第五章-传热

《化工原理》电子教案/目录1目录第五章传热及设备第一节概述第二节热传导一、傅里叶定律二、热导率三、一维平壁稳态热传导四、一维圆筒壁稳态热传导《化工原理》电子教案/目录2目录第三节对流传热一、实验法求二、各种情形下的经验式（一）无相变1、管内层流2、管内湍流3、管外强制对流4、自然对流（二）有相变1、冷凝2、沸腾对流传热系数小结的数量级《化工原理》电子教案/目录3目录第四节间壁式换热器的传热一、换热器简介二、间壁式换热器的传热过程分析三、间壁式换热器的传热过程计算1、总传热速率方程2、Q的计算3、K的计算4、tm的计算5、传热单元数法习题课6、壁温的计算操作型设计型《化工原理》电子教案/目录4目录第五节间壁式换热器介绍（教材第六章）一、列管式换热器（管壳式换热器）二、其它类型的换热器三、传热过程的强化《化工原理》电子教案/目录5目录第六节辐射传热一、基本概念二、物体的辐射能力三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率四、气体热辐射的特点五、辐射、对流的联合传热第五章小结《化工原理》电子教案/第五章6/141第五章传热及设备第一节概述21ttAQ牛顿冷却定律：电热炉烧水靠电磁波传热热传导（导热）强制对流自然对流对流传热辐射传热传热有三种方式：(举例电热炉烧水)机理：有宏观位移流体内部流体发生在相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部发生在管内层流热量入对流传热系数或给热系数，W/m2K气体---靠分子或原子的无规则若运动；固体---金属靠自由电子，非金属靠晶格的震动液体---两种观点（见教材）导热导热自然对流《化工原理》电子教案/第五章7/141第二节热传导一、傅里叶定律传热速率Q：热通量q：等温面：温度变化率：温度梯度nt：AddQqt+ttnl等温面及温度梯度ltntntn0lim1、基本概念单位时间传递的热量，J/s单位传热面积上的传热速率，J/m2s，矢量，方向为传热面的法线方向q温度相同的点组成的面两等温面的温差与两等温面间的任一距离之比两等温面的温差与两等温面间的法向距离（最短）之比等温面等温面《化工原理》电子教案/第五章8/1412、傅里叶定律ntAddQq负号表示q与温度梯度方向相反称为热导率,单位为W/(mK)t+ttnl等温面及温度梯度q对照：牛顿黏性定律，形式上很相似dydu《化工原理》电子教案/第五章9/141物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的越大，导热性能越好。一般地，导电固体非导电固体，液体气体（见图5-4）二、热导率ntAddQq属物性影响因素：与物质种类、T、浓度有关，一般与P无关T，气体水，甘油，其它液体的金属，非金属。获取方法：查相关物性数据手册，如附录二～四。《化工原理》电子教案/第五章10/141三、一维平壁稳态热传导tt1t20bxQQdxdtAntAqAQbttdxdt21常数Abtt21qAQ1.无限大单层平壁（无内热源）稳态导热-------可见温度分布为直线若为常数，则：b无限厚无限长ntAddQq特点：属一维导热，A为常数，Q为常数常数dx热阻推动力《化工原理》电子教案/第五章11/1412、无限大多层平壁一维稳态导热（无内热源）三、一维平壁稳态热传导tt2t3t4t10xb热阻推动力qAQ总热阻总推动力和比定理AbttAbttAbttAbttQiii3141334322321121特点：同单层平壁此外，通过每一层的Q（或q）都相同对每一层均有：Q《化工原理》电子教案/第五章12/141三、一维平壁稳态热传导总热阻总推动力AAbttAttAbttQiiiiii11310104314104ttAQ牛顿冷却定律：思考1：若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温度为t0、对流传热系数为，则传热量如何计算？0tt1t4Q《化工原理》电子教案/第五章13/141tt1r1t2r20rbQQdr1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）四、一维圆筒壁稳态热传导特点：属一维导热，A常数，Q为常数，q常数常数drdtAqAQrLA2drrLQdt2LrrQtt2ln11若为常数，则：--------可见温度分布为对数关系在(t1，t)积分，得：在(t1，t2)积分，得：LrrttQ2ln1221《化工原理》电子教案/第五章14/1411、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）四、一维圆筒壁稳态热传导12121221ln2rrrrLrrtt1212lnrrrrrm令当212rr时，可用算术平均代替mmAbttrLbttQ21212于是热阻推动力对照：平壁：AbttQ21tt1r1t2r20rbLrrttQ2ln1221------对数平均半径《化工原理》电子教案/第五章15/1412、无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）四、一维圆筒壁稳态热传导热阻推动力qAQtt1t2t3t4r1r2t20rb1b2b3总热阻总推动力miiiimmmAbttQAbttAbttAbttQ3141333432223211121对每一层均有：《化工原理》电子教案/第五章16/141四、一维圆筒壁稳态热传导思考2：气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？bb12QQ21bb21《化工原理》电子教案/第五章17/141影响因素：接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面空隙内的流体性质。接触热阻：两固体之间由于未紧密接触而导致的接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计返回目录《化工原理》电子教案/第五章18/141第三节对流传热回忆：什么是对流传热？1t2tQQ电热炉烧水强制对流----湍流流动的流体与外界的传热自然对流----静止流体、层流流动流体与外界的传热对流传热系数，W/m2K边界层是对流传热的主要热阻所在。ttwQ牛顿冷却定律：wttAQ流向近壁面传热放大图《化工原理》电子教案/第五章19/141第三节对流传热获得的主要方法：理论分析法解析求解、数值求解实验法：半理论半经验方法，是目前的主要方法。牛顿冷却定律：wttAQ《化工原理》电子教案/第五章20/141一、实验法求个基本因次数变量数无因次数群个数347影响的因素主要有：1.引起流动的原因：自然对流和强制对流2.流动型态：层流或湍流3.流体的性质：、、cp、等4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等5.有相变与无相变：cp或汽化潜热rtgulrcfp或，，，或，，量纲分析法：第一章有关内容用量纲分析法、再结合实验，建立经验关系式。定理：《化工原理》电子教案/第五章21/141一、实验法求lNupcPr223RetglGrul或------格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种变形，相当于自然对流时的“雷诺数”无因次数群：-----努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比-----普朗特数，反映物性的影响。一般地，气体的Pr1，液体的Pr1《化工原理》电子教案/第五章22/141一、实验法求PrRe，或GrfNu故定性温度：确定物性的温度，有两种2出进tttm2主体壁tttm主体平均温度膜温lNupcPr223RetglGrul或《化工原理》电子教案/第五章23/141二、各种情形下的经验式（一）无相变时1015.018.031Grf当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，式（5-65）乘上一个大于1的校正系数：1、管内层流时0.6Pr6700，Gr25000（自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。使用范围为：管子的进口段，恒壁温、Re2300、思考：为什么需乘上一个大于1的校正系数？---传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）1/30.141.86(RePr)()WduNulu《化工原理》电子教案/第五章24/141二、各种情形下的经验式2、管内湍流适用范围：光滑管Re1040.6Pr160充分发展段，即L/d50低粘度（2水）温差（tw-t）较小定性温度：2出进tttm定性尺寸：管内径（教材式5-63）被冷却被加热3.04.0PrRe023.08.0nnNun《化工原理》电子教案/第五章25/141二、各种情形下的经验式2、管内湍流（教材式5-63）被冷却被加热3.04.0PrRe023.08.0nnNun2080..dudNupcPr思考1：与u、d有何比例关系？思考2：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？∵气体的Pr1，液体的Pr1等温液体被加热或气体被冷却液体被冷却或气体被加热速度分布时，变大时，变小《化工原理》电子教案/第五章26/141Why？Why？因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。若不满足适用范围时，需修正：（1）对于短管，L/d50乘上一个大于1的校正系数，见图5-25（2）当壁面与流体主体温差较大时，需引入一个粘度的校正项：教材式（5-64）（5）非圆形管的强制湍流：上式仍可使用，但需将d换成de（4）弯管内：乘上一个大于1的校正系数：式（5-68）（3）过渡流：乘上一个小于1的校正系数：式（5-67）Why？《化工原理》电子教案/第五章27/141二、各种情形下的经验式3、管外强制对流管子排布方式错排：并排：（3）流体在管壳间的对流传热：Why？IVIIIIIIIIIIII（1）流体横向流过单管传热：见图5－27（2）流体横向流经管束（管簇）的传热：处处不同，需平均。式（5-71）有挡板，Re100即可达到湍流。式（5-72）《化工原理》电子教案/第五章28/141二、各种情形下的经验式4、自然对流（大空间）nGrCNu，PrC、n为经验常数。式（5-75）《化工原理》电子教案/第五章29/141二、各种情形下的经验式（二）有相变滴状冷凝膜状冷凝热流方向蒸汽ts热流方向蒸汽ts膜滴竖直壁面：先层流，后湍流层流：式（5-79）、式（5-79b）湍流：式（5-82）1、冷凝传热沸腾冷凝膜状冷凝：液膜是主要热阻水平圆管外：层流：式（5-80）《化工原理》电子教案/第五章30/141why？水平管束：膜状冷凝传热的强化：减薄冷凝液液膜厚度；选择正确的蒸汽流动方向；在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；用过热蒸汽；及时排放不凝性气体。第一排的与单管相似，第二排的比第一排小，第三排的比第二排小，……若干排后，基本上不变。平均比单排的小（式5-80与5-80a对比）。膜状冷凝：《化工原理》电子教案/第五章31/141二、各种情形下的经验式2、沸腾传热（大容积）（1）产生沸腾现象的必要条件：液体过热、有汽化核心（2）沸腾传热机理：气泡的不断形成、长大、脱离壁面，热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。《化工原理》电子教案/第五章32/141二、各种情形下的经验式（3）大容积沸腾传热的沸腾曲线加热twts气泡产生和脱离频率很快大量气泡在加热面上汇合，形成蒸汽膜沸腾曲线log过热度（tw-ts）过热度不大，气泡没有；辐射影响加强膜状沸腾自然对流核状沸腾工业上常用《化工原理》电子教案/第五章33/141二、各种情形下的经验式（4）核状沸腾传热系数的主要影响因素：表面粗糙度：粗糙表面大，但粗糙度达到一定极限后，就基本上