第三章傳熱學(xué)習(xí)要點(diǎn)

《化工原理》1第三章傳熱HeatTransfer教學(xué)內(nèi)容3.1概述(General)3.2熱傳導(dǎo)(HeatConduction)3.3對(duì)流傳熱及對(duì)流傳熱系數(shù)(HeatflowinFluidsandheattransfercoefficient

)3.4傳熱過(guò)程計(jì)算(Calculationofheattransition

)3.5輻射傳熱(Heatradiation)3.6常用換熱器(Heatexchanger)教學(xué)要求（1）掌握熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的基本原理及計(jì)算方法（2）重點(diǎn)掌握對(duì)流傳熱過(guò)程的基本原理及對(duì)流傳熱過(guò)程的計(jì)算方法（3）掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式及影響對(duì)流傳熱過(guò)程的主要因素（4）重點(diǎn)掌握使用數(shù)學(xué)軟件求解傳熱計(jì)算中復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的方法（5）了解常用換熱器種類(lèi)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)選型方法。3.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用3、傳熱的基本形式

(Threekindsofheattransfer)（1）熱傳導(dǎo)(Heatconduction)：由于物體內(nèi)部微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞現(xiàn)象（2）熱對(duì)流(Heatconvection)：由于不同溫度流體之間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞現(xiàn)象Accordingtotheheattransfermechanism

自然對(duì)流(Naturalconvection)：溫度不同而引起密度差異強(qiáng)制對(duì)流(Forcedconvection)：外力引起流體的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)3.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用3、傳熱的基本形式

(Threekindsofheattransfer)對(duì)流傳熱（Convectionheattransfer

）：流體流過(guò)溫度不同的固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程（3）熱輻射(Heatradiation)

：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞Accordingtotheheattransfermechanism

3.1.4基本概念2.定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱（1）定態(tài)傳熱傳熱過(guò)程在定態(tài)溫度場(chǎng)中進(jìn)行（2）非定態(tài)傳熱傳熱過(guò)程在非定態(tài)溫度場(chǎng)中進(jìn)行3.1.4基本概念3.傳熱速率和熱通量（1）傳熱速率（熱流量）Q（Rateofheattransfer

）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，W(J/s)（2）熱通量（傳熱強(qiáng)度）q（Heatflux

）單位傳熱面積的傳熱速率，W/m23.2.3熱導(dǎo)率(Thermalconductivity)（1）物理意義：在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）（2）表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)（3）一般：λ金屬＞λ非金屬固體

＞

λ液體

＞λ氣體

3.2.4平壁熱傳導(dǎo)

(Heatconductionthroughslabs)1、單層平壁熱傳導(dǎo)(Through

oneflatslab)（4）削弱傳熱措施

①選擇λ較小的材料

②增加固體壁厚

③減少傳熱面積

④降低溫差3.2.4平壁熱傳導(dǎo)

(Heatconductionthroughslabs)2、多層平壁熱傳導(dǎo)(Throughmulti-planeslabs)（1）總熱阻為各層熱阻之和，總溫差為各層溫差之和（2）各層溫度分布均為直線(xiàn)（3）傳熱速率一定：Ri大的壁層，Δti大（4）各層傳熱速率相等，傳熱面積相等，熱通量相等3.2.5圓筒壁熱傳導(dǎo)

(Heatconductionthroughthecylinderwalls)

1、單層圓筒壁熱傳導(dǎo)

(Throughacylinderwall)(1)溫度分布為曲線(xiàn)；(2)Q的影響因素；(3)熱導(dǎo)率取平均溫度下的數(shù)值。3.2.5圓筒壁熱傳導(dǎo)

(Heatconductionthroughthecylinderwalls)

2、多層圓筒壁熱傳導(dǎo)

(Through

multi-layersofcylinderwalls)（1）總熱阻為各層熱阻之和，總溫差為各層溫差之和（2）各層溫度分布均為曲線(xiàn)（3）傳熱速率一定：Ri大的壁層，Δti大（4）各層傳熱速率相等，傳熱面積不相等，熱通量不相等3.3.1對(duì)流傳熱機(jī)理

（Theprinciplesof

convectionheattransfer

）2、對(duì)流傳熱機(jī)理(Theprinciples)層流內(nèi)層：熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱熱阻很大，溫度梯度較大緩沖層：熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，溫度發(fā)生較緩慢的變化湍流主體區(qū)：流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合并充滿(mǎn)漩渦，溫度梯度極小，各處的溫度基本相同對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)一體的綜合現(xiàn)象，對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層3.3.2對(duì)流傳熱速率方程

（Rateequationofconvectionheattransfer

)2、對(duì)流傳熱系數(shù)（Heattransfercoefficient）對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率，它反映了對(duì)流傳熱的快慢，α愈大表示對(duì)流傳熱愈快α自<α強(qiáng)

α氣<α液

α無(wú)相變<α有相變(1)流體導(dǎo)熱系數(shù)：λ↗→

α↗(2)流體黏度：μ↗→

α↘(3)流體比熱容和密度：ρCp

↗→

α↗(4)管徑：d↗→

α↘(5)流體流速：u↗→

α↗對(duì)于特定的傳熱體系，操作過(guò)程中，改變u是提高流體對(duì)流傳熱系數(shù)最有效的措施。3.3.4無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式根據(jù)計(jì)算公式分析影響因素3.3.4無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式4、流體在換熱器管間流動(dòng)殼程加折流擋板目的：流體的流速和流向均不斷的變化，使對(duì)流傳熱系數(shù)加大，但是流動(dòng)阻力增加3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.蒸氣冷凝：飽和蒸氣冷凝是提供熱量的一種常見(jiàn)方式，主要優(yōu)點(diǎn)：相變熱量大，傳熱速率快，恒溫放熱。膜狀冷凝（可潤(rùn)濕）——若冷凝液能夠潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一層完整的液膜（1）蒸氣冷凝方式滴狀冷凝（不潤(rùn)濕）——由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下*蒸氣與低溫壁面直接接觸，因此滴狀冷凝傳熱效果好于膜狀冷凝。*工業(yè)上在壁面涂上潤(rùn)滑劑，容易形成滴狀冷凝，但滴狀冷凝很難持久。3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（3）影響冷凝傳熱的因素1.蒸氣冷凝①冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t↗→Q↗→膜厚↗→

α↘②流體物性γ↗→α↗，λ↗→α↗

ρ↗→α↗，μ↘→α↗

③蒸氣的流速和流向蒸氣與液膜同向，膜厚減薄，α↗

④蒸氣中不凝氣體含量的影響α↘⑤冷凝壁面的影響3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（4）強(qiáng)化蒸氣冷凝過(guò)程的措施1.蒸氣冷凝①在垂直壁面上開(kāi)縱向溝槽②在壁面上安裝金屬絲或翅片③水平布置的管束，應(yīng)盡量減少垂直方向上管排數(shù)目，或?qū)⒐苁e(cuò)列安排飽和沸騰：液體主體溫度略高于飽和溫度，過(guò)熱是產(chǎn)生氣泡的必要條件。傳熱現(xiàn)象：在加熱面汽化核心處產(chǎn)生氣泡。氣泡大到一定程度，由于浮力而脫離加熱面迅速上升，且上升過(guò)程中隨壓力降低，氣泡體積增大，對(duì)液體有強(qiáng)烈的攪拌作用。2.液體沸騰（1）大容積沸騰現(xiàn)象3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式液體溫度略高于飽和溫度，因此氣泡穿過(guò)液體主體在液體上方逸出。氣泡脫離加熱面后，周?chē)囊后w會(huì)及時(shí)補(bǔ)充空位汽化核心：加熱表面產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)（粗糙、不光滑）過(guò)冷沸騰：液體主體溫度低于飽和溫度傳熱現(xiàn)象：在加熱面汽化核心處上產(chǎn)生氣泡。氣泡脫離加熱面前或后，由于液體主體溫度低于飽和溫度，因此很快凝結(jié)，并將熱量傳遞給液體主體。（汽化←→冷凝）液體不斷升溫至液體的沸騰溫度（略高于飽和溫度）液體上方少量汽化3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2.液體沸騰（1）大容積沸騰現(xiàn)象3.3.5有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2.液體沸騰（3）影響沸騰傳熱的因素①液體的性質(zhì)λ↗ρ↗

σ↘μ↘→

α↗②溫差控制在核狀沸騰區(qū):△t↗

→

α↗③操作壓強(qiáng)p↗

→

ts

↗

→

μ↘σ↘

→

α↗④加熱壁面壁面粗糙，有更多的汽化核心→

α↗3.4.2總傳熱速率及總傳熱系數(shù)

(Totalheattransferrateandcoefficient

)2、總傳熱系數(shù)K（2）K的計(jì)算式基于管外表面積基于管內(nèi)表面積基于管平均面積3.4.2總傳熱速率及總傳熱系數(shù)

(Totalheattransferrateandcoefficient

)（3）討論

1/K為總熱阻，各個(gè)熱阻之和K的來(lái)源：實(shí)驗(yàn)測(cè)定；計(jì)算αi

,αo后計(jì)算；查設(shè)計(jì)手冊(cè)K為總傳熱系數(shù)，其數(shù)值越大，傳熱速率越快K的大致范圍：Page135，表3-73.4.2總傳熱速率及總傳熱系數(shù)

(Totalheattransferrateandcoefficient

)2、總傳熱系數(shù)K（3）K的影響因素②在這些熱阻中，如果某項(xiàng)的值遠(yuǎn)大于其他項(xiàng)，則總傳熱系數(shù)也接近于與該熱阻對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)，稱(chēng)該項(xiàng)熱阻為——控制熱阻

③提高總傳熱系數(shù)的措施a、如果物料易使換熱表面結(jié)垢，則應(yīng)設(shè)法減緩成垢并及時(shí)清洗換熱表面b、提高流體流速或湍動(dòng)程度

c、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的管壁材料

3.4.3對(duì)數(shù)平均溫度差

(Logmeantemperaturedifference)討論②習(xí)慣上，△t數(shù)值大者為△t2，數(shù)值小者為△t1③當(dāng)△t1=△t2時(shí)，△tm

=△t1=△t2

①上式并流、逆流均適用

3.4.3對(duì)數(shù)平均溫度差

(Logmeantemperaturedifference)討論⑤△tm單位：K、℃⑥一側(cè)有相變，△t逆=△t并④各種流型中，逆流△tm最大，并流△tm最小3.4.3對(duì)數(shù)平均溫度差

(Logmeantemperaturedifference)（1）在傳熱系數(shù)一定的情況下，采用逆流可以較小的傳熱面積完成相同的換熱任務(wù)，或在傳熱面積一定情況下傳遞更多的熱量

3、各種流型的討論冷、熱流體進(jìn)出口溫度相同時(shí)，

Δtm逆>Δtm折>Δtm并

Q和K一定時(shí)，A逆<A并

A和K一定時(shí)，Q逆>Q并3.4.3對(duì)數(shù)平均溫度差

(Logmeantemperaturedifference)3、各種流型的討論（2）從另一角度考慮，逆流可節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量或多回收熱量

逆流操作溫差均勻，可以有：T2≤t2

并流時(shí)溫差變化較大，必須是T2>t2

（3）并流時(shí)冷、熱流體出口溫度都受到對(duì)應(yīng)流體出口溫度的限制

，適合于熱敏性物料的加熱或冷卻（4）折流時(shí)總傳熱系數(shù)較高，可提高傳熱速率或減少傳熱面積，代價(jià)是Δtm降低，且流動(dòng)阻力增加3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)

Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KA△tm*在換熱器中三個(gè)傳熱速率意義不同，數(shù)值相同，相當(dāng)于有兩個(gè)等式關(guān)系*公式中的K應(yīng)與A相對(duì)應(yīng)，一般定義為基于管外表面積總傳熱系數(shù)，相應(yīng)使用管外表面積計(jì)算。3.4.8設(shè)備壁溫的估算（Temperatureatthewall）TW值應(yīng)接近于α值較大的那側(cè)流體的溫度K值應(yīng)接近于α值較小的那側(cè)流體的α值假設(shè)金屬壁導(dǎo)熱系數(shù)很大，Tw≈tw，忽略污垢熱阻Ai≈Ao3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)無(wú)相變：Q=qmh·Cph(T1-T2)=qmc·Cpc(t2-t1)

=KA△tm1、設(shè)計(jì)型計(jì)算（設(shè)計(jì)換熱器）已知：生產(chǎn)任務(wù)(工藝流體流量qmh、進(jìn)出口溫度T1、T2)設(shè)計(jì)：①選擇換熱介質(zhì)及其進(jìn)出口溫度(t1、t2)②計(jì)算換熱速率、換熱介質(zhì)流量(Q、qmc)③確定流體流向，計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差(Δtm)④計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)(αiαoK)⑤計(jì)算換熱面積(A)⑥選擇換熱器的形式和型號(hào)3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)某廠(chǎng)要求將流量為4500kg/h的苯由80℃冷卻至30℃，冷卻水走管外與苯逆流換熱，進(jìn)口水溫20℃，出口不超過(guò)50℃。已知苯側(cè)和水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為850w/m2℃和1700w/m2℃，污垢熱阻和管壁熱阻可忽略，試求(1)冷卻水的用量,kg/h；(2)換熱器的傳熱面積(3)換熱器為套管式換熱器規(guī)格為Φ25×2mm

，求其管長(zhǎng)。已知苯的平均比熱容為1.9kJ/kg℃，水的平均比熱容為4.18kJ/kg℃。設(shè)計(jì)型計(jì)算示例，補(bǔ)充題13.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)*熱量衡算及傳熱速率：Qh=Qc=Q=KAΔtm

Qh=qmh·Cph(T1-T2)

=4500/3600×1.9×103×(80-30)=1.19×105W(1)冷卻水用量

Qh=Qc=qmcCpc(t2-t1)

qmc=1.19×105/[4.18×103×(50-20)]=0.95kg/s=3416kg/h*總傳熱系數(shù)：K=565W/m2.K(2)總傳熱面積：Ao=Q/KΔtm=11.6m2(3)管長(zhǎng)：L=Ao/πdo=147.8m3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)2、操作型計(jì)算（對(duì)已有換熱器進(jìn)行校核，A一定）1.換熱器已有，計(jì)算操作參數(shù)（計(jì)算兩流體出口溫度或某一流體的流量和出口溫度）；2.已知老工況的操作參數(shù)，改變工藝流體流量等，計(jì)算新工況下操作參數(shù)。I計(jì)算兩流體出口溫度；II計(jì)算換熱介質(zhì)流量及出口溫度(qmc、t2)采用比例法3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)在逆流操作的單程列管換熱器中，熱空氣在殼程流動(dòng)，將水從25℃加熱到85℃，其溫度由200℃降低到93℃。αi為2000W/(m2·℃)，αo為50W/(m2·℃)。流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，αi變化不大，αo與空氣流速的0.8方成比例。由于生產(chǎn)任務(wù)的變化，水流量需增加50%，兩流體進(jìn)口溫度不變，新工況下的操作結(jié)果如何。(1)熱空氣流量不變，計(jì)算兩流體的出口溫度；(2)水的進(jìn)、出口溫度不變，計(jì)算新工況下熱空氣流量及出口溫度。(3)對(duì)比討論兩種操作方式。操作型2計(jì)算示例，補(bǔ)充題23.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)(1)新工況I：原工況：Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAΔtm(2)200938525Q’=qmhCph(T1-T2’)=1.5qmcCpc(t2’-t1)=KAΔtm’比例法結(jié)論：水流量增加50%，若不調(diào)整空氣流量，則空氣出口溫度降低至87.94℃，水的溫度降低至66.89℃。Q’/Q=1.0473.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)(1)原工況：qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAΔtm(2)20093’8525K=48.78W/(m2.K)新工況II：qmh’Cph(T1-T2’)=1.5qmcCpc(t2-t1)=K’AΔtm’b=qmh’/qmh(3)Δtm=89.45℃3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)結(jié)論：水流量增加50%，若要保證水出口溫度不變，則傳熱速率增加50%，相應(yīng)空氣流量應(yīng)增加60%。3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)3.4.4傳熱過(guò)程的計(jì)算

(Calculationofheattransfer

)新工況操作條件K’△tm’

℃Q’熱氣流量不變K、A不變，兩流體出口溫度均下降K1.047△tm93.681.05Q水的進(jìn)出口溫度不變A不變，熱流體流量增加、熱流體出口溫度提高、K發(fā)生變化1.44K1.046△tm93.581.5Q3.5輻射傳熱（Heatradiation）3.5.1概述（General）輻射：物體以電磁波的形式傳遞能量的過(guò)程輻射能：輻射過(guò)程中傳遞的能量熱輻射：因熱的原因引起的電磁波輻射輻射傳熱：不同物體間相互吸收和輻射能量的綜合過(guò)程

(1)自然界中任何物質(zhì)在任何溫度下都會(huì)向外界熱輻射

(2)輻射傳熱的結(jié)果：高溫物體向低溫物體傳遞能量

(3)輻射傳熱的特點(diǎn)：無(wú)需任何傳遞介質(zhì)，可在真空中傳遞

(4)熱輻射與光輻射本質(zhì)相同，服從反射定律與折射定律3.5.1概述（General）根據(jù)能量守恒定律，投射在某物體上的總輻射能為：

Emissivepower:Q=QA+QR+QD

吸收率

(Absorptivity

)反射率

(Reflectivity

)透過(guò)率

(Transmissivity

)A+R+D=1名稱(chēng)ARD輻射到物體的能量絕對(duì)黑體(黑體，Blackbody

)100全部被吸收絕對(duì)白體(鏡體，Whitebody)010全部被反射