清華大學(xué)化工原理25第五章傳熱

1、第五章 傳熱Key Words: Heat transfer, Conduction, Convection, Rediation, Fourier Law第一節(jié) 概述 化工過(guò)程中經(jīng)常遇到氣一液，液液，氣固，液固的換熱過(guò)程 加熱 冷卻 過(guò)程強(qiáng)化 保溫削弱過(guò)程一、 傳熱的基本方式： 熱傳導(dǎo) 分子振動(dòng) 無(wú)質(zhì)點(diǎn)位移 對(duì)流傳熱 流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)移動(dòng) 強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流 電磁波形式傳播 熱輻射 放熱輻射能吸收 無(wú)需中間介質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換，T高時(shí)的主要方式K傳熱方式相互依存，并不獨(dú)立存在二、 冷熱流體接觸方式： 直接接觸式 間壁式 蓄熱式三、 傳熱速率： （傳熱速率）熱流量Q：J/s 熱流密度（熱通量） q=dQ

2、/ds J/m2s 四、 穩(wěn)態(tài)傳熱和不穩(wěn)態(tài)傳熱PQ、q、及有關(guān)物理量（進(jìn)出口T， t） 不隨時(shí)間變化®穩(wěn)態(tài) q： 不隨q變化（沿管長(zhǎng)變化）K 不穩(wěn)定：夾套加熱第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、 溫度場(chǎng)和溫度梯度：在時(shí)刻物體（或空間）各點(diǎn)溫度分布 t = f (x,y,z,q) 若與無(wú)關(guān)穩(wěn)定溫度場(chǎng)相同連結(jié)組成等溫面 等溫面不相交 等溫面上無(wú)熱量傳遞溫度梯度：法線方向二、 定律 (與牛頓粘性定律相似)：導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號(hào)：熱流方向是溫度降方向。三、導(dǎo)熱系數(shù) 與物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、溫度、密度、壓強(qiáng)等有關(guān)。 單位： 金屬 101102 T­l¯ 建材 10-1100 w/mK T­l&

3、#173; 絕緣材料 10-210-1 液體 10-1 T­l¯ (水、甘油除外) 氣體 10-210-1固體：l=lo(1+KT) 0：0導(dǎo)熱系數(shù)，金屬K<0，非金屬K>0液體：T­¯(水、甘油除外) 氣體：T­­。高于2000atm，低于20mmHg，p­­四、平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)： 一平板，長(zhǎng)寬與厚比無(wú)限大。¬ 積分： 溫度分布 直線­ 多層：n層 l不同 ，b不同存在n個(gè)溫度差（接觸面良好）Q相同（通過(guò)各層）由總溫差和li，求Q，由五、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)、Q相同、q不同 對(duì)數(shù)平均值

4、 當(dāng)r2 / r1<2時(shí)，可用算術(shù)平均值計(jì)算，誤差小于4*多層：六、具有內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)：半徑為ro、長(zhǎng)度為L(zhǎng)圓柱體（徑向傳熱）單位時(shí)間單位體積產(chǎn)生熱 若rro時(shí)，ttw 溫度沿半徑方向呈拋物線分布。七、導(dǎo)熱微分方程： QlQ出Q熱源Q積累 X向 凈熱量： Q熱源： Q積累： 一維.無(wú)熱源：第三節(jié) 對(duì)流傳熱Key Words: Convection, Heat transfer, Film heat transfer coefficient, Overall heat transfer coefficient, Natural Convection, Forced Convection 一

5、、 對(duì)流傳熱的機(jī)理：P對(duì)流傳熱較多發(fā)生在固體壁面和流體之間。 強(qiáng)制對(duì)流 液體沸騰 無(wú)相變 有相變 自然對(duì)流 蒸汽冷凝 以無(wú)相變，強(qiáng)制對(duì)流為例 對(duì)流是由于質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱交換，它與流體流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。 流體邊界層®傳熱邊界層 層流底層，無(wú)y向速度梯度，熱傳導(dǎo) 過(guò)渡層：開(kāi)始出現(xiàn)y向速度梯度 熱傳導(dǎo)（有溫度差就存在） 對(duì)流 湍流主體： 由于Q相同： 形成了熱邊界層二、 對(duì)流傳熱速率與傳熱膜系數(shù)（對(duì)流傳熱系數(shù)） 一般采用牛頓冷卻公式：tw 壁溫，t流體主體溫度（同一截面），a傳熱膜系數(shù)，dS微元面積¬不同壁面溫度差不同局部性質(zhì) 使用dSa的關(guān)聯(lián)式 ­冷熱流體的S

6、不同，a：?jiǎn)挝幻娣e壁面，單位溫差下傳熱速率W/m2K 理論上a的求?。哼吔鐚樱罕诿娓浇鼫囟忍荻扰ctw - t，求出 a第四節(jié) 兩流體間的傳熱一、傳熱基本方程和傳熱系數(shù) 熱衡算 實(shí)際過(guò)程的傳熱計(jì)算主要依靠幾個(gè)關(guān)系 傳熱速率方程 傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式 若無(wú)熱損失 Sm 平均傳熱面積。¬dS*有基準(zhǔn)問(wèn)題，取dSo­若存在污垢：二、 傳熱系數(shù)K：w/m2K¬K與一定的表面積相關(guān)聯(lián)（取基準(zhǔn)） 平壁 圓筒壁： ­阻力為各部分的加和：®K代表局部性質(zhì)（局部性質(zhì)）ÕdS 一般的處理方法為：定性溫度 Õ 物性參數(shù) Õa平均 ®

7、¯有關(guān)：，K接近a較小的一個(gè) 強(qiáng)化傳熱中的K：從熱阻大的一方入手。 問(wèn)題歸結(jié)為求取K（a）和 K值范圍：水水 8501700 氣水 17280 氣氣 1235 冷凝汽水 14204250三、平均溫度差 1、恒溫差傳熱： 液體在恒定沸騰溫度t蒸發(fā) 飽和蒸汽加熱，T下冷凝 2、變溫差傳熱：隨位置改變 熱流體質(zhì)量流量WS1，比熱Cp1 CP為均值 冷流體質(zhì)量流量WS2，比熱CP2 條 WS為常數(shù) 件 K為常數(shù) (無(wú)熱損失) 按熱流方向 逆流： 并流： 逆流： 并流：¬ 對(duì)于并流 對(duì)于逆流 ­ a，b為常數(shù)。®K為變數(shù)：3、錯(cuò)流與折流：j：溫差修正系數(shù) 查圖圖解

8、積分 （習(xí)題559）第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式一、影響傳熱膜系數(shù)的因素： 1、流體流動(dòng)狀態(tài)： 層流：忽略自然對(duì)流時(shí)，層流膜層r 湍流：主要熱阻在層流層，Re­，邊界層減薄，a­（注意管件、內(nèi)構(gòu)件影響，Re2000？） 2、引起流動(dòng)的原因： 自然對(duì)流時(shí)，近壁面處溫度t >主流t1 膨脹公式：b體積膨脹系數(shù)。 強(qiáng)制對(duì)流與Re有關(guān)。 3、物性： 都是t的函數(shù) 4、傳熱面形狀，大小，位置。（特征尺寸） 5、有無(wú)相變化，二、對(duì)流傳熱中的因次分析法： 按確定的幾何形狀討論，經(jīng)因次分析可以得到 Nusselt Reynold Prandt Grashof （對(duì)流傳熱） （流動(dòng)）

9、（物性） （自然對(duì)流） 對(duì)流強(qiáng)制： 自然對(duì)流： 滯流： 1應(yīng)用范圍：Re，Pr 2定性尺寸：， 3定性溫度： 物性值¬­膜溫，壁面主體 三、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的a：1、圓形直管內(nèi)，強(qiáng)制湍流： 1)低粘度流體（<2倍常溫水粘度） ¬­流體被加熱n0.4，流體被冷卻n0.3， 熱流方向的影響，主要影響邊界層厚度（ m值變化）®定性尺寸di¯定性溫度°管壁溫度與流體平均溫度相差不大 （與m有關(guān)，水不超過(guò)2030，油不超過(guò)10）±邊界層形成（形體阻力） a短 > a長(zhǎng) 當(dāng)，校正項(xiàng)。例如： ，校正項(xiàng)：1.071.

10、02 2)高粘度流體（溫差過(guò)大）¬­定性尺寸di®定性溫度，壁溫下的粘度 2、圓形直管內(nèi)，強(qiáng)制滯流 1) 速度分布不同 復(fù)雜性 2) 存在自然對(duì)流影響 3)、入口段較大100d（Re2000） 1)忽略自然對(duì)流影響：¬ （短管）壁溫下粘度。 2)¬水平管、­特征尺寸di®膜溫：¯乘以校正系數(shù) 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 °垂直管 流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向一致，a+15% 流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向相反，a-15% 3、圓形直管過(guò)渡流： Re230010000之

11、間，用湍流公式乘以f4、彎曲圓管內(nèi)： 由于離心力的作用， 加速湍動(dòng)產(chǎn)生二次環(huán)流a為圓形直管中的a 5、非圓形管： 套管環(huán)隙：（空氣水） 定性尺寸為de四、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流的a ： 1、管外流體平行流過(guò)：de的計(jì)算。 2、管外流體垂直流過(guò)：1) 單管： 邊界層增厚 邊界層脫離 Re小時(shí)，層流邊界層­（低點(diǎn)）脫離a­ Re 大時(shí)，層流邊界層­（低點(diǎn)）湍流邊界層a­®增厚a¯®脫離­ 2) 管束 直列 錯(cuò)列 直列： 錯(cuò)列：¬Re>3000­do，u取最狹處：®定性溫度，排數(shù)不為10，

12、乘以校正系數(shù)。 3) 換熱器管間流動(dòng)： 流速，流向不斷變化，Re>100湍流 擋板形式，（圓缺擋板） 出現(xiàn)旁流，不能達(dá)到垂直流動(dòng) 若圓缺擋板，截去25。 （A）， ， do 流速，最狹小處通道流速 速度計(jì)算： h：檔板間距 D：外殼內(nèi)徑 （B）小結(jié)：1、對(duì)流傳熱與流動(dòng)、物性有關(guān)（溫差） Re 由此：熱流方向 溫差®物性mw 2、必須注意經(jīng)驗(yàn)公式的使用條件 L，t，Re，Pr 3、含Gr，使用膜溫 4、a的大小 a) a湍>a層a短>a長(zhǎng) b)換熱器 ： c)加強(qiáng)湍動(dòng)程度。五、流體作自然對(duì)流的a ： 定性溫度：膜溫，tw與 (t1+t2)/2的平均值 定性尺寸 水平管

13、do，垂直管L 查表！六、蒸汽冷凝的a： 1、冷凝過(guò)程機(jī)理： 加熱介質(zhì)飽和蒸汽 壁面®低于飽和蒸汽溫度 ®汽相溫度唯一。®無(wú)汽相熱阻（忽略氣流補(bǔ)充的壓降） 冷凝放出的潛熱必須通過(guò)液膜傳向壁面 給熱的熱阻主要來(lái)自于壁面上的液膜 液體浸潤(rùn)壁面膜狀冷凝 不浸潤(rùn)滴狀冷凝，比前者大幾至十幾倍 膜狀冷凝： 膜厚不同，不同。 L足夠大時(shí)，湍流 若液膜滯流®熱傳導(dǎo)為主。 ：液膜兩側(cè)溫差，：離頂部x處膜厚 2、垂直壁面的膜狀冷凝： 1）理論分析 物性const 假設(shè) 蒸汽存在對(duì)液膜無(wú)磨擦阻力 滯流 可以導(dǎo)出： （平均值） 定性尺寸：L 定性溫度：膜溫：，ts飽和溫度 r：

14、飽和溫度下的冷凝潛熱¬若傳熱量一定，r­，冷凝量¯，膜厚¯，­­­，單位體積受力­，流動(dòng)快，膜厚¯，­®­（通過(guò)膜導(dǎo)熱）­¯­ 膜厚­，¯°t­ 傳熱推動(dòng)力­，冷凝液­，膜厚­，¯±傾斜直壁：與水平夾角為， 2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：滯流下，蒸汽與液膜間磨擦 3）流型判斷： 滯流：Re<2100 湍流：Re>2100 Re ¬壁下端Re 值

15、3;涉及冷凝負(fù)荷 冷凝負(fù)荷M：?jiǎn)挝唤?rùn)周邊上的冷凝液質(zhì)量流量 4）無(wú)因次* 對(duì)于滯流： 對(duì)于湍流： 3、水平管壁蒸汽冷凝： （1）單管 水平管可以看成不同角度傾斜壁面，進(jìn)行積分 （當(dāng)do很小時(shí)，可以看成滯流） 與垂直管相比： （2）管束： n：垂直列上的管數(shù)。 垂直管數(shù)不同時(shí)取平均值。 4、幾點(diǎn)討論：¬對(duì)于過(guò)熱蒸汽，一般可以按飽和蒸汽­蒸汽流向: 向下流， ­ 向上流， ¯ 向上流速­­，­­ （3）不冷凝氣： 在蒸汽與液膜之間形成氣膜。汽中含1不凝氣，a¯50。 （4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚a&#

16、175; （5）強(qiáng)化：直管 ¬溝槽­金屬絲（張力作用）18復(fù)蓋面積時(shí)a最大。 水平管：（傾斜） 膜、滴交錯(cuò)七、液體沸騰時(shí)的a： 鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器 溫差， 容積沸騰：加熱面浸于液體中 自然對(duì)流 汽泡運(yùn)動(dòng) 管內(nèi)沸騰：一定流速流動(dòng)，加熱管 1、沸騰現(xiàn)象： 特征：有氣泡產(chǎn)生；由加熱表面首先生成；必要條件®過(guò)熱汽泡生成，存在 ®由過(guò)熱造成 加熱表面過(guò)熱度最大， 縫隙依托 表面不平整 ®汽化核心，Dt¯ 殘留氣體 過(guò)熱®生成®長(zhǎng)大®上浮®補(bǔ)充過(guò)熱¬自然對(duì)流區(qū)t<5，液體內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流，

17、沒(méi)有汽泡從液體逸出液面， 僅在液體表面蒸發(fā)。­核狀沸騰：t ­，汽化核心增加， 長(zhǎng)大速率­，攪動(dòng)a­®膜狀沸騰 汽泡連串成膜，汽膜l小，出現(xiàn)a¯，當(dāng)t ­­，壁溫升高，輻射影響，a不變，q­ 一般維持在略低于操作，水: 2、討論：¬粗糙新管，清潔表面a­；光滑管a¯­操作p­，提高飽和溫度s，m¯ 有利于氣泡生成，脫離a­®物性 l­，r­，a­ ；s、m­，a¯¯核

18、狀沸騰 3、計(jì)算公式：多為經(jīng)驗(yàn)式： 水平單管： 壁面過(guò)熱度 Z：與操作壓強(qiáng)p、臨界壓強(qiáng)pc有關(guān)的參數(shù)八、壁溫的估算： 由Tw ，tw假設(shè) ®a1，a2 傳熱過(guò)程計(jì)算： 1、計(jì)算類(lèi)型： 設(shè)計(jì)型：WS1，T1，T2，WS2，t1，確定S及有關(guān)尺寸。 操作型：（1）尺寸，物性，WS1，WS2，t1，T1，求t2，T2 （2）尺寸，物性WS1，T1，T2，t1，流動(dòng)方式 求WS2，t2 2、基本方程式： 3、計(jì)算關(guān)鍵：生產(chǎn)任務(wù) 加熱，冷卻®工況改變后各量之間關(guān)系 4、基本思路： a）首先明確生產(chǎn)目的，加熱，冷卻 b） ® 需要傳遞熱量 實(shí)際傳遞熱量 兩者的一致性 

19、4; 確定所求的量。 5、基本方法： 1) 對(duì)比計(jì)算法： 2) 控制熱阻法：l忽略，K接近于a小一方；若 a大>>a小，a小K如 汽®水 冷凝®水 注意:若Kai，改換基準(zhǔn)習(xí)題課:5-54. 套管換熱器，氣體T190，T250；水 t115 t230求（1）10時(shí)，措施；（2）若WS1­20，t1=15，措施生產(chǎn)任務(wù)：冷卻 (1) 原工況: 新工況：t1¯, 10，生產(chǎn)狀況不變®Q不變 S不變 T2，T1不變(物性不變) 措施若K不變®工況不變，不變（物性變化不大） 由 措施： （2）原工況， 新工況： 由558列管式冷凝

20、器 （1）WS2­50（加熱） 原工況： （a）由 求出 忽略壁阻 若用： (b）飽和壓力0.3MPa，T由120Ú 133與（a）中相同 (c）并聯(lián)：每個(gè)換熱器0.75wS2 S加倍 串聯(lián)：第一級(jí)出口：（第二級(jí)入口 ） 假設(shè)K=K”=K 阻力加倍 (2) (3) 油污垢：d = 2mm l =0.2w/mK¬ R總­ K¯­ di由20mm ® 16mm u­ai­ u= (20/16)2u，di=16di/20 比較熱阻：第六節(jié) 熱輻射Key Words: Radiation heat transfe

21、r, Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan Boltzmann law, Kirchhoff low一、 基本概念物體內(nèi)原子由于物體本身溫度，激發(fā)后，對(duì)外以電磁波形式發(fā)出輻射能®吸收®熱能。輻射線波長(zhǎng)：0.420mm 之間（可見(jiàn)光0.40.8mm） 同樣滿足 Q= QA + QR + QD 吸收 反射 透過(guò) A吸收率、R反射率、D透過(guò)率 黑體 A=1, 無(wú)光澤漆面 0.960.98 鏡體R=1 磨光銅板 R0.97 透熱體D=1 單原子，對(duì)稱(chēng)雙原子 A、R、D取決于物性，表面狀況，T，輻

22、射波長(zhǎng) 灰體： 對(duì)所有波長(zhǎng)有相同的吸收率 D0，二、固體的輻射能力： E：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積輻射能量w/m2（全部波長(zhǎng)） 1、Pranck定律： 用量子理論可以推導(dǎo)。(T絕對(duì)溫度，C1 、C2常數(shù)) 2、Stefan-Boltzmann Lawl­，Ebl出現(xiàn)峰值， 等溫線下面積代表E 黑體與絕對(duì)溫度4次方成正比。 輻射能力 sO黑體輻射常數(shù) CO黑體輻射系數(shù) 灰體 黑度 3、Kirchhoff定律、E與A的關(guān)系 1為灰體，2為黑體 中間為透熱體 平衡狀況下，1、2溫度相等 （無(wú)熱流量） 發(fā)射吸收 一切物體的輻射能力與吸收率之比均等于相同溫度下絕對(duì)黑體的輻射能力。（與T有關(guān)）三、兩固

23、體間的相互輻射： 相互的 反復(fù)吸收、反射 ®取決于A，R，形狀位置 兩個(gè)較大的平行灰體壁面：¬中間透熱體­距離近（全部投入） Q12 1給2的輻射熱量（凈）；C12 總輻射系數(shù)j 幾何因素，（角系數(shù)）； S1 1的面積 1、平行板 室內(nèi) 2、一物體被包圍 j1 加熱爐內(nèi) 同心圓球 無(wú)限長(zhǎng)圓筒¬被包圍物 ­外圍物 當(dāng) 3、任意表面：四、設(shè)備熱損失計(jì)算：例：用熱電偶測(cè)高溫氣體：¬ 測(cè)量值T1923K，Tw713K 熱電偶 e10.3 a150 w¤m2K （求Tg）­加入單層遮熱罩，a290 w¤m2K（抽氣

24、） 遮熱罩e20.3 求T1解：¬定態(tài)條件下，熱電偶輻射散熱對(duì)流受熱 絕對(duì)誤差159K，相對(duì)誤差14.7%­加上遮熱罩: a) 遮熱罩： b）熱電偶： 絕對(duì)偏差37K，相對(duì)偏差3.4第七節(jié) 換熱器一、 換熱器的類(lèi)型及特點(diǎn)： 直接式 蓄熱式 夾套 蛇管 沉浸 間壁式 噴淋 套管 列管式 殼體 管束 管程隔板 花板 殼程隔板 頂蓋二、換熱器的強(qiáng)化： S­ 管式（細(xì)管） 翅片Dtm­ 嚴(yán)格逆流（無(wú)相變） u­，不易生垢 垢 水質(zhì) 除垢 K­a小處下手a­、u­、湍流，內(nèi)外溝流 熱管三、列管換熱器的設(shè)計(jì) WS1 T1 T2 WS2 t1 分兩步¬初選 條件 管程，殼程允許的p­校核 體系物性，工業(yè)要求（一）初選 1、計(jì)算熱負(fù)荷 壓力 2、確定流體在換熱器中流動(dòng)途徑 腐蝕 結(jié)垢處理等 3、確定t2®型式 4、計(jì)算u，保證湍流（殼程數(shù)） 5、計(jì)算DtmDt > 0.