化工原理 第二章

第二章傳熱(chuánrè)及傳熱(chuánrè)設(shè)備

化工(huàgōng)原理精品資料第二章傳熱(chuánrè)及傳熱(chuánrè)設(shè)備傳熱(chuánrè)基本概念31.1熱傳導(dǎo)的基本概念與能量衡算31.231.431.3計算31.6計算31.5精品資料CompanyLogo傳熱基本方式2.1.1傳熱速率2.1.22.1傳熱(chuánrè)基本概念精品資料2.1.1傳熱基本(jīběn)方式熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱，是指直接接觸的系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)各部分之間沒有宏觀的相對運動，僅僅依靠分子(fēnzǐ)、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而實現(xiàn)熱量傳遞的現(xiàn)象。對流是指流體中各部分質(zhì)點之間發(fā)生宏觀相對運動和混合而引起的熱量傳遞過程，即熱對流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。熱輻射簡稱輻射，是物體因熱的原因而產(chǎn)生電磁波在空間的傳遞現(xiàn)象。精品資料2.1.2傳熱(chuánrè)速率傳熱速率Q是指單位時間內(nèi)通過一臺換熱器的傳熱面或某指定(zhǐdìng)傳熱面的熱量。精品資料CompanyLogo熱傳導(dǎo)基本概念2.2.1傅立葉定律2.2.22.2熱傳導(dǎo)固體平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)2.2.3固體圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)2.2.4精品資料2.2.1熱傳導(dǎo)基本概念1．溫度場與等溫面如果用直角坐標(biāo)x、y、z來描述(miáoshù)物體內(nèi)各點的位置，以θ代表時間，t代表溫度，那么，在某一瞬間，溫度在空間各點分布的綜合情況稱為溫度場。（2-1）

精品資料2.2.1熱傳導(dǎo)基本概念在某一瞬間，溫度(wēndù)場內(nèi)溫度(wēndù)相同的各點組成的面叫等溫面，用任何一平面與等溫面相切可得到等溫線。

精品資料2.2.1熱傳導(dǎo)基本概念2．溫度梯度沿著與等溫面相交的任何方向都有溫度的變化，這種變化在法線方向上距離最短，單位長度的溫度變化最大。為了(wèile)描述這種變化情況，把兩相鄰等溫面之間沿著法線方向的溫度差Δt與法向距離Δn之比叫做溫度梯度，即（2-1）對于一維穩(wěn)態(tài)溫度場，等溫線全都垂直于x方向，其溫度梯度為（2-2）精品資料2.2.2傅里葉定律(dìnglǜ)實驗(shíyàn)研究結(jié)果表明，熱能總是朝著溫度降低的方向傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率的大小與溫度梯度以及導(dǎo)熱面積成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為=－（2-6）上式稱為傅立葉定律，是熱傳導(dǎo)的基本定律，式中負(fù)號表示熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反，即熱量朝著溫度下降的方向傳遞。

精品資料2.2.3固體(gùtǐ)平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1.單層平壁熱傳導(dǎo)精品資料2.2.3固體(gùtǐ)平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)2.多層平壁熱傳導(dǎo)精品資料2.2.3固體(gùtǐ)平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)表2-1幾種常見(chánɡjiàn)表面的接觸熱阻接觸面材料粗糙度，μm溫度，℃表壓強，kPa接觸熱阻，m2.℃/W不銹鋼（磨光），空氣2.5490～200300～25000.264～10－3鋁（磨光），空氣2.541501200～25000.88～10－4鋁（磨光），空氣0.251501200～25000.18～10－4銅（磨光），空氣1.27201200～200000.7～10－5精品資料2.2.4固體(gùtǐ)圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1.單層圓筒壁熱傳導(dǎo)

（2-20）

（2-21）

精品資料2.2.4固體(gùtǐ)圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)2.多層圓筒壁熱傳導(dǎo)=

精品資料2.2.4固體(gùtǐ)圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)于固體壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的計算問題，雖然有平壁與圓筒壁、單層壁與多層壁之分，但就熱傳導(dǎo)速率計算式的形式而言，則是完全相同的，即都可采用(cǎiyòng)一般的公式表示之（2-27）

精品資料CompanyLogo牛頓冷卻定律2.3.1無相變對流傳熱系數(shù)計算2.3.2有相變對流傳熱系數(shù)計算2.3.32.3對流傳(liúchuán)熱精品資料2.3對流傳(liúchuán)熱精品資料2.3.1牛頓冷卻(lěngquè)定律流體在單位(dānwèi)時間內(nèi)流經(jīng)管道單位(dānwèi)截面的量稱為流速。則==（2-29）上式稱為牛頓冷卻定律，描述了換熱器任一截面上的局部對流傳熱規(guī)律。==

精品資料2.3.1牛頓冷卻(lěngquè)定律在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)隨管長而變化，但是在工程計算中，常常使用平均對流傳熱系數(shù)來描述整個換熱器內(nèi)的對流傳熱情況，此時牛頓冷卻定律(dìnglǜ)可以表示為=（2-30）實驗表明，影響的主要因素有：（1）流體的種類和相變化的情況（2）流體的物理性質(zhì)（3）流體的流動狀況（4）引起流體流動的原因（5）傳熱表面的形狀、大小及位置情況==

精品資料2.3.1牛頓(niúdùn)冷卻定律表2-2準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)(guānlián)式==

準(zhǔn)數(shù)名稱符號及準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)

表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)表示流體流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普蘭特準(zhǔn)數(shù)表示流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)

表示自然對流對對流傳熱的影響精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算一.無相變時流體在管內(nèi)流動的計算1．流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流(tuānliú)（1）低粘度流體可應(yīng)用迪特斯—貝爾特關(guān)聯(lián)式：（2-33）（2）高粘度流體可應(yīng)用西德爾—泰特關(guān)聯(lián)式：（2-34）

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算2．流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流流體在圓形直管內(nèi)層流流動時，應(yīng)考慮自然對流的影響，情況比較復(fù)雜，關(guān)聯(lián)(guānlián)式的誤差比湍流時的要大。當(dāng)管徑較小，且流體和壁面的溫差不大時，自然對流的影響可以忽略，這時可采用西德爾—泰特關(guān)聯(lián)(guānlián)式：（2-35）==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算3．圓形直管內(nèi)其它情況（1）流體在彎管(wānɡuǎn)內(nèi)作強制對流（2-35）（2）流體在圓形直管中呈過渡流（2-36）（3）流體在短管內(nèi)作強制對流（2-27）==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算4．流體在非圓形管內(nèi)作強制對流此時(cǐshí)，只要將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑，則仍可采用上述各關(guān)聯(lián)式。的定義式為：（2-39）但有些資料中規(guī)定某些關(guān)聯(lián)式采用傳熱當(dāng)量直徑:（2-40）

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算二、無相變時流體(liútǐ)在管外流動的計算1.流體(liútǐ)在管束外強制垂直流動

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算2.流體(liútǐ)在換熱器的管間流動

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算2.2.3.有相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算1.蒸氣冷凝

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算2.液體(yètǐ)沸騰

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算（1）自然(zìrán)對流區(qū)（2）泡狀（核狀）沸騰區(qū)（3）膜狀沸騰區(qū)

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算（1）首先分析所處理的問題是屬于哪一類（2）選用(xuǎnyòng)相應(yīng)的計算式時，應(yīng)注意被選用(xuǎnyòng)的公式所規(guī)定的使用范圍，特性尺寸，定性溫度等；（3）公式中物性參數(shù)的單位要予以注意，按規(guī)定代入；（4）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流的無相變計算，在工程上最為常見，但許多情況下如過渡流、彎管、非圓管等的計算，都是由該式派生而得，應(yīng)予以充分掌握；（5）蒸汽冷凝與液體沸騰要特別注意對的影響因素。（6）液體沸騰中，溫度差、操作壓力、流體物性、加熱面等都有影響。

==

精品資料2.3.2無相變對流(duìliú)傳熱系數(shù)計算表2-4值的大致(dàzhì)范圍

==

傳熱情況

（W/m-2·K-1）

空氣自然對流

5—25

氣體強制對流

20—100

水自然對流

200—1000

水強制對流

1000—15000

水蒸汽膜狀冷凝

5000—15000

水蒸汽滴狀冷凝

400000—120000

水沸騰

2500—25000

有機蒸氣冷凝

500—2000精品資料CompanyLogo牛頓冷卻定律2.4.1無相變對流傳熱系數(shù)計算2.4.2有相變對流傳熱系數(shù)計算2.4.32.4熱輻射對流與輻射聯(lián)合傳熱2.4.4精品資料2.4.1輻射(fúshè)傳熱基本概念1.熱輻射及其特點物體溫度大于絕對零度即可向外發(fā)射輻射能，輻射能以電磁波形式傳遞，當(dāng)與另一物體相遇，則可被吸收、反射、透過，其中(qízhōng)吸收的部分又可將電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。這種僅與物體本身的溫度有關(guān)而引起的熱能傳播過程，稱為熱輻射。（1）物體的熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，只要物體的溫度不變，其發(fā)射的輻射能亦不變；精品資料2.4.1輻射(fúshè)傳熱基本概念（2）物體向外發(fā)射輻射能的同時，并不斷吸收(xīshōu)周圍物體輻射來的能量，結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量，稱為輻射傳熱；（3）理論上，熱輻射的電磁波波長為零到無窮大，實際上，波長僅在0.4-40的范圍是明顯的；（4）可見光的波長為0.4-0.8，紅外線的波長0.8-40，可見光與紅外線統(tǒng)稱為熱射線；（5）雖然熱射線與可見光的波長范圍不同，但本質(zhì)一樣。精品資料2.4.1輻射(fúshè)傳熱基本概念2.輻射能的吸收、反射(fǎnshè)和透過精品資料2.4.1輻射(fúshè)傳熱基本概念（1）的物體稱為絕對黑體或黑體，實際上，的物體是不存在(cúnzài)的，但有些物體接近于黑體。（2）的物體稱為絕對白體或鏡體，的物體也不存在(cúnzài)，但有些物體性質(zhì)接近于白體。（3）的物體稱為透熱體，雖然實際中并不存在(cúnzài)透熱體，但是單原子或?qū)ΨQ雙原子氣體可近似為透熱體。精品資料2.4.1輻射(fúshè)傳熱基本概念3.灰體工程上為了處理問題方便起見，提出了“灰體”的概念。所謂灰體，從輻射的角度來講，在相同溫度下，能以相同的吸收率吸收各種波長輻射能的物體，是一種理想化物體，但大多數(shù)工程材料都可以近似(jìnsì)為灰體?；殷w的特點是：（1）吸收率與波長無關(guān)；（2）灰體是不透熱體。精品資料2.4.2物體的輻射(fúshè)能力1.斯蒂芬-波爾茨曼定律該定律的描述是：黑體的輻射(fúshè)能力與其表面溫度的四次成正比。即：

（2-52）精品資料2.4.2物體的輻射(fúshè)能力2.灰體的輻射能力因為許多工程(gōngchéng)材料的輻射特性近似于灰體，所以通常將實際物體視為灰體來計算其輻射能力E，可用下式計算：（2-53）精品資料2.4.2物體(wùtǐ)的輻射能力3.黑度在計算輻射傳熱中，由于相同溫度下黑體(hēitǐ)的輻射能力最強，通常將灰體輻射能力與同溫度下黑體(hēitǐ)輻射能力之比定義為物體的黑度，即（2-54）精品資料2.4.2物體的輻射(fúshè)能力表2-5常用(chánɡyònɡ)工業(yè)材料的黑度

材

料

溫

度，℃

黑

度紅磚耐火磚鋼板（氧化的）鋼板（磨光的）鋁（氧化的）鋁（磨光的）銅（氧化的）銅（磨光的）鑄鐵（氧化的）鑄鐵（磨光的）

20

--200-600940-1100200-600225-575200-600--200-600330-9100.930.8-0.90.80.55-0.610.11-0.190.039-0.0570.57-0.870.030.64-0.780.6-0.7精品資料2.4.2物體(wùtǐ)的輻射能力4.克希霍夫定律該定律描述(miáoshù)了灰體的輻射能力與其吸收率之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：（2-55）上式說明，任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒為常數(shù)，且等于同溫度下黑體的輻射能力，其值僅與物體的溫度有關(guān)。精品資料2.4.3物體間的輻射(fúshè)傳熱工業(yè)上兩固體間的相互(xiānghù)輻射傳熱計算是很復(fù)雜的，一般都把兩物體視為灰體，在兩灰體間的輻射傳熱中，相互(xiānghù)進(jìn)行著輻射能的多次被吸收和多次被反射的過程，應(yīng)考慮兩固體間的吸收率、反射率、形狀、大小及兩物體間的距離和相互(xiānghù)位置的影響（2-57）精品資料2.4.3物體(wùtǐ)間的輻射傳熱表2-6值與的計算(jìsuàn)式序號輻射情況S1極大的兩平行面S1或S212面積相等的兩平行面S1查圖2-13

3很大的物體2包住物體1S11

4物體2恰好包住物體1S115介于3、4兩種情況之間S11精品資料2.4.3物體間的輻射(fúshè)傳熱

精品資料2.4.4對流與輻射聯(lián)合(liánhé)傳熱為減少熱損失或冷損失，許多溫度較高或較低的設(shè)備，如換熱器、塔器、反應(yīng)器及蒸汽管道等都必需進(jìn)行保溫(bǎowēn)或隔熱處理。對流熱損失:（2-58）輻射熱損失：（2-59）

精品資料CompanyLogo間壁式換熱簡介2.5.1熱量衡算2.5.2總傳熱速率方程2.5.32.5間壁式換熱器傳熱(chuánrè)計算總傳熱系數(shù)的確定2.5.4平均傳熱溫度差的計算2.5.5換熱器的傳熱計算2.5.6精品資料2.5.1間壁式換熱簡介(jiǎnjiè)精品資料2.5.1間壁式換熱簡介(jiǎnjiè)精品資料2.5.2熱量(rèliàng)衡算1.無相變化時熱負(fù)荷(fùhè)計算（1）熱焓法（2-65）（2）比熱法（2-66）精品資料2.5.2熱量(rèliàng)衡算2.有相變化時熱負(fù)荷計算（1）一側(cè)流體(liútǐ)發(fā)生相變化，且處于飽和狀態(tài)（2-67）（2）一側(cè)流體(liútǐ)發(fā)生相變后，又進(jìn)一步有顯熱變化（2-68）精品資料2.5.3總傳熱(chuánrè)速率方程為便于計算，需避開壁溫，而直接用已知的冷、熱流體的溫度進(jìn)行計算。為此，需要(xūyào)建立以冷、熱流體主體溫度差為傳熱推動力的傳熱速率方程，該方程稱為總傳熱速率方程。內(nèi)側(cè)熱流體至內(nèi)壁面的對流傳熱方程：（2-70）精品資料2.5.3總傳熱(chuánrè)速率方程內(nèi)壁面至外壁面的熱傳導(dǎo)方程(fāngchéng)：（2-71）外壁面至外側(cè)冷流體的對流傳熱方程(fāngchéng)：（2-72）精品資料2.5.4總傳熱系數(shù)的確定(quèdìng)1.理論計算法（1）理論公式當(dāng)冷、熱流體通過管式換熱器進(jìn)行傳熱時，沿傳熱方向傳熱面積是變化的，此時總傳熱系數(shù)K必須和所選擇(xuǎnzé)的傳熱面積相對應(yīng)，選擇(xuǎnzé)的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。精品資料2.5.4總傳熱系數(shù)的確定(quèdìng)（2）污垢(wūgòu)熱阻影響表2-7污垢(wūgòu)熱阻常見值

流

體

污垢熱阻RS

(m2·K/kW)流

體污垢熱阻RS(m2·K/kW)水(1m/s,t＞50℃)蒸餾水海水清凈的河水未處理的涼水塔用水已處理的涼水塔用水硬水、井水氣體空氣溶劑蒸氣

0.090.090.210.580.260.580.26-0.530.14

水蒸氣

優(yōu)質(zhì)——不含油

劣質(zhì)——不含油

往復(fù)機排出

液體

處理過的鹽水

有機物

燃料油

焦油0.0520.090.1760.2640.1761.0561.76精品資料2.5.4總傳熱系數(shù)的確定(quèdìng)（3）提高(tígāo)K值討論若不考慮管壁熱阻及污垢熱阻的影響，且同時將傳熱面取為平壁或薄管壁時，（2-8）精品資料2.5.4總傳熱系數(shù)的確定(quèdìng)2.經(jīng)驗(jīngyàn)選取法表2-8管殼式換熱器中的總傳系數(shù)K的經(jīng)驗(jīngyàn)值

冷流體

熱流體

傳熱系數(shù)K

[]水水850～1700水氣體17～280水有機溶劑280～850水輕油340～910水重油60～280有機溶劑有機溶劑115～340水水蒸汽冷凝1420～4250氣體水蒸汽冷凝30～300水低沸點烴類冷凝455～1140水沸騰水蒸汽冷凝2000～4250精品資料2.5.4總傳熱系數(shù)的確定(quèdìng)3.經(jīng)驗選取法對于已有的換熱器，可以通過測定有關(guān)數(shù)據(jù)，如設(shè)備的尺寸、流體的流量和溫度等，然后由傳熱基本方程式計算K值。顯然，這樣得到的總傳熱系數(shù)K值最為可靠。實測K值的意義，不僅可以為換熱器設(shè)計提供依據(jù)(yījù)，而且可以分析了解所用換熱器的性能，尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。

精品資料2.5.5平均傳熱(chuánrè)溫度差的計算1.恒溫傳熱時的當(dāng)間壁換熱器兩側(cè)流體均發(fā)生飽和相變化時，溫度差的計算非常簡單。例如(lìrú)蒸發(fā)器操作，一側(cè)為飽和蒸氣冷凝，熱流體保持在恒溫T下放熱；另一側(cè)為飽和液體沸騰，冷流體保持在恒溫t下吸熱。因此，換熱器間壁兩側(cè)流體的溫度差處處相等，則：（2-85）

精品資料2.5.5平均傳熱(chuánrè)溫度差的計算2.變溫傳熱(chuánrè)時的

精品資料2.5.5平均(píngjūn)傳熱溫度差的計算

精品資料2.5.5平均傳熱(chuánrè)溫度差的計算（1）并流與逆流時的計算式導(dǎo)出現(xiàn)以逆流操作為例，取微元傳熱面積dS分析。對于穩(wěn)態(tài)傳熱，且熱損失可忽略(hūlüè)時，由熱量衡算得（2-86）

精品資料2.5.5平均傳熱(chuánrè)溫度差的計算（2）其它(qítā)流型的平均溫度差計算

精品資料2.5.6換熱器的傳熱(chuánrè)計算1.計算舉例[例2-9]在一鋼制套管換熱器中，用冷水將1kg/s的苯由65℃冷卻至15℃，冷卻水在φ25×2.5mm的內(nèi)管中逆流流動，其進(jìn)出口溫度為10℃和45℃。已知苯和水的對流傳熱系數(shù)分別為0.82×103W/(m2·K)和1.7×103W/(m2·K)，在定性溫度下水(xiàshuǐ)和苯的比熱容分別為4.18×103J/(kg·K)和1.88×103J/(kg·K)，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·K)，又兩側(cè)的污垢熱阻可忽略不計。試求（1）冷卻水消耗量；（2）所需的總管長。

精品資料2.5.6換熱器的傳熱(chuánrè)計算（1）Wc＝0.643kg／s（2）由于(yóuyú)K以管外的傳熱面積為基準(zhǔn)，計算L時應(yīng)以d0為基準(zhǔn)。故所需總管長

精品資料2.5.6換熱器的傳熱(chuánrè)計算2.傳熱(chuánrè)效率與傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（1）傳熱(chuánrè)效率（2-93）（2）傳熱(chuánrè)單元數(shù)（2-94）

（2-95）精品資料2.5.6換熱器的傳熱(chuánrè)計算3.傳熱系數(shù)與傳熱單元(dānyuán)數(shù)的關(guān)系精品資料2.5.6換熱器的傳熱(chuánrè)計算接上圖精品資料CompanyLogo換熱器類型2.6.1強化傳熱途徑2.6.2管殼式換熱器設(shè)計2.6.32.6換熱設(shè)備(shèbèi)精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)1．直接(zhíjiē)接觸式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)2．蓄熱式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)3．間壁式換熱器1.套管(tàoɡuǎn)式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)2.蛇管式換熱器（1）沉浸(chénjìn)式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（2）噴淋式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)3.管殼式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（1）固定(gùdìng)管板式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（2）浮頭(fútóu)式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（3）U型管式精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（二）板式(bǎnshì)換熱器1.夾套式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)2.螺旋板換熱器

精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)3.平板式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)（三）翅片式換熱器1.板翅式換熱器

精品資料2.6.1換熱器類型(lèixíng)2.翅片管式換熱器精品資料2.6.1換熱器類型(l