化工原理 第四章 傳熱

第四章傳熱(chuánrè)傳熱(chuánrè)概念熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射（自學(xué)）傳熱計算換熱器熱量衡算傳熱速率方程目的→掌握傳熱的基本原理、傳熱方式與特點。計算傳熱問題。了解換熱器結(jié)構(gòu)與設(shè)計。精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念1.傳熱(chuánrè)傳熱→亦稱熱傳遞，指因溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移。主要研究傳熱速率。化工生產(chǎn)中要求強化傳熱（如換熱器傳熱）和削弱傳熱（如管道保溫），另外，蒸發(fā)、蒸餾和干燥等也涉及到傳熱過程，故傳熱是一種普遍的傳遞現(xiàn)象。2.傳熱的基本方式（熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射）①熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)→亦稱導(dǎo)熱，指物體不發(fā)生相對位移，由分子、原子和自由電子等粒子熱運動而引起的熱傳遞。導(dǎo)熱的產(chǎn)生條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。導(dǎo)熱在s、l和g中均可進行。金屬→自由電子運動；不良導(dǎo)體的固體和大部分液體→原子和分子在平衡位置附近的振動，即晶格振動；氣體→分子不規(guī)則運動。典型的導(dǎo)熱方式→固體中的熱傳導(dǎo)精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念②熱對流熱對流→簡稱對流，指流體各部分之間發(fā)生相對位移引起的熱傳遞(chuándì)。對流僅發(fā)生在流體中，有自然對流和強制對流兩種形式。對流傳熱→亦稱給熱，指流體流過固體表面時發(fā)生熱對流和熱傳導(dǎo)的聯(lián)合傳熱。特點是壁面處流體靠導(dǎo)熱傳熱，主體區(qū)靠對流來傳熱。③熱輻射（自學(xué)）熱輻射→因熱而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。其特點是不僅有能量傳遞，而且有能量轉(zhuǎn)移（熱能與輻射能之間的相互轉(zhuǎn)化）。自然對流→流體各處溫度不同而引起密度差異，輕者↑，重者↓，流體質(zhì)點發(fā)生相對位移。強制對流→因泵或攪拌所致的質(zhì)點強制運動。輻射傳熱→物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果。注意→只有物體溫度較高時，熱輻射才成為主要的傳熱方式。精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念3.熱、冷流體(liútǐ)的熱交換方式①直接接觸式換熱→混合式換熱器優(yōu)點→傳熱效果好，設(shè)備簡單；缺點→傳熱機理復(fù)雜，伴有傳質(zhì)。并流低位冷凝器逆流高位冷凝器器內(nèi)壓力：10～20kPa；氣壓管高度：10～11m。精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念②蓄熱式換熱→蓄熱器（不常用(chánɡyònɡ)）優(yōu)點→結(jié)構(gòu)簡單，耐高溫。缺點→體積龐大，不能完全避免兩種流體的混合。蓄熱換熱器精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念③間壁式換熱→間壁式換熱器（常見(chánɡjiàn)）⑴給熱→熱流體將熱量傳至左壁。⑵導(dǎo)熱→熱量自左壁傳至右壁。⑶給熱→熱量自右壁傳至冷流體。間壁兩側(cè)流體間的傳熱傳熱→熱、冷流體通過壁面之間的熱交換。給熱→指流體與固體壁面之間的傳熱。間壁式傳熱3步曲傳熱＝給熱+導(dǎo)熱+給熱精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念4.典型(diǎnxíng)的間壁式換熱器①套管換熱器套管換熱器②管殼式換熱器單管程單殼程換熱器雙管程單殼程換熱器精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念③傳熱(chuánrè)面積內(nèi)徑（di）→外徑（do）→平均直徑（dm）→管內(nèi)側(cè)面積（Si）管外側(cè)面積（So）平均面積（Sm）④顯熱與潛熱顯熱→物質(zhì)不發(fā)生相變時吸收或放出的熱量。潛熱→物質(zhì)發(fā)生相變時吸收或放出的熱量。1mol、60℃水升溫至100℃，未生成水蒸汽，吸收3.014kJ→顯熱。1mol、100℃水蒸發(fā)為1mol、100℃水蒸汽，吸收40.62kJ→潛熱。

精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念5.傳熱速率(sùlǜ)與傳熱速度傳熱速率（Q）→亦稱熱流量，指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量。傳熱速度（q）→亦稱熱通量，指單位傳熱面積上的傳熱速率。因S有三種形式，計算q時須注明選擇的基準(zhǔn)面積。精品資料傳熱(chuánrè)－基本概念6.穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)與非穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)穩(wěn)態(tài)傳熱→傳熱系統(tǒng)中不積累能量的傳熱過程，特點是溫度分布不隨時間而變，。非穩(wěn)態(tài)傳熱→傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時間而變化的傳熱過程。7.載熱體載熱體→物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，供給或取走熱量的另一種流體。起加熱作用的載熱體稱為加熱劑（如飽和蒸汽），起冷卻或冷凝作用的載熱體稱為冷卻劑（如空氣）。連續(xù)生產(chǎn)中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱；間歇操作的換熱和連續(xù)生產(chǎn)時設(shè)備的開工和停工階段為非穩(wěn)態(tài)傳熱。精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)1.溫度場和溫度梯度溫度場→任一瞬間系統(tǒng)(xìtǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和。穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)、一維溫度場溫度梯度→溫度分別為與t的相鄰等溫面間溫度差，與兩面間垂直距離之比的極限。溫度梯度→溫度梯度向量，正方向指向溫度↑的方向?！鷾囟忍荻葮?biāo)量，亦稱溫度梯度。精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)2.傅立葉（Fourier）定律(dìnglǜ)傅立葉定律→即導(dǎo)熱的基本定律，指通過等溫表面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。①傅立葉定律與牛頓黏性定律類似。②。③熱量傳遞過程與動量傳遞過程類似。精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)①意義→單位溫度梯度下的傳熱(chuánrè)速度。↑→導(dǎo)熱性↑。②影響因素→物質(zhì)種類、溫度和純度。注意→很小，有利于保溫、絕熱，如玻璃棉。（P217，表4-3）精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)3.平壁導(dǎo)熱(dǎorè)①單層平壁假設(shè)→①穩(wěn)態(tài)、一維導(dǎo)熱。②λ不隨溫度變化。③不計熱損失。單層平壁導(dǎo)熱→平均導(dǎo)熱系數(shù)。（P219，例4-1）精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)②多層平壁假設(shè)→①穩(wěn)態(tài)、一維導(dǎo)熱。②λ不隨溫度(wēndù)變化。③不計熱損失。④無接觸熱阻。三層平壁導(dǎo)熱多層平壁導(dǎo)熱方程精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)接觸(jiēchù)熱阻接觸熱阻→因表面粗糙不平致使界面間出現(xiàn)溫度↓。兩接觸面間有空穴，空穴內(nèi)充滿空氣，故傳熱過程包含通過實際接觸面和空穴的兩部分導(dǎo)熱。氣體λ小→接觸熱阻主要由空穴造成。精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)4.圓筒壁導(dǎo)熱(dǎorè)①單層圓筒壁注意→兩量比值≤2時，用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。單層圓筒壁導(dǎo)熱與平壁導(dǎo)熱相比，不同點是圓筒壁傳熱面積和溫度分布均隨半徑而變。對數(shù)平均半徑精品資料傳熱(chuánrè)－熱傳導(dǎo)②多層圓筒壁假設(shè)→各層間接觸(jiēchù)良好三層圓筒壁導(dǎo)熱圓筒壁導(dǎo)熱，通過各層的熱流量相同，而熱通量不等。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)對流傳(liúchuán)熱（給熱）概述給熱速率方程給熱機理給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)1.對流傳(liúchuán)熱對流傳熱→即給熱，指流體流經(jīng)固體壁面（流體溫度與壁面溫度不同）時的傳熱過程。無相變有相變自然給熱強制給熱蒸氣冷凝液體沸騰2.給熱速率方程對流傳熱→過程復(fù)雜，影響因素眾多，用半經(jīng)驗方法研究。牛頓冷卻定律→給熱速率方程。→局部給熱系數(shù)，隨管長而變。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)③若熱流體(liútǐ)走管內(nèi)，冷流體(liútǐ)走環(huán)隙，④給熱研究的內(nèi)核→不同給熱情況下，α的大小、影響因素及其計算式。①→平均給熱系數(shù)。②流體溫度→流動橫截面上的平均溫度。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)①α→單位溫度差下、單位傳熱(chuánrè)面積上的給熱速率，。②α→反映了給熱的熱阻大小。流體有無相變化、流動狀態(tài)、流動原因、流體物性和壁面情況均影響之，故不是流體物性。③同種流體，。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)3.給熱機理(jīlǐ)①對流傳熱⑴給熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的耦合過程。⑵R集中在層流內(nèi)層→層流內(nèi)層厚度↓是強化給熱的主要途徑。給熱溫度分布給熱是靠質(zhì)點的移動和混合而完成→它與流體流動狀況相關(guān)。⑴層流內(nèi)層→傳熱方式為導(dǎo)熱，⑵過渡區(qū)→熱對流和熱傳導(dǎo)相當(dāng)，溫度緩慢變化。⑶湍流主體→質(zhì)點劇烈碰撞與混合，溫度差小，各處溫度基本相同。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)②熱邊界層熱邊界層→即溫度邊界層，指壁面附近處具有溫度梯度的流體(liútǐ)薄層。⑴。平板上的熱邊界層⑴熱邊界層邊緣處→⑵熱邊界層厚度→。⑵流體在管內(nèi)流動時，熱邊界層與流動邊界層類似。不同的是，經(jīng)歷進口段和完全發(fā)展區(qū)后，溫度分布隨管長漸變?yōu)槠教梗^而溫度梯度消失，直至傳熱停止。⑶破壞熱邊界層的發(fā)展，可強化給熱。精品資料傳熱(chuánrè)－對流傳熱(chuánrè)4.保溫層臨界(línjiè)直徑一般，保溫層。小圓管外包扎不良的保溫材料，。保溫層臨界直徑關(guān)系臨界直徑精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)1.給熱的影響(yǐngxiǎng)因素解決給熱問題的關(guān)鍵→計算⑴牛頓型流體→有相變和無相變。⑵流體特性→⑶流體溫度→溫度差、流體物性隨溫度變化以及附加的自然對流。⑷流型→層流靠導(dǎo)熱；湍流主體靠對流，層流內(nèi)層靠導(dǎo)熱；。精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)⑸流動原因→自然(zìrán)對流和強制對流；。單位體積流體的升力→⑹傳熱面形狀、位置和大小形狀（如管和環(huán)隙），傳熱面位置（如水平或垂直），流道尺寸（如管徑和進口段）。精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)2.給熱的量綱分析－白金漢（Buckingham）法①流體(liútǐ)無相變時強制給熱⑴列量綱→⑵選共同物理量→白金漢法的關(guān)鍵。3原則：a.不含待求物理量；b.不選同量綱的物理量；c.含所有基本量綱→。⑶量綱分析精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)無相變時強制(qiángzhì)給熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式②自然對流傳熱自然給熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)③注意事項⑴定性溫度(wēndù)→流體平均溫度(wēndù)、壁面平均溫度(wēndù)和膜溫。⑵特征尺寸→管內(nèi)徑、管外徑和當(dāng)量直徑傳熱當(dāng)量直徑傳熱中準(zhǔn)數(shù)及其意義精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)①管內(nèi)強制(qiángzhì)對流⑴圓管內(nèi)強制湍流Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式3.流體無相變時的給熱系數(shù)精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)Sieder-Tate關(guān)聯(lián)(guānlián)式⑵圓管內(nèi)強制層流Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)⑶圓管內(nèi)過渡流⑷彎管內(nèi)強制(qiángzhì)對流⑸非圓管內(nèi)強制對流管內(nèi)徑→當(dāng)量直徑（傳熱當(dāng)量直徑和流動當(dāng)量直徑）精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)②管外強制(qiángzhì)對流⑴流體橫向流過管束管子排列方式精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)⑵流體(liútǐ)在管間流動折流擋板管間當(dāng)量直徑管間當(dāng)量直徑精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)③自然(zìrán)對流精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)①蒸汽(zhēnɡqì)冷凝⑴蒸汽冷凝方式膜狀冷凝→冷凝液潤濕壁面，在壁面上形成一層完整的液膜。此液膜成為膜狀冷凝的主要熱阻。工業(yè)上大多是膜狀冷凝。4.相變流體的給熱系數(shù)有相變的對流傳熱→蒸汽冷凝和液體沸騰，其特點為相變流體吸收或放出大量的潛熱，而流體溫度不變。膜狀冷凝精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)滴狀冷凝(lěngníng)→冷凝(lěngníng)液不能潤濕壁面，在表面張力下，冷凝(lěngníng)液在壁面上形成許多液滴，沿壁面落下。滴狀冷凝⑵膜狀冷凝的給熱系數(shù)假定：①層流，導(dǎo)熱；②蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力；③冷凝熱，蒸汽溫度和壁面溫度不變；④物性按取值→精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)單根水平(shuǐpíng)管努塞爾（Nusself）公式冷凝負荷（M）→在單位長度潤濕周邊上單位時間流過的冷凝液量。膜層流型判據(jù)（Re）精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)→冷凝(lěngníng)給熱系數(shù)蒸氣在垂直管或板外的冷凝精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)⑶冷凝給熱的影響(yǐngxiǎng)因素蒸汽冷凝的熱阻集中在液膜內(nèi)→液膜厚度及流動狀況是關(guān)鍵因素a.液膜兩側(cè)溫度差：b.流體物性。c.蒸汽流速和流向d.蒸汽中有不凝氣體：e.冷凝壁面：精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)②液體沸騰(fèiténg)（沸騰(fèiténg)傳熱）⑴液體沸騰曲線液體沸騰→液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜，分為大容積沸騰和管內(nèi)沸騰。液體沸騰曲線液體沸騰曲線→自然對流、泡狀沸騰和膜狀沸騰a.自然對流區(qū)b.泡狀沸騰（泡核沸騰）c.膜狀沸騰注意→工業(yè)上控制在泡狀沸騰下操作。精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)Mostinki公式(gōngshì)⑵沸騰給熱系數(shù)精品資料傳熱(chuánrè)－給熱系數(shù)⑶沸騰(fèiténg)傳熱的影響因素a.液體性質(zhì)b.溫度差是控制沸騰傳熱的關(guān)鍵參數(shù)c.操作壓強d.加熱壁面精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算傳熱(chuánrè)計算設(shè)計型→確定Ｓ操作型→計算Q、W和Ｔ熱量衡算傳熱速率方程類型依據(jù)精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算1.熱量(rèliàng)衡算（飽和蒸汽冷凝，冷凝液在飽和溫度下排出）（飽和蒸汽冷凝，冷凝液在低于飽和溫度下排出）⑴無相變，且比熱容視為常數(shù)時，⑵相變時，如蒸汽冷凝，精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算2.總傳熱速率(sùlǜ)微分方程和總傳熱系數(shù)

工程上常以外表面積為基準(zhǔn)。①總傳熱速率微分方程應(yīng)用導(dǎo)熱速率方程和給熱速率方程時，須知壁溫。為避開壁溫，引入間壁兩側(cè)流體之間的總傳熱速率方程。②總傳熱系數(shù)（即傳熱系數(shù)）總傳熱系數(shù)（K）→是傳熱計算的基本數(shù)據(jù)，與流體物性、操作條件及換熱器類型等有關(guān)。獲取途徑有計算法、實驗法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算熱流體(liútǐ)走管內(nèi)，冷流體(liútǐ)走管外間壁式傳熱總傳熱系數(shù)計算公式精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算管殼式換熱器K的經(jīng)驗值見P234，表4-6精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算①總傳熱(chuánrè)速率方程3.總傳熱速率方程和平均溫度差法假定→穩(wěn)態(tài)傳熱；不計熱損失；⑴恒溫傳熱→間壁兩側(cè)流體均有相變化，如蒸發(fā)器中飽和蒸汽和沸騰液體之間的傳熱。恒溫傳熱時總傳熱速率方程⑵變溫傳熱→兩流體流向不同，對溫度差影響也不同流向→逆流、并流、錯流和折流精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算a.逆流(nìliú)和并流逆流溫度差并流溫度差變溫傳熱時總傳熱速率方程逆流溫度差推導(dǎo)精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算b.錯流和折流錯流和折流→采用(cǎiyòng)Underwood和Bowman的圖算法錯流折流四管程雙殼程換熱器平均溫度差校正系數(shù)精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算c.流向(liúxiànɡ)選擇⑴逆流→；加熱劑或冷卻劑用量↓。⑵采用折流等，除滿足換熱器結(jié)構(gòu)要求外，K↑。注意→當(dāng)間壁一側(cè)流體有相變時，只要流體進出口溫度各自相同，平均溫度差亦相同。（P243，例4-10）精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算4.傳熱(chuánrè)單元數(shù)法（NumberofTransferUnits→NTU）傳熱單元數(shù)法→全稱傳熱效率－傳熱單元數(shù)法（ε-NTU），廣泛應(yīng)用于操作型傳熱問題，如確定流體出口溫度。①傳熱效率精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算②傳熱(chuánrè)單元數(shù)傳熱單元長度傳熱單元數(shù)意義精品資料傳熱(chuánrè)－傳熱(chuánrè)計算③傳熱(chuánrè)效率與傳熱(chuánrè)單元