物理传热过程

第四章传热过程4.1概述凡有温度差的地方就有传热，如太阳辐射，兑开水，暖气。4.1.1化工生产中的传热化学反响器：吸热，放热传热与其它单元操作同时出现：蒸发，精馏，枯燥，结晶热量综合利用：强化，削弱热力学第二定律：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实际工业或民用形式热量传递的根本方式——传导、对流和辐射本章主要内容——从传热机理出发，分析传热过程的传热速率及其影响因素，说明主要的计算方法，说明传热设备的根本结构，指出传热强化的途径4.1.2传热中的根本物理量和单位主要有热量、传热速率、热流密度、比热容、导热系数、传热系数量的名称量的符号量的单位热量QJ或卡传热速率（热流量/热负荷）ΦW或kcal/h热流密度（传热强度/面积热流量）W/m2定压热容，包括比定压热容和定压摩尔热容CP,mCp=∑xiCi

J.K-1.kg-1J.K-1.mol-1相变热或潜热（气化热、冷凝热、升华热、融解热、溶解热、结晶热、稀释热）rm=∑xiriJ.kg-1J.mol-14.2热传导热传导是物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻的分子碰撞，而将能量传递给相邻分子，顺序的将能量从高温向低温局部传递。4.2.1根本概念和傅立叶定律温度场和等温面t=f(x,y,z,τ)稳定温度场——各点温度不随时间而变化，即t=f(x,y,z,)温度梯度——沿等温面垂直方向的向量，它的正方向是沿着温度增加的方向。等温面上温度T不变,法线方向T变化最大。傅立叶定律单位时间内的传热量与垂直于热流方向的导热截面积和温度梯度成正比。热流方向总是与温度梯度的方向相反。在稳定传热时，式4－2导热系数——是物质的一种根本性质，它标志着物质导热能力的大小。导热系数λ为：温度梯度1K/m,导热面积为1m2,单位时间内传递的热量，W/(m·k)物质种类 导热系数W/(m·K)物质种类 导热系数W/(m·K)纯金属100~1400金属合金50～500液态金属30～300非金属固体0.05~50非金属液体0.5~5绝热材料0.05~1气体0.005~0.5表4.1导热系数的大致范围导热系数随温度的变化温度升高，金属的导热系数λ金属下降；液体的导热系数λ液体下降〔水和甘油除外〕；气体的导热系数上升。均质固体物λ＝λ0〔1＋αt〕物质种类导热系数W/(m·K)物质种类导热系数W/(m·K)金属5~420建筑材料0.5~2绝热材料0.01~0.4水0.6其它液体0.09~0.7气体0.007~0.17表4.2常见物质在0～100℃的导热系数混合物的导热系数液体混合物导热系数气体混合物导热系数4.2.2通过平面壁的稳定热传导单层平璧的热传导稳态传热傅立叶公式平壁内某处〔x〕的温度tx＝t1－(t1－t2)x/δ多层平壁的稳定热传导由于利用上式，可推出：例4－1例4－24.2.3通过园筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导近似处理：用算术平均值代替对数平均值。多层圆筒壁的稳定热传导

例4－3例4－44.3对流传热4.3.1对流传热机理根本概念对流传热—流体各局部发生相对位移而引起的传热现象。实质因为流体质点变动位置并相互碰撞，热量由高能量质点传递到低能量质点。工程上的对流传热一般在液体和固体壁面间进行传热〔加热或冷却〕。包括4种情形：A：流体无相变A1——管内强制对流A2——自然对流B：流体有相变B1——蒸汽冷凝〔又分局部冷凝和全部冷凝〕B2——液体汽化〔又分局部汽化和全部汽化〕对流传热机理牛顿传热方程〔牛顿冷却定律〕牛顿冷却定律——壁面温度为tw的固体，给热于温度为t的周围流体，传热速率Φ与壁面的面积成正比，与壁面和流体的温度差tw－t成正比。4.3.2对流传热膜系数影响传热膜系数的因素流体种类：液体，气体，蒸汽流体性质：ρ，cp，λ，μ，β流体流动状况：与v有关〔Re〕流体对流状况：自然，强制传热壁的形状，位置及尺寸：管，板，管束的排列方式〔水平或垂直放置〕相变化的影响。传热过程的特征数(准数)

准数准数形式物理意义Nu（努塞尔）传热膜系数的特征数，表明流体导热系数及几何尺寸的作用Re（雷诺）确定传热时流体的流动形态，并表明对换热的影响Pr（普朗特）表明某些物理性质对传热的影响Gr（格拉晓夫）表明因受热引起的自然对流对传热的影响α——传热膜系数，W.m-2.K-1λ——流体导热系数，W.m-2.K-1l——传热面几何特征，md——管内径，mv——流体流速，m.s-1β——流体膨胀系数，K-1

Δt——流体与壁面温度差，Kg——重力加速度，m.s-2传热膜系数的关联式运用各种准数关联式要注意：

应用条件，应用范围；特征尺寸；定性温度。圆形直管内湍流时的给热流体被加热时，n＝0.4；流体被冷却，应用范围：Re＞104〔湍流〕0.7＜Pr＜120，L/di≥50。定性尺寸、定性温度高粘度校正例：一流体流经Ф的管子〔湍流〕，对流给热系数α为1000W/(m2K),现流量不变，管子变为Ф19×2,问对流给热系数α。

α’＝α(di'/di)=1000(20/15)＝1678W/(m2K)圆形直管内层流流时的给热应用范围：Re﹤2300,Pr﹥0.6,Re×Pr×〔di/L〕﹥10流体在非圆形管内流动时，用当量直径de流体与蛇管或与器壁以自然对流传热的传热膜系数Gr·Pr cn

＜0.001Nu=0.5 0.001～5001.181/3500～20,000,0000.541/4>20,000,0000.1351/3涡轮式搅拌器附属夹套的圆筒容器，流体与壁面间的传热膜系数例4－5例4－6沸腾和冷凝的传热膜系数对流传热膜系数的大致范围

传热情况 α/w/(m2K)

空气自然对流5~25 气体强制对流20~100 水自然对流200~1000 水强制对流 1000~15000 水蒸汽膜状冷凝5000～15000 水蒸汽滴状冷凝 40000~120000 水沸腾 2500~25000 有机蒸汽冷凝500~2000 需要解决的问题：①热量衡算，传热速率。②温度沿传热面变化。③twTw不好测。4.4热交换的计算4.4.1总传热方程热流体向壁面的对流传热φ1＝α1A1〔t1-tw,1〕器壁的导热φ2=Am(tw,1-tw,2)/(δ/λ)壁面向冷流体的对流传热φ3＝α2A2〔tw,2-t2〕定态条件的总传热方程

平面壁的总传热方程牛顿冷却定律——φ=αA〔tw-t2〕对于平面壁而言，A1＝A2＝A参照牛顿冷却定律，将式改写成φ=KA〔t1-t2〕=KAΔt此式即平面壁的总传热方程其中K为总传热系数，单位2.K-1例4－7

求传热速率和各热阻圆筒壁的总传热方程假设r2≦2r1，可取算术平均值取代分子中第二项；当圆筒壁厚度不大时，可以视为r2＝r1＝rm总传热系数以外壁面为计算基准：

φ＝K0A0(t1-t2)

其中A0为外管截面积注意：没有特别注明，一般以管子外外表为计算基准。总传热系数以内壁面为计算基准：

φ＝KiAi(t1-t2)

其中Ai为内管截面积多层圆筒壁的总传热方程提高K，可以提高α，降低δ等，重点提高薄弱环节。如导热可忽略，无污垢，那么1/K=1/α0+1/αi给热系数相差很大，要提高小的给热系数4.4.3传热温差恒温传热连续定态的恒温传热，一侧为饱和蒸汽，另一侧为沸腾液体。Δt=t1－t2变温传热间壁一侧或两侧的流体的温度随传热面〔传热位置〕而不同。传热平均温差Δtm〔以逆流为例〕Φ=KAΔtm假设①稳态，wh,wc为常数。②cp1,,cp2

,K均为常数。③无热损失取微小传热dA，热流体传出的热量为：dφ＝-m1cp1dT冷流体获得的热量为：dφ＝m2cp2dt变形后，两式相减，d〔T－t〕＝-dφ[1/(m1cp1)+1/(m2cp2)]又总传热方程有：dφ＝K〔T－t〕dA所以得到如下式子：d〔T－t〕/〔T－t〕＝-K[1/(m1cp1)+1/(m2cp2)]dA带入边界条件：当A＝0，T＝T1t＝t2当A＝A，T＝T2t＝t1积分，得到

以边界条件时的热量衡算关系式：对于热流体：φ＝－m1cp1〔T2－T1〕对于冷流体：φ＝m2cp2〔t2－t1〕那么有把式〔*〕和式〔**)联立，消去m1cp1和m1cp1可得

式4－21其中，tm为对数平均传热温差。对于并流可以得到完全相同的结果。例4－11：比较对流和逆流的传热温差

并流热120→70冷20←60Δtm逆流热120→60冷70←20Δtm

结论：逆流的特点：相同条件下，所需传热面小；节省冷却剂或加热剂；逆流时t2可以大于T2；并流t2总是小于T2并流的特点：容易控制温度，可以防止过热、过冷；并流t2总是小于T2；例4－13换热量与换热面积之间的关系4.4.4强化传热过程的途径增大传热面积A翅片蛇管〔夹套反响釜中运用〕增大传热温差Δtm选择逆流〔只有防止过热或过冷时才用顺流〕提高加热流体温度或降低冷却流体的温度，如：增加蒸汽的压强提高热流体温度〔Δtm受工艺条件限制往往无法改变，经济节能角度尽量防止过高温度或低温冷冻〕提高K增加湍流程度，增大λ，去除污垢，增加α小的一面传热面.〔翅片〕在一传热面为30m2的列管式换热器中，用120℃的饱和水蒸汽冷凝将气体从30℃加热到80℃，气体走管内，流量为5000m3/h(密度为1kg/m3,均按入口状态计)，质量定压热容为1kJ/(kgK)，估算换热器的传热系数。假设气体流量减少50％，估算在加热蒸气压强和气体入口温度不变的条件下，气体出口温度变为多少？设气体在管内流动Re均大于104。解：1〕1201208030Δtm=(120－30－〔120－80〕)/lnΦ=mc(t2-t1K=Φ/(AΔtm2)估计气体出口温度变化不大，认为物性不变α空气＜＜α蒸气冷凝K≈α空气解得t2为84.5℃4.5热交换器列管式换热器补偿热膨胀的措施〔膨胀圈或浮头式〕热交换器的程数折流板翅片管流体流经管内或者管间的选择腐蚀性流体走管内浑浊或易析出沉渣结垢流体走管内压力高、流量小、粘滞性流体走管内液－液换热，温度高流体走管内饱和蒸汽走管间〔蒸汽α本来高，让传热膜系数低的流体走管内提高α〕套管换热器夹套换热器蛇管式热交换器螺旋板式热交换器板式热交换器热管本章练习课本10、11、14、18、19、20、23补充题〔共11题〕注：可以选择性的做其中13道题。敬请按时上交作业。谢谢

1.

温度