清華大學化工原理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 化工過程中經常遇到氣一液，液液，氣固，液固的換熱過程 加熱 冷卻 過程強化 保溫削弱過程一、 傳熱的基本方式： 熱傳導 分子振動 無質點位移 對流傳熱 流體質點相對移動 強制對流、自然對流 電磁波形式傳播 熱輻射 放熱輻射能吸收 無需中間介質、能量轉換，T高時的主要方式K傳熱方式相互依存，并不獨立存在二、 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、及有關物理量（進出口T， t） 不隨時間變化®穩(wěn)態(tài) q： 不隨q變化（沿管長變化）K 不穩(wěn)定：夾套加熱第二節(jié) 熱傳導一、 溫度場和溫度梯度：在時刻物體（或空間）各點溫度分布 t = f (x,y,z,q) 若與無關穩(wěn)定溫度場相同連結組成等溫面 等溫面不相交 等溫面上無熱量傳遞溫度梯度：法線方向二、 定律 (與牛頓粘性定律相似)：導熱系數，負號：熱流方向是溫度降方向。三、導熱系數 與物質組成、結構、溫度、密度、壓強等有關。 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導熱系數，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： 一平板，長寬與厚比無限大。¬ 積分： 溫度分布 直線­ 多層：n層 l不同 ，b不同存在n個溫度差（接觸面良好）Q相同（通過各層）由總溫差和li，求Q，由五、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導、Q相同、q不同 對數平均值

4、 當r2 / r1<2時，可用算術平均值計算，誤差小于4*多層：六、具有內熱源的熱傳導：半徑為ro、長度為L圓柱體（徑向傳熱）單位時間單位體積產生熱 若rro時，ttw 溫度沿半徑方向呈拋物線分布。七、導熱微分方程： QlQ出Q熱源Q積累 X向 凈熱量： Q熱源： Q積累： 一維.無熱源：第三節(jié) 對流傳熱Key Words: Convection, Heat transfer, Film heat transfer coefficient, Overall heat transfer coefficient, Natural Convection, Forced Convection 一

5、、 對流傳熱的機理：P對流傳熱較多發(fā)生在固體壁面和流體之間。 強制對流 液體沸騰 無相變 有相變 自然對流 蒸汽冷凝 以無相變，強制對流為例 對流是由于質點相對位移而產生的熱交換，它與流體流動狀況有密切關系。 流體邊界層®傳熱邊界層 層流底層，無y向速度梯度，熱傳導 過渡層：開始出現(xiàn)y向速度梯度 熱傳導（有溫度差就存在） 對流 湍流主體： 由于Q相同： 形成了熱邊界層二、 對流傳熱速率與傳熱膜系數（對流傳熱系數） 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，dS微元面積¬不同壁面溫度差不同局部性質 使用dSa的關聯(lián)式 ­冷熱流體的S

6、不同，a：單位面積壁面，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 熱衡算 實際過程的傳熱計算主要依靠幾個關系 傳熱速率方程 傳熱膜系數關聯(lián)式 若無熱損失 Sm 平均傳熱面積。¬dS*有基準問題，取dSo­若存在污垢：二、 傳熱系數K：w/m2K¬K與一定的表面積相關聯(lián)（取基準） 平壁 圓筒壁： ­阻力為各部分的加和：®K代表局部性質（局部性質）ÕdS 一般的處理方法為：定性溫度 Õ 物性參數 Õa平均 ®

7、¯有關：，K接近a較小的一個 強化傳熱中的K：從熱阻大的一方入手。 問題歸結為求取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 熱流體質量流量WS1，比熱Cp1 CP為均值 冷流體質量流量WS2，比熱CP2 條 WS為常數 件 K為常數 (無熱損失) 按熱流方向 逆流： 并流： 逆流： 并流：¬ 對于并流 對于逆流 ­ a，b為常數。®K為變數：3、錯流與折流：j：溫差修正系數 查圖圖解

8、積分 （習題559）第五節(jié) 對流傳熱系數的關聯(lián)式一、影響傳熱膜系數的因素： 1、流體流動狀態(tài)： 層流：忽略自然對流時，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、內構件影響，Re2000？） 2、引起流動的原因： 自然對流時，近壁面處溫度t >主流t1 膨脹公式：b體積膨脹系數。 強制對流與Re有關。 3、物性： 都是t的函數 4、傳熱面形狀，大小，位置。（特征尺寸） 5、有無相變化，二、對流傳熱中的因次分析法： 按確定的幾何形狀討論，經因次分析可以得到 Nusselt Reynold Prandt Grashof （對流傳熱） （流動）

9、（物性） （自然對流） 對流強制： 自然對流： 滯流： 1應用范圍：Re，Pr 2定性尺寸：， 3定性溫度： 物性值¬­膜溫，壁面主體 三、流體在管內強制對流的a：1、圓形直管內，強制湍流： 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，水不超過2030，油不超過10）±邊界層形成（形體阻力） a短 > a長 當，校正項。例如： ，校正項：1.071.

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

11、間，用湍流公式乘以f4、彎曲圓管內： 由于離心力的作用， 加速湍動產生二次環(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、流體在管外強制對流的a ： 1、管外流體平行流過：de的計算。 2、管外流體垂直流過：1) 單管： 邊界層增厚 邊界層脫離 Re小時，層流邊界層­（低點）脫離a­ Re 大時，層流邊界層­（低點）湍流邊界層a­®增厚a¯®脫離­ 2) 管束 直列 錯列 直列： 錯列：¬Re>3000­do，u取最狹處：®定性溫度，排數不為10，

12、乘以校正系數。 3) 換熱器管間流動： 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，不能達到垂直流動 若圓缺擋板，截去25。 （A）， ， do 流速，最狹小處通道流速 速度計算： h：檔板間距 D：外殼內徑 （B）小結：1、對流傳熱與流動、物性有關（溫差） Re 由此：熱流方向 溫差®物性mw 2、必須注意經驗公式的使用條件 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 b)換熱器 ： c)加強湍動程度。五、流體作自然對流的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、冷凝過程機理： 加熱介質飽和蒸汽 壁面®低于飽和蒸汽溫度 ®汽相溫度唯一。®無汽相熱阻（忽略氣流補充的壓降） 冷凝放出的潛熱必須通過液膜傳向壁面 給熱的熱阻主要來自于壁面上的液膜 液體浸潤壁面膜狀冷凝 不浸潤滴狀冷凝，比前者大幾至十幾倍 膜狀冷凝： 膜厚不同，不同。 L足夠大時，湍流 若液膜滯流®熱傳導為主。 ：液膜兩側溫差，：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 蒸汽存在對液膜無磨擦阻力 滯流 可以導出： （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­，流動快，膜厚¯，­®­（通過膜導熱）­¯­ 膜厚­，¯°t­ 傳熱推動力­，冷凝液­，膜厚­，¯±傾斜直壁：與水平夾角為， 2）實驗結果：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;涉及冷凝負荷 冷凝負荷M：單位浸潤周邊上的冷凝液質量流量 4）無因次* 對于滯流： 對于湍流： 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，進行積分 （當do很小時，可以看成滯流） 與垂直管相比： （2）管束： n：垂直列上的管數。 垂直管數不同時取平均值。 4、幾點討論：¬對于過熱蒸汽，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）強化：直管 ¬溝槽­金屬絲（張力作用）18復蓋面積時a最大。 水平管：（傾斜） 膜、滴交錯七、液體沸騰時的a： 鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器 溫差， 容積沸騰：加熱面浸于液體中 自然對流 汽泡運動 管內沸騰：一定流速流動，加熱管 1、沸騰現(xiàn)象： 特征：有氣泡產生；由加熱表面首先生成；必要條件®過熱汽泡生成，存在 ®由過熱造成 加熱表面過熱度最大， 縫隙依托 表面不平整 ®汽化核心，Dt¯ 殘留氣體 過熱®生成®長大®上浮®補充過熱¬自然對流區(qū)t<5，液體內產生自然對流，

17、沒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， 長大速率­，攪動a­®膜狀沸騰 汽泡連串成膜，汽膜l小，出現(xiàn)a¯，當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、計算公式：多為經驗式： 水平單管： 壁面過熱度 Z：與操作壓強p、臨界壓強pc有關的參數八、壁溫的估算： 由Tw ，tw假設 ®a1，a2 傳熱過程計算： 1、計算類型： 設計型：WS1，T1，T2，WS2，t1，確定S及有關尺寸。 操作型：（1）尺寸，物性，WS1，WS2，t1，T1，求t2，T2 （2）尺寸，物性WS1，T1，T2，t1，流動方式 求WS2，t2 2、基本方程式： 3、計算關鍵：生產任務 加熱，冷卻®工況改變后各量之間關系 4、基本思路： a）首先明確生產目的，加熱，冷卻 b） ® 需要傳遞熱量 實際傳遞熱量 兩者的一致性 

19、4; 確定所求的量。 5、基本方法： 1) 對比計算法： 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，改換基準習題課:5-54. 套管換熱器，氣體T190，T250；水 t115 t230求（1）10時，措施；（2）若WS1­20，t1=15，措施生產任務：冷卻 (1) 原工況: 新工況：t1¯, 10，生產狀況不變®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)：每個換熱器0.75wS2 S加倍 串聯(lián)：第一級出口：（第二級入口 ） 假設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、 基本概念物體內原子由于物體本身溫度，激發(fā)后，對外以電磁波形式發(fā)出輻射能®吸收®熱能。輻射線波長：0.420mm 之間（可見光0.40.8mm） 同樣滿足 Q= QA + QR + QD 吸收 反射 透過 A吸收率、R反射率、D透過率 黑體 A=1, 無光澤漆面 0.960.98 鏡體R=1 磨光銅板 R0.97 透熱體D=1 單原子，對稱雙原子 A、R、D取決于物性，表面狀況，T，輻

22、射波長 灰體： 對所有波長有相同的吸收率 D0，二、固體的輻射能力： E：單位時間、單位面積輻射能量w/m2（全部波長） 1、Pranck定律： 用量子理論可以推導。(T絕對溫度，C1 、C2常數) 2、Stefan-Boltzmann Lawl­，Ebl出現(xiàn)峰值， 等溫線下面積代表E 黑體與絕對溫度4次方成正比。 輻射能力 sO黑體輻射常數 CO黑體輻射系數 灰體 黑度 3、Kirchhoff定律、E與A的關系 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黑體的輻射能力。（與T有關）三、兩固

23、體間的相互輻射： 相互的 反復吸收、反射 ®取決于A，R，形狀位置 兩個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j 幾何因素，（角系數）； S1 1的面積 1、平行板 室內 2、一物體被包圍 j1 加熱爐內 同心圓球 無限長圓筒¬被包圍物 ­外圍物 當 3、任意表面：四、設備熱損失計算：例：用熱電偶測高溫氣體：¬ 測量值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，熱電偶輻射散熱對流受熱 絕對誤差159K，相對誤差14.7%­加上遮熱罩: a) 遮熱罩： b）熱電偶： 絕對偏差37K，相對偏差3.4第七節(jié) 換熱器一、 換熱器的類型及特點： 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、換熱器的強化： S­ 管式（細管） 翅片Dtm­ 嚴格逆流（無相變） u­，不易生垢 垢 水質 除垢 K­a小處下手a­、u­、湍流，內外溝流 熱管三、列管換熱器的設計 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、計算熱負荷 壓力 2、確定流體在換熱器中流動途徑 腐蝕 結垢處理等 3、確定t2®型式 4、計算u，保證湍流（殼程數） 5、計算DtmDt > 0.