第二章 传热 材料

学习回顾:

流体基本性质(密度,黏度)(黏度是产生阻力的根源)------->管路阻力(集中到摩擦系数上)------>流体的输送.1第二章传热2.1概述2.2传热机理2.3热量衡算和传热速率分析2.4对流给热2.5热辐射传热2.6传热过程计算2.7换热器22.1概述传热在化工生产中的应用

1.传热的三类应用实例（1）强化传热过程：流体的升温或冷却，产品的分离(蒸发，蒸馏和干燥等)。（2）削弱传热过程：管道，设备的保温或保冷。（3）热能回收利用：废热回收2.伴随传热的流体作用过程：(1)化学过程：吸放热反应；(2)物理过程：耗能，干燥，蒸发等3.传热在化工生产中的重要性：石化产业：传热设备重量占总设备规模的30-40%；传热设备投资占总设备投资的10-20%31、直接接触式换热和混合式换热器2.1.1

热量传递方式42、间壁式换热和间壁式换热器53、蓄热式换热器和蓄热器6热载体：输出或得到热量的流体。传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。热流密度q（热通量）

：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s.m2)或W/m2。2.1.2

传热的基本概念72.1.3传热应解决的问题1.如何设计并选择合适的换热器;2.使用一段时间后,换热效果能否达到设计要求;3.冷却水流量和液体对换热效果有何影响;4.季节变化对换热效果如何影响.82.2

传热机理与传热的基本方式传热的基本方式（1）传导（导热）：物体内部分子通过碰撞或振动将热量以分子动能形式传递给相邻分子，但分子本身不产生宏观位移的一种传热方式。①固体的传热②穿过流体层流内层的传热（热边界层）现象①气体，流体：分子布朗运动时碰撞传热②导电固体：自由电子在晶格中运动传热③非导电固体（流体）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振动传热机理9（2）对流：流体中质点（微团）产生相对位移引起的热传递。①对流传热只发生在流体中②对流传热的强弱与流体流动状况密切相关特点①自然对流：流体中各点温度不同引起流体密度差异，使轻者上浮，重者下沉。②强制对流：流体因机械搅拌等外加功加入引起的对流对流传热的形式注意点①自然对流与强制对流常在流体中同时发生②化工生产中，强制对流的应用比自然对流更普遍和重要关于对流传热的计算：——牛顿冷却定律：

Q=α·A（T高-t低）

α——对流传热膜系数（w/oC•m2）10(3)辐射：热能转变为电磁波在空间的传递①热辐射不需任何介质②热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移③理论上，只要物体温度T>0K，均可产生辐射实际上，只有当物体之间温差较大时，辐射传热现象才较突出，一般来说，当物体的温度超过500K时，辐射热能才予以考虑。特点11式中：K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K);Q──传热速率，W或J/s;A──总传热面积，m2；

tm──两流体的平均温差，℃或K。2.3.1传热速率方程2.3热量衡算和传热速率方程P60122.3.2热量衡算无热损失：冷流体qm2,t2,cP2,h1热流体qm1,T1,cP1,H1T2

H2t2h213（1）无相变时的热量衡算式中：Q──热冷流体放出或吸收的热量，J/s；

qm1，qm2──热冷流体的质量流量，kg/s；

cP1，cP2──热冷流体的比热容，J/(s·℃)

h1，h2──冷流体的进出口焓，J/kg；

H1，H2──热流体的进出口焓，J/kg。P158-17714（2）有相变时的热量衡算式中：r──热流体的汽化潜热，kJ/kg；

Ts──热流体的饱和温度，℃。P158-17715以逆流为例推导tm假设：a）定态传热、定态流动，qm1、qm2一定b）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的c）K沿管长不变化d）热损失忽略不计结论：如何推导？2.3.3传热基本方程16

现取一微元，其传热面积dA，热流体温度下降dT，冷流体温度上升dt，传热量dQ。则由方程可得Q与T呈直线Q与t呈直线Q与T-t呈直线dQtQT1t2△t1T2t1△t2dTdt△t=T-t17182.3.4

热传导过程式中q──热流密度，W/m2；

t/n──温度梯度，℃/m或K/m；

──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。

负号表示传热方向与温度梯度方向相反热传导遵循傅立叶定律,即19固体导热系数金属材料10～102W/(m•K)

建筑材料10-1～10W/(m•K)

绝热材料10-2～10-1W/(m•K)在一定温度范围内：对大多数金属材料a<0，t

对大多数非金属材料a>0

，

t

20液体热导率金属液体较高，非金属液体低；非金属液体水的最大；水和甘油：t

，其它液体：t

，0.09～0.6W/(m·K)式中：Xwi—i组分质量分率

0.9—有机液体的水溶液混合物

1.0—纯有机流体混合物混合流体导热系数可按下式计算：21气体热导率

t

，一般情况下，随p的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。温度越高，压强越大，气体导热系数越大分子动能增大密度增大，分子碰撞频率增加混合气体导热系数计算：yi—气体组分摩尔（体积）分率Mi—i组分气体分子量各种情况及各种物质的导热系数均可查阅手册而得22t1t2btxdxQ

平壁的稳态热传导1单层平壁热传导假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化；S/b很大，忽略端损失。积分：232多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t324通过圆筒壁的定态热传导

假定：(1)定态温度场；(2)一维温度场。取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：25定态温度场傅立叶定律26积分边界条件所以27讨论：1．28对数平均面积推动力阻力平壁的定态热传导29以3层为例

30例题2-1和2-2见教材64页312.4

对流传热基本概念流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程(如间壁式换热器)中占有重要的地位。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾32对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。

对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力

=系数×推动力流体被加热时:流体被加热时:332.4.1流给热系数的影响因素①引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强>自

②流体的物性

，，，cp

1.影响因素34⑤是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾相变>无相变④传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。③流动形态层流、湍流湍>层

352.因次分析

式中l——特性尺寸；u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。＝f(u，l，，，cp，，gt)36

Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响37适用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>602.4.2无相变对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流38流体被加热时，b＝0.4；被冷却时，b＝0.3。定性温度取tm＝(t2＋t1)/2注意事项：

特征尺寸为管内径di39(1)高粘度流体

适用范围:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性温度取tm；特征尺寸为di液体被加热1.05液体被冷却0.95气体冷却或加热140(2)短管l/d<60(3)过渡流（2000<Re<10000)(4)弯曲管41u,u0.8

d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体强化措施：422.4.3

有相变时的对流给热1)沸腾给热2)蒸气冷凝给热43有相变对流传热的特点:①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为液体沸腾与蒸汽冷凝两种情况。1)沸腾给热44

1)沸腾给热

大容积饱和沸腾

大容积沸腾：是指加热面被浸在无强制对流的液体中所发生的沸腾现象。此时，从加热面产生的气泡长大到一定尺寸后，脱离表面，自由上浮。因此，大溶积沸腾时液体的运动是由温差引起的自然对流和气泡运动产生的扰动所引起的。

管内沸腾：是指液体以一定的速度通过加热管时，在管内表面上发生的沸腾，又称为强制对流沸腾。此时管壁上所产生的气泡不能自由上浮，而是被迫与液体一起流动，从而造成复杂的两相流动，因此管内沸腾的机理要比大容积沸腾更为复杂。45

粗糙表面的汽化核心固体加热表面可提供最大过热度，是产生气泡最有利的场所。尽管如此，也不是加热表面上的任何一点都能产生气泡。实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹缝上产生，这些点称为汽化核心。当气泡形成后，由于壁温较高，加上周围过热液体温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入，使气泡周围液体继续汽化，气泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。气泡脱离之后，周围的液体便会涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。 在无相变化的对流给热中，热阻主要集中在紧贴传热面的层流底层内。沸腾给热也是如此。但在沸腾给热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，46以常压下饱和水在铂电丝表面上的沸腾为例讨论沸腾α与过热度△t=Tw-tS

的关系。图6-19为实验测得的α与△t的关系。

大容积饱和沸腾曲线ABCD表面汽化（自然对流）核状沸腾膜状沸腾不稳定膜状沸腾0.11.0101001000/℃

①

AB段，℃

，（缓慢增加）。此时，小，不足以产生气泡，加热表面与液体间的给热是靠自然对流进行的。此阶段汽化现象只是在液面上发生，严格说来还不是沸腾，而是表面汽化。47

沸腾给热

②

BC段，℃，（C点=55℃，称为临界温差）。加热面上有气泡产生，（急剧上升）。这是由于气泡的产生和脱离对加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故。此阶段称为核状沸腾。

ABCD表面汽化（自然对流）核状沸腾膜状沸腾不稳定膜状沸腾0.11.0101001000/℃

③临界点C以后的CD段，由于汽化核心的继续增多，以致产生的气泡来不及脱离加热面就相互连接，形成气膜，把加热面与液体隔开，热量必须通过此气膜才能传到液体主体中。因为气体的导热系数比液体小得多，所以使α↓↓（急剧下降）此阶段成为不稳定膜状沸腾。48从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点C称为临界点，此时的过热度称为临界温度差。水在常压下饱沸腾℃，图中所示是水在经过专门处理的铂电热丝表面上测得的，故临界点位置较高沸腾给热ABCD表面汽化（自然对流）核状沸腾膜状沸腾不稳定膜状沸腾0.11.0101001000/℃

④

D点以后，℃，由于加热面具有很高的温度，辐射传热的影响越来越显著，故α再度随△t的增大而增加。其他液体在不同压强下的饱和沸腾曲线与水有类似的形状，仅临界点的数值不同而已。49

结论：由于核状沸腾具有α大、壁温低的优点，因此工业沸腾装置总是设法控制在核状沸腾下操作。为保证沸腾装置在核状沸腾状态下工作，须控制，否则，核状沸腾将转变为膜状沸腾α↓↓，且加热面Tw↑↑，甚至将设备烧毁。（5）沸腾给热计算沸腾给热过程及其复杂，其影响因素大致分为液体和蒸汽性质、加热面的粗糙情况和表面物理性质、操作压强的温差等三个方面。关于沸腾给热至今尚没有可靠的一般的经验关联式，教材上介绍了一种将沸腾给热的实验数据进行关联的函数形式。沸腾给热502)

蒸汽冷凝给热

冷凝给热过程的热阻：饱和蒸汽:气相主体中无温差,也无热阻,主要集中在凝液液膜上.过热蒸汽:导热系数小,热阻集中在壁面附近.51

膜状冷凝和滴状冷凝

饱和蒸汽冷凝给热的热阻主要集中在冷凝液膜，因此，冷凝液的流动状态对给热系数α必有极大的影响。冷凝液在壁面上存在和流动方式有两种类型：膜状和滴状。

膜状冷凝：若冷凝液能够润湿壁面，并形成一层完整的液膜向下流动，这种冷凝称为膜状冷凝，膜状冷凝的热阻大，α小。52

滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂粘污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠，从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。在滴状冷凝时，大部分壁面直接暴露在蒸汽中，因此热阻要小得多。实验结果表明，滴状冷凝的α比膜状冷凝的α大5～10倍。但是，到目前为止，在工业冷凝器中即使采用了促进滴状冷凝的措施，也不能持久。所以工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。如何在工业冷凝器中采取措施能持久促进滴状冷凝有待于我们去努力研究。53

影响冷凝给热的因素及强化措施

（1）不凝性气体的影响

当蒸汽中含有少量空气或其他不凝性气体时，随着蒸汽冷凝过程的继续进行，不凝性气体便在液膜表面积聚成一层气膜。这样蒸汽必须以扩散的方式穿过气膜，到达液膜表面才能冷凝，相当于增加了一项热阻，使α下降。据测定，当蒸汽中含有1％空气时，α值下降60％。结论：冷凝器都设有不凝性气体排放口，操作时要及时排放不凝性气体。

饱和蒸汽ts液膜tw气膜54

（