传热过程课件

傳熱過程4-1概述1.化工生產中的傳熱過程物體或系統內部由於溫度不同而使熱量發生轉移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱。

（1）物料的加熱或冷卻（2）換熱，即熱量的回收利用，合理的使用熱源。（3）保溫，以減少熱量損失。應用：傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的存在就有熱的傳遞傳熱的三種基本方式：傳導、對流和輻射（1）熱量：能量的一種形式，單位J。（2）傳熱速率Φ：熱流量，單位時間內通過換熱器整個傳熱面傳遞的熱量，單位W或J/s；（3）熱流密度q：熱通量，單位時間內通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位W/m2或J/(s.m2).q與Φ的關係式中：A──總傳熱面積，m22.傳熱中的一些基本物理量和單位

（4）比熱容：指壓力恒定時單位品質的物質溫度升高1K時所需的熱量，單位為J·k-1·kg-1。非定態傳熱

3.定態&非定態傳熱

定態傳熱

[steady（unsteady）heattransfer]i.e.1.傅立葉定律4-2傳導傳熱Φ——導熱速率，WA——導熱面積，m2，λ——導熱係數，W/m.Kdt/dx——沿x方向上溫度梯度，K/m負號——表示熱流方向與溫度梯度方向相反1.1基本運算式：t+Δttt-ΔtgradtQΔn溫度梯度為向量，其正方向為溫度增加的方向，與傳熱方向相反。*

溫度梯度

相鄰兩等溫面間溫差△t與其距離△n之比的極限：〖說明〗穩定一維溫度場，溫度梯度可表示為：1.2導熱係數（1）導熱係數定義式：

λ表徵物體導熱性能大小，λ↗，導熱性能↗。(4-3)數值上等於單位溫度梯度下的熱通量（2）

是分子微觀運動的宏觀表現。

=f(結構,組成,密度,溫度,壓力）（3）各種物質導熱係數

金屬固體

>

非金屬固體

>

液體

>

氣體

在一定溫度範圍內：式中:0,──0℃,t℃時導熱係數，W/(m·K)；

a──溫度係數；對大多數金屬材料：a<0，t

對大多數非金屬材料：a>0

，

t

1）固體

金屬[20～400W/(m·℃)]，：

純金屬>

合金非金屬[0.2～3.0W/(m·℃)]：同樣溫度下，

↗，

↗。(4-3)對大多數固體，λ值與溫度大致成線性關係：2）液體——0.1～0.7W/(m·℃)金屬液體

較高,非金屬液體低,水

最大[0.6W/(m·℃)]。

t

（水、甘油除外）3）氣體一般來說，純液體的大於溶液

t

氣體導熱係數小，對導熱不利，但利於保溫、絕熱P的影響一般壓強範圍內，λ隨p變化很小，可忽略；過高(>2×105kPa)、過低(<3kPa)時，P↑，λ↑2.平面壁的定態熱傳導

2.1單層平壁的穩態熱傳導

如圖所示，平壁厚度為b，面積為A☻過程為穩態一維熱傳導，導熱速率Q為常量

假設：(1)A大，b小；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。t1t2btxdxQxQx+dx積分：定態熱傳導，Φ為常數傅立葉定律：☻導熱速率Φ與傳熱推動力Δt、傳熱面積A和導熱係數λ成正比，與壁厚成反比。2.2多層平壁的穩態熱傳導

假設：層與層間接觸良好，即相互接觸兩表面溫度相同，且t1>t2>t3>t4各層平壁面積相等，均為A，厚度分別為b1，b2，b3各層導熱係數為常數，分別為λ1、λ2、λ3傳熱為定態一維熱傳導：Φ1=Φ2=Φ3=Φ以三層平壁為例。t1t2b1txb2b3t2t4t3Qt1t2t3t4b1b2b3由傅立葉定律，得：等比定理：（三）各層的溫差思考：厚度相同三層平壁傳熱，溫度分佈如圖所示,說明各層的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2推廣至n層：例4-1、4-2，P107【例4-a1】某冷庫的牆壁由三層材料構成，內層為軟木，厚15mm，導熱係數0.043W/(m·℃)，中層為石棉板，厚40mm,導熱係數0.10W/(m·℃)，外層為混凝土，厚度200mm,導熱係數1.3W/(m·℃)，測得內牆表面-18℃，外牆表面溫度24℃，計算每平方米牆面的冷損失量；若將內、中層材料互換而厚度不變，冷損失量將如何變化。解:已知t1＝24℃,t4=-18℃,λ1=0.043W/(m·℃),λ2=0.10W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互換材料後：t1＝24℃,t4=-18℃,λ1′=0.10W/(m·℃)，λ2′=0.043W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互換材料後，由於導熱熱阻的增大，使得冷量損失減少。在使用多層材料保溫時要注意熱阻的分配。

Qdrrr1r2t1t2L3.1單層圓筒壁的穩態熱傳導特點:～溫度&傳熱面積均隨半徑而變，均非常量。3.圓筒壁的傳導傳熱積分：單層圓筒壁導熱速率計算式整理：穩態下通過圓筒壁的導熱速率Q與r無關，但q：q隨r變化寫成與平壁導熱速率方程式類似的形式：3.2多層圓筒壁穩態熱傳導假設：各層間接觸良好各層導熱係數λ1、λ2、λ3均為常數一維穩態熱傳導以三層為例：【例】一套管換熱器的內管為φ25×2.5mm的鋼管，鋼的導熱係數為45W/(m·K)，該換熱器在使用一段時間以後，在換熱管的內外表面上分別生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導熱係數分別為1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知兩垢層與流體接觸一側的溫度分別為160℃和120℃，試求此換熱器單位管長的傳熱量。

例4-3，P1091.1冷熱流體通過間壁的傳熱過程（對流傳熱）t2t1T1T2對流給熱導熱冷流體Q熱流體對流給熱對流傳熱依靠流體質點的移動進行傳熱；與流動狀況有密切相關4-3對流傳熱1.對流傳熱機理流體流過固體壁面時，流體粘性作用使靠近固體壁面附近存在一薄層流底層，熱量傳遞主要為熱傳導。流體導熱係數較低，層流底層中導熱熱阻很大，溫差較大，溫度梯度較大；湍流主體中，流體質點劇烈混合並充滿漩渦，湍流主體中溫差及溫度梯度極小，各處溫度基本相同；湍流主體與層流底層之間過渡層，熱傳導和熱對流均起作用，該層內溫度變化緩慢。1.2溫度在湍流流體中的分佈1.3對流傳熱的膜理論模型假設湍流主體和過渡區的熱阻全部集中到層流底層的熱阻中，則靠近壁面處構成一層厚度為δ的有效膜，膜內為層流，膜外為湍流，膜內以導熱方式傳熱。由於影響對流傳熱的因素很多，δ不易測量，通常用對流傳熱係數α代替上式中的λ/δ，得：由傅立葉定律：TTWttW

上式稱為對流傳熱速率方程，也稱牛頓冷卻公式。熱流體：冷流體：參數綜合法對α影響較大有：導熱係數λ、粘度μ、比熱Cp、密度ρ及對自然對流影響較大的體積膨脹係數β具體：

λ↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑

2.1影響對流傳熱係數因素自然對流：由於流體內部存在溫差，各部分流體密度不同，引起流體質點的相對位移。強制對流：由於外來的作用，迫使流體流動。α自然對流<α強制對流（1）流體的物理性質（2）流體流動的原因2.對流傳熱膜係數湍流：隨Re↗，層流底層厚度↘，阻力↘，α↗。層流：流體無混雜質點運動，α較湍流時小。即：α層流<α湍流

（3）流體的流動狀態α有相變>α無相變；因為汽化熱r比cp大得多

（4）流體的相態變化情況（5）傳熱面的形狀，相對位置與尺寸形狀：管、板、管束等；大小：管徑、管長等；位置：管子排列方式（正四方形、三角形排列）；管或板垂直/水準放置。傳熱面越粗糙，對流傳熱係數α越大2.2傳熱過程的特徵數流速u，傳熱特徵尺寸l，流體的黏度μ，導熱係數λ，密度ρ，比熱容Cp，單位品質流體升浮力βgΔt，流體無相變時，影響對流傳熱係數的因素：

α＝f(u,l,μ,λ.ρ,Cp，βgΔt)即：(4-17)上式為無相變時，對流傳熱特徵數關係式一般形式*因次分析

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)基本因次：長度L，時間T，品質M，溫度；變數總數：8由定理：（8-4）=4，可知有4個無因次數群准數式符號名稱意義Nu努寒爾特准數(Nusselt)表示對流傳熱強弱程度Re雷諾准數(Reynolds)反映流體流動湍動程度Pr普蘭特准數(Prandtl)反映物性對傳熱影響Gr格拉斯霍夫准數(Grashof)反映自然對流強弱程度

各准數名稱、符號、意義：2.3傳熱膜係數的特徵關聯式1.狄丟斯公式2.其他各種情況下的經驗公式（4-13~4-17）管內流體被加熱時，靠近管壁處層流底層溫度高於流體主體溫度；流體被冷卻時，情況正好相反。對液體，粘度隨溫度↗而↘，液體被加熱時層流底層↘，大多數液體導熱係數隨溫度↗有所↘，但不顯著，總結果使對流給熱係數↗。液體被加熱時對流給熱係數必>冷卻時對流給熱係數。大多數液體Pr>1,即Pr0.4>Pr0.3。液體被加熱，n取0.4；冷卻，n取0.3。對氣體，粘度隨溫度↗而↗，氣體被加熱時層流底層↗，氣體的導熱係數隨溫度↗也略有↗，總結果使對流給熱係數↘。氣體被加熱時對流給熱係數必<冷卻時對流傳熱係數。由於大多數氣體Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3，氣體被加熱，n取0.4；冷卻，n取0.3。查得苯的物性數據：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，λ=0.14W/m·℃【例4-a3】列管換熱器由254根φ25×2.5mm，長6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內流動的苯，苯的流量為50kg/s，進出口溫度分別為20℃和80℃，試求管內苯的對流傳熱係數。若將苯的流量增加50%，而仍維持原來的出口溫度，對流傳熱係數將如何變化。解：定性溫度t=(20+80)/2=50℃每根管內流速3.流體有相變時的對流傳熱膜係數特點：相變流體放出或吸收大量潛熱，但流體溫度基本不變；壁面附近流體層中溫度梯度較高，對流傳熱係數比無相變時更大；蒸汽冷凝&液體沸騰3.1蒸汽冷凝飽和蒸汽與低於飽和溫度的壁面相接觸時，放出潛熱，冷凝成液體而另一側流體被加熱。優點：(1)飽和蒸汽具有恒定溫度，操作時易於控制；(2)蒸汽冷凝對流傳熱係數較無相變時大得多。冷凝方式：膜狀冷凝和滴狀冷凝

滴>膜

強化措施

對純蒸汽冷凝，恒壓下ts為定值，即氣相主體內無溫差也無熱阻，

大小主要取決於液膜厚度及冷凝液物性。在流體一定情況下，一切能使液膜變薄的措施將強化冷凝傳熱過程。

減小液膜

最直接方法：從冷凝壁面高度和佈置方式入手

垂直壁面上開縱向溝槽，以減薄壁面上液膜

；

壁面上安裝金屬絲或翅片，使冷凝液在表面張力作用下流向金屬絲或翅片附近集中，從而使壁面上液膜減薄；使冷凝傳熱係數得到提高；

水準管束：可採用錯列↑αΔt=tw-tsA自然對流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰(1)AB段——

t<5

C

t=tW－tS，

t很小時，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡；長大速度慢，加熱面與液體之間以自然對流為主；汽化僅發生在液體表面，嚴格說還不是沸騰，而是表面汽化；此階段，

較小，隨

t升高緩慢增大。3.2液體沸騰傳熱(2)BC段——25

C>

t>5

C↑αΔt=tw-tsA自然對流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰汽化核心數↗，汽泡長大速度↗，對液體擾動↗對流傳熱係數↗，汽化核心產生氣泡對傳熱起主導作用～核狀沸騰(3)CD段——250

C>t>25C↑αΔt=tw-tsA自然對流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰Δt↗一定數值，加熱面汽化核心↗↗，氣泡產生速度>脫離壁面速度，氣泡相連形成氣膜，將加熱面與液體隔開；氣體導熱係數較小，使，～不穩定膜狀沸騰。臨界點(4)DEF段——t>250C↑αΔt=tw-tsA自然對流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰氣膜穩定，加熱面tW高，熱輻射影響↗，對流傳熱係數↗，～穩定膜狀沸騰。臨界點工業上：核狀沸騰優點：

大，tW小4-4熱交換的計算總傳熱速率方程式：熱流體qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流體qm2,t1,cp2,h1t2h24.1熱量衡算i.e.理想換熱條件下，保溫良好無熱損失，單位時間內熱流體放出熱量等於冷流體吸收熱量。由冷熱流體熱量衡算知（無熱損失）：熱流體qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流體qm2,t1,cp2,h1t2h2（1）若兩流體均無相變化，且Cp可視為常數，則：其中：其中：r——飽和蒸汽的比汽化熱。J/kg（2）若一側流體有相變—e.g.

熱流體飽和蒸汽冷凝，或冷流體沸騰熱流體飽和蒸汽冷凝，冷流體t1↗t2，T恒定熱流體T1↘T2，冷流體沸騰，t恒定1、恒溫傳熱2、變溫傳熱

tm與流體流向有關4.2傳熱平均溫度差（推動力）逆流並流錯流折流（1）逆流和並流時的

tmt2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1

t2tAt1T2T1逆流並流以逆流為例推導假設：1）定態傳熱、定態流動，qm1、qm2一定

2）cp1、cp2為常數，為進出口平均溫度下的3）K沿管長不變化4）熱損失忽略不計Δt1,Δt2=？T2t1t2T1dTdtdAAt

t2

t1TtT2t1t2T1A

t2

t1①Δtm運算式也適用並流，但Δt1、Δt2運算式不同說明：逆流並流②習慣上較大溫差

t1，較小溫差t2，分子分母>0；③當t1/t2<2，則可用算術平均值代替；④當t1＝t2⑤並流和逆流特點：並流進出口推動力差別大，且冷流體出口t2<熱流體出口T2；逆流進出口推動力差別小，且冷流體出口t2可能>熱流體出口T2，但必然<熱流體進口T1。⑥當傳熱面趨於無窮大時，並流t2→T2，⊿tm→0；逆流t2→T1，T2→t1，⊿tm→0。工程上多採用逆流例4-11熱流體固體壁面一側固體壁面一側另一側固體壁面另一側冷流體twTw給熱給熱導熱冷流體熱流體tTQ4.3總傳熱係數K（3）冷流體側的給熱（1）熱流體側的給熱（2）管壁熱傳導對於定態傳熱：式中K——總傳熱係數，W/(m2·K)。

討論：①當傳熱面為平面時，dA=dA1=dA2=dAm②傳熱面為圓筒壁時：以熱流體側壁表面為基準(dA=dA1):

K1——以熱流體側壁表面為基準的總傳熱係數；

dm——換熱管的對數平均直徑。以壁平均表面為基準：以冷流體側壁表面為基準：近似用平壁計算式中③1/K值的物理意義

總熱阻熱流側熱阻壁熱阻冷流側熱阻4.4傳熱計算示例傳熱速率方程：熱量衡算：平均溫度差：總傳熱係數：對流傳熱方程：對流傳熱係數：例4-7、4-8有一套管式換熱器，在管徑為Ф38mm×2mm的內管中有流速為1.5m/s的水從25℃加熱到55℃，在內管與外套管的環隙中有壓力為140kPa的飽和水蒸氣冷凝放熱，其對流傳熱係數α2=104W/（m2.k）。試求水蒸氣消耗量和所需的傳熱面積。（已知：140kpa下水蒸氣的飽和溫度Ts=109.2℃，比汽化熱r=2.234×106J/kg，水準均溫度下：Cp1=4.174×103J/(kg.k)ρ=992.2kg/m3,μ=65.6×10-5pa.sλ=63.38×10-2w/(m.k)【練習題】5.1換熱器分類●按用途分類：

加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器●按冷熱流體熱量交換方式分類：混合式、蓄熱式和間壁式●主要內容：1.根據工藝要求，選擇適當的換熱器類型；2.通過計算選擇合適的換熱器規格。4-5熱交換器5.2間壁式換熱器類型（一）板式換熱器1、夾套換熱器主要用於反應過程的加熱和冷卻。蒸汽加熱時，蒸汽高進低出；冷卻水冷卻時，水低