传热改11.

第4章传热4.1概述4.1.1传热的基本方式4.1.2传热过程中热、冷流体热交换的方式4.1.3典型的间壁式换热器4.1.4传热速率和热通量4.1.5稳态传热和非稳态传热4.1.6载热体及其选择4.1概述1传热前提条件：温度差的存在传递方向：高温低温热传递2热力学与传热学热力学：研究物质的平衡状态，确定系统由一种平衡状态变得另一种平衡状态所需的总热量。传热学：研究能量的传递速率。是热力学的扩展。注意：传热问题必须热力学和传热学结合才能解决。3传热在化工中的应用加热或冷却保温合理使用热源因此化工生产中对传热过程的要求：强化传热过程—要求传热速率高，降低设备成本削弱传热过程—可减少热损失4.1.1传热的基本方式1.热传导（导热）热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果固体导电体：自由电子在晶格间的运动不良导体和大部分液体：通过晶格结构的振动来实现的特点：在传热方向上没有物质的宏观位移2.热对流流体由质点发生相对位移而引起的热交换。特点：热对流只发生在流体中。按流体产生对流的原因：自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉。强制对流——质点运动是由外力作用所致。注意：①在同一流体中，可同时发生自然对流和强制对流②由于流体中存在微观粒子微观运动，热对流同时伴有热传导，事实上无法将其分开。③工程上将流体流过固体表面时的热量传递（热对流+热传导）过程称为对流传热。3.热辐射由于热的原因而产生电磁波在空间传递。特点：①热辐射不仅是能量传递，也伴随着能量形式的转移。②辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。实际传热中，三种传热方式可单独、两种或三种同时存在。4.1.2传热过程中热、冷流体热交换的方式1.直接接触式换热特点：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。传热同时常伴有传质。优点：传热效果好，设备结构简单。设备：混合式换热器。2.蓄热式换热设备：蓄热式换热器结构：由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料。工作原理：当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。优点：结构简单，可耐高温，多用于高温气体加热。缺点：设备体积庞大，不能完全避免两种流体的混合3.间壁式换热特点：冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。设备：间壁式换热器—化工中应用极为广泛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冷侧（热传导）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）4.1.3典型的间壁式换热器1.套管式换热器冷流体t1t2热流体T1T2湖南化工职业技术学院套管式换热器1—内管2—外管套管式换热器的换热面积为内管管壁的侧面积。dLS2.管壳式换热器－应用最广双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板列管式换热器的换热面积为管束管壁的侧面积。dLnSd——管径可分别用管内径di,管外径do或平均直径dm来表示。则对应的传热面积分别为管内侧面积Si，外侧面积So或平均面积Sm4.1.4传热速率和热通量热负荷Q工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位W。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。热通量（热流密度或传热速度）q单位传热面积的传热速率，单位为W/m2。传热速率与热通量的关系为：SQqdd注意：传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。热传递的快慢用传热速率Ｑ来表示。传热速率Ｑ是指单位时间内通过传热面传递的能量．单位是Ｊ／s即Ｗ。热负荷：单位时间内传递的热量，它是生产上要求换热器单位时间传递的热量，是换热器的生产任务。传热速率：换热器单位时间能够传递的热量，是换热器生产的能力，由换热器自身的性能决定。关系：换热器的传热速率不得小于其热负荷，设计中，先用热负荷代替传热速率，计算出传热面积后考虑一定的安裕，然后进行选型或设计。根据热量衡算的定律：Q进=Q出对于间壁式换热器，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量+热损失。Qh=QC+QL热负荷是由Qh确定，还是QC决定？具体由换热器内冷、热二流体的走向决定，哪种流体走管程，就取该流体的传热量作为换热器的热负荷。4.1.5稳态传热和非稳态传热稳态传热：传热系统中，各点温度仅随位置而变，而不随时间而变。数学描述：t=f（x，y，z）特点：①热量在过程中无积累的传热过程。②Q为常量，q不一定为常数。非稳态传热：指传热系统中，各点温度随时间而变。数学描述：t=f（x，y，z，θ）化工过程中遇到的大多是稳态传热——本节重点讨论0t4.1.6载热体及其选择载热体：提供或取走热量的流体。加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气（表4-1）；或电。冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨（表4-2）。或氟里昂、液氮。冷却温度30C水、空气加热温度180C饱和水蒸气选择载热体时考虑的原则：①提高传热过程的经济效益②选择适当温位的载热体③载热体的温度易调节控制④载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解⑤载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备⑥价格便宜，来源容易4.2热传导4.2.1基本概念和傅里叶定律4.2.2导热系数4.2.3通过平壁的稳态热传导4.2.4通过圆筒壁的稳态传热2.傅里叶定律－热传导的基本定律通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。ntSQdd式中Q──热传导速率，W或J/s；S──导热面积，m2；──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。t-tt+ttnQdSnt4.2.3通过平壁的稳态热传导1.单层平壁的热传导假设：①材料均匀，导热系数不随温度变化（或取平均导热系数）；②S大，b小，壁边缘的热损失可忽略；③温度仅沿x变化，且不随时间变化。bt1t2Q稳态的一维平壁热传导，Q和S都为常数傅立叶定律：xtSQddt1t2btxQQ0边界条件为：x=0时，t=t1；x=b时，t=t2积分得：)(21ttSbQRtSbttQ21Rtbttq21R＝——导热热阻，℃/W；R′＝——单位面积的导热热阻，m2℃/W。传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大Sbb)(21ttSbQ2.多层平壁的热传导假设：(1)S大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。(4)各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3t1t2b11txb2b323t2t4t3在稳定导热时通过各层的导热速率相等，即：321QQQQSbttSbttSbttQ334322321121总热阻总推动力iiiiiiiRttSbttSbt413141推广至n层：niinniiinRttSbttQ111111＝＝RtSbttQ21t1t2b11txb2b323t2t4t3注意：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。总热阻总推动力iiiiiiiRttSbttSbtQ413141SbttSbttSbttQ334322321121由：321332211433221RRRSbSbSbtttttt::::::得：各层的温差思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t3t4312解：第三层的热阻最大λ3λ1λ2接触热阻若：R0′—单位传热面的接触热阻，通过两层平壁的热通量变为：2201131bRbttq接触热阻与接触面的材料，表面粗糙度及接触面上压强等因素有关。LQr2t2t1r1rdr4.2.4通过圆筒壁的稳定热传导假定：(1)稳定温度场；(2)一维温度场。设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半径为r2，外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为S=2πrL。rtrLrtSQdd2dd12211221212rrLttrrttLQlnln将上式分离变量积分并整理得根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为Qr2t2t1r1rdrS=2πrL讨论：1．上式可以为写bttSSSbttSSrrrrttrrLQ)(ln))((ln)())((221m12211212122112热阻推动力RtSbttm21)(rLS212rrb1212m/lnSSSSS对数平均面积12212rrttLQlnSm2．212rr221mSSS3．圆筒壁内的温度分布1111ln2ln2rrlQttrrttlQ2121d2dttrrtrlrQ上限从22ttrr时，改为ttrr时，t～r成对数曲线变化(假设不随t变化)4．平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定层与层之间接触良好,各层壁厚分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各层材料的导热系数λ1，λ2，λ3皆视为常数；2多层圆筒壁的稳定热传导与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：321321RRRtttQ3m332m2121m1141SbSbSbttm211221ln2SbttrrttLQr1r2r3r4t1t2t3t4321321RRRtttQ34323212141212121rrLrrLrrLttlnlnln同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为niiiiinniiiiinSbttrrttLQ1m111111)(ln1)(2m211221ln2SbttrrttLQr1r2r3r4t1t2t3t44.3.1对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2对流传热的分析4.3.3保温层的临界直径4.3对流传热概述4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数一、对流传热速率方程据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率推动力系数推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。对流传热速率方程可以表示为：STTdQwd1STTwd)(——牛顿冷却定律在换热器中，局部对流传热系数α随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：tSQTTwdS冷流体t1t2热流体T1T2owod)(dSTTQiwid)(dSttQTTwtwtdSodSi二、对流传热系数对流传热系数α定义式：tSQ表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。单位：W/(m2·℃)。换热方式空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸气冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾W/(m2℃)5～2520～10020～10001000～150005000～15000500～20002500～25000对流传热系数的范围4.3.2对流传热的分析一、对流传热的分析流体沿固体壁面的流动层流内层缓冲层湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。