化工原理 第四章 传热

第四章传热(chuánrè)传热(chuánrè)概念热传导热对流热辐射（自学）传热计算换热器热量衡算传热速率方程目的→掌握传热的基本原理、传热方式与特点。计算传热问题。了解换热器结构与设计。精品资料传热(chuánrè)－基本概念1.传热(chuánrè)传热→亦称热传递，指因温度差引起的能量转移。主要研究传热速率。化工生产中要求强化传热（如换热器传热）和削弱传热（如管道保温），另外，蒸发、蒸馏和干燥等也涉及到传热过程，故传热是一种普遍的传递现象。2.传热的基本方式（热传导、热对流和热辐射）①热传导热传导→亦称导热，指物体不发生相对位移，由分子、原子和自由电子等粒子热运动而引起的热传递。导热的产生条件是系统两部分之间存在温度差。导热在s、l和g中均可进行。金属→自由电子运动；不良导体的固体和大部分液体→原子和分子在平衡位置附近的振动，即晶格振动；气体→分子不规则运动。典型的导热方式→固体中的热传导精品资料传热(chuánrè)－基本概念②热对流热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递(chuándì)。对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。③热辐射（自学）热辐射→因热而产生的电磁波在空间的传递。其特点是不仅有能量传递，而且有能量转移（热能与辐射能之间的相互转化）。自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。辐射传热→物体之间相互辐射和吸收能量的总结果。注意→只有物体温度较高时，热辐射才成为主要的传热方式。精品资料传热(chuánrè)－基本概念3.热、冷流体(liútǐ)的热交换方式①直接接触式换热→混合式换热器优点→传热效果好，设备简单；缺点→传热机理复杂，伴有传质。并流低位冷凝器逆流高位冷凝器器内压力：10～20kPa；气压管高度：10～11m。精品资料传热(chuánrè)－基本概念②蓄热式换热→蓄热器（不常用(chánɡyònɡ)）优点→结构简单，耐高温。缺点→体积庞大，不能完全避免两种流体的混合。蓄热换热器精品资料传热(chuánrè)－基本概念③间壁式换热→间壁式换热器（常见(chánɡjiàn)）⑴给热→热流体将热量传至左壁。⑵导热→热量自左壁传至右壁。⑶给热→热量自右壁传至冷流体。间壁两侧流体间的传热传热→热、冷流体通过壁面之间的热交换。给热→指流体与固体壁面之间的传热。间壁式传热3步曲传热＝给热+导热+给热精品资料传热(chuánrè)－基本概念4.典型(diǎnxíng)的间壁式换热器①套管换热器套管换热器②管壳式换热器单管程单壳程换热器双管程单壳程换热器精品资料传热(chuánrè)－基本概念③传热(chuánrè)面积内径（di）→外径（do）→平均直径（dm）→管内侧面积（Si）管外侧面积（So）平均面积（Sm）④显热与潜热显热→物质不发生相变时吸收或放出的热量。潜热→物质发生相变时吸收或放出的热量。1mol、60℃水升温至100℃，未生成水蒸汽，吸收3.014kJ→显热。1mol、100℃水蒸发为1mol、100℃水蒸汽，吸收40.62kJ→潜热。

精品资料传热(chuánrè)－基本概念5.传热速率(sùlǜ)与传热速度传热速率（Q）→亦称热流量，指单位时间内通过传热面的热量。传热速度（q）→亦称热通量，指单位传热面积上的传热速率。因S有三种形式，计算q时须注明选择的基准面积。精品资料传热(chuánrè)－基本概念6.稳态传热(chuánrè)与非稳态传热(chuánrè)稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随时间而变，。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化的传热过程。7.载热体载热体→物料在换热器内被加热或冷却时，供给或取走热量的另一种流体。起加热作用的载热体称为加热剂（如饱和蒸汽），起冷却或冷凝作用的载热体称为冷却剂（如空气）。连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备的开工和停工阶段为非稳态传热。精品资料传热(chuánrè)－热传导1.温度场和温度梯度温度场→任一瞬间系统(xìtǒng)内各点的温度分布总和。稳态温度场稳态、一维温度场温度梯度→温度分别为与t的相邻等温面间温度差，与两面间垂直距离之比的极限。温度梯度→温度梯度向量，正方向指向温度↑的方向。→温度梯度标量，亦称温度梯度。精品资料传热(chuánrè)－热传导2.傅立叶（Fourier）定律(dìnglǜ)傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。①傅立叶定律与牛顿黏性定律类似。②。③热量传递过程与动量传递过程类似。精品资料传热(chuánrè)－热传导①意义→单位温度梯度下的传热(chuánrè)速度。↑→导热性↑。②影响因素→物质种类、温度和纯度。注意→很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。（P217，表4-3）精品资料传热(chuánrè)－热传导3.平壁导热(dǎorè)①单层平壁假设→①稳态、一维导热。②λ不随温度变化。③不计热损失。单层平壁导热→平均导热系数。（P219，例4-1）精品资料传热(chuánrè)－热传导②多层平壁假设→①稳态、一维导热。②λ不随温度(wēndù)变化。③不计热损失。④无接触热阻。三层平壁导热多层平壁导热方程精品资料传热(chuánrè)－热传导接触(jiēchù)热阻接触热阻→因表面粗糙不平致使界面间出现温度↓。两接触面间有空穴，空穴内充满空气，故传热过程包含通过实际接触面和空穴的两部分导热。气体λ小→接触热阻主要由空穴造成。精品资料传热(chuánrè)－热传导4.圆筒壁导热(dǎorè)①单层圆筒壁注意→两量比值≤2时，用算术平均值代替对数平均值。单层圆筒壁导热与平壁导热相比，不同点是圆筒壁传热面积和温度分布均随半径而变。对数平均半径精品资料传热(chuánrè)－热传导②多层圆筒壁假设→各层间接触(jiēchù)良好三层圆筒壁导热圆筒壁导热，通过各层的热流量相同，而热通量不等。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)对流传(liúchuán)热（给热）概述给热速率方程给热机理给热系数关联式精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)1.对流传(liúchuán)热对流传热→即给热，指流体流经固体壁面（流体温度与壁面温度不同）时的传热过程。无相变有相变自然给热强制给热蒸气冷凝液体沸腾2.给热速率方程对流传热→过程复杂，影响因素众多，用半经验方法研究。牛顿冷却定律→给热速率方程。→局部给热系数，随管长而变。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)③若热流体(liútǐ)走管内，冷流体(liútǐ)走环隙，④给热研究的内核→不同给热情况下，α的大小、影响因素及其计算式。①→平均给热系数。②流体温度→流动横截面上的平均温度。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)①α→单位温度差下、单位传热(chuánrè)面积上的给热速率，。②α→反映了给热的热阻大小。流体有无相变化、流动状态、流动原因、流体物性和壁面情况均影响之，故不是流体物性。③同种流体，。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)3.给热机理(jīlǐ)①对流传热⑴给热是集热对流和热传导于一体的耦合过程。⑵R集中在层流内层→层流内层厚度↓是强化给热的主要途径。给热温度分布给热是靠质点的移动和混合而完成→它与流体流动状况相关。⑴层流内层→传热方式为导热，⑵过渡区→热对流和热传导相当，温度缓慢变化。⑶湍流主体→质点剧烈碰撞与混合，温度差小，各处温度基本相同。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)②热边界层热边界层→即温度边界层，指壁面附近处具有温度梯度的流体(liútǐ)薄层。⑴。平板上的热边界层⑴热边界层边缘处→⑵热边界层厚度→。⑵流体在管内流动时，热边界层与流动边界层类似。不同的是，经历进口段和完全发展区后，温度分布随管长渐变为平坦，继而温度梯度消失，直至传热停止。⑶破坏热边界层的发展，可强化给热。精品资料传热(chuánrè)－对流传热(chuánrè)4.保温层临界(línjiè)直径一般，保温层。小圆管外包扎不良的保温材料，。保温层临界直径关系临界直径精品资料传热(chuánrè)－给热系数1.给热的影响(yǐngxiǎng)因素解决给热问题的关键→计算⑴牛顿型流体→有相变和无相变。⑵流体特性→⑶流体温度→温度差、流体物性随温度变化以及附加的自然对流。⑷流型→层流靠导热；湍流主体靠对流，层流内层靠导热；。精品资料传热(chuánrè)－给热系数⑸流动原因→自然(zìrán)对流和强制对流；。单位体积流体的升力→⑹传热面形状、位置和大小形状（如管和环隙），传热面位置（如水平或垂直），流道尺寸（如管径和进口段）。精品资料传热(chuánrè)－给热系数2.给热的量纲分析－白金汉（Buckingham）法①流体(liútǐ)无相变时强制给热⑴列量纲→⑵选共同物理量→白金汉法的关键。3原则：a.不含待求物理量；b.不选同量纲的物理量；c.含所有基本量纲→。⑶量纲分析精品资料传热(chuánrè)－给热系数无相变时强制(qiángzhì)给热的准数关系式②自然对流传热自然给热的准数关系式精品资料传热(chuánrè)－给热系数③注意事项⑴定性温度(wēndù)→流体平均温度(wēndù)、壁面平均温度(wēndù)和膜温。⑵特征尺寸→管内径、管外径和当量直径传热当量直径传热中准数及其意义精品资料传热(chuánrè)－给热系数①管内强制(qiángzhì)对流⑴圆管内强制湍流Dittus-Boelter关联式3.流体无相变时的给热系数精品资料传热(chuánrè)－给热系数Sieder-Tate关联(guānlián)式⑵圆管内强制层流Sieder-Tate关联式精品资料传热(chuánrè)－给热系数⑶圆管内过渡流⑷弯管内强制(qiángzhì)对流⑸非圆管内强制对流管内径→当量直径（传热当量直径和流动当量直径）精品资料传热(chuánrè)－给热系数②管外强制(qiángzhì)对流⑴流体横向流过管束管子排列方式精品资料传热(chuánrè)－给热系数⑵流体(liútǐ)在管间流动折流挡板管间当量直径管间当量直径精品资料传热(chuánrè)－给热系数③自然(zìrán)对流精品资料传热(chuánrè)－给热系数①蒸汽(zhēnɡqì)冷凝⑴蒸汽冷凝方式膜状冷凝→冷凝液润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜。此液膜成为膜状冷凝的主要热阻。工业上大多是膜状冷凝。4.相变流体的给热系数有相变的对流传热→蒸汽冷凝和液体沸腾，其特点为相变流体吸收或放出大量的潜热，而流体温度不变。膜状冷凝精品资料传热(chuánrè)－给热系数滴状冷凝(lěngníng)→冷凝(lěngníng)液不能润湿壁面，在表面张力下，冷凝(lěngníng)液在壁面上形成许多液滴，沿壁面落下。滴状冷凝⑵膜状冷凝的给热系数假定：①层流，导热；②蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力；③冷凝热，蒸汽温度和壁面温度不变；④物性按取值→精品资料传热(chuánrè)－给热系数单根水平(shuǐpíng)管努塞尔（Nusself）公式冷凝负荷（M）→在单位长度润湿周边上单位时间流过的冷凝液量。膜层流型判据（Re）精品资料传热(chuánrè)－给热系数→冷凝(lěngníng)给热系数蒸气在垂直管或板外的冷凝精品资料传热(chuánrè)－给热系数⑶冷凝给热的影响(yǐngxiǎng)因素蒸汽冷凝的热阻集中在液膜内→液膜厚度及流动状况是关键因素a.液膜两侧温度差：b.流体物性。c.蒸汽流速和流向d.蒸汽中有不凝气体：e.冷凝壁面：精品资料传热(chuánrè)－给热系数②液体沸腾(fèiténg)（沸腾(fèiténg)传热）⑴液体沸腾曲线液体沸腾→液相内部产生气泡或气膜，分为大容积沸腾和管内沸腾。液体沸腾曲线液体沸腾曲线→自然对流、泡状沸腾和膜状沸腾a.自然对流区b.泡状沸腾（泡核沸腾）c.膜状沸腾注意→工业上控制在泡状沸腾下操作。精品资料传热(chuánrè)－给热系数Mostinki公式(gōngshì)⑵沸腾给热系数精品资料传热(chuánrè)－给热系数⑶沸腾(fèiténg)传热的影响因素a.液体性质b.温度差是控制沸腾传热的关键参数c.操作压强d.加热壁面精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算传热(chuánrè)计算设计型→确定Ｓ操作型→计算Q、W和Ｔ热量衡算传热速率方程类型依据精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算1.热量(rèliàng)衡算（饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下排出）（饱和蒸汽冷凝，冷凝液在低于饱和温度下排出）⑴无相变，且比热容视为常数时，⑵相变时，如蒸汽冷凝，精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算2.总传热速率(sùlǜ)微分方程和总传热系数

工程上常以外表面积为基准。①总传热速率微分方程应用导热速率方程和给热速率方程时，须知壁温。为避开壁温，引入间壁两侧流体之间的总传热速率方程。②总传热系数（即传热系数）总传热系数（K）→是传热计算的基本数据，与流体物性、操作条件及换热器类型等有关。获取途径有计算法、实验法和经验数据。精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算热流体(liútǐ)走管内，冷流体(liútǐ)走管外间壁式传热总传热系数计算公式精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算管壳式换热器K的经验值见P234，表4-6精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算①总传热(chuánrè)速率方程3.总传热速率方程和平均温度差法假定→稳态传热；不计热损失；⑴恒温传热→间壁两侧流体均有相变化，如蒸发器中饱和蒸汽和沸腾液体之间的传热。恒温传热时总传热速率方程⑵变温传热→两流体流向不同，对温度差影响也不同流向→逆流、并流、错流和折流精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算a.逆流(nìliú)和并流逆流温度差并流温度差变温传热时总传热速率方程逆流温度差推导精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算b.错流和折流错流和折流→采用(cǎiyòng)Underwood和Bowman的图算法错流折流四管程双壳程换热器平均温度差校正系数精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算c.流向(liúxiànɡ)选择⑴逆流→；加热剂或冷却剂用量↓。⑵采用折流等，除满足换热器结构要求外，K↑。注意→当间壁一侧流体有相变时，只要流体进出口温度各自相同，平均温度差亦相同。（P243，例4-10）精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算4.传热(chuánrè)单元数法（NumberofTransferUnits→NTU）传热单元数法→全称传热效率－传热单元数法（ε-NTU），广泛应用于操作型传热问题，如确定流体出口温度。①传热效率精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算②传热(chuánrè)单元数传热单元长度传热单元数意义精品资料传热(chuánrè)－传热(chuánrè)计算③传热(chuánrè)效率与传热(chuánrè)单元