1、第三章 传热过程及换热器,漳州师范学院化学与环境科学系,1、傅立叶定律,当均匀物体两侧有温度差(t1-t2)时，热量以传导的方式由高温向低温传递。单位时间单位面积物体的导热量dQ/d温度梯度 dt/d呈正比。,上式称为傅立叶（Fourier）定律，是热传导基本方程。,4.2 传导传热,导热系数,的物理意义：单位时间内，温度梯度为1Km-1时，经过单位面积所传递的热量。,各种物质的导热系数的大致范围如下： 金属10100 w/(mK) 建筑材料 0.11 w/ /(mK) 绝缘材料 0.010.1 w/ /(mK) 液体 0.1w/ /(mK) 气体 0.010.1 w/ /(mK),某些固体在
2、0100时的平均导热系数,单层及多层平面壁的定常态热传导,定常态热传导单位时间内传热量为定值。 1、单层平面壁的热传导平面壁指间壁几何结构为平面的传热面。,分离变量并积分可得：,该式可改写成：,2、多层平面壁的定常态热传导,定态导热时各层的传热速率为：,第一层,第二层,第三层,因A1=A2=A3=A, 定态热传导时, 1 2 = 3= ，上三式加和后得：,另外，过程分析还可得：,传热推动力和传热阻力具有加和性,单层和多层圆筒壁定常态热传导,特点：传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。,热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度dr的薄层，则：,分离变量并积分：,整理得
3、：,单层圆筒壁的热流量改写为与单层平壁类似的形式：,Am为对数平均面积，Am=(A2-A1)/ln(A2/A1)。当A2/A12时，可用Am=(A2+A1)/2近似计算。,也可使用对数平均半径rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)计算，则Am=2rmL。当r2/r12时，可用rm=(r1+r2)/2近似计算。,多层圆筒壁的热流量式为：,例 硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。
4、试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖1=1.05Wm-1K-1，保温砖2=0.2Wm-1K-1，石棉砖3=0.09Wm-1K-1，钢壳4=40Wm-1K-1。,解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：,耐火砖与保温砖的交界面温度t2为：,保温砖与石棉板的交界面温度t3为：,石棉板与钢壳的交界面温度t4为：,计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。,例 A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板(1=16Wm-1 K-1)，粘附内壁的污垢层厚lmm(2=0.6Wm-1 K-1)
5、,釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气(t1105)进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变)作比较。,解：,=7579Wm-2,无污垢层时：,=48000 Wm-2,计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。,思考：,1、气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面还是外面好？,2、保温层越厚，保温效果越好吗？,2 对流传热,对流传热（给热）流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递。,给热,给热,4.3 对流传热,对流传热过程分析,流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓
6、冲层）、湍流核心。,层流底层：在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。,湍流核心：在湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。,过渡区域：传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。,工程上为了便于处理，将过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面构成一层厚度为t的流体膜,该膜称为“有效膜”，是一层集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。流体与壁面之间的温度变化全部发生这一膜层内。在有效膜之外无热阻存在。通常将存在温度梯
7、度的区域称为传热边界层。,建立膜模型：,有效膜,使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：,流体被加热：,流体被冷却：,牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律！ 对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中复杂问题简单化表示。,对流传热系数的影响因素,影响h的因素很多，主要有以下几个方面：,流体的性质 当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响h较大的物性有：，cp。,、cp、值增大对传热有利，而值增大则对传热过程不利。,流体的流
8、动形态 层流、过渡流或湍流时h各不相同。,在一定的流道内，流动型态由Re数决定，Re数越大，流体的湍动程度越大，层流底层越薄，传热边界层也越薄，h越大。,流体的对流状态 强制对流较自然对流时h为大。,传热壁面的形状、排列方式和尺寸,不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使h增大。 （1）形状：比如管、板、管束等； （2）大小：比如管径和管长等； （3）位置：比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。,流体的相态变化 在传热过程中，有相变时的h比无相变时的大很多。,对流传热系数经验关联式的建立,影响h的主要因素可用下式表示：,
9、工程上采用量纲分析的方法，将影响 诸多因素归纳为较少的几个量纲为一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式，描述对流传热过程的特征数关系为：,（1）流体无相变过程表面传热系数的求取,流体无相变时强制对流传热系数的关联式,长径比 l/d50，低粘度流体，无相变,适用范围：,流体在圆形直管内作强制对流时的传热，对于低粘度液体：,当流体被加热时，m=0.4；当流体被冷却时，m=0.3。,若不符合条件，则应进行修正。,1）高粘度液体,在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：,液体被加热时：,液体被冷却时：,2）过渡区,2000Re10000时，先按湍流计算h，然
10、后乘以校正系数,3）当l/d50时则为短管，由于管入口扰动增大，h较大，乘上校正系数f,4）圆形弯管,先按直管计算，然后乘以校正系数f,5）非圆形直管内强制对流,采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。,此为近似计算，最好采用经验公式和专用式更为准确。,例 在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从20加热到80,管束为38mm3mm,蒸汽在管间流动（壳程）,空气在管内流动（管程）,其流速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数.,解: 空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50,查50下空气的物性数据,Cp=1017Jkg-1K-1,=1.9610-5Pas,=1.093kg
11、m-3,=2.8310-2Wm-1K-1,d=0.032m,u=14ms-1,得,计算结果表明:空气在管内流动Re10000, 160Pr0.7, 必然符合下式的条件,确定特征数中流体物性参数的温度,流体有相变过程的表面传热系数,化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。,液体的沸腾,液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。,按设备的尺寸和形状可分为：,大容器沸腾：无强制对流的沸腾现象,管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）,液体沸腾,1）AB段，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡
12、，长大速度慢，主要以自然对流为主。,2）BC段，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，为核状沸腾。,3）CD段，加热面上的汽化核心大大增加，气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，因气体的导热系数较小，使，不稳定膜状沸腾。,4）DE段，气膜稳定，热辐射影响增大，对流传热系数增大，为稳定膜状沸腾。,工业生产中,总是设法维持在泡状沸腾下操作。,沸腾传热的影响因素和强化措施,流体物性，如粘度、热导率、表面张力等,温差t,操作压力,加热面的状况,措施：在液体中加入少量添加剂，改变其表面张力,应尽量控制在核状沸腾阶段
13、进行操作,提高操作压力P，相当于提高液体的饱和温度ts，使液体的，有利于气泡形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下，h增大。,措施：使加热面粗糙，用机器加工或腐蚀等,饱和水蒸气与温度较低的固体壁面接触时，水蒸气放出热量并在壁面上冷凝成液体。表面张力的作用而形成许多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。若水蒸气和壁面洁净，冷凝液在壁面形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝。,水蒸气冷凝,滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍，然而，滴状冷凝很难控制，并且其冷凝液洁净质量较膜状冷凝液低，因此，工业上大多采用膜状冷凝。,冷凝传热的影响因素和强化措施,物性的影响 在所有的物质中以水蒸
14、汽的冷凝传热系数最大，一般为 104/（m2K）左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103W/（m2K）以下。,温度差影响 当液膜作层流流动时，若t，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚,h ；,不凝气体的影响 当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。,蒸汽流速与流向的影响 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄,h； 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚,h； 如果u时，会吹散液膜，使h。,蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。 过热蒸汽与比其饱和温度高
15、的壁面接触，壁面无冷凝现象； 过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触，过热蒸汽先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝。,热辐射,基本概念 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。 热辐射的特点：可在真空传播，不需要任何介质。,假设外界投射到物体表面上的总能量Q，其中一部分进入表面后被物体吸收Qa，一部分被物体反射Qr，其余部分穿透物体Qd。按能量守恒定律：,或：,因此：,黑体：能全部吸收辐射能的物体，即A=1。 黑体是一种理想化物体，实际物体只能或多或少地接近黑体，但没有绝对的黑体，如没有光泽的黑漆表面，其吸收率为A=0.960.
16、98。 白体：能全部反射辐射能的物体，即R=1。 白体亦不存在，实际物体也只能或多或少地接近白体，如表面磨光的铜，其反射率R=0.97。 透热体：能透过全部辐射能的物体，即D=1。 单原子和由对称双原子构成的气体，如He、O2、N2等，可视为透热体。 灰体：指能够以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。,斯蒂芬-波尔兹曼定律,黑体的辐射能力一定温度下，单位时间、单位黑体表面向外界辐射的全部辐射能（波长从0到），以E 表示，单位W/m2。 黑体的辐射能力遵从斯蒂芬波尔兹曼定律，即：,实际物体间的辐射能力,在同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。不同物体的辐射能力也有较大的差别。引入物体的黑度： 黑度：实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比，即,实际物体的辐射能力可表示为：,实际物体间的辐射传热,两物体间的辐射传热：,高温物体1向低温物体2传递的热量，W； C1-2总辐射系数，W/(m2.K4)； 角系数或称有效吸收系数，表示从高温物体表面发射的辐射能投射到低温物体表面上的百分数。 A辐射面积，m2； T1高温物体的温度，K； T2低温物体的温度，K。,
