传热过程课件

传热过程4-1概述1.化工生产中的传热过程物体或系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热。

（1）物料的加热或冷却（2）换热，即热量的回收利用，合理的使用热源。（3）保温，以减少热量损失。应用：传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递传热的三种基本方式：传导、对流和辐射（1）热量：能量的一种形式，单位J。（2）传热速率Φ：热流量，单位时间内通过换热器整个传热面传递的热量，单位W或J/s；（3）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W/m2或J/(s.m2).q与Φ的关系式中：A──总传热面积，m22.传热中的一些基本物理量和单位

（4）比热容：指压力恒定时单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，单位为J·k-1·kg-1。非定态传热

3.定态&非定态传热

定态传热

[steady（unsteady）heattransfer]i.e.1.傅立叶定律4-2传导传热Φ——导热速率，WA——导热面积，m2，λ——导热系数，W/m.Kdt/dx——沿x方向上温度梯度，K/m负号——表示热流方向与温度梯度方向相反1.1基本表达式：t+Δttt-ΔtgradtQΔn温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。*

温度梯度

相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限：〖说明〗稳定一维温度场，温度梯度可表示为：1.2导热系数（1）导热系数定义式：

λ表征物体导热性能大小，λ↗，导热性能↗。(4-3)数值上等于单位温度梯度下的热通量（2）

是分子微观运动的宏观表现。

=f(结构,组成,密度,温度,压力）（3）各种物质导热系数

金属固体

>

非金属固体

>

液体

>

气体

在一定温度范围内：式中:0,──0℃,t℃时导热系数，W/(m·K)；

a──温度系数；对大多数金属材料：a<0，t

对大多数非金属材料：a>0

，

t

1）固体

金属[20～400W/(m·℃)]，：

纯金属>

合金非金属[0.2～3.0W/(m·℃)]：同样温度下，

↗，

↗。(4-3)对大多数固体，λ值与温度大致成线性关系：2）液体——0.1～0.7W/(m·℃)金属液体

较高,非金属液体低,水

最大[0.6W/(m·℃)]。

t

（水、甘油除外）3）气体一般来说，纯液体的大于溶液

t

气体导热系数小，对导热不利，但利于保温、绝热P的影响一般压强范围内，λ随p变化很小，可忽略；过高(>2×105kPa)、过低(<3kPa)时，P↑，λ↑2.平面壁的定态热传导

2.1单层平壁的稳态热传导

如图所示，平壁厚度为b，面积为A☻过程为稳态一维热传导，导热速率Q为常量

假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。t1t2btxdxQxQx+dx积分：定态热传导，Φ为常数傅立叶定律：☻导热速率Φ与传热推动力Δt、传热面积A和导热系数λ成正比，与壁厚成反比。2.2多层平壁的稳态热传导

假设：层与层间接触良好，即相互接触两表面温度相同，且t1>t2>t3>t4各层平壁面积相等，均为A，厚度分别为b1，b2，b3各层导热系数为常数，分别为λ1、λ2、λ3传热为定态一维热传导：Φ1=Φ2=Φ3=Φ以三层平壁为例。t1t2b1txb2b3t2t4t3Qt1t2t3t4b1b2b3由傅立叶定律，得：等比定理：（三）各层的温差思考：厚度相同三层平壁传热，温度分布如图所示,说明各层的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2推广至n层：例4-1、4-2，P107【例4-a1】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数0.043W/(m·℃)，中层为石棉板，厚40mm,导热系数0.10W/(m·℃)，外层为混凝土，厚度200mm,导热系数1.3W/(m·℃)，测得内墙表面-18℃，外墙表面温度24℃，计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。解:已知t1＝24℃,t4=-18℃,λ1=0.043W/(m·℃),λ2=0.10W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互换材料后：t1＝24℃,t4=-18℃,λ1′=0.10W/(m·℃)，λ2′=0.043W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。

Qdrrr1r2t1t2L3.1单层圆筒壁的稳态热传导特点:～温度&传热面积均随半径而变，均非常量。3.圆筒壁的传导传热积分：单层圆筒壁导热速率计算式整理：稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与r无关，但q：q随r变化写成与平壁导热速率方程式类似的形式：3.2多层圆筒壁稳态热传导假设：各层间接触良好各层导热系数λ1、λ2、λ3均为常数一维稳态热传导以三层为例：【例】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。

例4-3，P1091.1冷热流体通过间壁的传热过程（对流传热）t2t1T1T2对流给热导热冷流体Q热流体对流给热对流传热依靠流体质点的移动进行传热；与流动状况有密切相关4-3对流传热1.对流传热机理流体流过固体壁面时，流体粘性作用使靠近固体壁面附近存在一薄层流底层，热量传递主要为热传导。流体导热系数较低，层流底层中导热热阻很大，温差较大，温度梯度较大；湍流主体中，流体质点剧烈混合并充满漩涡，湍流主体中温差及温度梯度极小，各处温度基本相同；湍流主体与层流底层之间过渡层，热传导和热对流均起作用，该层内温度变化缓慢。1.2温度在湍流流体中的分布1.3对流传热的膜理论模型假设湍流主体和过渡区的热阻全部集中到层流底层的热阻中，则靠近壁面处构成一层厚度为δ的有效膜，膜内为层流，膜外为湍流，膜内以导热方式传热。由于影响对流传热的因素很多，δ不易测量，通常用对流传热系数α代替上式中的λ/δ，得：由傅立叶定律：TTWttW

上式称为对流传热速率方程，也称牛顿冷却公式。热流体：冷流体：参数综合法对α影响较大有：导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β具体：

λ↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑

2.1影响对流传热系数因素自然对流：由于流体内部存在温差，各部分流体密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。α自然对流<α强制对流（1）流体的物理性质（2）流体流动的原因2.对流传热膜系数湍流：随Re↗，层流底层厚度↘，阻力↘，α↗。层流：流体无混杂质点运动，α较湍流时小。即：α层流<α湍流

（3）流体的流动状态α有相变>α无相变；因为汽化热r比cp大得多

（4）流体的相态变化情况（5）传热面的形状，相对位置与尺寸形状：管、板、管束等；大小：管径、管长等；位置：管子排列方式（正四方形、三角形排列）；管或板垂直/水平放置。传热面越粗糙，对流传热系数α越大2.2传热过程的特征数流速u，传热特征尺寸l，流体的黏度μ，导热系数λ，密度ρ，比热容Cp，单位质量流体升浮力βgΔt，流体无相变时，影响对流传热系数的因素：

α＝f(u,l,μ,λ.ρ,Cp，βgΔt)即：(4-17)上式为无相变时，对流传热特征数关系式一般形式*因次分析

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)基本因次：长度L，时间T，质量M，温度；变量总数：8由定理：（8-4）=4，可知有4个无因次数群准数式符号名称意义Nu努寒尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度

各准数名称、符号、意义：2.3传热膜系数的特征关联式1.狄丢斯公式2.其它各种情况下的经验公式（4-13~4-17）管内流体被加热时，靠近管壁处层流底层温度高于流体主体温度；流体被冷却时，情况正好相反。对液体，粘度随温度↗而↘，液体被加热时层流底层↘，大多数液体导热系数随温度↗有所↘，但不显著，总结果使对流给热系数↗。液体被加热时对流给热系数必>冷却时对流给热系数。大多数液体Pr>1,即Pr0.4>Pr0.3。液体被加热，n取0.4；冷却，n取0.3。对气体，粘度随温度↗而↗，气体被加热时层流底层↗，气体的导热系数随温度↗也略有↗，总结果使对流给热系数↘。气体被加热时对流给热系数必<冷却时对流传热系数。由于大多数气体Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3，气体被加热，n取0.4；冷却，n取0.3。查得苯的物性数据：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，λ=0.14W/m·℃【例4-a3】列管换热器由254根φ25×2.5mm，长6m的钢管组成，用饱和水蒸汽加热管内流动的苯，苯的流量为50kg/s，进出口温度分别为20℃和80℃，试求管内苯的对流传热系数。若将苯的流量增加50%，而仍维持原来的出口温度，对流传热系数将如何变化。解：定性温度t=(20+80)/2=50℃每根管内流速3.流体有相变时的对流传热膜系数特点：相变流体放出或吸收大量潜热，但流体温度基本不变；壁面附近流体层中温度梯度较高，对流传热系数比无相变时更大；蒸汽冷凝&液体沸腾3.1蒸汽冷凝饱和蒸汽与低于饱和温度的壁面相接触时，放出潜热，冷凝成液体而另一侧流体被加热。优点：(1)饱和蒸汽具有恒定温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝对流传热系数较无相变时大得多。冷凝方式：膜状冷凝和滴状冷凝

滴>膜

强化措施

对纯蒸汽冷凝，恒压下ts为定值，即气相主体内无温差也无热阻，

大小主要取决于液膜厚度及冷凝液物性。在流体一定情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。

减小液膜

最直接方法：从冷凝壁面高度和布置方式入手

垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上液膜

；

壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力作用下流向金属丝或翅片附近集中，从而使壁面上液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高；

水平管束：可采用错列↑αΔt=tw-tsA自然对流B核状沸腾CDEF膜状沸腾(1)AB段——

t<5

C

t=tW－tS，

t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡；长大速度慢，加热面与液体之间以自然对流为主；汽化仅发生在液体表面，严格说还不是沸腾，而是表面汽化；此阶段，

较小，随

t升高缓慢增大。3.2液体沸腾传热(2)BC段——25

C>

t>5

C↑αΔt=tw-tsA自然对流B核状沸腾CDEF膜状沸腾汽化核心数↗，汽泡长大速度↗，对液体扰动↗对流传热系数↗，汽化核心产生气泡对传热起主导作用～核状沸腾(3)CD段——250

C>t>25C↑αΔt=tw-tsA自然对流B核状沸腾CDEF膜状沸腾Δt↗一定数值，加热面汽化核心↗↗，气泡产生速度>脱离壁面速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开；气体导热系数较小，使，～不稳定膜状沸腾。临界点(4)DEF段——t>250C↑αΔt=tw-tsA自然对流B核状沸腾CDEF膜状沸腾气膜稳定，加热面tW高，热辐射影响↗，对流传热系数↗，～稳定膜状沸腾。临界点工业上：核状沸腾优点：

大，tW小4-4热交换的计算总传热速率方程式：热流体qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流体qm2,t1,cp2,h1t2h24.1热量衡算i.e.理想换热条件下，保温良好无热损失，单位时间内热流体放出热量等于冷流体吸收热量。由冷热流体热量衡算知（无热损失）：热流体qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流体qm2,t1,cp2,h1t2h2（1）若两流体均无相变化，且Cp可视为常数，则：其中：其中：r——饱和蒸汽的比汽化热。J/kg（2）若一侧流体有相变—e.g.

热流体饱和蒸汽冷凝，或冷流体沸腾热流体饱和蒸汽冷凝，冷流体t1↗t2，T恒定热流体T1↘T2，冷流体沸腾，t恒定1、恒温传热2、变温传热

tm与流体流向有关4.2传热平均温度差（推动力）逆流并流错流折流（1）逆流和并流时的

tmt2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1

t2tAt1T2T1逆流并流以逆流为例推导假设：1）定态传热、定态流动，qm1、qm2一定

2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的3）K沿管长不变化4）热损失忽略不计Δt1,Δt2=？T2t1t2T1dTdtdAAt

t2

t1TtT2t1t2T1A

t2

t1①Δtm表达式也适用并流，但Δt1、Δt2表达式不同说明：逆流并流②习惯上较大温差

t1，较小温差t2，分子分母>0；③当t1/t2<2，则可用算术平均值代替；④当t1＝t2⑤并流和逆流特点：并流进出口推动力差别大，且冷流体出口t2<热流体出口T2；逆流进出口推动力差别小，且冷流体出口t2可能>热流体出口T2，但必然<热流体进口T1。⑥当传热面趋于无穷大时，并流t2→T2，⊿tm→0；逆流t2→T1，T2→t1，⊿tm→0。工程上多采用逆流例4-11热流体固体壁面一侧固体壁面一侧另一侧固体壁面另一侧冷流体twTw给热给热导热冷流体热流体tTQ4.3总传热系数K（3）冷流体侧的给热（1）热流体侧的给热（2）管壁热传导对于定态传热：式中K——总传热系数，W/(m2·K)。

讨论：①当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm②传热面为圆筒壁时：以热流体侧壁表面为基准(dA=dA1):

K1——以热流体侧壁表面为基准的总传热系数；

dm——换热管的对数平均直径。以壁平均表面为基准：以冷流体侧壁表面为基准：近似用平壁计算式中③1/K值的物理意义

总热阻热流侧热阻壁热阻冷流侧热阻4.4传热计算示例传热速率方程：热量衡算：平均温度差：总传热系数：对流传热方程：对流传热系数：例4-7、4-8有一套管式换热器，在管径为Ф38mm×2mm的内管中有流速为1.5m/s的水从25℃加热到55℃，在内管与外套管的环隙中有压力为140kPa的饱和水蒸气冷凝放热，其对流传热系数α2=104W/（m2.k）。试求水蒸气消耗量和所需的传热面积。（已知：140kpa下水蒸气的饱和温度Ts=109.2℃，比汽化热r=2.234×106J/kg，水平均温度下：Cp1=4.174×103J/(kg.k)ρ=992.2kg/m3,μ=65.6×10-5pa.sλ=63.38×10-2w/(m.k)【练习题】5.1换热器分类●按用途分类：

加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器●按冷热流体热量交换方式分类：混合式、蓄热式和间壁式●主要内容：1.根据工艺要求，选择适当的换热器类型；2.通过计算选择合适的换热器规格。4-5热交换器5.2间壁式换热器类型（一）板式换热器1、夹套换热器主要用于反应过程的加热和冷却。蒸汽加热时，蒸汽高进低出；冷却水冷却时，水低