传热学 课件

传热,1,本章的重点和难点 掌握通过平壁及圆筒壁的热传导计算； 了解牛顿冷却定律及影响对流传热系数的因素； 掌握传热速率方程，并运用平均温差法进行传热过程的计算； 掌握辐射传热的基本概念及基本定律； 掌握列管式换热器的选型、设计、计算； 了解换热器的分类、各类换热器的特点及强化传热的途径；,第四章 传热,传热,2,3.1 概述,温度对化学反应有重要的影响，许多的单元操作过程都与传热有关，传热过程普遍存在。在生产中对传热的要求主要有两个：一是强化传热，另一个是热绝缘，二者目的不同但传热的机理和设备相同。,传热的几个基本概念 传热推动力和热量传递方向 温差是热量传递的推动力，只要有温度差的存在就有热量的传递现象，且热量是从高温向低温传递。 传热速率 热流量Q和热流密度q,传热,3,稳态传热过程 系统中各点的温度和传热速率不随时间而变。不加说明一般都指稳态传热过程。 传热方式 热传导：也叫导热，依靠物体内部自由电子的热运动或分子的原位振动进行热量的传递，特点是物体内部的质点没有宏观位移。一般发生在固体或层流流体中。 热对流：对流传热，流体内部各部分之间发生相对位移进行的热量传递。仅发生在流体中。根据流体对流的原因又分为自然对流和强制对流（热量传递的效果更好）。 （热）辐射 ：辐射传热，依靠电磁波的形式传递热量，绝对温度不为零的任何物体均能向外界辐射传热，且无需任何介质。,传热,4,传热过程中流体的接触方式,直接接触式间壁式畜热式,传热,5,3.2 热传导,几个基本概念 温度场 任一时间，物体（或空间）各点处温度的分布状况。 等温面和等温线 空间任一点在某一瞬间不能同时有两个不同的温度存在，即等温线不能相交（类似于磁场中的磁力线）。 温度梯度 一个向量，与热流方向恰好相反。,沿等温面将无热量传递； 沿和等温面相交的任何方向，有热量的传递 与等温面垂直方向的温度梯度最大。,传热,6,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。,对于一维温度场，等温面x及(x+x)的温度分别为t(x,)及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：,传热,7,傅立叶定律,上式即为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，它表示传导的热流密度与传热面的法向温度梯度成正比，而热流方向却与温度梯度相反。 其中是比例系数，称导热系数。,传热,8,导热系数,导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热流密度， 即q。 是表征物体导热能力的物理量，数值越大导热能力越强。 的数值与物质的组成、结构、密度、温度和湿度等因素都有关，一般有金属非金属液体气体，具体的数值查有关手册。 温度升高 金属减小（纯金属的比合金的导热系数大得多）、 非金属增大、 液体略有减小（除水和甘油外，且非金属液体中水的最大）、 气体增大（绝对值很小，常用来保温）,传热,9,平壁的一维稳态导热 单层平壁,根据傅立叶定律：,若平壁的导热系数不随温度而变化，则：,上式经积分可得：,传热,10,多层平壁,传热,11,对于这样的一维稳态导热，在平壁内部没有热量积聚，所以通过各层平壁的热流量应相等，即 Q1Q2Q3Q 由数学中的加合性可知：,多层平壁的稳态导热是一个串联导热过程，其总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和 。,传热,12,单层圆筒壁,传热,13,传热,14,在工程计算中，当S2/S12时，Sm可用算术平均值代替，其误差4%。在一般工程计算中是允许的。在稳定导热时，通过圆筒壁的热流量Q沿途不变，而热流密度q则随着r的增大减少。,传热,15,多层圆筒壁,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。,传热,16,传热,17,传热,18,传热,19,传热,20,传热,21,3.3 对流传热,对流传热的机理 流体与壁面的给热包括流体的对流和导热 对流传热的热阻主要集中在流体靠近壁面的层流底层 流体的主体因涡流存在质点的混合使温度趋于一致,传热,22,不同区域的 传热特性：,传热边界层：温度边界层。温度梯度较大的区域。传热的热阻主要在传热边界层中此层中。,对流传热示意图,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,23,牛顿冷却定律 仿照傅立叶定律，对流传热速率也可写成推动力与阻力的比值,对热流体而言：,对热流体而言：,上两式也称为牛顿冷却定律,传热,24,1、流体的状态：是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多； 2、流体的物理性质：密度、比热cp、导热系数、粘度等； 3、流体的运动状况：层流、过渡流或湍流； 4、流体对流的状况：自然对流，强制对流； 5、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。,影响对流传热系数的主要因素,传热,25,对流给热系数关联式,两个概念： 定性温度：确定关联式中各物性参数的温度值，注意区别流体平均温度、壁温和膜温； 特征尺寸：关联式中各准数包含的传热面的计算标准。,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。,传热,26,例 41 在流体无相变的强制对流传热过程中，已知影响对流传热系数的因素主要有：传热设备的特征尺寸l、流体的密度、粘度、比热容cp、导热系数与流体流速u，试用因次分析法确定有关的准数关联式。,传热,27,传热,28,应用范围 特性尺寸 定性温度 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。,在应用关联式时应注意以下几点,传热,29,流体无相变化时的对流给热系数,传热,30,圆形管内湍流对流给热系数,条件：特征尺寸取管内径di，定性温度除粘度w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。,传热,31,条件： 1、低粘度流体在直管内强制对流； 2、特征尺寸为直管内径di，定性温度取流体进出直管的算术平均温度； 3、Re104，0.760 4、当流体被加热时n0.4，被冷却时n0.3,圆形直管内完全湍流对流给热系数,传热,32,传热,33,圆管内层流对流给热系数,条件： 特征尺寸 管内径di；定性温度除Prw取壁温外，其它均取流体进出口温度的算术平均值。 适用范围 Re2300，Gr=100106。,Gr 格拉斯霍夫（Grashof）准数，是表示自然对流影响的无因次准数,运动粘度,传热,34,强制对流传热系数准数符号及意义,传热,35,非圆直管内强制对流给热系数,可以沿用圆直管的对应的计算式，但特征尺寸使用传热当量直径：,例如对于套管环隙内的流体，其当量直径为,对常用的非圆形管道，一般通过实验求得计算的关联式。,传热,36,管外强制对流给热系数,流体强制绕过管束外的换热,直列,错列,传热,37,单排管的平均对流给热系数为：,条件： 适用范围 Re3000 特征尺寸 管外径do，流速取通过管束中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最窄处的距离应在(x1do)和2(tdo)两者中取小者。 定性温度 流体进出口算术平均温度。,各系数取值详见教材P149,传热,38,管束的平均对流给热系数,式中 si、ai分别为第i列管的全部传热面积(m2)和平均对流给热系数(W/m2)。,传热,39,自然对流给热系数,NuC(GrPr)n,条件：定性温度取膜温tm，即壁温与流体温度的算术平均值，Gr中的t取壁温与流体温度之差。,传热,40,传热,41,流体有相变化时的对流给热系数,传热,42,滴状冷凝：冷凝液不能润湿壁面，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。,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。,膜状冷凝的热阻通常要大于滴状冷凝的热阻； 在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程； 在冷凝器的设计时，常按膜状凝来处理。,传热,43,不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。 蒸汽流速和流向的影响 冷凝表面的粗糙度、壁面的高度及布置方式 流体物性,影响冷凝传热的因素：,传热,44,沸腾传热的应用： 精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。,管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。如升膜式、降膜式蒸发器等。 大容器沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。如锅炉等。,工业上沸腾的方法有两种,传热,45,1、液体沸腾时，沸腾液表面的温度略高于蒸汽温度。 2、在沸腾液层中，只有靠近加热面25mm的一层薄液层中， 才有温度的急剧变化，其余部分的液体温度几乎相等。 3、液体沸腾的主要特征是气泡的形成和运动。 液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（气泡）只在加热面上某些粗糙不平的点上发生，这些产生气泡的点称为汽化中心。,沸腾传热的特点：,传热,46,1.自然对流阶段：温差小，无明显沸腾现象。此阶段和q均很小，且随着温差增大而缓慢增加。 2. 泡核沸腾阶段：由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。,液体沸腾传热过程分为以下四个阶段,3. 膜状沸腾阶段：汽化核心过多而联结成不稳定气膜，此膜将加热面与液体隔开，温差增大时， 和q反而 下降。 4. 稳定膜状沸腾阶段：气膜趋于稳定，表面温度升高以后，辐射传热占主导地位。,泡核沸腾在工业上具有重要意义。,传热,47,液体性质的影响：随、增加而增大，随、（表面张力）的增加而减小；温差t（twts）的影响：尽量维持在泡核沸腾 操作压力的影响：压力越高有利于强化传热 加热面的材料、粗糙度等,影响沸腾传热的因素：,传热,48,3.4 辐射换热,热辐射的物理本质自由电子的运动随温度的升高而加剧,辐射的波长包括整个电磁波谱 辐射线的波长不同，具有的能量和热效应也不同 热效应最显著的是可见光和红外线，其波长分别为0.40.7m和0.7100m，其中大部分能量属于红外波长区间,传热,49,几个基本概念,由于热射线和光波的本质相同，因此它也具有光线的传播、反射和折射等现象和规律。,传热,50,A：吸收率，当A1时，则RD0，物体吸收所有外来的热辐射，没有热反射，也没有热透过，该物体称“绝对黑体”，简称“黑体”。,R：反射率，当R1时，则AD0，物体反射所有外来的热辐射，不吸收热辐射，更没有热透过，该物体称“绝对白体”，简称“白体”。另，若入射角等于反射角，则该物体也称“镜体”。,D：透过率，当D1时，则AR0，物体能透过所有外来的热辐射，既不吸收，也没有反射，该物体称“透热体”。,当A不随波长变化，且D0，即物体对所有波长热射线的吸收率都相等，且不能透过时，该物体称为“灰体”。,上述所有名称的物体都是理想的，实际并不存在，但现实中可以创造条件从而达到理想的状态，如人工黑体。,传热,51,物体的辐射能力及有关定律,物体在单位时间内，由单位表面积向半球空间发射的波长的热辐射能力，称该物体的单辐射能力E ,物体在单位时间内，由单位表面积向半球空间发射的所有波长的热辐射能力，称该物体的辐射能力E,辐射能力,传热,52,热辐射的基本定律,普朗克（Plank）定律黑体的单辐射能力与波长和热力学温度的关系,波长，m； T 黑体表面的绝对温度，K； C1普朗克第一常数， C1=3.743108Wm4/m2 C2普朗克第二常数， C2=1.4387104mK。,传热,53,维恩（Wien）定律,分析普朗克定律的表达式可知： 温度升高，黑体的辐射能力和单色辐射能力迅速增大； 黑体的每一单色辐射能力均存在一个最大值Ebmax，且当0和时，Eb0； 随温度升高，黑体的最大单色辐射能力Ebmax对应的波长减小。,将普朗克定律对求导，并令其为零（单色辐射能力随波长的变化率为零）可得：,maxT=2897.6 mK,上式即为维恩定律，它表明对应于Ebmax的波长max与绝对温度成反比，两者乘积为一常数。,传热,54,斯蒂芬波尔茨曼（StefanBoltzman）定律,黑体的辐射能力与其表面的热力学温度的四次方成正比，因此也称四次方定律，其中Cb5.67W /（m2K4）。严格意义来说，只有黑体才真正满足四次方定律。,工程上为计算方便，将该定律写成：,传热,55,工程上常用材料的黑度由实验测定。,实际物体与黑体的辐射能力相比，有一定的偏差，令：,：黑度，实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比,传热,56,克希荷夫（Kirchhoff）定律,两块面积很大的平行平板之间的辐射实验：两块平板分别为实际物体和黑体，由于面积很大，不考虑热辐射线的散失。,当辐射换热稳定后，黑体平板的净换热量为Q=AEbSES 若系统换热前已经是若平衡状态，即TbT，则Q0,AEbSES0,传热,57,当用其他材料的平板代替，也具有同样的结果，则,克希荷夫定律,结论： 任何物体的辐射能力与吸收率之比等于同温度下黑体的辐射能力，且仅与物体的绝对温度有关； 物体的吸收率越大，辐射能力也越大，所以在同温度下，黑体的辐射能力最大；,传热,58,由于,所以有,条件： 系统处于热平衡，所有辐射热来自黑体。,即，在数值上物体的黑度与吸收率相等。,意义： 吸收率表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数； 黑度则表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。,应用： 由于物体的吸收率测定比较困难，工程计算中大都用黑度代替吸收率； 灰体无论在何种条件下，其吸收率均等于同温度下的黑度，而工程上大部分的材料可近似看作灰体。,传热,59,两固体间的辐射传热,以两个面积很大（相对于二者的距离而言）且相互平行的灰体平板间相互辐射为例，由于D0，AR1。,(a),(b),传热,60,两平行平板间单位时间内、单位表面积上净的辐射传热量即为两板间辐射的总能量之差,q1-2由板1向板2传递得净辐射热通量，W/m2,传热,61,代入,A11,A22,得：,C12总辐射系数,传热,62,当两板得大小与距离相比不够大，则一板辐射的热量只有一部分到达另一板，则需引入角系数加以修正。,传热,63,值与C12的计算式,传热,64,例44 车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室内温度为27。为了减少热损失，在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前后因辐射而损失的热量。,传热,65,传热,66,结论：设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法，而且挡板材料的黑度越低，挡板的层数越多，则热损失越少。本列中采用铝板的原因就在于此，因铝板表面光滑，黑度小，且能将大部分辐射能反射回去，因而能大大减少炉门对外的热损失。,传热,67,3.5 稳态综合换热,综合换热：多种传热方式同时存在的传热过程。,对流与辐射同时存在的综合换热,对流,辐射,传热,68,总换热量,多层间壁式导热,总传热速率方程,传热,69,总传热速率方程也可写成如下形式：,上式表述了整个传热过程中传热速率与推动力、阻力的关系，其中：K称为总传热系数，w/m2K；Si则是过程所需的传热面积，二者紧密相关，一一对应。总传热速率方程中总推动力是指两侧流体主体（平均）温度之间的差值；总热阻则包括传热过程中遇到的所有的阻力（参照传热过程示意图理解）。,传热,70,传热,71,临界绝热半径rc,绝热层中的热传导速率,绝热层与大气的对流传热速率,当达到热平衡时，有QQ，由数学加和性可知：,传热,72,由数学知识可知，Rt存在极值，即当dRt/dr20时，RtRmin，此时传热速率最大（热损失最大）。对应的绝热层半径称“临界半径rc”。,传热,73,传热,74,例46 在直径为32510mm的钢管中心装有一热电偶，读数为440，其黑度为0.7，气体对热电偶的对流传热系数为45w/m2.K。管壁内表面温度400，求气体的真实温度，及由于热电偶与管壁间的辐射传热引起的测量误差。 为了减小误差，加装遮热管，如图，其黑度0.3，其有效面积是热电偶接头表面积的90倍，由于抽气，气体向遮热管和热电偶接头的对流传热系数为70 w/m2.K，假设气体的真实温度和钢管内壁温度不变，再求热电偶的读数和测量误差。,传热,75,传热,76,传热,77,传热,78,对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有 Q=Wh(Hh1Hh2)=Wc(Hc2Hc1) 若换热器中流体无相变，流体的比热不随温度而变（取定性温度下的值），则有 Q=Whcph(T1T2)=Wccpc(t2t1) 若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有 Q=Whr=Wccpc(t2t1) 当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有 Q=Whr+cph(T1T2)=Wccpc(t2t1),热量恒算,3.6 传热过程计算,传热,79,传热,80,总传热速率方程,传热,81,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=Ki(Tt)dSi=Ko(Tt)dSo=Km(Tt)dSm 式中 Ki、Ko 、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积 的总传热系数， w/（m2 ） Si、So、Sm换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积,m2 工程大多以换热管的外表面积为基准。,传热,82,传热平均温度差的计算,变温传热：(掌握逆流和并流时的平均温度差的计算),恒温传热: t = Tt,若t 1= t 2， t m t 1,传热,83,以教材P183 例413为例,95,32,15,40,95,32,40,15,tm41.1,tm31.3,t1,t1,t2,t2,传热,84,当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。 工程上，换热器多采用逆流操作，只有对流体的出口温度有限制时才采用并流操作。,逆流操作和并流操作,传热,85,错流和折流的平均温差,注意：值必须大于0.8，否则必须改变换热器的结构使该条件得以满足。,实际换热器中流体流动既有错流也有折流。,传热,86,总传热系数的确定及影响因素,选取经验参数法； 实验测定法：由QKStm，当S一定时，测定Wh 或Wc 及两侧流体的进出口温度（6个参数）， 通过热量衡算就可求得某操作条件下的K值； 理论计算法：若忽略辐射传热的影响时，也可通过 理论计算得出换热器的K值 （如换热器的选型设计）,确定K值的方法：,传热,87,影响K值的主要因素：,污垢热阻R,流体的对流给热系数一般是指不同的流体的流速 对K值的影响。 掌握管内强制湍流条件时有 明确K与的关系：改变较小的值对K值的影响较大。,传热,88,3.7 换热设备,换热器的结构形式,重点掌握间壁式换热器中典型列管换热器的结构及特性。,了解“（多）管程与（多）壳程的概念”、“流体温差对换热器结构的影响”及“固定管板式、U型管式和