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第四章传热 第一节概述传热学是研究不同温度的物体 或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科 一 传热过程在化工生产中的应用化工生产 一种是强化传热过程另一种是削弱传热过程 分析影响传热速率的因素 掌握控制热量传递速率的一般规律 以便能根据生产的要求来强化和削弱热量的传递 正确地选择适宜的传热设备和保温 隔热 方法 第一节概述 二 传热的基本方式 一 热传导在热传导过程中 没有物质的宏观位移 二 对流对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换 在流体中产生对流的原因有 自然对流 强制对流 三 辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为热辐射 第一节概述 传热学的发展在热传导方面 法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表述 热对流方面 牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时 提出冷却定律的数学表达式 1860年 基尔霍夫定律 20世纪以前 传热学是作为物理热学的一部分逐步发展 20世纪以后 传热学与热力学 流体力学等一些学科相互渗透 第一节概述 三 间壁式换热器中的传热过程 一 间壁式换热器 二 传热速率与热流密度1 传热速率单位时间内的传热量 即传热速率 heattransferrate 单位为 J s 或W 2 热流密度又称热通量 单位时间内通过单位传热面积传递的热量 单位为 W m2 热流密度而传热速率的关系 第一节概述 三 稳态传热与非稳态传热稳态传热 在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程 非稳态传热 传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程 四 两流体通过间壁的传热过程热流体以对流传热方式把热量Q1传递给管壁内侧热量Q2从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁的外侧管壁外侧以对流传热方式把热量Q3传递给冷流体 第一节概述 五 传热速率方程式式中 传热速率 J s 或W 比例系数 称为总传热系数 Overallheattransfercoefficient W m2 K 传热面积 m2 两流体的平均温度差 K 或 传热过程的三要素 第二节热传导 热传导机理 液体 液体中的分子比气体密集 分子间的作用力较强 由分子振动的强弱导致热量传递 固体 相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递 这种碰撞和迁移 类似于分子运动 气体 温度不同 能级不同 的分子相互碰撞 使温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子 造成热量传递 第二节热传导 一 傅立叶定律 一 温度场和温度梯度温度梯度是向量 其方向垂直于等温面 并以温度增加的方向为正 二 傅立叶定律傅立叶定律 传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比 第二节热传导 二 热导率单位温度梯度下 单位时间内通过单位导热面积的热量 对于气体 t 对于液体 t 水 甘油例外 对于固体 金属t 高合金钢例外 非金属t 冰例外 第二节热传导 大多数均质的固体材料 其导热系数与温度近似成直线关系 式中 固体在温度为t 时的导热系数 W m 固体在0 时的导热系数 W m 温度系数 对大多数金属材料为负值 而对大多数非金属为正值 1 液体的导热系数 固体绝缘材料的导热系数之所以小 是因为其结构呈纤维状或多孔 其空隙率很大 孔隙中含有大量空气的缘故 温度在800 1100 液体的导热系数 金属液体导热系数较高 在非金属液体中 水的导热系数最大 除水和甘油等少量液体物质外 绝大多数液体 温度升高 导热系数下降 略微 一般来说 纯液体的导热系数大于溶液导热系数 气体的导热系数 气体的导热系数随温度升高而增大 在相当大的压强范围内 气体的导热系数随压强的变化甚微 可以忽略不计 只有在过高或过低的压强 2 105kPa或 3kPa 下 才考虑压强的影响 此时随压强增高导热系数增大 气体的导热系数很小 故对导热不利 但对保温有利 1 水蒸气2 氧3 二氧化碳4 空气5 氮6 氩 物质热导率的大致范围 导热系数的大概范围 金属固体101 102W m K 建筑材料10 1 100W m K 绝缘材料10 2 10 1W m K 液体10 1W m K 气体10 2 10 1W m K 三 平壁的稳定热传导 多层平壁的稳定热传导 四 圆筒壁的稳定热传导 一 单层圆筒壁的稳定热传导 四 圆筒壁的稳定热传导 二 多层圆筒壁的稳定热传导 第三节对流传热 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换 工业上常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换 称之为对流传热 或称对流给热 放热 一 对流传热方程与对流传热系数 流体产生流动的原因可以是流体以外力 如泵 鼓风机等 作用下而造成的强制对流 亦可是由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的自然对流 流体的流动类型 层流与湍流两种 层流底层 导热为主 热阻大 温差大 湍流核心 在远离壁面的湍流中心 流体质点充分混合 温度趋于一致 热阻小 传热主要以对流方式进行 质点相互混合交换热量 温差小 过渡区域 温度分布不像湍流主体那么均匀 也不像层流底层变化明显 传热以热传导和对流两种方式共同进行 质点混合 分子运动共同作用 温度变化平缓 流体作湍流流动时 热阻主要集中在层流底层中 如果要加强传热 必须采取措施来减少层流底层的厚度 对流传热时温度分布 牛顿冷却定律 例题4 5 二 影响对流传热系数的主要因素 1 流体的物理性质 等 2 引起对流的原因3 流体的运动状况4 是否发生相变5 传热面的形状 大小 位置 光滑度 1 形状 比如管 板 管束等 2 大小 比如管径和管长等 3 位置 比如管子得排列方式 如管束有正四方形和三角形排列 管或板是垂直放置还是水平放置 4 光滑度 三 对流传热的特征数关系式 流体无相变时 影响对流传热系数的因素有流速 传热面的特征尺寸 流体黏度 导热系数 比热容以及单位质量流体的浮升力因次分析式中 平均对流传热系数 W m2 K u 流体的特征流速 m s l 传热面的特征长度 m 过余温度 即壁温与流体主流温度之差 K 单位质量流体所受净升力 m s2 单位体积流体所受净升力 因密度变化而引起 为体积膨胀系数 温度变化为1 体积膨胀的分率 上式8个物理量的单位和量纲分别为 注意 1 定性温度定性温度的取法 1 流体进出口温度的平均值tm t2 t1 2 2 壁面温度或膜温t tm tW 2 2 特性尺寸它是代表换热面几何特征的长度量 通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸 另外 实验范围是有限的 准数关联式的使用范围也就是有限的 四 流体无相变时对流传热系数的经验关联式 一 流体在管内强制对流传热1 圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 1 对低粘度流体 2 对高粘度液体 3 对于短管 4 对于弯管2 流体在圆形直管内过渡流时的对流传热系数3 圆形直管内强制层流时的对流传热系数 1 25000时 自然对流影响小可忽略 2 25000时 自然对流的影响不能忽略时 乘以校正系数例题4 84 流体在非圆形管内强制对流的表面传热系数 二 流体在管外强制对流传热 三 大空间自然对流传热例题4 9 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热1 蒸气冷凝方式膜状冷凝 若冷凝液能润湿壁面 形成一层完整的液膜布满壁面 并在重力作用下连续向下流动 滴状冷凝 若冷凝液不能很好地润湿壁面 仅在其上凝结成小液滴 此后长大或合并成较大的液滴而脱落 2 蒸气在水平管外膜状冷凝时对流传热系数水平单管外冷凝的对流传热系数计算水平管束外冷凝 略 3 蒸气在垂直管外 或板上 膜状冷凝时对流传热系数液膜为层流Re 1800液膜为湍流Re 1800 理论式 4 27 式中 蒸气比气化热 取饱和温度下的数值 J kg 冷凝液的密度 kg m3 冷凝液的导热系数 冷凝液的粘度 饱和温度与壁面温度之差 水平管束在垂直列上的管子数 单根 1 定性温度取膜温 即 特性尺寸取管外径 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热4 冷凝传热的影响因素 1 流体物性的影响 2 温度差影响 液膜层流 3 不凝气体的影响 4 蒸汽流速与流向的影响 5 过热蒸汽的影响 6 冷凝面的高度及布置方式 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热 3 不凝气体的影响微量不凝性气体 如空气液膜表面形成气膜 额外热阻蒸气含不凝性气体1 60 不凝性气体 排气 高处 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热4 冷凝传热的影响因素 4 蒸汽流速与流向的影响u 10m su 10m s蒸气与液膜之间摩擦力同向 异向 冷凝器设计 蒸气入口设在何处 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热4 冷凝传热的影响因素 5 过热蒸汽的影响 五 流体有相变时的对流传热 一 蒸气冷凝时的对流传热5 冷凝传热的强化传热措施 主要取决于液膜厚度及冷凝液物性 壁面上开纵向沟槽 安装金属丝或翅片 五 流体有相变时的对流传热 二 液体沸腾时的对流传热系数大容器沸腾 加热壁面浸入液体 液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象 管内沸腾 在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾 强制对流 此时液体流速对沸腾过程有影响 而且加热面上气泡不能自由上浮 被迫随流体一起流动 出现了复杂的气液两相的流动结构 1 大容器饱和沸腾现象再沸器 蒸发器 蒸汽锅炉2 沸腾曲线3 沸腾传热的影响因素和强化措施 气泡的生成和过热度 五 流体有相变时的对流传热 二 液体沸腾时的对流传热系数2 沸腾曲线 五 流体有相变时的对流传热 二 液体沸腾时的对流传热系数3 沸腾传热的影响因素和强化措施 1 流体物性 2 温差 3 操作压力 4 加热面的状况 六 选用对流传热关联式的注意事项 液体强制对流值比空气的大 水强制对流值比有机液体的大 同一液体 有相变化的值比无相变化时的大 第四节两流体间传热过程的计算 二 传热平均温度差的计算 一 恒温传热 二 变温传热 并流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动 逆流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动 错流参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动 折流参与换热的两种流体在传热面的两侧 其中一侧流体只沿一个方向流动 而另一侧的流体则先沿一个方向流动 然后折回以相反方向流动 如此反复地作折流 使两侧流体间有并流与逆流的交替存在 此种情况称为简单折流 如果参与热交换的双方流体均作折流 则称为复杂折流 2 平均温度差换热器进 出口处两种流体温度差的对数平均值 故称为对数平均温度差 logarithmicmeantemperature 3 折流或错流时的平均温度差 单壳程双管程与双壳程四管程折流的值管内的流程 称为管程 管外的流程 称为壳程 例题4 13 三 总传热系数 K的来源经验值 由生产设备总结的大概数据 实验值 由现场设备或实验装置测出的数据 计算值 由对流传热 系数 关联式计算的数据 三 总传热系数 一 圆筒壁的总传热系数计式 三 总传热系数 二 污垢热阻换热器操作一段时间后 其传热表面常有污垢积存 使传热减少 此层虽不厚 但热阻大 传热面两侧污垢热阻分别用及表示 按串联热阻的概念 以传热面积A1为基准的总传热系数计算式为 工程计算污垢热阻根据经验选取 例题4 14 例题4 15出于节能目的 炼油厂 油库中的大量管道以及长距离热油输送管道都需要保温措施 其中添加保温层是一种主要的保温形式 文献作业 如何选择化工设备及管道保温层的厚度 第10周结束前提交总结 三 总传热系数 三 平壁与薄管壁当传热壁为平壁或薄管壁时 4 44 当传热壁热阻很小 可忽略 且流体清洁 污垢热阻也可忽略时 则式 4 44 可简化为 4 45 三 总传热系数 四 热交换器中总传热系数的经验值例题4 16 四 壁温的计算 如果管壁两侧有污垢 还应考虑污垢热阻的影响 四 壁温的计算 例4 17 由于水沸腾对流传热系数比高温气体的大的多 所以壁温接近于水沸腾的温度 又因管壁热阻很小 所以管壁两侧的温度比较接近 若水侧有污垢 壁温会升高 五 传热计算示例 分析 这些计算以能量守恒 传热速率方程式为基础 例4 19例4 20例4 21课堂练习 第五节辐射传热 辐射传热的基本概念辐射能力和辐射基本定律克希霍夫定律两固体间的辐射传热设备的热损失计算 第五节辐射传热 一 热辐射的基本概念 一 辐射的特性辐射 物体通过电磁波来传递能量的过程 热辐射 物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程 能被物体吸收而转变为热能的辐射能主要为可见光 0 38 0 76 m 和红外线 0 76 100 m 两部分 热辐射特点 任何物体 只要温度高于0K 就会不停地向周围空间发出热辐射 可以在真空中传播 伴随能量形式的转变 具有强烈的方向性 辐射能与温度和波长均有关 发射辐射取决于温度的4次方 第五节辐射传热 二 吸收率 反射率与透射率 第五节辐射传热 三 黑体 白体 透热体黑体 绝对黑体 能全部吸收辐射能的物体 1 没有光泽的黑漆表面 其吸收率为0 96 0 98 是一种科学假想的物体 现实生活中是不存在的 可以制造近似人工黑体 镜体 绝对白体 能全部反射辐射能的物体 1 表面磨光的铜 其反射率为0 97 透热体 能全部透过辐射能的物体 1 第五节辐射传热 四 固体 液体 与气体热辐射特点1 固体和液热辐射特点固体和液体不能透过热辐射线 其透过率 0 因而 其吸收率与反射率之和 1 4 49 2 气体热辐射特点1 不同的气体的辐射与吸收射能力不同 2 气体辐射对波长有选择性 如CO2 H2O均有三个吸收光带 其分布情况如下 CO2H2O第一光带2 36 3 02 m2 24 3 27 m第二光带4 01 4 80 m4 80 8 50 m第三光带12 5 16 5 m12 0 25 0 m3 气体辐射与吸收是在整个容积内进行的 4 气体不能看成是灰体 灰体模型得到了灰体的吸收率与黑度相等的结论 对于大多数的固体和液体 对于不含颗粒的气体 对于黑体 镜体或白体 透明体 反射又分镜反射和漫反射两种 镜反射 漫反射 第五节辐射传热 二 物体的辐射能力与斯蒂芬 波尔茨蔓定律 一 黑体的辐射能力与Stefan Boltzmann定律 黑体模型 第五节辐射传热 二 物体的辐射能力与斯蒂芬 波尔茨蔓定律 一 黑体的辐射能力与Stefan Boltzmann定律在一定温度下 物体在单位时间内由单位面积所发射的全部波长 0 的辐射能称为该物体在该温度下的辐射能力 以E表示 即 物体的辐射能力黑体的辐射能力Stefan Boltzmann常数例4 22 黑体一般采用下标b表示 辐射力E 单位时间内 物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和 W m2 光谱辐射力E 单位时间内 单位波长范围内 包含某一给定波长 物体的单位表面积向半球空间发射的能量 W m3 2 热辐射能量的表示方法 E E 关系 黑体的光谱辐射力为Eb 黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中 波长 m T 黑体温度 K c1 第一辐射常数 3 742 10 16W m2 c2 第二辐射常数 1 4388 10 2W K 1 Planck定律 2 Stefan Boltzmann定律 第二个定律 3 黑体辐射函数 黑体在波长 1和 2区段内所发射的辐射力 特定波长区段内的黑体辐射力 第五节辐射传热 二 实际物体的辐射能力 黑度与灰体实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比称为黑度 实际物体的辐射能力 或C为黑体的辐射系数 物体的黑度不仅与物体的种类 表面温度及表面状况 如粗糙度 氧化程度等 有关 还与波长有关 常用工业材料的黑度 第五节辐射传热 灰体 凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到 所有波长范围的辐射能的物体 黑体与灰体辐射能力和实际物体辐射能力的比较 实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比 第五节辐射传热 三 克希霍夫定律1 辐射能力和吸收率的关系A 灰体B 黑体当两壁面 灰体与黑体 间的辐射换热达到平衡时 即 灰体所发射的辐射能必与其所吸收的能量相等 说明 对任何物体 发射能力和吸收率比值为常数 且等于同温度下 黑体的发射能力 第五节辐射传热 三 克希霍夫定律 二 吸收率与黑度的关系即任何灰体对黑体辐射能的吸收率在数值上同温度下该灰体的黑度 第五节辐射传热 四 两固体间的辐射传热 一 辐射传热速率的计算较高温度的物体1传给较低温度的物体2的热量 总辐射系数 W m2 K4 几何因子或角系数 总能量被拦截分率 形状 大小 相对位置 距离 辐射面积 m2 T1 T2 较热 较低物体的温度 K 第五节辐射传热 四 两固体间的辐射传热工业上与遇到的固体间相互辐射的几种情况 1 一物体被另一物体包围时的辐射 包括很大物体2包住物体1和物体2恰好包住物体1两种情况 2 两平行物面间的辐射 分为极大的两平行面的辐射和面积有限的两等平行面间的辐射两种情况 第五节辐射传热 表4 8角系数与总辐射系数计算式 第五节辐射传热 第五节辐射传热 四 两固体间的辐射传热 二 辐射传热的强化与削弱方法1 改变物体表面的黑度2 采用遮热板在两个辐射传热表面之间插入薄板 以阻挡辐射传热 例4 25 第六节换热器 一 类型沉浸式蛇管式管式喷淋式套管式列管 管壳 式 间壁式夹套式板式板式螺旋板式翅片管式翅片式板翅式混合式 直接接触式 蓄热式 第六节换热器 二 间壁式换热器 一 夹套式换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 二 沉浸式蛇管换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 三 喷淋式换热器优点 与沉浸式蛇管换热器相比 具有便于检修 清洗和传热效果较好等优点 缺点 占地较大 喷淋不易均匀 耗水量大 第六节换热器 二 间壁式换热器 四 套管式换热器优点 流速高 表面传热系数大 逆流流动 平均温差最大 结构简单 能承受高压 应用方便 传热面积可根据需要易于增减 缺点 单位传热面积的金属消耗量大 占地较大 第六节换热器 二 间壁式换热器 五 螺旋板式换热器优点如下 1 由于离心力的作用和定距柱的干扰 流体湍动程度高 表面传热系数大 2 螺旋板式换热器不易堵塞 适于处理悬浮液体几高粘度介质 3 冷热流体可作纯逆流流动 传热平均推动力大 4 结构紧凑 单位体积的传热面约为列管式的3倍 可节约金属材料 主要缺点 1 操作压力和温度不能太高 2 不易检修 3 流体阻力较大 螺旋板换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 六 板式换热器优点如下 1 传热系数大 2 结构紧凑 3 操作灵活性大 4 金属材料消耗量低 5 板片加工制造比较容易 检修清洗也较方便 缺点 1 允许操作压力比较低 2 操作温度不能太高 3 处理量不大 第六节换热器 二 间壁式换热器 七 板翅式换热器优点 1 总传热系数高 传热效果好 2 结构紧凑 3 轻巧牢固 4 适应性强 操作范围广 缺点 1 由于设备流道很小 故易堵塞 而且增大压强降 换热器一旦结垢 清洗和检修很困难 所以处理的物料应较洁净或预先进行净制 2 由于隔板和翅片都由薄铝片制成 故要求介质对铝不发生腐蚀 第六节换热器 二 间壁式换热器 八 热管式换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 九 列管式换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 九 列管式换热器 第六节换热器 二 间壁式换热器 九 列管式换热器无膨胀节固定 管板 式有膨胀节U型管式浮头式 管壳式换热器示意图1 管板 2 外壳 3 管子 4 挡板 5 隔板 6 7 管程进口 出口 8 9 壳程进口 出口 多壳程与多管程换热器 a 2壳程4管程 b 3壳程6管程 第六节换热器 三 列管式换热器选用计算中有关问题 一 冷 热流体流动通道的选择原则1 不洁净或易结垢的液体易清洗侧 直形管束 宜在管程 因管内清洗方便 U2 腐蚀性流体宜在管程 以免管束和壳体同时受到腐蚀 3 压力高的流体宜在管内 以免壳体承受压力 第六节换热器 三 列管式换热器选用计算中有关问题 一 冷 热流体流动通道的选择原则4 饱和蒸汽宜走壳程 5 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜 6 将表面传热系数大的流体通入壳程 以减小热应力 7 需要被冷却物料一般选壳程 便于散热 依次考虑压力 腐蚀 清洗 对流传热系数 压力降等的要求 第六节换热器 三 列管式换热器选用计算中有关问题 二 流体流速的选择 第六节换热器 三 列管式换热器选用计算中有关问题 三 换热管规格和排列的选择 1 规格 25 2 5mm 25 2mm 19 2mm 2 管长 1 5 2 3 4 5 6 9m 3 排列方法等边三角形正方形