第三章传热学习要点

《化工原理》1第三章传热HeatTransfer教学内容3.1概述(General)3.2热传导(HeatConduction)3.3对流传热及对流传热系数(HeatflowinFluidsandheattransfercoefficient

)3.4传热过程计算(Calculationofheattransition

)3.5辐射传热(Heatradiation)3.6常用换热器(Heatexchanger)教学要求（1）掌握热传导、热对流、热辐射的基本原理及计算方法（2）重点掌握对流传热过程的基本原理及对流传热过程的计算方法（3）掌握对流传热系数的计算公式及影响对流传热过程的主要因素（4）重点掌握使用数学软件求解传热计算中复杂数学模型的方法（5）了解常用换热器种类、结构特点、设计选型方法。3.1.1传热在化工生产中的应用3、传热的基本形式

(Threekindsofheattransfer)（1）热传导(Heatconduction)：由于物体内部微观粒子热运动而引起的热量传递现象（2）热对流(Heatconvection)：由于不同温度流体之间发生相对位移而引起的热量传递现象Accordingtotheheattransfermechanism

自然对流(Naturalconvection)：温度不同而引起密度差异强制对流(Forcedconvection)：外力引起流体的强制运动3.1.1传热在化工生产中的应用3、传热的基本形式

(Threekindsofheattransfer)对流传热（Convectionheattransfer

）：流体流过温度不同的固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程（3）热辐射(Heatradiation)

：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递Accordingtotheheattransfermechanism

3.1.4基本概念2.定态传热与非定态传热（1）定态传热传热过程在定态温度场中进行（2）非定态传热传热过程在非定态温度场中进行3.1.4基本概念3.传热速率和热通量（1）传热速率（热流量）Q（Rateofheattransfer

）单位时间内通过传热面的热量，W(J/s)（2）热通量（传热强度）q（Heatflux

）单位传热面积的传热速率，W/m23.2.3热导率(Thermalconductivity)（1）物理意义：在数值上等于单位温度梯度下的热通量热导率（导热系数）（2）表征物质导热能力的大小，是物质的基本物理性质之一，与物质的组成、结构、密度、温度、压强等有关（3）一般：λ金属＞λ非金属固体

＞

λ液体

＞λ气体

3.2.4平壁热传导

(Heatconductionthroughslabs)1、单层平壁热传导(Through

oneflatslab)（4）削弱传热措施

①选择λ较小的材料

②增加固体壁厚

③减少传热面积

④降低温差3.2.4平壁热传导

(Heatconductionthroughslabs)2、多层平壁热传导(Throughmulti-planeslabs)（1）总热阻为各层热阻之和，总温差为各层温差之和（2）各层温度分布均为直线（3）传热速率一定：Ri大的壁层，Δti大（4）各层传热速率相等，传热面积相等，热通量相等3.2.5圆筒壁热传导

(Heatconductionthroughthecylinderwalls)

1、单层圆筒壁热传导

(Throughacylinderwall)(1)温度分布为曲线；(2)Q的影响因素；(3)热导率取平均温度下的数值。3.2.5圆筒壁热传导

(Heatconductionthroughthecylinderwalls)

2、多层圆筒壁热传导

(Through

multi-layersofcylinderwalls)（1）总热阻为各层热阻之和，总温差为各层温差之和（2）各层温度分布均为曲线（3）传热速率一定：Ri大的壁层，Δti大（4）各层传热速率相等，传热面积不相等，热通量不相等3.3.1对流传热机理

（Theprinciplesof

convectionheattransfer

）2、对流传热机理(Theprinciples)层流内层：热传导，导热热阻很大，温度梯度较大缓冲层：热对流和热传导的作用大致相同，温度发生较缓慢的变化湍流主体区：流体质点剧烈混合并充满漩涡，温度梯度极小，各处的温度基本相同对流传热是集热对流和热传导一体的综合现象，对流传热的热阻主要集中在层流内层3.3.2对流传热速率方程

（Rateequationofconvectionheattransfer

)2、对流传热系数（Heattransfercoefficient）对流传热系数在数值上等于单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快α自<α强

α气<α液

α无相变<α有相变(1)流体导热系数：λ↗→

α↗(2)流体黏度：μ↗→

α↘(3)流体比热容和密度：ρCp

↗→

α↗(4)管径：d↗→

α↘(5)流体流速：u↗→

α↗对于特定的传热体系，操作过程中，改变u是提高流体对流传热系数最有效的措施。3.3.4无相变时对流传热系数的经验关联式根据计算公式分析影响因素3.3.4无相变时对流传热系数的经验关联式4、流体在换热器管间流动壳程加折流挡板目的：流体的流速和流向均不断的变化，使对流传热系数加大，但是流动阻力增加3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式1.蒸气冷凝：饱和蒸气冷凝是提供热量的一种常见方式，主要优点：相变热量大，传热速率快，恒温放热。膜状冷凝（可润湿）——若冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜（1）蒸气冷凝方式滴状冷凝（不润湿）——由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下*蒸气与低温壁面直接接触，因此滴状冷凝传热效果好于膜状冷凝。*工业上在壁面涂上润滑剂，容易形成滴状冷凝，但滴状冷凝很难持久。3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式（3）影响冷凝传热的因素1.蒸气冷凝①冷凝液膜两侧的温度差△t↗→Q↗→膜厚↗→

α↘②流体物性γ↗→α↗，λ↗→α↗

ρ↗→α↗，μ↘→α↗

③蒸气的流速和流向蒸气与液膜同向，膜厚减薄，α↗

④蒸气中不凝气体含量的影响α↘⑤冷凝壁面的影响3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式（4）强化蒸气冷凝过程的措施1.蒸气冷凝①在垂直壁面上开纵向沟槽②在壁面上安装金属丝或翅片③水平布置的管束，应尽量减少垂直方向上管排数目，或将管束错列安排饱和沸腾：液体主体温度略高于饱和温度，过热是产生气泡的必要条件。传热现象：在加热面汽化核心处产生气泡。气泡大到一定程度，由于浮力而脱离加热面迅速上升，且上升过程中随压力降低，气泡体积增大，对液体有强烈的搅拌作用。2.液体沸腾（1）大容积沸腾现象3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式液体温度略高于饱和温度，因此气泡穿过液体主体在液体上方逸出。气泡脱离加热面后，周围的液体会及时补充空位汽化核心：加热表面产生气泡的点（粗糙、不光滑）过冷沸腾：液体主体温度低于饱和温度传热现象：在加热面汽化核心处上产生气泡。气泡脱离加热面前或后，由于液体主体温度低于饱和温度，因此很快凝结，并将热量传递给液体主体。（汽化←→冷凝）液体不断升温至液体的沸腾温度（略高于饱和温度）液体上方少量汽化3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式2.液体沸腾（1）大容积沸腾现象3.3.5有相变时对流传热系数的经验关联式2.液体沸腾（3）影响沸腾传热的因素①液体的性质λ↗ρ↗

σ↘μ↘→

α↗②温差控制在核状沸腾区:△t↗

→

α↗③操作压强p↗

→

ts

↗

→

μ↘σ↘

→

α↗④加热壁面壁面粗糙，有更多的汽化核心→

α↗3.4.2总传热速率及总传热系数

(Totalheattransferrateandcoefficient

)2、总传热系数K（2）K的计算式基于管外表面积基于管内表面积基于管平均面积3.4.2总传热速率及总传热系数

(Totalheattransferrateandcoefficient

)（3）讨论

1/K为总热阻，各个热阻之和K的来源：实验测定；计算αi

,αo后计算；查设计手册K为总传热系数，其数值越大，传热速率越快K的大致范围：Page135，表3-73.4.2总传热速率及总传热系数

(Totalheattransferrateandcoefficient

)2、总传热系数K（3）K的影响因素②在这些热阻中，如果某项的值远大于其他项，则总传热系数也接近于与该热阻对应的传热系数，称该项热阻为——控制热阻

③提高总传热系数的措施a、如果物料易使换热表面结垢，则应设法减缓成垢并及时清洗换热表面b、提高流体流速或湍动程度

c、选择导热系数大的管壁材料

3.4.3对数平均温度差

(Logmeantemperaturedifference)讨论②习惯上，△t数值大者为△t2，数值小者为△t1③当△t1=△t2时，△tm

=△t1=△t2

①上式并流、逆流均适用

3.4.3对数平均温度差

(Logmeantemperaturedifference)讨论⑤△tm单位：K、℃⑥一侧有相变，△t逆=△t并④各种流型中，逆流△tm最大，并流△tm最小3.4.3对数平均温度差

(Logmeantemperaturedifference)（1）在传热系数一定的情况下，采用逆流可以较小的传热面积完成相同的换热任务，或在传热面积一定情况下传递更多的热量

3、各种流型的讨论冷、热流体进出口温度相同时，

Δtm逆>Δtm折>Δtm并

Q和K一定时，A逆<A并

A和K一定时，Q逆>Q并3.4.3对数平均温度差

(Logmeantemperaturedifference)3、各种流型的讨论（2）从另一角度考虑，逆流可节省加热剂或冷却剂的用量或多回收热量

逆流操作温差均匀，可以有：T2≤t2

并流时温差变化较大，必须是T2>t2

（3）并流时冷、热流体出口温度都受到对应流体出口温度的限制

，适合于热敏性物料的加热或冷却（4）折流时总传热系数较高，可提高传热速率或减少传热面积，代价是Δtm降低，且流动阻力增加3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)

Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KA△tm*在换热器中三个传热速率意义不同，数值相同，相当于有两个等式关系*公式中的K应与A相对应，一般定义为基于管外表面积总传热系数，相应使用管外表面积计算。3.4.8设备壁温的估算（Temperatureatthewall）TW值应接近于α值较大的那侧流体的温度K值应接近于α值较小的那侧流体的α值假设金属壁导热系数很大，Tw≈tw，忽略污垢热阻Ai≈Ao3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)无相变：Q=qmh·Cph(T1-T2)=qmc·Cpc(t2-t1)

=KA△tm1、设计型计算（设计换热器）已知：生产任务(工艺流体流量qmh、进出口温度T1、T2)设计：①选择换热介质及其进出口温度(t1、t2)②计算换热速率、换热介质流量(Q、qmc)③确定流体流向，计算对数平均温度差(Δtm)④计算对流传热系数和总传热系数(αiαoK)⑤计算换热面积(A)⑥选择换热器的形式和型号3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)某厂要求将流量为4500kg/h的苯由80℃冷却至30℃，冷却水走管外与苯逆流换热，进口水温20℃，出口不超过50℃。已知苯侧和水侧的对流传热系数分别为850w/m2℃和1700w/m2℃，污垢热阻和管壁热阻可忽略，试求(1)冷却水的用量,kg/h；(2)换热器的传热面积(3)换热器为套管式换热器规格为Φ25×2mm

，求其管长。已知苯的平均比热容为1.9kJ/kg℃，水的平均比热容为4.18kJ/kg℃。设计型计算示例，补充题13.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)*热量衡算及传热速率：Qh=Qc=Q=KAΔtm

Qh=qmh·Cph(T1-T2)

=4500/3600×1.9×103×(80-30)=1.19×105W(1)冷却水用量

Qh=Qc=qmcCpc(t2-t1)

qmc=1.19×105/[4.18×103×(50-20)]=0.95kg/s=3416kg/h*总传热系数：K=565W/m2.K(2)总传热面积：Ao=Q/KΔtm=11.6m2(3)管长：L=Ao/πdo=147.8m3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)2、操作型计算（对已有换热器进行校核，A一定）1.换热器已有，计算操作参数（计算两流体出口温度或某一流体的流量和出口温度）；2.已知老工况的操作参数，改变工艺流体流量等，计算新工况下操作参数。I计算两流体出口温度；II计算换热介质流量及出口温度(qmc、t2)采用比例法3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)在逆流操作的单程列管换热器中，热空气在壳程流动，将水从25℃加热到85℃，其温度由200℃降低到93℃。αi为2000W/(m2·℃)，αo为50W/(m2·℃)。流量调节范围内，αi变化不大，αo与空气流速的0.8方成比例。由于生产任务的变化，水流量需增加50%，两流体进口温度不变，新工况下的操作结果如何。(1)热空气流量不变，计算两流体的出口温度；(2)水的进、出口温度不变，计算新工况下热空气流量及出口温度。(3)对比讨论两种操作方式。操作型2计算示例，补充题23.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)(1)新工况I：原工况：Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAΔtm(2)200938525Q’=qmhCph(T1-T2’)=1.5qmcCpc(t2’-t1)=KAΔtm’比例法结论：水流量增加50%，若不调整空气流量，则空气出口温度降低至87.94℃，水的温度降低至66.89℃。Q’/Q=1.0473.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)(1)原工况：qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAΔtm(2)20093’8525K=48.78W/(m2.K)新工况II：qmh’Cph(T1-T2’)=1.5qmcCpc(t2-t1)=K’AΔtm’b=qmh’/qmh(3)Δtm=89.45℃3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)结论：水流量增加50%，若要保证水出口温度不变，则传热速率增加50%，相应空气流量应增加60%。3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)3.4.4传热过程的计算

(Calculationofheattransfer

)新工况操作条件K’△tm’

℃Q’热气流量不变K、A不变，两流体出口温度均下降K1.047△tm93.681.05Q水的进出口温度不变A不变，热流体流量增加、热流体出口温度提高、K发生变化1.44K1.046△tm93.581.5Q3.5辐射传热（Heatradiation）3.5.1概述（General）辐射：物体以电磁波的形式传递能量的过程辐射能：辐射过程中传递的能量热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射辐射传热：不同物体间相互吸收和辐射能量的综合过程

(1)自然界中任何物质在任何温度下都会向外界热辐射

(2)辐射传热的结果：高温物体向低温物体传递能量

(3)辐射传热的特点：无需任何传递介质，可在真空中传递

(4)热辐射与光辐射本质相同，服从反射定律与折射定律3.5.1概述（General）根据能量守恒定律，投射在某物体上的总辐射能为：

Emissivepower:Q=QA+QR+QD

吸收率

(Absorptivity

)反射率

(Reflectivity

)透过率

(Transmissivity

)A+R+D=1名称ARD辐射到物体的能量绝对黑体(黑体，Blackbody

)100全部被吸收绝对白体(镜体，Whitebody)010全部被反射