化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解

化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2024/3/12化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解三、傳熱方式分類穩(wěn)定的恒溫傳熱，傳熱面上的溫度不隨位置變化T≠f(x)穩(wěn)定的變溫傳熱，傳熱面上的溫度隨位置變化T＝f(x)1、據(jù)冷熱流體是否接觸混合式：冷熱流體混合——煤氣洗滌塔間壁式：冷熱分離——間壁、冷凝管蓄熱式：熱流體貯熱，冷流體吸熱——熱風(fēng)爐煉鐵2、在間壁式傳熱中,據(jù)傳熱面上的溫度分布——分為：穩(wěn)定傳熱：T不隨時(shí)間變化對于一定的傳熱設(shè)備，熱阻一定，當(dāng)T不隨時(shí)間變化,△T亦不隨時(shí)間而變，故傳熱速率不隨時(shí)間變化，所以，穩(wěn)定傳熱——傳熱速率不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定傳熱非穩(wěn)定傳熱化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解3、據(jù)傳熱機(jī)理不同，分為四、幾個(gè)基本概念：(2)傳熱速率Φ=Q/τ—單位(3)比熱cp顯熱：Q顯=mcpΔt(Cp—定壓比熱容--J/kg*K)(J/mol*K)(4)潛熱式中:ΔHm和ΔHn分別為質(zhì)量和摩爾相變潛熱(單位分別為：J/kg；J/mol)(1)傳熱量Q化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解§2傳導(dǎo)傳熱（熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱）

一、定義：傳導(dǎo)傳熱——發(fā)生在固體、靜止或滯流流體中，因分子的振動(dòng)或自由電子的運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量的方式。二、導(dǎo)熱方程—付立葉定律：1、導(dǎo)熱方程如圖：若t1>t2，熱量將自發(fā)的以導(dǎo)熱方式從內(nèi)壁向外壁傳遞。實(shí)驗(yàn)證明：通過該壁傳遞的熱量與壁兩側(cè)的溫差成正比，與傳熱面積和傳熱時(shí)間成正比，與傳導(dǎo)距離成反比，即：dQ=-----------付立葉方程對于穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)：dt不隨時(shí)間dτ變化，故積分為：溫度梯度—速度梯度（P41）比較化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2.導(dǎo)熱系數(shù)λ（類似于粘度）

①意義：材料導(dǎo)熱能力大小的標(biāo)志，是A＝1m2，δ=1m,

Δt=1k時(shí)的傳熱速率。在相同的條件下，材料不同，其傳熱速率不同，故是材料本身的性質(zhì)。③大小：a.實(shí)驗(yàn)測定或查附表二、三、六、七可得。b.λ隨溫度的變化對金屬：α＜0，t↑,λ↓?！咴诱駝?dòng)加劇，電子運(yùn)受阻非金屬：α＞0,t↑,λ↑?！叻肿诱駝?dòng)加劇，傳熱能力增加液體：α＜0,t↑,λ↓?！遲↑液體膨脹,分子距離加大，碰撞↓氣體：α＞0,t↑,λ↑?！遲↑,分子能量↑碰撞↑。λ金屬>λ非金屬，λ固>λ液>λ氣，λ結(jié)構(gòu)緊密>λ結(jié)構(gòu)松散②單位：泡沫保溫材料化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解三、平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)——特點(diǎn)∴2多層平面壁,如耐火磚——絕熱磚——建筑磚組成三層復(fù)合壁，對各層分別應(yīng)用單層導(dǎo)熱公式有：R=δ/λ—熱阻1單層平面壁，如P105圖一層：二層：三層：(1)(2)(3)化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解∵平面壁：A1=A2=A3=A

∵穩(wěn)定傳熱Φ1=Φ2=Φ3=Φ則有：

t1-t4=Δt=討論：(1)①+②得：…(4)…(5)②+③得：(2)Δt1/Δt2=R1/R2=即各層的溫降與其熱阻成正比?？梢姡簜鳠崴俾适街蟹帜甘欠肿訙囟葏^(qū)間內(nèi)的熱阻之和?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解(4)在不知A時(shí),可求單位傳熱面積的傳熱速率—熱流密度（傳熱強(qiáng)度）q

q=φ/A=Δt/Σ(δ/λ)

例：4-1P107熱阻越大，溫度降越大

例：4-2P108垢層的熱阻很大，應(yīng)勤除垢層(3)

——可求夾層間的溫度?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解作業(yè)：P142（3，4）化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

如圖：據(jù)付立葉定律：1、單層圓簡壁對數(shù)平均半徑。當(dāng)r2/r1<1.2時(shí)，可用算術(shù)平均半徑

rm=(r2+r1)/2代替。=dr筒化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2、多層圓簡壁

如圖：各層都相當(dāng)于單層圓筒壁，仿多層平面壁推導(dǎo)有：傳熱速率式中：分母是分子溫度區(qū)間內(nèi)的“熱阻”之和化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解例4-3P109解：注意

(1)弄清r1,r2,r3,r4或d1,d2,d3,d4，數(shù)值不可混淆。

(2)鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)λ=50W/m*K，要記住。

(3)礦渣棉的λ最小，0.07W/m*K，小于石棉泥0.15W/*K。

(4)選保溫材料時(shí)，只要能耐熱，λ小的應(yīng)包在內(nèi)層。

(5)金屬管的熱阻遠(yuǎn)小于絕熱層的熱阻，即可忽略例4-4P109計(jì)算1米長的保溫管道在一年(生產(chǎn)300天)內(nèi)因散熱引起的費(fèi)用與包裹保溫材料折舊引起的費(fèi)用之和為最小值時(shí)的保溫層厚度——經(jīng)濟(jì)厚度。解：散熱Q：26/109元/J——費(fèi)用M1(元/J)保溫材料的敷裝、維修及材料費(fèi)：500元/5年m3=100元/年m3——費(fèi)用M2化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解如圖：D↑,Φ↓,M1↓，但材料體積V↑，M2↑。費(fèi)用最少的厚度——經(jīng)濟(jì)厚度δ=(D-d)/2。

為簡化計(jì)算，用Dm計(jì)算Am，Dm=(D+0.1)/2，則：Am=πDml=πl(wèi)*(D+0.1)/2設(shè)熱阻集中在保溫層：則W=J/s則一米管年損失的熱量：年損失的價(jià)值：一米管道耗保溫材料體積：V=∴年折舊費(fèi)用：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解總費(fèi)用：復(fù)雜系數(shù)一元三次方程，用試差法求解：求導(dǎo)，求極值:設(shè)D=0.4時(shí)，左=62.8≈右=63∴δ=D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15m28.356化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解作業(yè)：P142（4、5）化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解對流傳熱——發(fā)生在湍流流體中因冷熱流體間的相對運(yùn)動(dòng)而傳熱的方式。(因?yàn)榱黧w內(nèi)部的對流傳熱不能穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行,要使對流傳熱穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行，流體的邊緣必須有供給或取走熱量的壁面，而工業(yè)上常見的傳熱是指冷熱流體通過間壁的傳熱)，所以將流體邊緣的壁面也包括進(jìn)來一起討論。

故將對流傳熱擴(kuò)展為：對流給熱——流體與壁面之間的傳熱。由于壁面附近的流體為滯流，因此：對流給熱包括湍流主體的對流傳熱和壁附近滯流層的熱傳導(dǎo)，為描述此復(fù)雜的給熱過程的速率，特提出對流給熱機(jī)理(模型)，其要點(diǎn)為：§3對流傳熱

一、對流傳熱機(jī)理化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解a.湍流主體以對流方式傳熱，溫度一致,

即忽略湍流主體的熱阻。

b.壁面附近存在傳熱邊界層(滯流和過渡層)，此層中流體以熱傳導(dǎo)方式傳熱，是傳熱過程的阻力所在。

對流給熱模型的實(shí)質(zhì)：把復(fù)雜的對流給熱過程視為通過滯流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)過程。對流給熱模型將間壁傳熱分解為兩個(gè)給熱和一個(gè)導(dǎo)熱過程:T主體→過度、滯流層→內(nèi)壁→外壁→滯流、過度層→t主體對流傳熱傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱對流傳熱

Φ1Φ2Φ3

①給熱：T流體→壁②傳導(dǎo)傳熱③給熱：壁→t流體化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解二、牛頓給熱方程

既然將對流給熱視為通過滯流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)，則對式中δT是流體以導(dǎo)熱方式傳熱(傳熱邊界層)的厚度，是虛擬的，難測定，故令：λT/δT=αT—給熱系數(shù)則有：式中：T,tw1,tw2,t,αT,αt均應(yīng)是流體流動(dòng)方向上某一截面上的數(shù)值。三、給熱系數(shù)α(傳熱膜系數(shù))1、意義：流體主體與壁面間溫差Δt=1K，A=1m2時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。單位：W/m2K化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2、數(shù)值

1）無相變時(shí)給熱的α值對于流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制對流，Re>104、Pr=0.7~120的氣體和μ?2μ水的液體：液體被加熱時(shí)m=0.4（4—11）液體被冷卻時(shí)m=0.3（4—12）2）有相變時(shí)的α值相變時(shí)放出大量的潛熱，故α值查表(取一中間值)P117表4-2化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解四、傳熱總速率的方程

—從給熱方程中消去tw1,tw2，求Φ令αT=α1，αt=α2化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解注意：由于Φ1=Φ2=Φ3=Φ所以有：五、總傳熱系數(shù)K

化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解多層圓簡壁一般不用Φ=KAm(T-t)

的形式,而直接使用公式?！鄦螌踊ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解例4-7：釜內(nèi)徑d1=0.8m≈外徑d2=0.822m，故釜壁可視為平面壁，則有：熱阻主要集中在λ較小和α較小的一側(cè)，金屬管壁的熱阻很小，在液一液熱交換過程中通常忽略。化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解作業(yè)：P14314化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解b.據(jù)4.總傳熱系數(shù)K的獲得途徑：實(shí)測。a.據(jù)計(jì)算化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解例4-10用160℃飽和蒸氣加熱粘性溶液15→140℃，黏性溶液的黏度隨溫度升高而顯著下降，使總傳熱系數(shù)K-t變化，屬不穩(wěn)定傳熱，∴取一時(shí)間微元dτ,在dτ內(nèi)傳遞的熱量為dQ，則對冷流體有：∵沒有K=f(t)關(guān)系，只有K-t數(shù)據(jù)，∴只能采用辛普森數(shù)據(jù)積分(自變量間隔相等)公式積分：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解分別計(jì)算出y0,y1,y2…y5代入公式求得τ：=8.57*105(25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37)+6.94)10-5=3230s=54minn為積分區(qū)間所分的等分?jǐn)?shù)，這里有6組(T-t)數(shù)據(jù)，可求得6個(gè)y值，即：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解六、傳熱溫度差

——傳熱過程中溫差一般是變化的，需取平均值計(jì)算。

1、穩(wěn)定的恒溫傳熱溫差（溫度不隨位置而變化）如圖的傳熱過程：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2、穩(wěn)定的變溫傳熱溫差（溫度隨位置而變化）②逆流(相向逆流)①并流(同向并流)注意：同一流體終、始態(tài)的溫差用ΔT`或Δt`表示。換熱器同一端高低溫流體的溫差用Δt1或Δt2表示?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解3、平均溫差公式

以并流為例推導(dǎo)平均溫差公式：

∵(T-t)與A有關(guān)，故須找平均溫差(T-t)m=Δtm,

則需找d(T-t)～dA關(guān)系,故取一微元面積dA,在dA內(nèi)視(T-t)為常數(shù),在dA內(nèi)應(yīng)用傳熱速率方程式有：對冷熱流體進(jìn)行熱量衡算有：可找到dA～d(T-t)關(guān)系，積分就可得(T-t)m=Δtm

kg/s(qm)化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解即：經(jīng)過dA后換熱器換熱：T流體放熱：t流體吸熱：(2)-(3)得：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解設(shè)法消去與流體性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)M、Cp：代回(5)式整理得：……(5)化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解對數(shù)平均溫差同理逆流換熱亦可推導(dǎo)出：當(dāng)算術(shù)平均溫差注意：計(jì)算時(shí)，先作出T∽A方框圖，注明溫度，找出Δt1和Δt2后再計(jì)算Δtm。→例4-11化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解

例4-11

Δtm逆=54.9℃

Δtm并=39.1℃

Δtm逆/Δtm并=54.9/39.1=1.404

在Φ,K相同時(shí)：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1A并>A逆

在A,K相同時(shí)：Φ逆/Φ并=Δtm逆/Δtm并＞1Φ逆>Φ并

據(jù)Φ=MCpΔt`，在Φ相同時(shí)，逆流可減少熱載體的用量，即M逆<M并。

即逆流傳熱，可使Φ↑orA↓orm↓.化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解七、并流與逆流的比較

并流傳熱的溫差Δt前大后小，逆流傳熱溫差Δt始終較大，故一般有Δtm逆>Δtm并。

1、逆流的優(yōu)點(diǎn)：∵Φ=KAΔtm

①進(jìn)出口溫度相同時(shí)，Δtm逆>Δtm并，故在A、K一定時(shí):

Φ逆/Φ并

=Δtm逆/Δtm并

＞1

即：

Φ逆＞Φ并

②冷熱流體的出口溫度互不受影響，冷流體出口溫度t1可能高于熱流體出口溫度T2，換熱徹底。在Φ、K相同時(shí)，A逆<A并。

化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解2、并流的優(yōu)點(diǎn):

①t2<T2，流體終點(diǎn)溫度易控制，對于易氣化、分解、反應(yīng)和冷凝而必須控溫的流體的換熱較適合。②Δt1>Δt2，適用于某些連續(xù)操作的管式反應(yīng)器中進(jìn)行的放熱反應(yīng)的熱量的移出。如圖：并流能正常操作，逆流不能正常操作?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解例4-12在其他條件(K,Cp,M1,M2)不變時(shí),并→逆，求T2,t1。

解：利用并流求得有關(guān)常數(shù)：Φ=KAΔtm=-M1Cp1ΔT’=M2Cp2Δt’ΔT`=-50Δt`=40

M1Cp1/M2Cp2=Δt’/ΔT’=0.8(常數(shù))…(1)

Δtm并=Δt1-Δt2/lnΔt1/Δt2=39.1

KA/M1Cp1=-ΔT`/Δtm=50/39.1=1.28（常數(shù)）…(2)化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解-ΔT`=120-T2

Δt`=t1-20改逆流后:代入（1）和（2）式：

M1Cp1/M2Cp2=Δt’/ΔT’=(t1-20)/(120-T2)=0.8

KA/M1Cp1=-ΔT`/Δtm

=2（120-T2）/（100-t1+

T2）=1.28

化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解例4-13求在逆流換熱中面積增大一倍時(shí)的出口溫度。同理有：M1Cp1/M2Cp2=Δt’/ΔT’=0.8=(t`1-20)/(120-T`2)t`1=116-0.8T`2Δt`m逆=(100-t`1+T`2)/2K(2A)/M1Cp1=2*1.28=-ΔT`/Δt`m逆

=(120-T`2)*2/(100-t`1+T`2)=2.56T`2=42.5℃t`1=82℃化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解八、強(qiáng)化傳熱的途徑和措施

∵Φ=KAΔtm1.增大A:增大α較小一側(cè)的A值，如氣體和α小的液體走管外；采用翅片管、螺紋管作換熱管。當(dāng)兩種流體能接觸時(shí)，盡量增加其分散度(A大)。如噴啉冷卻時(shí)將液體霧化。2.提高Δtm：盡量采用逆流換熱。溫差的增大受氣候條件和輸送費(fèi)用的限制?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解3.提高K值∵K值取決于α值和λ很小的垢層的厚度。1、采用α大的流體作熱載體；2、據(jù)：增大流速可提高α值；3、勤除垢層,減小熱阻δ/λ?；ぴ淼谒恼聜鳠徇^程超詳細(xì)講解平面壁傳導(dǎo)傳熱：圓筒壁傳導(dǎo)傳熱：九、常用公式：

化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解平面壁對流傳熱：圓筒壁對流傳熱：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解熱量衡算：平均溫差：化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解§4-5熱交換器一、列管式換熱器如圖4-14，P127管程：換熱器的管內(nèi)通道管程數(shù)：流體在管程中從一端到另一端運(yùn)行的次數(shù)。殼程：換熱器的外殼與管束之間的通道殼程數(shù)：流體在殼程中從一側(cè)到另一側(cè)運(yùn)行的次數(shù)?？倱Q熱面積：A=n

dml

二、夾套式加熱器：圖4-20三、蛇管式熱交換器：4-21四、螺旋板式熱交換器：4-22五、板式熱交換器：4-23化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解習(xí)題14

解：圓筒壁的對流傳熱Φ2/Φ1=6.53/18.75=0.3482≈35%α1=

2000Wm-2K-1結(jié)垢后：結(jié)垢前：α2=

15000Wm-2K-1r1=

0.011mr2=

0.0125mr2=

0.011mr3=

0.0125mr1=

0.01m化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解習(xí)題23：

A=n*l*πdm=13×2×3.14×0.0235=1.9m2T2=?t2=15℃T1=90℃?化工原理第四章傳熱過程超詳細(xì)講解習(xí)題21解：l∝A,可用A比代表l比，即視為平面壁作近似計(jì)算?！擀?KAΔtm=-M1Cp1ΔT’=M2Cp2Δt’加長前：Δt1’=25ΔT1’=-50M1Cp1/M2Cp2=Δt1’/-ΔT1’=25/50=0.5Δtm1=(Δt1+Δ