化工原理第4章小结

1、第四章第四章 传传 热热 总总 结结 4.1 概述概述 传热的基本方式: 热传导、对流、辐射热传导、对流、辐射 稳态传热与非稳态传热 4.2 热传导热传导 基本概念：温度场、等温面、温度梯度、 傅立叶定律：傅立叶定律： n t A 热导率：实验方法测定 气体液体非金属金属 一般： i i R t 11ni tttt其中， ii i i A b RR 平壁： i i i mii i i L r r A b RR 2 ln 1 圆筒壁： dn dt A一维稳态导热： 热传导计算 热流量计算： 温度分布温度分布 平壁：平壁：每层为线性分布，层间斜率不同每层为线性分布，层间斜率不同 圆筒壁：圆筒壁：沿

2、径向非线性分布沿径向非线性分布 4.3 对流传热对流传热 工程上，对流传热指流体和固体壁面间的传热过程工程上，对流传热指流体和固体壁面间的传热过程 （1）分类）分类 自然对流自然对流；强制对流强制对流。 （2）热边界层）热边界层 近壁处，流体温度显著变化的区域。 d 2 1 maxt, 圆管内圆管内 hA t thA 1 thq或： （3）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律 4.4 表面传热系数的经验关联表面传热系数的经验关联 （1）无相变化）无相变化时对流传热过程的量纲分析时对流传热过程的量纲分析 )(GrPrRefNu，无相变对流传热： 努赛尔数努赛尔数 hl Nu l t ) y t ( 0y

3、d d 平均温度梯度 壁面处温度梯度 无量纲温度梯度 说明：说明： 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数反映对流传热的强弱，包含表面传热系数 努赛尔数恒大于努赛尔数恒大于1 1 粘滞力 惯性力 d u udu Re 2 雷诺数雷诺数 说明：说明： 反映流动状态对反映流动状态对 h 的影响的影响 普朗特数 p p c c Pr / 热扩散系数导温系数 动量扩散系数运动粘度 )( )( a v 说明：说明： 反映流体物性对传热的影响反映流体物性对传热的影响 反映热扩散和动量扩散的相对大小反映热扩散和动量扩散的相对大小 反映流动边界层和热边界层的相对厚度反映流动边界层和热边界层的相对厚度 格拉晓夫数

4、（浮升力特征数）格拉晓夫数（浮升力特征数） 2 23 tlg Gr 22 )( b b Re lu 说明：说明： 反映自然对流的强弱程度反映自然对流的强弱程度 4.4.3 无相变化的对流传热表面传热系数的经验公式无相变化的对流传热表面传热系数的经验公式 n PrReNu 8 . 0 023. 0 n p c ud d h 8 . 0 i i 023. 0或： a) 一般流体一般流体 10000Re1606 . 0 Pr 50/dl sPa102 3 适用条件适用条件：加热，加热，n= 0.4 冷却，冷却，n= 0.3 b)粘度较大粘度较大流体流体 14. 0 w 33. 08 . 0 )/(0

5、27. 0PrReNu 近似取：近似取：05. 1)( 14. 0 w 流体被加热： 95. 0)( 14. 0 w 流体被冷却： 适用条件：适用条件： 10000Re1677 . 0Pr60/ dl c)流体流过流体流过短管短管（l/dh膜状冷凝膜状冷凝 2) 膜状冷凝表面传热系数膜状冷凝表面传热系数 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 1）液膜层流）液膜层流 4 132 )(13. 1 tL gr h 2）液膜湍流）液膜湍流 4 . 0 2 32 ) 4 ()(0077. 0 3 1 r tLhg h 3 1 88. 1 e Rh 4 . 0 0077. 0 e Rh 水平单管外

6、冷凝水平单管外冷凝 4 1 0 32 )(725.0 td gr h 水平管束外的冷凝水平管束外的冷凝 4 1 0 3/2 32 )(725. 0 tdn gr h 单根水平圆管与垂直圆管的表面传热系数之比单根水平圆管与垂直圆管的表面传热系数之比 4/1 0 64. 0 d L h h 垂直 水平 (4). 液体沸腾传热及其影响因素液体沸腾传热及其影响因素 1) 大容积饱和沸腾传热机理大容积饱和沸腾传热机理 汽泡能够存在的条件：汽泡能够存在的条件： r pp lv 2 汽泡产生的条件汽泡产生的条件: 液体必须过热液体必须过热 必须有汽化核心必须有汽化核心 2) 大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾

7、曲线 自 然 对 流核 状 沸 腾 膜 状 沸 腾 不 稳 定 膜 状 稳 定 区 A B C D E 102 1030.1 1.010 F t=(tw-t1)K 图 4-36 沸 腾 温 度 差 和 膜 系 数 的 关 系 工业上严格控制在核状沸腾区内操作工业上严格控制在核状沸腾区内操作 4.5 辐射传热辐射传热 （1） 辐射传热的基本概念、特点 吸收率、吸收率、反射率、反射率、透射率、透射率、黑体黑体、 白体白体、 透热体透热体、 灰体灰体 工业上，多数物体都可近似视为灰体(A相差不大)。 （2）发射能力和辐射基本定律 发射能力发射能力 E (辐射能力辐射能力) W/m2 单色发射能力单色

8、发射能力 E 黑体的发射能力黑体的发射能力 E0 辐射基本定律辐射基本定律 普朗克定律普朗克定律 1)exp( 2 5 1 0 T c c E 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 4 00 ) 100 ( T CE 黑体： 0 E E 黑度： 4 00 ) 100 ( T CEE灰体发射能力： 克希霍夫定律克希霍夫定律 0 1 1 E A E 即：同温度下，任一物体吸收率等于黑度即：同温度下，任一物体吸收率等于黑度(在数值上在数值上)。 Q r Qmax rc 热损失与绝热层外半径的关系 （3）固体表面间的辐射传热）固体表面间的辐射传热 4 2 4 1 2121 ) 100 () 100

9、( TT AC一般形式： （4） 复合传热与设备热损失的计算复合传热与设备热损失的计算 wwTwwRc AtthttAhh)()()(:热损失 （5）绝热层的临界半径）绝热层的临界半径 max :时，保温层临界半径 T c h r 动画示意 计算基础：计算基础：热量衡算方程和传热速率方程热量衡算方程和传热速率方程 。 4.6.1 热流量衡算方程热流量衡算方程 稳态传热，忽略热损失时， 冷流体吸收热量冷流体吸收热量 = 热流体放出热量热流体放出热量 (1) 无相变传热无相变传热 4.6 传热过程的计算传热过程的计算 计算类型计算类型 ： 设计型计算：已知设计型计算：已知th1，th2，tc1 ，

10、qmc，qmh，K 求 传热面积A； 操作型计算：操作型计算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、。 tc2 th1 tc1 th2 .取定性温度下数值其中， P c )()( 12,21,cccpcmhhhphm ttcqttcq即： )( 21,hhhphmh ttcq热流体放热量： )( 12,cccpcmc ttcq冷流体吸热量： (2) 有相变传热有相变传热 cchh rDrD两侧均有相变： cchhhphm rDttcq)( 2 ,1 , 一侧沸腾： 饱和状态下饱和状态下 hhcccpcm rDttcq)( 1 ,2 , 一侧冷凝： m tKA总传热

11、速率方程： (2) 总传热速率方程总传热速率方程 2 1 21 ln t t tt tm 对数平均温度差： 0 00 111 h R d db d d R d d hK do mi o di ii 错流、折流时平均温差 逆,mtm tt ),(PRf t 温差校正系数： (3) 壁温计算壁温计算 忽略污垢热阻，稳态传热时： m wcwh ii whh A b tt Ah tt , 1 00 , 1 Ah tt cwc 结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。 ii hwh Ah tt , m whwc A b tt , oo c Ah tt wc

12、 , 圆管中：圆管中： LdA 00 平壁：平壁： moi AAA (3) (3) 传热效率和传热单元数传热效率和传热单元数NTU NTU h ., )()( )()( 2 11 21 11min, 21min, max hh ch hh chhPhm hhhPhm h t tt tt ttcq ttcq 则可求得已知若 2 11 12 cc ch cc c t tt tt 已知，则可求得若同理： 可表示为换热器的传热单元数同样，对于冷流体 C NTU, cpcmm cc c cq KA t tt NTU , 12 传热单元数物理意义：传热单元数物理意义：单位传热推动力引起的温度变化； 表明了

13、换热器传热能力的强弱。 传热单元数传热单元数NTU (The Number of Transfer Units ) hphmm hh h cq KA t tt NTU , 21 可表示为换热器的传热单元数对于热流体 h NTU, 4.7.3 换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 m tKA 强化方法：强化方法：提高K、A或tm 目的：目的：传热面积 ，使设备费用降低。 （1）提高）提高K值值 0 0 000 0 111 h R d db d d R d d hK d mi di ii 降低污垢热阻； 提高表面传热系数 * 若hih0，提高h小(hi)的一侧； * 两侧h相近，应同时提高两侧

14、流体的h 。 提高表面传热系数提高表面传热系数h的方法的方法 无相变传热无相变传热 a）提高管内流速提高管内流速 2 . 0 8 . 0 iii dhuh， 代价代价：流动阻力，动力消耗，操作费用。 优点：优点：总传热系数，传热面积，设备投资费 b）制造人工粗造表面）制造人工粗造表面 促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。 c）加设扰流元件）加设扰流元件 管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片； 增强湍动，破坏层流底层。 有相变传热有相变传热 冷凝冷凝 ：1）采用滴状冷凝， 2）及时排放不凝气体， 3）气、液流向一致 ， 4）合理布置冷凝面， 5）利用表面张力 （沟槽 ，金属丝）。 沸腾沸腾： 1

15、）保持核状沸腾， 2）制造人工表面，增加汽化核心数。 （2）提高传热推动力）提高传热推动力 限制：限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动。 适用适用：一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时， 其进口温度可调。 例：例：提高冷却水用量 tc2， tm 提高加热蒸气压力 P ，ts ， tm 蒸发、闪蒸P ，ts ， tm （3）增加传热面积）增加传热面积 改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。 如采用： 不同异形管 ； 开槽及加翅片 ； 折流形式； 多孔、高效传热面。 分类分类: 按用途按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。 按传热特征按传热特征 直接接触式；蓄热式；直接接触式；蓄热式；间壁式。间壁式。 4.7 换热器换热器 （3） 间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 （1）夹套式换热器）夹套式换热器 （2）沉浸式蛇管换热器）沉浸式蛇管换热器 （3）喷淋式换热器）喷淋式换热器 （4）套管式换热器）套管式换热器 1.（5）列管式换热器）列管式换热器 固定管板式 浮头式 U型管