传热学基本知识

传热学基本知识学习目标1、传热的三种方式及其特点;2、间壁式换热器的传热过程;3、热量传递的基本规律;4、传热速率方程;平均温度差的计算.5、常见换热器的结构及特点传热在化工生产中的应用强化传热过程如换热器的传热、加热、蒸馏、锅炉等的传热情况。削弱传热过程如设备的保温及隔热等。热量传递的三种基本形式热传导热对流热辐射物质(系统)内的热量转移的过程叫做热传递热传导两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间，由于温度不同而引起的热传递现象，称为热传导，简称导热。热传导中，物体中的分子不发生相对位移。传热学基本知识按流动起因分类：1）自由（然）对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动2）强迫（制）对流：由外力（如：泵、风机等）作用所产生的流动3）混合对流:自然对流和强制流动换热并存.是流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流。热对流只发生在流体中传热学基本知识热辐射热辐射：物体以电磁波的形式传递热能的过程。热辐射的特点1、热辐射不需要传热介质；2、热辐射伴随能量转换；3、一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射4、物体的温度越高，热辐射的能力越强。直接接触式换热蓄热式换热间壁式换热工业生产上的换热方法间壁式传热T1热流体T2t1冷流体t2套管换热器热流体Tt冷流体Q给热导热间壁给热间壁两侧传热过程间壁式传热的热量传递过程包括三个步骤：1、热流体靠对流传热将热量传给金属壁一侧——给热；2、热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热；3、热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为给热过程。传热学基本知识稳定传热：温度不随时间而变化的传热不稳定传热：温度随时间而变化的传热传热分为两类以加热炉为例，在刚点炉时，炉内各部分温度逐渐升高，到加热炉运行一段时间后，炉内各处温度就保持不变了。稳定传热与不稳定传热传热计算一、传热速率方程tKAQKtAQ1传热推动力传热总阻力,简称热阻R传热系数W/（m2·K）或W/（m2·℃）传热速率,单位时间通过传热面的热量,W传热系数的意义是：当温度差为1时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量。二、热负荷的计算焓差法显热法潜热法Q=qm热(H1-H2)Q=qm冷(h2-h1)Q=qm热cm热(T1-T2)Q=qm冷cm冷(t2-t1)此法适于无相变过程Q=qm热r热Q=qm冷r冷此法仅适于有相变过程三、平均温度差用传热速率方程式计算换热器的传热速率时，因传热面各部位的传热温度差不同，必须算出平均传热温度差⊿t均代替⊿t，tKAQ均1、恒温传热时的平均温度差参与传热的冷热两种流体在换热器内的任一位置、任一时间，都保持其各自的温度不变，此传热过程称为恒温传热例如用水蒸气加热沸腾的液体，器壁两侧的冷、热流体因自身发生相变化而温度都不变，⊿t均=T-t流体的流动方向对⊿t均无影响。工业上最常见的是变温传热（1）单侧变温时的平均温度差(一侧流体温度有变,另一侧温度恒定)2、变温传热时的平均温度差TTt1t2T1T2tt⊿t1⊿t1⊿t2⊿t22121lnttttt当⊿t1/⊿t2＜2时⊿t=(⊿t1+⊿t2)/2（2）双侧变温时的平均温度差并流逆流错流折流①并流时的(对数)平均温度差t1t2T2T1⊿t1⊿t2=T2-t22121lnttttt并②逆流时的(对数)平均温度差T1T2t2t1⊿t12121lnttttt逆⊿t2=T2-t1⊿t2⊿t1＞当⊿t2＜2⊿t1/⊿t=⊿t1+⊿t22计算见100页并、逆流的比较1、如果并、逆流进、出口温度相同，逆流的⊿t均大于并流的⊿t均，所以当换热器的传热量Q及传热系数值相同时，采用逆流操作可节省传热面积A。2、逆流的可以节省加热剂或冷却剂的用量。例如：若要求将一定流量的冷流体从120℃加热到160℃，而热流体的进口温度为245℃，出口温度不作规定。此时若采用逆流，热流体的出口温度可以降至接近于120℃，而采用并流时，则只能降至接近于160℃。这样，逆流时的加热剂用量就较并流时为少。由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。③错流和折流时的平均温度差为了强化传热，列管式换热器的管程或壳程常常为多程，流体经过两次或多次折流后再流出换热器，这使换热器内流体流动的型式偏离纯粹的逆流和并流，因而使平均温度差的计算更为复杂。错流或折流时的平均温度差⊿t均是先按逆流计算对数平均温度差，再乘以温度差修正系数，即t逆均ttt③错流和折流时的平均温度差各种流动情况下的温度差修正系数，可以根据两个参数查图1221ttTTR冷流体的温升热流体的温降1112tTttP两流体的最初温差冷流体的温升由于的值小于1，故折流和错流时的平均温度差总小于逆流。t四、传热系数K的确定1．现场实测根据传热速率方程可知，只需从现场测得换热器的传热面积，平均温度差及热负荷后，传热系数就很容易计算出来。其中传热面积可由设备结构尺寸算出，可从现场测定两股流体的进出口温度及它们的流动方式而求得，热负荷可由现场测得流体的流量，由流体在换热器进出口的状态变化而求得。A均tQKA均tQ2．采用经验数据表5-2列出了常见的列管式换热器的传热系数经验值的大致范围。3．计算法传热系数的计算公式可利用串联热阻叠加原则导出。对于间壁式换热器，传热过程的总阻力应等于两个对流传热阻力与一个导热阻力之和。传热总阻力的倒数就是传热系数。传热学基本知识热传导1、基本概念两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间，由于温度不同而引起的热传递现象，称为热传导，简称导热。热传导稳定导热：温度不随时间而变化的导热不稳定导热：温度随时间而变化的导热导热分为两类知识回顾传热学基本知识2、傅里叶导热定律热传导热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。21ttAQtAQqRtAtQ。平壁两侧的壁温之差，导热系数，平壁厚度，积，垂直于导热方向的截面热流密度，导热量，传热速率2122,;;AW;W,tttCtCmWm；mmqQ导热动力导热阻力传热学基本知识3、导热系数热传导物理意义：当壁面面积为1m2，厚度为1m，壁面两侧的温度差为1K时，在单位时间内所传导的热量.是表征物质导热能力的一个物性参数，导热系数的大小与物质的组成、结构、温度和压强有关。导热系数的大小顺序：(金属固体)(非金属固体)（液体)(气体)。1）热传导是固体中热传递的主要方式,一般金属都是热的良导体；2）玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体；3）石棉的热传导性能极差，常作为绝热材料。常识3、导热系数①固体的导热系数金属的导热系数：纯度增加，金属的导热系数↑，温度↑金属的导热系数↓非金属的导热系数:温度↑非金属的导热系数↑；密度↑，非金属的导热系数↑。3、导热系数②液体的导热系数非金属液体：水最大；纯液体混合液体③气体的导热系数随压强的变化较小，可忽略不计。气体的导热系数很小，对导热不利。传热学基本知识4、导热计算热传导1）单层平壁的稳定热传导计算公式：热阻：或tAQtq当壁面两侧的温度不等时，且热量只沿垂直于壁面的方向发生变化RAQtR传热学基本知识4、导热计算热传导2）多层平壁的稳定热传导多层平壁是指由几层不同厚度、不同导热系数的材料组成且其间接触良好的平壁RttRRRtttQ41321321通过各层的导热量相同，各层导热所遵循的规律相同传热学基本知识4、导热计算热传导3）单层圆筒壁的稳定热传导特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。12AtttQR均2121lnrrrrr均A均=2πr均L热对流传热学基本知识1、基本概念是流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流。是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。1）暖气管道;2）电子器件冷却；3）电风扇；4）换热器对流只能发生在流体中对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热对流对流换热对流换热实例热对流传热学基本知识2对流换热的特点(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层（热边界层）对流换热的热阻主要存在于这一薄层内，所以工程应用中常采取各种措施，使薄层减薄或破坏，以提高换热强度。对流给热的机理（1）层流边界层：热传导，热阻大,温差大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小,温差小。传热学基本知识热对流4、对流换热方程tAQ对流传热计算公式—牛顿冷却定律Cm。ttt./W)(221热系数），平均对流传热系数（给之差与流体主体的平均温度一般为传热壁面的温度对流换热热阻一侧对流传热热阻一侧对流传热推动力RttAQ1α物理意义是:流体与壁面温度差为1℃时，在单位时间内通过每m2传递的热量。表示对流传热的强度。传热学基本知识5、对流传热系数影响因素热对流1)流动状态的影响雷诺数越大，对流传热系数越大。2）流速的影响流体流速增高时，对流传热系数就大。3）流体的物理性质对给热系数的影响导热系数、比热容c、密度越大，动力粘度越小，对流传热系数越大传热学基本知识热对流蒸汽的冷凝2）流体有相变发生时膜状冷凝滴状冷凝(传热系数大)液体的沸腾自然对流泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）膜状沸腾蒸汽冷凝的对流传热蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。蒸汽冷凝时的对流传热(1)蒸汽冷凝的方式1膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜,膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之变小。2滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的5~10倍甚至更高。蒸汽冷凝时的对流传热蒸汽流速和流向蒸汽流动会在汽-液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。不凝性气体蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。过热蒸汽温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽，实验表明，在大气压力下，过热30℃的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540℃的蒸汽的给热系数高30%，蒸汽过热对蒸汽冷凝传热影响不大，所以，一定情况下不考虑过热的影响。（2）影响蒸汽冷凝传热的其它因素液体的沸腾工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。强制对流沸腾是指液体在管内流动过程中受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是被迫随液体一起流动，形成汽-液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。α自然对流泡核沸腾膜状沸腾ABCDΔt/K常压下水沸腾时α与Δt的关系液体的沸腾曲线液体饱和温度ts，加热壁面的温度tw。随壁面过热度⊿t=tw-ts的增加，沸腾传热表现