化工原理傳熱

1、第四章傳熱1.本章應(yīng)掌握的內(nèi)容單層、多層平壁熱傳導(dǎo)速率方程，單層、多層圓筒壁熱傳導(dǎo)速率方程及其應(yīng)用。換熱器的能量衡算，總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)的計(jì)算，并用平均溫度差法進(jìn)行傳熱計(jì)算。對流傳熱系數(shù)的影響因素及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。傳熱的基本方程式。換熱器的結(jié)果形式和強(qiáng)化途徑。2.本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)41傳熱過程概述（1）傳熱的基本方式有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱。（2）傳熱過程中冷熱流體（接觸）熱交換方式:冷熱流體接觸方式及換熱器、混合式換熱器、蓄熱式換熱、間壁式換熱器。冷、熱流體通過間壁兩側(cè)的傳熱過程三個基本步驟a熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁。b熱量以熱傳導(dǎo)方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)。c傳

2、遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。（3）典型的間壁式換熱器 套管式換熱器是最簡單的間壁式換熱器，冷熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙，而進(jìn)行熱的傳遞。管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。在管殼式換熱器中，在管內(nèi)流動的流體稱為管程流體，而另一種在殼與管束之間從管外表面流過的流體稱為殼程流體。傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標(biāo)。 傳熱速率Q是指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，其單位為W，可表示傳熱的快慢。熱通量則是指每單位面積的傳熱速率，其單位為W/m2。（4）載熱體及其選擇 起加熱作用的載熱體稱為加熱劑（或加熱介質(zhì)）；起冷卻（冷凝）作用的載熱體稱為冷卻劑（或冷卻介質(zhì)）。 對于一定的傳熱過程，選

3、擇的載熱體及工藝條件決定了需要提供或取出的熱量，從而決定了傳熱過程的操作費(fèi)用。42熱傳導(dǎo) 熱量不依靠宏觀混合運(yùn)動而從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程叫熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。（1）基本概念和傅立葉定律溫度場和溫度梯度a溫度場 溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。若溫度場內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時間變化，即為定態(tài)溫度場，否則稱為非定態(tài)溫度場。b等溫面 溫度場中同一時刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面積為等溫面。溫度不同的等溫面彼此不相交。c溫度梯度 將兩相鄰等溫面的溫度差與其垂直距離之比的極限稱為溫度梯度。對定態(tài)定態(tài)一維溫度場，溫度梯度可表示為： 。溫度梯度為向量，它的正方向是指向溫度增加的方向。通常，

4、將溫度梯度的標(biāo)量也稱為溫度梯度。傅立葉定律描述熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（Fouriers Law），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中的負(fù)號表示熱傳導(dǎo)服從熱力學(xué)第二定律，即熱通量的方向與溫度梯度的方向相反。（2）導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的定義式為：該式表明，導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。導(dǎo)熱系數(shù)表征了物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。導(dǎo)熱系數(shù)的大小和物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體較小、氣體最小。（3）平面壁的熱傳導(dǎo)單層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)材料均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于平壁的方向變化，忽略熱損失。是最簡單的定態(tài)、

5、一維、平壁熱傳導(dǎo)，則有：此式適用于為常數(shù)的定態(tài)傳熱過程。此式表明導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)熱推動力成正比，與導(dǎo)熱熱阻成反比；還可以看出，導(dǎo)熱距離愈大、傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)愈小，則導(dǎo)熱熱阻愈大。多層平壁熱傳導(dǎo)：（4）圓筒壁的熱傳導(dǎo) 化工生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，它與平壁熱傳導(dǎo)的不同之處在于圓筒壁的傳熱面積和熱通量不再是常量，而是隨半徑而變；同時溫度也隨半徑而變，但傳熱速率在穩(wěn)態(tài)時依然是常量。 單層圓壁的熱傳導(dǎo)速率方程：多層圓壁的熱傳導(dǎo)速率方程：43對流傳熱概述431對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)（1）對流傳熱速率方程對流傳熱是一個復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，因此目前的工程計(jì)算仍按半經(jīng)驗(yàn)

6、法處理。對流傳熱速率方程可以用牛頓冷卻定律表示為：（2）對流傳熱系數(shù)的定義式：對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為w/(m2），它反映了對流傳熱的快慢，愈大表示對流傳熱愈快。對流傳熱系數(shù)不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多種因素影響的一個系數(shù)，反映了對流傳熱熱阻的大小。432對流傳熱機(jī)理（1）對流傳熱分析 當(dāng)湍流的流體流經(jīng)固體壁面形成湍流邊界層時，固體壁面處的熱量首先以熱傳導(dǎo)方式通過靜止的流體層進(jìn)入層流內(nèi)層，在層流內(nèi)層中傳熱方式亦為熱傳導(dǎo)；然后熱流經(jīng)層流內(nèi)層進(jìn)入緩沖層，在這層流體中，兼有熱傳導(dǎo)和渦流傳熱兩種傳熱方式；熱流最后由緩沖層進(jìn)入湍流核心，湍流核心的熱量傳

7、遞以漩渦傳熱為主。（2）熱邊界層 當(dāng)流體流過固體壁面時，若二者溫度不同，則壁面附近的流體受壁面溫度的影響將建立一個穩(wěn)定梯度，一般將流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層，亦稱熱邊界層。44傳熱過程計(jì)算換熱器的傳熱計(jì)算包括設(shè)計(jì)型和校核型兩類計(jì)算。但是無論哪種類型的計(jì)算都是以熱量衡算和總傳熱速率方程為基礎(chǔ)。(1)熱量衡算式：流體有相變:（2）總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)總傳熱速率方程的微分形式總傳熱系數(shù)提高總傳熱系數(shù)途徑分析 若傳熱面為平壁或薄管壁，當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時：（3）平均溫度差法總傳熱速率方程式：平均溫度差：（4）傳熱單元數(shù)法傳熱效率：若熱流體為最小值流體：若冷流體為最小

8、值流體：45對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（1）影響對流傳熱系數(shù)的因素 流體流動型態(tài)： 湍流滯流 流體對流情況： 強(qiáng)制對流自然對流 流體的物理性質(zhì)： 、cP、 ， 傳熱面的形狀大小和位置 粗糙面 小管短管 錯列 流體的相態(tài)變化：有相變無相變（2）準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號和含義準(zhǔn)數(shù)名稱符號準(zhǔn)數(shù)式含義努塞爾準(zhǔn)數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)表示慣性力與捻性力之比，是表征流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)表示速度邊界層與熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性格拉霍夫準(zhǔn)數(shù)表示由溫度差引起的浮力與粘性力之比（3）流體無相變時的對流傳熱系數(shù) 流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流(當(dāng)流體為低粘度流體時)當(dāng)流體被加熱時，n=0.4

9、；當(dāng)流體被冷卻時，n=0.3。應(yīng)用范圍： 10000，0.7 60（L為管長）。自然對流：46間壁式換熱器（1）換熱器的結(jié)構(gòu)形式 間壁式換熱器按換熱面的形狀可分為管式換熱器、板式換熱器和熱管換熱器幾大類。 管式換熱器又分為管殼式（列管式）換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器和翹片式換熱器。列管式換熱器是應(yīng)用最普遍的通用標(biāo)準(zhǔn)換熱器，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為固定管板式、浮頭式、U形管式等類型。（2）換熱器傳熱過程的強(qiáng)化增大傳熱面積增大平均溫度差增大總傳熱系數(shù)兩流體通過間壁換熱內(nèi)容聯(lián)系圖典型例題圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算有一蒸汽管道，其外徑為426mm，長50m，管外覆蓋一層厚為400mm的保溫層。保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨

10、溫度而變化，其關(guān)系式為： W/(mC)（式中t溫度C）?，F(xiàn)已測得水蒸汽管道的外表面溫度為150C，保溫層表面溫度為40C。試計(jì)算該管道的散熱量以及保溫層的溫度分布。解：（1）將保溫層視為單層圓筒壁壁面平均溫度導(dǎo)熱系數(shù)：壁面平均面積 =118.8散熱量Q =191000W=19.1KW （2）設(shè)在保溫層半徑r處的溫度為t 則有： 解得：換熱器的核算現(xiàn)有一單程列管換熱器，管子尺寸f252.5mm，管長5m，共40根.擬用來將1.7104kg/h的苯從30加熱至70，殼程（管外）為120水蒸汽冷凝，水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)a0 = 104W/(m2)，考慮管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 /W, 管外側(cè)污垢熱阻及熱損失忽略不計(jì)。試求：（1）總傳熱系數(shù)，并判斷該換熱器是否合用； （2）若使用上述換熱器，則實(shí)際操作時苯的出口溫度。 已知：管材的導(dǎo)熱系數(shù)l = 45 W/(m)；操作范圍內(nèi)苯的物性參數(shù)可視為不變： r = 900kg/m3，Cp = 1.80kJ/(kg)，l = 0.14W/(m)， m = 0.4710-3 Pas。解：（1）求K并核算S現(xiàn)有換熱面積： 滿足要求 (2)計(jì)算苯的實(shí)際出口溫度換熱器的操作與調(diào)節(jié)有一套管式換熱器