第四章-传热(化工原理王志魁版)

2019/11/251第一节概述返回第四章传热一、传热过程的应用（1）物料的加热或冷却（2）热量与冷量的回收利用（3）设备与管路的保温2019/11/252二、传热的基本方式（一）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特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移2019/11/253（二）热对流（三）热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动2019/11/254三、两流体通过间壁换热过程冷流体t1t2热流体T1T2（一）间壁式换热器夹套式换热器2019/11/255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。（二）传热速率与热流密度AQq2019/11/256非稳态传热,,,,,zyxftqQ（三）稳态与非稳态传热稳态传热zyxftqQ,,,,0t2019/11/257管壁内侧热流体对流)(1)1(Q（四）两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流传导冷流体Q热流体管壁外侧管壁内侧热传导)(2)2(Q冷流体管壁外侧对流)(3)3(Q稳态传热：QQQQ3212019/11/258式中tm──两流体的平均温度差，℃或K；A──传热面积，m2；K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)。总热阻总传热推动力KAttKAQ/1mm（五）总传热速率方程2019/11/259一、傅立叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。（一）温度场和等温面非稳态温度场,,,zyxft稳态温度场zyxft,,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。第二节热传导不同温度的等温面不相交。2019/11/2510（二）温度梯度ntnttgradn0limnnxt+ttxntQ方向：法线方向，以温度增加的方向为正。2019/11/2511（三）傅立叶定律ntAQdd式中dQ──热传导速率，W或J/s；dA──导热面积，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2019/11/2512二、热导率ntqntdAdQ///在数值上等于单位温度梯度下的热通量=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2019/11/25131.固体热导率金属材料10～102W/(m•K)建筑材料10-1～10W/(m•K)绝热材料10-2～10-1W/(m•K))1(0at在一定温度范围内：对大多数金属材料a0，t对大多数非金属材料a0，t2019/11/25142.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)2019/11/25153.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。0.006～0.4W/(m·K)2019/11/2516t1t2btxdxQ三、平壁的稳态热传导（一）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；A/b很大，忽略端损失。2019/11/2517xtAntAQdd210ttbAdtQdx)(21ttbAQ积分：热阻推动力RtAbttQ212019/11/2518（二）多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t32019/11/2519AbttAbttAbttQ334322321121总热阻总推动力iRttAbAbAbttt41332211321321332211433221::::::RRRAbAbAbtttttt各层的温差2019/11/2520结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；各层温差与热阻成正比。推广至n层：niiinniiiAbttAbtQ1111＝2019/11/2521四、圆筒壁的稳态热传导（一）单层圆筒壁的热传导特点：(1)传热面积随半径变化，A=2rl(2)一维温度场，t沿r变化。2019/11/2522在半径r处取dr同心薄层圆筒rtrlrtAQdddd2积分21212ttrrrldtQdr1221ln)(2rrttlQ2019/11/2523讨论：RttlrrttQ2112212ln1212ln2AAAAlrAmm12rrb——对数平均面积热阻1212122lnrrrrlrrR令1212lnrrrrrm——对数平均半径mAb2019/11/2524mAbttQ21rr212一般时，221rrrm2019/11/2525（二）多层圆筒壁的热传导2019/11/252631141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQ＝三层：n层圆筒壁：niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2＝＝m2019/11/2527一、对流传热过程第三节对流传热dAqm2，t2qm1，T1qm2，t1qm1，T22019/11/2528ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt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2019/11/2529式中Q──对流传热速率，W；1、2──热、冷流体的对流传热系数，W/(m2·K)；T、TW、t、tW──热、冷流体的平均温度及平均壁温，℃。)(11WTTAQ)(22ttAQW冷流体：热流体：牛顿冷却定律2019/11/2530（一）影响因素2.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。强制自然二、对流传热系数的影响因素1.流动状态湍流层流2019/11/2531自然对流的产生：设热处：t2，2；冷处：t1，1——体积膨胀系数，1/C.tVVV112)1(12tVV或而22mV11mV得：或)1(21t)t1(11122019/11/2532由温度差而产生的单位体积的升力：tggtg22221)1(加热板冷却板2019/11/25335.是否发生相变相变无相变4.传热面的形状，大小和位置•形状——管、板、管束等；•大小——管径、管长、板厚等；•位置——管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流体的物性，，，cp2019/11/2534三、对流传热的特征数关系式变量数8个基本因次4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4),,,,,,(LtgCufp无相变时2019/11/25351.努塞尔特（Nusselt）数LNu表示对流传热系数的特征数2.雷诺（Reynolds）数uLRe反映流体的流动状态对对流传热的影响2019/11/25363.普兰特（Prandtl）数CpPr反映流体的物性对对流传热的影响4.格拉斯霍夫（Grashof）准数223tgLGr表示自然对流对对流传热的影响一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)简化：强制对流Nu=f(Re,Pr)自然对流Nu=f(Pr,Gr)2019/11/2537使用准数关联式时注意：1.应用范围2.特征尺寸3.定性温度强制对流自然对流无相变有相变蒸汽冷凝液体沸腾2019/11/2538四、无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流1.圆形直管内的强制湍流nmCNuPrRenNuPrRe023.08.0流体被加热n=0.4流体被冷却n=0.3（1）应用范围：Re104,Pr=0.7~160,L/d60,气体或低粘度的液体（2水）（2）定性温度：流体进出口的算术平均值（3）特征尺寸：管内径2019/11/2539讨论：（1）加热与冷却的差别：,,,WRettt加热液体3.04.0,1,PrPrPr液体冷却加热气体,,Ret加热3.04.0,1,PrPrPr气体冷却加热2019/11/25402.08.08.018.08.0023.0)()(023.0duCpCpuddnnnn物性一定时：2.08.0du（2）影响因素：2019/11/2541公式修正：（1）当L/d60，乘校正系数；（2）高粘度液体（2水）14.0)(PrRe027.033.08.0WNu工程处理：加热：冷却：05.1)(14.0W95.0)(14.0W7.011ld2019/11/2542（3）弯管弯管的曲率半径）（直弯直弯RRd77.11（4）非圆形管道neeuddPr)(023.08.0实用当量直径计算。2019/11/25432.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数8.15Re1061ff校正系数湍过湍过2300Re1042019/11/25443.圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。对于液体2019/11/254514.031)()Pr(Re86.1WLdNu•自然对流可以忽略：Gr25000•自然对流不能忽略：Gr25000乘校正因子：)Gr.(.f310150180适用范围：10)Pr(ReLd670060Pr.Re2300定性温度：221tttm特征尺寸：管内径2019/11/2546（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过2019/11/2547应用范围：Re=5000~70000;x1/d=1.2~5;x2/d=1.2~5特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处定性温度：进、出口温度平均值Nu=CRenPr0.4112212nnmnαAαAαAαAAA平均对流传热系数：2019/11/25482．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形2019/11/2549设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。圆缺形折流挡板：14.03/155.0PrRe36.0WNu定性温度：221tttm应用范围：Re=2×103～1062019/11/2550正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）当量直径de0202)785.0(4ddtde0202)785.023(4ddtded0tt2019/11/2551（2）流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折流挡板间距离，m；D——换热器壳径，m；)1(0tdhDS2019/11/2552（三）自然对流时的对流传热系数nGrCNu)(Pr定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度H水平管为管外径d0各种情况