复旦大学化工原理第四章传热

第四章传热第一节概述一.传热过程在化工生产中的应用几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作，进行传热操作的目的主要是：1.加热或冷却，使物料达到指定的温度；2.换热，以回收利用热量；3.保温，以减少热损失。二.传热的基本方式根据传热的机理区分，传热的基本方式有：热传导：通过物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的过程。对流：在流体中，冷、热不同部位的流体质点作宏观移动和混合，将热量从高温处传递到低温处的过程。热辐射：物质因本身的温度而激发产生电磁波，向空间传播来进行热量传递的过程。三.间壁传热过程在工业生产中，冷、热两种流体的热交换，多数情况下不允许两种流体直接接触；要求用固体壁隔开，即采用间壁传热。最常见的一种间壁传热设备是套管式的热交换器。四.工艺过程的热负荷计算无相变时的热负荷计算如果工艺要求将质量流率为qm1(Kg/S)

、

比热为

Cp1（J/Kg.K)

的热流体由温度T1

冷却至T2；则在单位时间内热流体所释放出的热量（放热速率）Q1

为：

Q1=Cp1qm1(T1–T2)

单位是：W（J/S）。

热流体所释放的热量必须被冷流体所带走。若冷流体在单位时间内的吸热量（吸热速率）为Q2:Q2=Cp2qm2(t2–t1)

单位是：W（J/S）。

冷、热流体的热量交换必须通过热交换器来实施。若使用的热交换器传热速率为：Q=KmAm

Dtm

。

则：

Q1=Q2=Q

才能满足工艺要求。2.有相变的热负荷计算如果热流体是温度为T的蒸汽，现要将其冷凝为温度为T的液体；则热流体在单位时间内所释放的热量Q:Q=gqm

式中：g—热流体在温度为T时的汽化潜热，KJ/Kg；qm—热流体的质量流量，Kg/S。五.热量传递的极限热量传递的极限是冷、热流体的温度相等。如果一个逆流操作的热交换器，具有无穷大的换热面积，则有：T1=t2或T2=t1

第二节热传导一.傅立叶定律单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。即：其中比例系数l，称为物质的导热系数，W/m.K。公式中的负号表示热流方向与温度梯度方向相反。二.导热系数各类固体材料的导热系数的数量极为：金属10~100W/m.K建筑材料0.1~10W/m.K绝热材料0.1~0.01W/m.K金属的导热系数最大，液体其次，气体的导热系数最小。对于固体材料，其导热系数随温度t而变，近似为直线关系：

l=l0(1+at)其中：a—温度系数。对于大多数金属材料a为负值；对于大多数非金属材料a为正值。三.平板壁的稳定热传导若热传导仅在x方向进行传递，平板壁的传热面积为A。

则平板壁的热传导速率为：四.多层平板壁的稳定热传导假定各板之间紧密接触。则多层平板壁的热传导速率：式中：A—平板的传热面积，m2；

l1、l2、l3

—分别为板1、板2、板3的导热系数，W/m.K。五.圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导速率为：式中：当A2/A1

<2时，Am=(A2+A1)/2。其中：A1=2pr1L；A2=2pr2L;b=r2–r1六.多层圆筒壁的稳定热传导假定各层圆筒间紧密接触。则多层圆筒壁的稳定热传导速率为：例1.一根F50×2.5mm的管子（l=49W/m.K），包以50mm厚的软木（l=0.046W/m.K)，再用50mm的石棉层（l=0.151W/m.K)保温。测得管内壁温度为373K，外壁温度为273K。求每米管道每小时的热损失。若先包石棉后包软木，则热损失为多少？例2.导热系数的简易测定将需要测定导热系数的材料装入如图所示的同心套管的间隙内，并在管内加电热丝。当电热功率为1KW时，测得内管的内壁温度为9000C，外管的外壁温度为1000C,金属管壁的导热系数为50W/m.K。试求：该材料的导热系数。已知：L=1m;r1=10mm;r2=13mm;r3=23mm;r4=27mm。第三节对流传热一.对流传热的基本概念无相变的对流传热自然对流（流体依赖密度差流动）强制对流（用机械能使微团混合）有相变的对流传热蒸汽冷凝传热、液体沸腾传热。二.牛顿冷却定律对于流体的对流传热过程，其传热速率可用牛顿冷却公式来描述；即：式中：Q—传热速率，W；A—传热面积，m2；

Dt—对流传热温度差，0C；

a—对流传热系数（或称膜系数），W/m2.0C。对于热流体Dt=T–TW；对于冷流体Dt=tW–t。其中：T—热流体的主体温度；TW—间壁近热流体一侧的温度；t—冷流体的主体温度；tW—间壁近冷流体一侧的温度。三.影响对流传热系数的主要因素流体的物理性质：Cp、r、m、l

流体的运动状况：u

流体的对流状况：自然对流（升力bgDt)、强制对流设备尺寸：l影响对流传热系数的各种因素，如果用函数表示，则为：四.对流传热的特征数关系式根据p定理，可得到对流传热的特征数关系式：式中：Nu=al/l称为努塞尔数Re=lur/m称为雷诺数Pr=Cpm/l称为普朗特数Gr=bgDtl3

r2/m2称为格拉斯霍夫数K、a、b、c是需要通过实验确定的常数。五.对流传热的经验关联式在不同的传热过程中，有不同的对流传热经验关联式。例如：流体在圆形直管内作强制对流时，实验得到其对流传热的经验关联式为：

Nu=0.023Re0.8Prn使用条件：Re>104，0.7<Pr<160当流体被加热时n=0.4；当流体被冷却时n=0.3。设备尺寸为管内径；定性温度为流体主体