化工原理第四章传热过程超详细讲解

第四章传热过程§1概述一、化工生产中的传热过程——传热的应用1、供给或取走反应热：相变潜热：2、回收利用余热、废热：交换器的降温，以利用热能。3、隔绝热量传递,避免热量损失：保温瓶,保温蒸汽管。二、要解决的问题1、进行热量衡算，确定热载体的用量2、计算完成一定生产(传热)任务所需的传热面积3、寻找强化传热途径——如何提高传热速率三、传热方式分类稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化T≠f(x)稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变化T＝f(x)1、据冷热流体是否接触混合式：冷热流体混合——煤气洗涤塔间壁式：冷热分离——间壁、冷凝管蓄热式：热流体贮热，冷流体吸热——热风炉炼铁2、在间壁式传热中,据传热面上的温度分布——分为：稳定传热：T不随时间变化

对于一定的传热设备，热阻一定，当T不随时间变化,△T亦不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，稳定传热——传热速率不随时间变化。稳定传热非稳定传热3、据传热机理不同，分为四、几个基本概念：(2)传热速率Φ=Q/τ—单位(3)比热cp显热：Q显=mcpΔt(Cp—定压比热容--J/kg*K)(J/mol*K)(4)潜热式中:ΔHm和ΔHn分别为质量和摩尔相变潜热(单位分别为：J/kg；J/mol)(1)传热量Q§2传导传热（热传导，导热）

一、定义：传导传热——发生在固体、静止或滞流流体中，因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。二、导热方程—付立叶定律：1、导热方程如图：若t1>t2，热量将自发的以导热方式从内壁向外壁传递。实验证明：通过该壁传递的热量与壁两侧的温差成正比，与传热面积和传热时间成正比，与传导距离成反比，即：dQ=-----------付立叶方程对于稳定的热传导：dt不随时间dτ变化，故积分为：温度梯度—速度梯度（P41）比较2.导热系数λ（类似于粘度）

①意义：材料导热能力大小的标志，是A＝1m2，δ=1m,

Δt=1k时的传热速率。在相同的条件下，材料不同，其传热速率不同，故是材料本身的性质。③大小：a.实验测定或查附表二、三、六、七可得。

b.λ随温度的变化对金属：α＜0，t↑,λ↓。∵原子振动加剧，电子运受阻非金属：α＞0,t↑,λ↑。∵分子振动加剧，传热能力增加液体：α＜0,t↑,λ↓。∵t↑液体膨胀,分子距离加大，碰撞↓气体：α＞0,t↑,λ↑。∵t↑,分子能量↑碰撞↑。λ金属>λ非金属，λ固>λ液>λ气，λ结构紧密>λ结构松散②单位：泡沫保温材料三、平面壁的稳定热传导——特点∴2多层平面壁,如耐火砖——绝热砖——建筑砖组成三层复合壁，对各层分别应用单层导热公式有：R=δ/λ—热阻1单层平面壁，如P105图一层：二层：三层：(1)(2)(3)∵平面壁：A1=A2=A3=A

∵稳定传热Φ1=Φ2=Φ3=Φ则有：

t1-t4=Δt=讨论：(1)①+②得：…(4)…(5)②+③得：(2)Δt1/Δt2=R1/R2=即各层的温降与其热阻成正比。可见：传热速率式中分母是分子温度区间内的热阻之和。(4)在不知A时,可求单位传热面积的传热速率—热流密度（传热强度）q

q=φ/A=Δt/Σ(δ/λ)

例：4-1P107

热阻越大，温度降越大

例：4-2P108

垢层的热阻很大，应勤除垢层(3)

——可求夹层间的温度。作业：P142（3，4）四、圆筒壁的稳定热传导

如图：据付立叶定律：1、单层圆简壁对数平均半径。当r2/r1<1.2时，可用算术平均半径

rm=(r2+r1)/2代替。=dr筒2、多层圆简壁

如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：传热速率式中：分母是分子温度区间内的“热阻”之和例4-3P109

解：注意

(1)弄清r1,r2,r3,r4

或d1,d2,d3,d4

，数值不可混淆。

(2)钢铁的导热系数λ=50W/m*K，要记住。

(3)矿渣棉的λ最小，0.07W/m*K，小于石棉泥0.15W/*K。

(4)选保温材料时，只要能耐热，λ小的应包在内层。

(5)金属管的热阻远小于绝热层的热阻，即可忽略例4-4P109

计算1米长的保温管道在一年(生产300天)内因散热引起的费用与包裹保温材料折旧引起的费用之和为最小值时的保温层厚度——经济厚度。解：散热Q：26/109元/J——费用M1(元/J)保温材料的敷装、维修及材料费：500元/5年m3=100元/年m3——费用M2如图：D↑,Φ↓,M1↓，但材料体积V↑，M2↑。费用最少的厚度——经济厚度δ=(D-d)/2。

为简化计算，用Dm计算Am，Dm=(D+0.1)/2，则：Am=πDml=πl*(D+0.1)/2设热阻集中在保温层：则W=J/s则一米管年损失的热量：年损失的价值：一米管道耗保温材料体积：V=∴年折旧费用：总费用：复杂系数一元三次方程，用试差法求解：

求导，求极值:

设D=0.4时，左=62.8≈右=63∴δ=D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15m28.356作业：P142（4、5）对流传热——发生在湍流流体中因冷热流体间的相对运动而传热的方式。(因为流体内部的对流传热不能稳定持续进行,要使对流传热稳定持续地进行，流体的边缘必须有供给或取走热量的壁面，而工业上常见的传热是指冷热流体通过间壁的传热)，所以将流体边缘的壁面也包括进来一起讨论。

故将对流传热扩展为：对流给热——流体与壁面之间的传热。由于壁面附近的流体为滞流，因此：对流给热包括湍流主体的对流传热和壁附近滞流层的热传导，为描述此复杂的给热过程的速率，特提出对流给热机理(模型)，其要点为：§3对流传热

一、对流传热机理a.湍流主体以对流方式传热，温度一致,

即忽略湍流主体的热阻。

b.壁面附近存在传热边界层(滞流和过渡层)，此层中流体以热传导方式传热，是传热过程的阻力所在。

对流给热模型的实质：把复杂的对流给热过程视为通过滞流内层的热传导过程。对流给热模型将间壁传热分解为两个给热和一个导热过程:T主体→过度、滞流层→内壁→外壁→滞流、过度层→t主体对流传热传导传热传导传热传导传热对流传热

Φ1Φ2Φ3

①给热：T流体→壁②传导传热③给热：壁→t流体二、牛顿给热方程

既然将对流给热视为通过滞流内层的热传导，则对式中δT是流体以导热方式传热(传热边界层)的厚度，是虚拟的，难测定，故令：λT/δT=αT—给热系数则有：式中：T,tw1,tw2,t,αT,αt

均应是流体流动方向上某一截面上的数值。三、给热系数α(传热膜系数)1、意义：流体主体与壁面间温差Δt=1K，A=1m2时，单位时间内传递的热量。单位：W/m2K2、数值

1）无相变时给热的α值对于流体在圆管内作强制对流，Re>104、Pr=0.7~120的气体和μ‹2μ水的液体：液体被加热时m=0.4（4—11）液体被冷却时m=0.3（4—12）2）有相变时的α值相变时放出大量的潜热，故α值查表(取一中间值)P117表4-2四、传热总速率的方程

—从给热方程中消去tw1,tw2，求Φ令αT=α1，αt=α2注意：由马于Φ1=Φ2=Φ3=Φ所以有：五、总肥传热系睡数K多层圆艰简壁一昨般不用Φ=KAm(T-舞t)的形式,而直接使乓用公式。∴单层例4-7：釜内高径d1=0.棍8m≈外径d2=0.8治22m，故釜浅壁可视芒为平面卸壁，则表有：热阻主要研集中在λ较小和α较小的一爽侧，金属管司壁的热阻塑很小，在秒液一液热亏交换过程绝中通常忽输略。作业：P14314b.据4.总传热系允数K的获得折途径：实测。a.据很计算例4-10用160协℃饱和蒸蜘气加热楼粘性溶稍液15→1急40℃，黏性溶狡液的黏度降随温度升黎高而显著均下降，使泽总传热系捆数K-t变化，瓶属不稳定趋传热，∴取纪一时间悬微元dτ,在dτ内传递栏的热量陷为dQ，则对解冷流体宇有：∵没有K=f(档t)关系，剪只有K-t数据，∴丑只能采用辛普森来数据积闸分(自变量间贯隔相等)公式积草分：分别计算屿出y0,y1,y2…y5代入公式博求得τ：=8.5屠7*105(25/斧3)(5合.75+牵4(2.辛78+2漆.51)离+2(2网.34+革3.37温)+6鹅.94)话10-5=323话0s=围54m条inn为积分区逐间所分的洞等分数，南这里有6组(T-虏t)数据，可悼求得6个y值，即：六、传热呈温度差——传热过程辉中温差一惨般是变化珍的，需取吓平均值计破算。1、稳定的钓恒温传热览温差（总温度不随臂位置而变惰化）如图的传之热过程：2、稳定的斯变温传热拒温差（温悲度随位置衰而变化）②逆流(相向逆流)①并流(同向并枯流)注意：同一流体缺终、始态合的温差用ΔT`或Δt`表示。速换灰热器同一军端高低温急流体的温权差用Δt1或Δt2表示。3、平均稳温差公兼式以并流愿为例推稠导平均屠温差公银式：∵(T-饺t)与A有关，故唇须找平均珠温差(T-赞t)m=Δ默tm,则需找d(T-而t)～dA关系,故取一微验元面积dA,在dA内视(T-t利)为常数,在dA内应用揉传热速误率方程臂式有：对冷热响流体进夫行热量衡融算有：可找到dA～d(T诊-t)关系，积分就兽可得(T-t惭)m=Δtmkg/s(qm)即：经认过dA后换热榜器换热嗓：T流体放程热：t流体吸热福：(2)-湖(3)得：设法消冷去与流些体性质铜相关的诸参数M、Cp：代回(5)式整理皆得：……(勤5)对数平均黑温差同理逆流隔换热亦可姨推导出：当算术平均锋温差注意：计算时顷，先作服出T∽A方框图丧，注明伸温度，揪找出Δt1和Δt2后再计爽算Δtm。→例4-1余1例4-11Δtm逆=54艇.9℃洽Δtm并=39.论1℃哪Δtm逆/Δtm并=54.估9/39救.1=董1.40荷4在Φ,K相同时家：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1苍A并>A逆在A,K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆/Δtm并＞1狼Φ逆>Φ并据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时劈燕，逆流夸可减少桶热载体蹦的用量笨，即M逆<M并。即逆流传竭热，可严使Φ↑申or渠A↓辅or政m↓.七、并虎流与逆舞流的比礼较并流传热纲的温差Δt前大后枣小，逆奇流传热织温差Δt始终较枣大，故舒一般有Δtm逆>Δtm并。1、逆流的忽优点：∵Φ=KA巴Δtm①进出口颜温度相役同时，Δtm逆>Δtm并，故在A、K一定时:Φ逆/Φ并=Δtm逆/Δtm并＞1即：Φ逆＞Φ并②冷原热流体围的出口各温度互葵不受影抓响，冷胁流体出召口温度t1可能高冬于热流而体出口父温度T2，换热彻摔底。在Φ、K相同时腔，A逆<A并。2、并流颠的优点:

①山t2<T2，流体终点纲温度易控浆制，对于易幻玉气化、分何解、反应踢和冷凝而做必须控温绕的流体的滤换热较适塔合。②Δt1>Δt2，适用吐于某些匆连续操抽作的管盒式反应厨器中进女行的放热反深应的热冒量的移写出。如图：瘦并流能迹正常操公作，逆押流不能率正常操衔作。例4-1肯2在其他条令件(K,C乞p,M1,M2)不变时,并→逆，泻求T2,t1。

解：忌利用并流愈求得有关牢常数：Φ=KA秒Δtm=-M1Cp1ΔT’=肉M2Cp2Δt’ΔT`头=-5脊0绣Δ读t`=虫40M1Cp1/M2Cp2=Δt’检/ΔT’=0.8(常数)…(1)Δtm并=Δt1-Δt2/ln武Δt1/Δt2=39.担1KA/M1Cp1=-Δ格T`/胀Δtm=50/细39.1=1.2幸8（常数）…(2)-ΔT`逮=120类-T2Δt`敞=t1-20改逆流后:代入（1）和（2）式：M1Cp1/M2Cp2=Δt’缎/ΔT’=(t1-20鱼)/(跑120恨-T2)=0.8击KA/M1Cp1=-ΔT舰`/Δtm=2（120惕-T2）/（100对-t1+T2）=1.男28例4-1熄3求在逆欠流换热若中面积镜增大一醒倍时的只出口温贸度。同寒理有：M1Cp1/M2Cp2=Δt候’/Δ枯T’=孕0.8=(t`1-20)旱/(12袍0-T`2)t`1=116恒-0.8求T`2Δt`m逆=(10量0-t`1+T`2)/2K(2禁A)/煌M1Cp1=2*1事.28=-Δ娘T`/浇Δt`m逆=(12门0-T`2)*2/(100繁-t`1+T`2)=2蒜.56T`2=42.船5℃着t`1=82乒℃八、强化朴传热的途愿径和措施∵Φ=KA宏Δtm1.增大A:增大α较小一侧遍的A值，如气体睛和α小的液体茶走管外；蛛采用翅片饭管、螺纹霜管作换热橡管。当两种流并体能接触戒时，尽量增加腐其分散度(A大)。如喷阔啉冷却软时将液探体雾化项。2.提高Δtm：尽量采纱用逆流趴换热。温差的冷增大受气促候条件和炉输送费用也的限制。3.提高K值∵K值取决于α值和λ很小的垢层的建厚度。1、采用α大的流体作热载体振；2、据：增大流毁速可提高α值；3、勤除垢层,减小热阻δ/λ。平面壁艺传导传仆热：圆筒壁传凶导传热：九、常汪用公式窗：平面壁对罩流传热：圆筒壁对变流传热：热量衡算伴：平均温圈差：§4-5热交换器一、列管抗式换热器如图4-14，P127管程：换热狸器的管殖内通道管程数：流体花在管程语中从一胀端到另善一端运虽行的次择数。壳程：换热亏器的外脉壳与管则束之间和的通道壳程数：流体在慨壳程中从单一侧到另更一侧运行作的次数。总换热面暖积：A=ndml二、夹劣套式加浸热器：图4-2乳0三、蛇管角式热交换摩器：4-21四、螺滋旋板式雅热交换爱器：4-2眉2五、板灯式热交蚁换器：4-2液3习题14解：圆到筒壁的佩对流传花热Φ2/Φ1=6.网53/通18.哪75=似0.3碧482模≈3浆5%α1=200见0Wm-2K-1结垢后其：结垢前：α2=150隙00W买m-2K-1r1=0.0族11mr2=0.0捐125惑mr2=0.0羽11mr3=0.01量25mr1=0.0蛋1m习题23：A=n舍*l*寒πdm=13×肝2×3.苗14×0瘦.023足5=1.耗9m2T2=?t2=1摧5℃T1=9悲0℃?习题21解：l∝A,可用A比代表l比，即视为平克面壁作近园似计算。∵Φ=K蹦AΔtm=-M1Cp1ΔT’箩=M2Cp2Δt’加长前：Δt1’=2的5辩Δ咽T1’=-5存0M1Cp1/M2Cp2=Δt1’/-Δ击T1’=25炸/50=0.柴5Δtm1=(Δ吗t1+Δt2)/2=(究110+得85)/荷2=97.羽5℃A作业：P14422、24习题15解：Φ=K功AΔtm=-M1Cp1ΔT’=-qV1ρ1Cp1ΔT’`=-vπ/4d2ρ1Cp1ΔT’=0.5阻*0.7竹85*0丧.022*120寨0*30斥00*(蹦90-6其0)=6波4432迫8WA=n浇*l*摩πdm=38*治4*3.恳14*0隔.022暑5=10茂