復(fù)旦大學(xué)化工原理第四章傳熱

第四章傳熱第一節(jié)概述一.傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作，進行傳熱操作的目的主要是：1.加熱或冷卻，使物料達到指定的溫度；2.換熱，以回收利用熱量；3.保溫，以減少熱損失。二.傳熱的基本方式根據(jù)傳熱的機理區(qū)分，傳熱的基本方式有：熱傳導(dǎo)：通過物質(zhì)的分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的過程。對流：在流體中，冷、熱不同部位的流體質(zhì)點作宏觀移動和混合，將熱量從高溫處傳遞到低溫處的過程。熱輻射：物質(zhì)因本身的溫度而激發(fā)產(chǎn)生電磁波，向空間傳播來進行熱量傳遞的過程。三.間壁傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中，冷、熱兩種流體的熱交換，多數(shù)情況下不允許兩種流體直接接觸；要求用固體壁隔開，即采用間壁傳熱。最常見的一種間壁傳熱設(shè)備是套管式的熱交換器。四.工藝過程的熱負荷計算無相變時的熱負荷計算如果工藝要求將質(zhì)量流率為qm1(Kg/S)

、

比熱為

Cp1（J/Kg.K)

的熱流體由溫度T1

冷卻至T2；則在單位時間內(nèi)熱流體所釋放出的熱量（放熱速率）Q1

為：

Q1=Cp1qm1(T1–T2)

單位是：W（J/S）。

熱流體所釋放的熱量必須被冷流體所帶走。若冷流體在單位時間內(nèi)的吸熱量（吸熱速率）為Q2:Q2=Cp2qm2(t2–t1)

單位是：W（J/S）。

冷、熱流體的熱量交換必須通過熱交換器來實施。若使用的熱交換器傳熱速率為：Q=KmAm

Dtm

。

則：

Q1=Q2=Q

才能滿足工藝要求。2.有相變的熱負荷計算如果熱流體是溫度為T的蒸汽，現(xiàn)要將其冷凝為溫度為T的液體；則熱流體在單位時間內(nèi)所釋放的熱量Q:Q=gqm

式中：g—熱流體在溫度為T時的汽化潛熱，KJ/Kg；qm—熱流體的質(zhì)量流量，Kg/S。五.熱量傳遞的極限熱量傳遞的極限是冷、熱流體的溫度相等。如果一個逆流操作的熱交換器，具有無窮大的換熱面積，則有：T1=t2或T2=t1

第二節(jié)熱傳導(dǎo)一.傅立葉定律單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。即：其中比例系數(shù)l，稱為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K。公式中的負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。二.導(dǎo)熱系數(shù)各類固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量極為：金屬10~100W/m.K建筑材料0.1~10W/m.K絕熱材料0.1~0.01W/m.K金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，液體其次，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。對于固體材料，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度t而變，近似為直線關(guān)系：

l=l0(1+at)其中：a—溫度系數(shù)。對于大多數(shù)金屬材料a為負值；對于大多數(shù)非金屬材料a為正值。三.平板壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)若熱傳導(dǎo)僅在x方向進行傳遞，平板壁的傳熱面積為A。

則平板壁的熱傳導(dǎo)速率為：四.多層平板壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定各板之間緊密接觸。則多層平板壁的熱傳導(dǎo)速率：式中：A—平板的傳熱面積，m2；

l1、l2、l3

—分別為板1、板2、板3的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K。五.圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率為：式中：當A2/A1

<2時，Am=(A2+A1)/2。其中：A1=2pr1L；A2=2pr2L;b=r2–r1六.多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定各層圓筒間緊密接觸。則多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率為：例1.一根F50×2.5mm的管子（l=49W/m.K），包以50mm厚的軟木（l=0.046W/m.K)，再用50mm的石棉層（l=0.151W/m.K)保溫。測得管內(nèi)壁溫度為373K，外壁溫度為273K。求每米管道每小時的熱損失。若先包石棉后包軟木，則熱損失為多少？例2.導(dǎo)熱系數(shù)的簡易測定將需要測定導(dǎo)熱系數(shù)的材料裝入如圖所示的同心套管的間隙內(nèi)，并在管內(nèi)加電熱絲。當電熱功率為1KW時，測得內(nèi)管的內(nèi)壁溫度為9000C，外管的外壁溫度為1000C,金屬管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為50W/m.K。試求：該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。已知：L=1m;r1=10mm;r2=13mm;r3=23mm;r4=27mm。第三節(jié)對流傳熱一.對流傳熱的基本概念無相變的對流傳熱自然對流（流體依賴密度差流動）強制對流（用機械能使微團混合）有相變的對流傳熱蒸汽冷凝傳熱、液體沸騰傳熱。二.牛頓冷卻定律對于流體的對流傳熱過程，其傳熱速率可用牛頓冷卻公式來描述；即：式中：Q—傳熱速率，W；A—傳熱面積，m2；

Dt—對流傳熱溫度差，0C；

a—對流傳熱系數(shù)（或稱膜系數(shù)），W/m2.0C。對于熱流體Dt=T–TW；對于冷流體Dt=tW–t。其中：T—熱流體的主體溫度；TW—間壁近熱流體一側(cè)的溫度；t—冷流體的主體溫度；tW—間壁近冷流體一側(cè)的溫度。三.影響對流傳熱系數(shù)的主要因素流體的物理性質(zhì)：Cp、r、m、l

流體的運動狀況：u

流體的對流狀況：自然對流（升力bgDt)、強制對流設(shè)備尺寸：l影響對流傳熱系數(shù)的各種因素，如果用函數(shù)表示，則為：四.對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式根據(jù)p定理，可得到對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式：式中：Nu=al/l稱為努塞爾數(shù)Re=lur/m稱為雷諾數(shù)Pr=Cpm/l稱為普朗特數(shù)Gr=bgDtl3

r2/m2稱為格拉斯霍夫數(shù)K、a、b、c是需要通過實驗確定的常數(shù)。五.對流傳熱的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式在不同的傳熱過程中，有不同的對流傳熱經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。例如：流體在圓形直管內(nèi)作強制對流時，實驗得到其對流傳熱的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式為：

Nu=0.023Re0.8Prn使用條件：Re>104，0.7<Pr<160當流體被加熱時n=0.4；當流體被冷卻時n=0.3。設(shè)備尺寸為管內(nèi)徑；定性溫度為流體主體