第六章傳熱1概述1.1傳熱目的①加熱、冷卻物料②回收熱量或冷量設(shè)法促進(jìn)傳熱③保溫，減少熱量或冷量損失設(shè)法阻止傳熱傳熱還用于其它單元操作如蒸發(fā)，精餾1.2傳熱機(jī)理①傳導(dǎo)—分子熱運(yùn)動(自由電子遷移)接觸②對流—流體宏觀遷移引起載熱接觸③輻射—電磁波不接觸熱水瓶為什么能保溫？1.3冷熱流體接觸方式①蓄熱式②直接接觸式③間壁式

1.4化工常用載熱體加熱最常用水蒸汽

(鍋爐房)常用工業(yè)鍋爐p<0.8MPa(表)(175℃)

道生油、熔鹽、電加熱冷卻常用河水、井水、自來水鹽水、冷凍劑1.5基本概念①熱流量Q,

(W=J/s)

單位時間，熱流體通過整個傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量。②熱流密度q,（W/m2）單位時間、單位面積所傳遞的熱量。顯然，熱流量③定態(tài)與非定態(tài)定態(tài)：非定態(tài)：從0~τ時刻累積傳熱量QT,2熱傳導(dǎo)2.1傅立葉定律熱流密度與溫度梯度成正比λ：W/m·℃=W/m·Kλ量級：金屬10~102W/m·℃

絕熱材料10-2~10-1W/m·℃

液體10-1W/m·℃

氣體10-2W/m·℃1．λ金屬>λ液體>λ氣體2．溫度升高時，λ液下降(水例外)，λ氣上升，

λ金屬下降，大多λ非金屬上升2.2單層平壁導(dǎo)熱解決：①溫度分布②熱流量條件：①定態(tài)②一維(橫向?qū)岵挥?分析：①取控制體②作熱量衡算：進(jìn)=出+累積定態(tài)：累積=0，Q1=Q③結(jié)合特征方程解析解

λ=常數(shù)時積分溫度分布線性,或工程處理方法多層平壁導(dǎo)熱條件：定態(tài)一維串聯(lián)過程，速率一致結(jié)果：溫差按熱阻大小分配例1已知：兩層平壁λ1=1.4W/m·℃,δ1=100mm,λ2=0.14W/m·℃,δ2=200mm,t1=650℃,t3=50℃。求：兩壁接觸處的溫度t2。解：先定性分析，哪個斜率大熱流密度由得℃2.3圓筒壁導(dǎo)熱分析：①取控制體②作熱量衡算定態(tài)：Q入=Q出即：Q=qA=q’A’一維傳熱：寫成通式：其中：2.4球殼導(dǎo)熱通式2.5多層壁傳熱含義：條件：無接觸熱阻接觸熱阻：因接觸界面不可能理想光滑而造成的額外熱阻影響因素：界面粗糙度，壓緊力，空隙中的氣壓計算上有困難，數(shù)據(jù)少，但概念很重要多層圓筒壁導(dǎo)熱思考題：溫度分布？例2在蒸汽管道外包兩層同樣厚度的保溫材料

λ1<λ2,應(yīng)將哪層包在里面？解：,

兩種情況傳熱量不同，比較Q1與Q2，取小的。比較分母∵λ1<λ2,∴∵∴∵所以Q1<Q2,λ小的材料應(yīng)包在里面3對流給熱研究范圍：3.1過程分析熱流體向冷壁面?zhèn)鳠釋π》綁K作熱量衡算熱量衡算靜止流體,水平方向無載熱流動流體,水平方向有載熱對流的物理本質(zhì)—流動流體的載熱由可知溫度分布，由可得

qW流動>qW靜止3.2兩種對流形式自然對流與強(qiáng)制對流

1.自然對流:流體溫度差,引起密度差,導(dǎo)致宏觀流動加熱面t↑,ρ↓熱流體上升

Δp=ΔρgL,Δρ=ρβΔt,

β膨脹系數(shù)

,u∝自然對流的冷源、熱源應(yīng)放在恰當(dāng)?shù)奈恢米匀粚α鞯睦湓?、熱源?yīng)放在恰當(dāng)?shù)奈恢?．強(qiáng)制對流在外力或Δp作用下引起流動3.3對流給熱過程的數(shù)學(xué)描述1．牛頓冷卻定律其中：TW:壁溫；T:流體主體溫度；

α：給熱系數(shù)W/m2℃工程處理方法—分離變量法①便于分解組合傳熱系數(shù)K②將總過程(K的確定)

分解成幾個子過程例如：確定K的過程中,冷熱流體各有10種情況,K有100種③為強(qiáng)化傳熱提供依據(jù)強(qiáng)化傳熱應(yīng)從哪一側(cè)著手存在問題:①α中仍有ΔT影響②α仍要實(shí)驗(yàn)解決2．α的影響因素①物性：ρ,μ,Cp,λ②設(shè)備因素(定性尺寸)：l③流動因素：強(qiáng)制對流：u

自然對流：βgΔt

α=f(ρ,μ,λ,l,u,βgΔt,Cp)基本量綱4個(M,L,T,θ)，變量8個，無量綱準(zhǔn)數(shù)=8-4=4，即

Nu=f(Re,Pr,Gr)強(qiáng)制對流Nu=f(Re,Pr);自然對流Nu=f(Gr,Pr)物理意義：

—表征與純導(dǎo)熱相比,對流給熱系數(shù)增大的倍數(shù)

Gr—由u∝得表征自然對流的流動狀況

Pr—反映物性對給熱過程的影響3.定性溫度兩種：①膜溫較本質(zhì)，但使用不便②主體平均溫度使用方便4.定性尺寸管內(nèi)強(qiáng)制流動d管外自然對流水平放d

垂直放L如何實(shí)驗(yàn)測定αdQ=qdA=α(tW-t)πddL=qmCpdt積分得Q=αΔtmπdL=qmCp(t2-t1)測量tW1,tW2,t1,t2,qm可求得α3.4無相變對流α經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流αNu=0.023Re0.8Prbb=0.4流體被加熱,b=0.3流體被冷卻或1)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用時要注意：①適用范圍:Re>104,0.7<Pr<160,μ<2μ水，

L/d>30~40②定性溫度：主體平均溫度或③特性尺寸:管徑d影響因素分析：

α∝∝而hf∝∝

空氣Pr=0.7b↑Prb↓

水Pr=7b↑Prb↑2)應(yīng)用范圍的拓寬a.高粘度修正工程處理加熱,冷卻b．2000<Re<104過渡區(qū)

α過=fα湍校正系數(shù)

α過<α湍c．彎管

,R:彎管的曲率半徑c．非圓形管

2．大容積自然對流α

Nu=A(GrPr)b應(yīng)用注意：①定性溫度：膜溫②定性尺寸：垂直方向③A,b值又與(GrPr)有關(guān)。自動?；瘏^(qū)—α與L大小無關(guān)討論題：①春天的溫度分布曲線？②加一保溫層后的溫度分布？討論題：①春天的溫度分布曲線？②加一保溫層后的溫度分布？例1用飽和水蒸氣加熱空氣,內(nèi)壁溫度tW=140℃,內(nèi)管內(nèi)徑60mm,流量qm=0.129kg/s。求：①傳熱面積A;②若空氣流量加倍,t2仍為原要求,則A’=?解：①在100℃下,查得

μ=0.022mPas,Cp=1.01kJ/kg℃,λ=0.0321W/m℃

與0.7相差不多

=122W/m2℃

Δt1=60℃,Δt2=20℃,Δtm=36.4℃②當(dāng)q’m=2qmA’=1.35m24.1沸騰給熱1.大容積飽和沸騰過程特點(diǎn)：汽液兩相共存有利：氣泡攪動液體，液體沖刷表面不利：有可能氣泡連成氣膜,將液體與加熱面隔開2.沸騰條件①過熱度(t-tS)—?dú)馀荽嬖谥仨氉髁ζ胶夥治?/p>

σ2πr=(pV-pl)πr2pV與pl的大小關(guān)系與界面曲率有關(guān)

pV>pl

pV=pl

pV<pl因pl=f(ts),pV=f(t)單調(diào)上升,氣泡存在pV>pl,t>ts液體溫度要大于液體壓強(qiáng)下的飽和溫度Δp引起多少Δt，克萊普龍方程可算②汽化核心—?dú)馀萆芍仨毻淮植诒砻?過熱度越大,汽化核心數(shù)越多沸石作用：提供汽化核心，防止暴沸2．沸騰曲線3．安全問題恒q設(shè)備，qcr特別重要如電加熱爐，噴油量一定的鍋爐4．沸騰過程的強(qiáng)化表面粗糙化，加入添加劑4.2冷凝給熱1.膜狀冷凝與滴狀冷凝α滴狀約為α膜狀的10倍工業(yè)上滴狀不能持久，安全起見，按α膜狀計2.垂直壁液膜層流的平均α冷凝

WM:單位寬度冷凝量熱衡算Q=WMBr=αLB(tS-tW)力平衡取,即實(shí)驗(yàn)測定：C’,3.水平圓管外液膜層流的α冷凝：影響因素分析：①物性是蒸汽的還是凝液的②Δt對α有什么影響？r,μ,L的影響？應(yīng)用注意：①Re<2000,Re的確定

,,垂直平壁Π=B,垂直圓管外Π=πd0水平圓管外Π=管長L②L指從0開始的高度α1,α可以套用公式計算而α2不能直接套用由衡算αAΔt=α1A1Δt+α2A2Δt得③定性溫度：④特性尺寸：垂直管外L

水平管外d0

水平管束外為nd0討論：①為什么蒸汽流速不計

Q=qm1r=qm2Cp2(t2-t1)通常r>>CpΔt,qm1<<qm2蒸汽入口安排在上部,是有利的②為什么不凝性氣體要排除膜附近pV降低,

有惰性氣體層,

蒸汽擴(kuò)散通過,

熱阻變大③過熱蒸汽怎么計算如pV=101.3kPa,TV=120℃(TS=100℃)當(dāng)TW>TS無相變對流當(dāng)TW<TS冷凝,

如TW=90℃,膜溫差仍為Δt=TS-TWr用r+Cp汽(TV-TS)代④管外冷凝,管子水平放還是垂直放好：當(dāng)L/d>5.9時,α水平>α垂直管排斜放更好避免通常α的大小順序：

W/m2℃α氣,自然對流5~10α氣,強(qiáng)制對流10~100α液,自然對流50~1000α液,強(qiáng)制對流500~104

α蒸汽冷凝103~3×104

α液體沸騰103~6×104例1若傳熱溫差推動力增加一倍，試求下列條件下傳熱速率是原來的多少倍？①圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流；②大容積自然對流；③大容積飽和核狀沸騰；④蒸汽膜狀冷凝(層流)解：①

α與Δt無關(guān)，②α∝

，③α∝Δt2.5，④α∝

，5熱輻射過程特點(diǎn)：①T>0K的物體都輻射，溫度越高越重要②無須傳遞介質(zhì)工業(yè)背景：①熱電偶測溫誤差TW<Tg時,有測溫誤差Tg對流→T,T輻射→TW,T<Tg采取什么措施？②管道熱損失管道外除了對流熱損失還有熱輻射損失,怎么計？5.1物體輻射能力和吸收能力

Q入=Q反+Q吸+Q透

1=r+a+d

反射率吸收率穿透率工業(yè)所遇溫度范圍內(nèi)，熱輻射波長在0.38~1000μm,大部分能量在0.76~20μm固體、液體d=0,r+a=1氣體r=0，a+d=1黑體—吸收率a=1的物體,

是一種理想化物體空腔近似于黑體黑體,白體,透體黑、白之分不據(jù)于顏色雪霜a=0.985近似黑體黑光金屬r=0.97近似白體玻璃對可見光是透體，而對紅外線近似于黑體1.黑體的輻射能力斯蒂芬-波爾茲曼定律

C0=5.67W/m2K4即Eb∝(絕對溫度)4，稱四次方定律表明輻射傳熱對溫度十分敏感2.實(shí)際物體輻射能力黑度ε影響因素：表面溫度，物體種類，表面狀況3.灰體實(shí)際物體：吸收率a與波長λ有關(guān)灰體—吸收率與波長無關(guān)的理想物體,a(λ)=常數(shù)實(shí)際物體視作灰體：需要:a與λ無關(guān),便于數(shù)學(xué)處理可能:工業(yè)上大多λ=0.76~20μm

工程材料在此區(qū)a變化不大當(dāng)Ta=Tb時,無凈傳熱

E=εEb(1-a)Eb+E=Eb克希荷夫定律a=ε結(jié)論：同溫度下，灰體的吸收率等于黑度。善輻射者善吸收。注意：太陽輻射、氣體輻射不成立5.2兩黑體間輻射1.角系數(shù)黑體1發(fā)射給黑體2占總發(fā)射量的分率由蘭貝特定律純幾何因素,與表面性質(zhì)無關(guān)。實(shí)際是一種覆蓋率同樣結(jié)論：2．兩黑體凈熱交換5.3兩灰體間輻射使用有效輻射概念將灰體理解為對投入輻射全部吸收而輻射能力等于有效輻射的“黑體”

當(dāng)系統(tǒng)只由兩灰體組成時得或系統(tǒng)黑度實(shí)用：①兩大近距離平板：相互全遮蓋了②小物體1被大物體2包圍而則簡化為例1在兩大近距離平板中間加一塊遮熱板，表面黑度均相同，則輻射傳熱為原來的多少？解：

例2熱電偶測溫穩(wěn)定時誤差如何減小誤差,可采取的措施：①α↑,②ε1↓,③TW↑

④加罩子5.4輻射的主要影響因素1.絕對溫度四次方同樣溫差2.幾何位置3.表面黑度鍍銀、鋁等4.輻射表面的介質(zhì)思考：1。是否顏色越黑，黑度就越大；2。為什么冬天一般穿深色衣服，夏天穿淡色衣服6傳熱過程計算定態(tài)條件下，Q熱,放=Q冷,吸+Q損失Q損失不計時，qm1Cp1(T1-T2)=qm2Cp2(t2-t1)過程特征方程假定條件：①定態(tài),Q損失不計②qm1Cp1,qm2Cp2,K沿傳熱面不變③冷、熱流體無相變化④軸向?qū)峥珊雎?.1傳熱速率和傳熱系數(shù)注意：推動力、系數(shù)、面積的配套以內(nèi)壁面為基準(zhǔn)以外壁面為基準(zhǔn)(較常用)只有平壁才有K1=K2注意：實(shí)際考慮污垢：圓管6.2傳熱阻力控制問題新管子,或除垢后,R1=R2=0,λ金屬大壁δ薄,如λ鋼=45W/m·K,取δ=1.5mmλ/δ=3×104W/m2·K,δ/λ≈0，則：①K比α1、α2中較小的一個α還?、诋?dāng)α1>>α2，則K≈α2

強(qiáng)化傳熱須從α小的一側(cè)入手③壁溫計算：∵δ/λ≈0，∴TW=tW結(jié)論：壁溫總是接近α值大的一邊流體溫度例1α值對K的影響無污垢時,

α1α2KK/K原

2050019.2α1加倍4050037.01.93α2加倍20100019.61.02例2壺底溫度為什么空壺時要燒壞？

T=1000℃,t=100℃tW(TW=tW)靠近哪個溫度(T、t)問題：為什么會滴水？1。露點(diǎn)3。傳熱阻力控制步驟2。壁溫鍋爐

鍋爐中的熱能利用的技術(shù)問題：

1。低溫腐蝕(酸露點(diǎn))

解決辦法：

1。水熱媒技術(shù)例3用蒸汽加熱冷物料,物料進(jìn)口溫度為20℃,出口溫度為50℃,蒸汽溫度為140℃,物料一側(cè)給熱系數(shù)=1000W/m2℃,蒸汽一側(cè)=104W/m2℃。求：平均壁溫(金屬壁熱阻可忽略)。解法1：物料進(jìn)口處壁溫tW1,出口處壁溫tW2,由得tW1=129.1℃,由得tW2=131.8℃,平均壁溫tW=130.5℃解法2：物料平均溫度為℃由，得tW=130.5℃6.3傳熱過程基本方程式對微元體作衡算結(jié)合過程特征方程積分：dA從0→A，d(T-t)從T2-t1→T1-t2逆流總熱量衡算：傳熱基本方程式6.4T,t的沿程變化規(guī)律和操作線①冷熱流體均有相變化②一側(cè)有相變,一側(cè)無相變t~A曲線彎向的判別溫差大斜率大③兩側(cè)均無相變化操作線—表示同一截面T與t關(guān)系換熱器段熱量衡算的結(jié)果操作線是直線,斜率并流時,6.5保溫層的臨界半徑問題：保溫層是否無論λ大小都是增加熱阻的？平壁：δ越厚,熱阻越大圓管壁外：δ↑,d3↑,↑,↓可能出現(xiàn)Rmin

得λ小的材料包上去總是增加熱阻的λ大的材料包上去可能會減小熱阻,增加熱損失圓球壁外呢？有類似的問題dcr=?例1某套管換熱器用水冷卻油，水流量qm2=4000kg/h，進(jìn)口溫度t1=25℃，出口溫度t2=40℃，油進(jìn)口溫度T1=110℃，出口溫度T2=75℃，逆流操作，傳熱面積A=5m2。求：傳熱系數(shù)K解：

Δt1=T1-t2=110-40=70℃Δt2=T2-t1=75-25=50℃℃強(qiáng)化傳熱的途徑①加大面積A②提高流速,增強(qiáng)湍動,提高α③提高溫差推動力Δtm例2熱水空冷

α2A2↑,KA↑關(guān)于Δtm思考：①Δt1=Δt2時,Δtm=？②當(dāng)Δt1為有限值，Δt2→0時，Δtm→？③T1,T2,t1,t2一定時,是按并流方式操作的Δtm大還是逆流的Δtm大？當(dāng)Δt1+Δt2=C時,兩者越接近,平均值越大④Δtm受小的一端溫差影響大些例6Δtm值的比較

Δt1Δt2ΔtmΔtm-Δtm原

55019.5Δt1加165020.81.3Δt2加155119.80.36.6換熱器的計算熱量衡算式傳熱基本方程式變量：Q,qm1,qm2,K,A,T1,T2,t1,t29個變量,3個等式,以熱物料冷卻為例設(shè)計型計算：已知：qm1,T1,T2,t1,選t2,K

求：qm2,Q,A操作型計算：①已知：A,qm1,qm2,T1,t1,K

求：T2,t2,②已知：A,qm1,T1,T2,t1,K

求：qm2,t2,(試差)極限問題討論：逆流時,A→∞,一定,T2=?,t2=?T2=t1?,t2=T1?qmCp為有限值,Q為有限值

Q=KAΔtm,只能Δtm→0當(dāng),t2max=T1當(dāng),T2min=t1當(dāng)時呢？并流時,A→∞,一定,T2=?,t2=?Q=KAΔtm,只能Δtm→0T2=t2換熱器設(shè)計計算復(fù)雜流動時的Δtm,如：單殼程,雙管程工程上處理

Δtm=ψΔtm逆

ψ修正系數(shù)設(shè)計時ψ<0.8,可認(rèn)為流型不合適230頁設(shè)計計算中的選擇

----依據(jù)：技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化1.評價換熱器好壞的主要指標(biāo)：Δp,K2.冷卻水出口溫度選擇：

t2選大了,易結(jié)垢,Δtm小,A↑,設(shè)備費(fèi)用大；

t2選小了,qm2用量大,操作費(fèi)用大。經(jīng)濟(jì)上權(quán)衡定t2。一般Δtm≮10℃。3.t1的確定,如用水,冬天t1低,夏天t1高,取哪個？4.選流向：逆流：Δtm大,qm2用量小,溫度范圍寬；并流：壁溫較均勻,出口溫度t2不會過高,適合于熱敏性物料、高粘性液體5.選流速：K和Δp的權(quán)衡.

例：單管程改雙管程,

管程、殼程都盡量達(dá)到湍流6.選結(jié)構(gòu)：固定管板式—溫差較小時用;溫差<50℃溫差大時考慮熱脹冷縮:膨脹節(jié),浮頭式,U形管式7.選通道：易結(jié)垢的、腐蝕性的、高壓的流體走管程；蒸汽冷凝走殼程，流量小粘度大的走殼程管殼式換熱器通常,換熱器已有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,定型產(chǎn)品成本低,只要適當(dāng)選型即可管殼式換熱器選型：已知：T1,T2,qm1,t1及介質(zhì)熱負(fù)荷：Q=qm1Cp1(T1-T2)

選t2,求按流體種類由K值大致范圍(231頁)選K估選型號,算Re>2000K計算，ΔP計算是否ΔP計算<ΔP允許是否結(jié)束化工原理(上冊)課程設(shè)計課題：管殼式換熱器選型工藝要求：熱流體：有機(jī)物T1,T2

處理量qm1

冷流體：水,t1流程要求：設(shè)計要求：1.選用一臺合適的換熱器2.合理安排管路(閥門、彎頭等)3.選用一臺合適的離心泵(用于輸送冷卻水)設(shè)計報告所含內(nèi)容：1．設(shè)計任務(wù)書2．初選換熱器的尺寸規(guī)格①選t2(參見215頁)②查冷、熱流體物性(附錄)③選流動方式(逆、并、復(fù)雜流)④初估K值(參見231頁)⑤計算熱負(fù)荷Q,Δtm逆,ψ,Δtm,A估⑥按換熱器標(biāo)準(zhǔn)初選型號(參見298頁)

查定管徑、長度、排列等參數(shù),列成表格⑦確定管、殼程通道(參見225頁)3．計算管程的壓降和給熱系數(shù)①根據(jù)管程流通面積算流速,并對照表6-9,10(可調(diào)節(jié)管程數(shù)),計Re②計管程壓降(式6-151,152)③算管程給熱系數(shù)(式6-41)4．計算殼程壓降和給熱系數(shù)①根據(jù)殼程流通面積算流速,并對照表6-9,10(可調(diào)節(jié)折流板間距)殼程②計算殼程壓降(式6-154,155,156)③算殼程給熱系數(shù)(式6-146)5．核算傳熱系數(shù)、傳熱面積①選擇適當(dāng)?shù)墓笇訜嶙鑂(見210頁)②計算K計值③算④換熱器實(shí)際面積⑤校核6.管路安排管、閥件的確定,He泵,qV泵7.合適離心泵的選定8.設(shè)計參數(shù)一覽表重要的數(shù)據(jù)，設(shè)備型號換熱器設(shè)計參考：陳英南、劉玉蘭編《常用化工單元設(shè)備的設(shè)計》華東理工大學(xué)出版社2005年統(tǒng)一報告本，12月23日交6.7換熱器操作型問題設(shè)計時，主要變動A

操作時，主要變動K,Δtm1.操作調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)t1,qm2Cp2①qm2↑,t2

,T2

,K

,Q