化工原理第五章传热课件

1、第五章 传热第一节 概述传热学 研究热量传递基本规律的科学热力学注重平衡 传热学注重速率5-1 传热在化工生产中的应用 传热的目的是维持各类化工操作的温度条件 传热理论是进行节能降耗综合分析的基础5-2 传热的三种基本方式一 热传导（Conduction） 分子微观运动引起的热量传递 发生于同种物体或相接触的不同物体中 机理较复杂 工程中注重宏观效果二 对流传热（Convection） 发生于流体（流体流经固体壁面）三 辐射（Radistion） 物体具有温度而以电磁波形式发射能量的过程 辐射 无需介质第二节 热传导5-3 傅立叶定律（Fouriers Law）一 温度场与等温面 温度场 一维

2、温度场x0t1t2bQ温度仅沿一个坐标方向变化（如无限大平板）tt-tt+t 等温面不同的等温面(线)不会相交 二 温度梯度方向为法线方向正向指向温度增加的方向同一瞬时温度相同的点组成的空间曲面 等温线两维平面上连接等温点得到的连线等温线的疏密反映温度分布的强弱三 傅立叶定律(Fouriers Law) 垂直于热流方向的导热截面积 导热系数或热流速率热流方向的温度梯度热流密度 式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反5-4 导热系数 数值为温度梯度为 1 时单位传热面积上传导的 热量（热流密度） 物理意义 描述物质导热性能的物理参数固体的导热系数一般固体气体导热系数液体导热系数一般随温度生高而减

3、小非金属水最大纯液体较溶液大取值数值较小（利于保温）压力影响很小一般随温度生高而增大传热为平壁厚度 x 方向 导热方程形为 xx0t1t2bQ积分与标准速率式对照 导热热阻一 单层平壁（无限大平壁）5- 平壁稳态热传导得到二 多层平壁温差与热组成比例 推动力 阻力均具有加合性xb10t1t2b2b3t3t4tQ5-6 圆筒壁稳态热传导（长圆柱筒）一 单层圆筒壁圆筒长 L 温度仅沿半径方向变化r1r2rrt1t2取对数平均半径 时 可采用算术平均 有依据推动力 阻力具有加合性的结论多层圆筒壁各层面积不同 热流密度不同 而有 二 多层圆筒壁xdxt0twQ入Q出t取微元 在d时段内进行衡算离开微元

4、热量 微元累积热量 热量衡算即一维非稳态热传导方程非稳态导热简介(无限大平壁)进入微元热量得到一维非稳态热传导方程对半无限大平壁 定解条件 解为 高斯误差函数ttwTTw5-7 间壁两侧流体热交换过程分析第三节 两流体间的热量传递模型换热器T进t进t出T出tTms1 Cp1ms2 Cp2dx 热载体 表4-1 常用加热剂及其适用温度范围加热剂热水饱和蒸汽矿物油联苯混合物熔盐（KNO353%, NaNO240%, NaNO37%,）烟道气适用温度40100100180180250255380（蒸汽）1425301000冷却剂水（自来水、河水、井水）空气盐水氨蒸汽适用温度，0803001515 3

5、0表4-2 常用冷却剂及其适用温度范围换热过程 流向 qy+dyqyt-dtttwttwttwt静止层流湍流三 对流传热机理流动强化传热（流动对传热的贡献）t-dt qy+dy 静止 流动 直线分布牛顿冷却定律（有效膜理论） 或 对流传热(膜)系数流动边界层 传热边界层t0t0t0twtw-t=0.99(tw-t0)u0yxttwtwu=0.99u0模型换热器微分长段截面上 或 K 总传热系数四 传热基本方程一 对流传热系数和总传热系数5-8 总传热系数利用加合定律 所以 K 即总传热系数 平壁传热 圆筒壁传热( 选择基准面积) 以外表面为基准 工程计算采用积分式 沿模型换热器管长积分有 注意

6、K在使用中的面积基准取内外壁上垢层热阻 二 污垢热阻换热设备长期使用后形成垢层产生的热阻垢层热阻单位为 总传热系数计算式为 三 传热系数的数值范围冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.)水水8501700水气体17280水有机溶剂280850水轻油340910水重油60280有机溶剂有机溶剂115340水水蒸气冷凝14204250气体水蒸气冷凝30300水低沸点烃类冷凝4551140水沸腾水蒸气冷凝20004250轻油沸腾水蒸气冷凝4551020四 传热控制步骤数值很小可不计 可不计 K 取决于热阻大侧对流传热 热衡算 有相变（蒸汽冷凝） 传热速率 5-9 热量衡算与传热速率方程的关系热(冷)

7、流体的质量流量 热(冷)流体的定压比热 式中 式中 蒸汽的冷凝(汽化)潜热并流L(A)T进T出t进t出dTdtdLL(A)T进T出t进t出dTdtdL逆流L(A)Tt进t出dtdLT热侧恒定L(A)T进T出ttdTdL冷侧恒定一 恒温差（T-t） 流型与温差变化 平均温度差的计算5-10 平均温度差的计算二 变温差 条件 1 流动稳定 2 无热损失 3 4 忽略轴向导热为常数 模型换热器微分段上 均为常数 与温差 呈线性关系 称为对数平均温度差 并流 逆流 3 计算中 位置可对调 讨论1 平均温差为换热器两端温差的平均值 与流2 取热流体进入侧下标为 1 有型无关4 冷热流体进出温差相同时 即

8、 错流与折流温差 P R 数值依据流型查阅图表L(A)一 换热器传热计算分析计算中确定6个变量过程唯一确定5-11 传热效率传热单元数法（ NTU）计算问题 二 传热效率 三 传热单元数 NTU可有 物理意义 四 与NTU的关系 定义式逆流并流考虑换热器各侧对流传热与导热 5-12 壁温的计算一 流体性质 二 外部流动条件 1 流动形态 Re 2 传热面的几何形状（定性尺寸） d l 排列方式 3 引起流动的原因 4 有无相变第四节 对流与对流传热5-13 影响对流传热的因素5-14 因次分析在对流传热中的应用一 无相变强制对流下的对流传热系数对建立因次一致方程 同理 定义 最终得到 或 二

9、无相变自然对流下的对流传热系数L取 定义 称为格拉斯霍夫(Grashof)准数经因次分析有三 准数的物理意义表征运动状态对流使传热增加的倍数 圆管内变形 Re 数物性参数的组合(一)圆形直管内湍流或5-15 强制对流时的对流传热系数关联式一 流体管内强制对流 应用条件1 因次分析 实验关联结果 有相近解析解 2 粘度影响 边界层与主流温差较大时需考虑粘度 变化造成的影响 低粘流体影响小可忽略 高粘流体按下式校正 讨论 4 短管路（l/d 50）取 f = 1.02 1.07 校正3 Pr 指数 n 的取值(二)圆形直管内层流 应用条件(三)过渡流(四)弯曲管道(五)非圆形管道采用当量直径套管环

10、隙关联条件二 管外流体强制对流流体流过管束值查专用图表管束平均对流传热系数例 改变流速优于减小管径 改变流速与减小管径相当三 提高对流传热系数的途径5-16 自然对流时的对流传热系数关联式经验关联得到 即c n 数值查阅专门图线 当 后 有限空间自然对流较复杂（略）与 L 无关蒸汽冷凝5-17蒸汽冷凝对流传热系数Qx假定 层流液膜中 稳定状况下对微元作受力分析一 理论推导蒸汽无阻力 垂直版面(宽度方向)取 1 为常数液膜厚度增加 质量流量增加 有蒸汽温度 导热温差 定性温度 有得到距离顶端 x 处局部对流传热系数为蒸汽冷凝热以导热方式穿过液膜高 H 的直立壁面平均对流传热系数为与水平面成夹角的

11、倾斜壁面x直径 的单根水平管外二 实验结论及经验关联垂直管板外层流 水平单管定义 Re 数 较长壁面（出现湍流）取 有经测 将 代入垂直管板关联式整理得到 即 令 称为冷凝准数液膜中湍流（Re1800） 关联得 对水平管 垂直管束（液膜温差相同）使用中需注意 1 过热蒸汽汽化热中应加入显热 2 不凝气增加阻力 恶化传热所以5-18 液体沸腾对流传热系数0.1110102103102103104105106107 q (W/m2)(W/m2)q 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾沸腾温差一 沸腾现象液体与蒸汽物性加热面粗糙程度与表面性质液体浸润性 操作压力与温度 沸腾传热关联式(大容积饱和核状沸腾)二

12、 沸腾传热计算 影响沸腾传热的因素 固液表面组合系数s 系数 称为伽利略准数 反映重力作用下流动对沸腾的影响 反映压力影响的准数式中称为皮克列（Peclet）准数 相当气速 热扩散系数5-19 对流传热系数关联式小结（略）QQRQDQA第五节 辐射传热5-21 辐射传热的基本概念辐射能的吸收反射和透射 5-22 物体的发射能力斯蒂芬玻尔滋蔓定律（Stefan-Bolzman） 发射能力 E (W/m2)式中 黑体发射能力 单色发射能力 波长 mS-B常数黑体发射系数普朗克常数玻尔滋蔓常数光速灰体发射能力 定义黑度（发射率） C 灰体发射系数 图示两壁面 任意壁面可有 5-23 克希霍夫（Kirchoff）定律善辐射者善吸收E1E0(1-A)E0A1E012灰体黑体12E1(1-A2)E1(1-A1) (1-A2)2E1(1-A1) (1-A2)E1(1-A1)2 (1-A2)2E112E2(1-A1)E2(1-A1)2 (1