化工原理第四章

第4章.傳熱(chuánrè)4.1概述(ɡàishù)一.傳熱的基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）:由于物質(zhì)分子、原子或電子的熱運(yùn)動(dòng)，將熱量從物體高溫處向低溫處的傳遞過程稱為熱傳導(dǎo)。特點(diǎn)：物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的相互位移。熱對(duì)流:流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移和混合而引起的熱量傳遞，熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。自然對(duì)流傳熱強(qiáng)制對(duì)流傳熱熱輻射（輻射傳熱）:因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。熱輻射是一種以電磁波傳遞熱能的方式。精品資料二.傳熱過程(guòchéng)中熱冷流體熱交換方式

1.直接(zhíjiē)接觸式換熱和混合式換熱器兩流體在換熱器中直接接觸，相互混合進(jìn)行換熱。該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備及操作費(fèi)用均較低，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場(chǎng)合。2.蓄熱式

借助于蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體。該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫；缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，熱效率低且不能完全避免兩流體的混合。精品資料二.傳熱過程中熱冷流體(liútǐ)熱交換方式

3.間壁式

化工生產(chǎn)過程中冷熱流體之間進(jìn)行的熱交換大多不允許直接(zhíjiē)混合，兩種流體常被固體壁面隔開，并在壁面兩側(cè)流動(dòng)構(gòu)成典型的間壁式換熱器。該類型換熱器的特點(diǎn)是兩流體在換熱過程中不混合。精品資料

間壁式換熱器中的傳熱(chuánrè)過程(對(duì)流傳熱(chuánrè))套管(tàoɡuǎn)式換熱器管殼式換熱器精品資料

傳熱速率(sùlǜ)Q(熱流量)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞的熱量,W熱通量q(熱流(rèliú)密度或傳熱速度)：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e、單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量,W/m2穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化的傳熱過程。傳熱速率為常量。非穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置而變且又隨時(shí)間而變的傳熱過程。精品資料載熱體及其選擇(xuǎnzé)

物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí),通常需要用另一種流體(liútǐ)供給或取走熱量,此種流體(liútǐ)稱為載熱體.載熱體的選擇原則:(1)載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制(2)載熱體的飽和蒸氣壓較低,加熱時(shí)不易分解(3)毒性小,不易燃易爆,不腐蝕設(shè)備(4)價(jià)廉易得精品資料4.2熱傳導(dǎo)

等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面。溫度不同(bùtónɡ)的等溫面不會(huì)相交。溫度梯度：

傅立葉定律(dìnglǜ)(熱傳導(dǎo)的基本定律(dìnglǜ)):熱傳導(dǎo)速率和溫度梯度以及垂直于熱流方向的表面積成正比。

一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):精品資料

熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱(dǎorè)系數(shù))單位(dānwèi):W/(m·℃)或W/(m·K)。

λ是物性之一，與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)(T、p)有關(guān)。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質(zhì)的λ越大，導(dǎo)熱性能越好。精品資料

導(dǎo)熱系數(shù)(xìshù)的大小順序：λ(金屬固體)>λ(非金屬固體)>λ(液體)>λ(氣體)。大多數(shù)固體(gùtǐ)：非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)T↑ λ非金屬↑金屬的導(dǎo)熱系數(shù)：純度增加，λ金屬↑，λ純金屬>λ合金，T↑，λ金屬↓液體:

非金屬液體：λ水最大；λ純液體>λ混合液體金屬液體：λ金屬液體較高，但T↑時(shí)，λ金屬液體↓。氣體T↑，λ↑。精品資料平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1.單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)由傅立葉定律(dìnglǜ):若λ不隨溫度(wēndù)而變或取兩壁面處的平均值，則積分邊界為:x=0時(shí)，t=t1x=b時(shí)t=t2,積分得:或溫度分布:──導(dǎo)熱熱阻，℃/W精品資料多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè):Q1=Q2=Q3=Q(1)串聯(lián)(chuànlián)傳熱過程的總推動(dòng)力（溫度差）是各分過程溫度差之和；總熱阻為各分過程熱阻之和.結(jié)論:（2）在穩(wěn)態(tài)多層平壁導(dǎo)熱過程中，熱阻大，對(duì)應(yīng)的溫度差就大；總溫度差一定時(shí),Q的大小取決于總熱阻的大小.精品資料

例:某平壁層由三層材料(cáiliào)組成,其厚度分別為30cm、25cm、40cm,導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.16W/(m.℃)、0.58W/(m.℃)、0.93W/(m.℃),已知內(nèi)層溫度為1100℃,最外層溫度為100℃,求各層溫度降.如果由于某種原因,在第二層和第三層之間有一3mm厚的空氣層(λ為0.031W/(m.℃)),而要求熱損失仍和原來相同,再求最外層壁溫為多少?各層溫度降又為多少?精品資料圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):積分(jīfēn):溫度(wēndù)分布:多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):或注意：圓筒壁的熱傳導(dǎo)速率：Q1=Q2=Q3=…….=Qn但q1≠q2≠q3≠……≠qn(各層S不同)精品資料4.3對(duì)流傳(liúchuán)熱概述

對(duì)流傳熱(chuánrè)是指流體與固體壁面間的傳熱(chuánrè)過程對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合傳熱現(xiàn)象,其熱阻主要集中在滯流內(nèi)層。*減薄滯流內(nèi)層的厚度、增加流體的湍動(dòng)是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑牛頓冷卻定律:或α——對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2.℃),α不是物性參數(shù),它是受多種因素影響的一個(gè)物理量。精品資料

熱邊界層若流體自由(zìyóu)流的溫度與固體壁面的溫度不同時(shí)會(huì)形成熱邊界層熱邊界層越薄則層內(nèi)溫度梯度越大,通過層流(cénɡliú)內(nèi)層的傳熱速率為:又根據(jù)牛頓冷卻定律有:則可得:精品資料保溫層的臨界(línjiè)直徑

在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料,隨保溫層厚度增加(zēngjiā),可能會(huì)使熱損失增大.保溫層的臨界直徑的確定:熱損失求得臨界半徑為:臨界直徑為:精品資料4.4傳熱過程(guòchéng)計(jì)算一.熱量(rèliàng)衡算忽略換熱器的熱損失，即Qh=QcQ=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1）一側(cè)有相變時(shí):Q=Whr=WcCpc（t2-t1）若冷凝液的溫度低于飽和溫度，則：無相變時(shí):精品資料二.總傳熱速率(sùlǜ)微分方程總傳熱(chuánrè)速率微分方程:dQ=K(T-t)dS=K△tdS兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:①熱流體與器壁的對(duì)流傳熱②器壁的熱傳導(dǎo)③冷流體與器壁的對(duì)流傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)：dQ1=dQ2=dQ3=dQ精品資料總傳熱系數(shù)

與dQ=KdS(T-t)比較(bǐjiào):K的三種(sānzhǒnɡ)形式:注意:傳熱系數(shù)K與傳熱面積S一一對(duì)應(yīng)。精品資料

一般以外表面(biǎomiàn)為基準(zhǔn):若換熱器內(nèi)外結(jié)垢(jiéɡòu)，存在污垢熱阻Rsi、Rso，則：精品資料

若傳熱(chuánrè)面為平壁或薄管壁時(shí),可簡(jiǎn)化為:當(dāng)管壁(ɡuǎnbì)熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，可簡(jiǎn)化為：又若，則K≈α*K值總是接近熱阻大的流體側(cè)的α值，總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制，要提高K值，關(guān)鍵要提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α值。精品資料三.平均(píngjūn)溫度差和總傳熱速率方程1.恒溫傳熱(chuánrè)時(shí)的平均溫度差

2.變溫傳熱時(shí)的平均溫度差

精品資料

總傳熱(chuánrè)速率方程:對(duì)數(shù)(duìshù)平均溫度差:當(dāng)時(shí)，可以用算術(shù)平均溫度差代替對(duì)數(shù)平均溫度差。對(duì)于同樣的進(jìn)出口條件，并可以節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量注意：對(duì)于一側(cè)溫度有變化，另一側(cè)恒溫，精品資料

錯(cuò)流和折流時(shí)的平均(píngjūn)溫度差:(先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差△tm'，再根據(jù)實(shí)際流動(dòng)情況乘以溫度差校正(jiàozhèng)系數(shù))精品資料

例:在列管換熱器中用1.5kgf/cm2的飽和蒸汽將470m3/h的某溶液從40℃加熱到45℃,采用φ38×3×2000mm的鋼管(λ=46.5W/m.℃),若無垢層,試計(jì)算(jìsuàn)傳熱面積S和所需的管數(shù).已知:水蒸汽1.5kgf/cm2時(shí)其飽和溫度為126℃,其αo=11600W/(m2.℃),溶液αi=3700W/(m2.℃),ρ=1320kg/m3,Cp=3.4kJ/kg.℃.精品資料4.5對(duì)流(duìliú)傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式(1)流體的種類和相變化(biànhuà)的情況流體的種類不同，其對(duì)流傳熱膜系數(shù)各不相同;流體有相變化時(shí),α較大.(2)流體的物性μ，α↓；（ρCp、）

，α，體積膨脹系數(shù)β，α。(3)流體的流動(dòng)狀態(tài)滯流：α值較?。煌牧鳎篟e，滯流內(nèi)層的厚度減薄,α。

(4)流體流動(dòng)的原因

α強(qiáng)制α自然(6)傳熱面的形狀、位置和大小

影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素(5)流體的溫度精品資料對(duì)流傳(liúchuán)熱過程的特征數(shù)(準(zhǔn)數(shù))

準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾準(zhǔn)數(shù)（給熱準(zhǔn)數(shù)）Nu表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流型準(zhǔn)數(shù)）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)（升力準(zhǔn)數(shù)）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)強(qiáng)制對(duì)流傳(liúchuán)熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式:自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式:Nu=f(Gr,Pr)精品資料無相變時(shí)對(duì)流(duìliú)傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式流體(liútǐ)在圓形管內(nèi)作強(qiáng)制湍流（1）對(duì)于低粘度（μ小于2倍常溫水的粘度）的流體流體被加熱時(shí)，n=0.4流體被冷卻時(shí)，n=0.3應(yīng)用范圍：Re>10000，0.7<Pr<120，L/di≥60定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值(2)對(duì)于高粘度的流體：精品資料

流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流(duìliú),特征尺寸常采用傳熱當(dāng)量直徑de’:例：對(duì)套管(tàoɡuǎn)式換熱器環(huán)隙內(nèi)傳熱時(shí)：精品資料流體(liútǐ)有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1.蒸氣(zhēnɡqì)冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)冷凝方式

膜狀冷凝滴狀冷凝α滴狀>α膜狀

工業(yè)上遇到的大多為膜狀冷凝膜狀冷凝特點(diǎn):冷凝液膜是蒸氣冷凝傳熱的主要熱阻精品資料流體(liútǐ)有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

影響冷凝(lěngníng)傳熱的因素(影響冷凝(lěngníng)液膜厚度的因素):(1)液膜兩側(cè)的溫度差的影響:液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，t，液膜厚度,(2)流體物性的影響：、，；

、；r、。

(3)蒸汽的流速和流向的影響:同向流動(dòng),u,；若逆向流動(dòng)，則u,減小.若u足夠大,液膜會(huì)被蒸汽吹離壁面,此時(shí)隨蒸汽流速的增加急劇增大。(4)蒸汽中不凝性氣體含量的影響:使急劇下降.(5)冷凝壁面的影響(6)冷凝液的排出(在換熱器中蒸氣必須上進(jìn)下出)精品資料2.液體沸騰(fèiténg)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大容積(róngjī)沸騰

℃時(shí)自然對(duì)流階段℃-25℃

泡核沸騰階段℃膜狀沸騰階段影響沸騰傳熱的因素:(1)流體的物性:、則；、則。(2)溫度差t(3)操作壓強(qiáng):操作壓強(qiáng)升高，液體飽和溫度提高，則增大。(4)加熱表面的狀況精品資料

例：有一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)中的單程逆流列管式換熱器，熱空氣在管程由120℃降至80℃，其對(duì)流傳熱系數(shù)α1=50W/（m2·K）。殼程的冷卻(lěngquè)水從15℃升至90℃，其對(duì)流傳熱系數(shù)α2=2000W/（m2·K），管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計(jì)。當(dāng)冷卻(lěngquè)水量增加一倍時(shí)，試求①水和空氣的出口溫度t'2和T'2，忽略流體物性參數(shù)隨溫度的變化；②傳熱速率Q'比原來增加了多少？精品資料壁溫的估算(ɡūsuàn)

若不考慮(kǎolǜ)污垢熱阻,則:

注意：管壁溫度接近于熱阻小的那一側(cè)流體的溫度。精品資料4.6熱輻射

一.基本概念熱輻射(fúshè):物體因熱的原因引起的電磁波輻射(fúshè).被傳遞的能量為輻射(fúshè)能。理論上，熱輻射的電磁波長(zhǎng)(bōcháng)從0→∞，但是具有實(shí)際意義的波長(zhǎng)(bōcháng)范圍為0.4~20μm(0.4~0.8μm為可見光；0.8~20μm為紅外光線）熱輻射的特點(diǎn)：（1）無需中間介質(zhì)，可在真空中傳遞；（2）熱射線同光一樣，服從反射和折射定律，具有反射性、吸收性和透過性。精品資料4.6熱輻射

根據(jù)(gēnjù)能量守恒定律有：A+R+D=1（A—吸收率；R—反射率；D—透過(tòuɡuò)率）黑體：能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體。

鏡體或絕對(duì)白體：能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體。透熱體：能透過全部輻射能，即透過率D=1的物體?；殷w：凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到∞的所以波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體?；殷w有以下特點(diǎn)：

(1)A不隨輻射線的波長(zhǎng)而變；(2)灰體是不透熱體，即A+R=1。精品資料二.物體的輻射(fúshè)能力和有關(guān)的定律

斯蒂芬-玻耳茲曼定律(dìnglǜ)：黑體的輻射能力與絕對(duì)溫度關(guān)系輻射能力:物體在一定溫度下,單位表面積,單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總輻射能,W/m2--黑體的輻射常數(shù)，其值為

--黑體的輻射系數(shù)，其值為

推廣到灰體的輻射能力：物體的黑度：或

精品資料

克希霍夫定律(dìnglǜ)：*在同一溫度下，物體的吸收率和黑度(hēidù)在數(shù)值是相同的。物體的輻射能力越強(qiáng)，則其吸收能力越強(qiáng)。精品資料三.兩固體間的輻射(fúshè)傳熱

1、極大的兩平行面：面積(miànjī)S=S1或S2，角系數(shù)φ=1，2、很大的物體2包住物體1：面積S=S1，角系數(shù)φ=1，

3、物體2恰好包住物體1：面積S=S1，角系數(shù)φ=1，精品資料4.7換熱器

一、換熱器的分類(fēnlèi)1、根據(jù)換熱器的用途(yòngtú)可分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、分凝器和再沸器等。2、根據(jù)換熱器的傳熱原理可分為：混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器。蓄熱式換熱器精品資料二.間壁式換熱器

1．夾套式換熱器結(jié)構(gòu)：夾套安裝在容器外部，夾套與器壁之間形成的空間為加熱(jiārè)介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的通道。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，傳熱(chuánrè)面積小，傳熱(chuánrè)效率低，廣泛用于反應(yīng)釜的加熱和冷卻。精品資料2.蛇管式換熱器

沉浸(chénjìn)式蛇管換熱器噴淋式換熱器

噴淋式換熱器蛇管的形狀(xíngzhuàn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉、能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)：傳熱面積小，蛇管外對(duì)流傳熱系數(shù)較小，檢修和清洗不便。精品資料3．套管(tàoɡuǎn)式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。能耐高壓，傳熱系數(shù)較大。傳熱面積可根據(jù)需要增減，能保持完全逆流(nìliú)使對(duì)數(shù)平均溫度差最大。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，管間接頭較多，易泄漏，占地面積較多。用途：適用于流量不大、所需傳熱面積不多而要求壓強(qiáng)較高的場(chǎng)合。精品資料4.列管式換熱器（管殼式換熱器）

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積設(shè)備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作彈性大，可用多種材料(cáiliào)制造，適用性較強(qiáng)，在大型裝置中普遍采用。列管式換熱器殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相垂直的折流擋板，其作用是提高殼程流體的流速，迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流，防止流體短路，增加殼程流體的湍動(dòng)程度。精品資料

具有補(bǔ)償圈的固定(gùdìng)管板式換熱器U形管式換熱器U形管式換熱器特點(diǎn)(tèdiǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式換熱器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。精品資料流體(liútǐ)流動(dòng)流道的選擇

①不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，以便(yǐbiàn)于清洗管子；