第二章传热过程

1、 第二章 传热过程 1 概述 一、化工生产中的传热过程二、工业上的换热方法三、稳定换热和不稳定换热四、传热的基本方式2 传导传热一、热传导基本方程-傅立叶定律二、导热系数三、传导传热计算3 对流传热一、对流传热机理二、对流给热方程-牛顿冷却定律三、对流给热系数4 热交换的计算一、总传热速率方程二、热量衡算-热负荷与载热体的计算三、传热平均温差四、总传热系数5 强化传热过程的途径一、增大传热面积二、增大传热平均温度差三、增大传热系数6 热交换器一、热交换器的种类及主要类型二、列管式热交换器第二章 传热过程 本章要求掌握传导传热和对流传热的原理、传热方程和传热强化途径，典型换热器计算的基本方法，了

2、解重要类型换热器的性能。 1 概述一、化工生产中的传热过程： 物质系统内由于温度不同，使热量由一处转移到另一处的过程叫做热传递，简称传热。 生产中对传热过程的基本要求：（1）尽量使传热情况良好，即要求高的传热速率减小设备尺寸；（2）尽量避免传热，及隔绝热的传递。 热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。相应地，象压强差一样，温度差为传热过程的推动力，传热速率与温度差成正比。二、工业上的换热方法：1、直接换热： 当冷热两种流体允许直接混合，而不致发生化学反应或其他不良影响时，常采用直接混合换热的方法。2、间壁换热： 当冷热两种流体不允许直接接触

3、时，可以让冷热两种流体通过换热器固体壁面来达到换热之 目的。这种换热方法称为间壁换热。3、蓄热式换热： 这是一种间歇操作的换热方法，首先让热流体通过换热器，将热量传给载热体介质，使其温度升高；然后停止通入热流体，而改通冷流体，再由载热体介质将所吸收的热量传给冷流体，使冷流体温度升高，从而达到换热之目的。这种换热方法称为蓄热式换热。三、稳定换热和不稳定换热： 稳定换热时，传热面各点的温度和传热速率不随时间而改变。 不稳定换热时，传热面各点温度和传热速率随时间而变化。 四、传热的基本方式：1、传导传热： 热量从物体的高温部分沿着物体传到低温部分，这种传热方式称为传导传热，简称导热。实质：由于物体较

4、热部分的粒子（分子、原子或自由电子）的热运动。特点：在热传导过程中，物体的粒子只是在平衡位置附近振动，而不产生宏观的相对位移。2、对流传热： 流体依靠分子互相变动位置，把热量从空间某一处传到另一处的过程称为对流传热。实质：由于流体内部各点温度不同而引起密度差异 的结果（这种对流称为自然对流），或是由于受外界机械作用所致（这种对流称为强制对流）。特点：在对流传热过程中，流体的粒子产生了宏观相对位移。3、辐射传热： 热辐射是物质的热能转变为辐射能，并以电磁波的形式向空间传播，当辐射能遇到另一物体时，则部分地或全部地被吸收而重新转变为热能，这种以热辐射的方式实现热量传递的过程称为辐射传热。实质：热射

5、线（电磁波）的传播。 特点：在传热过程中伴随着能量形式的转化。 2 传导传热 一、热传导基本方程-傅立叶定律 当温度t1t2时。热量将以热传导方式从温度为t1的壁面传递至温度为t2的壁面。实验证明，通过物料传导的热量Q与传热的温度差、传热面积A和时间成正比，与传导的距离成反比，其关系可以写成： QAt2Qtdtt1d dtdQAdd 引入一比例系数，则： 式中：dt/d随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化，称为温度梯度。负号表示传 热的方向与温度升高的方向相反。上式为热传导基本方程，也称为傅立叶定律。 在稳定条件下，传递的热量不随时间而变化，傅立叶定律为：dtdQAdd dQQdtAdd

6、也可写成：q- 称为传热速率，单位为W(J/s)。 比例关系，称为导热系数，是物料的一种物理性质，其值因物料不同而有所不同，单位为W.m-1.K-1。二、导热系数： 导热系数是物质导热能力的标志。物理意义：当物体两个面（等温面）间温度差为1K，厚度为1m时,每秒钟经过1m2传热面积所能传导的热量，焦耳。物质的导热系数用实验测定。QdtqAd 各种材料中，金属具有较大的导热系数，其中以银和铜的导热系数值最大，但金属中夹有少量杂质后，其导热系数有显著的变化。绝热材料的导热系数较小，与其孔隙度有很大的关系，这是因为不发生对流的空气有很好的绝热能力，液体的导热系数不大，气体的导热系数最小。物料的导热系

7、数随温度而变化，但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小（水和甘油除外)。气体的导热系数则随温度提高而显著增大。三、传导传热计算：1、单层平面壁：单层平面壁热传导时，在稳定条件下，壁两面 的温度不随时间而变，若每个壁面各点温度相等（等温面），则由傅立叶公式，得：积分： Aqtt1t2dQdtqAdd qdtdA 210ttqdtdA 得： 上式可与欧姆定律I=V/R相比较。此基本关系也普遍地存在于其它传递过程中：12qttA1212A ttttqRRA热阻传递推动力传递速率传递阻力 2、多层平面壁： 多层物料复合的平面壁传导传热时，各复合层的传热面积相等，如果传热是

8、稳定的，各壁的传热速率均应相等，因而：对第一层： 11121qA (t -t )1=111211qttAtqt1t2t3t4A123123 对第二层：对第三层：因q1=q2=q3=q，A1=A2=A3=A，故左右相加得：222222323222,qqAttttA333333434333,qqAttttA31214123tttqAAA 由此可见，多层平面壁稳定热传导时，传热的推动力是内壁面和外壁面间的总温度差。传热的总热阻是各层热阻的总和（相当于导电时串联电路的总电阻）。并可推出，各层的温度降与该层的热阻成正比。 根据以上关系，也可以求得两层壁面交界处的温度，即：31212314iiAAAAtt

9、QttqR312123123:tttt 反应釜的釜壁为钢板，厚5mm（=50W.m-1.K-1),粘附在内壁的污垢厚0.5mm(=0.5）。反应釜附有夹套，用饱和蒸汽加热。釜体钢板外表面（与蒸汽接触）为150，内表面为130。试求每m2面积每秒钟所传导的热量。并与没有污垢层和釜壁为不锈钢板（有污垢）、铜（有污垢）的情况比较（设壁面温度不变）。解：2132111222,/qqttttAA215013018.2(kW.m)0.0050.0005500.5qtA例 没有污垢时，解得： q /A=200kW.m-2若材料为不锈钢（=14）并有污垢，解得： q /A=14.7kW.m-2若材料为铜（=4

10、00）并有污垢，解得： q /A=19.8kW.m-2 计算表明：热阻主要在污垢层。即使金属材料的导热系数有几倍的变化，对热传导的影响也不起重大作用。3、圆筒壁：A、单层圆筒壁： 化工生产中更常见的是通过圆筒壁的传导传热。 在这种情况下，传热面积（A=2rl）和温度都随半径而变化。傅立叶定律应写为：积分：t1tr1rmr2t2dtdrr2dtqrldr 22112rtrtdrqldtr 整理，得：上式为圆筒壁的热传导公式。也可写作：21212rqlnlttr 121222112211l ttl ttqrdlnlnrd2/mmmAtl tttqrRA 这里=r2-r1，rm=(r2-r1)/ln

11、(r2/r1)为对数平均半径。 当r2/r12时，用算术平均半径rm=(r1+r2)/2代替对数平均半径进行计算，不会引起很大的误差。b、多层圆筒壁： 按多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式为：143112411223322211111nnnnnnl ttl tl tqrrdrrlnlnlnlnlnrrrrd 或：这里：1= r2-r1,2= r3-r2,3= r4-r3 Am1=2lrm1,Am2=2lrm2,Am3=2lrm3 圆筒壁的导热计算式比较麻烦，为简化起见，在工程计算中有时可把圆筒壁的导热计算按平面壁处理。1414312112233imm

12、mimitttttqRAAAA324321123234132,mmmrrrrrrrrrrrrlnlnlnrrr 条件是：圆筒的壁应比较薄，管径比较大，即d外/d内1104；Pr=0.7-120；管路长与管内径之比l/d60；流体的物性数据均在定性温度范围内的值；当流体在非圆形截面管路中流动时，式中d应为当量直径。 用蒸汽经管壁预热空气，空气以10m.s-1的流速流经252管内，进口空气为20，出口空气为40，试求管壁对空气的给热系数。解：平均温度（定性温度）30时的空气物性为： Cp=1.005kJ.kg-1.K-1 =1.165kg.m-3例 =19.210-6kg.m-1.s-1 =0.0

13、279W.m-1.K-1此外 d=0.021m w=10m.s-1求得： Re = dw/=12740对流传热在湍流条件下进行；并求得： 本例与书例的结果表明：虽然两者有相近的Re准数，但由于物性的差异，气体的给热系数一般比液体的小得多。0.69CPr0.80.3210.02352.58W mKRe Prd4 热交换的计算 在化工生产中，热交换的计算首先是根据生产任务的工艺要求，计算所需换热器的换热面积，以此来设计新的换热器或是选择标准换热器型号。要计算所需换热面积，按总传热速率方程，应首先进行热量衡算。根据生产工艺要求计算出热负荷；再根据工艺要求计算传热平均温度差和选取或计算总传热系数。一、

14、总传热速率方程：1、传热过程分析： 化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁或器壁向冷流体传热的过程，该过程称为热 交换或换热。进行热交换的设备称为热交换器或换热器。 热交换时，在工业生产的温度下（500以下），器壁两侧主要为对流传热，通过器壁则为传导传热，传热总热阻是热阻串联的结果。2、传热总方程推导： 热交换的总传热方程可根据以下关系推导：热流体向器壁的对流传热：或器壁的传导传热：或1111wqATt2212mwwqAtt1111wqTtA(1)212/wwmqttA(2) 器壁向冷流体的对流传热：或在稳定条件下，按能量守恒定律，可得： q1 = q2 = q3 = q综合以上各式，得总

15、传热方程：3222wqA tt112211mTtqAAA3222wqttA(3) 或若令则上式可以写成： 此式称为总传热速率方程。其中：K为总传热系数；t为传热温度差。A1、A2、Am分别为传热壁面1的面积、传热壁面2的面积、固体壁面平均面积，为固体壁厚度。1122mmmATtqAAAA11221,mmKtTtAAAA mqKAt (1) 平面壁总传热方程：若壁面为平面壁或近似平面壁，则： A1=A2=Am=A总传热方程为：1211AtqKAt12111K 总传热系数K表示传热固体壁面两侧的传热温度差为1K时，单位时间通过1平方米传热面积所传递的热量。其国际单位为W.m-2.K-1。总传热系数

16、的倒数为系统单位面积的总热阻R： 即（单位面积）总热阻为各（单位面积）分热阻串联的总和。当固体壁面为复合壁时，传热系数为：12111RK 12111iiK (2) 圆筒壁总传热方程： 当传热壁面为圆筒壁时，则A1、A2、Am各不相等。若圆筒内半径为r1，外半径为r2，平均半径为rm，圆筒轴向长为L，则： A1=2r1L A2=2r2L A3=2rmL总传热方程为：11221 12 222222mmmmmmr L TtATtqr Lr LrrrLr LrrmKAt 当r2/r12时，rm=(r1+r2)/2（算术平均温差）多层圆筒壁：1 12 21mmKrrrr221211/,mrrrrlnrr

17、r1 12 21mimiKrrrr 二、热量衡算-热负荷与载热体的计算 加热或冷却物料时在单位时间内需要加入或取走的热量称为热负荷。热负荷的计算分为两种情况：1、流体在热交换中无相态变化而只有温度变化时： q工艺=Ma .Cpa( ta2 - ta1 )其中： Ma-a物料的质量流量，kg.s-1； Cpa-a物料的定压比热，J.kg-1.K-1； ta2、ta1-a物料的温度，K或。2、流体在热交换中发生相态变化时： q工艺=Ma .Ha 其中： Ma-a物料的质量流量，kg.s-1； Ha-a物料的蒸发热或冷凝热，J.kg-1。 一个能满足工艺要求的换热器，若忽略热损失，需满足下列关系：

18、q换热器q工艺 在不发生相变的场合，若a、b两种流体进行热交换，根据能量守恒原理，热量衡算式为： Ma .Cpa.(ta2-ta1)=Mb .Cpb.(tb1-tb2)同理： Ma .Cpa.(ta2-ta1)=Mb .Hb（一侧有相态变化时） Ma .Ha=Mb .Hb（两侧都发生相态变化时） 三、传热平均温度差： 连续稳定传热有两种情况：恒温和变温。1、恒温传热温度差： 连续稳定的恒温传热是指两流体经传热壁面进行热交换时，沿壁面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随壁面不同位置而变化。 由于两种流体的温度均保持不变，传热温度差可简单表示为：tTt 式中：T、t 分别为热流体和冷流体的温

19、度。2、变温传热温度差： 连续稳定的变温传热时，传热壁面各点的温度不随时间而变化，但随传热位置不同而不同。因此，传热面各点的传热温度差在大多数情况下也不相同。 如何计算稳定变温传热的温度差，实际上是求平均温度差（tm）的问题。由于换热器内两种流体的温度都发生变化，因此平均温度差不仅与两股流体进出口温度有关，而且还与其相对流动方向有关。 工业上常见的流动方式有四种：(1) 并流：(2) 逆流： (3) 错流：(4) 折流： 计算平均温度差的方法有下述两种：(a) 算术平均温度差： 设换热器进口处两流体的温度差为t1，出口处两流体的温度差为t2，则算术平均温差为： 逆流时：t1 = T1-t2，t

20、2 = T2-t1并流时：t1 = T1-t1，t2 = T2-t2 算术平均温差适用于初始传热温度差与最终传热温度差间相差不到一倍时，即t1/t22和t2/t12，所以：1212175120146175120mttttlnlnt () 若q、K相同，则：即并流操作所需传热面积为逆流操作时的1.5倍。3、传热过程流体流向与平均温度差的关系：a、相同条件（如相同的流体和相同的起始及最终温度）下，逆流比并流有更大的平均传热推动力-温度差，相应地只要较小的换热面积。12122752097.527520mttttlnlnt （）1461.597.5mmtAAt逆并逆并 b、并流换热时，冷流体受热后的极

21、限温度总低于或接近于热流体换热后的最终温度。逆流换热时则不受此限制，冷流体受热后的极限温度只低于或接近于热流体的初始温度；热流体换热后的极限温度只高于或接近于冷流体的初始温度，热能能较充分地利用回收，相应地只要用较少量的传热介质（加热剂或冷却剂）就可以达到要求的传热效果。c、并流传热有初期传热速率大，后期小的特点，在某些情况下有其独特的用处。此外，并流也用于换热时防止过热或过冷的场合。四、总传热系数：1、选用经验数据： 在热交换计算中，可以参照工艺条件相仿、设备类型相似，使用较成熟的生产实践中的总传热系数，选择适宜的数值进行计算。然后再进行核算，检验计算结果误差大小。工业上常用的传热系数K的大

22、致范围换热流体K/(W.m-2.K-1)换热流体K/(W.m-2.K-1)气体-气体1030冷凝蒸汽-气体1050气体-有机物1040冷凝蒸汽-有机物50400气体-水1060冷凝蒸汽-水3002000油-油100300冷凝蒸汽-沸腾油300800油-水150400冷凝蒸汽-沸腾溶液3002500水-水8001800冷凝蒸汽-沸腾水25005000 2、实验测定K值： 在核算现有的换热器生产能力或进行新型换热器设计计算时，如果没有合适的工业上常用的传热系数经验数据，可以对现有换热器或模拟相仿条件的实验装置进行实际测定。从而可以计算出总传热系数值。 根据总传热方程式q=KAtm，其中现有换热器或实验装置的传热面积A是已知的；热流体和冷流体进出换热器的温度分别为T1、T2和t1、t2及质量流量M1和M2均可以实际测定；热流体和冷流体在测定温度范围的定压比热容Cp1、Cp2值可以从有关手册中查到；传热过程平均温度差tm可以计算得到；热负荷q1可以通过热量衡算求得。 从而可以根据总传热方程，由测定所求得的数据，计算出总传热系数值，即：3、根据公式计算总传热系数： 即由前面推导出的单层和多层平面壁及圆筒壁的总传热系数相关公式计算。1mqKAt5 强化传热过程的途径一、增大传