化工原理---传热

1第3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。4第三章传热5传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求第一节概述传热的推动力温度差传热的方向高温向低温6一、传热的基本方式若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。电热炉烧水相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部热传导(导热)发生在71.热传导（又称导热）热传导的机理在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动；在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的；在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。8流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。热对流仅发生在流体中。依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：对流2.热对流（对流）自然对流强制对流9流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。2.热对流（对流）对流传热注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。103.热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是：热辐射①不需要任何介质，可以在真空中传播；②不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；③任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。11二、间壁式换热器中的传热过程①热流体侧的对流传热②间壁的导热③冷流体侧的对流传热三个串联传热环节图4-3间壁两侧流体间传热对流传热导热对流传热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15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8-泄水池2.管壳式换热器动画162.管壳式换热器图4-6双程管壳式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板动画17q，单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。RΔtQ＝dSdQqQ，单位时间内通过传热面的热量，J/s，W。'Rtq基本概念传热速率热通量整个传热面的热阻单位传热面积的热阻传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻18稳态传热和非稳态传热),,(,,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稳态传热非稳态传热19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。起加热作用起冷却作用载热体高温载热体（加热剂）低温载热体（冷却剂）基本概念20载热体的选择及常用载热体①载热体的温度易调节控制；②载热体的饱和蒸气压较低,加热时不易分解；③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；④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～－3021第二节热传导3.2.1热传导的基本概念3.2.2通过平壁的稳态热传导3.2.3通过圆筒壁的稳态热传导223.2.1.1.温度场和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/ənΔn温度场温度梯度等温面和等温线233.2.1.2傅里叶（Fourier）定律ntdSdQ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/ənΔn温度梯度导热系数微分导热速率Q与温度梯度方向相反243.2.1.3导热系数ntqntdSdQ②是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。①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。③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。253.2.2平壁热传导假设：①导热系数不随温度变化，或可取平均值；②一维稳态；③忽略热损失。图4-8单层平壁热传导1.单层平壁的热传导26对平壁一维稳态热传导ddtQSx积分并整理得12()SQttb1.单层平壁的热传导xtdSdQ热阻推动力RΔtλSbtt21导热热阻——单层平壁的热传导速率方程式272.多层平壁的热传导图4-9三层平壁热传导假设：①导热系数不随温度变化，或可取平均值；②一维稳态；③忽略热损失；④没有接触热阻。282.多层平壁的热传导热阻推动力QSbttSbttSbtt334322321121总热阻总推动力SbSbSbtt33221141显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数推广至n层平壁，11niitttQbRS多层平壁的热传导速率方程式292.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302.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一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻接触热阻31图4-11单层圆筒壁的热传导3.2.3圆筒壁的热传导假设：一维稳态温度场。Q为常数，但传热面积S和热通量q均随半径而变。32通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为dd(2π)ddttQSrLrr12212πln()ttQLrr积分并整理得微分式积分式3.2.3.1单层圆筒壁的热传导33可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式其中:圆筒壁的对数平均面积3.2.3.1单层圆筒壁的热传导或λSbttQ21壁：平mSbttQ)(21单层圆筒壁的热传导速率方程式21m21lnrrrrr圆筒壁的对数平均半径LrSmm21212/lnSSSSSm注：当r2/r12时，可用算术平均值代替对数平均值。343.2.3.2多层圆筒壁的热传导假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。图4-12多层圆筒壁热传导353.2.3.2多层圆筒壁的热传导热阻推动力qSQ333432223211121mmmSbttSbttSbttQ=常数，但q常数miiiiSbtt3141总热阻总推动力推广至n层圆筒壁，多层圆筒壁的热传导速率方程式nimiiinSbttQ11136流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程(如间壁式换热器)中占有重要的地位。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾3.3.1对流传热的基本概念3.3对流传热概述37对流传热速率方程对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率对流传热推动力对流传热系数温度差局部对流传热系数微分对流传热通量牛顿冷却定律dSTTdQW)(dSTTW1传热方向TTWTTW热流体38对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热图4-13对流传热的温度分布情况1.对流传热分析39层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层传热方式热传导热传导和对流对流1.对流传热分析温度梯度较大居中较小热阻较大居中较小对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。402.热边界层靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层图4-14平板上的热边界层o41若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即wddd()dtQSy紧靠壁面处薄层流体的温度梯度2.热边界层根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为wwd()d1(d)TTQTTSS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温换热器任一截面上热流体的平均温度42对流传热速率方程iwidSTTadQ)(owodSttadQ)(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twTwtT43对流传热速率方程热流体冷流体twTwtT采用平均传热系数表示：tSQ流体与壁面温差的平均值平均对流传热系数St1对流传热热阻牛顿冷却定律思考：写出图示的冷、热流体牛顿冷却定律的具体表达式？牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律。443.3.2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。453.3.2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46a的影响因素1.流体的种类和相变化情况:2.流体的特性:3.流体的温度4.流体的流动状态:5.流体流动的原因：6.传热面的形状、位置和大小alag，a相变a非相变a湍流a层流a强制对流a自然对流形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。Re;Re;;cpcp；3.3.2对流传热系数473.3.3对流传热系数关联式3.3.1影响对流传热系数的因素3.3.2流体无相变时的对流传热系数3.3.3流体有相变时的对流传热系数3.3.4壁温的估算48对流传热分类:(从大类→小类→具体情况)对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流…管内对流圆形直管非圆管道…弯管…湍流过渡流滞流(层流)对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。影响对流传热系数的因素491.准数关联式(,)NuRePr强制对流（无相变）传热时的准数关联式(,)NufGrPr自然对流（无相变）传热时的准数关联式具体关联