山东大学化工原理课件02传热

1、Unit Operations of Chemical Engineering 第二章 传热 Heat Transfer化工厂的换热区2.1 概述传热的目的 加热或冷却物料到指定温度减少热损失保温回收热量换热常用加热剂（加热介质）？常用冷却剂（冷却介质）？生活中的传热？2.1 概述一、热量传递方式直接接触式传热，如水蒸汽冷凝塔蓄热式传热热间壁式传热，化工生产中多是间壁式换热器： 热流体壁面一侧 另一侧冷流体 典型的间壁式换热器 套管传热器 管壳式换热器（列管传热器）典型的换热设备管壳式换热器 单程管壳式换热器 双程管壳式换热器 1 2 3 3 6 6 5 445 7浮头式换热器2.1 概述二、

2、传热的基本方式（按机理的不同）导热有温差就有导热。主要发生在固体、静止流体以及无传热方向上的流动的流体内。其特点是无质点位移对流依靠质点的相对位移传热。 自然对流各处温度不同，由密度差引起的。 强制对流强制流体运动传热。辐射物质依靠发射电磁波进行传热。温度较高时才比较明显。Notes：固体内部传热只能靠导热；而流体与壁面间的换热，往往既有对流又有导热，总称为对流传热过程。冷热流体间的传热是一个过程。8两相流体之间的传热过程热流体将热传给内管内壁侧(对流给热)热量由管内壁传递到外壁侧（导热）管外壁面将热传递给冷流体(对流给热）化工中典型的传热过程是这样的三、传热基本方程换热器的衡量指标：传热速率

3、单位时间通过传热面的热量，用Q表示，单位：J/s或W热通量或热流密度单位时间通过单位面积的热量，用q 表示，单位：J/m2s工程上习惯将传热速率表示为下列形式： 微分式：dQ= K dA (T-t) 积分式： Q= K A (tm) K传热系数；A传热面积； tm -传热推动力典型的传热问题传热基本方程？2.2 热传导一、 一维稳态导热 2.2 热传导二、基本概念Fouriers Law：与牛顿粘性定律类似导热系数物理意义物质导热能力的大小影响因素导热系数随温度的变化物质导热系数数量级？导热系数2.3 平壁稳态热传导假定：材质均匀，导热系数不随温度变化等温面是垂直于x轴的平壁面积与厚度相比是很

4、大的，边缘处热损失可略一维稳态热传导一维单层平壁稳态导热单层平壁x=0, t=t2x=, t=t1考虑随温度的变化， 取平均值。多层平壁导热假定层与层间接触良好，即相邻壁面温度相同。导热系数为常数多层平壁导热速率方程推导圆筒壁的热传导假设：导热系数为常数无限长圆筒壁，忽略两热损失，仅在径向有热传递。则传热为仅沿径向方向的一维稳态导热。一维单层园筒壁稳态导热单层园筒壁r=r1, t=t2r=r2, t=t1一维单层圆筒壁导热速率方程固体壁面热传导重点提示问题的处理方法取微元体作热量衡算，结合过程特征方程傅里叶定律，对方程积分求解。主要结论平壁、圆筒壁等导热速率计算式重要观点 速率等于推动力与阻力

5、之比 推动力之和 速率 = 总阻力之和稳态传热，推动力与阻力成正比保温层厚度大于其临界半径时，保温层越厚，散热越少当两种或两种以长保温材料同时适用时，一般导热系数小的包在内层，散热量少。2.4 对流传热对流传热机理对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。对流传热包括强制对流（强制层流和强制湍流）、自然对流、蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。处于层流状态下的流体，在与流动方向相垂直的方向上进行热量传递时，由于不存在流体的旋涡运动与混合，故传递方式为热传导。处于湍流状态下流体，由于流体的旋涡运动质点混合强烈，传热方式主要是对流。但无论湍流程度多高，总

6、有一层流内层存在，其传热方式仍为热传导。对流传热速率方程牛顿冷却定律根据“速率等于推动力除以阻力”，也等于某一系数乘以推动力。 热流体 dQ =ds (T-TW ) 冷流体dQ =ds (tW-t) 局部对流传热系数一般用平均对流传热系数 Q= S t m t m 平均传热温差 对流传热系数的求法根据牛顿冷却定律，固体壁面与流体之间的对流传热速率为 dQ= ds (T-T w)对流传热速率Q的关键在于确定对流传热系数，但它的求算是一项复杂的工作，它与流体的物理性质、壁面的几何形状和粗糙度、流体的速度、流体与壁面间的温度差等因素有关，一般很难确定。目前在工程实际中，求取湍流传热的对流传热系数大抵

7、有两个途径：一是应用量纲分析方法并结合实验，建立相应的经验关联式；二是应用动量传递与热量传递的类似性，建立对流传热系数与范宁摩擦系数之间的定量关系，通过较易求得的范宁摩擦系数f来求取较难求得的对流传热系数。对流传热系数的影响因素有无相变流体性质流动状态流动原因传热面的几何特征传热准数的名称、符号和含义努赛尔特数(Nusselt number)Nu 表示对流传热系数的准数雷诺数(Reynolds number)Re 表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状态的准数普兰德数(Prandtl number)Pr 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性格拉斯霍夫数(Grash

8、of number)Gr 表示由温度差引起的浮力与粘性力无相变 对流传热系数 关联式无相变对流传热分类无相变强制对流管内流动管外流动直管弯管按直管计算乘以校正系数非圆管以当量直径代替直径圆管公式垂直流过水平流过管子分布为错列管子分布为直列有挡板无挡板按非圆管计算管内湍流过渡流按湍流计算乘以校正系数滞流很少见管内强制湍流对流传热系数影响因素分析圆管内强制湍流 关联式 流体加热时主要影响因素分析流体物理性质流速影响大，管径影响较小有相变的对流传热系数相变包括蒸汽冷凝与液体沸腾蒸汽冷凝分为膜状冷凝和滴状冷凝膜状冷凝冷凝液可完全润湿传热壁面，形成一层液膜覆盖在壁面上。 相变热阻很小，要将热量传给或传出

9、壁面必须通过液膜，因此热阻主要集中于液膜内。滴状冷凝冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面形成许多液滴，传热系数比膜状冷凝高几倍甚至几十倍，热阻比膜状冷凝小得多。工业上大多为膜状冷凝，为安全起见，换热器的设计一般按膜状冷凝考虑。沸腾传热沸腾传热包括大容积沸腾（池沸腾）管内沸腾（管内流动时受热沸腾）多相流范畴液体沸腾状况（以水沸腾为例）沸腾曲线液体沸腾大容积沸腾和管内沸腾沸腾机理气泡产生：气泡内部压力大于周围压力（表面物理化学）液体必须过热；加热面具有汽化核心气泡脱离沸腾给热的热阻与无相变传热一样，主要在加热面附近的层流内层中。但由于沸腾的气泡在壁面上的不断产生和脱离，搅动剧烈，使

10、热阻大大降低，所以沸腾传热热系数远大于无相变传热系数。沸腾曲线：自然对流：气泡很少核状沸腾：气泡剧烈运动膜状沸腾：壁面被汽膜覆盖临界温度差：烧毁点沸腾传热液体沸腾的必要条件过热度和汽化核心大容积沸腾的三种状态自然对流核状沸腾膜状沸腾工业上沸腾传热一般控制在核状沸腾操作。学习经验关联式的重点掌握经验公式的选用方法，注意公式三要素：适用范围、特征尺寸、定性温度。不同类型的换热器，不同的传热情况，对流传热系数的关联式不同，可查有关专著。学会用经验公式指导理论分析2.5 辐射传热辐射的特征温度大于 0 K，就有辐射无需传递介质，同光的传播气体辐射，是容积过程固体、液体辐射，表面过程（1微米厚度内）辐射

11、传热是指物体间净的热量交换研究途径先讨论单个物体的辐射能力，在讨论物体间的辐射传热辐射的吸收、反射和透过 Q=Q A +Q R +Q D 吸收率A A=1 黑体如没有光泽的黑漆表面A=0.960.98透过率D D=1 透热体 单原子、对称双原子构成的气体，一般可视为透热体反射率R R=1镜体或白体如表面磨光的铜，R=0.97灰体能以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 吸收率A不随波长变化 是不透热体单个物体的辐射能力辐射能力E物体在一定温度下，单位辐射面积、单位时间所发射的全部波长的能量，J/m2 s黑体的单色辐射能力随波长的变化符合普朗克(Plank)定律；对全波长范围内能量积分得四次方定

12、律即斯蒂芬-波尔斯曼定律 Eb = C 0 (T/100)4 实际物体的辐射能力以黑度表示，黑度表示实际物体辐射能力与黑体辐射能力之比 E=Eb 灰体的辐射能力E=AEb A= （克希霍夫定律）2.6 传热过程计算传热计算类型设计型设计某些参数的选择，如冷、热介质的选择、流体进口温度的选择、经验数值的取值等操作型预测计算某些参数的变化对换热能力的影响 换热器的校核，核算一现有的换热器是否可完成指定的生产任务相关数学方程 热量衡算式 传热速率式总传热系数计算式2.6 传热过程计算热量衡算方程传热计算分析热量衡算方程速率方程Key用速率的观点分析问题，传热的多少是由传热速率决定的，速率与热负荷不同

13、传热面积的计算设计型问题总传热系数K的来源计算选用经验数据实测，选择类型、结构类似的换热器实测。计算举例并流与逆流比较例：并流与逆流的比较 并流T1=90 T2=70 逆流T1=90 T2=70 t1=20 t2 = 60 t2 =20 t1 = 60 t m =31 t m =39逆流优于并流逆流推动力大于并流对于一定的热流体（T1） 并流T1 T2 逆流T1 T2 t1 t2 t2max =T2 t2 t1 t2max =T1 因此 (t2-t1)逆 (t2 t1 )并 若换热的目的为单纯的冷却，逆流所需冷却介质少 如换热目的为回收热量，则逆流温差大利用价值大。采用并流的场合热敏性物料避免高温区，延长换热器的使用寿命 计算举例分析某冷凝器，用冷水冷却有机蒸汽，使其于80在管外冷凝，水温由t1=20 升至t2=30 ,冷凝液W h=