华东理工化工原理第02章

1、第第2 2章章 传热传热2.1 概述概述2.1.1 热量传递热量传递方式方式 2.1.2 传传热基本概念热基本概念热负荷热负荷 QL（J/s） )()(211TTcqQpmL 工艺要求，工艺要求，是同种流体的温升、温降。是同种流体的温升、温降。传热量传热量 Q （J/s） 单位时间内，热流体通过整个换热器的传热单位时间内，热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量。面传递给冷流体的热量。热流密度热流密度 q （J/m2s） 单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。AQqdd 显然，一个能满足工艺要求的换热器应显然，一个能满足工艺要求的换热器应 Q=Q

2、L Q、q是两种流体之间的换热，其传热推动力是是两种流体之间的换热，其传热推动力是 载热体载热体、冷却剂、加热剂、冷却剂、加热剂常用加热剂：热水、饱和蒸汽、矿物油、道生油、常用加热剂：热水、饱和蒸汽、矿物油、道生油、熔盐、烟道气；熔盐、烟道气；常用冷却剂：液氨、液氮、液态乙烯等；常用冷却剂：液氨、液氮、液态乙烯等；2.2传热机理传热机理传导、对流、辐射传导、对流、辐射2.3传热速率和热量衡算传热速率和热量衡算2.3.1传热速率方程传热速率方程2.3.2热量衡算热量衡算Q1=qm1cp1(T1-T2) Q2=qm2cp2(t2-t1)2.3.3传热基本方程传热基本方程KAttKAQmm12.3.

3、4 热传导热传导起因于物体内部微粒微观运动的一种传热方式。起因于物体内部微粒微观运动的一种传热方式。 ntq nt 1傅立叶定律傅立叶定律宏观规律宏观规律： 法向温度梯度法向温度梯度t=f(x,y,z,)导热系数导热系数： W/m愈大，导热愈快。愈大，导热愈快。注意注意：（1 1）与与一样是分子微观运动的宏观表现。一样是分子微观运动的宏观表现。（2 2）金属金属液体液体气体气体（3 3）温度升高时，）温度升高时， 液液 下降下降，但水明显例外，但水明显例外 气气 上升上升， 2 单层壁传热单层壁传热热量衡算：进热量衡算：进=出出+累积累积 QQQ出出入入定态：定态： 0 Q即即一维传热一维传热

4、：qq AqqAQ rtqdd )2(ddrLrtQ Q=Q, 2121dd2ttrrtrrLQ 写成通式：写成通式： 1212122112212/ln/ln2rrLrrrrttrrttLQ 阻力阻力推动力推动力 RtAttQm /21 1212/lnAAAAAm 其中：其中：AAm 21AAAm 平壁：平壁： 球壁：球壁： 3 多层壁传热多层壁传热 333432223211121mmmAttAttAttQ 33322211141mmmAAAtt niimnAttQ111)( （1 1）通式表示含义：）通式表示含义： 某层热阻某层热阻某层推动力某层推动力总热阻总热阻总推动力总推动力速率速率 （

5、2 2）层与层之间密切接触时，不存在空隙。如接）层与层之间密切接触时，不存在空隙。如接触处有空隙时，由于有空气，而触处有空隙时，由于有空气，而 ，增加，增加了接触热阻，往往成为控制因素。了接触热阻，往往成为控制因素。 金金属属气气 例：已知蒸汽管道外径例：已知蒸汽管道外径=150mm=150mm，外壁温度，外壁温度t t0 0=180,=180,=0.013+0.000198=0.013+0.000198t t( (t t单位为单位为),),保温保温层外壁温度层外壁温度t t1 1=50=50，冷凝量，冷凝量w w=1=11010-4-4kg/mkg/ms s。求：保温层厚度求：保温层厚度解：

6、解：Q QL L= =wrwr查查180水水 r r=2019kJ/kg=2019kJ/kgQ Q/ /L L=1=11010-4-42019=202W/m2019=202W/m对于圆筒壁：对于圆筒壁： 1221/ln2rrttLAtQm r1=75mm,r2=r1+=(75+)mm)mm保温层平均温度保温层平均温度： C115)(1021 tttm=0.013+0.000198=0.013+0.000198t tm m=0.126(W/m=0.126(W/mK)K)LQttrr/)(2)ln(1012 51. 0202)50180(126. 014. 32 2.4 对流给热对流给热 流动对传

7、热的贡献流动对传热的贡献流体被冷却流体被冷却 TTTd 导致导致 yyyqq 流体沿流体沿x方向作层流流动的结果，使垂直方向方向作层流流动的结果，使垂直方向上的热流密度（上的热流密度（q）随距离）随距离y的增大而减小，温度梯的增大而减小，温度梯度度 也随之减小。也随之减小。 yTdd在温差相同的情况下在温差相同的情况下 一定，一定， 流动增加了壁面处的温度梯度流动增加了壁面处的温度梯度，使壁面的，使壁面的热流密度较流体静止时为大。热流密度较流体静止时为大。湍流时曲线更平坦湍流时曲线更平坦 更大，更大，q更大更大一维导热一维导热+二维流动，使二维流动，使q)(0wTT 0)( yyT两种对流形式

8、两种对流形式自然对流与强制对流自然对流与强制对流（1）自然对流自然对流 流体内部温度不同，引起密度不同而引起宏观流体内部温度不同，引起密度不同而引起宏观流动。流动。t重者下沉重者下沉（2）强制对流强制对流在外力或在外力或 作用下引起流动作用下引起流动 t轻者上浮轻者上浮P 阻力阻力推动力推动力 RtAttQm /21)(TTqw 2.4.1 对流给热过程的影响因素对流给热过程的影响因素（1）牛顿冷却定律牛顿冷却定律对照傅立叶定律对照傅立叶定律 热传导热传导： 对流传热对流传热：牛顿冷却定律：牛顿冷却定律 其中，其中，Tw为为壁温；壁温；T为流体主体温度；为流体主体温度；为给热系数，为给热系数，

9、 W/m2。 按牛顿冷却定律，实验的任务是测定不同情按牛顿冷却定律，实验的任务是测定不同情况下的给热系数，并将其关联成经验表达式以供况下的给热系数，并将其关联成经验表达式以供设计时用。设计时用。 （2）对流给热系数对流给热系数的量纲分析的量纲分析物性：物性：固体表面的特性尺寸：固体表面的特性尺寸：l强制对流的流速：强制对流的流速：u自然对流特性速度：自然对流特性速度：变量变量8个，基本量纲个，基本量纲4个个根据根据定理，无量纲准数定理，无量纲准数=8-4=4即即 分别为分别为: 努塞尔努塞尔 雷诺雷诺 普朗特普朗特 格拉斯霍夫格拉斯霍夫 ),(pctgluf ,pctg ),(GrPrRefN

10、u lNu luRe pcPr 223 tlgGr 2.4.2 无相变流体无相变流体经验关联式经验关联式2.4.2.12.4.2.1圆形直管内强制湍流圆形直管内强制湍流湍湍 0.3 流体被冷却流体被冷却或或 讨论讨论：(1)(1)任何经验公式应用时要注意三点：任何经验公式应用时要注意三点：适用范围适用范围 ， ，低，低定性温度为定性温度为 或或特性尺寸管径特性尺寸管径 d),(PrRefNu bPrReNu8 . 0023. 0 0.4 流体被加热流体被加热bPrRed8 . 0023. 0 湍湍410 Re1607 . 0 Pr)(2121TT )(2121tt b例：有一列管式换热器，其管

11、束由例：有一列管式换热器，其管束由269269根长根长3m3m，内，内径径d d=25mm=25mm的管子组成。管内走空气，流量为的管子组成。管内走空气，流量为8000kg/h8000kg/h，空气被加热。定性温度下，空气的，空气被加热。定性温度下，空气的 c cp p=1.01kJ/kg=1.01kJ/kg,=2.01=2.011010-2-2mPamPas,s,=2.87=2.871010-2-2W/mW/m,求空求空气对管壁的给热系数。气对管壁的给热系数。 条件条件: Re104 0.7Pr 30404 . 08 . 0023. 0PrRed 解：解：s16.84kg/m269025.

12、0785. 03600/800041222 ndqGm44510102.091001. 2025. 089.16 GdudReL /d=150300.70.7071087. 21001. 21001. 1253 pcPr=65.7(W/m2)4 . 08 . 0023. 0PrRed 4 . 08 . 042707. 0)1009. 2(025. 01087. 2023. 0 (2)公式的修正公式的修正高黏度修正高黏度修正对工程处理对工程处理加热加热 冷却冷却 过渡区过渡区 校正系数校正系数 弯管弯管R弯管的曲率半径弯管的曲率半径14. 033. 08 . 0)()()(027. 0wCpdu

13、d 05. 1)(14. 0 w 95. 0)(14. 0 w 4102000 Re湍湍过过 f 湍湍过过 8 . 15Re1061 f)77. 11Rd （湍湍弯弯 湍湍弯弯 (3)湍湍计算式灵活应用计算式灵活应用 bpcdud)()(023. 08 . 0 湍湍2 . 08 . 08 . 08 . 01023. 0ducbbpb 当当b=0.4时，即为式时，即为式改写成改写成 2 . 08 . 0duB 湍湍 B为惯性综合系数为惯性综合系数 因此因此 2 . 0218 . 01212)()(dduu 2 . 08 . 04 . 06 . 04 . 08 . 0023. 0ducp 湍湍课堂

14、讨论：课堂讨论：圆直管内处于高度湍流，无相变流体圆直管内处于高度湍流，无相变流体已知已知qv1,d1时时1，令，令d1=d2使使qv2=2qv1,则则2 2= = 1 1。2 . 0218 . 01212)()(dduu 已知已知qv1,d1时时1，令，令qv2=qv1使使d1=1/2d2,则则2 2= = 1 1。241duqV 8 . 1218 . 01212)()(ddqqVV 对照教材对照教材p69“p69“由式（由式（2-342-34）可以看出，在）可以看出，在其它因素不变时，其它因素不变时， ，说明管径，说明管径d d对对影响影响不大不大”一段话要特别留意。一段话要特别留意。引申：

15、引申： 若若 则改写成则改写成 2 . 01d 2 . 08 . 08 . 01023. 0ducbpb）（湍湍 2 . 08 . 0dGB 湍湍 2.4.3 有相变化时对流有相变化时对流给热给热1 沸腾给热沸腾给热传热推动力传热推动力： 壁温与操作压强下液体的饱和温度之差。壁温与操作压强下液体的饱和温度之差。两种沸腾：两种沸腾： 大容积大容积与管内沸腾与管内沸腾沸腾条件沸腾条件： 过热度和汽化核心过热度和汽化核心 为使气泡产生，为使气泡产生，pvp1过热度过热度=t-ts，并且，过热度与气泡，并且，过热度与气泡半径有关，因而很难形成小气泡。半径有关，因而很难形成小气泡。swtt （1）过热度

16、过热度：2)(21rpprv rppv 21 （2）汽化核心汽化核心 气泡首先在粗糙表面凹缝中产生气泡首先在粗糙表面凹缝中产生表面功小表面功小, ,对气泡有依托作用对气泡有依托作用, ,存在气泡胚胎。存在气泡胚胎。（3）核状和膜状沸腾）核状和膜状沸腾 大容积沸腾规律大容积沸腾规律 大，壁温大，壁温t tw w较低较低核状沸腾好，工业采用核状沸腾好，工业采用。影响影响沸沸因素多，在核状因素多，在核状沸腾下，沸腾下， 5 . 2t 沸沸 沸腾过程的强化沸腾过程的强化表面粗糙化添加剂加入表面粗糙化添加剂加入牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： q=(T-Tw) =(tw-t)= =f f( (物性，操作特性

17、，几何尺寸物性，操作特性，几何尺寸) )2 冷凝给热冷凝给热(1)膜状冷凝膜状冷凝与与滴状冷凝滴状冷凝 传热推动力传热推动力：wstt 应用应用：工业上从安全考虑，冷凝器设计按：工业上从安全考虑，冷凝器设计按膜状膜状冷凝冷凝 膜膜滴滴 2.5.1 基本概念基本概念2.5 热辐射热辐射（1 1）热辐射）热辐射辐射辐射物体以电磁波方式传递热量过程。物体以电磁波方式传递热量过程。热辐射热辐射不同物体间互相辐射和吸收能量综合不同物体间互相辐射和吸收能量综合过程，其净结果热量高过程，其净结果热量高低。低。 热辐射线可以在真空中传播，无需任何介质热辐射线可以在真空中传播，无需任何介质，这是热辐射与对流和传

18、导的主要不同点。，这是热辐射与对流和传导的主要不同点。（2 2）黑体、白体、透射体）黑体、白体、透射体 吸收率吸收率 反射率反射率 透过率透过率黑体黑体a=1，白体，白体r=1,透热体透热体d=1固体和液体不允许热辐射透过，固体和液体不允许热辐射透过， d=0, a+r=1。“黑黑”，“白白”之分不据颜色之分不据颜色雪霜雪霜 a=0.985近似黑体，近似黑体，黑光金属黑光金属r=0.97近似白体。近似白体。入入入入入入QQQQQQdra 1= a + r + d（3 3）黑度）黑度黑度黑度 黑度只与辐射物体本身情况有关，是物体的一种黑度只与辐射物体本身情况有关，是物体的一种性质，而与外界无关。

19、性质，而与外界无关。黑黑体体辐辐射射能能力力实实际际物物体体辐辐射射能能力力 bEE 2.5.2 固体辐射固体辐射（1 1）黑体辐射能力）黑体辐射能力Eb 斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律 即即 四次方定律表明，辐射传热对温度十分敏感。四次方定律表明，辐射传热对温度十分敏感。Eb: 黑体辐能力黑体辐能力 W/m2T: 绝对温度绝对温度 KC0:黑体辐射系数，黑体辐射系数， 5.67W/(m2K4)40)100(TCEb 4(绝对温度）绝对温度） bE（2 2）灰体辐射能力和吸收能力）灰体辐射能力和吸收能力 克希霍夫定律克希霍夫定律 灰体灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能够以相等的

20、吸收率吸收所有波长辐射能的物体。能的物体。 灰体也是理想物体，但是大多数的材料，灰体也是理想物体，但是大多数的材料，在工业上应用最多的热辐射（波长在在工业上应用最多的热辐射（波长在0.7620m）范围，其吸收率随波长变化不大，因）范围，其吸收率随波长变化不大，因而可视为灰体。而可视为灰体。克希霍夫定律：克希霍夫定律： a 在同一温度下，灰体的吸收率等于黑度。辐射在同一温度下，灰体的吸收率等于黑度。辐射能力愈大，其吸收能力愈大。能力愈大，其吸收能力愈大。灰体辐射能力灰体辐射能力 对太阳辐射，气体辐射对太阳辐射，气体辐射 41000)(TbCEE a （5 5）影响辐射的主要因素）影响辐射的主要因

21、素温度影响温度影响与与 T4成正比，很敏感。与对流、传导不同。成正比，很敏感。与对流、传导不同。几何位置影响几何位置影响表面黑度的影响表面黑度的影响* 减少辐射散热时，可在表面上镀以黑度很小的减少辐射散热时，可在表面上镀以黑度很小的银、铝等。银、铝等。辐射表面之间介质的影响辐射表面之间介质的影响* 减少辐射散热，加遮热板（例减少辐射散热，加遮热板（例6-7） （6 6）辐射给热系数）辐射给热系数 高温设备（如管式炉）外壁对周围空气的高温设备（如管式炉）外壁对周围空气的散热，兼有辐射与自然对流作用散热，兼有辐射与自然对流作用 辐射辐射 对流对流R )(21TTqqqcRcRt 2.6.1.1传热

22、过程数学描述传热过程数学描述 00d1dd1dAwAwwAwtttTTTQmii 总阻力总阻力总推动力总推动力 AKtTd12.6 传热过程计算传热过程计算若以外壁面为基准：若以外壁面为基准： 若为平壁若为平壁 注意：注意：（1 1）K K与与A A必须对应必须对应 一般情况管壁比较薄，一般情况管壁比较薄，A Ai i= =A Am m= =A A0 00000d1dd1d1AAAAKmii 00001dddd11 miiAAAAK0dddAAAmi 0111 iK(2)(2)考虑污垢：考虑污垢： 对新管子，经过清洗去垢后管子，对新管子，经过清洗去垢后管子，R Ri i= =R R0 0=0=

23、0，又通常又通常金属金属大，壁大，壁薄，故薄，故/ /00，忽略壁，忽略壁阻及垢阻：则阻及垢阻：则00111 RRKii0111 iK当当0 0 i i，则，则K K 比比i i还小还小当当0 0i i，则，则K Ki i，p79, p79, 例例2 25 5指出了强化传热途径从指出了强化传热途径从小入手小入手控制热阻控制热阻值工程概念值工程概念： 气气 几十至上百几十至上百 有相变有相变 几千至上万几千至上万因此当管外用饱和蒸汽加热管内气体时，因此当管外用饱和蒸汽加热管内气体时， 蒸汽蒸汽空气空气 K K 空气空气 无相变无相变 液液 几百至几千几百至几千 W/mW/m2 2K K壁温计算：

24、壁温计算：很小，很小，T Tw w= =t tw w结论：壁温总是趋于结论：壁温总是趋于值大一边温度。值大一边温度。壁温讨论意义重大壁温讨论意义重大！例如：管式炉中炉管为什么在烈火中不融化？例如：管式炉中炉管为什么在烈火中不融化？ )()(0ttTTqwwi 若若i i大，则（大，则（T T- -T Tw w）小）小 即即T Tw w T T因为里面有液体，因为里面有液体，液液大，所以大，所以t tW Wt t液液2.6.1.2 平均温差和传热基本方程式平均温差和传热基本方程式 以逆流，无相变流体推导：以逆流，无相变流体推导： K为常数为常数 物性数据不变物性数据不变热量衡算热量衡算：前提：前

25、提： 定态，无热损失定态，无热损失)()(12222111ttcqTTcqQpmpm 122112211122ttTTttTTttTTcqcqpmpm 是传热操作线斜率是传热操作线斜率 dA面上传热速率式面上传热速率式或或 沿管长沿管长l作积分可得传热基本方程：作积分可得传热基本方程：1122pmpmcqcqAtTKTcqpmd)(d11 AtTKtcqpmd)(d22 mtKAQ 注意：注意：公式中公式中K与与A要对应要对应KiAi=K0A0 逆流时，逆流时，t t2 2= =T T1 1- -t t2 2, , t t1 1= =T T2 2- -t t1 1当当t t2 22tm并并 完

26、成同样完成同样Q Q( (KAKAt tm m) ) A A逆逆 2000;定性温度定性温度; ;定性尺寸定性尺寸14. 055. 00)(36. 031wPrRede (3)(3)换热器压降计算换热器压降计算 判别换热器性能标准：判别换热器性能标准： K大，大，P小小管程压降管程压降PtP=直管阻力直管阻力+局部阻力局部阻力 =ft：管程结垢校正系数：管程结垢校正系数当流量一定时，当流量一定时，而而 兼顾传热与压降兼顾传热与压降22)3(iuptdLNf NpndquiiVi/24 3pN P8 . 0piN 2.7.3 其它类型换热器其它类型换热器（1 1）板式换热器）板式换热器螺旋板式换

27、热器螺旋板式换热器优点：优点：传热效率高，不易堵传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，成本塞，结构紧凑，成本较低。较低。缺点：缺点：操作压力、温度不能操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维太高，螺旋板难以维修。修。板式换热器板式换热器优点：优点：传热效率高，传热系数传热效率高，传热系数K K大，结构紧凑，操作大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。灵活，安装检修方便。缺点：缺点：耐温、耐压性较差，易耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小渗漏，处理量小 。板翅式换热器板翅式换热器优点：优点：结构高度紧凑，传热效结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作率高，允许较高的操作压力。压力。缺点：缺点：制造工艺复杂，检修清制造工艺复杂，检修清洗困难。洗困难。（2 2）其他类型换热器）其他类型换热器翅片管式换热器翅片管式换热器特点：特点： 管外安装翅片增管外安装翅片增加了传热面积、传热加了传热面积、传热系数。系数。 热管式换热器热管式换热器特点：特点：有相变有相变大，结构简大，结构简单，壁温均匀。单，壁温均匀。 例：已知：例：已知：qm1=1.5kg/s，r=395kJ/kg，T=60管束管束n根根 252.5mm,管内河水管内河水t1=25，不计管，不计管外冷凝、管壁、垢层热阻，外冷凝、管壁、垢层热阻，NP=1求：求：