清华大学化工原理25第五章传热

1、第五章 传热Key Words: Heat transfer, Conduction, Convection, Rediation, Fourier Law第一节 概述 化工过程中经常遇到气一液，液液，气固，液固的换热过程 加热 冷却 过程强化 保温削弱过程一、 传热的基本方式： 热传导 分子振动 无质点位移 对流传热 流体质点相对移动 强制对流、自然对流 电磁波形式传播 热辐射 放热辐射能吸收 无需中间介质、能量转换，T高时的主要方式K传热方式相互依存，并不独立存在二、 冷热流体接触方式： 直接接触式 间壁式 蓄热式三、 传热速率： （传热速率）热流量Q：J/s 热流密度（热通量） q=dQ

2、/ds J/m2s 四、 稳态传热和不稳态传热PQ、q、及有关物理量（进出口T， t） 不随时间变化®稳态 q： 不随q变化（沿管长变化）K 不稳定：夹套加热第二节 热传导一、 温度场和温度梯度：在时刻物体（或空间）各点温度分布 t = f (x,y,z,q) 若与无关稳定温度场相同连结组成等温面 等温面不相交 等温面上无热量传递温度梯度：法线方向二、 定律 (与牛顿粘性定律相似)：导热系数，负号：热流方向是温度降方向。三、导热系数 与物质组成、结构、温度、密度、压强等有关。 单位： 金属 101102 T­l¯ 建材 10-1100 w/mK T­l&

3、#173; 绝缘材料 10-210-1 液体 10-1 T­l¯ (水、甘油除外) 气体 10-210-1固体：l=lo(1+KT) 0：0导热系数，金属K<0，非金属K>0液体：T­¯(水、甘油除外) 气体：T­­。高于2000atm，低于20mmHg，p­­四、平壁稳定热传导： 一平板，长宽与厚比无限大。¬ 积分： 温度分布 直线­ 多层：n层 l不同 ，b不同存在n个温度差（接触面良好）Q相同（通过各层）由总温差和li，求Q，由五、圆筒壁的稳定热传导、Q相同、q不同 对数平均值

4、 当r2 / r1<2时，可用算术平均值计算，误差小于4*多层：六、具有内热源的热传导：半径为ro、长度为L圆柱体（径向传热）单位时间单位体积产生热 若rro时，ttw 温度沿半径方向呈抛物线分布。七、导热微分方程： QlQ出Q热源Q积累 X向 净热量： Q热源： Q积累： 一维.无热源：第三节 对流传热Key Words: Convection, Heat transfer, Film heat transfer coefficient, Overall heat transfer coefficient, Natural Convection, Forced Convection 一

5、、 对流传热的机理：P对流传热较多发生在固体壁面和流体之间。 强制对流 液体沸腾 无相变 有相变 自然对流 蒸汽冷凝 以无相变，强制对流为例 对流是由于质点相对位移而产生的热交换，它与流体流动状况有密切关系。 流体边界层®传热边界层 层流底层，无y向速度梯度，热传导 过渡层：开始出现y向速度梯度 热传导（有温度差就存在） 对流 湍流主体： 由于Q相同： 形成了热边界层二、 对流传热速率与传热膜系数（对流传热系数） 一般采用牛顿冷却公式：tw 壁温，t流体主体温度（同一截面），a传热膜系数，dS微元面积¬不同壁面温度差不同局部性质 使用dSa的关联式 ­冷热流体的S

6、不同，a：单位面积壁面，单位温差下传热速率W/m2K 理论上a的求取：边界层：壁面附近温度梯度与tw - t，求出 a第四节 两流体间的传热一、传热基本方程和传热系数 热衡算 实际过程的传热计算主要依靠几个关系 传热速率方程 传热膜系数关联式 若无热损失 Sm 平均传热面积。¬dS*有基准问题，取dSo­若存在污垢：二、 传热系数K：w/m2K¬K与一定的表面积相关联（取基准） 平壁 圆筒壁： ­阻力为各部分的加和：®K代表局部性质（局部性质）ÕdS 一般的处理方法为：定性温度 Õ 物性参数 Õa平均 ®

7、¯有关：，K接近a较小的一个 强化传热中的K：从热阻大的一方入手。 问题归结为求取K（a）和 K值范围：水水 8501700 气水 17280 气气 1235 冷凝汽水 14204250三、平均温度差 1、恒温差传热： 液体在恒定沸腾温度t蒸发 饱和蒸汽加热，T下冷凝 2、变温差传热：随位置改变 热流体质量流量WS1，比热Cp1 CP为均值 冷流体质量流量WS2，比热CP2 条 WS为常数 件 K为常数 (无热损失) 按热流方向 逆流： 并流： 逆流： 并流：¬ 对于并流 对于逆流 ­ a，b为常数。®K为变数：3、错流与折流：j：温差修正系数 查图图解

8、积分 （习题559）第五节 对流传热系数的关联式一、影响传热膜系数的因素： 1、流体流动状态： 层流：忽略自然对流时，层流膜层r 湍流：主要热阻在层流层，Re­，边界层减薄，a­（注意管件、内构件影响，Re2000？） 2、引起流动的原因： 自然对流时，近壁面处温度t >主流t1 膨胀公式：b体积膨胀系数。 强制对流与Re有关。 3、物性： 都是t的函数 4、传热面形状，大小，位置。（特征尺寸） 5、有无相变化，二、对流传热中的因次分析法： 按确定的几何形状讨论，经因次分析可以得到 Nusselt Reynold Prandt Grashof （对流传热） （流动）

9、（物性） （自然对流） 对流强制： 自然对流： 滞流： 1应用范围：Re，Pr 2定性尺寸：， 3定性温度： 物性值¬­膜温，壁面主体 三、流体在管内强制对流的a：1、圆形直管内，强制湍流： 1)低粘度流体（<2倍常温水粘度） ¬­流体被加热n0.4，流体被冷却n0.3， 热流方向的影响，主要影响边界层厚度（ m值变化）®定性尺寸di¯定性温度°管壁温度与流体平均温度相差不大 （与m有关，水不超过2030，油不超过10）±边界层形成（形体阻力） a短 > a长 当，校正项。例如： ，校正项：1.071.

10、02 2)高粘度流体（温差过大）¬­定性尺寸di®定性温度，壁温下的粘度 2、圆形直管内，强制滞流 1) 速度分布不同 复杂性 2) 存在自然对流影响 3)、入口段较大100d（Re2000） 1)忽略自然对流影响：¬ （短管）壁温下粘度。 2)¬水平管、­特征尺寸di®膜温：¯乘以校正系数 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 °垂直管 流动方向与自然对流方向一致，a+15% 流动方向与自然对流方向相反，a-15% 3、圆形直管过渡流： Re230010000之

11、间，用湍流公式乘以f4、弯曲圆管内： 由于离心力的作用， 加速湍动产生二次环流a为圆形直管中的a 5、非圆形管： 套管环隙：（空气水） 定性尺寸为de四、流体在管外强制对流的a ： 1、管外流体平行流过：de的计算。 2、管外流体垂直流过：1) 单管： 边界层增厚 边界层脱离 Re小时，层流边界层­（低点）脱离a­ Re 大时，层流边界层­（低点）湍流边界层a­®增厚a¯®脱离­ 2) 管束 直列 错列 直列： 错列：¬Re>3000­do，u取最狭处：®定性温度，排数不为10，

12、乘以校正系数。 3) 换热器管间流动： 流速，流向不断变化，Re>100湍流 挡板形式，（圆缺挡板） 出现旁流，不能达到垂直流动 若圆缺挡板，截去25。 （A）， ， do 流速，最狭小处通道流速 速度计算： h：档板间距 D：外壳内径 （B）小结：1、对流传热与流动、物性有关（温差） Re 由此：热流方向 温差®物性mw 2、必须注意经验公式的使用条件 L，t，Re，Pr 3、含Gr，使用膜温 4、a的大小 a) a湍>a层a短>a长 b)换热器 ： c)加强湍动程度。五、流体作自然对流的a ： 定性温度：膜温，tw与 (t1+t2)/2的平均值 定性尺寸 水平管

13、do，垂直管L 查表！六、蒸汽冷凝的a： 1、冷凝过程机理： 加热介质饱和蒸汽 壁面®低于饱和蒸汽温度 ®汽相温度唯一。®无汽相热阻（忽略气流补充的压降） 冷凝放出的潜热必须通过液膜传向壁面 给热的热阻主要来自于壁面上的液膜 液体浸润壁面膜状冷凝 不浸润滴状冷凝，比前者大几至十几倍 膜状冷凝： 膜厚不同，不同。 L足够大时，湍流 若液膜滞流®热传导为主。 ：液膜两侧温差，：离顶部x处膜厚 2、垂直壁面的膜状冷凝： 1）理论分析 物性const 假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力 滞流 可以导出： （平均值） 定性尺寸：L 定性温度：膜温：，ts饱和温度 r：

14、饱和温度下的冷凝潜热¬若传热量一定，r­，冷凝量¯，膜厚¯，­­­，单位体积受力­，流动快，膜厚¯，­®­（通过膜导热）­¯­ 膜厚­，¯°t­ 传热推动力­，冷凝液­，膜厚­，¯±倾斜直壁：与水平夹角为， 2）实验结果：滞流下，蒸汽与液膜间磨擦 3）流型判断： 滞流：Re<2100 湍流：Re>2100 Re ¬壁下端Re 值

15、3;涉及冷凝负荷 冷凝负荷M：单位浸润周边上的冷凝液质量流量 4）无因次* 对于滞流： 对于湍流： 3、水平管壁蒸汽冷凝： （1）单管 水平管可以看成不同角度倾斜壁面，进行积分 （当do很小时，可以看成滞流） 与垂直管相比： （2）管束： n：垂直列上的管数。 垂直管数不同时取平均值。 4、几点讨论：¬对于过热蒸汽，一般可以按饱和蒸汽­蒸汽流向: 向下流， ­ 向上流， ¯ 向上流速­­，­­ （3）不冷凝气： 在蒸汽与液膜之间形成气膜。汽中含1不凝气，a¯50。 （4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚a&#

16、175; （5）强化：直管 ¬沟槽­金属丝（张力作用）18复盖面积时a最大。 水平管：（倾斜） 膜、滴交错七、液体沸腾时的a： 锅炉、蒸发器、再沸器 温差， 容积沸腾：加热面浸于液体中 自然对流 汽泡运动 管内沸腾：一定流速流动，加热管 1、沸腾现象： 特征：有气泡产生；由加热表面首先生成；必要条件®过热汽泡生成，存在 ®由过热造成 加热表面过热度最大， 缝隙依托 表面不平整 ®汽化核心，Dt¯ 残留气体 过热®生成®长大®上浮®补充过热¬自然对流区t<5，液体内产生自然对流，

17、没有汽泡从液体逸出液面， 仅在液体表面蒸发。­核状沸腾：t ­，汽化核心增加， 长大速率­，搅动a­®膜状沸腾 汽泡连串成膜，汽膜l小，出现a¯，当t ­­，壁温升高，辐射影响，a不变，q­ 一般维持在略低于操作，水: 2、讨论：¬粗糙新管，清洁表面a­；光滑管a¯­操作p­，提高饱和温度s，m¯ 有利于气泡生成，脱离a­®物性 l­，r­，a­ ；s、m­，a¯¯核

18、状沸腾 3、计算公式：多为经验式： 水平单管： 壁面过热度 Z：与操作压强p、临界压强pc有关的参数八、壁温的估算： 由Tw ，tw假设 ®a1，a2 传热过程计算： 1、计算类型： 设计型：WS1，T1，T2，WS2，t1，确定S及有关尺寸。 操作型：（1）尺寸，物性，WS1，WS2，t1，T1，求t2，T2 （2）尺寸，物性WS1，T1，T2，t1，流动方式 求WS2，t2 2、基本方程式： 3、计算关键：生产任务 加热，冷却®工况改变后各量之间关系 4、基本思路： a）首先明确生产目的，加热，冷却 b） ® 需要传递热量 实际传递热量 两者的一致性 

19、4; 确定所求的量。 5、基本方法： 1) 对比计算法： 2) 控制热阻法：l忽略，K接近于a小一方；若 a大>>a小，a小K如 汽®水 冷凝®水 注意:若Kai，改换基准习题课:5-54. 套管换热器，气体T190，T250；水 t115 t230求（1）10时，措施；（2）若WS1­20，t1=15，措施生产任务：冷却 (1) 原工况: 新工况：t1¯, 10，生产状况不变®Q不变 S不变 T2，T1不变(物性不变) 措施若K不变®工况不变，不变（物性变化不大） 由 措施： （2）原工况， 新工况： 由558列管式冷凝

20、器 （1）WS2­50（加热） 原工况： （a）由 求出 忽略壁阻 若用： (b）饱和压力0.3MPa，T由120Ú 133与（a）中相同 (c）并联：每个换热器0.75wS2 S加倍 串联：第一级出口：（第二级入口 ） 假设K=K”=K 阻力加倍 (2) (3) 油污垢：d = 2mm l =0.2w/mK¬ R总­ K¯­ di由20mm ® 16mm u­ai­ u= (20/16)2u，di=16di/20 比较热阻：第六节 热辐射Key Words: Radiation heat transfe

21、r, Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan Boltzmann law, Kirchhoff low一、 基本概念物体内原子由于物体本身温度，激发后，对外以电磁波形式发出辐射能®吸收®热能。辐射线波长：0.420mm 之间（可见光0.40.8mm） 同样满足 Q= QA + QR + QD 吸收 反射 透过 A吸收率、R反射率、D透过率 黑体 A=1, 无光泽漆面 0.960.98 镜体R=1 磨光铜板 R0.97 透热体D=1 单原子，对称双原子 A、R、D取决于物性，表面状况，T，辐

22、射波长 灰体： 对所有波长有相同的吸收率 D0，二、固体的辐射能力： E：单位时间、单位面积辐射能量w/m2（全部波长） 1、Pranck定律： 用量子理论可以推导。(T绝对温度，C1 、C2常数) 2、Stefan-Boltzmann Lawl­，Ebl出现峰值， 等温线下面积代表E 黑体与绝对温度4次方成正比。 辐射能力 sO黑体辐射常数 CO黑体辐射系数 灰体 黑度 3、Kirchhoff定律、E与A的关系 1为灰体，2为黑体 中间为透热体 平衡状况下，1、2温度相等 （无热流量） 发射吸收 一切物体的辐射能力与吸收率之比均等于相同温度下绝对黑体的辐射能力。（与T有关）三、两固

23、体间的相互辐射： 相互的 反复吸收、反射 ®取决于A，R，形状位置 两个较大的平行灰体壁面：¬中间透热体­距离近（全部投入） Q12 1给2的辐射热量（净）；C12 总辐射系数j 几何因素，（角系数）； S1 1的面积 1、平行板 室内 2、一物体被包围 j1 加热炉内 同心圆球 无限长圆筒¬被包围物 ­外围物 当 3、任意表面：四、设备热损失计算：例：用热电偶测高温气体：¬ 测量值T1923K，Tw713K 热电偶 e10.3 a150 w¤m2K （求Tg）­加入单层遮热罩，a290 w¤m2K（抽气

24、） 遮热罩e20.3 求T1解：¬定态条件下，热电偶辐射散热对流受热 绝对误差159K，相对误差14.7%­加上遮热罩: a) 遮热罩： b）热电偶： 绝对偏差37K，相对偏差3.4第七节 换热器一、 换热器的类型及特点： 直接式 蓄热式 夹套 蛇管 沉浸 间壁式 喷淋 套管 列管式 壳体 管束 管程隔板 花板 壳程隔板 顶盖二、换热器的强化： S­ 管式（细管） 翅片Dtm­ 严格逆流（无相变） u­，不易生垢 垢 水质 除垢 K­a小处下手a­、u­、湍流，内外沟流 热管三、列管换热器的设计 WS1 T1 T2 WS2 t1 分两步¬初选 条件 管程，壳程允许的p­校核 体系物性，工业要求（一）初选 1、计算热负荷 压力 2、确定流体在换热器中流动途径 腐蚀 结垢处理等 3、确定t2®型式 4、计算u，保证湍流（壳程数） 5、计算DtmDt > 0.