傳熱過(guò)程課件

傳熱過(guò)程4-1概述1.化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程物體或系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移的過(guò)程，稱為熱量的傳遞，簡(jiǎn)稱傳熱。

（1）物料的加熱或冷卻（2）換熱，即熱量的回收利用，合理的使用熱源。（3）保溫，以減少熱量損失。應(yīng)用：傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過(guò)程，通常來(lái)說(shuō)有溫度差的存在就有熱的傳遞傳熱的三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射（1）熱量：能量的一種形式，單位J。（2）傳熱速率Φ：熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位W或J/s；（3）熱流密度q：熱通量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位W/m2或J/(s.m2).q與Φ的關(guān)系式中：A──總傳熱面積，m22.傳熱中的一些基本物理量和單位

（4）比熱容：指壓力恒定時(shí)單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K時(shí)所需的熱量，單位為J·k-1·kg-1。非定態(tài)傳熱

3.定態(tài)&非定態(tài)傳熱

定態(tài)傳熱

[steady（unsteady）heattransfer]i.e.1.傅立葉定律4-2傳導(dǎo)傳熱Φ——導(dǎo)熱速率，WA——導(dǎo)熱面積，m2，λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.Kdt/dx——沿x方向上溫度梯度，K/m負(fù)號(hào)——表示熱流方向與溫度梯度方向相反1.1基本表達(dá)式：t+Δttt-ΔtgradtQΔn溫度梯度為向量，其正方向?yàn)闇囟仍黾拥姆较?，與傳熱方向相反。*

溫度梯度

相鄰兩等溫面間溫差△t與其距離△n之比的極限：〖說(shuō)明〗穩(wěn)定一維溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為：1.2導(dǎo)熱系數(shù)（1）導(dǎo)熱系數(shù)定義式：

λ表征物體導(dǎo)熱性能大小，λ↗，導(dǎo)熱性能↗。(4-3)數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量（2）

是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。

=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）（3）各種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)

金屬固體

>

非金屬固體

>

液體

>

氣體

在一定溫度范圍內(nèi)：式中:0,──0℃,t℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)；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

1）固體

金屬[20～400W/(m·℃)]，：

純金屬>

合金非金屬[0.2～3.0W/(m·℃)]：同樣溫度下，

↗，

↗。(4-3)對(duì)大多數(shù)固體，λ值與溫度大致成線性關(guān)系：2）液體——0.1～0.7W/(m·℃)金屬液體

較高,非金屬液體低,水

最大[0.6W/(m·℃)]。

t

（水、甘油除外）3）氣體一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液

t

氣體導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但利于保溫、絕熱P的影響一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，λ隨p變化很小，可忽略；過(guò)高(>2×105kPa)、過(guò)低(<3kPa)時(shí)，P↑，λ↑2.平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)

2.1單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

如圖所示，平壁厚度為b，面積為A?過(guò)程為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱速率Q為常量

假設(shè)：(1)A大，b?。?2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。t1t2btxdxQxQx+dx積分：定態(tài)熱傳導(dǎo)，Φ為常數(shù)傅立葉定律：?導(dǎo)熱速率Φ與傳熱推動(dòng)力Δt、傳熱面積A和導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比，與壁厚成反比。2.2多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

假設(shè)：層與層間接觸良好，即相互接觸兩表面溫度相同，且t1>t2>t3>t4各層平壁面積相等，均為A，厚度分別為b1，b2，b3各層導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，分別為λ1、λ2、λ3傳熱為定態(tài)一維熱傳導(dǎo)：Φ1=Φ2=Φ3=Φ以三層平壁為例。t1t2b1txb2b3t2t4t3Qt1t2t3t4b1b2b3由傅立葉定律，得：等比定理：（三）各層的溫差思考：厚度相同三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示,說(shuō)明各層的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2推廣至n層：例4-1、4-2，P107【例4-a1】某冷庫(kù)的墻壁由三層材料構(gòu)成，內(nèi)層為軟木，厚15mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.043W/(m·℃)，中層為石棉板，厚40mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.10W/(m·℃)，外層為混凝土，厚度200mm,導(dǎo)熱系數(shù)1.3W/(m·℃)，測(cè)得內(nèi)墻表面-18℃，外墻表面溫度24℃，計(jì)算每平方米墻面的冷損失量；若將內(nèi)、中層材料互換而厚度不變，冷損失量將如何變化。解:已知t1＝24℃,t4=-18℃,λ1=0.043W/(m·℃),λ2=0.10W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互換材料后：t1＝24℃,t4=-18℃,λ1′=0.10W/(m·℃)，λ2′=0.043W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)

互換材料后，由于導(dǎo)熱熱阻的增大，使得冷量損失減少。在使用多層材料保溫時(shí)要注意熱阻的分配。

Qdrrr1r2t1t2L3.1單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特點(diǎn):～溫度&傳熱面積均隨半徑而變，均非常量。3.圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱積分：?jiǎn)螌訄A筒壁導(dǎo)熱速率計(jì)算式整理：穩(wěn)態(tài)下通過(guò)圓筒壁的導(dǎo)熱速率Q與r無(wú)關(guān)，但q：q隨r變化寫成與平壁導(dǎo)熱速率方程式類似的形式：3.2多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：各層間接觸良好各層導(dǎo)熱系數(shù)λ1、λ2、λ3均為常數(shù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)以三層為例：【例】一套管換熱器的內(nèi)管為φ25×2.5mm的鋼管，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·K)，該換熱器在使用一段時(shí)間以后，在換熱管的內(nèi)外表面上分別生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知兩垢層與流體接觸一側(cè)的溫度分別為160℃和120℃，試求此換熱器單位管長(zhǎng)的傳熱量。

例4-3，P1091.1冷熱流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程（對(duì)流傳熱）t2t1T1T2對(duì)流給熱導(dǎo)熱冷流體Q熱流體對(duì)流給熱對(duì)流傳熱依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行傳熱；與流動(dòng)狀況有密切相關(guān)4-3對(duì)流傳熱1.對(duì)流傳熱機(jī)理流體流過(guò)固體壁面時(shí)，流體粘性作用使靠近固體壁面附近存在一薄層流底層，熱量傳遞主要為熱傳導(dǎo)。流體導(dǎo)熱系數(shù)較低，層流底層中導(dǎo)熱熱阻很大，溫差較大，溫度梯度較大；湍流主體中，流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合并充滿漩渦，湍流主體中溫差及溫度梯度極小，各處溫度基本相同；湍流主體與層流底層之間過(guò)渡層，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，該層內(nèi)溫度變化緩慢。1.2溫度在湍流流體中的分布1.3對(duì)流傳熱的膜理論模型假設(shè)湍流主體和過(guò)渡區(qū)的熱阻全部集中到層流底層的熱阻中，則靠近壁面處構(gòu)成一層厚度為δ的有效膜，膜內(nèi)為層流，膜外為湍流，膜內(nèi)以導(dǎo)熱方式傳熱。由于影響對(duì)流傳熱的因素很多，δ不易測(cè)量，通常用對(duì)流傳熱系數(shù)α代替上式中的λ/δ，得：由傅立葉定律：TTWttW

上式稱為對(duì)流傳熱速率方程，也稱牛頓冷卻公式。熱流體：冷流體：參數(shù)綜合法對(duì)α影響較大有：導(dǎo)熱系數(shù)λ、粘度μ、比熱Cp、密度ρ及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系數(shù)β具體：

λ↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑

2.1影響對(duì)流傳熱系數(shù)因素自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫差，各部分流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流：由于外來(lái)的作用，迫使流體流動(dòng)。α自然對(duì)流<α強(qiáng)制對(duì)流（1）流體的物理性質(zhì)（2）流體流動(dòng)的原因2.對(duì)流傳熱膜系數(shù)湍流：隨Re↗，層流底層厚度↘，阻力↘，α↗。層流：流體無(wú)混雜質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，α較湍流時(shí)小。即：α層流<α湍流

（3）流體的流動(dòng)狀態(tài)α有相變>α無(wú)相變；因?yàn)槠療醨比cp大得多

（4）流體的相態(tài)變化情況（5）傳熱面的形狀，相對(duì)位置與尺寸形狀：管、板、管束等；大小：管徑、管長(zhǎng)等；位置：管子排列方式（正四方形、三角形排列）；管或板垂直/水平放置。傳熱面越粗糙，對(duì)流傳熱系數(shù)α越大2.2傳熱過(guò)程的特征數(shù)流速u，傳熱特征尺寸l，流體的黏度μ，導(dǎo)熱系數(shù)λ，密度ρ，比熱容Cp，單位質(zhì)量流體升浮力βgΔt，流體無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素：

α＝f(u,l,μ,λ.ρ,Cp，βgΔt)即：(4-17)上式為無(wú)相變時(shí)，對(duì)流傳熱特征數(shù)關(guān)系式一般形式*因次分析

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)基本因次：長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度；變量總數(shù)：8由定理：（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群準(zhǔn)數(shù)式符號(hào)名稱意義Nu努寒爾特準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)表示對(duì)流傳熱強(qiáng)弱程度Re雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynolds)反映流體流動(dòng)湍動(dòng)程度Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Prandtl)反映物性對(duì)傳熱影響Gr格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)(Grashof)反映自然對(duì)流強(qiáng)弱程度

各準(zhǔn)數(shù)名稱、符號(hào)、意義：2.3傳熱膜系數(shù)的特征關(guān)聯(lián)式1.狄丟斯公式2.其它各種情況下的經(jīng)驗(yàn)公式（4-13~4-17）管內(nèi)流體被加熱時(shí)，靠近管壁處層流底層溫度高于流體主體溫度；流體被冷卻時(shí)，情況正好相反。對(duì)液體，粘度隨溫度↗而↘，液體被加熱時(shí)層流底層↘，大多數(shù)液體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度↗有所↘，但不顯著，總結(jié)果使對(duì)流給熱系數(shù)↗。液體被加熱時(shí)對(duì)流給熱系數(shù)必>冷卻時(shí)對(duì)流給熱系數(shù)。大多數(shù)液體Pr>1,即Pr0.4>Pr0.3。液體被加熱，n取0.4；冷卻，n取0.3。對(duì)氣體，粘度隨溫度↗而↗，氣體被加熱時(shí)層流底層↗，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度↗也略有↗，總結(jié)果使對(duì)流給熱系數(shù)↘。氣體被加熱時(shí)對(duì)流給熱系數(shù)必<冷卻時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)。由于大多數(shù)氣體Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3，氣體被加熱，n取0.4；冷卻，n取0.3。查得苯的物性數(shù)據(jù)：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，λ=0.14W/m·℃【例4-a3】列管換熱器由254根φ25×2.5mm，長(zhǎng)6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)流動(dòng)的苯，苯的流量為50kg/s，進(jìn)出口溫度分別為20℃和80℃，試求管內(nèi)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)。若將苯的流量增加50%，而仍維持原來(lái)的出口溫度，對(duì)流傳熱系數(shù)將如何變化。解：定性溫度t=(20+80)/2=50℃每根管內(nèi)流速3.流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱膜系數(shù)特點(diǎn)：相變流體放出或吸收大量潛熱，但流體溫度基本不變；壁面附近流體層中溫度梯度較高，對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變時(shí)更大；蒸汽冷凝&液體沸騰3.1蒸汽冷凝飽和蒸汽與低于飽和溫度的壁面相接觸時(shí)，放出潛熱，冷凝成液體而另一側(cè)流體被加熱。優(yōu)點(diǎn)：(1)飽和蒸汽具有恒定溫度，操作時(shí)易于控制；(2)蒸汽冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)較無(wú)相變時(shí)大得多。冷凝方式：膜狀冷凝和滴狀冷凝

滴>膜

強(qiáng)化措施

對(duì)純蒸汽冷凝，恒壓下ts為定值，即氣相主體內(nèi)無(wú)溫差也無(wú)熱阻，

大小主要取決于液膜厚度及冷凝液物性。在流體一定情況下，一切能使液膜變薄的措施將強(qiáng)化冷凝傳熱過(guò)程。

減小液膜

最直接方法：從冷凝壁面高度和布置方式入手

垂直壁面上開(kāi)縱向溝槽，以減薄壁面上液膜

；

壁面上安裝金屬絲或翅片，使冷凝液在表面張力作用下流向金屬絲或翅片附近集中，從而使壁面上液膜減??；使冷凝傳熱系數(shù)得到提高；

水平管束：可采用錯(cuò)列↑αΔt=tw-tsA自然對(duì)流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰(1)AB段——

t<5

C

t=tW－tS，

t很小時(shí)，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡；長(zhǎng)大速度慢，加熱面與液體之間以自然對(duì)流為主；汽化僅發(fā)生在液體表面，嚴(yán)格說(shuō)還不是沸騰，而是表面汽化；此階段，

較小，隨

t升高緩慢增大。3.2液體沸騰傳熱(2)BC段——25

C>

t>5

C↑αΔt=tw-tsA自然對(duì)流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰汽化核心數(shù)↗，汽泡長(zhǎng)大速度↗，對(duì)液體擾動(dòng)↗對(duì)流傳熱系數(shù)↗，汽化核心產(chǎn)生氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用～核狀沸騰(3)CD段——250

C>t>25C↑αΔt=tw-tsA自然對(duì)流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰Δt↗一定數(shù)值，加熱面汽化核心↗↗，氣泡產(chǎn)生速度>脫離壁面速度，氣泡相連形成氣膜，將加熱面與液體隔開(kāi)；氣體導(dǎo)熱系數(shù)較小，使，～不穩(wěn)定膜狀沸騰。臨界點(diǎn)(4)DEF段——t>250C↑αΔt=tw-tsA自然對(duì)流B核狀沸騰CDEF膜狀沸騰氣膜穩(wěn)定，加熱面tW高，熱輻射影響↗，對(duì)流傳熱系數(shù)↗，～穩(wěn)定膜狀沸騰。臨界點(diǎn)工業(yè)上：核狀沸騰優(yōu)點(diǎn)：

大，tW小4-4熱交換的計(jì)算總傳熱速率方程式：熱流體qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流體qm2,t1,cp2,h1t2h24.1熱量衡算i.e.理想換熱條件下，保溫良好無(wú)熱損失，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出熱量等于冷流體吸收熱量。由冷熱流體熱量衡算知（無(wú)熱損失）：熱流體qm1,T1,cp1,H1T2H2冷流體qm2,t1,cp2,h1t2h2（1）若兩流體均無(wú)相變化，且Cp可視為常數(shù)，則：其中：其中：r——飽和蒸汽的比汽化熱。J/kg（2）若一側(cè)流體有相變—e.g.

熱流體飽和蒸汽冷凝，或冷流體沸騰熱流體飽和蒸汽冷凝，冷流體t1↗t2，T恒定熱流體T1↘T2，冷流體沸騰，t恒定1、恒溫傳熱2、變溫傳熱

tm與流體流向有關(guān)4.2傳熱平均溫度差（推動(dòng)力）逆流并流錯(cuò)流折流（1）逆流和并流時(shí)的

tmt2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1

t2tAt1T2T1逆流并流以逆流為例推導(dǎo)假設(shè)：1）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動(dòng)，qm1、qm2一定

2）cp1、cp2為常數(shù)，為進(jìn)出口平均溫度下的3）K沿管長(zhǎng)不變化4）熱損失忽略不計(jì)Δt1,Δt2=？T2t1t2T1dTdtdAAt

t2

t1TtT2t1t2T1A

t2

t1①Δtm表達(dá)式也適用并流，但Δt1、Δt2表達(dá)式不同說(shuō)明：逆流并流②習(xí)慣上較大溫差

t1，較小溫差t2，分子分母>0；③當(dāng)t1/t2<2，則可用算術(shù)平均值代替；④當(dāng)t1＝t2⑤并流和逆流特點(diǎn)：并流進(jìn)出口推動(dòng)力差別大，且冷流體出口t2<熱流體出口T2；逆流進(jìn)出口推動(dòng)力差別小，且冷流體出口t2可能>熱流體出口T2，但必然<熱流體進(jìn)口T1。⑥當(dāng)傳熱面趨于無(wú)窮大時(shí)，并流t2→T2，⊿tm→0；逆流t2→T1，T2→t1，⊿tm→0。工程上多采用逆流例4-11熱流體固體壁面一側(cè)固體壁面一側(cè)另一側(cè)固體壁面另一側(cè)冷流體twTw給熱給熱導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ4.3總傳熱系數(shù)K（3）冷流體側(cè)的給熱（1）熱流體側(cè)的給熱（2）管壁熱傳導(dǎo)對(duì)于定態(tài)傳熱：式中K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

討論：①當(dāng)傳熱面為平面時(shí)，dA=dA1=dA2=dAm②傳熱面為圓筒壁時(shí)：以熱流體側(cè)壁表面為基準(zhǔn)(dA=dA1):

K1——以熱流體側(cè)壁表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)；

dm——換熱管的對(duì)數(shù)平均直徑。以壁平均表面為基準(zhǔn)：以冷流體側(cè)壁表面為基準(zhǔn)：近似用平壁計(jì)算式中③1/K值的物理意義

總熱阻熱流側(cè)熱阻壁熱阻冷流側(cè)熱阻4.4傳熱計(jì)算示例傳熱速率方程：熱量衡算：平均溫度差：總傳熱系數(shù)：對(duì)流傳熱方程：對(duì)流傳熱系數(shù)：例4-7、4-8有一套管式換熱器，在管徑為Ф38mm×2mm的內(nèi)管中有流速為1.5m/s的水從25℃加熱到55℃，在內(nèi)管與外套管的環(huán)隙中有壓力為140kPa的飽和水蒸氣冷凝放熱，其對(duì)流傳熱系數(shù)α2=104W/（m2.k）。試求水蒸氣消耗量和所需的傳熱面積。（已知：140kpa下水蒸氣的飽和溫度Ts=109.2℃，比汽化熱r=2.234×106J/kg，水平均溫度下：Cp1=4.174×103J/(kg.k)ρ=992.2kg/m3,μ=65.6×10-5pa.sλ=63.38×10-2w/(m.k)【練習(xí)題】5.1換熱器分類●按用途分類：

加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器●按冷熱流體熱量交換方式分類：混合式、蓄熱式和間壁式●主要內(nèi)容：1.根據(jù)工藝要求，選擇適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型；2.通過(guò)計(jì)算選擇合適的換熱器規(guī)格。4-5熱交換器5.2間壁式換熱器類型（一）板式換熱器1、夾套換熱器主要用于反應(yīng)過(guò)程的加熱和冷卻。蒸汽加熱時(shí)，蒸汽高進(jìn)低出；冷卻水冷卻時(shí)，水低