化工基础第三章传热

化工基础第三章传热2023/5/25第一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五主要内容第一节:概述第二节:热传导第三节:对流传热第四节:热交换的计算第五节:热交换器第六节:传热过程的强化2023/5/25第二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五前言凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递传热在化工生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发、干燥等过程2、反应器内需要供给或移走反应热，使反应在一定温度下进行3、化工设备和管道的保温，生产中热能的合理利用，废热回收(能量传递过程)间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率≠常数稳态传热：传热速率=常数2023/5/25第三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

热量传递1-1稳态与非稳态传热1-2传热基本方式1-3热平衡方程与热流量方程第一节

概述2023/5/25第四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1-1稳态与非稳态传热稳态传热：传热进行时，物质各点温度不随时间而变仅随位置变化的传热过程。非稳定传热：传热进行时，物质各点温度不仅随位置而变、且随时间而变化的传热过程。1-2传热的基本方式

热传导热对流热辐射传热速率=常数2023/5/25第五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1.热传导气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动实现液体机理复杂，介于气体和固体之间特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。1-2传热的基本方式2023/5/25第六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.热对流

流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流。对流只能发生在流体中。强制对流

自然对流

流体受外力作用而引起的流动由于流体内温度差导致密度差异而引起的流动特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动对流传热的同时，伴随着流体质点间的热传导一般讨论对流传热多指热由流体传到固体的壁面（或反之）的传热过程1-2传热的基本方式2023/5/25第七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3.热辐射

特点：不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换；热辐射不需要媒介;高温物体的主要传热形式热能辐射能热能λ=0.4~40μm物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程黑体斯蒂芬-波尔茨曼定律T>673K1-2传热的基本方式辐射常数辐射能力2023/5/25第八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五传热过程将热量由壁面一侧的流体通过壁面传递到壁面另一侧的过程1-3热平衡方程与热流量方程1.传热平衡方程以某换热器为衡算对象，列出稳态传热时的热量衡算方程冷流体T`1T`2热流体T1T2在换热过程中，忽略热损失（传热量）换热器的传热量（热负荷）2023/5/25第九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(1)无相变时的传热量计算Φ=qm,hCp,h(T1–T2)=qm,cCp,c(T2′–T1′)

饱和蒸汽冷凝液体沸腾汽化

φ=qm·r

其中r—气化潜热（或冷凝潜热）KJ/kg(2)有相变时的传热量计算qm,hr=qm,cCp,c(T2′–T1′)

qm,hCp,h(T1–T2)=qm,cr饱和蒸汽冷凝液体沸腾汽化1-3热平衡方程与热流量方程2023/5/25第十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五传热速率Φ（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热流量与热通量的关系为2.热流量方程稳态传热

Φ=KAΔTmK:总传热系数，W/(m2·K)A:总传热面积，m2

ΔTm:两流体的平均温差，K热流量方程总传热速率方程1-3热平衡方程与热流量方程2023/5/25第十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

热量传递2-1傅里叶定律2-2导热系数2-3平壁的稳态热传导2-4圆筒壁的稳态热传导第二节

热传导2023/5/25第十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2-1傅里叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布1.温度场和等温面不稳定温度场：稳定温度场：等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面1）不同温度的等温面不相交2）在等温面内没有热量的传递t1t2t1>t2等温面Q2023/5/25第十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

2.温度梯度：温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率对于一维稳态的温度场，温度梯度可表示为：温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向3.傅立叶定律

傅立叶定律

λ——比例系数，称为导热系数；w/m·k负号表示热流方向与温度梯度方向相反2-1傅里叶定律2023/5/25第十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1.导热系数的定义

在数值上等于单位温度梯度下的热通量w/m·k=f(结构,组成,密度,温度,压力）金属固体

>非金属固体

>液体

>气体

表征材料导热性能的物性参数2-2导热系数2.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：金属材料a<0非金属材料a>0

2023/5/25第十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3.液体导热系数金属液体较高，非金属液体低(水的最大)；水和甘油：t

，其它液体：t

，0.09～0.6W/(m·K)4.气体导热系数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0.006～0.4W/(m·K)2-2导热系数2023/5/25第十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1、单层平壁的稳定热传导K/W2-3平壁的稳态热传导2023/5/25第十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五例某平壁厚度δ=0.37m，内表面温度t1=1650℃，外表面温度t2=300℃，平壁材料导热系数λ=0.815+0.00076t，W/（m·℃）试求平壁的面积热流量q。

平壁材料的平均导热系数：

面积热流量为：解：

W/（m2·℃

）W/m2

2023/5/25第十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.多层平壁的稳态热传导

2-3平壁的稳态热传导2023/5/25第十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五例有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知耐火砖δ1=150mmλ1=1.06W/m·℃保温砖δ2=310mmλ2=0.15W/m·℃建筑砖δ3=240mmλ3=0.69W/m·℃今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946℃。试求：(a)单位面积的热流量；(b)保温砖与建筑砖之间界面的温度；解(a)q

(b)保温砖与建筑砖的界面温度t3

q1=q2=q3=q

2023/5/25第二十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1、单层圆筒壁的热传导通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：

2-4圆筒壁的稳态热传导2023/5/25第二十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式

当r2/r1≤2时可用算术平均值代替对数平均值

2-4圆筒壁的稳态热传导2023/5/25第二十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2、多层圆筒壁的热传导

平壁：各处的Ø和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Ø相等，但q却不等。2-4圆筒壁的稳态热传导2023/5/25第二十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

热量传递3-1对流传热过程分析3-2牛顿冷却定律3-3传热膜系数3-4对流传热小结第三节

对流传热2023/5/25第二十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五湍流主体温度梯度小，热对流为主层流内层温度梯度大，热传导为主过渡区域热传导、热对流均起作用热对流与流体的流动情况、流体性质、壁面几何特征及流体对壁面的流动方向等因素有关。对流传热的面积热流量与流体与壁面间的温度差成正比3-1对流传热的分析

2023/5/25第二十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

──对流传热系数(传热膜系数,给热系数），W/(m2·K)流体被加热：流体被冷却：牛顿冷却定律表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快对流传热的面积热流量与流体与壁面间的温度差成正比3-2牛顿冷却定律2023/5/25第二十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五t──总有效膜厚度；e──湍流区虚拟膜厚度；

──层流底层膜厚度。1.有效膜TTWttWt传热有效膜对流传热热阻3-3传热膜系数将复杂的对流传热简化为传导传热2023/5/25第二十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2)

流体的物性1)流体的种类液体、气体的α各不相同。α液体>α气体①导热系数②粘度③比热和密度④体积膨胀系数

（1）传热膜系数的影响因素2.用量纲分析法求无相变时流体的传热膜系数3-3传热膜系数2023/5/25第二十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3)流体流动状态

湍流的对流传热系数远比层流时的大5)传热面的形状、大小和位置

湍>层4）对流的种类强制对流：自然对流：由于外力的作用

由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移强>自3-3传热膜系数2023/5/25第二十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：

＝f(u，l，，，

，cp，gt)＝kualbcd

ecpf(gt)h长度L，时间T，质量M，温度（2）量纲分析3-3传热膜系数2023/5/25第三十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3-3传热膜系数2023/5/25第三十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示对流传热系数的准数雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数2023/5/25第三十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)简化：强制对流Nu=f(Re,Pr)；自然对流Nu=f(Pr,Gr)3.流体无相变时强制对流传热膜系数关联式流体在圆形直管内作强制湍流低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体

流体被加热时：n=0.4流体被冷却时：n=0.3应用范围：Re>104,Pr=0.7~160,L/d>503-3传热膜系数2023/5/25第三十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五加热与冷却的差别：液体气体加热时：n=0.4冷却时：n=0.3加热时：n=0.4冷却时：n=0.33-3传热膜系数2023/5/25第三十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五公式修正：冷却：（1）高粘度流体（>2水）工程处理：加热：Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>50液体气体3-3传热膜系数2023/5/25第三十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五（2）流体在圆形直管内呈过渡流对于Re=2000~10000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f（3）当L/d<30～40，乘校正系数<11.02~1.073-3传热膜系数2023/5/25第三十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

(4)圆形弯管乘校正系数(5)非圆形管强制湍流1）当量直径法2）直接实验法套管环隙:水-空气系统

12000<Re<220000；d2/d1=1.65~173-3传热膜系数2023/5/25第三十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(1)蒸汽冷凝时的对流传热膜系数1)冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝4.流体有相变时的强制对流传热膜系数的关联式滴>膜

3-3传热膜系数2023/5/25第三十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2).冷凝过程的热阻：液膜的厚度3).蒸汽冷凝的①水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子数；

r——汽化潜热（ts下），kJ/kg;

TS

——饱和温度；Tw——壁温定性温度：膜温：

3-3传热膜系数2023/5/25第三十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五湍流②竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re<1800适用条件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温

3-3传热膜系数2023/5/25第四十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(2)液体沸腾时的对流传热膜系数沸腾种类1）大容积沸腾

2）管内沸腾3-3传热膜系数

沸腾曲线水沸腾曲线CABDEAB段：自然对流区Δt<5℃BC段：5℃

<Δt<25℃核状沸腾区CD段：Δt>25℃不稳定膜状沸腾区DE段：Δt>250℃稳定膜状沸腾区2023/5/25第四十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3-4对流传热小结①注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸②关联式中各物理量采用统一单位制③学会分析各关联式中各物理量对α值的影响，从而分析强化对流传热的措施④了解各个情况下α值数量级的概念，有助于判断和分析计算结果的正确性强制对流

自然对流

无相变对流

有相变对流

2023/5/25第四十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五空气中水中总之：油类中3-4对流传热小结2023/5/25第四十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五例有一列管式换热器，由38根φ25mm×2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20℃被加热至80℃，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。解：tm=(80℃+20℃)/2=50℃密度ρ=860kg/m3；比热容cp=1.80kJ/（kg·K）；粘度μ=0.45mPa·s；导热系数λ=0.14W/（m·K）苯在平均温度下的物性可由附录查得：2023/5/25第四十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五加热管内苯的流速为：

m/s

W/（m2·K）若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为α′W/（m2·K）2023/5/25第四十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

热量传递4-1总传热系数4-2传热的平均温度差4-3热交换计算示例第四节

热交换的计算2023/5/25第四十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五4-1总传热系数间壁壁面对冷流体的对流热流量热流体对壁面的对流热流量间壁内传导的热流量2023/5/25第四十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五式中K——总传热系数，W/(m2·K)对于稳定传热

4-1总传热系数Φ=KAΔTm2023/5/25第四十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五当传热面为平面时，A=A1=A2=Am多层复合平壁2.圆筒壁的总传热系数当传热面为圆筒壁时，A1≠A2≠Am1.平面壁的总传热系数4-1总传热系数2023/5/25第四十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五——基于外壁面积的总传热系数计算公式以外壁面为基准传热面积4-1总传热系数2023/5/25第五十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

Am、dm——换热管的对数平均面积，对数平均直径污垢热阻传热系数用热阻表达当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，4-1总传热系数2023/5/25第五十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

例热空气在冷却管管外流过，α2=90W/（m2·℃），冷却水在管内流过，α1=1000W/（m2·℃）。冷却管外径do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁的λ=40W/（m·℃）。试求：①总传热系数Ko；②管外对流传热系数α2增加一倍，总传热系数有何变化？③管内对流传热系数α1增加一倍，总传热系数有何变化？

解：=80.8W/（m2·℃

）=81.1W/（m2·℃

）2023/5/25第五十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

②α2增加一倍

传热系数增加了82.4%③α1增加一倍传热系数只增加了5.6%说明要提高K值，应提高较小的α2值。2023/5/25第五十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五恒温差传热：变温差传热：

传热-----T恒定不变-----T处处不等Tm与流体流向有关逆流并流错流折流

Φ=KAΔTm4-2传热的平均温度差

2023/5/25第五十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1、逆流和并流时的传热温差

假定：（1）换热器在稳定情况下操作；（2）流体的比热容均为常量，且传热系数k沿换热面而不变；（3）换热器无热损失以逆流为例，推导平均温差A

T`2TT`1T2T14-2传热的平均温度差

T`1T`2T1T22023/5/25第五十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五dØ=qm,hCp,hdT=qm,cCp,cdT′

冷、热流体热交换的热量衡算式：4-2传热的平均温度差

T1,T2T1T2,2023/5/25第五十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五当△T2/△T1≤2时，较大温差记为T2，较小温差记为T1当T1＝T24-2传热的平均温度差

2023/5/25第五十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五并流

T2T`1T`2T1AT1T22.错流、折流时的传热温差

根据R、P查图4-2传热的平均温度差

2023/5/25第五十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2023/5/25第五十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100℃冷却至40℃，冷却水进口温度15℃，出口温度30℃，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。解：

逆流时：热流体：冷流体：70252023/5/25第六十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五并流时：热流体：冷流体：8510可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。2023/5/25第六十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将冷却水的出口温度提高到35℃，平均温差又为多少?

解：逆流时

2023/5/25第六十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2023/5/25第六十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五又冷却水终温提到350C，逆流时：

查图得：2023/5/25第六十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五4-3热交换计算示例[例3-3]

在某钢制列管式换热器中，用流量30m3.h-1,温度为20℃的冷水，将某石油馏分由90℃冷却到40℃，已知该馏份的流量为9075kg.h-1，平均比定压热容3.35kJ.kg-1.k-1，水在列管换热器的管间与油逆流流动，由模拟实验测得α水=1000w.m-2.k-1，α油=1000w.m-2.k-1钢管的壁厚2.5mm,，其导热系数λ=49w.m-1.k-1，试求所需的换热面积为多少？解：（1）换热量计算=1.52×106kJ.h-12023/5/25第六十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五（2）冷却水出口温度(3)平均温差逆流时：热流体：冷流体：57.920=35.7℃(4)总传热系数(5)总传热面积℃2023/5/25第六十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

热量传递一、热交换器的分类二、间壁式换热器第六节

热交换器2023/5/25第六十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五一、换热器的分类管式换热器、板式换热器、特殊形式换热器换热器：热量从一种流体传向另一种流体的设备换热器按用途分类加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等换热器按传热面形状和结构分类换热器按作用原理分类直接接触式、蓄热式、间壁式、中间载热体式2023/5/25第六十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2023/5/25第六十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2023/5/25第七十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五二、间壁式换热器1.夹套换热器优点：结构简单缺点：

A小釜内小强化措施：釜内加搅拌釜内加蛇管外循环2023/5/25第七十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.蛇管换热器（1）沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高K优点：结构简单管内能耐高压缺点：管外小2023/5/25第七十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五（2）喷淋式优点：结构简单管内能耐高压管外比沉浸式大缺点：喷淋不易均匀占地面积大2023/5/25第七十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3.套管换热器优点：结构简单能耐高压

(K)或tm大缺点：结构不紧凑A/V小接头多，易漏2023/5/25第七十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五4.列管换热器固定管板式U型管式浮头式2023/5/25第七十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三章

传量传递换热器中传热过程的强化第六节

传热过程的强化2023/5/25第七十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五传热过程的强化途径2.增大平均温度差Tm加热剂T1或冷却剂T`1两侧变温，尽量采用逆流强化传热，可A

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