化工基礎第三章傳熱演示專選課件

化工基礎第三章傳熱主要內容第一節(jié):概述第二節(jié):熱傳導第三節(jié):對流傳熱第四節(jié):熱交換的計算第五節(jié):熱交換器第六節(jié):傳熱過程的強化2023/7/26前言凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞傳熱在化工生產中的應用：1、物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)、干燥等過程2、反應器內需要供給或移走反應熱，使反應在一定溫度下進行3、化工設備和管道的保溫，生產中熱能的合理利用，廢熱回收(能量傳遞過程)間歇傳熱連續(xù)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率≠常數穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱速率=常數2023/7/26第三章

熱量傳遞1-1穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱1-2傳熱基本方式1-3熱平衡方程與熱流量方程第一節(jié)

概述2023/7/261-1穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱進行時，物質各點溫度不隨時間而變僅隨位置變化的傳熱過程。非穩(wěn)定傳熱：傳熱進行時，物質各點溫度不僅隨位置而變、且隨時間而變化的傳熱過程。1-2傳熱的基本方式

熱傳導熱對流熱輻射傳熱速率=常數2023/7/261.熱傳導氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果固體導電體：自由電子在晶格間的運動非導電體：通過晶格結構的振動實現液體機理復雜，介于氣體和固體之間特點：靜止介質中的傳熱，沒有物質的宏觀位移熱量從物體內部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或者傳遞到與之相接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為熱傳導，簡稱導熱。1-2傳熱的基本方式2023/7/262.熱對流

流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，稱為熱對流。對流只能發(fā)生在流體中。強制對流自然對流

流體受外力作用而引起的流動由于流體內溫度差導致密度差異而引起的流動特點：流動介質中的傳熱，流體作宏觀運動對流傳熱的同時，伴隨著流體質點間的熱傳導一般討論對流傳熱多指熱由流體傳到固體的壁面（或反之）的傳熱過程1-2傳熱的基本方式2023/7/263.熱輻射

特點：不僅產生能量的轉移，而且伴隨著能量形式的轉換；熱輻射不需要媒介;高溫物體的主要傳熱形式熱能輻射能熱能λ=0.4~40μm物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程黑體斯蒂芬-波爾茨曼定律T>673K1-2傳熱的基本方式輻射常數輻射能力2023/7/26傳熱過程將熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鬟f到壁面另一側的過程1-3熱平衡方程與熱流量方程1.傳熱平衡方程以某換熱器為衡算對象，列出穩(wěn)態(tài)傳熱時的熱量衡算方程冷流體T`1T`2熱流體T1T2在換熱過程中，忽略熱損失（傳熱量）換熱器的傳熱量（熱負荷）2023/7/26(1)無相變時的傳熱量計算Φ=qm,hCp,h(T1–T2)=qm,cCp,c(T2′–T1′)

飽和蒸汽冷凝液體沸騰汽化

φ=qm·r

其中r—氣化潛熱（或冷凝潛熱）KJ/kg(2)有相變時的傳熱量計算qm,hr=qm,cCp,c(T2′–T1′)

qm,hCp,h(T1–T2)=qm,cr飽和蒸汽冷凝液體沸騰汽化1-3熱平衡方程與熱流量方程2023/7/26傳熱速率Φ（熱流量）：單位時間內通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W熱流密度q（熱通量）

：單位時間內通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2熱流量與熱通量的關系為2.熱流量方程穩(wěn)態(tài)傳熱

Φ=KAΔTmK:總傳熱系數，W/(m2·K)A:總傳熱面積，m2

ΔTm:兩流體的平均溫差，K熱流量方程總傳熱速率方程1-3熱平衡方程與熱流量方程2023/7/26第三章

熱量傳遞2-1傅里葉定律2-2導熱系數2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2-4圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導第二節(jié)

熱傳導2023/7/262-1傅里葉定律溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布1.溫度場和等溫面不穩(wěn)定溫度場：穩(wěn)定溫度場：等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面1）不同溫度的等溫面不相交2）在等溫面內沒有熱量的傳遞t1t2t1>t2等溫面Q2023/7/262.溫度梯度：溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率對于一維穩(wěn)態(tài)的溫度場，溫度梯度可表示為：溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向3.傅立葉定律

傅立葉定律

λ——比例系數，稱為導熱系數；w/m·k負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反2-1傅里葉定律2023/7/261.導熱系數的定義

在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量w/m·k=f(結構,組成,密度,溫度,壓力）金屬固體>非金屬固體>液體>氣體

表征材料導熱性能的物性參數2-2導熱系數2.固體導熱系數金屬材料10～102W/(m?K)建筑材料10-1～10W/(m?K)絕熱材料10-2～10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內：金屬材料a<0非金屬材料a>0

2023/7/263.液體導熱系數金屬液體較高，非金屬液體低(水的最大)；水和甘油：t

，其它液體：t

，0.09～0.6W/(m·K)4.氣體導熱系數t

，一般情況下，隨p的變化可忽略；氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱0.006～0.4W/(m·K)2-2導熱系數2023/7/261、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導K/W2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2023/7/26例某平壁厚度δ=0.37m，內表面溫度t1=1650℃，外表面溫度t2=300℃，平壁材料導熱系數λ=0.815+0.00076t，W/（m·℃）試求平壁的面積熱流量q。

平壁材料的平均導熱系數：

面積熱流量為：解：

W/（m2·℃

）W/m2

2023/7/262.多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導

2-3平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2023/7/26例有一燃燒爐，爐壁由三種材料組成。最內層是耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知耐火磚δ1=150mmλ1=1.06W/m·℃保溫磚δ2=310mmλ2=0.15W/m·℃建筑磚δ3=240mmλ3=0.69W/m·℃今測得爐的內壁溫度為1000℃，耐火磚與保溫磚之間界面處的溫度為946℃。試求：(a)單位面積的熱流量；(b)保溫磚與建筑磚之間界面的溫度；解(a)q

(b)保溫磚與建筑磚的界面溫度t3

q1=q2=q3=q

2023/7/261、單層圓筒壁的熱傳導通過該圓筒壁的導熱速率可以表示為：

2-4圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2023/7/26這個式子也可以寫成與平壁傳導速率方程類似的形式

當r2/r1≤2時可用算術平均值代替對數平均值

2-4圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2023/7/262、多層圓筒壁的熱傳導

平壁：各處的?和q均相等；圓筒壁：不同半徑r處?相等，但q卻不等。2-4圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2023/7/26第三章

熱量傳遞3-1對流傳熱過程分析3-2牛頓冷卻定律3-3傳熱膜系數3-4對流傳熱小結第三節(jié)

對流傳熱2023/7/26湍流主體溫度梯度小，熱對流為主層流內層溫度梯度大，熱傳導為主過渡區(qū)域熱傳導、熱對流均起作用熱對流與流體的流動情況、流體性質、壁面幾何特征及流體對壁面的流動方向等因素有關。對流傳熱的面積熱流量與流體與壁面間的溫度差成正比3-1對流傳熱的分析

2023/7/26

──對流傳熱系數(傳熱膜系數,給熱系數），W/(m2·K)流體被加熱：流體被冷卻：牛頓冷卻定律表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數大，則傳熱快對流傳熱的面積熱流量與流體與壁面間的溫度差成正比3-2牛頓冷卻定律2023/7/26t──總有效膜厚度；e──湍流區(qū)虛擬膜厚度；

──層流底層膜厚度。1.有效膜TTWttWt傳熱有效膜對流傳熱熱阻3-3傳熱膜系數將復雜的對流傳熱簡化為傳導傳熱2023/7/262)

流體的物性1)流體的種類液體、氣體的α各不相同。α液體>α氣體①導熱系數②粘度③比熱和密度④體積膨脹系數

（1）傳熱膜系數的影響因素2.用量綱分析法求無相變時流體的傳熱膜系數3-3傳熱膜系數2023/7/263)流體流動狀態(tài)

湍流的對流傳熱系數遠比層流時的大5)傳熱面的形狀、大小和位置

湍>層4）對流的種類強制對流：自然對流：由于外力的作用

由于流體內部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質點的位移強>自3-3傳熱膜系數2023/7/26列出影響該過程的物理量，并用一般函數關系表示：

＝f(u，l，，，

，cp，gt)＝kualbcd

ecpf(gt)h長度L，時間T，質量M，溫度（2）量綱分析3-3傳熱膜系數2023/7/263-3傳熱膜系數2023/7/26準數的符號和意義準數名稱符號準數式意義努塞爾特準數（Nusselt）Nu表示對流傳熱系數的準數雷諾準數（Reynolds）Re確定流動狀態(tài)的準數普蘭特準數（Prandtl）Pr表示物性影響的準數格拉斯霍夫準數（Grashof）Gr表示自然對流影響的準數2023/7/26一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)簡化：強制對流Nu=f(Re,Pr)；自然對流Nu=f(Pr,Gr)3.流體無相變時強制對流傳熱膜系數關聯式流體在圓形直管內作強制湍流低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體

流體被加熱時：n=0.4流體被冷卻時：n=0.3應用范圍：Re>104,Pr=0.7~160,L/d>503-3傳熱膜系數2023/7/26加熱與冷卻的差別：液體氣體加熱時：n=0.4冷卻時：n=0.3加熱時：n=0.4冷卻時：n=0.33-3傳熱膜系數2023/7/26公式修正：冷卻：（1）高粘度流體（>2水）工程處理：加熱：Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>50液體氣體3-3傳熱膜系數2023/7/26（2）流體在圓形直管內呈過渡流對于Re=2000~10000時的過渡流范圍，先按湍流的公式計算α，然后再乘以校正系數f（3）當L/d<30～40，乘校正系數<11.02~1.073-3傳熱膜系數2023/7/26(4)圓形彎管乘校正系數(5)非圓形管強制湍流1）當量直徑法2）直接實驗法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)12000<Re<220000；d2/d1=1.65~173-3傳熱膜系數2023/7/26(1)蒸汽冷凝時的對流傳熱膜系數1)冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝4.流體有相變時的強制對流傳熱膜系數的關聯式滴>膜

3-3傳熱膜系數2023/7/262).冷凝過程的熱阻：液膜的厚度3).蒸汽冷凝的①水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數；r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg;TS

——飽和溫度；Tw——壁溫定性溫度：膜溫：

3-3傳熱膜系數2023/7/26湍流②豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

3-3傳熱膜系數2023/7/26(2)液體沸騰時的對流傳熱膜系數沸騰種類1）大容積沸騰2）管內沸騰3-3傳熱膜系數沸騰曲線水沸騰曲線CABDEAB段：自然對流區(qū)Δt<5℃BC段：5℃

<Δt<25℃核狀沸騰區(qū)CD段：Δt>25℃不穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū)DE段：Δt>250℃穩(wěn)定膜狀沸騰區(qū)2023/7/263-4對流傳熱小結①注意經驗式的適用范圍、定性溫度、定性尺寸②關聯式中各物理量采用統(tǒng)一單位制③學會分析各關聯式中各物理量對α值的影響，從而分析強化對流傳熱的措施④了解各個情況下α值數量級的概念，有助于判斷和分析計算結果的正確性強制對流自然對流

無相變對流有相變對流

2023/7/26空氣中水中總之：油類中3-4對流傳熱小結2023/7/26例有一列管式換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內流動，由20℃被加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進行加熱。試求管壁對苯的傳熱系數。當苯的流量提高一倍，傳熱系數有何變化。解：tm=(80℃+20℃)/2=50℃密度ρ=860kg/m3；比熱容cp=1.80kJ/（kg·K）；粘度μ=0.45mPa·s；導熱系數λ=0.14W/（m·K）苯在平均溫度下的物性可由附錄查得：2023/7/26加熱管內苯的流速為：m/sW/（m2·K）若忽略定性溫度的變化，當苯的流量增加一倍時，給熱系數為α′W/（m2·K）2023/7/26第三章

熱量傳遞4-1總傳熱系數4-2傳熱的平均溫度差4-3熱交換計算示例第四節(jié)

熱交換的計算2023/7/264-1總傳熱系數間壁壁面對冷流體的對流熱流量熱流體對壁面的對流熱流量間壁內傳導的熱流量2023/7/26式中K——總傳熱系數，W/(m2·K)對于穩(wěn)定傳熱

4-1總傳熱系數Φ=KAΔTm2023/7/26當傳熱面為平面時，A=A1=A2=Am多層復合平壁2.圓筒壁的總傳熱系數當傳熱面為圓筒壁時，A1≠A2≠Am1.平面壁的總傳熱系數4-1總傳熱系數2023/7/26——基于外壁面積的總傳熱系數計算公式以外壁面為基準傳熱面積4-1總傳熱系數2023/7/26Am、dm——換熱管的對數平均面積，對數平均直徑污垢熱阻傳熱系數用熱阻表達當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，4-1總傳熱系數2023/7/26

例熱空氣在冷卻管管外流過，α2=90W/（m2·℃），冷卻水在管內流過，α1=1000W/（m2·℃）。冷卻管外徑do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁的λ=40W/（m·℃）。試求：①總傳熱系數Ko；②管外對流傳熱系數α2增加一倍，總傳熱系數有何變化？③管內對流傳熱系數α1增加一倍，總傳熱系數有何變化？解：=80.8W/（m2·℃

）=81.1W/（m2·℃

）2023/7/26

②α2增加一倍傳熱系數增加了82.4%③α1增加一倍傳熱系數只增加了5.6%說明要提高K值，應提高較小的α2值。2023/7/26恒溫差傳熱：變溫差傳熱：

傳熱-----T恒定不變-----T處處不等Tm與流體流向有關逆流并流錯流折流

Φ=KAΔTm4-2傳熱的平均溫度差

2023/7/261、逆流和并流時的傳熱溫差

假定：（1）換熱器在穩(wěn)定情況下操作；（2）流體的比熱容均為常量，且傳熱系數k沿換熱面而不變；（3）換熱器無熱損失以逆流為例，推導平均溫差AT`2TT`1T2T14-2傳熱的平均溫度差

T`1T`2T1T22023/7/26d?=qm,hCp,hdT=qm,cCp,cdT′

冷、熱流體熱交換的熱量衡算式：4-2傳熱的平均溫度差

T1,T2T1T2,2023/7/26當△T2/△T1≤2時，較大溫差記為T2，較小溫差記為T1當T1＝T24-2傳熱的平均溫度差

2023/7/26并流

T2T`1T`2T1AT1T22.錯流、折流時的傳熱溫差

根據R、P查圖4-2傳熱的平均溫度差

2023/7/262023/7/26例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。解：

逆流時：熱流體：冷流體：70252023/7/26并流時：熱流體：冷流體：8510可見：在冷、熱流體初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫度差大。2023/7/26例：通過一單殼程雙管程的列管式換熱器，用冷卻水冷卻熱流體。兩流體進出口溫度與上例相同，問此時的傳熱平均溫差為多少?又為了節(jié)約用水，將冷卻水的出口溫度提高到35℃，平均溫差又為多少?

解：逆流時

2023/7/262023/7/26又冷卻水終溫提到350C，逆流時：

查圖得：2023/7/264-3熱交換計算示例[例3-3]

在某鋼制列管式換熱器中，用流量30m3.h-1,溫度為20℃的冷水，將某石油餾分由90℃冷卻到40℃，已知該餾份的流量為9075kg.h-1，平均比定壓熱容3.35kJ.kg-1.k-1，水在列管換熱器的管間與油逆流流動，由模擬實驗測得α水=1000w.m-2.k-1，α油=1000w.m-2.k-1鋼管的壁厚2.5mm,，其導熱系數λ=49w.m-1.k-1，試求所需的換熱面積為多少？解：（1）換熱量計算=1.52×106kJ.h-12023/7/26（2）冷卻水出口溫度(3)平均溫差逆流時：熱流體：冷流體：57.920=35.7℃(4)總傳熱系數(5)總傳熱面積℃2023/7/26第三章

熱量傳遞一、熱交換器的分類二、間壁式換熱器第六節(jié)

熱交換器2023/7/26一、換熱器的分類管式換熱器、板式換熱器、特殊形式換熱器換熱器：熱量從一種流體傳向另一種流體的設備換熱器按用途分類加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等換熱器按傳熱面形狀和結構分類換熱器按作用原理分類直接接觸式、蓄熱式、間壁式、中間載熱體式2023/7/262023/7/262023/7/26二、間壁式換熱器1.夾套換熱器優(yōu)點：結構簡單缺點：

A小釜內小強化措施：釜內加攪拌釜內加蛇管外循環(huán)2023/7/262.蛇管換熱器（1）沉浸式強化措施：容器內加攪拌器，提高K優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓缺點：管外小2023/7/26（2）噴淋式優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓管外比沉浸式大缺點：噴淋不易均勻占地面積大2023/7/263.套管換熱器優(yōu)點：結構簡單能耐高壓

(K)或tm大缺點：結構不緊湊A/V小接頭多，易漏2023/7/264.列管換熱器固定管板式U型管式浮頭式2023/7/26第三章

傳量傳遞換熱器中傳熱過程的強化第六節(jié)

傳熱過程的強化2023/7/26傳熱過程的強化途徑2.增大平均溫度差Tm加熱劑T1或冷卻劑T`1兩側變溫，盡量采用逆流強化傳熱，可A

、Tm、K1.增大傳熱面積A增大單位體積內的有效傳熱面積螺紋管、波紋管光滑管管式翅片式、板式2023/7/263.增大總傳熱系數K減小壁、污垢及兩側流體熱阻中的主要熱阻減小對流傳熱熱阻提高增大流速改變傳熱面形狀和增加粗糙度加擾流元件殼程加擋板管程加金屬絲減小管壁及污垢熱阻減小壁厚、清除污垢傳熱過程的強化途徑2023/7/26本章復習2.定態(tài)傳熱是指傳熱系統(tǒng)內各點的溫度(A)既隨時間而變，又隨位置而變(B)只隨位置而變，但不隨時間而變(C)只隨時間而變，但不隨位置而變(D)既不隨時間而變，也不隨位置而變一、選擇題1.熱量傳遞的基本方式為(A)恒溫傳熱和穩(wěn)態(tài)變溫傳熱