1、第四章 传热,教学基本要求 重点掌握 ：（1）流体无相变时对流传热系数的计算；（2）热负荷、传热平均温差及总传热系数计算； 掌 握： （1）传热的基本方式；（2）传热速率方程式；（3）稳态热传导的概念及计算；,2019/3/17,一、传热在化工生产中的应用,传热：是温度差而引起的热量传递过程（又称热传递）。 1、化工生产与传热的关系 1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,4.1 概述,2019/3/17,2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设
2、备输入或输出热量。 3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。 4）对于废热也需合理的利用与回收。 2、化工生产中所涉及的传热过程有以下两类： 1）强化传热：各种换热设备中的传热。 2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失,2019/3/17,二、传热的三种基本方式,1、热传导）（静止介质的传热）热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。微观机理因物态而异,2019/3/17,3、热辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于
3、热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。,辐射传热的特点是： （1）能量传递过程中有能量形式的转变 （2）任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能,2019/3/17,4、传热设备的不同形式,在化工生产中使用的传热设备可以分为三类：1、直接接触式传热设备冷流体和热流体直接混合。进行热交换，并能实现热传导和热对流两种传热方式的传热设备 2、间壁式传热设备多数情况自下，工业生产不允许冷热流体直接接触，因而直接接触式传热设备在工业上并不多，工业上应用最多的是间壁式传热设备。其中最典型的间壁式传热设备是列管式换热器。两种温度不同的流体分别在管内、外流动，通过管壁实现热传导和热对流两种方式传热设
4、备。,2019/3/17,管程流体：流体由封头一端的接管进入热交换器，流体在分配室中分配到个管中，流体流经管束后由另一端的封头的接管流出。 壳程流体：流体由壳体一侧的接管流入，流经管束和壳体之间的空间（管隙）后从另一端的壳体接管引出。 单程列管式换热器：管程流体在管束中只流过一次，这种换热器称单程列管式换热器。,3、蓄热式传热设备 将冷热流体交替通过蓄热体一实现它们之间的热交换。,由管束，固定管束的管板，封头，壳体,2019/3/17,1、间壁式换热器 1）换热器：进行换热的设备称为换热器。2）间壁式换热：工业上，一般情况下不允许冷、热两种流体直接接触进行热交换，要求用固体壁面隔开，冷、热流体
5、分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。 例：套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。,三、间壁换热过程的剖析,2019/3/17,2019/3/17,2、传热速率与热流密度 传热速率（热流量 ）Q ：单位时间内通过传热面的热量，单 位为w。 热流密度（热通量）q ：单位时间内通过单位传热面积的热量 。单位为w/m2 传热速率与热流密度的关系为,2019/3/17,3、稳态传热与非稳态传热 1）稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化的
6、热量传递过程。2）非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化的热量传递过程。 4、两流体通过间壁的传热过程 传热过程可分为三步： 热流体将热量传给固体壁面（对流传热） 热量从壁的热侧传到壁的冷侧（热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热） 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。,2019/3/17,5、传热速率方程式 传热过程的推动力是两流体的温度差，沿传热管长度，各位置的温差不同，故使用平均温度差，以 表示。对于稳态传热：,-传热速率方程式（传热基本方程式）,Q传热速率，J/s（或W）； K总传热系数，W/(m2.K)； A传热面积，m2； 两流体的平均温度差，K,2019
7、/3/17,传热速率方程式可以写成推动力与阻力的形式：,或：,R总传热面的热阻，K/W； r单位传热面积的热阻， (m2.K)/W,2019/3/17,只要有温差存在，就一定有热量传递，单位时间传递的热量的多少，取决于热阻的大小,热阻具有加和性,2019/3/17,6、载热体,物料在换热器中进行加热或冷却，要由另一种流体给出或取走热量，此流体称为载热体,载热体的分类： 加热剂：载热体起加热作用。 冷却剂：载热体起冷却作用。 选择载热体的原则： a载热体应能满足工艺上要求达到的加热或冷却的温度。 b 载热体的温度易于调节。 c 载热体的饱和蒸气压小，加热过程中不会分解。 d 载热体的毒性小，对设
8、备基本没有腐蚀。 e 载热体应价格低廉，容易得到。 当温度不超过180oC,饱和水蒸气是适宜的加热剂。 但温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。,2019/3/17,4.2 热传导 一、傅立叶定律,1、温度场和等温面 温度场：物系内所有各点温度分布的总和。 温度场的数学表达式为：,温度场中各点的温度不随时间而改变,等温面：温度场中温度相同的点组成的面,2019/3/17,2、温度梯度 温度梯度 ：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示 。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面正方向指向温度增加的 方向。对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为 ：,3、傅立叶定律,2019/3/17,为导热系数
9、。W/mK 负号表示热流方向与温度梯度方向相反。,傅立叶定律,2019/3/17,二、导热系数,1、导热系数的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ，是物质的重要物性参数之一 ，单位W/(m.K)。一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。 各类物质导热系数的范围见表4-1,2019/3/17,对大多数金属材料，为负值，对大多数非金属材料， 为正值。,2019/3/17,2019/3/17,在传热计算过程中，对于内外壁面温度不同的固体， 的取值：取两侧壁面温度下的值的算术平均值：取平均温度 下的值,2019/3/17,m, i 混合液和各组分的热导率， 【w/(m
10、.K)】;:各组分的质量分数 K:常数。对一般混合物或溶液，K =1,对有机物的水溶液， K = 0.9,混合气体的热导率，按摩尔加和法估算, m, i 气体混合物和各组分的热导率， 【w/(m.K)】; yi : i各组分的质量分数 Mi: i各组分的摩尔质量， 【g/mol】,混合液体的热导率，按质量加和法估算,2019/3/17,三、平壁的稳定热传导,1、单层平壁的稳态热传导,边界条件为： x=0时，t=t1 x=b时，t=t2,2019/3/17,R导热热阻，K/W ；r单位面积的导热热阻 。 传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大,R = b/ (A),q为单位时间、单
11、位面积的导热量，称为面积热流量或热流密度,2019/3/17,为了求出平壁内的温度分布，在平壁内x处取一与壁侧表面平行的平面，设该平面上的温度为t,此式表明，当为常数时，壁内的温度分布为一直线。 壁内的等温面为一系列平行与壁侧面的平面（垂直与热流方向的平面）,2019/3/17,例：已知一平壁厚500mm，再侧温度分别维持900、500不变，热导率为温度的函数，可表示为=1.0(1+0.001t),式中t的单位为。若将热导率分别按常量（取平均热导率）和变量计算时，式求热流密度和平壁内的温度分布。,解：,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,傅立叶定律,
12、2019/3/17,2、多层平壁的稳态热传导,2019/3/17,推广到n层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。,2019/3/17,多层平壁导热过程中，每层平壁内的温度均按直线分布，所以，对于整个多层平壁温度分布为一折线。,各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。,2019/3/17,课堂习题： 某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为 耐火砖（1 = 1.4 W/(mK)，1 = 225 mm）、 保温砖（2 = 0.15 W/(mK)， 2 = 115 mm）和 建筑砖（3 = 0.8
13、 W/(mK)， 3 = 225 mm）。测得炉内壁温度为930 ，外壁温度为55 ，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。,2019/3/17,四、圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的热传导,仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：,2019/3/17,分离变量积分：,圆筒壁的导热热阻,这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式,2019/3/17,2019/3/17,2、多层圆筒壁的稳态热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,2019/3/17,2019/3/17,对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚
14、度是强化对流传热的主要途径。,2019/3/17,对流传热速率表达式,2019/3/17,同理：冷流体侧对流传热关系亦可表示为：,给热系数 或传热分系数,2019/3/17,二、对流传热系数的经验关系式,1、影响对流传热系数的主要因素 （1）流体的种类和状态 （2）流体的物性 1）导热系数滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 2）粘度流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度,2019/3/17,cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。4）体积膨胀系数体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对
15、流也有一定的影响。 （3）流体的温度 （4）流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。 （5）流体流动的原因 （6）传热面的性状、大小和位置,2019/3/17,2019/3/17,流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用 表示近壁处的温度梯度，则,牛顿冷却定律,很难得出！,如何确定对流传热系数？,对流传热微分方程式,理论上计算对流传热系数的基础,2019/3/17,2、对流传热过程的因次分析,（1）流体无相变时的强制对流传热过程 列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,根据因次分析法可以将上式转化为无因次形式,2
16、019/3/17,2019/3/17,3、应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。圆管-内径；非圆管-当量直径 3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。,2019/3/17,三、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,1、流体在管内强制对流时的对流传热系数 （1）流体在圆形直管内作强制湍流 1)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,2019/3/17,管内壁面光滑,2019/3/17,2019/3/17,自然对流的影响不能忽略,2019/3/17,3）流
17、体在圆形直管内处于过渡区对于Re=230010000时的过渡区范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。,2019/3/17,2019/3/17,5）流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数,R弯管的曲率半径,由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加,2019/3/17,2、大空间自然对流传热,对流传热系数与Gr和 Pr有关,固体壁面与静止流体之间由于流体内部存在温差造成密度差，由此产生浮力使流体流动，称为自然对流。,大空间自然对流传热是指固体壁面边界层的发展不受空间限制或干扰的自然对流传热。换热过程中常用的换热设备、中温或高温反应器、热水或蒸汽管道等的热表面向周围大气的对流散热,201
18、9/3/17,常见大空间自然对流时的C和n值,定性温度取壁面与流体平均温度的算术平均值,C、n与传热表面的性质和位置以及（Gr*Pr）有关,2019/3/17,例题：在一个大气压下，空气在内径为25mm，长6m的圆形管内流动，温度由5升到15，若空气的流速为8m/s,求空气与圆管的给热系数，若空气的流量增加80%，其它条件不变，此时的给热系数又为多少？,流体被加热时,n0.4 流体被冷却时,n0.3,定性温度：流体进出口温度的算术平均值,2019/3/17,解：空气的定性温度tm =(5+15)/2 =10oC 查表得空气在1atm， 10oC时的物性参数。 =1.247 kg/m3,= 0.
19、02512w/m.k,Cp= 1.009 kJ/kg.K, = 1.77*10-5 Pa.s Re = du/ = 0.025*8*1.247/ 1.77*10-5= 14090 10000 Pr = Cp* / =1.009*103*1.77*10-5/0.02512= 0.710.6 L/d = 6/0.025=24050 = 1.77*10-5 Pa.s2.0*10-3Pa.s,=42.04(W/(m2.K),2019/3/17,当空气的流量增加80%时：,2019/3/17,课堂思考题 流体在圆管内湍流，流量为qv, 管径为d, 给热系数为1， 若管径不变，而流量减少为0.5qv, 此
20、时给热系数为2，则2/1= 若流量不变，而管径减少为0.5d, 此时给热系数为3，则3/1=,2019/3/17,例题：在一896mm的管内流过流速为0.6m/s的原油，原油被加热前后的平均温度为40oC，此时原油的密度为800kg/m3, Cp= 2000J/kg.oC, =0.15w/m.k, =25103Pa.s, =0.0011K, 已知管长为6m，管内壁温度为150oC，原油在此温度下的黏度为3103Pa.s, 试求原油与管壁的给热系数？,2019/3/17,解：Re = du/ = 0.0550.6800/ 25*10-3= 14780.6 L/d = 6/0.077=7850 R
21、ePrd/L=14783330.077/6=631610 Gr=gtd32/2=5.55105 25000 f = 0.8(1+0.015Gr1/3)=1.786,2019/3/17,4.4传热计算,2019/3/17,一、热量衡算,2019/3/17,2019/3/17,二、传热的平均温度差,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。 2、错流和折流时的平均温度差错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。先按逆流时计算
22、对数平均温度差tm逆，再乘以温度修正系数t，得到实际平均温度差tm。,2019/3/17,2019/3/17,2019/3/17,又冷却水终温提到350C， 逆流时：,2019/3/17,2019/3/17,三、总传热系数,1、总传热系数K的来源 生产实际的经验数据 实验测定 计算 2、总传热系数K的计算 流体通过管壁的传热包括： 1) 热流体在流动过程中把热量传递给管壁一侧的对流传热,2019/3/17,2019/3/17,上式与传热基本方程式 比较：,若以外表面为基准A=AO,2019/3/17,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,2019/3/17,3、污垢热阻污垢热阻：传热操作一段
23、时间后，其传热表面经常有污垢积存，对传热形成附加的热阻。在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，若传热面为外管，其总的热阻为：,2019/3/17,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,当传热面积为平壁或薄壁管时，,2019/3/17,例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2K，管内的2= 50W/m2K 。 （1）试求传热系数K； （2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率； （3）
24、若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。,2019/3/17,解： （1）求以外表面积为基准时的传热系数 取钢管的导热系数=45W/mK， 冷却水测的污垢热阻Rs1=0.5810-3 m2K/W CO2侧污垢热阻Rs2=0.510-3 m2K/W 则：,2019/3/17,(2)1增大一倍，即1 =5000W/m2K时的传热系数K,2019/3/17,K值增加的百分率,（3）2增大一倍，即2 =100W/m2K时的传热系数,K值增加的百分率,2019/3/17,四、壁温的计算,已知：管内、外流体的平均温度th,w、tc,w，忽略管壁热阻 求：壁温tW 方法：试差法 步骤：,2
25、019/3/17,例：在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和135；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2 )及1100 W/(m2 )。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005 (m2 ) /W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略，且管壁为薄壁。解：,2019/3/17,结果表明：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度 即接近于值大的那个流体的温度。,2019/3/17,4.5 热辐射 一、基本概念,1、热辐射 ：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 ； 2、辐射传热 ：不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程； 3
26、、热射线 ： 可见光线和红外光线统称为热射线。服从反射定律和折射定律。 设投射到某物体上辐射能为Q，物体吸收为QA，反射为QR，透过QD，则：,2019/3/17,4、黑体、镜体、透热体和灰体 黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体； 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体； 灰体 ：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体； 灰体的特点：它的吸收率A不随辐射线的波长而变。它不是透热体，即A+R=1,D=0。,2019/3/17,二、物体的发射能力与斯蒂芬-波尔兹曼定律,物体辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。用E
27、表示，单位：W/m2。 1、黑体的辐射能力与斯蒂芬-波尔兹曼定律,C0黑体的辐射系数，C0=5.67W/(m2.K4) 2、实际物体的辐射能力E （1）黑度：同一温度下，实际物体的辐射能力与黑体辐射能力的比值，用表示。表示为：,-斯蒂芬-波尔自曼定律,2019/3/17,3、克希霍夫定律,黑度表示物体的辐射能力接近黑体的程度，表示实际物体辐射能力的大小。 与物体的性质、表面温度、表面粗糙度和氧化程度有关。其值范围01 （2）实际物体的辐射能力可表示为：,理论证明，任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力，表示为：,克希霍夫定律,2019/3/17,由,和,在
28、同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。 表示实际物体的辐射能力占黑体发射能力的分数 A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数,2019/3/17,4.6 换热器 一、换热器的类型,管式,2019/3/17,1、管式换热器 1）蛇管式换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如图所示。 优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造 缺点 ：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。,2019/3/17,2019/3/17,2）套管式换热器 套管式换热器是由大小不同的
29、直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度约为46m，若管子过长，管中间会向下弯曲。在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙,3）列管式换热器 优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。,2、板式换热器 1）螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流
30、动，通过薄板进行换热。 2）平板式换热器 3）板翅式换热器,2019/3/17,2019/3/17,二、换热器传热过程的强化,1、传热过程的强化途径换热器的强化，就是提高换热器中冷、热流体间的传热速率。 1）增大传热面积 增大传热面积，可以提高换热器的传热速率。但是增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。如采用小直径管，用螺旋管、波纹管代替光滑管，采用翅片式换热器等都是增大传热面积的有效方法。,2019/3/17,2） 增大平均温差 平均温差的大小主要取决与两流体的温度条件。物料的温度由生产工艺所决定，一般不能随意变动，而加热介质或冷却介质温度
31、由于所选介质不同，可以有很大差异，如化工中常用的加热介质是饱和水蒸气，提高蒸汽的压强就可以提高蒸汽的温度。但提高介质的温度必须考虑到技术上的可能和经济上的合理。当换热器中两流体均无相变时，应尽可能从结构上采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温差。,2019/3/17,3）增大传热系数 增大K值是在强化过程中应该着重考虑的方面。由于换热器中的传热过程是稳态的串联传热过程，欲提高K值，就必须减小对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻。由于各项热阻所占比重不同，故应设法减小其中较大的热阻。 在换热设备中，金属壁面比较薄且导热系数高，一般不会成为主要热阻。 污垢热阻是一个可变因素，在换热器投入使用时，污
32、垢热阻很小，不会成为主要矛盾。但随着使用时间加长，便可能,2019/3/17,成为阻碍传热的主要因素。因此，应通过增大流速等手段设法减弱垢层的形成和发展，并注意及时清除污垢。 对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，也应是着重研究的内容。当换热器壁面两侧对流传热系数相差较大时，应设法强化对流传热系数小的一侧的换热。 提高对流传热系数，减小对流传热热阻的主要途径是减小层流边界层或层流底层的厚度，通常采用的具体手段有： (1）提高流速，加大Re数，以减薄层流底层，例如增加列管式换热器中的管程数和壳体中的挡板数，可分别提高管程和壳程的流速。,2019/3/17,(2）增加流体的人工扰动，以减薄层流底层。例如采用管式或螺旋板式换热器；采用各种异形管或管内加装麻花铁、螺旋圈或金属卷片等添加物；采用波纹状或粗糙的换热面等等都可提高对流传热强度。在列管式换热器的壳程中安装折流挡板，使流体流动方向不断改变，增加流体的扰动，是提高壳程对流传热系数的重要方法。(3）利用传热进口段换热较强的特性，采用短管换热器，如锯齿形翅片的板翅式换热器，不仅增加了流体的扰动，而且由于流道短，边界层厚度小，因而使对流传热强度加大,
