物理傳熱過程

第四章傳熱過程4.1概述凡有溫度差的地方就有傳熱，如太陽輻射，兌開水，暖氣。4.1.1化工生產(chǎn)中的傳熱化學(xué)反響器：吸熱，放熱傳熱與其它單元操作同時出現(xiàn)：蒸發(fā)，精餾，枯燥，結(jié)晶熱量綜合利用：強(qiáng)化，削弱熱力學(xué)第二定律：在不消耗外界功的條件下，熱僅能從高溫往低溫方向傳遞或傳播實際工業(yè)或民用形式熱量傳遞的根本方式——傳導(dǎo)、對流和輻射本章主要內(nèi)容——從傳熱機(jī)理出發(fā)，分析傳熱過程的傳熱速率及其影響因素，說明主要的計算方法，說明傳熱設(shè)備的根本結(jié)構(gòu)，指出傳熱強(qiáng)化的途徑4.1.2傳熱中的根本物理量和單位主要有熱量、傳熱速率、熱流密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)量的名稱量的符號量的單位熱量QJ或卡傳熱速率（熱流量/熱負(fù)荷）ΦW或kcal/h熱流密度（傳熱強(qiáng)度/面積熱流量）W/m2定壓熱容，包括比定壓熱容和定壓摩爾熱容CP,mCp=∑xiCi

J.K-1.kg-1J.K-1.mol-1相變熱或潛熱（氣化熱、冷凝熱、升華熱、融解熱、溶解熱、結(jié)晶熱、稀釋熱）rm=∑xiriJ.kg-1J.mol-14.2熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是物體溫度較高的分子因熱而振動，并與相鄰的分子碰撞，而將能量傳遞給相鄰分子，順序的將能量從高溫向低溫局部傳遞。4.2.1根本概念和傅立葉定律溫度場和等溫面t=f(x,y,z,τ)穩(wěn)定溫度場——各點溫度不隨時間而變化，即t=f(x,y,z,)溫度梯度——沿等溫面垂直方向的向量，它的正方向是沿著溫度增加的方向。等溫面上溫度T不變,法線方向T變化最大。傅立葉定律單位時間內(nèi)的傳熱量與垂直于熱流方向的導(dǎo)熱截面積和溫度梯度成正比。熱流方向總是與溫度梯度的方向相反。在穩(wěn)定傳熱時，式4－2導(dǎo)熱系數(shù)——是物質(zhì)的一種根本性質(zhì)，它標(biāo)志著物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。導(dǎo)熱系數(shù)λ為：溫度梯度1K/m,導(dǎo)熱面積為1m2,單位時間內(nèi)傳遞的熱量，W/(m·k)物質(zhì)種類 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)物質(zhì)種類 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)純金屬100~1400金屬合金50～500液態(tài)金屬30～300非金屬固體0.05~50非金屬液體0.5~5絕熱材料0.05~1氣體0.005~0.5表4.1導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化溫度升高，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)λ金屬下降；液體的導(dǎo)熱系數(shù)λ液體下降〔水和甘油除外〕；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)上升。均質(zhì)固體物λ＝λ0〔1＋αt〕物質(zhì)種類導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)物質(zhì)種類導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)金屬5~420建筑材料0.5~2絕熱材料0.01~0.4水0.6其它液體0.09~0.7氣體0.007~0.17表4.2常見物質(zhì)在0～100℃的導(dǎo)熱系數(shù)混合物的導(dǎo)熱系數(shù)液體混合物導(dǎo)熱系數(shù)氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)4.2.2通過平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平璧的熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)傳熱傅立葉公式平壁內(nèi)某處〔x〕的溫度tx＝t1－(t1－t2)x/δ多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)由于利用上式，可推出：例4－1例4－24.2.3通過園筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)近似處理：用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

例4－3例4－44.3對流傳熱4.3.1對流傳熱機(jī)理根本概念對流傳熱—流體各局部發(fā)生相對位移而引起的傳熱現(xiàn)象。實質(zhì)因為流體質(zhì)點變動位置并相互碰撞，熱量由高能量質(zhì)點傳遞到低能量質(zhì)點。工程上的對流傳熱一般在液體和固體壁面間進(jìn)行傳熱〔加熱或冷卻〕。包括4種情形：A：流體無相變A1——管內(nèi)強(qiáng)制對流A2——自然對流B：流體有相變B1——蒸汽冷凝〔又分局部冷凝和全部冷凝〕B2——液體汽化〔又分局部汽化和全部汽化〕對流傳熱機(jī)理牛頓傳熱方程〔牛頓冷卻定律〕牛頓冷卻定律——壁面溫度為tw的固體，給熱于溫度為t的周圍流體，傳熱速率Φ與壁面的面積成正比，與壁面和流體的溫度差tw－t成正比。4.3.2對流傳熱膜系數(shù)影響傳熱膜系數(shù)的因素流體種類：液體，氣體，蒸汽流體性質(zhì)：ρ，cp，λ，μ，β流體流動狀況：與v有關(guān)〔Re〕流體對流狀況：自然，強(qiáng)制傳熱壁的形狀，位置及尺寸：管，板，管束的排列方式〔水平或垂直放置〕相變化的影響。傳熱過程的特征數(shù)(準(zhǔn)數(shù))

準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)形式物理意義Nu（努塞爾）傳熱膜系數(shù)的特征數(shù)，表明流體導(dǎo)熱系數(shù)及幾何尺寸的作用Re（雷諾）確定傳熱時流體的流動形態(tài)，并表明對換熱的影響Pr（普朗特）表明某些物理性質(zhì)對傳熱的影響Gr（格拉曉夫）表明因受熱引起的自然對流對傳熱的影響α——傳熱膜系數(shù)，W.m-2.K-1λ——流體導(dǎo)熱系數(shù)，W.m-2.K-1l——傳熱面幾何特征，md——管內(nèi)徑，mv——流體流速，m.s-1β——流體膨脹系數(shù)，K-1

Δt——流體與壁面溫度差，Kg——重力加速度，m.s-2傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式運用各種準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式要注意：

應(yīng)用條件，應(yīng)用范圍；特征尺寸；定性溫度。圓形直管內(nèi)湍流時的給熱流體被加熱時，n＝0.4；流體被冷卻，應(yīng)用范圍：Re＞104〔湍流〕0.7＜Pr＜120，L/di≥50。定性尺寸、定性溫度高粘度校正例：一流體流經(jīng)Ф的管子〔湍流〕，對流給熱系數(shù)α為1000W/(m2K),現(xiàn)流量不變，管子變?yōu)椐?9×2,問對流給熱系數(shù)α。

α’＝α(di'/di)=1000(20/15)＝1678W/(m2K)圓形直管內(nèi)層流流時的給熱應(yīng)用范圍：Re﹤2300,Pr﹥0.6,Re×Pr×〔di/L〕﹥10流體在非圓形管內(nèi)流動時，用當(dāng)量直徑de流體與蛇管或與器壁以自然對流傳熱的傳熱膜系數(shù)Gr·Pr cn

＜0.001Nu=0.5 0.001～5001.181/3500～20,000,0000.541/4>20,000,0000.1351/3渦輪式攪拌器附屬夾套的圓筒容器，流體與壁面間的傳熱膜系數(shù)例4－5例4－6沸騰和冷凝的傳熱膜系數(shù)對流傳熱膜系數(shù)的大致范圍

傳熱情況 α/w/(m2K)

空氣自然對流5~25 氣體強(qiáng)制對流20~100 水自然對流200~1000 水強(qiáng)制對流 1000~15000 水蒸汽膜狀冷凝5000～15000 水蒸汽滴狀冷凝 40000~120000 水沸騰 2500~25000 有機(jī)蒸汽冷凝500~2000 需要解決的問題：①熱量衡算，傳熱速率。②溫度沿傳熱面變化。③twTw不好測。4.4熱交換的計算4.4.1總傳熱方程熱流體向壁面的對流傳熱φ1＝α1A1〔t1-tw,1〕器壁的導(dǎo)熱φ2=Am(tw,1-tw,2)/(δ/λ)壁面向冷流體的對流傳熱φ3＝α2A2〔tw,2-t2〕定態(tài)條件的總傳熱方程

平面壁的總傳熱方程牛頓冷卻定律——φ=αA〔tw-t2〕對于平面壁而言，A1＝A2＝A參照牛頓冷卻定律，將式改寫成φ=KA〔t1-t2〕=KAΔt此式即平面壁的總傳熱方程其中K為總傳熱系數(shù)，單位2.K-1例4－7

求傳熱速率和各熱阻圓筒壁的總傳熱方程假設(shè)r2≦2r1，可取算術(shù)平均值取代分子中第二項；當(dāng)圓筒壁厚度不大時，可以視為r2＝r1＝rm總傳熱系數(shù)以外壁面為計算基準(zhǔn)：

φ＝K0A0(t1-t2)

其中A0為外管截面積注意：沒有特別注明，一般以管子外外表為計算基準(zhǔn)?？倐鳠嵯禂?shù)以內(nèi)壁面為計算基準(zhǔn)：

φ＝KiAi(t1-t2)

其中Ai為內(nèi)管截面積多層圓筒壁的總傳熱方程提高K，可以提高α，降低δ等，重點提高薄弱環(huán)節(jié)。如導(dǎo)熱可忽略，無污垢，那么1/K=1/α0+1/αi給熱系數(shù)相差很大，要提高小的給熱系數(shù)4.4.3傳熱溫差恒溫傳熱連續(xù)定態(tài)的恒溫傳熱，一側(cè)為飽和蒸汽，另一側(cè)為沸騰液體。Δt=t1－t2變溫傳熱間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體的溫度隨傳熱面〔傳熱位置〕而不同。傳熱平均溫差Δtm〔以逆流為例〕Φ=KAΔtm假設(shè)①穩(wěn)態(tài)，wh,wc為常數(shù)。②cp1,,cp2

,K均為常數(shù)。③無熱損失取微小傳熱dA，熱流體傳出的熱量為：dφ＝-m1cp1dT冷流體獲得的熱量為：dφ＝m2cp2dt變形后，兩式相減，d〔T－t〕＝-dφ[1/(m1cp1)+1/(m2cp2)]又總傳熱方程有：dφ＝K〔T－t〕dA所以得到如下式子：d〔T－t〕/〔T－t〕＝-K[1/(m1cp1)+1/(m2cp2)]dA帶入邊界條件：當(dāng)A＝0，T＝T1t＝t2當(dāng)A＝A，T＝T2t＝t1積分，得到

以邊界條件時的熱量衡算關(guān)系式：對于熱流體：φ＝－m1cp1〔T2－T1〕對于冷流體：φ＝m2cp2〔t2－t1〕那么有把式〔*〕和式〔**)聯(lián)立，消去m1cp1和m1cp1可得

式4－21其中，tm為對數(shù)平均傳熱溫差。對于并流可以得到完全相同的結(jié)果。例4－11：比較對流和逆流的傳熱溫差

并流熱120→70冷20←60Δtm逆流熱120→60冷70←20Δtm

結(jié)論：逆流的特點：相同條件下，所需傳熱面?。还?jié)省冷卻劑或加熱劑；逆流時t2可以大于T2；并流t2總是小于T2并流的特點：容易控制溫度，可以防止過熱、過冷；并流t2總是小于T2；例4－13換熱量與換熱面積之間的關(guān)系4.4.4強(qiáng)化傳熱過程的途徑增大傳熱面積A翅片蛇管〔夾套反響釜中運用〕增大傳熱溫差Δtm選擇逆流〔只有防止過熱或過冷時才用順流〕提高加熱流體溫度或降低冷卻流體的溫度，如：增加蒸汽的壓強(qiáng)提高熱流體溫度〔Δtm受工藝條件限制往往無法改變，經(jīng)濟(jì)節(jié)能角度盡量防止過高溫度或低溫冷凍〕提高K增加湍流程度，增大λ，去除污垢，增加α小的一面?zhèn)鳠崦?〔翅片〕在一傳熱面為30m2的列管式換熱器中，用120℃的飽和水蒸汽冷凝將氣體從30℃加熱到80℃，氣體走管內(nèi)，流量為5000m3/h(密度為1kg/m3,均按入口狀態(tài)計)，質(zhì)量定壓熱容為1kJ/(kgK)，估算換熱器的傳熱系數(shù)。假設(shè)氣體流量減少50％，估算在加熱蒸氣壓強(qiáng)和氣體入口溫度不變的條件下，氣體出口溫度變?yōu)槎嗌?？設(shè)氣體在管內(nèi)流動Re均大于104。解：1〕1201208030Δtm=(120－30－〔120－80〕)/lnΦ=mc(t2-t1K=Φ/(AΔtm2)估計氣體出口溫度變化不大，認(rèn)為物性不變α空氣＜＜α蒸氣冷凝K≈α空氣解得t2為84.5℃4.5熱交換器列管式換熱器補(bǔ)償熱膨脹的措施〔膨脹圈或浮頭式〕熱交換器的程數(shù)折流板翅片管流體流經(jīng)管內(nèi)或者管間的選擇腐蝕性流體走管內(nèi)渾濁或易析出沉渣結(jié)垢流體走管內(nèi)壓力高、流量小、粘滯性流體走管內(nèi)液－液換熱，溫度高流體走管內(nèi)飽和蒸汽走管間〔蒸汽α本來高，讓傳熱膜系數(shù)低的流體走管內(nèi)提高α〕套管換熱器夾套換熱器蛇管式熱交換器螺旋板式熱交換器板式熱交換器熱管本章練習(xí)課本10、11、14、18、19、20、23補(bǔ)充題〔共11題〕注：可以選擇性的做其中13道題。敬請按時上交作業(yè)。謝謝

1.

溫度