化学工程基础第三章传热

1、1/28 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 3.1 概述概述 3.2 热传导热传导 3.3 对流传热对流传热 3.4 流体无相变时的流体无相变时的对流传热对流传热 3.5 流体有相变时的流体有相变时的对流传热对流传热 3.6 辐射传热辐射传热 3.7 总传热速率和传热过程的计算总传热速率和传热过程的计算 2/28 3.1 概述 3/28 3.1 概述 热传导热传导： 热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分 向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一 个与它直接接触的低温物体传热的过程。是依靠分个与

2、它直接接触的低温物体传热的过程。是依靠分 子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动来子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动来 实现热量传递称为热传导。实现热量传递称为热传导。导热是静止物体的一种导热是静止物体的一种 传热方式，不依靠物质的宏观位移传热方式，不依靠物质的宏观位移。 热传导在气、液、固中均可以进行，但传导的热传导在气、液、固中均可以进行，但传导的 机理不同。金属机理不同。金属自由电子的扩散运动；非金属自由电子的扩散运动；非金属 和大部分液体（除水银等）和大部分液体（除水银等）分子的动量传递；分子的动量传递； 气体气体分子不规则热运动。分子不规则热运动。 4/28 3.1 概述

3、 对流传热对流传热 依靠流体的依靠流体的宏观位移宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。，将热量由一处带到另一处的传递现象。 对流传热是由于流体内部个部分质点发生宏观运动和混合而引起对流传热是由于流体内部个部分质点发生宏观运动和混合而引起 的热量传递，因而的热量传递，因而对流传热只能发生在流体内部对流传热只能发生在流体内部。在化工生产过。在化工生产过 程中经常遇到的对流传热有热量由流体传到固体壁面或由固体壁程中经常遇到的对流传热有热量由流体传到固体壁面或由固体壁 面传入流体两种情况。面传入流体两种情况。 对流传热可以由对流传热可以由强制对流强制对流引起，亦可以由引起，亦可以由自然对流自然对

4、流引起，前者是引起，前者是 将外力（泵，风机，搅拌等）施加于流体上，从而促使流体微团将外力（泵，风机，搅拌等）施加于流体上，从而促使流体微团 发生运动，而后者则是由于流体内部存在温度差，形成流体的密发生运动，而后者则是由于流体内部存在温度差，形成流体的密 度差，从而使流体微团在固体壁面与其附近的流体之间产生上下度差，从而使流体微团在固体壁面与其附近的流体之间产生上下 方向的循环流动方向的循环流动 质点的相对位移：由于流体中各点温度不同引质点的相对位移：由于流体中各点温度不同引 起的密度差所致起的密度差所致自然对流（轻者上浮，重者下沉）自然对流（轻者上浮，重者下沉） 。 5/28 3.1 概述

5、n辐射传热辐射传热： 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称 为热辐射。为热辐射。 n热辐射与热传导和对流传热的最大区别就在于它热辐射与热传导和对流传热的最大区别就在于它 可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 n热辐射的另一个特征是不仅可产生能量的转移，热辐射的另一个特征是不仅可产生能量的转移， 而且还伴随着能量形式的转换，即在高温处，热而且还伴随着能量形式的转换，即在高温处，热 能转化为辐射能，以电磁波的形式向空间发送，能转化为辐射能，以电磁波的形式向空间发送， 当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部当遇到

6、另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部 分或全部吸收而转化为热能，辐射传热即是物体分或全部吸收而转化为热能，辐射传热即是物体 间相互辐射和吸收能量的总结果。间相互辐射和吸收能量的总结果。 6/28 3.1 概述 T t 间壁式 工业上应用最多的一种传热方式 7/28 3.1 概述 夹套式夹套式 列管式列管式 套管式套管式 t1 T1 T2 t2 套管式 T1 T2 夹套式 t1 T1 T2 t2 列管式 间壁式换热器间壁式换热器 8/28 3.1 概述 管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程 t1 T1 T2 t2 单管程、单壳程 t1 T2 T1 t2 双管程列管式 列

7、管式换热器列管式换热器 9/28 3.1 概述 传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。 10/28 3.1 概述 一般只适用于气体。一般只适用于气体。 冷流体冷流体 11/28 3.2.1 傅立叶定率傅立叶定率 3.2 热传导热传导 12/28 单位时间传递的热量，J/s Ad dQ q t+ t t n l 等温面及温度梯度 l t n t n t n 0 lim 3.2 热传导热传导 二、温度梯度二、温度梯度 13/28 t+ t t n l 等温面及温度梯度 负号表示热流方向与温度梯度方负号表示热流方向与温度梯度方 向相反向相反

8、称为导热系数称为导热系数 , , 单位为单位为W/mK 3.2 热传导热传导 3.2.2 傅立叶定律傅立叶定律 物性之一：物性之一：与物质种类、热力学状态（与物质种类、热力学状态（T T、P P）有关）有关 物理含义：物理含义：在单位时间内，温度梯度为在单位时间内，温度梯度为1K.m-1时，经过时，经过 单位面积所传递的热量。它是物质导热能力的标志，物质单位面积所传递的热量。它是物质导热能力的标志，物质 的导热系数值越大，则表示该物质的导热能力越强。的导热系数值越大，则表示该物质的导热能力越强。 一般地一般地， 金属 金属 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 n t q 14/28 3.

9、2 热传导热传导 3.2.3 热传导系数热传导系数 n影响因素：与物质的形态、组成、密度、影响因素：与物质的形态、组成、密度、 温度及压力等有关。温度及压力等有关。 n（1）气体的导热系数）气体的导热系数 与液体和固体相与液体和固体相 比，气体的导热系数最小，对热传导不比，气体的导热系数最小，对热传导不 利，但却有利于保温、绝热。工业上所利，但却有利于保温、绝热。工业上所 使用的保温材料，如玻璃棉等，就是因使用的保温材料，如玻璃棉等，就是因 为其空隙中有气体，所以其导热系数较为其空隙中有气体，所以其导热系数较 小，适用于保温隔热。小，适用于保温隔热。 15/28 3.2 热传导热传导 n（2）

10、液体的导热系数 液体可分为金属流体（流 态金属）和非金属流体。大多数金属流体的导热 系数均随温度的升高而降低，在非金属流体中， 水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金 属液体的导热系数亦随温度的升高而降低，液体 的导热系数基本上与压力无关。 16/28 3.2 热传导热传导 n（3）固体的导热系数 n在所有固体中，金属是最好的导热体，大多数纯 金属的导热系数随温度的升高而降低，金属的纯 度对导热系数影响很大，合金的导热系数比纯金 属要低。 n非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、 组成及结构的紧密程度有关，一般导热系数随密 度增加而增大，亦随温度升高而增大。 17/28 一、单层平壁

11、热传导一、单层平壁热传导 *3.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 根据傅立叶定律：根据傅立叶定律： dx dt q 经积分可得：经积分可得： dtqdx 0 也即：也即： )(qA A )( 21 21 TT A TTq 为：的热流量通过面积为 阻力 推动力 或 A tt / 21 18/28 显然，通过每一层的 Q=常数或 q=常数 热热阻阻 推推动动力力 qA A TT A TT A TT 33 43 22 32 11 21 二、二、多多层平壁热传导层平壁热传导 *3.2.3一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 总热阻 总推动力 A TT ii i 3

12、 1 41 t t2 t3 t4 t1 0 x b b1b2b3 19/28 *3.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 n平壁炉的炉壁由厚120mm的耐火砖和厚240mm 的普通砖砌成。测得炉壁内、外温度分别为 800和120。为减少热损失，又在炉壁外加 一石棉保温层，其厚60mm，导热系数为0.2 Wm-1K-1，之后测得三种材质界面温度依次为 800、680、410和60。(1) 问加石棉后 热损失减少多少？(2) 求耐火砖和普通砖的导热 系数。 20/28 *3.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 n定常传热，在传热路径上，传热速率处处相等；

13、n 任两层接触面同一个温度，说明接触良好， 无接触热阻 n n n 2 3 3 3 1167 2 . 0 06. 0 60410 mW T q 1167 12. 0 680800 11 1 1 T q 11 1 167. 112. 0 680800 1167 KmW 21/28 *3.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 n 同理 11 2 037. 124. 0 410680 1167 KmW 加石棉前的热损失 2/ 2034 037. 1 24. 0 167. 1 12. 0 120800 mWq %6 .42 2034 11672034 / q qq 22/28 *3

14、.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 n冷藏室的墙壁由两层厚15mm的杉木板之间夹 一层软木板构成，杉木板和软木板的导热系数 分别为0.107 Wm-1K-1和0.040 Wm-1K-1。冷 藏室内外壁分别为-12和21，若要求墙壁传 热量不大于10 Wm-2，试计算墙壁中软木板的 最小厚度及软木板的热阻占总热阻的分数。 23/28 *3.2.4一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 n解： 04. 0 2804. 0 33 04. 0107. 0 015. 0 2 )12(21 10 min. 2min. 2 max q %5 .91 04. 0 1208.

15、 0 2804. 0 04. 0 1208. 0 2 = 0.1208m121mm 24/28 常数 dr dt AqA常常数数但但 q 常数 dr dt rLqA2 dr rL dt r r t t 2 1 2 1 2 热阻 推动力 1 2 21 ln 1 2 r r TTL 三、三、单层圆筒壁单层圆筒壁热传导热传导 若为常数，则： -可见温度分布 为对数关系 *3.2.3一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 Q t2 t1 r1 r r2 dr L 25/28 1212 21 1212 12 21 12 21 lnln22 ln AAAA TT rrrrL rr TT L r

16、r TT 12 12 lnAA AA Am 令-对数平均面积 当2 1 2 A A 时，可用算术平均代替 m A TT 21 于是 热阻 推动力 平壁： A TT 21 *3.2.3一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 Q t2 t1 r1 r r2 dr L 26/28 热阻热阻 推动力推动力 qA t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t2 0 r b1 b2 b3 总热阻 总推动力 miii i mmm A TT A TT A TT A TT 3 1 41 333 43 222 32 111 21 Q=常数，但 q常数 四、四、多层圆筒壁多层圆筒壁热传导热传导 *3.2.

17、3一维稳态导热一维稳态导热-平壁的热传导平壁的热传导 3 34 2 23 1 12 41 lnlnln 2 rrrrrr TTL 或 27/28 n外径为100mm的蒸汽管外包有一层厚50mm， =0.06Wm-1K-1的绝热材料，问再包多厚的石 棉层（= 0.1Wm-1K-1），才能使保温层内、外 温度分别为170和30时，热损失不大于60 Wm-1。 28/28 n解： 60 10. 0 ln 1 . 0 1 05. 0 10. 0 ln 06. 0 1 )30170(2 ln 1 ln 1 )(2 3 2 3 21 2 1 03 r r r r r TT L r3 = 0.136m =

18、136mm 石棉层厚为 136-100 =36mm 29/28 n蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层，外层的 平均直径为内层的2倍，导热系数为内层的2倍。 若两层互换位置，其他条件不变，问每米管长 热损失改变多少？哪种材料放内层好？ 30/28 n解：设外层平均直径dm,2，内层平均直径dm,1 n dm,2 = 2 dm,1 2 = 21 1 1 , 1 ,11 ,12,21 ,1 4 5 22 ldT ldld T ss T m mmmm 两种材料互换位置 1 1 , 1 ,11 ,11 ,12,2 / 22 b ldt ld b ld b t s b s b t Q m mmmm 25.

19、1 4 5 / l Q l Q 互换位置后热损失减少。说明在其他条件相 同时，将导热系数小的材料放在内层好。 31/28 n在一603.5mm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=0.07W/m，外层为 20mm的石棉层，其平均导热系数 =0.157W/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=45W/m。试求每米 管长的热损失及两层保温层界面的温度。 32/28 n解 (a)每米管长的热损失 此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m

20、r4 =0.07+0.02=0.09 m 33/28 n(b)保温层界面温度t3 解得 t3=131.2 34/28 冷凝传热 有相变传热 沸腾传热 对流传热 自然对流 无相变传热 管外对流 强制对流 非圆管道 管内对流 弯管 湍流 圆形直管 过渡流 滞流 由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。 3.3.1 对流传热过程对流传热过程 35 3.3.1 对流传热过程对流传热过程 对流传热机理对流传热机理 36/28 37/28 38/28 39/28 3.3.2 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 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仿照傅立叶定律，对流传热速率也可写成推动力与

21、阻力的比值 热阻 推动力 1 )( tt ttq w w 流体加热：流体加热： 流体冷却：流体冷却： 上两式称为牛顿冷却定律。上两式称为牛顿冷却定律。 热阻 推动力 1 ) ( w w tt ttq 对流表面传热膜系数， W/m2K 壁面温度流体温度 40/28 传热有效膜的厚度 n有效膜的概念 n假设有一层厚度为t的静止流体膜所具 有的热阻，恰好和要考查的对流传热过程 的热阻相当，则该静止流体膜称为传热的 “有效膜”。 Tq t t 物理意义： 单位时间内， 单位面积温度差为1k时， 所传递的热量。 41/28 1、流体的状态：固、液、气状态及、流体的状态：固、液、气状态及是否有相变。有相变

22、时对流传热系数是否有相变。有相变时对流传热系数 比无相变化时大的多；比无相变化时大的多； 2、流体的物理性质：、流体的物理性质：导热系数导热系数、粘度、粘度 、密度、密度 、比热、比热cp等；等； 3 、流体的温度：温度影响、流体的温度：温度影响导热系数导热系数、 传热推动力传热推动力t，同时附加，同时附加自然自然 对流对流； 4、流体的流动状态：、流体的流动状态：层流或湍流；层流或湍流； 5、流体对流的原因：、流体对流的原因：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流； 6、传热表面的形状、位置及大小：、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或如管、板、管束、排列方式、垂直或

23、 水平放置等。水平放置等。 影响对流传热膜系数的主要因素影响对流传热膜系数的主要因素 3.3.3 传热膜系数及其影响因素传热膜系数及其影响因素 42/28 1、 的获得主要有三种方法：的获得主要有三种方法： 3.3.4 实验方法确定对流传热系数实验方法确定对流传热系数 （1）理论分析法：理论分析法： 用量纲分析法结合实验，建立用量纲分析法结合实验，建立无量纲量纲准数之间的经经 验关系式。验关系式。 把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比 到热量传递过程。到热量传递过程。 建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确的精

24、确 解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简 单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。 （2）实验方法）实验方法* ： （3）类比方法：）类比方法： 43/28 2、传热膜系数、传热膜系数的影响因素及量纲为的影响因素及量纲为1的特征的特征 数数 1）液体的物理性质：、cp 2）固体表面的特征尺寸：l（如果为圆 管，则为圆管的直径d） 3）强制对流的速度：u 4）自然对流的特征速度： gT 44/28 即 = f (,cp, l,u, gT) 无因次化后，可得： 基本量纲：长度L，时间 T ，质量

25、m，温度 knm GrPrAReNu Pr,GrRefNu, 也即 根据量纲一致性原理，可以求出各个量的指数关系 45/28 各量纲为各量纲为1的特征数的物理意义的特征数的物理意义 l Nu p c Pr 2 23 Re Tgl Gr ul -格拉晓夫数格拉晓夫数Gr是雷诺数的一种是雷诺数的一种 变形，表征自然对流时的变形，表征自然对流时的“雷诺数雷诺数 ” -努塞尔数，表示对流膜传热系数的特征数努塞尔数，表示对流膜传热系数的特征数 -普朗特数，反映物性的影响。普朗特数，反映物性的影响。 一般，气体的一般，气体的Pr1 对于强制对流对于强制对流,自然对流的影响可忽略自然对流的影响可忽略,故故P

26、rRe，Nu 46/28 n液体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 n p n ucdu 8 . 0 8 . 0 d 023. 0 PrRe023. 0Nu 或 低粘度液体制对流时的传热，对于流体在圆形直管内作强 定性温度： 2 T 出进 T T 47/28 n当流体被加热时 nn0.4 n当流体被冷却时 nn0.3 适用范围： Re104;Pr=0.7160;管长与直径之比大 于50. 48/28 n（1）对于高粘度流体 14. 0 33. 08 . 0 PrRe027. 0 w d Nu （2）对于Re200010000之间的过渡流 可用湍流的公式计算，但是要再乘以小于1的矫正系数f 8

27、. 1 5 Re 106 1 f 49/28 .水以水以2m/s的流速通过的流速通过552.5mm，长，长2m的钢管去冷的钢管去冷 却套管换热器中环隙中的苯，已知水温由却套管换热器中环隙中的苯，已知水温由25升高到升高到55， 试计算试计算(1）水对管壁的水对管壁的,(2) 若将水流量提高若将水流量提高30%，在其，在其 它条件相同的情况下，水对管壁的有效膜系数又为多少？它条件相同的情况下，水对管壁的有效膜系数又为多少？ 解：（解：（1）水的定性温度）水的定性温度t定 定=（ （25+55）/2=40 从附录中查水的物性常数从附录中查水的物性常数 =992.2kg/m3 =0.6338w/m.k =0.656010-3N.S/m2 Pr=4.32 判断管子内水的流