化工原理传热

第4章传热4.1概述4.1.1传热在化工生产中的应用双管程固定管板换热器1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。14.1.2传热的基本方式热传导：固体的主要传热方式,分子无规则热运动.对流：流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热。传热速率与流动状态密切相关。辐射：物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触。4.1.3稳态传热和非稳态传热稳态传热：各点温度分布不随时间而改变非稳态传热：各点温度随位置和时间而变24.2.1基本概念和傅立叶定律（1）温度场所研究的具有一定温度分布的空间范围。4.2热传导),,,(zyxft稳态温度场：),,(zyxft),,,(zyxft非稳态温度场：3ttttntnnAd法向等温面等温面、温度梯度与热流方向（2）描述温度场特性的几个参数①等温面具有相同温度的点组成的面特点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。②温度梯度沿等温面法线方向的温度变化率。nt方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直。ntn0limntdndtn0lim对一维稳态导热：4)/(,2mWAq（3）热流量Φ(传热速率)单位时间内所传导的热量，w。（4）傅立叶定律ntAntq或：λ：热导率，w/（mK），w/（m℃）；负号：Φ与方向相反(热流量从高温向低温)。nt热流密度：表明：ntA，热传导中，dndtA一维稳态导热：dndtq或：54.2.2热导率ntqKmW/说明：●物性参数，标志物质导热性能；●影响因素：λ=f(材料，温度)；●来源：实验方法测定，工业上常见物质的热导率可从有关手册中查得。定义式:68几种气体的导热率412653t/℃072004006001000800165432λ×102/(Wm-1℃－1）1－水蒸气2－氧气3－二氧化碳4－空气5－氮气6－氩气几种气体的热导率：70161026242012各种液体的导热率水115141312111098765432λ×85.98/(Wm-1℃－1）t/℃λH2O×85.98/(Wm-1℃－1）475153555759491－无水甘油2－蚁酸3－甲醇4－乙醇5－蓖麻油6－苯胺7－醋酸8－丙酮9－丁醇10－硝基苯11－异丙苯12－苯13－甲苯14－二甲苯15－凡士林油2060100140几种液体的热导率：8气体液体非金属金属可见，在数值上：物质热导率的大致范围物质种类热导率纯金属100~1400金属合金50~500液态金属30~300非金属固体0.05~50非金属液体0.5~5绝热材料0.05~1气体0.005~0.59)1(0ta对多数匀质固体：：温度系数a；多数金属：0a0a多数非金属：不同物质随温度变化的一般规律,:t气体)(,:水、无水甘油例外液体t)(,高合金钢例外金属：t)(,冰例外非金属：t固体：104.2.3平壁的稳态热传导(1)单层平壁的稳态热传导热量衡算：热量积累率输出热流率输入热流率输出热流率输入热流率bx1x2txt1t2单层平壁的稳态热传导Φ①热导率为常数dxdtA210ttbdtAdx积分：热流量：11)(12ttbA得：RtAbtt21传热阻力（热阻）传热推动力（温差）平壁内的温度分布：dxAdt由：CxAt沿壁厚方向，温度分布为一直线。t2t1x/mt/℃单层平壁导热温度分布Φ12②热导率和温度有关，积分得：代入)1(0tadxdttq)(2121)1(0xxttdxqdtt)(211)(21210ttattqb整理：即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性。13t/℃x/m)1(0tm单层平壁导热的热流量与壁内的温度分布143333Abtx/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Φ3211111Abt2222Abt333222111321AbAbAbttt和比定理：(2)多层平壁的稳态热传导条件：多层平壁一维稳态导热(x方向)。15RtLrrttrrttL2/lnln212211221LrrR2)/ln(12(3)圆筒壁①单层圆筒壁drdtrLdrdtA)2(t2t1Φr2r1drdtLmAbtt21热流量：mAbLrrR2)/ln(12其中，RtLrrtt2/ln12211212lnAAAAAm16②多层圆筒壁33322211141mmmAbAbAbtt12121lnAAAAAm其中，23232lnAAAAAm34343lnAAAAAm334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(LrrLrrLrrttiiRtr1t3t2r4r3r2t1t4321321::::RRRttt17热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ4.3对流传热（1）概述流体质点碰撞、混合，传递热量包括对流传热和热传导对流传热与流动状况密切相关湍动程度越高，传热速率越大。（2）分类自然对流：温差引起密度差，使流体流动。强制对流：流体靠外加动力流动，形成对流。184.3.1热边界层的概念（1）热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。(t-tW)/(t∞-t)=0.99t'∞Φt∞t∞t∞-tt∞-ttWu0tyδt19（2）热边界层的厚度)(99.0ttttww（3）热边界层的特点层内（近壁处）：集中全部的温差和热阻0dydt层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻0dydt（4）热边界层发展过程dt21max,圆管内20流动边界层对热边界层的影响：湍流区：质点相互混合交换热量，温差小。层流内层：导热为主，热阻大、温差大。说明：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。214.3.2对流传热速率方程和表面传热系数thAhAt1KmWh2/：表面传热系数，：流体与壁温之差t热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦth1th2tc1tc2（1）牛顿冷却定律22热流体：冷流体：)(,whhhhttAh)(,cwcccttAhAhttccwc1,③h是计算关键，一般由实验测定。Ahtthwhh1,（2）对流传热过程的简化模型①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流,导热导热23ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW②简化模型有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。hAtAttwhh1)/(11,hRte，则，一定时，'对流传热问题→导热问题24,,'h，层流内层厚度减薄，湍动程度4.4表面传热系数的经验关联4.4.1影响表面传热系数的因素（2）流体流动原因强制对流：外部机械作功，一般流速较大，h也较大。自然对流：由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，h也较小。（1）流体流动状态25,,h：,,,hRe：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：hCP，hRe，，：（3）流体的物理性质定性温度：计算表面传热系数的特征温度26（4）传热面的形状、位置和大小壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。27（5）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，无相变传热：强制对流、自然对流，一般地，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，蒸汽冷凝，KmWh2/10000250：KmWh2/150005000：28（a）确定相关因素（b）构造函数形式hfpedcbatgclKuh)(),,,,,,(pCtglufh（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）4.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程M：1=c+d+e+iΘ：-1=-d-fT：-3=-a-c-3d-2f-2iL：0=a+b-c+d-3e+2f-2i29（d）规定已知量（指数），确定余下指数表达式)(rreuGPRfN，，ifPatglcluKhl)()()(223（e）整理特征数方程形式指定其中a、f、i为已知数，则：b=a+3i-1；c=f-a-2i；d=1-f；e=a+i30①努赛尔数hlNultdydty0)(平均温度梯度壁面处温度梯度无量纲温度梯度说明：反映对流传热的强弱，包含表面传热系数；粘滞力惯性力duuduRe2说明：反映流动状态对h的影响。thdydtqy0)(（2）特征数的物理意义②雷诺数31③普朗特数pPrCCP/热扩散系数导温系数动量扩散系数运动粘度)()(av说明：▲反映流体物性对传热的影响▲反映动量扩散和热扩散的相对大小32说明：反映自然对流的强弱程度。④格拉晓夫数（浮升力特征数）223tlgGr化：单位体积流体浮力变tg22Re)(bbluC/1：体积膨胀系数，数：表示自然对流的雷诺bRe334.4.3无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热nrmeuPCRN①流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数a)一般流体34流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.310000eR1606.0rP50/dlPa3102定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径dinrP适用条件：说明：35b)粘度较大流体14.033.08.0)/(027.0wreuPRN近似取：05.1)(14.0w流体被加热：95.0)(14.0w流体被冷却：适用条件：10000eR1677.0rP60/dl(η2η水)36c)流体流过短管（l/d50）hldh])/(1[7.0影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。计算：采用以上各式计算h，并加以校正。d)圆形直管内过渡流时表面传热系数hRhe)1061(8.1537e)圆形直管内强制层流14.03/1)/()/(86.1wieuldPRNr2300eR定性温度：tm=(t1+t2)/2；特征尺寸：管内径di。67006.0rP10/ldPRire适用条件：38f)圆形弯管内的强制对流特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流；hRdhi)77.11(g)非圆形管内强制对流Rd润湿周边流体流动截面积4ed套管环隙12122122)(44ddddddde39②管外强制对流a)流体横向流过单管A流体横向流过单根圆管外时流动情况403/1rneuPCRN沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径41◆管束的排列方式直列（正方形）、错列（正三角形）b)流体横向流过管束的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列42x1x2d错列管束中管子的排列43直列第一排管直接冲刷；第二排管不直接冲刷；扰动减弱第二排管以后基本恒定。错列第一排管错列和直列基本相同；第二排管阻挡减弱，冲刷增强；第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d44传热系数的计算4.0rneuPRCNC、ε、n取决于管排列方式和管排数。直列nεnε排列错列C12340.60.60.60.6x1/d=1.2~3C=1+0.1x1/dx1/d3C=1.30.1710.2280.290