《化工单元操作》传热与传热设备课件

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1、化工单元操作化工单元操作传热与传热设备传热与传热设备4.1 4.1 概述概述(1)传热原理传热原理热力学第二定律热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温 传递向低温，直至温度相等。传热方向传热方向：传热极限传热极限：传热推动力传热推动力：高温低温温度相等温度差传热应用：科研、生产、生活传热应用：科研、生产、生活(2)(2)传热的基本方式传热的基本方式热传导热传导：对流对流：辐射辐射：实际传热过程实际传热过程：固体的主要传热方式分子无规则热运动，使相邻分子间传热传热速率相对较慢单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热传热速率与流动状态密切相关物体

2、发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触物体温度，热辐射能力。三种方式同时存在 传热的目的：传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。典型换热设备：典型换热设备：间壁式换热器间壁式换热器(冷,热流体间换热)(4)传热在传热在工业的应用工业的应用 （3）稳态传热和非稳态传热）稳态传热和非稳态传热 稳态传热：各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热：各点温度随位置和时间而变列管换热器列管换热器(间壁式间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2 间壁换热 (5)(5)本章研究的主要问题本章研究的主要问题

3、1）三种传热机理（计算热流量）2）换热器计算（设计、校核）3）换热设备简介热传导机理热传导机理 气体气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。液体液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递。固体：固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。4.2 热传导（导热）热传导（导热）4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律（1）温度场）温度场 指指：所研究的具有一定温度分布的空间范围。稳态温度场：稳态温度场：非稳态温度场：非稳态温度场：稳态传热稳态传热：稳态温度场中的传热 各点热流量不随时间变化 （2）描述温度场特性的几个参数描述温度场特性的几个参数 等温面等温面 指指：具有相同温度的点

4、组成的面 特点特点：等温面不会相交 温度梯度温度梯度 指指：沿等温面法线方向的温度变化率方向方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直（3）热流量热流量：，w(J/s)热流密度热流密度：（4 4）傅立叶定律傅立叶定律 ：热导率，w/mK，w/m A：传热面积，m2 垂直于热流方向的面积 -：与 方向相反(热流量从高温低温)付立叶定律表明付立叶定律表明：4.2.2 4.2.2 热导率热导率说明：说明：物性参数，标志物质导热性能物性参数，标志物质导热性能 (书P239-240)影响因素：影响因素：=f(=f(材料材料,结构结构,温度温度,湿度湿度,压强压强)定义式定义式:一般规律：一般规律：气体-液

5、体-固体-t1t24.2.3 4.2.3 平壁的稳态导热平壁的稳态导热(1)(1)单层平壁稳态导热单层平壁稳态导热 条件条件：平壁、一维稳态导热(x方向)内容内容：热流量计算、温度分布 对平壁做热量衡算对平壁做热量衡算：对稳态传热：对稳态传热：热导率为常数热导率为常数平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线沿壁厚方向，温度分布为一直线.热导率和温度有关热导率和温度有关 方法一方法一方法二方法二：按：按=const公式做，把公式做，把 m m即：即：=f(t)时，时，沿壁厚方向，温度分布为非线性沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：(2)(2

6、)多层平壁的稳态导热多层平壁的稳态导热 条件条件：多层平壁 一维稳态导热(x方向)则则：2 2、各层厚度相同时，哪层温差大、各层厚度相同时，哪层温差大 问题：问题：1 1、多层平壁温度分布、多层平壁温度分布()L与平壁稳态导热的异同点与平壁稳态导热的异同点相同点：相同点：一维稳态导热，=常数不同点：不同点：热流方向（径向）传热面积沿径向不同4.2.4 4.2.4 长圆筒壁的稳态导热长圆筒壁的稳态导热 (1)(1)计算热流量计算热流量 单层圆筒壁单层圆筒壁 沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：多层圆筒壁多层圆筒壁(2)(2)圆筒壁内温度分布圆筒壁内温度分布 可由傅立叶定律得出：即：沿半径方向，温度分

7、布为非线性.4.2.5 4.2.5 圆球壁的稳态导热（圆球壁的稳态导热（自学）热流量：热流量：温度分布：温度分布：非线性稳态导热时，平板上两层保温材料的温度分布如图，（A、B两层厚度相等），则：A层的热导率层的热导率 B层的热导率；层的热导率；大于大于A Bxt提出提出问题问题?解：换位置：一蒸汽管外壁温为一蒸汽管外壁温为160，管外径为，管外径为100，采用石棉及，采用石棉及85%氧化镁粉保温，保温层厚度均为氧化镁粉保温，保温层厚度均为5cm，石棉保温，石棉保温层在内侧，设环境温度为层在内侧，设环境温度为40。(1)试求单位管长的试求单位管长的热损失，热损失，(2)将保温层位置交换，热损失有

8、何变化？将保温层位置交换，热损失有何变化？r1r2r3小结小结:1.概述 传热的基本方式:热传导、对流、辐射 稳态传热与非稳态传热2.热传导 基本概念：温度场、等温面、温度梯度、傅立叶定律：热导率：实验方法测定 热传导计算热流量计算：温度分布温度分布平壁：平壁：每层为线性分布，层间斜率不同每层为线性分布，层间斜率不同圆筒壁：圆筒壁：沿径向非线性分布沿径向非线性分布（1）机理）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。是流体的主要传热方式。对流传热与流体流动状况密切相关对流传热与流体流动状况密切相关 湍动程度越高，对流的传热速率越大。层流流体层流流体：热传导；湍流流体湍流流体：对流传热为主，包

9、括热传导。分类：分类：自然对流：自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。强制对流强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。（2）对流传热）对流传热 工程上，指流体和固体壁面间的传热过程工程上，指流体和固体壁面间的传热过程 包括对流传热和热传导4.3 对流传热对流传热流体主体流体主体热边界层内热边界层内4.3.1 热边界层的概念热边界层的概念 （1）热边界层）热边界层 近壁处，流体温度显著变化的区域。（2）热边界层的厚度）热边界层的厚度（3）热边界层内（近壁处）热边界层内（近壁处）认为认为：集中全部的温差和热阻 热边界层外（流体主体）热边界层外（流体主体）认为：认为：等温区，无温差和热阻（4）热边

10、界层同样有一个发展过程）热边界层同样有一个发展过程 圆管内，（5）热边界层与流动边界层关系）热边界层与流动边界层关系 区别区别：本质不同；厚度不一定相等。联系联系：研究问题方法相似；两者密切相关：分析湍流流动的传热边界层分析湍流流动的传热边界层湍流区湍流区：缓冲层缓冲层：层流内层层流内层：质点通过相互混合传热，温度变化小；质点混合、分子运动共同作用传热，温度变化平缓。流体层流，质点不相混合，热传导为主，热阻大，温差大。结论结论：流动边界层对传热边界层影响显著，：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。可使传

11、热速率大大提高。热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2 间壁换热th1th2tc1tc2th,wtc,w4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律说明说明：实验定律；对壁两侧流体(冷、热)均适用 热流体：热流体：冷流体冷流体：h是计算关键，一般由实验测定；（2）对流传热过程的简化模型）对流传热过程的简化模型 真实模型真实模型 流体主体过渡层 层流内层 对流 对流,导热 导热 研究方法研究方法：计算各层的热流量简化模型简化模型 有效膜（虚拟膜）：有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。优点：优点：把对流传热问题 导热问题

12、 （1）流动状态流动状态 湍动湍动，代价代价：湍动，动力消耗。4.4 表面传热系数的经验关联表面传热系数的经验关联4.4.1 影响表面传热系数的因素影响表面传热系数的因素（2）流动原因流动原因 强制对流强制对流，外部机械作功，一般流速较大，h也较大。自然对流自然对流，由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，h也较小。（3）流体的物性）流体的物性 ：CP：问题：查取物性的温度问题：查取物性的温度 定性温度定性温度：计算：计算表面传热系数的特征温度 一般，（4）传热面条件的影响）传热面条件的影响 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响）相变化

13、的影响 有相变传热有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾 无相变传热：无相变传热：强制对流、自然对流 一般的，有相变时表面传热系数较大。例例：水 强制对流，蒸汽冷凝，4.4.2 无相变时对流传热过程的量纲分析无相变时对流传热过程的量纲分析 （1）量纲分析）量纲分析优点：优点：依据依据：步骤：步骤：减少实验次数物理方程各项量纲一致（2）描述对流传热的四个重要无量纲数）描述对流传热的四个重要无量纲数（3）无量纲准数的物理意义无量纲准数的物理意义 努赛尔数努赛尔数 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数反映对流传热的强弱，包含表面传热系数 努赛尔数恒大于努赛尔数恒大于1 1 雷诺数雷诺数 反映流动状态对反映流

14、动状态对h h 的影响。的影响。l：特征尺寸：特征尺寸，平板-流动方向的板长 管-管径或当量直径 普朗特数普朗特数 反映热扩散和动量扩散的相对大小；反映流动边界层和热边界层的相对厚度 反映流体物性对传热的影响使用时注意使用时注意：*查取定性温度下的物性；*计算所用单位物理意义：反映自然对流的强弱程度物理意义：反映自然对流的强弱程度 格拉晓夫数格拉晓夫数（浮升力特征数）浮升力特征数）强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：混合对流：混合对流：4.4.3 无相变时对流传热无相变时对流传热无相变对流传热：其中，（1）无相变管内强制对流）无相变管内强制对流 一般关系式：流动状态不同，则 c,m,n 不

15、同。其规律见图4.4.1传热流动状态划分传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ）层流层流 湍流湍流 过渡流过渡流 流体被加热，n=0.4 流体被冷却，n=0.3 原因：书P257 自学 园形直管内湍流流体的表面传热系数园形直管内湍流流体的表面传热系数 a)一般流体一般流体定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径di说明说明：保证流体达到传热湍流；适用条件适用条件：原因原因：避开传热进口段，保证稳态传热。传热进口段传热进口段：传热正在发展，h不稳定(随管长增加h减小)动画传热进口段长度：传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度 层流 湍流 经验公式，

16、有一定误差经验公式，有一定误差保证流体低粘度近似取：液体被加热液体被加热 液体被冷却液体被冷却适用条件适用条件：b)粘度较大粘度较大流体流体定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径dic)流体流过流体流过短管短管（l/dhh膜状冷凝膜状冷凝，相差几倍到几十倍 但工业操作工业操作：多为膜状冷凝(成熟)(2)膜状冷凝表面传热系数膜状冷凝表面传热系数 努塞尔方程努塞尔方程 研究：研究：垂直管外或壁面的膜状膜状冷凝 方法：方法：真实模型简化模型数学模型求解 膜状冷凝的真实过程膜状冷凝的真实过程 h(3)膜状冷凝传热膜系数的经验关联膜状冷凝传热膜系数的经验关联 受力分析、质量衡算、热量衡算 实验 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 1）液膜层流）液膜层流 2）液膜湍流）液膜湍流 特征尺寸特征尺寸b：取管长l 此式和实验结果基本一致。水平管冷凝表面传热系数水平管冷凝表面传热系数 1）水平单管外冷凝水平单管外冷凝 理论计算：将竖壁对方位角做积分（0-1800）层流时层流时，蒸汽冷流体 2）水平管束外的冷凝）水平管束外的冷凝 与单管外冷凝的区别与单管外冷凝的区