化工原理（第四版）：第4章 傳熱

1、第一節(jié) 概 述 第四章 傳 熱 一、傳熱過程的應用（1）物料的加熱或冷卻（2）熱量與冷量的回收利用 （3）設備與管路的保溫2022/10/111二、傳熱的基本方式 （一）熱傳導特點：靜止介質(zhì)中的傳熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移導熱機理：物體不同區(qū)域間存在溫度差（二）熱對流 自然對流：由于流體內(nèi)溫度不同而密度不同造成 的浮升力引起的流動。 強制對流：流體受外力作用而引起的流動。特點：流動介質(zhì)中的傳熱，流體作宏觀運動2022/10/112（三）熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 特點：不需要任何物質(zhì)作媒介 實際傳熱過程中，三種傳熱方式可以同時存在2022/10/113三、兩流體通過間壁換熱

2、過程 冷流體t1t2熱流體T1T2（一）間壁式換熱器夾套式換熱器2022/10/114傳熱速率Q（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的 整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或W。（二）傳熱速率與熱流密度熱流密度q（熱通量） ：單位時間內(nèi)通過單位傳熱 面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。2022/10/115非穩(wěn)態(tài)傳熱 （三）穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱： 物體中各點溫度不隨時間變化的傳熱過程。2022/10/116（四）兩流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流傳導管外側(cè)冷流體Q管內(nèi)側(cè)熱流體穩(wěn)態(tài)傳熱：2022/10/117式中 tm兩流體的平均溫度差，或K； A傳熱面積，m2；

3、K總傳熱系數(shù)，W/(m2)或W/(m2K)。（五）總傳熱速率方程2022/10/118一、傅立葉定律溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。 （一）溫度場和等溫面非穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場 等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點 組成的面。 第二節(jié) 熱傳導2022/10/119（二）溫度梯度 xxt+ttQ 方向：法線方向，以溫度增加的方向為正。2022/10/1110（三）傅立葉定律式中 Q 熱傳導速率，W或J/s； A 導熱面積，m2； dt/dx 溫度梯度，/m或K/m； 導熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。式中負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反沿x軸向的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導：2022/1

4、0/1111二、熱導率 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量q = f(結(jié)構(gòu), 組成, 密度, 溫度, 壓力） 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 是表征材料導熱性能的物性參數(shù)2022/10/1112三、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 （一）單層平壁熱傳導 假設：材料均勻，為常數(shù)；一維溫度場，t沿x變化； A/b很大，忽略端損失。t1t2btxdxQ2022/10/1113積分：例 4-12022/10/1114 （二）多層平壁熱傳導假設：各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t32022/10/1115各層的溫差（穩(wěn)態(tài)傳熱）例 4-22022/10/1116結(jié)論： 多層平壁熱傳導，

5、總推動力為各層推動力之和，總熱阻為各層熱阻之和； 各層溫差與熱阻成正比。推廣至n層： 2022/10/1117四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 （一）單層圓筒壁的熱傳導 特點：傳熱面積隨半徑變化：A=2rl(2) 一維溫度場，t沿r變化。2022/10/1118在半徑r處取dr同心薄層圓筒積分2022/10/1119討論：對數(shù)平均面積熱阻令對數(shù)平均半徑2022/10/1120一般 時，2022/10/1121 （二）多層圓筒壁的熱傳導2022/10/1122三層：n層圓筒壁： 例 4-42022/10/1123一、對流傳熱過程第三節(jié) 對流傳熱dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T220

6、22/10/1124ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt 湍流主體溫度梯度小，熱對流為主 層流內(nèi)層溫度梯度大，熱傳導為主 過渡區(qū)域熱傳導、熱對流均起作用2022/10/1125式中 Q 對流傳熱速率，W； 1 、 2 熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 熱、冷流體的平均溫度及 平均壁溫，。 冷流體：熱流體：牛頓冷卻定律例 4-52022/10/1126（一）影響因素2. 流動的起因自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。 強制 自然 二、對流傳熱系數(shù)的影響因素1.流動狀態(tài) 湍流 層流 2022/10/1127自然

7、對流的產(chǎn)生：設 熱處：t2，2； 冷處：t1，1體積膨脹系數(shù)，1/C.或而得：或2022/10/1128由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的升力：加熱板冷卻板2022/10/11295. 是否發(fā)生相變 相變 無相變4. 傳熱面的形狀，大小和位置 形狀管、板、管束等； 大小管徑、管長、板厚等； 位置管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流體的物性 ，cp 2022/10/1130三、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式變量數(shù) 8個基本因次 4個：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度無量綱特征數(shù)（8-4）=4即 Nu=f (Re, Pr, Gr)無相變時量綱分析法2022/10/11311. 努塞爾特（Nusselt ）數(shù)表示對流

8、傳熱系數(shù)的特征數(shù)2. 雷諾（Reynolds）數(shù)反映流體的流動狀態(tài)對對流傳熱的影響2022/10/11323. 普蘭特（Prandtl）數(shù)反映流體的物性對對流傳熱的影響4. 格拉斯霍夫（Grashof）準數(shù)表示自然對流對對流傳熱的影響2022/10/1133使用準數(shù)關(guān)聯(lián)式時注意：1. 應用范圍2. 特征尺寸3. 定性溫度強制對流自然對流無相變有相變蒸汽冷凝液體沸騰一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)簡化：強制對流 Nu=f (Re, Pr) 自然對流 Nu=f (Pr, Gr)2022/10/1134四、無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式（一）流體在管內(nèi)作強制對流1. 圓形直管內(nèi)的強制湍

9、流流體被加熱 n=0.4流體被冷卻 n=0.3（1）應用范圍：Re 104, Pr=0.7120, l/d 60, 氣體或低粘度的液體（2 水）（2）定性溫度：流體進出口溫度的算術(shù)平均值（3）特征尺寸l：管內(nèi)徑d2022/10/1135物性一定時：可寫成：PrRe023.0n8.0Nu=例 4-62022/10/1136公式修正：（1）當l/d 2 水）工程處理：加熱：冷卻：2022/10/1137（3） 彎管（4）非圓形管道用當量直徑計算。2022/10/11382. 圓形直管內(nèi)流體處于過渡區(qū)時的對流傳熱系數(shù) 2300 Re 1042022/10/1139（1）當 Gr 25000，自然對流

10、不能忽略 乘校正因子： 適用范圍：定性溫度：特征尺寸l： 管內(nèi)徑d3. 圓形直管內(nèi)強制層流2022/10/1140（二）流體在管外強制對流傳熱流體在管束外垂直流過：2022/10/1141 應用范圍：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處 定性溫度：進、出口溫度平均值Nu=C Ren Pr0.4平均對流傳熱系數(shù)：式中C、n取值見表4-3。2022/10/1142（三）大空間自然對流傳熱的傳熱系數(shù)定性溫度：膜溫tm =(t +tw)/2各種情況下的C、n值及特征尺寸不同（見表4-4）。 或2022/10/11431. 蒸汽冷凝

11、方式五、流體有相變時的對流傳熱滴 膜 （1）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝冷凝過程的熱阻冷凝液膜（一）蒸汽冷凝時的對流傳熱2022/10/11442. 膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)（1）蒸汽在水平管束外冷凝定性溫度：膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù)r比汽化熱特征尺寸：管外徑d02022/10/1145（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝2022/10/1146層流Re1800湍流特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫 2022/10/11473.影響冷凝傳熱的因素和強化措施(1) 液體的物性 ，r (2) 不凝性氣體 不凝氣體（空氣）存在，導致 ，需定期排放。(3)蒸汽流速與流向 （u10m/s ） u，

12、同向時，t，；反向時，t， 2022/10/1148(5) 強化措施： 目的：減少冷凝液膜的厚度 水平管束：減少垂直方向上管數(shù)；改直列為錯列垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。(4) 蒸汽過熱的影響 r = r + Cp(tv- ts) 影響較小2022/10/1149（二）液體沸騰時的對流傳熱大容器內(nèi)沸騰 管內(nèi)沸騰1. 沸騰現(xiàn)象 在粗糙加熱面的細小凹縫處：汽化核心 生成汽泡 長大 脫離壁面汽泡浮升攪動液層沖破液面2022/10/1150沸騰必要條件： 過熱度 t=（tts）0 存在汽化核心 沸騰三個階段：自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰 工業(yè)上采用核狀沸騰 大，tW小沸騰曲線2022/10

13、/11512. 影響因素及強化措施 （1）液體的性質(zhì) （2）溫度差 核狀沸騰階段: t2.5， t （3）操作壓力2022/10/1152（4）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大 （5）強化措施 表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒2022/10/1153 第四節(jié) 傳熱過程計算總傳熱速率方程式中 Q傳熱速率，W； tm兩流體的平均溫度差，； A傳熱面積，m2； K總傳熱系數(shù)，W/(m2) 。2022/10/1154（一）恒溫傳熱（二）變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關(guān)一、傳熱平均溫度差逆流并流錯流折流2022/10/11551. 逆流與并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流

14、t2tAt1T2T1并流2022/10/1156以逆流為例推導tm假設：（1）穩(wěn)態(tài)流動， qm1、 qm2為常數(shù)； （2）cp1、cp2為常數(shù)； （3）K沿管長不變化； （4）熱損失忽略不計。AT2t1t2T1dTdtdAt2t1t=T-t對于微元：2022/10/1157T1T2t2t1Q而2022/10/1158 逆流、并流均適用； 當t2/t12，則可用算術(shù)平均值（誤差4%）。對數(shù)平均溫度差例 4-122022/10/11592. 錯流與折流查圖4-25 1 tm tm逆例 4-132022/10/1160二、總傳熱系數(shù)twTw管內(nèi)對流管外對流導熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ2（

15、一）總傳熱系數(shù)計算總傳熱速率方程：2022/10/1161管內(nèi)對流 管外對流 管壁熱傳導穩(wěn)態(tài)傳熱 twTw管內(nèi)對流管外對流導熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ22022/10/1162（1）平壁： dA=dA1=dA2=dAm討論：（2）圓筒壁：以外表面為基準 (dA=dA1) 2022/10/1163K1以外表面為基準的總傳熱系數(shù)，W/(m2.K)dm對數(shù)平均直徑，m以內(nèi)表面為基準：d1/d2A計 ，則換熱器合適。 2022/10/11692. 操作型計算（1）已知：換熱器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t2（2）已知：換熱器A， qm1、T1， T2 、t1 求：q

16、m2、 t2例 4-18例 4-19例 4-202022/10/1170一、基本概念1. 輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向 外發(fā)射能量的過程。 特點： 能量形式的轉(zhuǎn)換 不需要任何介質(zhì)第五節(jié) 熱 輻 射2022/10/1171QQQNQ能量守恒定律： 吸收率 反射率 穿透率 3. 物體對熱輻射的作用 總能量Q；被物體吸收Q ；被反射Q ；穿過物體Q 2022/10/1172 黑體：白體(鏡體)：透熱體：灰體：以相同的吸收率吸收所有波長輻射能的物體固體、液體： = 0 + = 1 氣體： = 0 + = 12022/10/1173二、物體的輻射能

17、力 物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能(波長從0到), 用E表示, W/m2波爾茨曼常數(shù), 5.67 10-8W/(m2 .K4)（一）黑體斯蒂芬-波爾茨曼定律四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感Cb黑體輻射系數(shù), 5.67W/(m2 .K4)2022/10/1174 （二）實際物體黑度： T2 1 2=1E1Eb (1-1)Eb1Eb 灰體 黑體 克?；舴蚨?1 bq E E=-1 1 bE E=1 2022/10/1176 結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強，其吸收率越大；（2） = 同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等；（3） ，E Eb 在任何溫度下、各種物體中

18、以黑體的輻射能力為最大。2022/10/1177（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相互輻射兩面積無限大的平行平板 角系數(shù)2022/10/1178 一物體被另一物體包圍若外圍為黑體， 2=1 或 A2 A1，則 C1-2=C1=Cb1 兩平面有限大的平行平板1 50 時，需考慮溫度熱補償。根據(jù)熱補償方式不同，列管式換熱器分為：2022/10/11872. 浮頭式特點：可完全消除熱應力,便于清洗和檢修, 結(jié)構(gòu)復雜2022/10/11883. U型管式特點：結(jié)構(gòu)較浮頭簡單；但管程不易清洗。2022/10/1189三、列管換熱器的選用1. 根據(jù)工藝任務，計算熱負荷Q2. 計算tm3. 依據(jù)經(jīng)驗選取K，估

19、算A4. 確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定u 先按單殼程多管程計算，如果0.8，應增加殼程數(shù)； 由u和qm估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的A，估算管子長度，再由系列標準選適當型號的換熱器。2022/10/11905. 核算K 分別計算管程和殼程的，確定垢阻，求出K，并與估算的K進行比較。如果相差較多，應重新估算。6. 計算A 根據(jù)計算的K和tm，計算A，并與選定的換熱器A相比，應有10%25%的裕量。2022/10/1191(1) 流體流程選擇管程：不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體原則：傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便(2) 流體流速的選擇u選擇是經(jīng)濟權(quán)衡，要避免層流流動 u K ，在同Q、tm下A，節(jié)省設備費u Hf ，操作費用增加2022/10/1192