1、p了解熱傳導（導熱）、熱對流和熱輻射的基本概念；了解熱傳導（導熱）、熱對流和熱輻射的基本概念；p掌握導熱、對流換熱的基本規律及計算方法；掌握導熱、對流換熱的基本規律及計算方法； p熟悉各種熱交換設備的結構和特點；熟悉各種熱交換設備的結構和特點； p掌握穩定綜合傳熱過程的計算；掌握穩定綜合傳熱過程的計算； p了解強化傳熱和熱絕緣的措施。了解強化傳熱和熱絕緣的措施。本章重點和難點本章重點和難點第二章第二章 傳熱傳熱一、傳熱在食品工程中的應用一、傳熱在食品工程中的應用第一節第一節 傳熱的基本概念傳熱的基本概念傳熱：傳熱：是不同溫度的兩個物體之間或同一物體的兩個不同溫是不同溫度的兩個物體之間或同一物體

2、的兩個不同溫度部位之間所進行的熱的轉移。度部位之間所進行的熱的轉移。傳熱在食品工程中的應用：傳熱在食品工程中的應用： (1)(1)一般的加熱、冷卻、冷凝過程；一般的加熱、冷卻、冷凝過程； (2)(2)食品的殺菌和保藏；食品的殺菌和保藏； (3)(3)蒸發濃縮、干燥、結晶蒸發濃縮、干燥、結晶( (通過加熱去除水分通過加熱去除水分) )； (4)(4)蒸煮、焙烤蒸煮、焙烤( (通過加熱使食品完成一定的生化反應通過加熱使食品完成一定的生化反應) )。食品生產過程對傳熱的要求：食品生產過程對傳熱的要求： 強化傳熱強化傳熱( (加熱或冷卻物料加熱或冷卻物料) ) 削弱傳熱削弱傳熱( (設備和管道的保溫設

3、備和管道的保溫) )二、傳熱的基本方式二、傳熱的基本方式 熱的傳遞是由于系統內或物體內溫度不同而引熱的傳遞是由于系統內或物體內溫度不同而引起的，根據起的，根據傳熱機理傳熱機理不同，傳熱的基本方式有三種：不同，傳熱的基本方式有三種： 熱傳導熱傳導( (conduction)conduction)； 對流對流( (convection)convection)； 輻射輻射( (radiation)radiation)。 物體各部分之間物體各部分之間不發生相對位移不發生相對位移，僅借分子、原子和自由，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱

4、量傳遞稱為熱傳導。 金屬固體：金屬固體： 熱傳導主要依靠自由電子運動。熱傳導主要依靠自由電子運動。 不良導體的固體與液體：不良導體的固體與液體： 主要靠分子、原子的振動。主要靠分子、原子的振動。 氣體：氣體： 主要靠分子的不規則熱運動。主要靠分子的不規則熱運動。1.1.熱傳導（又稱導熱）熱傳導（又稱導熱）2.2.熱對流熱對流 流體各部分之間流體各部分之間發生相對位移發生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。對流。 熱對流僅發生在流體中。通常把熱對流僅發生在流體中。通常把流體流體與與固體壁面固體壁面之間的之間的傳熱傳熱稱為稱為對流傳熱對流傳熱強制對流：強制對流： 因泵（或

5、風機）或攪拌等外力所導致的對流稱為強制對流。因泵（或風機）或攪拌等外力所導致的對流稱為強制對流。 流動的原因不同，對流傳熱的規律也不同。在同流動的原因不同，對流傳熱的規律也不同。在同一流體中有可能一流體中有可能同時發生同時發生自然對流和強制對流。自然對流和強制對流。熱對流的兩種方式：熱對流的兩種方式：自然對流：自然對流： 由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產生相對位移，這種對流稱為自然對流。產生相對位移，這種對流稱為自然對流。3、熱輻射、熱輻射因熱的原因而產生的因熱的原因而產生的電磁波電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。在空間的傳遞，稱

6、為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發射出去，而不需要任何所有物體都能將熱以電磁波的形式發射出去，而不需要任何介質。當電磁波遇到物體時，介質。當電磁波遇到物體時，任何物體只要在絕對零度以上都能發射輻射能，但是只有在任何物體只要在絕對零度以上都能發射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。 實際上，上述三種傳熱方式很少單獨出現，而往往是相互實際上，上述三種傳熱方式很少單獨出現，而往往是相互伴隨著出現的。伴隨著出現的。三、三、 換熱器類型換熱器類型換熱器換熱器：實現實現冷、熱介質冷、熱介質熱量交換的設備熱量交換的設備

7、 冷、熱流體交換流過熱載體時，熱流體將熱量傳遞給冷流冷、熱流體交換流過熱載體時，熱流體將熱量傳遞給冷流體。如煉焦爐中煤氣燃燒系統就是采用蓄熱式換熱。體。如煉焦爐中煤氣燃燒系統就是采用蓄熱式換熱。 直接混合式直接混合式 將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。 蓄熱式蓄熱式 熱量熱量 存儲在熱載體上存儲在熱載體上 傳遞給冷流體。如傳遞給冷流體。如（圖（圖3-3動畫）動畫）用于輸送熱量的介質用于輸送熱量的介質載熱體載熱體。加熱介質（加熱劑）加熱介質（加熱劑）：起加熱作用的載熱體。起加熱作用的載熱體。水蒸氣、熱水等水蒸氣、熱水等。冷卻介質（冷卻劑）冷卻介質（冷

8、卻劑）：起冷卻作用的載熱體。起冷卻作用的載熱體。冷水、空氣制冷劑。冷水、空氣制冷劑。 間壁式間壁式 熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體，熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體，化工、食品生產中應用極為廣泛，主要有：化工、食品生產中應用極為廣泛，主要有： 夾套式熱交換器；夾套式熱交換器； 蛇型式熱交換器；蛇型式熱交換器； 套管式熱交換器；套管式熱交換器； 列管式熱交換器；列管式熱交換器； 板式熱交換器板式熱交換器。( (套管式換熱器套管式換熱器) )( (列管式換熱器列管式換熱器) )( (帶補償圈帶補償圈) )四、四、 傳熱過程中基本問題與傳熱機理傳熱過程中基本問題與傳熱機理 傳熱過程中的基本問題可以

9、歸結為：傳熱過程中的基本問題可以歸結為： 載熱體用量計算載熱體用量計算 傳熱面積計算傳熱面積計算 換熱器的結構設計換熱器的結構設計 提高換熱器生產能力的途徑。提高換熱器生產能力的途徑。解決這些問題，主要依靠兩個基本關系。解決這些問題，主要依靠兩個基本關系。 熱量衡算熱量衡算根據能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則根據能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則Q熱熱=Q冷冷， 稱為熱量衡算式。由這個關系式可以算得載熱稱為熱量衡算式。由這個關系式可以算得載熱體的用量。體的用量。 傳熱速率傳熱速率傳熱速率傳熱速率Q （熱流量）：指單位時間內通過傳熱面的熱量稱（熱流量）：指單位時間內通過

10、傳熱面的熱量稱為傳熱速率，以為傳熱速率，以Q表示，其單位表示，其單位W(j/s)。熱通量熱通量q：單位時間內通過單位傳熱面的熱量，：單位時間內通過單位傳熱面的熱量，W/m2。q=Q/S實踐證明，傳熱速率的數值與熱流體和冷流體之間的溫度差實踐證明，傳熱速率的數值與熱流體和冷流體之間的溫度差tm及傳熱面積及傳熱面積S成正比，即：成正比，即： Q=KStm (1-1) S=nd L (1-2)式式 中：中： Q傳熱速率，傳熱速率，W；S傳熱面積，傳熱面積，m2 ；tm溫度差，溫度差，；K 傳熱系數，它表明了傳熱設備性能的好壞，受換熱器的結構性能、傳熱系數，它表明了傳熱設備性能的好壞，受換熱器的結構性

11、能、流體流動情況、流體的物牲等因素的影響，流體流動情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2 ； n 管數；管數； d 管徑，管徑，m； L 管長，管長，m。將式（將式（1-1）變換成下列形式：）變換成下列形式：式中：式中：tm傳熱過程的推動力，傳熱過程的推動力， 1/K 傳熱總阻力（熱阻），傳熱總阻力（熱阻），m2 /W兩點說明：兩點說明：單位傳熱面積的傳熱速率單位傳熱面積的傳熱速率(熱通量熱通量)正比于推動力，反比于熱正比于推動力，反比于熱阻。因此，阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動是提高傳熱推動力和降低熱阻。力和降低熱阻。 從式（從式（1-1）可知，

12、如果己知傳熱量）可知，如果己知傳熱量Q，則可在確定，則可在確定K及及tm的基礎上算傳熱面積的基礎上算傳熱面積S，進而確定換熱器的各部分尺寸，進而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結構設計。完成換熱器的結構設計。K/ttKSQmm1 (1-3)熱阻（阻力）熱阻（阻力）傳熱溫度差（推動力）傳熱溫度差（推動力）傳熱速率傳熱速率 溫度場溫度場(temperature field)：某一瞬間空間中各點的溫度分布，：某一瞬間空間中各點的溫度分布，稱為溫度場稱為溫度場(temperature field)。式中：式中：t 溫度；溫度； x, y, z 空間坐標；空間坐標； 時間。時間。 物體的溫度分布是空

13、間坐標和時間的函數，即物體的溫度分布是空間坐標和時間的函數，即 t = f (x，y，z，) (2-1) 第二節第二節 熱傳導熱傳導一、一、 傅立葉定律傅立葉定律1 1 溫度場和溫度梯度溫度場和溫度梯度xdSQt+ttt-tt/x溫度場與溫度梯度溫度場與溫度梯度 一維溫度場：一維溫度場：若溫度場中溫度只沿著一個坐標方向變化。若溫度場中溫度只沿著一個坐標方向變化。 一維溫度場的溫度分布表達式為：一維溫度場的溫度分布表達式為： t = f (x,) (2-1a) 等溫面的特點：等溫面的特點： （1）等溫面不能相交；）等溫面不能相交； （2）沿等溫面無熱量傳遞。）沿等溫面無熱量傳遞。不穩定溫度場不穩

14、定溫度場：溫度場內如果各點溫度隨時間而改變。：溫度場內如果各點溫度隨時間而改變。 在不穩定溫度場中的傳熱為在不穩定溫度場中的傳熱為不穩定傳熱不穩定傳熱。穩定溫度場穩定溫度場：若溫度不隨時間而改變。此時為：若溫度不隨時間而改變。此時為穩定傳熱穩定傳熱。 等溫面等溫面：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。注意：注意：沿等溫面將無熱量傳遞，而和等溫面相交的任何方向，因溫度發生沿等溫面將無熱量傳遞，而和等溫面相交的任何方向，因溫度發生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿等溫面的垂直（法線）變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿等溫面的垂直（法線）

15、方向為最大。沿等溫面法線方向上的溫度變化率稱為方向為最大。沿等溫面法線方向上的溫度變化率稱為溫度梯度溫度梯度。溫度梯度溫度梯度: :溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正。xtxxtxxtgradtx),(),(lim0 對于一維溫度場，等溫面對于一維溫度場，等溫面x及及(x+x)的溫度分別為的溫度分別為t(x,)及及t(x+x,)，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為：，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為： xxtxxt),(),(tgraddxtd 2-22-2a 傅立葉定律是熱傳導的基本定律，它指出：單位時間內傳傅

16、立葉定律是熱傳導的基本定律，它指出：單位時間內傳導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即 式中式中 Q單位時間傳導的熱量，簡稱傳熱速率，單位時間傳導的熱量，簡稱傳熱速率，w A導熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，導熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2 導熱系數導熱系數(thermal conductivity)，w/m.k。式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向相反相反。2 2 傅立葉傅立葉( (Fourier) )定律定律dxdtqSQ 上式可改寫為：上式可改寫為：Q/S=q：單位時間、單位面積所

17、傳遞的熱量，稱為：單位時間、單位面積所傳遞的熱量，稱為熱量通量熱量通量。Fourier定律表示熱量通量與溫度梯度成正比定律表示熱量通量與溫度梯度成正比。2-3a2-3xtdSdQ xtSQ 或或表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，其值與表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，其值與物質的組成，結構、密度、溫度及壓強有關。由實驗測得。物質的組成，結構、密度、溫度及壓強有關。由實驗測得。一般金屬一般金屬（固體）（固體）的導熱系數的導熱系數非金屬（固體）非金屬（固體）液體液體氣體氣體多數固體多數固體與溫度的關系與溫度的關系 =k0+kt 單位：單位：W/(m K) k0 -0下的導熱

18、系數下的導熱系數 k為經驗常數。為經驗常數。 對大多數金屬材料，其對大多數金屬材料，其k值為負值；對非金屬材料則為正值。值為負值；對非金屬材料則為正值。xtqxtdSdQ 3.導熱系數導熱系數由由2-3式推導式推導：2-3b單位：單位：W/(m K)對于金屬對于金屬 t (通過自由電子的運動通過自由電子的運動)對于非金屬對于非金屬 t (通過靠晶格結構的振動通過靠晶格結構的振動) 對于液體對于液體 t (通過靠晶格結構的振動通過靠晶格結構的振動) 對于氣體對于氣體 t (通過分子不規則熱運動通過分子不規則熱運動) 隨壓力變化不大。只有當系統的壓力隨壓力變化不大。只有當系統的壓力P, 3kpa

19、P或或P200Mpa，隨壓力的降低，導熱系數，隨壓力的降低，導熱系數也降低，當也降低，當達到真空，達到真空，約為約為0，保，保 溫溫 瓶瓶 的的 夾夾 層層 抽抽 真真 空空 就就 是是 此此 道道 理理。如圖所示：如圖所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為平壁壁厚為b b，壁面積為，壁面積為A A； 壁的材質均勻，導熱系數壁的材質均勻，導熱系數不隨不隨溫度變化，視為常數；溫度變化，視為常數； 平壁的溫度只沿著垂直于壁面的平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x x軸方向變化，故等溫面皆為垂軸方向變化，故等溫面皆為垂直于直于x x軸的平行平面。即為一維軸的平行平面。即為一維熱傳導。熱傳導。 平壁側

20、面的溫度平壁側面的溫度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的穩定熱傳導二、平壁的穩定熱傳導1 1 單層平壁的熱傳導單層平壁的熱傳導 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2為導熱的為導熱的推動力推動力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/SR=b/S則為導熱的則為導熱的熱阻熱阻( (thermal resistancethermal resistance) )。 根據傅立葉定律根據傅立葉定律 對上式進行積分，對上式進行積分，積分邊界條件：當積分邊界條件：當x=0 x=0時，時，t= tt= t1 1；x x=b=b時，時，t= tt= t2

21、 2dxdtSQ RtSbttttSbQ2121RtbttSQq 21或或2-6將將2-6式推而廣之，則傳遞過程的普遍關系式為：式推而廣之，則傳遞過程的普遍關系式為： 過程傳遞速率過程傳遞速率=過過程的推動力程的推動力/過程的阻力。過程的阻力。 (對傳熱，傳質，動量傳遞對傳熱，傳質，動量傳遞“三傳三傳”均適均適用）用）當當為常數，為常數，xttbttq 121 ）（211ttbxtt 單層平壁內溫度分布為直線單層平壁內溫度分布為直線當當隨溫度變化時，單層平壁內溫度分布為曲線。隨溫度變化時，單層平壁內溫度分布為曲線。如圖所示：以三層平壁為例如圖所示：以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t

22、4假定各層壁的厚度分別為假定各層壁的厚度分別為b b1 1，b b2 2，b b3 3，各層材質均勻，導熱，各層材質均勻，導熱系數分別為系數分別為1 1，2 2，3 3，皆，皆視為常數；視為常數； 層與層之間接觸良好，相互接層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于面亦皆為垂直于x x軸的平行平面。軸的平行平面。 壁的面積為壁的面積為S S，在穩定導熱過，在穩定導熱過程中，穿過各層的熱量必相等。程中，穿過各層的熱量必相等。2 2 多層平壁的穩定熱傳導多層平壁的穩定熱傳導第一層第一層 第三層第三層第二層第二層對于穩定導熱過程：對于穩定導熱過程：Q

23、1=Q2=Q3=Q)(21111ttAbQS121111tttAbQS321332211)(tttAbAbAbQSSS2222tAbQS33133tAbQS32141321321RRRttRRRtttQ同理，對具有同理，對具有n層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為式中式中i為為n層平壁的壁層序號。層平壁的壁層序號。 )()(33221141332211321AbAbAbttAbAbAbtttQSSSSSSRttAbttQnniiiin11011S多層平壁導熱是一個串聯的傳熱過程，由上式可見，串聯傳熱過多層平壁導熱是一個串聯的傳熱過程，由上式可見，串聯傳熱過程的推

24、動力（總溫度差）為各分過程的溫度差之和，總熱阻是各程的推動力（總溫度差）為各分過程的溫度差之和，總熱阻是各分過程熱阻之和，此即為分過程熱阻之和，此即為串聯熱阻疊加原則，當總溫差一定時，串聯熱阻疊加原則，當總溫差一定時，傳熱速率取決于總熱阻。傳熱速率取決于總熱阻。 例：某冷庫外壁內、外層磚壁厚均為例：某冷庫外壁內、外層磚壁厚均為12cm12cm，中間夾層厚，中間夾層厚10cm10cm，填以絕緣材料，填以絕緣材料。磚墻的熱導率為。磚墻的熱導率為0.700.70w/mw/mk k，絕緣材料的熱導率為，絕緣材料的熱導率為0.040.04w/mw/mk k，墻外表面，墻外表面溫度為溫度為1010 ，內表

25、面為，內表面為-5-5 ，試計算進入冷庫的，試計算進入冷庫的熱通量（熱通量（熱流密度熱流密度）及絕及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。按溫度差分別計算按溫度差分別計算t2、t3解：根據題意，已知解：根據題意，已知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b b2 2=0.10m=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70w/m0.70w/mk k，2 2= = 0.04w/m0.04w/mk k。按熱流密度公式計算按熱流密度公式計算q q：233221141/27.570.012.004.01

26、0.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQqS1 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqtbttq211 t1t2t3t4b1b2b3132如圖所示：如圖所示：設圓筒的內半徑為設圓筒的內半徑為r r1 1，內，內壁溫度為壁溫度為t t1 1，外半徑為，外半徑為r r2 2，外壁溫度為外壁溫度為t t2 2。 溫度只沿半徑方向變化，溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其等溫面壁與平壁不同點是其等溫面隨半徑而變化。隨半徑而變化。 在半徑在半徑r r處取一厚度

27、為處取一厚度為drdr的的薄層，若圓筒的長度為薄層，若圓筒的長度為L L，則，則半 徑 為半 徑 為 r r 處 的 傳 熱 面 積 為處 的 傳 熱 面 積 為A=2rLA=2rL。三、圓筒壁的穩定熱傳導三、圓筒壁的穩定熱傳導1 1 單層圓筒壁的穩定熱傳導單層圓筒壁的穩定熱傳導Qt2t1r1rr2drL1221ln2rrttLQ將上式分離變量積分并整理得將上式分離變量積分并整理得 根據傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導的熱量為根據傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導的熱量為上式也可寫成與平壁熱傳導速率方程相類似的形式，即上式也可寫成與平壁熱傳導速率方程相類似的形式，即drdtrLdrdtAQ2

28、S122121)()(rrttAbttAQmmSmSm1212lnrrrrrm上兩式相比較，可得上兩式相比較，可得其中其中 式中式中 rm圓筒壁的圓筒壁的對數平均半徑對數平均半徑，m Sm圓筒壁的內、外表圓筒壁的內、外表面對數平均面積面對數平均面積，m2 當當S2/S12時，可認為時，可認為Sm=（S1+S2）/2算術平均值算術平均值12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAmSmLrrrrrLAmm2ln)(21212Smr1r2r3r4t1t2t3t4 對穩定導熱過程，單位時間內由多層壁所傳導的熱量，亦對穩定導熱過程，單位時間內由多層壁所傳導的熱量，亦即等于經過各單層壁所傳

29、導的熱量：即等于經過各單層壁所傳導的熱量：Q1 = Q2 = = Qn如圖所示：以三層圓筒壁為例。如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為假定各層壁厚分別為b b1 1= r= r2 2- - r r1 1， b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3； 各層材料的導熱系數各層材料的導熱系數1 1，2 2，3 3皆視為常數；皆視為常數； 層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。溫面皆為同心圓柱面。2 2 多層圓筒壁的穩定熱傳導多層圓筒壁的穩定熱傳導 多層圓筒壁的熱傳

30、導計算，可參照多層平壁。多層圓筒壁的熱傳導計算，可參照多層平壁。 對于第一、對于第一、二、三層圓筒壁有二、三層圓筒壁有12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ121212rrlnLQtt 232322rrlnLQtt 343432rrlnLQtt 整理上三式可得整理上三式可得 :34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，對于同理，對于n層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為 注：對于圓筒壁的穩定熱傳導，通過各層的注：對于圓筒壁的穩定熱傳導，通過各

31、層的熱傳導速率熱傳導速率都是都是相同相同的，但是的，但是熱通量熱通量卻卻不相等不相等。LrrrLttRRttQff010121121ln21 分析：當分析：當r r1 1不變、不變、r r0 0增大時，熱阻增大時，熱阻R R1 1增大，增大，R R2 2減小，因此有減小，因此有可能使總熱阻（可能使總熱阻（R R1 1+R+R2 2）下降，導致熱損失增大。）下降，導致熱損失增大。 通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對于小直徑通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對于小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，可圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，可能反而使熱

32、損失增大。能反而使熱損失增大。 假設保溫層內表面溫度為假設保溫層內表面溫度為t t1 1，環境溫度，環境溫度為為t tf f，保溫層的內、外半徑分別為，保溫層的內、外半徑分別為r r1 1和和r r0 0，保溫層的導熱系數為保溫層的導熱系數為，保溫層外壁與空氣，保溫層外壁與空氣之間的對流傳熱系數為之間的對流傳熱系數為。熱損失為：熱損失為：保溫層的臨界直徑保溫層的臨界直徑tfr1r0t1上式對上式對r r0 0求導，可求出當求導，可求出當Q Q最大時的臨界半徑，即最大時的臨界半徑，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdQoof解得解得 r0=/當保溫層的外徑當保溫層的外

33、徑d do o 2 2/時，增加保溫層的厚度才使熱時，增加保溫層的厚度才使熱損失減少。損失減少。 對管徑較小的管路包扎對管徑較小的管路包扎較大的保溫材料時，要核算較大的保溫材料時，要核算d d0 0是是否小于否小于d dc c。所以，臨界半徑為所以，臨界半徑為 rc=/ 或或 dc=2/例：在一例：在一 603.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導熱系數的氧化鎂粉，平均導熱系數=0.07W/m，外層為，外層為20mm的石棉層，其平均導熱系數的石棉層，其平均導熱系數=0.15W/m。現用熱。現用熱電偶測得管內壁溫度為電偶測得管內壁溫

34、度為500，最外層表面溫度為，最外層表面溫度為80，管，管壁的導熱系數壁的導熱系數=45W/m。試求每米管長的熱損失及兩層。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。保溫層界面的溫度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：解：1、求每米管長的熱損失：、求每米管長的熱損失：已知：已知：r1=(60-3.52)/2=26.5 mm=0.0265 m , r2=0.0265+0.0035=0.03 m r3=0.03+0.04=0.07m , r4=0.07+0.02=0.09m t1=500 , t4=80 t3r1r3t1r4t4t2r2mwLQ/4.1910

35、7.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.322、求保溫層界面溫度、求保溫層界面溫度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得: t3=131.2 對流傳熱：對流傳熱：是在流體流動進程中發生的熱量傳遞現象，是在流體流動進程中發生的熱量傳遞現象，它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的，與流體的流動情它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的，與流體的流動情況密切相關。況密切相關。 當流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上的熱

36、量當流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導（亦有較弱的自然對流）的方式進行。傳遞，主要以熱傳導（亦有較弱的自然對流）的方式進行。第三節第三節 對流傳熱對流傳熱一、對流傳熱的基本概念一、對流傳熱的基本概念傳熱過程傳熱過程高溫流體高溫流體湍流主體湍流主體層流底層層流底層壁面兩側壁面兩側層流底層層流底層湍流主體湍流主體低溫流體低溫流體q湍流主體湍流主體 對流傳熱對流傳熱 溫度分布均勻溫度分布均勻 p層流底層層流底層 導熱導熱 溫度梯度大溫度梯度大 p壁面壁面 導熱導熱(導熱系數較導熱系數較流體大流體大) 有溫度梯度有溫度梯度不同區域的不同區域的 傳熱特性：傳熱特性：傳熱邊界

37、層傳熱邊界層（thermal boundary layer） ：溫度邊界層。溫度邊界層。有溫度梯度較大的區域。有溫度梯度較大的區域。傳熱的熱阻即主要幾種在此層中傳熱的熱阻即主要幾種在此層中。溫度溫度距離距離TTwtwt熱流體熱流體冷流體冷流體傳熱壁面傳熱壁面湍流主體湍流主體湍流主體湍流主體傳熱壁面傳熱壁面層流層流 底層底層層流層流 底層底層傳熱方向傳熱方向對流傳熱示意圖對流傳熱示意圖式中式中 Q對流傳熱速率，對流傳熱速率，W； S傳熱面積，傳熱面積，m2 T熱流體平均溫度，熱流體平均溫度，； TW與熱流體接觸的壁面溫度，與熱流體接觸的壁面溫度，； t= T-TW對流傳熱溫度差對流傳熱溫度差，；

38、 對流傳熱系數對流傳熱系數(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。 上式稱為上式稱為牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 簡化處理：認為流體的全部溫度差集中在厚簡化處理：認為流體的全部溫度差集中在厚度為度為t t的有效膜內，并將對流傳熱看成是通過的有效膜內，并將對流傳熱看成是通過t t的熱傳導，熱流體對熱壁面的傳熱速率為：的熱傳導，熱流體對熱壁面的傳熱速率為：二、對流傳熱速率二、對流傳熱速率 通常有效膜的厚度通常有效膜的厚度t t難以測定，所以用難以測定，所以用代替代替/t t 而用下式描而用下式描述對流傳熱的基本關系：述對流傳熱的基本關系：twTTSQ

39、Q= S（T-Tw）（熱熱阻阻）（推推動動力力）RtStSTTQw 111 流體的狀態：流體的狀態：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過程中是否有相變。液體、氣體、蒸汽及在傳熱過程中是否有相變。有相有相變時對流傳熱系數比無相變化時大的多；變時對流傳熱系數比無相變化時大的多；2 流體的物理性質：影響較大的物性如密度流體的物理性質：影響較大的物性如密度、比熱、比熱cp、導熱、導熱系數系數 、粘度、粘度等；等；3 流體的運動狀況：層流、過渡流或湍流；流體的運動狀況：層流、過渡流或湍流；4 流體對流的狀況：自然對流，強制對流；流體對流的狀況：自然對流，強制對流；5 傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管

40、徑、傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管長、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。管長、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 三、三、 影響對流傳熱系數的主要因素影響對流傳熱系數的主要因素),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe 無相變時，影響對流傳熱系數的主要因素可用下式表示：無相變時，影響對流傳熱系數的主要因素可用下式表示： 八個物理量涉及四個基本因次：質量八個物理量涉及四個基本因次：質量M，長度，長度M，長度，長度L，時間時間T，溫度，溫度。通過因次分析可得，在無相變時，準數關系式為：通過因次分析可得，在無相變時，準數關系式為：

41、即即四、對流傳熱中的因次分析四、對流傳熱中的因次分析準數符號及意義準數符號及意義準數名稱準數名稱符號符號意義意義努塞爾特準數努塞爾特準數（Nusselt）Nu=l/表示對流傳熱系數的準數表示對流傳熱系數的準數雷諾準數雷諾準數 （Reynolds）Re=lu/ 確定流動狀態的準數確定流動狀態的準數普蘭特準數普蘭特準數 （Prandtl）Pr=cp/ 表示物性影響的準數表示物性影響的準數格拉斯霍夫準數格拉斯霍夫準數（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然對流影響的準數表示自然對流影響的準數 準數關聯式是一種經驗公式，在利用關聯式求對流傳熱系準數關聯式是一種經驗公式，在利用關聯式求對流傳熱系

42、數時，不能超出實驗條件范圍。數時，不能超出實驗條件范圍。在應用關聯式時應注意以下幾點：在應用關聯式時應注意以下幾點：1 1、應用范圍、應用范圍：各準數都有一定的實驗條件和范圍。各準數都有一定的實驗條件和范圍。2 2、特性尺寸、特性尺寸：無因次準數：無因次準數NuNu、ReRe等中所包含的傳熱面尺寸稱等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是選取對流體流動和傳熱發生主要影響為特征尺寸。通常是選取對流體流動和傳熱發生主要影響的尺寸作為特征尺寸。的尺寸作為特征尺寸。3 3、定性溫度、定性溫度：流體在對流傳熱過程中溫度是變化的。確定準流體在對流傳熱過程中溫度是變化的。確定準數中流體物理特性參數的溫度稱

43、為定性溫度。一般定性溫數中流體物理特性參數的溫度稱為定性溫度。一般定性溫度有三種取法：進、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，度有三種取法：進、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。流體和壁面的平均溫度（膜溫）。4 4、準數是一個無因次數群，其中涉及到的物理量必須用統一、準數是一個無因次數群，其中涉及到的物理量必須用統一的單位制度的單位制度。npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值視熱流方向而定，當流體被加熱時，值視熱流方向而定，當流體被加熱時，n=0.4，被冷卻時，被冷卻時，n=0.3。應用范圍應用范圍 ： Re10

44、000，0.7Pr120，管長與管徑比，管長與管徑比L/di60。若。若 L/di10000，0.7Pr60 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104 (湍流湍流)Pr=Cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.688 .444 .60053. 003928. 0Nud（W/m2 ）本題中空氣被加熱，本題中空氣被加熱，k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流體在圓形直管內作強制滯流時，應考慮流體在圓形直管內作強制滯流時，應考慮自

45、然對流自然對流及及熱流方向熱流方向對對流傳熱系數的影響。對對流傳熱系數的影響。當當自然對流的影響比較小自然對流的影響比較小且可被忽略時，按下式計算：且可被忽略時，按下式計算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14應用范圍：應用范圍：Re2300，0.6Pr100。特性尺寸：取管內徑特性尺寸：取管內徑di 。定性溫度：除定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術平取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術平均值。均值。1.2 1.2 流體在圓形直管內作強制滯流流體在圓形直管內作強制滯流 當自然對流的影響當自然對流的影響不能忽略不能忽略時，而自然對流的影響又因管時

46、，而自然對流的影響又因管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動方向不同而異。子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動方向不同而異。對水平管對水平管，按下式計算：，按下式計算：應用范圍：應用范圍：Re50； 當管子較短，當管子較短，l/d60 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在在230010000之間，為過渡流區之間，為過渡流區a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 進行計算，水被加熱，進行計算，水被加熱， k=0.4。 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2校正系數校正系數：952408

47、83610611061815815.R.e 19789524. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 0)()(023. 04 . 08 . 04 . 08 . 0fcuddpiiw/（m2 ）采用上述各關聯式計算，將采用上述各關聯式計算，將管內徑管內徑改為改為當量直徑當量直徑de即可。即可。當量直徑按下式計算當量直徑按下式計算潤濕周邊流體流動截面積 4ed傳熱周邊流體流動截面積 4ed或或1.5 流體在非圓形管內強制對流流體在非圓形管內強制對流注：注：傳熱計算中，究竟采用哪個當量直徑，由具體的關聯式決傳熱計算中，究竟采用哪個當量直徑，由具體的關聯式決定。但將關聯式定。但

48、將關聯式中的中的di改用改用de是近似算法。對常用的非圓管是近似算法。對常用的非圓管道，可直接通過實驗求得計算道，可直接通過實驗求得計算的關聯式。例如的關聯式。例如套管環隙套管環隙，用水和空氣進行用水和空氣進行實驗實驗，可得，可得關聯式：關聯式：318053012020/.ePrReddd. 應用范圍：應用范圍：17651220000120012.dd,Re 特征尺寸：特征尺寸： 流動當量直徑流動當量直徑de。定性溫度：定性溫度： 流體進、出口溫度的算術平均值。流體進、出口溫度的算術平均值。式中：式中：d1為套管的內管直徑，為套管的內管直徑，d2為套管的內管直徑。為套管的內管直徑。在錯列管束外

49、流過時在錯列管束外流過時 Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流過時在直列管束外流過時 Nu=0.26Re0.6Pr0.33應用范圍應用范圍： Re3000定性溫度定性溫度：流體進、出口溫度的平均值。：流體進、出口溫度的平均值。 定性尺寸定性尺寸：取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。：取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。 管排數為管排數為10，若不為，若不為10時，計算結果應校正。時，計算結果應校正。2 2 流體在管外強制對流流體在管外強制對流2.1 2.1 流體在管束外強制垂直流動流體在管束外強制垂直流動 換熱器內裝有圓缺形擋板（缺口面積為換熱器內裝有圓缺形擋

50、板（缺口面積為25%的殼體內截面的殼體內截面積）時，殼方流體的對流傳熱系數的關聯式為：積）時，殼方流體的對流傳熱系數的關聯式為：（1）多諾呼法）多諾呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14 應用范圍應用范圍: Re=(23)104 特性尺寸特性尺寸: 取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。的流速。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術平均值。術平均值。2.2 2.2 流體在換熱器的管間流動流體在換熱器的管間流動（2）凱恩法）凱恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w

51、）0.14注意注意：若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動，：若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動，則仍用管內強制對流的公式計算，只須將公式中的管內徑改為則仍用管內強制對流的公式計算，只須將公式中的管內徑改為管間的當量直徑。管間的當量直徑。 應用范圍應用范圍: Re=21031 105 特性尺寸特性尺寸: 取當量直徑，管子排列不同，計算公式也不同。取當量直徑，管子排列不同，計算公式也不同。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術取壁溫外，均為流體進、出口溫度的算術平均值。平均值。加熱表面形狀加熱表面形狀特征尺寸特征尺寸GrPr 范圍范圍cn水平圓管水平圓管

52、外徑外徑d01041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板高度高度L1041090.591/410910120.101/3Nu=c（GrPr）n定性溫度定性溫度: 取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算 術平均值。術平均值。式中的式中的c、n值見表值見表3 3 自然對流自然對流蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜狀冷凝膜狀冷凝和和滴狀冷凝滴狀冷凝兩種方式。兩種方式。膜狀冷凝膜狀冷凝：由于冷凝液能潤濕壁面，因而能形成一層由于冷凝液能潤濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個冷凝過程中，冷凝液膜完整的膜。在整個冷凝過程中，冷凝液膜是其主

53、要熱阻。是其主要熱阻。二、流體有相變時的對流傳熱系數二、流體有相變時的對流傳熱系數1 1 蒸汽冷凝時的對流傳熱系數蒸汽冷凝時的對流傳熱系數 若冷凝液膜在重力的作用若冷凝液膜在重力的作用下向下流動，則形成的液膜愈下向下流動，則形成的液膜愈向下愈厚，故壁愈高或水平放向下愈厚，故壁愈高或水平放置的管徑愈大，整個對流傳熱置的管徑愈大，整個對流傳熱系數也愈小。系數也愈小。滴狀冷凝滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱為。在實際生產過程中，多為膜狀冷

54、凝過程。稱為。在實際生產過程中，多為膜狀冷凝過程。蒸汽冷凝時的傳熱推動力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。蒸汽冷凝時的傳熱推動力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。 滴狀冷凝時，冷凝液在壁面上不能形成完整的液滴狀冷凝時，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜將蒸汽分開，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可膜將蒸汽分開，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。因此熱阻小得多。實驗結果表明，滴狀供蒸汽冷凝。因此熱阻小得多。實驗結果表明，滴狀冷凝的傳熱系數比膜狀冷凝的傳熱系數大冷凝的傳熱系數比膜狀冷凝的傳熱系數大510倍。倍。 工業上，大多數是膜狀冷凝，在冷凝器的設計中工業上，大多數是膜狀冷凝，在冷凝器的設計中

55、按膜狀冷凝設計。按膜狀冷凝設計。4132)(725.0tdngr1.1.1 在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝：1.1.2 水平管壁上作膜狀冷凝水平管壁上作膜狀冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、導熱系數、粘度冷凝液的密度、導熱系數、粘度 r飽和蒸汽的冷凝潛熱飽和蒸汽的冷凝潛熱 t蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差 d管子外徑管子外徑 n管束在垂直面上的列數管束在垂直面上的列數 1.1 1.1 膜狀冷凝時對流傳熱系數膜狀冷凝時對流傳熱系數4132131)tlgr(. 冷凝液膜流動為層流冷凝液膜流動為層流（Re1800）

56、時：）時：冷凝液膜流動為湍流冷凝液膜流動為湍流（Re1800）時：）時：403123200770./Reg. 1.1.3 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流動，蒸汽和液膜同向流動， 液膜厚度液膜厚度， ，若逆向流動，液膜厚度若逆向流動，液膜厚度， ，蒸汽的流速較大，蒸汽的流速較大， 液液 膜膜 吹吹 跑跑 ， 冷凝液膜兩側的溫度差冷凝液膜兩側的溫度差 t： 當液膜呈滯流流動時，若當液膜呈滯流流動時，若t加大，則蒸氣冷凝速率增加，因加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，而液膜層厚度增厚， 蒸汽中不凝氣體含量的影響蒸汽中不凝氣體含量的影

57、響：若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為氣體（導熱系數很小）所若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為氣體（導熱系數很小）所覆蓋，增加了一層附加熱阻，使覆蓋，增加了一層附加熱阻，使急劇下降，可達急劇下降，可達60%。 冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響： 如對于翅片管和螺旋管如對于翅片管和螺旋管 ，；傳熱面積；傳熱面積S， 冷凝管的方位冷凝管的方位： 對于水平管：對于水平管：若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜變厚，變厚， ；沿垂直方向排管數目；沿垂直方向排管數目， 。管束改。管束改為錯列，為錯列，或加除液擋板，或加除液擋板， 。 對于垂直管對于垂直管: 尺寸尺寸， ，

58、。管外開槽，管外開槽， 。 流體的物性流體的物性： （汽化熱（汽化熱r、密度、密度、），；，2 2 液體沸騰時的對流傳熱系數液體沸騰時的對流傳熱系數 2.1 液體沸騰的基本概念液體沸騰的基本概念 液體的沸騰液體的沸騰: :當液體被加熱時，液相內部產生氣泡或氣膜的當液體被加熱時，液相內部產生氣泡或氣膜的過程。該過程既有過程。該過程既有導熱導熱過程又有過程又有對流傳熱對流傳熱過程。過程。包括包括大容積沸騰、管內沸騰大容積沸騰、管內沸騰。 大容積沸騰大容積沸騰: :將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面受熱沸將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面受熱沸騰騰（池式沸騰）（池式沸騰） 。大容積沸騰時，液體中一方

59、。大容積沸騰時，液體中一方面存在著由溫差引起的面存在著由溫差引起的自然對流自然對流，另一方面又，另一方面又因氣泡運動所導致的因氣泡運動所導致的液體運動液體運動。 管管 內內 沸沸 騰騰: :液體在管內流動時受熱沸騰。管內沸騰時，管液體在管內流動時受熱沸騰。管內沸騰時，管壁上所產生的汽泡被管內液體裹挾與其一起流壁上所產生的汽泡被管內液體裹挾與其一起流動，管內造成了復雜的兩相流動。這種沸騰的動，管內造成了復雜的兩相流動。這種沸騰的機理更為復雜。機理更為復雜。2.2 液體沸騰曲線液體沸騰曲線 大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差t（壁溫與液體飽和（壁溫與液體飽和溫度之差）

60、而變，出現不同的沸騰狀態。溫度之差）而變，出現不同的沸騰狀態。1、 AB段段：表面汽化表面汽化:溫度差溫度差t 較小時，在加熱表面的液體較小時，在加熱表面的液體 內產生內產生自然對流自然對流，僅在液體，僅在液體 表面發生蒸發，沒有氣泡逸表面發生蒸發，沒有氣泡逸 出，沸騰傳熱系數出，沸騰傳熱系數和熱通和熱通 量量q都較低。都較低。2、 BC段段：核狀沸騰核狀沸騰： 當當t升升 高時，加熱表面的局部位置高時，加熱表面的局部位置 產生氣泡，氣泡產生的速度產生氣泡，氣泡產生的速度 隨隨t上升而增加，由于氣泡上升而增加，由于氣泡 的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動，因此，的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾