南京理工化工原理課件4-傳熱

第四章

傳

熱

4.1.2傳熱過程

一、傳熱速率

熱流量Q：即單位時(shí)間內(nèi)熱流體通過整個(gè)換熱器的傳熱

面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量，單位是W。熱流密度（或熱通量）q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量，單位是W/m2

二、穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱三、傳熱機(jī)理

傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射

第二節(jié)熱傳導(dǎo)4.2.1傅里葉定律

4.2.2導(dǎo)熱系數(shù)

4.2.3平壁熱傳導(dǎo)

4.2.4圓筒壁的熱傳導(dǎo)

4.2.1傅里葉定律

一、溫度場(chǎng)和等溫面二、溫度梯度

三、傅里葉定律

或

穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)：

在熱傳導(dǎo)時(shí)，其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比

4.2.2導(dǎo)熱系數(shù)

λ

一、固體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單位為W/（m·℃）

大多數(shù)金屬材料

為負(fù)值，大多數(shù)非金屬材料

為正值

二、液體的導(dǎo)熱系數(shù)

三、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，隨溫度升高而增大

非金屬液體中水最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小

4.2.3平壁熱傳導(dǎo)一、單層平壁熱傳導(dǎo)

或

4.2.4圓筒壁的熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

管長(zhǎng)L足夠長(zhǎng),視為—維穩(wěn)定導(dǎo)熱

或4.2.4圓筒壁的熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

管長(zhǎng)L足夠長(zhǎng),視為—維穩(wěn)定導(dǎo)熱

或二、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

三層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程：二、多層平壁的熱傳導(dǎo)（三層）對(duì)n層平壁：4-3-2牛頓冷卻定律和對(duì)流傳熱系數(shù)

根據(jù)有效膜概念積分后得

T、TW——分別對(duì)熱流體和冷壁溫度，℃

——對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃），

α尚不能從理論上求得。一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同情況下流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，并將其關(guān)聯(lián)成經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式以供設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用。影響對(duì)流傳熱效果的因素:

一、流體的種類和相變化的情況

:液體、氣體和蒸氣的對(duì)流傳熱系數(shù)各不相同,流體有無(wú)相變化，對(duì)傳熱有不同的影響

二、流體性質(zhì):對(duì)流傳熱系數(shù)影響較大的是流體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度等。

三、流體流動(dòng)狀態(tài):流體為湍流流動(dòng)時(shí)靠近固體壁面處的層流底層厚度變薄，傳熱速率提高，即α增大

四、流體對(duì)流起因

:強(qiáng)制對(duì)流的流速比自然對(duì)流的高，因而α也高

五、傳熱面的形狀、相對(duì)位置與尺寸

:傳熱面的形狀（管、板、翅片等）、傳熱面的方向和布置（水平、旋轉(zhuǎn)等）及流道尺寸（管徑、管長(zhǎng)等）都直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)。4-3-3對(duì)流傳熱的因次分析一、無(wú)相變強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程

f（Nu，Re，Pr）=0二、無(wú)相變自然對(duì)流傳熱過程

f（Nu，Pr，Gr）=0三、對(duì)流傳熱過程準(zhǔn)數(shù)方程中各符號(hào)意義定性溫度:對(duì)物性取平均值的問題。特征尺寸：圓管的特征尺寸取管徑d；非圓形管，通常取當(dāng)量直徑de為特征尺寸；對(duì)大空間內(nèi)自然對(duì)流，取加熱（或冷卻）表面的垂直高度為特征尺寸。表4-2準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)及意義表4-2準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)及意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)意義努塞爾數(shù)（Nusseltnumber）Nu=α/（λ/l），反映和純導(dǎo)熱相比，對(duì)流使傳熱系數(shù)增大的倍數(shù)雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）Re是流體所受慣性力和粘性力之比，表征流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響普蘭特?cái)?shù)（Prandtlunmber）表示流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響格拉斯霍夫數(shù)（Grashofnumber）表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響表4-2準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)及意義

4-3-4對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

一、無(wú)相變時(shí)流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流

1．流體在圓型直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流

Nu=CRemPrn

①Re＞10000，即流動(dòng)是充分湍流的；②0.7＜Pr＜160；

③流體粘度較低（不大于水的粘度的2倍）；④L/d＞60，即進(jìn)口段只占總長(zhǎng)的一小部分，管內(nèi)流動(dòng)是充分發(fā)展的。

m為0.8，指數(shù)n與熱流方向有關(guān)：當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3。

定性溫度為流體主體溫度在進(jìn)、出口的算術(shù)平均值，特征尺寸為管內(nèi)徑di。

2．流體在圓形直管中作過渡流

Nu=CRemPrn計(jì)算得的α乘以小于1的系數(shù)f

3．流體在圓型彎管內(nèi)作強(qiáng)制湍流Nu=CRemPrn計(jì)算得的α乘以小于1的系數(shù)f

/4．流體在非圓型管中作強(qiáng)制湍流

Re=1.2×104～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0

5．流體在圓型直管內(nèi)作強(qiáng)制層流

Re＜2300，0.6＜Pr＜6700

＞100

二、無(wú)相變時(shí)流體在管外強(qiáng)制對(duì)流1．流體垂直管束流動(dòng)

2．流體在換熱器管間流動(dòng)

三、無(wú)相變時(shí)大空間自然對(duì)流

大空間自然對(duì)流是指?jìng)鳠岜诿娣胖迷诤艽蟮目臻g內(nèi)，由于壁面溫度與周圍流體的溫度不同而引起的自然對(duì)流。

Nu=c·(Pr·Gr)n

蒸汽垂直管或板外膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算1.冷凝液膜層流運(yùn)動(dòng)，傳熱方式為導(dǎo)熱(Re<1800)2.蒸汽冷凝釋放的熱量?jī)H為潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度不變（ts=蒸汽飽和溫度）3.定性溫度=（ts+tw)/2修正式為：膜層流動(dòng)為湍流時(shí)（Re>1800)影響冷凝傳熱的因素:1．冷凝液膜兩側(cè)的溫度差Δt

Δt加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而膜層厚度增厚，使冷凝傳熱系數(shù)降低。

2．流體物性

液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸氣的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。3．蒸氣的流速和流向

蒸氣和液膜同向流動(dòng)，則摩擦力將使液膜加速，厚度減薄，使α增大；若逆向流動(dòng)，則α減小。但這種力若超過液膜重力，液膜會(huì)被蒸氣吹離壁面，此時(shí)隨蒸氣流速的增加，α急劇增大。4．蒸氣中不凝性氣體的影響

若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能被氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。铀谏w，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。

5．冷凝壁面的影響

若沿冷凝液流動(dòng)方向積存的液體增多，則液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降。

影響沸騰傳熱的因素

1．液體的性質(zhì)

一般情況下，α隨λ、ρ的增加而增大，而隨μ及σ的增加而減小。2．溫度差Δt

3．操作壓強(qiáng)

提高沸騰壓強(qiáng)相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和粘度均降低，有利于氣泡的生成和脫離，強(qiáng)化了沸騰傳熱。在相同的Δt下，α和q都更高。

4．加熱壁面

加熱壁面的材料和粗糙度對(duì)沸騰傳熱有重要的影響。一般新的或清潔的加熱面，α較高。當(dāng)壁面被油脂沾污后，會(huì)使α急劇下降。壁面愈粗糙，氣泡核心愈多，有利于沸騰傳熱。此外，加熱面的布置情況，對(duì)沸騰傳熱也有明顯的影響。

第五節(jié)

傳熱過程的計(jì)算

4-5-1熱量衡算

cp——流體的平均比熱容，kJ/（kg·℃）；

t——冷流體的溫度，℃；

T——熱流體的溫度，℃；

W——流體的質(zhì)量流量，kg/h。

4-5-2總傳熱速率微分方程

tW、TW——分別為冷熱流體側(cè)的壁溫，℃；

α1、α2——分別為傳熱管壁內(nèi)、外側(cè)流體的對(duì)

流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

λ——管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

b——管壁厚度，m；

——分別為各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻， ℃/W。

dQ=KdS（T－t）

——傳熱速率方程的微分表達(dá)式。

4-5-3總傳熱系數(shù)K

一、總傳熱系數(shù)K的計(jì)算表達(dá)式1．傳熱面為平壁

dSo=dSi=dSm

2．傳熱面為圓筒壁

3．污垢熱阻

三、提高總傳熱系數(shù)的途徑

傳熱過程的總熱阻是由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成，減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可提高傳熱系數(shù)。當(dāng)各環(huán)節(jié)的熱阻相差較大時(shí)，總熱阻的數(shù)值將主要由其中的最大熱阻所決定。此時(shí)強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵在于提高該環(huán)節(jié)的傳熱系數(shù)。若α1＞＞α2，欲要提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α2。若污垢熱阻為控制因素，則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時(shí)清除污垢。

4-5-4傳熱推動(dòng)力和總傳熱速率方程

一、恒溫傳熱

Q=KS（T－t）=KSΔt二、變溫傳熱

1．逆流和并流

——對(duì)數(shù)平均溫度差

逆流操作優(yōu)點(diǎn)：

在換熱器的傳熱速率Q及總傳熱系數(shù)K相同的條件下，因?yàn)槟媪鲿r(shí)的Δtm大于并流時(shí)的Δtm，采用逆流操作可節(jié)省傳熱面積。逆流操作可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。2．錯(cuò)流和折流錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差，先按逆流操作計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差，再乘以考慮流動(dòng)方向的校正因素。

Δtm=ΔtΔtm′

溫度差校正系數(shù)Δt與冷、熱流體的溫度變化有關(guān)，是P和R兩因數(shù)的函數(shù)

Δt值恒小于1，這是由于各種復(fù)雜流動(dòng)中同時(shí)存在逆流和并流的緣故。因此它們的Δtm比純逆流時(shí)小。通常在換熱器的設(shè)計(jì)中規(guī)定Δt值不應(yīng)小于0.8，否則經(jīng)濟(jì)上不合理，而且操作溫度略有變化就會(huì)使Δt急劇下降，從而影響換熱器操作的穩(wěn)定性。

4-5-5穩(wěn)定傳熱的計(jì)算

穩(wěn)定傳熱計(jì)算的基本公式為：熱量衡算方程：

總傳熱速率方程：

4-7-2列管式換熱器的選用

列管式換熱器冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇(1)不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程，因?yàn)楣軆?nèi)清洗方便；(2)腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕；