第二章 傳熱 材料

學(xué)習(xí)回顧:

流體基本性質(zhì)(密度,黏度)(黏度是產(chǎn)生阻力的根源)------->管路阻力(集中到摩擦系數(shù)上)------>流體的輸送.1第二章傳熱2.1概述2.2傳熱機(jī)理2.3熱量衡算和傳熱速率分析2.4對(duì)流給熱2.5熱輻射傳熱2.6傳熱過程計(jì)算2.7換熱器22.1概述傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

1.傳熱的三類應(yīng)用實(shí)例（1）強(qiáng)化傳熱過程：流體的升溫或冷卻，產(chǎn)品的分離(蒸發(fā)，蒸餾和干燥等)。（2）削弱傳熱過程：管道，設(shè)備的保溫或保冷。（3）熱能回收利用：廢熱回收2.伴隨傳熱的流體作用過程：(1)化學(xué)過程：吸放熱反應(yīng)；(2)物理過程：耗能，干燥，蒸發(fā)等3.傳熱在化工生產(chǎn)中的重要性：石化產(chǎn)業(yè)：傳熱設(shè)備重量占總設(shè)備規(guī)模的30-40%；傳熱設(shè)備投資占總設(shè)備投資的10-20%31、直接接觸式換熱和混合式換熱器2.1.1

熱量傳遞方式42、間壁式換熱和間壁式換熱器53、蓄熱式換熱器和蓄熱器6熱載體：輸出或得到熱量的流體。傳熱速率Q（熱流量）：單位時(shí)間內(nèi)通過換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。熱流密度q（熱通量）

：單位時(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。2.1.2

傳熱的基本概念72.1.3傳熱應(yīng)解決的問題1.如何設(shè)計(jì)并選擇合適的換熱器;2.使用一段時(shí)間后,換熱效果能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;3.冷卻水流量和液體對(duì)換熱效果有何影響;4.季節(jié)變化對(duì)換熱效果如何影響.82.2

傳熱機(jī)理與傳熱的基本方式傳熱的基本方式（1）傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）：物體內(nèi)部分子通過碰撞或振動(dòng)將熱量以分子動(dòng)能形式傳遞給相鄰分子，但分子本身不產(chǎn)生宏觀位移的一種傳熱方式。①固體的傳熱②穿過流體層流內(nèi)層的傳熱（熱邊界層）現(xiàn)象①氣體，流體：分子布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)碰撞傳熱②導(dǎo)電固體：自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)傳熱③非導(dǎo)電固體（流體）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振動(dòng)傳熱機(jī)理9（2）對(duì)流：流體中質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）產(chǎn)生相對(duì)位移引起的熱傳遞。①對(duì)流傳熱只發(fā)生在流體中②對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān)特點(diǎn)①自然對(duì)流：流體中各點(diǎn)溫度不同引起流體密度差異，使輕者上浮，重者下沉。②強(qiáng)制對(duì)流：流體因機(jī)械攪拌等外加功加入引起的對(duì)流對(duì)流傳熱的形式注意點(diǎn)①自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流常在流體中同時(shí)發(fā)生②化工生產(chǎn)中，強(qiáng)制對(duì)流的應(yīng)用比自然對(duì)流更普遍和重要關(guān)于對(duì)流傳熱的計(jì)算：——牛頓冷卻定律：

Q=α·A（T高-t低）

α——對(duì)流傳熱膜系數(shù)（w/oC?m2）10(3)輻射：熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄔ诳臻g的傳遞①熱輻射不需任何介質(zhì)②熱輻射是熱能與電磁能的互相轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移③理論上，只要物體溫度T>0K，均可產(chǎn)生輻射實(shí)際上，只有當(dāng)物體之間溫差較大時(shí)，輻射傳熱現(xiàn)象才較突出，一般來說，當(dāng)物體的溫度超過500K時(shí)，輻射熱能才予以考慮。特點(diǎn)11式中：K──總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)或W/(m2·K);Q──傳熱速率，W或J/s;A──總傳熱面積，m2；

tm──兩流體的平均溫差，℃或K。2.3.1傳熱速率方程2.3熱量衡算和傳熱速率方程P60122.3.2熱量衡算無熱損失：冷流體qm2,t2,cP2,h1熱流體qm1,T1,cP1,H1T2

H2t2h213（1）無相變時(shí)的熱量衡算式中：Q──熱冷流體放出或吸收的熱量，J/s；

qm1，qm2──熱冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；

cP1，cP2──熱冷流體的比熱容，J/(s·℃)

h1，h2──冷流體的進(jìn)出口焓，J/kg；

H1，H2──熱流體的進(jìn)出口焓，J/kg。P158-17714（2）有相變時(shí)的熱量衡算式中：r──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；

Ts──熱流體的飽和溫度，℃。P158-17715以逆流為例推導(dǎo)tm假設(shè)：a）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動(dòng)，qm1、qm2一定b）cp1、cp2為常數(shù)，為進(jìn)出口平均溫度下的c）K沿管長不變化d）熱損失忽略不計(jì)結(jié)論：如何推導(dǎo)？2.3.3傳熱基本方程16

現(xiàn)取一微元，其傳熱面積dA，熱流體溫度下降dT，冷流體溫度上升dt，傳熱量dQ。則由方程可得Q與T呈直線Q與t呈直線Q與T-t呈直線dQtQT1t2△t1T2t1△t2dTdt△t=T-t17182.3.4

熱傳導(dǎo)過程式中q──熱流密度，W/m2；

t/n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。

負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律,即19固體導(dǎo)熱系數(shù)金屬材料10～102W/(m?K)

建筑材料10-1～10W/(m?K)

絕熱材料10-2～10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內(nèi)：對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0，t

對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

20液體熱導(dǎo)率金屬液體較高，非金屬液體低；非金屬液體水的最大；水和甘油：t

，其它液體：t

，0.09～0.6W/(m·K)式中：Xwi—i組分質(zhì)量分率

0.9—有機(jī)液體的水溶液混合物

1.0—純有機(jī)流體混合物混合流體導(dǎo)熱系數(shù)可按下式計(jì)算：21氣體熱導(dǎo)率

t

，一般情況下，隨p的變化可忽略；氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。溫度越高，壓強(qiáng)越大，氣體導(dǎo)熱系數(shù)越大分子動(dòng)能增大密度增大，分子碰撞頻率增加混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算：yi—?dú)怏w組分摩爾（體積）分率Mi—i組分氣體分子量各種情況及各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均可查閱手冊(cè)而得22t1t2btxdxQ

平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1單層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：材料均勻，為常數(shù)；一維溫度場(chǎng)，t沿x變化；S/b很大，忽略端損失。積分：232多層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t324通過圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)

假定：(1)定態(tài)溫度場(chǎng)；(2)一維溫度場(chǎng)。取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：25定態(tài)溫度場(chǎng)傅立葉定律26積分邊界條件所以27討論：1．28對(duì)數(shù)平均面積推動(dòng)力阻力平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)29以3層為例

30例題2-1和2-2見教材64頁312.4

對(duì)流傳熱基本概念流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時(shí)的傳熱過程稱為對(duì)流傳熱。它在化工傳熱過程(如間壁式換熱器)中占有重要的地位。流體無相變的對(duì)流傳熱①強(qiáng)制對(duì)流傳熱②自然對(duì)流傳熱流體有相變的對(duì)流傳熱①蒸氣冷凝②液體沸騰32對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過程，影響對(duì)流傳熱速率的因素很多，而且不同的對(duì)流傳熱情況又有差別，因此對(duì)流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗(yàn)方法處理。

對(duì)流傳熱速率=對(duì)流傳熱推動(dòng)力/對(duì)流傳熱阻力

=系數(shù)×推動(dòng)力流體被加熱時(shí):流體被加熱時(shí):332.4.1流給熱系數(shù)的影響因素①引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。強(qiáng)>自

②流體的物性

，，，cp

1.影響因素34⑤是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變>無相變④傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。③流動(dòng)形態(tài)層流、湍流湍>層

352.因次分析

式中l(wèi)——特性尺寸；u——特征流速?；疽虼危洪L度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無因次數(shù)群。＝f(u，l，，，cp，，gt)36

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響37適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>602.4.2無相變對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流38流體被加熱時(shí)，b＝0.4；被冷卻時(shí)，b＝0.3。定性溫度取tm＝(t2＋t1)/2注意事項(xiàng)：

特征尺寸為管內(nèi)徑di39(1)高粘度流體

適用范圍:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di液體被加熱1.05液體被冷卻0.95氣體冷卻或加熱140(2)短管l/d<60(3)過渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管41u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體強(qiáng)化措施：422.4.3

有相變時(shí)的對(duì)流給熱1)沸騰給熱2)蒸氣冷凝給熱43有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn):①相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例：水②相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；③分為液體沸騰與蒸汽冷凝兩種情況。1)沸騰給熱44

1)沸騰給熱

大容積飽和沸騰

大容積沸騰：是指加熱面被浸在無強(qiáng)制對(duì)流的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。此時(shí)，從加熱面產(chǎn)生的氣泡長大到一定尺寸后，脫離表面，自由上浮。因此，大溶積沸騰時(shí)液體的運(yùn)動(dòng)是由溫差引起的自然對(duì)流和氣泡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)所引起的。

管內(nèi)沸騰：是指液體以一定的速度通過加熱管時(shí)，在管內(nèi)表面上發(fā)生的沸騰，又稱為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。此時(shí)管壁上所產(chǎn)生的氣泡不能自由上浮，而是被迫與液體一起流動(dòng)，從而造成復(fù)雜的兩相流動(dòng)，因此管內(nèi)沸騰的機(jī)理要比大容積沸騰更為復(fù)雜。45

粗糙表面的汽化核心固體加熱表面可提供最大過熱度，是產(chǎn)生氣泡最有利的場(chǎng)所。盡管如此，也不是加熱表面上的任何一點(diǎn)都能產(chǎn)生氣泡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡是在粗糙加熱面上過熱度最大的細(xì)小凹縫上產(chǎn)生，這些點(diǎn)稱為汽化核心。當(dāng)氣泡形成后，由于壁溫較高，加上周圍過熱液體溫度也略高于氣泡內(nèi)的溫度，熱量不斷傳入，使氣泡周圍液體繼續(xù)汽化，氣泡不斷長大，直至在浮力的作用下離開壁面。氣泡脫離之后，周圍的液體便會(huì)涌來填補(bǔ)空位，經(jīng)過加熱后又產(chǎn)生新的氣泡。 在無相變化的對(duì)流給熱中，熱阻主要集中在緊貼傳熱面的層流底層內(nèi)。沸騰給熱也是如此。但在沸騰給熱時(shí)，由于氣泡的生成和脫離，對(duì)近壁處的液層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，使熱阻大為降低，46以常壓下飽和水在鉑電絲表面上的沸騰為例討論沸騰α與過熱度△t=Tw-tS

的關(guān)系。圖6-19為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的α與△t的關(guān)系。

大容積飽和沸騰曲線ABCD表面汽化（自然對(duì)流）核狀沸騰膜狀沸騰不穩(wěn)定膜狀沸騰0.11.0101001000/℃

①

AB段，℃

，（緩慢增加）。此時(shí)，小，不足以產(chǎn)生氣泡，加熱表面與液體間的給熱是靠自然對(duì)流進(jìn)行的。此階段汽化現(xiàn)象只是在液面上發(fā)生，嚴(yán)格說來還不是沸騰，而是表面汽化。47

沸騰給熱

②

BC段，℃，（C點(diǎn)=55℃，稱為臨界溫差）。加熱面上有氣泡產(chǎn)生，（急劇上升）。這是由于氣泡的產(chǎn)生和脫離對(duì)加熱面附近液體的擾動(dòng)越來越劇烈的緣故。此階段稱為核狀沸騰。

ABCD表面汽化（自然對(duì)流）核狀沸騰膜狀沸騰不穩(wěn)定膜狀沸騰0.11.0101001000/℃

③臨界點(diǎn)C以后的CD段，由于汽化核心的繼續(xù)增多，以致產(chǎn)生的氣泡來不及脫離加熱面就相互連接，形成氣膜，把加熱面與液體隔開，熱量必須通過此氣膜才能傳到液體主體中。因?yàn)闅怏w的導(dǎo)熱系數(shù)比液體小得多，所以使α↓↓（急劇下降）此階段成為不穩(wěn)定膜狀沸騰。48從核狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)，此時(shí)的過熱度稱為臨界溫度差。水在常壓下飽沸騰℃，圖中所示是水在經(jīng)過專門處理的鉑電熱絲表面上測(cè)得的，故臨界點(diǎn)位置較高沸騰給熱ABCD表面汽化（自然對(duì)流）核狀沸騰膜狀沸騰不穩(wěn)定膜狀沸騰0.11.0101001000/℃

④

D點(diǎn)以后，℃，由于加熱面具有很高的溫度，輻射傳熱的影響越來越顯著，故α再度隨△t的增大而增加。其他液體在不同壓強(qiáng)下的飽和沸騰曲線與水有類似的形狀，僅臨界點(diǎn)的數(shù)值不同而已。49

結(jié)論：由于核狀沸騰具有α大、壁溫低的優(yōu)點(diǎn)，因此工業(yè)沸騰裝置總是設(shè)法控制在核狀沸騰下操作。為保證沸騰裝置在核狀沸騰狀態(tài)下工作，須控制，否則，核狀沸騰將轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序vα↓↓，且加熱面Tw↑↑，甚至將設(shè)備燒毀。（5）沸騰給熱計(jì)算沸騰給熱過程及其復(fù)雜，其影響因素大致分為液體和蒸汽性質(zhì)、加熱面的粗糙情況和表面物理性質(zhì)、操作壓強(qiáng)的溫差等三個(gè)方面。關(guān)于沸騰給熱至今尚沒有可靠的一般的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，教材上介紹了一種將沸騰給熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)的函數(shù)形式。沸騰給熱502)

蒸汽冷凝給熱

冷凝給熱過程的熱阻：飽和蒸汽:氣相主體中無溫差,也無熱阻,主要集中在凝液液膜上.過熱蒸汽:導(dǎo)熱系數(shù)小,熱阻集中在壁面附近.51

膜狀冷凝和滴狀冷凝

飽和蒸汽冷凝給熱的熱阻主要集中在冷凝液膜，因此，冷凝液的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)給熱系數(shù)α必有極大的影響。冷凝液在壁面上存在和流動(dòng)方式有兩種類型：膜狀和滴狀。

膜狀冷凝：若冷凝液能夠潤濕壁面，并形成一層完整的液膜向下流動(dòng)，這種冷凝稱為膜狀冷凝，膜狀冷凝的熱阻大，α小。52

滴狀冷凝：若蒸汽中混有油脂類物質(zhì)，或者壁面被油脂粘污時(shí)，冷凝液不能全部潤濕壁面，而是結(jié)成滴狀小液珠，從壁面落下，重又露出新的冷凝面，這種冷凝稱為滴狀冷凝。在滴狀冷凝時(shí)，大部分壁面直接暴露在蒸汽中，因此熱阻要小得多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滴狀冷凝的α比膜狀冷凝的α大5～10倍。但是，到目前為止，在工業(yè)冷凝器中即使采用了促進(jìn)滴狀冷凝的措施，也不能持久。所以工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)都按膜狀冷凝考慮。如何在工業(yè)冷凝器中采取措施能持久促進(jìn)滴狀冷凝有待于我們?nèi)ヅρ芯俊?3

影響冷凝給熱的因素及強(qiáng)化措施

（1）不凝性氣體的影響

當(dāng)蒸汽中含有少量空氣或其他不凝性氣體時(shí)，隨著蒸汽冷凝過程的繼續(xù)進(jìn)行，不凝性氣體便在液膜表面積聚成一層氣膜。這樣蒸汽必須以擴(kuò)散的方式穿過氣膜，到達(dá)液膜表面才能冷凝，相當(dāng)于增加了一項(xiàng)熱阻，使α下降。據(jù)測(cè)定，當(dāng)蒸汽中含有1％空氣時(shí)，α值下降60％。結(jié)論：冷凝器都設(shè)有不凝性氣體排放口，操作時(shí)要及時(shí)排放不凝性氣體。

飽和蒸汽ts液膜tw氣膜54

（