4 传热

1第4章传热2主要内容4.1概述4.2热传导4.3对流传热概述4.4对流传热系数关联式4.5传热过程计算4.6辐射传热4.7换热器3基本要求了解热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；了解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件及注意事项；了解辐射传热的基本概念及基本定律；熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径；了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。44.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器4.1.4传热速率和热通量4.1.5稳态传热和非稳态传热4.1.6载热体及其选择5化学反应蒸发、蒸馏、干燥高温或低温设备的隔热保温热能的合理利用和废热回收。强化传热过程削弱传热过程传热在化工生产中的应用61.传热的基本方式热辐射：热对流：导热）热传导：(电热炉烧水发生在相互接触的物质之间和物质（静止或层流流动）内部。传热靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动无物质的宏观位移自然对流强制对流发生在流体内部，且流体有宏观位移靠电磁波传热对流传热：流体与固体壁面间的传热物体间温度差较大时，才考虑74.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式81.直接接触式换热和混合式换热器92.蓄热式换热和蓄热器热流体蓄热式103.间壁式换热和间壁式换热器三个串联传热环节：热流体侧的对流传热间壁的导热冷流体侧的对流传热Tt对流传热图4-3间壁两侧流体间传热对流传热导热114.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器121.套管式换热器132.管壳式换热器壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵向横向142.管壳式换热器壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板152.管壳式换热器12336654457图4-5单程管壳式换热器1外壳2管束3、4接管5封头6管板7挡板162.管壳式换热器1外壳2管束3、4接管5封头6管板7挡板图4-6双程管壳式换热器174.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器4.1.4传热速率和热通量18单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。RΔt传热热阻传热推动力（温差）传热速率＝dSdQq传热推动力：单位时间内通过传热面的热量，J/s，W。'Rtq基本概念热量传递方向：温差从高温向低温传递传热速率Q：热通量q：194.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器4.1.4传热速率和热通量4.1.5稳态传热和非稳态传热20稳态传热和非稳态传热稳态传热：非稳态传热：),,(,,zyxfTqQ),,,(,,zyxfTqQ如不加说明一般都指稳态传热过程。物理量不随时间而变物理量不随时间变化214.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器4.1.4传热速率和热通量4.1.5稳态传热和非稳态传热4.1.6载热体及其选择22载热体：在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。1.定义高温载热体(加热剂)：低温载热体(冷却剂)：起加热作用起冷却作用232.载热体的选择及常用载热体载热体的温度易调节控制；载热体的饱和蒸气压较低,加热时不易分解；载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；价格便宜，来源容易。载热体的选择要求加热剂适用温度，℃热水40～100饱和蒸汽100～180矿物油180～250联苯混合物255～380（蒸汽）熔盐142～530烟道气加热剂～1000冷却剂适用温度，℃水0～80空气30盐水0～－15氨蒸汽－15～－30244.2热传导4.2.1基本概念和傅里叶定律4.2.2导热系数4.2.3通过平壁的稳态热传导4.2.4通过圆筒壁的稳态热传导251.温度场和温度梯度温度场：等温面和等温线：温度梯度：温度的分布状况。沿等温面法线方向的温度的变化率。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正，与热量传递的方向相反。ntntgradtn0limQət/ənΔn262.傅里叶（Fourier）定律ntdSdQ负号表示Q与温度梯度方向相反称为导热系数，单位为W/(mK)傅立叶定律表明导热速率与温度梯度及传热面积成正比，而热流方向却与温度梯度相反。Qət/ənΔn273.导热系数ntqntdSdQ是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。在数值上等于单位温度梯度下的热通量，故物质的越大，导热性能越好。与物质的种类、热力学状态（T、P）有关。金属固体非金属固体液体气体T，气体，水，其它液体的。284.2热传导4.2.1基本概念和傅里叶定律4.2.2导热系数4.2.3通过平壁的稳态热传导291.单层平壁的稳态热传导t1t2Qb条件：稳态、一维传热（平壁面积与厚度相比很大）xtdSdQdxdtSQbttdxdt21常数-------可见温度分布为直线若为常数，则：SbttQ21热阻推动力Rt302.多层平壁的热传导t1t2b11txb2b323t2t4t3假设：一维、稳态传热；各层接触良好，接触面两侧温度相同。显然，通过每一层的Q=常数或q=常数热阻推动力QSbttSbttSbtt334322321121总热阻总推动力Sbttiii3141312.多层平壁的热传导321332211433221::::::RRRSbSbSbtttttt思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2123t2t4t3温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。213RRR213213ttt322.多层平壁的热传导影响因素：接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。接触热阻接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计334.2热传导4.2.1基本概念和傅里叶定律4.2.2导热系数4.2.3通过平壁的稳态热传导4.2.4通过圆筒壁的稳态热传导341.单层圆筒壁的热传导Qt2t1rdrL假设：一维稳态温度场。drdtSQdrdtrLQ)2(rrttdtrdrLQ1121221ln)(2rrttLQ若为常数,则：常数常数但q——单层圆筒壁热传导的基本方程式351.单层圆筒壁的热传导热阻推动力对照：平壁：SbttQ211221ln)(2rrttLQ热阻推动力RtSbttQm)(211212/lnSSSSSmLrSmm21212/lnrrrrrm对数平均面积对数平均半径（当r2/r12时，可用算术平均代替362.多层圆筒壁的热传导热阻推动力qSQtt1t2t3t4r1r2t20rb1b2b3总热阻总推动力miiiimmmSbttSbttSbttSbtt3141333432223211121Q=常数，但q常数374.3对流传热概述4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2对流传热机理简介4.3.3保温层的临界直径381.对流传热速率方程什么是对流传热？流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热1t2tQQ电热炉烧水强制对流自然对流牛顿冷却定律：21ttAQ对流传热系数，W/m2K阻力推动力S121tt)(21ttbSQ傅里叶定律：流体与固体壁面的传热391.对流传热速率方程iiiwwiiRTSaTTTTSaQ△1)(ooowwooRtSattttSaQ△1)(对热流体而言：对冷流体而言：若热流体走管内，冷流体走管外：具体表达式：热流体冷流体twTwtT402.对流传热系数tSQ物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2·℃)；反映对流传热的快慢，越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。412.对流传热系数KmWKmW22/100~20/25~5强制对流：自然对流：KmWKmWKmWKmW2222/25000~2500/15000~5000/15000~1000/1000~200水沸腾：蒸汽冷凝：强制对流：自然对流：空气中水中无相变有相变自然强制gl总之：KmWKmW22/2000~500/1500~50蒸汽冷凝：强制对流：油类中的量级42对流传热分析对流传热包括对流和导热两种传热方式；对流传热的热阻主要集中在流体靠近壁面的层流底层;流体的主体因涡流存在质点的混合使温度趋于一致传热壁面热流体冷流体层流底层TTWtWt对流传热温度分布情况43保温层的临界直径02drdQ令t1tfrirO则Cr002222drdQrdrdQr时，当时，当Qrcr2------临界半径rc故Q有极大值211RRttQf总阻力总推动力LrrrLttoiof21ln211问题：保温层越厚，保温效果越好吗？444.4传热过程计算4.4.1热量衡算4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数4.4.3平均温度差法和总传热速率方程4.4.4总传热速率方程的应用4.4.5传热单元数法45热量衡算式1221ttcWTTcWQpccphhWrQ热流体：Wh,cph,T1冷流体：Wc,cpc,t1冷流体:t2热流体：T2无相变时：有相变时（无温度变化）：464.4传热过程计算4.4.1热量衡算4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数471.总传热速率微分方程热流体冷流体twtTwTOOwmwwiiwdSttdSbtTdSTTdQ11式中S可取SO、Sm、Si等。mxtKStdSKQ出进——总传热速率方程平均传热温差总传热系数，W/m2K总热阻总推动力dSKtTx1OOmiidSdSbdStT11481.总传热速率微分方程mtKSQ——传热基本方程式或总传热方程式传热面积基准的选择：iimmOOSKSKSK一般不加说明均以管外表面积So作为计算基准，相应的传热系数为基于外表面积的传热系数Ko。K与传热面积相关，存在如下关系：Ki、Ko、Km——基于管内表面积、外、平均表面积的总传热系数，w/（m2·℃）ldnSooldnSmmldnSii492.总传热系数总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数1/K称为传热过程的总热阻。取得K的途径:KSttKSQmm1（1）分析计算（2）实验查定（3）经验数据502.总传热系数1)总传热系数的计算OOmiiSSbStTQ11KStT1OmOiiOOdbdddK11OOmiiOOSSbSSK111以冷、热流体均为等温变化为例。OmOiiOOdbdddK11或写成热阻的形式：512.总传热系数OOimiiidddbdK11OOmiimmddbddK1（1）总传热系数的计算式同理：iimmOOSKSKSKOmOiiOOdbdddK11522.总传热系数（2）污垢热阻考虑到