工程原理：传热

第4章传热4.1概述4.2热传导4.3对流传热4.4传热过程计算4.5热辐射4.6换热器4.1概述4.1.1传热过程在化工生产中的应用4.1.2传热的三种基本方式4.1.3冷、热流体的接触方式4.1.4热载体及其选择4.1.5间壁式换热器的传热过程返回4.1.1传热过程在化工生产中的应用 加热或冷却 回收热量 保温 强化传热过程 削弱传热过程4.1.2传热的三种基本方式一、热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移 气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体机理复杂二、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。三、热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。 强制对流：流体受外力作用而引起的流动。对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介4.1.3冷、热流体的接触方式一、直接接触式填料塔二、蓄热式优点： 结构较简单 耐高温缺点： 设备体积大 有一定程度的混合三、间壁式传热面为内管的表面积（1）套管换热器（2）列管换热器传热面为壳内所有管束的表面积4.1.4热载体及其选择加热剂：热水、饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等用电加热冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等 加热温度180C饱和水蒸气 冷却温度30C水热负荷Q’：工艺要求，同种流体需升温或降温时吸收或放出的热量，单位J/s或W。传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。热流密度q（热通量）：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s·m2)或W/m2。4.1.5间壁式换热器的传热过程一、基本概念非定态传热二、定态与非定态传热定态传热式中 A──总传热面积三、冷、热流体通过间壁的传热过程式中tm──两流体的平均温差，℃或K；A──总传热面积，m2；K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)。总传热速率方程：4.2热传导4.2.1有关热传导的基本概念4.2.2傅立叶定律4.2.3导热系数4.2.4通过平壁的定态热传导4.2.5通过圆筒壁的定态热传导返回4.2.1有关热传导的基本概念式中 t──某点的温度，℃；x,y,z──某点的坐标；──时间。温度场：在某时刻，物体（空间）各点的温度分布。一、温度场和等温面非定态温度场定态温度场等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交二、温度梯度 温度梯度是一个点的概念。 温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正 一维定态热传导4.2.2傅立叶定律式中dA──导热面积，m2；t/n──温度梯度，℃/m或K/m；──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数越大，导热性能越好 对一维稳态热传导（2）是分子微观运动的宏观表现4.2.3导热系数（1）在数值上等于单位温度梯度下的热通量=f(结构,组成,密度,温度,压力）（3）各种物质的导热系数金属固体>非金属固体>液体>气体 金属固体：101～102W/(m.K) 建筑材料：10-1～100W/(m.K) 绝热材料：10-2～10-1W/(m.K) 液体：10-1～100W/(m.K) 气体：10-2～10-1W/(m.K)的大概范围：在一定温度范围内：式中 0,──0℃、t℃时的导热系数，W/(m·K)；a──温度系数。固体 金属：纯金属>合金 非金属：同样t下， 对大多数金属材料：a<0，t 对大多数非金属材料：a>0，t液体 金属液体较高；非金属液体低，水的最大 t（除水和甘油）气体 一般来说，纯液体的大于溶液 t气体不利用导热，但可用来保温或隔热4.2.4通过平壁的定态热传导一、通过单层平壁的定态热传导假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。取dx的薄层，作热量衡算：不随t而变时式中 A──平壁的面积，m2；b──平壁的厚度，m；──平壁的导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──平壁两侧的温度，℃。讨论：（2） 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 平壁内的温度分布（1）可表示为不随t变化，t～x呈线形关系（3）当随t变化时若随t变化关系为：则t～x呈抛物线关系如：1～t1，2～t2；可取平均值二、通过多层平壁的定态热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。对于三层：推广至n层：三、各层的温差思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示；试分析哪一层热阻最大，并说明各层的大小。推动力与热阻成正比4.2.5通过圆筒壁的定态热传导一、通过单层圆筒壁的定态热传导假定：(1)定态温度场(2)一维温度场取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：边界条件不随t而变时讨论：（1）上式可以写为（3）圆筒壁内的温度分布上限从改为t～r呈对数关系变化（4）平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等二、通过多层圆筒壁的定态热传导以三层为例：对于n层圆筒壁：例4-1球形壁内的一维稳定热传导有一球形容器，内外壁半径分别为r1和r2，内外壁温度分别为t1和t2，容器壁的导热系数为，试推导此球形壁内的Q的计算式。例4-2有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比2/1=5，此时单位时间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q’，求Q’/Q=？例4-3内径为15mm，外径为19mm的钢管，其1为20W/(m·℃)，其外包一层厚度为30mm，2为0.2W/(m·℃)的保温材料，若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃,试求:(1)每米管长的热损失;(2)保温层中的温度分布。4.3对流传热4.3.1对流传热过程分析4.3.2对流传热速率4.3.3影响对流传热系数的因素4.3.4对流传热系数关联式的建立4.3.5无相变时的对流传热系数关联式4.3.6有相变时的对流传热系数关联式返回4.3.1对流传热过程分析4.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律t──总有效膜厚e──湍流区和过渡区虚拟膜厚──层流底层膜厚──对流传热系数，W/(m2·℃)流体被冷却：t=T-TW被加热：t=tW-t（1）是一种推论（2）复杂问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 简单化表示——4.3.3影响对流传热系数的因素一、引起流动的原因自然对流壁面处t2和主体t1；如t2>t1时2<1体积膨胀系数：温度改变1C时，流体体积的变化率强>自二、流体的物性，，，cp强制对流单位质量流体所受浮升力：gt——代表自然对流的能力——u五、是否相变蒸汽冷凝、液体沸腾四、传热面的形状、大小和位置三、流动型态湍>层相变>无相变特性尺寸l：对流动与换热有主要影响的传热面一尺寸4.3.4对流传热系数关联式的建立一、因次分析基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定理（8-4）=4，可知有4个无因次数群。＝f(u，l，，，cp，，gt)——待定准数——流动型态——流体物性——自然对流二、实验安排及结果整理强制湍流：Nu＝CReaPrk（1）采用不同Pr的流体，固定RelgNu＝klgPr＋lgCRea双对数坐标系得一直线，斜率为k（2）不同Pr的流体在不同的Re下lg(Nu/Prk)＝algRe＋lgC在双对数坐标系中得一直线斜率为a，截距为C三、使用关联式的注意事项（2）特征尺寸l（3）适用范围（1）确定物性参数数值的温度称为定性温度关联式无相变有相变自然对流强制对流湍流过渡区层流蒸汽冷凝液体沸腾一、流体在管内的强制对流适用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa·s，l/d>604.3.5无相变时的对流传热系数关联式1．圆形直管内的湍流流体被加热时，k＝0.4；被冷却时，k＝0.3液体特性尺寸：di气体强化 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ： d一定,u0.8，u u一定，1/d0.2，d以下是对上面的公式进行修正：（1）高黏度适用范围：Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60定性温度：tm特性尺寸：di（2）l/d<60（3）过渡区（2000<Re<10000)（4）弯曲管内（5）非圆形管强制湍流（a）当量直径法（b）直接实验法套管环隙:适用范围：1.2104<Re<2.2105；d2/d1=1.65~17d1——内管外径，d2——外管内径用de代di，u用实际A流通计算4-4一列管式换热器，由38根25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃加热到80℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的；（2）管子换为19×2mm，管壁对苯的；（3）当苯的流量提高一倍，变化如何？（4）如苯走壳程，水蒸气走管内，如何计算？特点： 导致速度分布受热流方向影响 层流受自然对流影响大，2.圆形管内强制层流适用范围：特性尺寸：di二、管外强制对流的1.流体在管束外垂直流过适用范围：特征尺寸：do单列管：2．流体在列管换热器壳程的流动挡板形式： 圆形 圆缺形目的：增强壳程流体的湍动，提高圆缺形：正方形正三角形适用范围：u按流过管间最大截面积计算：h——两挡板间距离D——外壳内径无折流挡板时，流体平行流过管束，按管内强制对流计算，但di换为de提高壳程的措施：3）加强湍动，三、大空间的自然对流传热定性温度：膜温特性尺寸：垂直的管或板为H；水平管为doC、n——由实验测定一、蒸汽冷凝 冷凝方式 膜状冷凝 滴状冷凝4.3.6有相变时的对流传热系数关联式滴>膜主要热阻——液膜2.蒸汽冷凝的（1）水平管束外n——水平管束在垂直列上的管数r——汽化潜热（ts）特性尺寸：do定性温度：膜温（2）竖直壁或管外G——冷凝液量，kg/sM——冷凝负荷，kg/(s.m)Re<1800Re>1800湍流4．冷凝传热的影响因素和强化措施（1）流体物性冷凝液r（2）温差层流：t=ts－tW（3）不凝气体不凝气存在定期排放（4）蒸汽流速与流向（u>10m/s）同向时；反向时；u（5）蒸汽过热——包括冷却和冷凝两个过程（6）冷凝面的形状和位置强化措施——减少液膜的厚度开纵向沟槽；采用错列；安装金属丝或翅片沸腾种类（1）大容积沸腾（2）管内沸腾主要特征：液体内部有汽泡产生二、液体沸腾1.汽泡产生的条件 过热度：t=t－ts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？气泡的依托含少量气体过热度最大2.沸腾曲线工业上：核状沸腾 不稳定—CD段；250C>t>25C；t 稳定—DE段t>250C；t（t高，热辐射影响大）优点：tW小，大（1）自然对流区——AB段t<5C；t稍（2）核状沸腾区——BC段25C>t>5C；t（3）膜状沸腾区3.沸腾传热的影响因素及强化措施（1）液体的性质强化措施：加表面活性剂使液体的（2）温差在核状沸腾阶段，t（3）操作压强（4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒4.4传热过程的计算4.4.1总传热系数和总传热速率方程4.4.2热量衡算和传热速率方程间的关系4.4.3传热平均温度差4.4.4壁温的计算4.4.5换热器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 型和操作型计算返回4.4.1总传热系数和总传热速率方程K——总传热系数，W/(m2·K)一、总传热系数（1）平壁dA=dA1=dA2=dAm讨论：（2）以外表面为基准(dA=dA1)K1——以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm——对数平均直径，md1/d2<2可用算术平均值以壁表面为基准：（3）1/K的意义K的大小A的基准控制热阻 如21,不计壁阻 如12,不计壁阻K接近小一侧流体的值强化传热——应提高小一侧流体的二、污垢热阻R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，(m2·K)/W消除垢阻——定期清洗换热器三、总传热速率方程K——平均的总传热系数tm——平均温度差 求K Q的计算 求tm（1）计算K（2）实际经验值K（3）实验测定值K4.4.2热量衡算和传热速率方程间的关系无相变时相变时传热计算的出发点和核心： 热负荷——对设备换热能力的要求 传热速率——设备在一定条件下的换热能力一、恒温传热二、变温传热tm与流体流向有关4.4.3传热平均温度差1.逆、并流时的tm以逆流为例推导tm假设：（1）稳态流动、传热；G1、G2一定（2）cp1、cp2为常数，为tm的值（3）K沿管长不变化（4）热损失忽略不计总热量衡算：——对数平均温差（1）tm的计算式也适用于并流讨论：（3）当t1/t2<2，可用（4）当t1＝t2（2）较大温差记为t1，较小温差记为t22.错、折流时的tm<1tm<tm逆——>0.9若<0.8，温差损失大，传热不稳定；应改变流型三、流向的选择例4-6冷、热流体的进出口温度分别为t1=15C、t2=30C、T1=100C、T2=40C，求：（1）分别采用逆、并流时的tm?（2）如采用单壳程双管程的列管换热器时的tm?（1）传热推动力tm——逆流最佳 Q、K一定时，所需的A小 Q、A一定时，可节省载热体的用量或多回收热量 在传热面上，冷、热流体间的t均匀（2）采用并流，易于控制出口温度t2max<T2,热敏物质T2min>t2,易固化物（3）采用其他流型的目的——提高（4）仅单侧变温——tm与流型无关4.4.4壁温的计算（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTWTW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温度（3）两侧有污垢（2）当tW=TW4.4.5换热器的设计型和操作型计算一、设计型计算设计条件：G1、T1、T2设计目的：A选择条件：（1）流向（2）t1（4）u（3）t2、G2二、操作型计算1.判断现有换热器是否适用A实际>A需要可用；反之不可用2.工况变化时对传热过程的影响 基本方程：热量衡算式和传热速率方程 试差法：tm计算式的非线性例4-7用120C的饱和水蒸气将流量为36m3/h某稀溶液在单壳程双管程列管换热器中的管程从温度为80C上升到95C，每程有直径为25×2.5mm管子30根，且以管外表面积为基准K=2800W/(m2·C)，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求：（1）换热器所需的管长；（2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009(m2·C)/W，若维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？（定性说明）溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/(kg·C)例4-8欲在直立式单程列管换热器的壳程将流率为0.35kg/s，温度为80C的饱和苯蒸汽冷凝并冷却到30C，苯在80C时的冷凝热为394kJ/kg，液苯的比热1.8kJ/(kg·C)。换热器由38根直径为25×2.5mm，长为2m的无缝钢管组成，苯蒸汽在管外冷凝传热系数1=1400W/(m2·C)，液苯在管外对流传热系数2=1200W/(m2·C)，冷却水在管内与苯逆流流动，其温度由20C升至30C，试计算：（1）冷却水的用量；钢的导热系数=45W/(m·C)（2）如管内水的对流传热系数为1717W/(m2·C)，问该换热器是否能满足要求？4.5热辐射4.5.1基本概念4.5.2物体的辐射能力4.5.3两固体间的相互辐射4.5.4高温设备及管道的热损失返回4.5.1基本概念1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。特点： 能量形式的转换 不需要任何介质能量守恒定律：3.物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收QA；被反射QR；穿过物体QD黑体：白体(镜体)：透热体：A,R,D=f(物体性质、温度、表面状况、波长）灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体固体、液体：D=0R+A=1气体：R=0A+D=14.5.2物体的辐射能力物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E表示,W/m20──黑体辐射常数,5.669×10-8W/(m2·K4)一、黑体四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感C0──黑体辐射系数,5.669W/(m2·K4)二、实际物体<1=f(物体的种类、表面温度、表面状况)C——灰体的辐射系数，C=C0三、灰体是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度——实验测定四、克希霍夫定律对灰体:热交换达到平衡时T1=T2,q=0结论：（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大善于吸收的物体必善于辐射（2）A=——另一表示形式同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等（3）A＜１，E＜E０在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大一、两无限大平行灰体壁面4.5.3两固体间的相互辐射设T1>T2E1、E2——1、2面在温度T1、T2下的发射能力E1’、E2’——1、2面发射的总能量单位面积的辐射热量：——总辐射系数A——平面的传热面积1-2——角系数(物体1发射辐射能被2拦截分率)两平面的面积有限时：二、一物体被另一物体包围（1）很大的物体2包住物体1（2）物体2恰好包住物体1传热面积：A=A1三、影响辐射传热的因素1.温度的影响ＱT4；低温可忽略，高温可能成为主要方式2.几何位置的影响3.表面黑度的影响Ｑ，可通过改变大小强化或减小辐射传热4.辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）4.5.4高温设备及管道的热损失令=1T——对流-辐射联合传热系数，W/(m2·K)（1）空气自然对流，tW<150C（2）空气沿粗糙壁面强制对流4.6换热器4.6.1换热器的分类4.6.2间壁式换热器的类型4.6.3列管换热器的选用4.6.4传热的强化途径4.6.5新型的换热设备返回4.6.1换热器的分类 按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 按冷、热流体热量交换方式分类混合式、蓄热式、间壁式 主要内容1.根据工艺要求，选择适当的换热器类型2.通过计算选择合适的换热器规格4.6.2间壁式换热器的类型一、夹套换热器优点： 结构简单缺点： A小 釜内小强化措施： 釜内加搅拌 釜内加蛇管 外循环二、蛇管换热器1.沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高K优点： 结构简单 管内能耐高压缺点： 管外小2.喷淋式优点： 结构简单 管内能耐高压 管外比沉浸式大缺点： 喷淋不易均匀 占地面积大三、套管换热器优点： 结构简单 能耐高压 (K)或tm大缺点： 结构不紧凑A/V小 接头多，易漏四、列管换热器管板、管束、封头、壳体t>50C时，考虑热补偿措施1.固定管板式——补偿圈补偿特点：结构简单，壳程检修和清洗困难t<70C2.浮头式——浮头补偿特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂3.U型管式——U型管补偿特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗4.6.3列管换热器的选用1.根据工艺任务，计算热负荷2.计算tm3.依据经验选取K，估算A4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u先按单壳程多管程计算，如果<0.8，应增加壳程数；由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 选适当型号的换热器。5.核算K分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。6.计算A根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%~25%的裕量。(1)流体流经管程或壳程的选择管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体壳程：饱和蒸汽、需要冷却、黏度大或流量小的流体原则：传热效果好，结构简单，清洗方便(2)流体uu选择是经济权衡，要避免层流流动(3)换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：19×2mm和25×2.5mm管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：多管程：管内流体u加挡板：增大壳程流体的湍动壳程4.6.4传热过程的强化途径一、增大tm 加热剂T1或冷却剂t1 两侧变温，尽量采用逆流强化传热，可tm、A/V、K二、增大A/V 直接接触传热，可增大A和湍动程度 采用高效新型换热器从改进传热面结构入手来增大A和湍动程度，使Q三、增大K 减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻 提高较小一侧有效提高的方法(无相变)： 增大流速——多管程 加扰流元件——壳程加挡板 改变传热面形状和增加粗糙度4.6.5新型的换热器一、平板式换热器增加刚性；提高湍动程度；增加A；易于液体均匀分布优点： 结构紧凑 操作灵活 K大缺点： 耐温、耐压差,易漏 处理量小二、螺旋板式换热器优点： 结构紧凑 不易结垢,堵塞 K大 保持逆流,tm大缺点： 压力,温度不能太高 难以维修三、翅片管换热器增加A，增强管外流体的湍流来提高