化工原理第四章

1、第4章. 传热4.1 概述一一. 传热的基本方式传热的基本方式:热传导、热对流和热辐射 热传导（导热）热传导（导热）:由于物质分子、原子或电子的热运动，将热量从物体高温处向低温处的传递过程称为热传导。 特点：物体内质点不发生宏观的相互位移。热对流热对流:流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递，热对流仅发生在流体中。 自然对流传热 强制对流传热 热辐射（辐射传热）热辐射（辐射传热）:因热的原因物体发出辐射能的过程称为热辐射。热辐射是一种以电磁波传递热能的方式。 二. 传热过程中热冷流体热交换方式 t T 直接接触式1.直接接触式换热和混合式换热器两流体在换热器中直接接触，相互混合进行换热。

2、该类型换热器结构简单，设备及操作费用均较低，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。2.蓄热式 借助于蓄热体将热量由热流体传给冷流体。该类型换热器结构简单，可耐高温；缺点是设备体积庞大，热效率低且不能完全避免两流体的混合。 热流体 蓄热式 二. 传热过程中热冷流体热交换方式 3.间壁式间壁式 化工生产过程中冷热流体之间进行的热交换大多不允许直接混合，两种流体常被固体壁面隔开，并在壁面两侧流动构成典型的间壁式换热器。该类型换热器的特点是两流体在换热过程中不混合。T t 间壁式 间壁式换热器中的传热过程 (对流传热)套管式换热器管壳式换热器 传热速率传热速率Q(热流量)：单位时间内传递的热量,W

3、热通量热通量q (热流密度或传热速度)：单位传热面积、单位时间内传递的热量, W/m2稳态传热：稳态传热：在传热系统中各点的温度仅随位置变化而不随时间变化的传热过程。传热速率为常量。非稳态传热：非稳态传热：在传热系统中各点的温度不仅随位置而变且又随时间而变的传热过程。 载热体及其选择 物料在换热器内被加热或冷却时,通常需要用另一种流体供给或取走热量,此种流体称为载热体载热体.载热体的选择原则:(1)载热体的温度易调节控制(2)载热体的饱和蒸气压较低,加热时不易分解(3)毒性小,不易燃易爆,不腐蚀设备(4)价廉易得4.2 热传导 等温面：等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面。温度不同

4、的等温面不会相交。 温度梯度：温度梯度： ntntgradtn0lim傅立叶定律傅立叶定律 ( 热传导的基本定律):热传导速率和温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。 ntdSdQntdSdQq一维稳态热传导:dxdtSQ t+ t t l 等温面及温度梯度 热导率热导率(导热系数导热系数)ntdSdQ单位:W/(m)或W/(mK)。 是物性之一，是物性之一，与物质种类、热力学状态与物质种类、热力学状态(T、p)有关。有关。物理含义：物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。 导热系数的大小顺序： (金

5、属固体) (非金属固体) (液体) (气体)。 大多数固体： )1 (0at非金属的导热系数T非金属金属的导热系数：纯度增加，金属，纯金属合金，T，金属液体: 非金属液体：水最大；纯液体混合液体金属液体：金属液体较高，但T时，金属液体。 气体T，。 平壁的稳态热传导1.单层平壁的稳态热传导dxdtSQ由傅立叶定律 :若不随温度而变或取两壁面处的平均值，则积分 边界为:x=0时，t=t1 x=b时 t=t2 ,积分得:)(21ttSbQ或RtSbttQ21温度分布:SbR导热热阻，/WSQxtt1RtbtSQq多层平壁的稳态热传导 稳态传热:Q1= Q2= Q3= Q iiniiinRtSbtt

6、Q111(1)串联传热过程的总推动力（温度差）是各分过程温度差之和；总热阻为各分过程热阻之和.结论结论:（2）在稳态多层平壁导热过程中，热阻大，对应的温度差就大；总温度差一定时, Q的大小取决于总热阻的大小. 例: 某平壁层由三层材料组成,其厚度分别为30cm、25cm、40cm , 导热系数分别为1.16W/(m.)、 0.58W/(m.)、 0.93W/(m.), 已知内层温度为1100, 最外层温度为100 ,求各层温度降. 如果由于某种原因,在第二层和第三层之间有一3mm厚的空气层(为0.031W/(m.),而要求热损失仍和原来相同,再求最外层壁温为多少? 各层温度降又为多少? 圆筒壁

7、的稳态热传导 drdtrLdrdtSQ2单层圆筒壁的稳态热传导:积分:12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQRtSbttQm21温度分布:11ln2rrLQtt多层圆筒壁的稳态热传导:niiiinrrttlQ1111ln1)(2或iinimiiinRtSbttQ111注意：注意：圆筒壁的热传导速率： Q1=Q2=Q3=.=Qn但 q1q2q3 qn (各层S不同)4.3 对流传热概述 对流传热对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热现象, 其热阻主要集中在滞流内层。 *减薄滞流内层的厚度、增加流体的湍动是强化对流传热的主要途径 牛

8、顿冷却定律:dSTTtdSdQw)(或dStdQ1对流传热系数，w/(m2. ), 不是物性参数 ,它是受多种因素影响的一个物理量。 热边界层若流体自由流的温度与固体壁面的温度不同时会形成热边界层热边界层越薄则层内温度梯度越大, 通过层流内层的传热速率为:wdydtdSdQ又根据牛顿冷却定律有:tdSdQ则可得:wdydtt保温层的临界直径 在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料,随保温层厚度增加,可能会使热损失增大.保温层的临界直径的确定:LrrrLttRRttQoioff21ln211211热损失01)/ln()11)(2221oioooforrrrrttLdrdQ求得临界半径为:/cr/2

9、cd临界直径为:4.4 传热过程计算一一. 热量衡算热量衡算忽略换热器的热损失，即Qh= Qc Q=WhCph（T1-T2）= Wc Cpc（t2-t1） 一侧有相变时: Q=Whr= Wc Cpc（t2-t1） 若冷凝液的温度低于饱和温度，则：)()(212ttCWTTCrWQpccSphhdtCWdTCWdQpccphh无相变时:二二. 总传热速率微分方程总传热速率微分方程 总传热速率微分方程:mmooiidStTKdStTKdStTKdQ)()()(dQ=K(T-t)dS=KtdS两流体通过管壁的传热包括以下过程:热流体与器壁的对流传热器壁的热传导)(2wwmtTdSbdQ)(3ttdS

10、dQwoo)(1wiiTTdSdQ冷流体与器壁的对流传热稳态传热时：dQ1= dQ2= dQ3= dQ总传热系数 )(111tTdSdSbdSdQoomii与dQ=KdS(T-t) 比较:iimoodSdSbdSKdS111K的三种形式:iiomooOdddbdK11ooimiiidddbdK11iimoommddbddK1注意注意:传热系数K与传热面积S一一对应。 一般以外表面为基准: iiomooodddbdK11若换热器内外结垢，存在污垢热阻Rsi、Rso，则： osiiomoioisooRdddbdddRK11)(tTdSKdQoo 若传热面为平壁或薄管壁时,可简化为:ososiiRb

11、RK111当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，可简化为：oiK111又若oi，则K*K值总是接近热阻大的流体侧的值总是接近热阻大的流体侧的值，值，总热阻是由热阻大的总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，要提高那一侧的对流传热所控制，要提高K值，关键要提高对流传值，关键要提高对流传热系数较小一侧的热系数较小一侧的值。值。三三.平均温度差和总传热速率方程平均温度差和总传热速率方程1. 恒温传热时的平均温度差恒温传热时的平均温度差tKStTKSQ)(2. 变温传热时的平均温度差变温传热时的平均温度差 mtKSttttKSQ1212ln总传热速率方程:对数平均温度差 :2/12tt当时，可以用算术平均

12、温度差代替对数平均温度差。 并逆mmtt对于同样的进出口条件， 并可以节省加热剂或冷却剂的用量 注意：注意： 对于一侧温度有变化，另一侧恒温， 并逆mmtt1212lntttttm 错流和折流时的平均温度差: mtmtt(先按逆流计算对数平均温度差tm，再根据实际流动情况乘以温度差校正系数) ),(RPft两流体的最初温度差冷流体的温升1112tTttP冷流体的温升热流体的温降1221ttTTR 例: 在列管换热器中用1.5kgf/cm2的饱和蒸汽将470m3/h的某溶液从40加热到45, 采用3832000mm 的钢管(=46.5W/m. ), 若无垢层, 试计算传热面积S和所需的管数.已知

13、: 水蒸汽1.5kgf/cm2时其饱和温度为126,其o=11600W/(m2.) , 溶液i=3700W/(m2.), =1320kg/m3, Cp=3.4kJ/kg. 4.5 对流传热系数关联式(1)流体的种类和相变化的情况流体的种类和相变化的情况 流体的种类不同，其对流传热膜系数各不相同 ;流体有相变化时, 较大.(2)流体的物性流体的物性， ；（Cp 、 ） ，体积膨胀系数，。 (3)流体的流动状态流体的流动状态滞流：值较小 ；湍流：Re，滞流内层的厚度减薄,。 (4)流体流动的原因流体流动的原因 强制自然(6)传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小 影响对流传热系数的因素(

14、5)流体的温度流体的温度对流传热过程的特征数(准数) lupc223tlg准数名称符号准数式意义努塞尔准数（给热准数）Nu表示对流传热系数的准数雷诺准数（流型准数）Re确定流动状态的准数普兰特准数（物性准数）Pr表示物性影响的准数格拉晓夫准数（升力准数）Gr表示自然对流影响的准数lnmANuPrRe强制对流传热准数关联式:自然对流传热准数关联式: Nu = f (Gr, Pr)无相变时对流传热系数的经验关联式流体在圆形管内作强制湍流nNuPrRe023. 08 . 0（1）对于低粘度（小于2倍常温水的粘度）的流体流体被加热时，n=0.4流体被冷却时，n=0.3npcdud8 . 0023. 0

15、应用范围：Re10000，0.7Pr膜状 工业上遇到的大多为膜状冷凝膜状冷凝特点膜状冷凝特点:冷凝液膜是蒸气冷凝传热的主要热阻流体有相变时的对流传热系数 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素(影响冷凝液膜厚度的因素影响冷凝液膜厚度的因素):(1) 液膜两侧的温度差的影响:液膜呈滞流流动时，t，液膜厚度,(2) 流体物性的影响： 、， ； 、； r、。 (3) 蒸汽的流速和流向的影响:同向流动, u, ；若逆向流动，则u,减小. 若u足够大,液膜会被蒸汽吹离壁面,此时随蒸汽流速的增加急剧增大。 (4) 蒸汽中不凝性气体含量的影响:使急剧下降 .(5) 冷凝壁面的影响(6)冷凝液的排出(在换热器中

16、蒸气必须上进下出)2.液体沸腾时的对流传热系数大容积沸腾 5t时 自然对流阶段 5t-25 泡核沸腾阶段 25t 膜状沸腾阶段 影响沸腾传热的因素:(1)流体的物性: 、 则；、 则。(2)温度差t(3)操作压强:操作压强升高，液体饱和温度提高，则增大。(4)加热表面的状况 例：有一台运转中的单程逆流列管式换热器，热空气在管程由120降至80，其对流传热系数1=50W/（m2K）。壳程的冷却水从15升至90，其对流传热系数2=2000W/（m2K），管壁热阻及污垢热阻皆可不计。当冷却水量增加一倍时，试求水和空气的出口温度t2和T2，忽略流体物性参数随温度的变化；传热速率Q比原来增加了多少？壁温

17、的估算壁温的估算 若不考虑污垢热阻,则:iwowtTTT11siiwsoowRtTRTT11 注意：注意：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的温度。 4.6 热辐射 一一. 基本概念基本概念热辐射热辐射:物体因热的原因引起的电磁波辐射. 被传递的能量为辐射能。 理论上，热辐射的电磁波长从0，但是具有实际意义的波长范围为0.420m(0.40.8 m为可见光；0.820 m为红外光线）热辐射的特点：（1）无需中间介质，可在真空中传递；（2）热射线同光一样，服从反射和折射定律，具有反射性、吸收性和透过性。4.6 热辐射 根据能量守恒定律有：A+R+D=1 （A吸收率；R反射率；D透过率） 黑体黑体：

18、能全部吸收辐射能，即吸收率A=1的物体。 镜体或绝对白体镜体或绝对白体：能全部反射辐射能，即反射率R=1的物体。透热体透热体：能透过全部辐射能，即透过率D=1的物体。灰体灰体：凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到的所以波长范围的辐射能的物体。灰体有以下特点：特点： (1)A不随辐射线的波长而变；(2)灰体是不透热体，即A+R=1。 二.物体的辐射能力和有关的定律 斯蒂芬-玻耳兹曼定律：黑体的辐射能力与绝对温度关系 辐射能力辐射能力:物体在一定温度下,单位表面积,单位时间内所发射的全部波长的总辐射能, W/m20- 黑体的辐射常数，其值为)./(1067. 5428KmW 0C- 黑体的辐射系数

19、，其值为)./(67. 542KmW 推广到灰体的辐射能力： 4)100(TCE 物体的黑度：0CCEEb40)100(TCEEb或 4040)100(TCTEb 克希霍夫定律：)(.2211TfEAEAEAEb40)100(TACE *在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值是相同的。物体的辐射能力越强，则其吸收能力越强。 三三. 两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热 )100()100(42412121TTSCQ1、极大的两平行面：面积S=S1或S2，角系数=1，11121021CC2、很大的物体2包住物体1：面积S=S1，角系数=1，0121CC 3、物体2恰好包住物体1：面积S=S1，角

20、系数=1，11121021CC 4.7换热器 一、换热器的分类一、换热器的分类1、根据换热器的用途可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、分凝器和再沸器等。2、根据换热器的传热原理可分为：混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。蓄热式换热器二二. 间壁式换热器间壁式换热器 1夹套式换热器夹套式换热器结构：结构：夹套安装在容器外部，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质和冷却介质的通道。特点：特点：结构简单，加工方便，传热面积小，传热效率低，广泛用于反应釜的加热和冷却。2.蛇管式换热器蛇管式换热器 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 喷淋式换热器喷淋式换热器 喷淋式换热器喷淋式换热器蛇管的形状 优点

21、：结构简单，造价低廉、能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点：传热面积小，蛇管外对流传热系数较小，检修和清洗不便。3套管式换热器套管式换热器 优点：优点：结构简单，应用方便。能耐高压，传热系数较大。传热面积可根据需要增减，能保持完全逆流使对数平均温度差最大。缺点：缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，管间接头较多，易泄漏，占地面积较多。用途：用途：适用于流量不大、所需传热面积不多而要求压强较高的场合。4. 列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳式换热器） 优点：优点：单位体积设备所提供的传热面积大，传热效果好，结构简单，操作弹性大，可用多种材料制造，适用性较强，在大型装置中普遍采用。列管式换热器壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，其作用是提高壳程流体的流速，迫使流体按规定路径多次错流，防止流体短路，增加壳程流体的湍动程度。 具有补偿圈的固定管板式换热器 U形管式换热器 U形管式换热器特点形管式换热器特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式换热器的特点浮头式换热器的特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。流体流动流道的选择