第五章--传热过程基础
《食品工程原理》第五章 传热
传热
Heat Transfer
第一节 传热概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热交换 第五节 辐射传热
.
第一节 传热概述
5-1 传热的基本概念
1.传热基本方式
（1）热传导（conduction）
当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时， 温度较高处的分子与相邻分子碰撞，并将能量的 一部分传给后者。
G P r 6 r .1 2 6 0 0 6 .4 7 .0 1 4 60 3
查表5-3 a = 0.53, m = 1/4
Nu=a(Pr·Gr)m
N u aL 0. 5(3 4 .1 460 )3 1/ 424.3 λ
αN λ u 24 0.3 .0 7 3.04 W 512/K (m ) L 0.1
δ1
δ2
.
本次习题
p.195
2. 5.
.
5-4 通过圆筒壁的稳态导热
5.4A 通过单层圆筒壁的稳态导热
Φλ2πrLdT
dr
Φ 2π
r2
Lr1
drλT2
r
T1
dT
Φ
2πLλ
lnr2 (T1
T2
)
r1
令
rmΦ rl2n2δ π rr12r1 m/rLλ T1T δln2rr12r2rδrm1
令 Am 2π rm L
.
M 3 Θ 1 L 1 a L T b M T 1 T 1 c M 3 Θ L 1 d M 3 L e L 2 T 2 Θ 1 f L L T 2 g
按因次一致性原则
对质量M 1 = c + d + e 对长度L 0 = a + b – c + d – 3e + 2f + g
循环流化床锅炉原理-第五章-传热
Deg
Tc1 =1+F L
L和Deg为稀相区的高度和截面直径
c=1.1 ，F=1.4，L/Deg>50时c1 =1
3.辐射换热系数计算公式
1 h rad＝ －1 (Ta－Tb ) eb ＋ew－1－ 1
第一节 密相区传热
循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理 影响传热的各种因素
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
(一)三个控制传热过程的因素
h=hgc +hpc +hrad
1．气体对流传热系数 2．辐射传热系数
hgc
hrad
3
. 颗粒对流传热系数 hpc
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
循环流化床锅炉-传热
传热系统
密相区传热
稀相区传热 传热机理模型 传质
传热系数的准确性，对于循环流化床锅炉的设计、制造和运 行可靠性、安全性均起着举足轻重的作用。在锅炉设计中， 传热系数决定着受热面的布置、数量及结构，如果传热系数 选取不当，就难以达到稳定燃烧和最佳经济效益，甚至出现 受热面损坏的现象。与传统流化床一样，在循环流化床中存 在各种不同的传热过程： 1)颗粒与气流之间的传热(床内颗粒与床内气流)； 2)颗粒与颗粒之间的传热； 3)整个气固多相流与受热表面(包括壁面与悬吊在床内的 表面)之间的传热， 4)气固多相流与入床气流之间的传热。
s 为颗粒的导热率；dp为颗粒平均直 区颗粒密度； p和 g 径；cp和cg分别为颗粒和气体的定压比热容； 分别为颗粒和气体的密度；ut为截面平均流化速度； g0 为稀相区和密相区交界处的气体换热公式。
第五章 传热
液体被加热时，(/w)0.14=1.05，液体被冷却时，(/w)0.14=0.95
16
2. 圆直管强制滞流
Nu=1.86(RePrdi/l)1/3(/w)0.14 定性温度、定性尺寸和 (/w)0.14的处理同上 3. 圆直管过渡流
先按湍流计算，然后乘以校正因数
j=1-6×105/Re1.8<1
流体垂直流过单管时表面传热系数的变化
19
Nu=CRenPr0.4
Re 50~80 80~5000 ≥5000 C 0.93 0.715 0.226 n 0.4 0.46 0.6
2. 流体垂直流过管束 Nu=CeRenPr0.4 C、e、n的值由下表确定：
20
列序 1 2 3 4
直列 n 0.6 0.65 0.65 0.65
2
Pr
c p l
三、流体无相变对流表面传热系数的关联式
（一）流体在管内强制对流时的对流传热系数 1．流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 Nu=0.023Re0.8Prn 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径 流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，n=0.3 对高粘度流体（粘度大于水粘度的2倍），用： Nu=0.027Re0.8Pr1/3(/w)0.14 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径
E Et
Et：透过的能量
E：被反射的能量
33
由能量衡算：
Ea E Et E
Ea E
E E
Et E
1
a t 1
几种物体的定义：
黑体
镜体
a=1 =0 t=0 →例:黑煤a=0.97
a=0 =1 t=0 →例:磨光的铜镜面=0.97 t=0 a+=1
《传热学》资料第五章传热过程与传热器
《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。
(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。
(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。
(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。
(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。
(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。
(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。
(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。
第五章-传热学
t w = f ( x, y , z , τ )
如果t 常数，则称为等壁温边界条件 如果 w=常数，则称为等壁温边界条件。 等壁温边界条件。
12
第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律 第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律： 给出边界上的热流密度分布规律：
qw = f ( x, y , z , τ )
8
单位时间内微元体热力学能的增加为 单位时间内微元体热力学能的增加为
dU Φλ + Φh = 于是根据微元体的能量守恒 dτ ( ut ) ( vt ) 2t 2t 可得 λ 2 + 2 dxdy ρ c p x + y dxdy x y t = ρcp dxdy τ t t t u v 2t 2t +v +t + ρcp + u = λ 2 + 2 x y x y x y τ
4
按照牛顿冷却公式
t q x = hx ( tw tf ) x= λ y w,x
hx =
qx
( tw tf ) x
λ
t y w, x
如果热流密度、 表面传热系数、 如果热流密度 、 表面传热系数 、 温度梯度及温差 都取整个壁面的平均值， 都取整个壁面的平均值，则有 λ t h= tw tf y w 上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场 之间的关系。 而流体的温度场又和速度场密切相关， 之间的关系 。 而流体的温度场又和速度场密切相关 ， 所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度 场的微分方程。 场的微分方程。 5
dU t = ρcp dxdy τ dτ
t t t 2t 2t ρcp + u +v = λ x 2 + y 2 x y τ
第五章传热ppt课件
1
第一节 概述
一、传热在食品工程中的应用
（１）食品生产中一般必要的加热、冷却过程； （２）为延长食品贮藏时间而进行的杀菌或冷藏； （３）以除去食品中水分为目的的蒸发或结晶过程的加热或冷 却； （４）为食品完成一定生物化学变化而进行的蒸煮、焙烤等。
2
第一节 概述
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：
7
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)
(4-1a)
➢不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。
➢稳定温度场：若温度不随时间而改变。
➢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）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
24
2 多层圆筒壁的稳定热传导
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。
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
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。
➢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。
化工原理第五章传热过程计算与换热器
5.4 传热效率和传热单元数
• 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得
• 式中NTUc（Number of Transfer Unit）称为对冷流体而言的传热单 元数，Dtm为换热器的对数平均温差。
• 同理，以热流体为基准的传热单元数可表 示
• 在换热器中，传热单元数定义 为
5.4 传热效率和传热单元数
• 2．由选定的换热器型式计算传热系数K；
• 3．由规定的冷、热流体进出口温度计算参数e、CR； • 4．由计算的e、CR值确定NTU。由选定的流动排布型
式查取e—NTU算图。可能需由e—NTU关系反复计算 NTU；
• 5．计算所需的传热面积
。
5.5 换热器计算的设计型和操作型问题
• 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内 流动，流量为1.25 kg/s，由80℃冷却至30℃； 冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温 度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热 器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均 比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散 热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效 率—传热单元数法计算所需要的传热面积。
• 如图5-4所示，按照冷、热流 体之间的相对流动方向，流体之 间作垂直交叉的流动，称为错流 ；如一流体只沿一个方向流动， 而另一流体反复地折流，使两侧 流体间并流和逆流交替出现，这
种情况称为简单折流。
•图 P2
•55
5.3 传热过程的平均温差计算
•通常采用图算法，分三步： •① 先按逆流计算对数平均温差Dtm逆； •② 求出平均温差校正系数φ；
•查图 φ
•③ 计算平均传热温差： • 平均温差校正系数 φ <1，这是由于在列管式换热器内增设了
传热学(第四版)第五章：对流传热的理论基础
温度边界层和速度边界层数值举例
空气，来流速度0.5 m/s 水，来流速度0.5 m/s
§5-2 对流传热与相似原理
1 问题的提出
能够得到理论解的对流传热问题非常少。试验是不可或缺 的手段，然而，经常遇到如下两个问题: h f (v, , c p , , , l ) (1) 变量太多 A 实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测） B 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系） (2) 实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？
u
x
v
y
D D x x y y
（5）运动流体的能量守恒方程中引入了流场变量
第五章 对流换热
u和v 。
6
Navier-Stokes方程（1820年~1850年）
无因次化处理
预期解的形式
3 指导实验 • • 同名的已定特征数相等 单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件 实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲 目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题 按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式 ——解决了实验中实验数据如何整理的问题 可以在相似原理的指导下采用模化试验 —— 解决了实物 试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题
厚度t 范围 — 热边界层 或温度边界层
t — 热边界层厚度
与t 不一定相等
第五章 对流换热 19
根据边界层理论，u v,
u v 0 x y u u u x v x v v u y v y
y x 简化对流传热问题如下：
Nusselt 1910年发表”管内换热理论解” Fourier 1822年发表“热的解析理论”
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第五章 传热过程基础1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。
解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 Lt t S Q 21-=λ 式中 W 50W 1005.0=⨯==IV Qm 02.0C 50C 200m 02.0212=︒=︒==L t t S ，，，将上述数据代入，可得()()()()C m W 333.0C m W 5020002.002.05021︒⋅=︒⋅-⨯⨯=-=t t S QL λ 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。
设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t λ=+，W /(m C)⋅︒。
两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。
解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32）或 23221211b t t S b t t SQ -=-=λλ （5-32a ）式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+⨯=+ 21000.30.00030.30.00030.3150.000152t t t λ+=+=+⨯=+ 代入λ1、λ2得2.0100)00015.0315.0(4.01500)0003.025.1(-+=-+t t t t 解之得C 9772︒==t t()()()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11︒⋅=︒⋅⨯+=+=t λ则 ()22111m W 2017m W 4.0977*******.1=-⨯=-=b t t S Q λ 3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解： ()()m W 150m W 100159100502159ln 0.11159502159ln 1.014017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλA 、B 两层互换位置后，热损失为 ()()m W 5.131m W 100159100502159ln 1.01159502159ln 0.114017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλ4．直径为57mm 3.5φ⨯mm 的钢管用40 mm 厚的软木包扎，其外又包扎100 mm 厚的保温灰作为绝热层。
现测得钢管外壁面温度为120-℃，绝热层外表面温度为10 ℃。
软木和保温灰的导热系数分别为0.043⋅W/(m ℃)和0.07⋅W/(m ℃)，试求每米管长的冷损失量。
解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则()()mW 53.24m W 04.00285.01.004.00285.0ln 07.010285.004.00285.0ln 043.011012014.32ln 1ln 1π223212121-=+++++--⨯⨯=+-=r r r r t t L Q λλ 5．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。
换热管为Φ25 mm×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。
冷却水在管程流动，其对流传热系数为2 600 W/(m 2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m 2·℃)。
试求基于管外表面积的总传热系数K ，以及各分热阻占总热阻的百分数。
设污垢热阻可忽略。
解：由o o o o m i i11K d d b d d αλα=++ 查得钢的导热系数 ()C m W 452︒⋅=λ2.5b =mm o 25d =mm ()mm 20mm 5.2225i =⨯-=dmm 5.22mm 22025m =+=d ()()C m W 6.50C m W 02.02600025.00225.045025.00025.0521122o ︒⋅=︒⋅⨯+⨯⨯+=K 壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为oo o o 150.6100%100%100%97.3%152K K αα⨯=⨯=⨯= 管程对流传热热阻占总热阻的百分数为o o o i ii i o 50.60.025100%100%100% 2.4%126000.02d K d d d K αα⨯⨯=⨯=⨯=⨯ 管壁热阻占总热阻的百分数为oo o mm o 0.00250.02550.6100%100%100%0.3%1450.0225bd bd K d d K λλ⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯ 6．在一传热面积为40 m 2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。
冷却水的流量为30 000kg/h ，其温度由22 ℃升高到36 ℃。
溶液温度由115 ℃降至55 ℃。
若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40 ℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。
假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，i o αα、分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。
解：求清洗前总传热系数K()()C 7.52C 225536115ln 225536115m ︒=︒-----=∆t ()())C m W 231C m W 7.52403600223610174.430000223m ︒⋅=︒⋅⨯⨯-⨯⨯⨯=∆=t S Q K 求清洗后传热系数K '由热量衡算h p,h 12c p,c 21()()W C T T W C t t -=-h p,h 12c p,c 21()()W C T T W C t t ''-=- c p,c 2121h p,h ()W C T T t t W C ''=-- ()()C 9.37C 22402236551151151212211︒=︒⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=-'---=t t t t T T T ()()C 1.38C 229.3740115ln 229.3740115m ︒=︒-----='∆t ()()()C m W 8.410C m W 1.38403600224010174.430000223︒⋅=︒⋅⨯⨯-⨯⨯⨯=K 清洗前两侧的总传热热阻C m 109.1W C m 8.4101231111232S ︒⋅⨯=︒⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛-='-=-∑K K R 7．在一传热面积为25 m 2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。
冷却水的流量为28 000kg/h ，其温度由25 ℃升至38 ℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。
有机溶液的温度由110 ℃降至65 ℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。
两流体在换热器中呈逆流流动。
设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。
解：p,c 4.17C = kJ/(kg·℃)c p,c 21()Q W C t t =-()W 1022.4W 25381017.436002800053⨯=-⨯⨯⨯= 求m t ∆有机物 110 → 65水 38 ← 25————————————————t ∆ 72 40C 4.54C 4072ln 4072m ︒=︒-=∆t )()C m W 3.310C m W 4.54251022.4225︒⋅=︒⋅⨯⨯=K ()()h kg 10963.1s kg 452.5kg 651101072.11022.443521h h ⨯==-⨯⨯⨯=-=K T T c Q W p8．在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。
冷却水的流量为10 000 kg/h ，其初始温度为30 ℃，平均比热容为4.174 kJ/（kg·℃）。
有机溶剂的流量为14 000 kg/h ，温度由180 ℃降至120 ℃，平均比热容为1.72 kJ/（kg·℃）。
设换热器的总传热系数为500 W/(m 2·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。
解： ()()kW 3.401h kJ 104448.1h kJ 12018072.114000621h =⨯=-⨯⨯=-=T T Wc Q p 冷却水的出口温度为C 61.64C 30174.410000104448.161c c 2︒=︒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯=+=t c W Q t p 逆流时()()C 102.2C 9039.115ln 39.25C 3012061.64180ln 3012061.64180m ︒=︒=︒-----=∆t 223m m 854.7m 2.102500103.401=⨯⨯=∆=t K Q S 逆并流时 ()()C 97.94C 15039.55ln 61.94C 3018061.64120ln 3018061.64120m ︒=︒=︒-----=∆t 223m m 452.8m 97.94500103.401=⨯⨯=∆=t K Q S 逆 9．在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。
已知苯蒸汽的体积流量为1 600 m 3/h ，常压下苯的沸点为80.1 ℃，气化热为394 kJ/kg 。
冷却水的入口温度为20 ℃，流量为35 000 kg/h ，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。
总传热系数为450 W/(m 2·℃)。
设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。
解：苯蒸气的密度为()33m kg 692.2m kg 1.8027308206.0781=+⨯⨯==RT PM ρh kg 2.4307h kg 692.21600h =⨯=WW 1071.4h kJ 10697.1h kJ 3942.430756h ⨯=⨯=⨯==γW Qc p,c 21()Q W C t t =-23535000 4.1710(20) 4.71103600t =⨯⨯-=⨯ 解出 231.6t =℃求m t ∆苯 80.1 → 80.1水 31.6 20————————————————t ∆ 48.5 60.1C 1.54C 5.481.60ln 5.481.60m ︒=︒-=∆t 225m m 3.19m 1.544501071.4=⨯⨯=∆=t K Q S10．在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30 ℃，出口温度为65 ℃。