺寸,:,d,=0.060-2,0.0035=0.,053m,l,/,d,=4/0.053=75.550,Nu,= ,60.4,=,44.8,W/m,2,0.03928,0.053,d,=,Re=du,/,=(0.053,15,0.746)/(0.6,10,-5,),=2.28,10,4, 10,4,(,湍流,),空气被加热，,k,=0.4,，所以：,Nu,=0.023,Re,0.8,Pr,0.4,=0.023,(22800),0.8,(0.68),0.4,=60.4,(1),当自然对流的影响可忽略时,(Gr,25000),Nu=,1.86(,RePrd,i,/,L,),1/3,(,/,w,),0.14,应用范围：,Re,2300,，,0.6,Pr,10,。,特性尺寸：管内径,d,i,定性温度：,w,取壁温，其它,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,=0.95,1.2,流体在圆直管内作强制层流,(2),当自然对流的影响不能忽略时,(Gr,25000),Nu,=0.023,Re,0.8,Pr,n,f,式中：,f,=0.8 ( 1+0.015 Gr,1/3,),(1 0.77 ),= +, ,R,d,i,有离心力，湍动程度大，对流传热系数较大。,弯管,中的对流传热系数，,w/,（,m,2,）,直管中的对流传热系数，,w/,（,m,2,）,R,弯管轴,的弯曲半径，,m,1.4,流体在弯管内作强制对流,流体流动截面积,润湿周边,流体流动截面积,传热周边,d,e,=,4,d,e,=,4,或,1.5,流体在非圆管内强制对流,管内径改为当量直径,d,e,Nu,=,0.5 Re Pr,Pr,0.25,Nu,=,0.25 Re Pr (,Pr,0.25,2,流体在管外强制对流,2.1,单管,套管换热器,0.5,0.38,),(,Pr,w,0.6 0.38,),Pr,w,当,Re,= 10,3, 2,10,5,定性尺寸：管外径；,定性温度：,Pr,w,外壁温，其余均用流体平均温度,当,Re,= 8 10,3,时，,2.2,管 束,列管换热器,错,列,x,1,x,2,直列,x,1,x,2,N,u,=C,1,C,2,Re,n,Pr,0.4,应用范围：,5000 R,e, 25,C,左右，加热面上汽泡较多，形,成不稳定,的蒸气膜，热阻增大，,和,q,急剧下降。,温度差,t,(4),膜状沸腾阶段,(DE),D,点后，温差,大，壁面气膜稳定；,t,w,较高，,增大小，热通量,q,上升。,2.2,液体的沸腾过程,沸腾传热推动力：,t=,加热面温度,-,液体饱和温度,在大空间内沸腾时,，,和热流密度,q,随,t,变化。,沸腾传热分四个阶段：,q,A,B,C,D,q,线,线,影响沸腾传热的因素,（,2,）,温度差,：温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量,在核状沸腾阶段操作。,（,3,）,操作压力,：提高操作压力可强化对流传热过程。,（,1,）,流体物性,： 一般情况下，,随表面张力和,的增大而,减小，而随,和,的增大而增大。,（,4,）,加热面的影响,：加热面的材料、粗糙度的影响。,q,(,w,/,m k,),=,0.145,p,t,(,w,/,m k,),2,0.15 0.7,=,0.560,p,2,0.5,2.33,p,压强,，,Pa,；,q,热负荷，,w/m,2,。,2.3,沸腾对流传热系数的计算,(1),=,c,t,2.4,w,/,m,2,k,不同液体的,c,值可查表 。对于水，,c,= 1045,(,2),对于水，当压强,p,= 0.02,10 MPa,流动情况,公式,定性,温度,特性,尺寸,典型应用,无,相,变,管内,圆,直,湍流,低黏度,高粘度,层流,过渡,弯,管,管外,有,相,变,冷凝,沸腾,对流传热系数小结,第五节 稳定传热的计算,热流体,冷流体,传热壁面,湍流主体,层流底层,湍流主体,层流底层,Q,传热壁面,换热器的,微元截面,一、能量衡算,对,间壁式换热器,作能量恒算，在忽略热损失的情况下有,上式即为换热器的热量衡算式。,式中,Q,换热器的,热负荷，,kJ/h,或,w,W,流体的质量流,量，,kg/h,或,kg/s,I,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=W,h,(I,h1,-I,h2,)=W,c,(I,c2,-I,c1,),若换热器中两流体,无相变,，且认为流体的比热不随温度,而变或可取平均温度下的比热容时，则有,式中,c,p,流体的平均,比热，,kJ/,（,kg,）,t,冷,流体的温度，,T,热,流体的,温度，,Q=W,h,c,ph,(T,1,-T,2,)=W,c,c,pc,(t,2,-t,1,),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,式,中,W,h,饱和蒸汽（,热流体）的冷凝速率，,kg/h,r,饱,和蒸汽的冷凝潜热，,kJ/,kg,Q=W,h,r=W,c,c,pc,(t,2,-t,1,),注,：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。,Q=W,h,r+c,ph,(T,s,-T,2,)=W,c,c,pc,(t,2,-t,1,),式中,c,ph,冷凝液的比热,，,kJ/,（,kg,）,T,s,冷凝,液的饱和温度，,二、总传热速率方程,（一）总传热速率微分方程,通过换热器中任一微元面积,dA,的间壁两侧流体的传热速,率方程（仿对流传热速率方程）为,dQ=K(T-t)dA=K,tdA,式中,K,局部总传,热系数，,w/,（,m,2,）,T,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， ,上式称为,总传热速率方程,。,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=K,i,(T-t)dA,i,=K,o,(T-t)dA,o,=K,m,(T-t)dA,m,式中,K,i,、,K,o,、,K,m,基于管内表面积、外表,面积,、内外表面平均,面积 的总传热系数，,w/,（,m,2,）,A,i,、,A,o,、,A,m,换热器内表面,积、,外表面积、内外表面平均,面积，,m,2,注：在工程大多以外表面积为基准。,通过管壁的热传导,dQ,=,T,w w,+ +,dQ,=,（二）总传热系数,1,、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，,则通过任一微元面积,dS,的传热由三步过程构成。,由管壁传给冷流体,由上三式可得,T,T,w,1,由热流体传给管壁,dQ,=,dA,m,T,t,1 b 1,i,dA,i,dA,m,o,dA,o,i,dA,i,t,b,t,w,t,1,o,dA,o,dQ,=,dA,i,dA,m,bdA,o,bd,o,1,d,i,d,o,d,m,d,o,k,o,k,i,k,o,k,m,= =,dA,o,= =,dA,o,d,o,i,d,i,dA,o,o,dA,o,dA,o,i,dA,i,dQ,dS,o,T,t,+ +,d,m,o,=,T,t,+ +,dA,m,=,根据总传热速率微分方程，,dQ=K,i,(T-t)dA,i,=K,o,(T-t)dA,o,=K,m,(T-t)dA,m,则有：,所以,bd,o,1,bd,i,+ +,d,o,bd,o,1,d,o,i,d,i,1,+ +,d,m,o,K,o,=,d,i,o,d,o,1,i,1,+ +,d,m,K,i,=,d,m,o,d,o,d,m,i,d,i,1,b,K,m,=,总传热系数（以外表面为基准）为,1,K,o,= + +,i,d,i,d,m,o,同理,总传热系数表示成热阻形式为,= +,R,si,+ +,R,so,+,= +,R,si,+ +,R,so,+,1,o,bd,o,d,m,d,o,d,i,d,o,i,d,i,1,K,o,1,o,1 b,i,1,K,2,、污垢热阻,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,R,si,及,R,so,时，则有,当传热面为平壁或薄管壁时，,d,i,、,d,o,、,d,m,近似相等，则有,= +,当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为,1 1,i,o,1,K,1,o,1,K,若,o,i,，,则,由上可知：,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的一侧的,。,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。,例 一列管式换热器，由,25,2.5mm,的钢管组成。管内为,CO,2,，流,量为,600,0kg/h,，由,55,冷却到,30,。管外为冷却水，,流量为,2700,kg/h,，进口温度为,20,。,CO,2,与冷却水呈逆流流动,。已知水侧的对流传热系数为,300,0W/m,2,K,，,CO,2,侧的对流传,热系数为,40W/m,2,K,，,CO,2,侧污垢热阻为,0.53,10,-3,m,2,K/W,，,水侧污垢热阻为,0.21,10,-3,m,2,K/W,。试求总传热系数,K,，分,别用,K,i,和,K,o,表示。,解：,依题意知：,i,=,40W/m,2,K,，,o,= 3000W/m,2,K,，,R,si,=0.53,10,-3,m,2,K,/W,，,R,so,=0.21,10,-3,m,2,K/W,，,d,i,=,（,25-2.5,2,）,mm=0.02m,，,d,o,=0.025m,，,b=0.0025m,查表知，钢的导热系数,=45.3 W/mK,因,d,o,/d,i,=0.025/0.02,t,1,。,(2),上式对并流和逆流均适用。,对数平均温度差,t,2,250,100,180,160,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。,(250,100),(180,160),ln,=,ln,t,2,t,1,t,1,解：并流,t,m,=,=,65,m,ln,ln,t,1,逆流操作,时，因,t,2,/,t,1,0.9;,当,t,0.8,时，则传,热效率低，经济上不,合理，操作不稳定。,习题 （传热综合问题）,在,1m,长,的套管换热器中用热水将管内的果汁从,t,1,=,10,加热至,t,2,=5,0,，热水从进口温度,T,1,=98,降至,T,2,=68, ，两流体并流流动，求,:,（,1,）,欲将果汁加热至,t,2,=60,，管长需增加多少米？,（,2,）,若改用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,不变且忽略热损失）,解：换热器中两流体无相变化，则有,Q=W,h,c,ph,(T,1,-T,2,)=W,c,c,pc,(t,2,-t,1,),Q=W,h,c,ph,(98-68)=W,c,c,pc,(50-10),（,a,）,当果汁加热至,t,2,=60,时，设水的出口温度,为,T,2,，根据,题意有,Q=W,h,c,ph,(98-,T,2,)=W,c,c,pc,(60-,10),（,b,）,联立式,a,和,b,，解得：,T,2,=60.5,98,10,68,50,98,10,60.5,60,（,1,）,流体为并流时,对于第一种工况：,对于第二种工况：,=,44.1,=,16.9,( 98,10 ),( 68,50 ),ln,( 98,10),( 60.5,60),ln,t,m,1,=,t,m,2,=,由总传热速率方程：,Q=,KA,t,m,，,可得,Q,1,Q,2,L,1,t,m,1,L,2,t,m,2,=,=,KA,1,t,m,1,KA,2,t,m,2,=,W,c,C,pc,(,t,2,t,1,),W,c,C,pc,(,t,2,t,1,),=,K,( 2,rL,1,),t,m,1,K,( 2,rL,2,),t,m,2,代入数据得,=,50,10,60,10,L,1,44.1,L,2,16.9,=,3 .26,L,2,L,1,60.5,10,98,60,（,2,）,流体为逆流时,热水的出口温度仍为,T,2,=60.5,T,2,=60.5,t,1,=10,T,1,=98,t,2,=60,=,=,=,=,L,1,t,m,1,L,2,t,m,KA,1,t,m,1,KA,2,t,m,Q,1,Q,2,W,c,C,pc,(,t,2,t,1,),W,c,C,pc,(,t,2,t,1,),K,( 2,rL,1,),t,m,1,K,( 2,rL,2,),t,m,代入数据得,=,50,10,60,10,L,1,44.1,L,2,44.0,=,1.25,L,2,L,1,逆流时传热温度差为：,或采用算术平均值代替,=,44.0,=,44.3,( 60. 5,10 ),( 98,60 ),ln,( 60. 5,10 ),+,( 98,60 ),2,t,m, =,t,m, =,五、传热的强化,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,维护费也随之增加。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。,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。,第六节 换热器,换热器的分类：,按用途分：加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等,按传热方式分：间壁式、,直接接触式或混合式,、,蓄热式,按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类：管式、,板式、扩展表面式。,管式换热器：蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，,板式换热器：板式、螺旋板式、夹套式等,扩展表面式换热器：板翅式和管翅式等,t,1,t,2,T,1,T,2,一、间壁式换热器,结构：两直径不同的同心管组成,特点：,结构简单、耐高压、制造方便、使用灵活。,金属消耗量大，占地较大。,适于流量、传热面不大、压力高的场合,应用,:,流量不大、所需传热面亦不大、高压的场合。,1,、,套 管 式 换 热 器,2,蛇管式换热器,沉浸式,结构：蛇管,+,大容器,特点：简单灵,活,应用：控温反应,喷淋式,结构：蛇管,+,喷管,沉浸式蛇管换热器,特点：简单、占地大,应用：酱油灭菌,喷淋式蛇管换热器,蛇管,蛇形套管,3,、,列 管 式 换 热 器,结构,：壳体、管束、管板（又称花板）,、封头（端盖）、折流板等。,管程,：管内流体的行程；,壳程：,管外流体的行程。,特点：,制造成本低，适应性强，适于高压，维修方便。易泄,漏。,挡板,管束,端盖,壳体,管板,4,、板式换热器,1,）,平 板 式 换 热 器,结构：,板片,(,槽形、波纹,形,),，机架，通道,特点：,K,大，结,构紧凑，传热面积大；操作灵活；热损小。,压力低，操作温度不能太高；处理量不大，流速小。,应用：,广泛。灭菌,2,）,螺旋板式换热器,结构：卷板、壳体、通道,特点：,结构紧凑，传热面积大，,K,较大，,操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。昂贵。,3,）,夹 套 式 换 热 器,结构：容器、夹套,特点：结构简单，适于传热量不大的场合。,应用：浸提、反应器的加热或冷却,搅拌器,蒸汽,夹套,冷凝水,4),板翅式换热器,在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状,的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。各个单元体,又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或,错流式板翅式换热器组装件，或称为板束。再将带有集流进出,口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。,(c),多孔翅片,（,b,）,锯齿翅片,(a),光直翅片,二、混合式换热器,常用于蒸汽的冷凝或气体的冷却，有时兼作除尘器以及增,湿或减湿之用。,1,、,喷射式冷凝器,用逐渐收缩的锥形喷嘴将水或其他液体冷却剂喷射，致使,产生一定的真空度，使得水蒸气吸入，经导向板进入混和室,，使其冷却。适用于真空系统中水蒸气的排除。,2,、填料式冷却器,冷水从上部喷淋，与上升的蒸汽在填料层内,接触，从而发生传热和传质。,3,、,孔板式冷凝器,1,对流传热,2,自然对流,3,强制对流,4,稳定传热,一、名词解释,1,强化传热的途径主要有（ ）、（ ）和（ ）等,2,热传导主要发生在（ ）或（ ）中。,3,热量的传递是由于（ ）引起的。,4,根据传热原理，传热有（ ）、（ ）和（ ）三种基本方式。,5,在对流传热中，雷诺准数等于（ ），它表示（ ）。,6,影响对流传热的因素主要有（ ）、（ ）、（ ）和（ ）等。,8,用冷却水将一定量的热流体由,10,0,冷却到,40,，冷却水初温为,15,， 在设计列,管式换热器时，采用两种方案比较，方案,I,是令冷却水终温为,30,， 方案,II,是令冷,却水终温为,35,，则用水量,W1,（ ）,W2,，所需传热面积,A1,（ ）,A2,（大于、小,于、等于）。,9,冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为,90,，出口温度为,50,，冷水进口,温度为,15,，出口温度为,53,，冷热水的流量相同，则热损失占传热量,的,( ),(,冷热水物性数据视为相同,),二、填空,思考题,2,液体的沸腾传热应控制在,(,),区,以便,获得较大的传热膜系数,.,A.,核状沸腾；,B.,膜状沸腾；,C.,自然对流,),三、选择,1,在与等温面垂,直的方向上，,( ),A.,温度梯度最大；,B.,温度梯度较小；,C.,没有温度梯度,3,在相同传热面积条件下,逆流操作时所需加热剂用量,较并流操作,(,A.,多；,B.,少；,C.,相同,4,间壁式换热器的热阻主,要集中在,( ),A.,间壁本身；,B.,层流底层；,C.,湍流主体,四、简答,1,简述影响对流传热系数的因素有哪些。,2,举例说明板式换热器在食品中的应用。,3,根据传热速率方程简述影响间壁式换热器的因,素。,4,举例说明套管式换热器在食品中的应用。,5,简述套式换热器的特点及