化工原理-第四章-传热

1第四章传热2要求：1.掌握热传导的基本原理、傅里叶定律、平壁与圆筒壁的稳定热传导计算；2.掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律；3.掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均温度差、总传热系数进行传热计算；34.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用条件；5.了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途径。重点：对数平均温度差、总传热系数的计算、换热器的计算。4传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求第一节概述传热的推动力温度差传热的方向高温向低温5一、传热过程的应用物料的加热与冷却热量与冷量的回收利用设备与管路的保温二、热传递的三种基本方式热传导热对流热辐射61.热传导（又称导热）热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部分向低温部分传递。特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。条件：系统两部分之间存在温度差。72.对流有温差的流体(或内部)作宏观移动和混合，将热量从高温物体传向低温物体的现象，称对流传热。特点：流体各部分间有相对位移，热对流仅发生在流体中。自然对流：温度、密度不同引起。强制对流：外力引起。8说明：同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对流；化工过程中，流体流过固体表面时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程，称对流传热；对流传热与流体流动状况密切相关。93.热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点：①不需要任何介质，可以在真空中传播；②不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；③任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。10二、间壁传热与速率方程1.间壁式换热器化工生产中冷热流体间的传热多为间壁对流传热。套管式换热器列管式换热器冷流体热流体间壁对流传导对流112.传热速率热流密度传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量W。热流密度q:单位时间单位面积传递的热量，W/m2。3.稳态传热与非稳态传热物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热，反之则非稳态传热。稳态传热的传热速率为常数。工业生产上一般接近稳态传热。4.两流体通过间壁的传热过程对流热传导对流以对流方式为主，通常又称对流传热或给热。AQq125.传热速率方程经验表明，在稳态传热过程中，传热速率与传热面积A和两流体的温度差成正比。总传热系数、传热面积、推动力是传热过程三大要素。将热阻记为R，则Q=tm/R下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。热阻推动力)/(1KAttKAQmm13第二节热传导一、傅立叶定律,,,zyxft1.温度场和温度梯度1)温度场某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和。142)等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面。等温面不能相交。3)温度梯度：两相邻等温面的温度差与两面间的垂直距离之比。即等温面上某点法线方向上的温度变化15ntntntgradtn或0lim温度梯度：dxdtgradt稳态一维温度梯度：16：导热系数，w/(m﹒oC)；Q：导热速率，w；A：导热面积，m2。2.傅立叶定律通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：dxdtAQ17二、导热系数导热系数的物理意义：单位距离单位传热面积和单位传热温差时的传热速率。固体导热系数：固体＞液体＞气体金属的导热系数最大，是热的良导体。温度↗↘纯度↗↗非金属导热系数较小。温度↗↗纯度↗↗对大多数固体：=0(1+at)=0+at0C时的导热系数温度系数dxdtAQ18液体的导热系数：液态金属(与固态金属性质差不多)非金属液体：水的导热系数最大水和甘油：T↗↗一般液体：T↗↘纯液体＞溶液气体的导热系数：T↗↗P↗变化小极高P↗↗气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空隙充有气体。19三、平壁的稳态热传导1.单层平壁的热传导b：平均壁厚，m；t：温度差，oC；Qt1t2btt1bx0t220设材质均匀，不随温度变化。温度也只沿传热方向变化，讨论稳定传热的情况。稳态的一维平壁热传导：dxdtAQx=0,t=t1,x=b,t=t2对上式积分可得：21R′：导热热阻，m2﹒oC/w。'21RtbttAQqR：导热热阻，oC/w。RtAbttttAbQ2121)(22传热阻力传热推动力传热速率232.多层平壁的热传导b1b2b3Qtxt1t2t3t424以三层平壁为例：321QQQQAbttAbttAbttQ33432232112132132133221141RRRtttAbAbAbtt25多层平壁：RtAbttQniiin111多层平壁传热的推动力为总温度差。传热阻力由各层热阻之和。并且有t1：t2：t3：t=R1：R2：R3：Ri例4-2P12526四、圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导（稳态）Qr1rdrr2t2t1L27drdtrldrdtAQ21221ln2rrttlQ上式积分可得：1221ln21rrlttmAbtt2128面积的对数平均值半径的对数平均值12rrblQqlrrrrrlAmm2ln212121212lnrrrrrm注：当r2/r12时，可用算术平均值代替对数平均值。292.多层圆筒壁的热传导（稳态）t2t1t3t4r1r2r3r430以三层圆筒壁为例：33322211141mmmAbAbAbttQ34323212141ln21ln21ln21rrlrrlrrlttQ321321RRRttt31nimiiinAbttQ111对多层圆筒壁：niiiinrrlttQ1111ln21例4-4P12832第三节对流传热对流传热的分析温度TTwtwt距离传热壁面滞流内层热流体冷流体33一、对流传热方程与对流传热系数热流体壁冷流体由于层流内层的存在，传热方式实际上是：对流热传导热传导(壁)热传导对流湍流时，热阻主要集中在层流内层。对流传导传导传导对流Q34对流传热的膜理论模型某一截面上，热流体一侧的推动力＝热流体湍流层内最高温度－壁温。但实际上湍流层内温度相差不大，以平均温度代替。由于温度相差不大，热阻也不大。近似设传热热阻全部集中在层流内层这一膜内。改变层流内层的有效膜厚度就可以改变传热效果。传热速率肯定与推动力成正比，与传热面积成正比，但由于膜厚实际上难于测定，就把各种其它因素和膜厚的影响归纳为一个参数。某一侧的传热速率可写为该式也称牛顿冷却公式。对流传热系数tAQ35热流体在管内流动，冷流体在管间流动，则对流传热速率方程可表示为:owiwiAttQATTQoAi，Ao：换热器管内侧和外侧表面积，m2；i，o：内侧和外侧流体对流传热系数，w/(m2﹒oC)。例4-5P12936对流传热系数tAQ物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2·℃)；反映对流传热的快慢，越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。37二、影响对流传热系数的因素1.流体的物理性质Cp2.流体对流起因强制对流自然对流升力(1-2)g=2gt强制对流速度大，大。3.流体流动状态4.流体相态变化5.传热面的形状、相对位置及尺寸____特征尺寸38对流传热过程的分类及准数关联冷凝传热有相变传热沸腾传热对流传热自然对流无相变传热管外对流强制对流非圆管道管内对流弯管湍流圆形直管过渡区滞流由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。39三、对流传热中的量纲分析对流传热系数一般难于用理论建立公式，通过量纲分析再加实验是确定它的关系的重要途径。流体无相变时，通常有下列物理量影响。u,l,,,,Cp,gt设可写为幂函数形式将各物理量量纲代入上式，用一些参数a,f,h表示其它参数得d=1-fc=-a+f-2he=a+2hb=a+3h-1代入原函数得hfpedcbatgclKu)(40努塞尔准数；待求准数，包括待求的给热系数klNu雷诺准数；反映对流强度对传热的影响luRe普兰特准数；反映流体物性的影响格拉晓夫准数；反映自然对流的影响223tglGr借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式。cpatglcluKl223bNu=K(Re)a(Pr)b(Gr)cpCPr41在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。应用范围只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。定性温度取流体进、出口温度的算术平均值作为定性温度；高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。特征尺寸传热面的几何因素有时是很复杂的，一般选取对传热起决定作用的几何因素作为特征尺寸，管内流动取管内径作为特征尺寸；管外的流动取管外径作为特征尺寸，等等。管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。入口效应420.80.023nNuRePr式中n值与热流方向有关，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，n=0.3。应用范围：Re＞10000；0.7＜Pr＜120；。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径d1。160ld（一）流体在管内作强制对流1.圆形直管强制湍流的给热系数流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体，则有四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。43液体被加热≈1.05，液体被冷却≈0.95。0.140.80.330.027wNuRePr160ld14.0w14.0w园形直管内高粘度液体无相变传热，给热系数应用范围：Re＞10000；0.7＜Pr＜16700；定性温度：μw取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度作定性温度。特征尺寸：取为管内径。44几点讨论非圆管道特征尺寸应用当量直径de。例如内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，当量直径入口效应修正在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较薄，给热系数较大，对于的换热管，应考虑进口段对给热系数的增加效应。故将所得α乘以修正系数：2221212144eddddddd160ld弯管修正流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：7.01ldlRdR77.11d为管内径，R为弯曲半径。45管内过渡区在Re=2300~10000的过渡区，作为粗略计算，可按湍流传热的公式计算α值，然后乘以修正系数f：8.15Re1061f管内强制滞流应用范围：Re＜2300；Pr＞0.6。10.14113331.86wdNuRePrl定性温度：μw取壁温，其余取进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径d1。46换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不