第四章 传热 概 述 一、传热过程 由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热量的传递。 化学工业与传热密切相关，化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。 化工生产中进行传热操作的目的—— 料液的加热和冷却，为达到反应所需的温度； 为维持反应温度，需不断输入或输出热量； 许多单元操作需输入或输出热量； 化工设备的保温； 生产过程中热能的综合利用及废热的回收。 化工生产对传热过程的要求： 1．强化传热——要求传热速率高，降低设备成本； 2．削弱传热——可减少热损失。 二、传热的基本方式（传热机理） 传热原因——传热推动力（温度差） 传热方向——在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。 传热的三种基本方式： 1．热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。 金属导体—自由电子运动 不良导体，大部分液体—温度高的分子振动，与相邻分子碰撞，造成的动量传递。 气体—分子无规则运动 热传导是静止物体内的一种传递方式，没有物质的宏观位移。 2．对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。 对流传热仅发生在流体中，所以与流体的流动方式密切相关。 自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉； 强制对流——质点运动是由外力作用所致。 对流传热同时伴有热传导，事实上无法将其分开——又称给热。 化工中所讨论的给热，都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热 3．热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程 任何物体，只要在0K以上都能发射电磁波，而不依靠任何介质，当被另一物体接收后，又重新变为热能。 热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。 三、间壁式换热 间壁式换热过程 —由对流、导热、对流三过程串联而成 （1）热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧； （2）热量以导热方式通过间壁； （3）热量以对流方式传至冷流体。 2。间壁式换热器——典型的传热设备 (1)夹套式换热器 （2）套管式换热器 （3）蛇管式换热器（盘管式） （4）列管式换热器 单管程 双管程 多管程 3 传热速率方程式  Q——传热速率，W或J/s K——总传热系数,W/m2·K A——传热面积，m2 Δtm——平均温度差（推动力），K或0C 1/(KA)——热阻 4．定态传热——指传热系统中，各点温度仅随位置而变，而不随时间而变。 特点：热量在过程中无积累，Q[J/s]为常量 非定态传热——指传热系统中，各点温度随时间而变。 热传导 一、热传导基本概念 1． 温度场和温度梯度 （1）温度场——某一瞬间，空间（或物体）所有各点温度分布  定常态温度场： 一维定常态温度场： （2）等温面——同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的曲面。 温度不同的等温面彼此不能相交。 （3）温度梯度—— 同一等温面上各点的温度相同，故沿着等温面移动，温度无变化，即无热量传递；若沿着与等温面相交的任何方向移动，温度发生变化，并伴有热量传递。而最大的温度改变是在与等温面垂直方向上（法线方向）。 与等温面法线方向上温度的变化率。 gred  温度梯度方向是朝着温度增加的方向，与热流方向相反。 一维温度梯度：gret  2.傅立叶定律——热传导基本定律  一维导热  Q——导热速率，[W]或[J/s] A——导热面积，与热流方向垂直的表面积，[m2] ——温度梯度，[K/m]，负号表示热流方向总是于温度梯度方向相反； ——导热系数，[w/m.k]。 二、导热系数， 1．物理意义——表征物质的导热能力，物质的热物性参数。 2．影响因数——主要有物质种类、组成和温度，并与结构疏松程度有关。 3． 4．计算公式： 多数物质  三、平壁的定态热传导 单层平壁的定态热传导 设（1）材质均匀——为常数 （2）一维定态导热——温度沿x方向变化 （3）Q与A均为常量 （4）t1>t2 由傅立叶定律： 分离变量后积分  表示温度线斜率为，截距分别为t1，t2  2．多层平壁的定态热传导 设（1）材质均匀，层层接触良好，为常数 （2）一维定态导热 （3）Q与A均为常量 （4）  图中每根温度线斜率为 应用合比公式   该式说明，在多层平壁的定态热传导过程中，哪层热阻大，哪层温差就大。 四、圆筒壁定态热传导 与平壁相比： 相同处——定态热传导，Q为常量 不同处——1) 传热面为同心圆柱面，随r而变 2) 温度沿r而变 1. 单层圆筒壁的定态热传导 设内壁半径为r1，温度为t1 外壁半径为r2，温度为t2 在半径r处取dr薄层，若圆筒长L 则传热面积 A=2rL 由傅立叶方程   得 表示圆筒壁内温度分布是一对数曲线，为便于记忆，将上式改写为：    称对数平均面积 当  时，亦即  或  时， 2． 多层圆筒壁定态热传导 以三层为例，以热阻方法求得     故多层：  注意的是，通过各层园筒壁的传热速率Q[W]的，但热通量Q/A[W/m2] 是不相同的。 第三节 对流传热 一、对流传热过程分析 过程分析 （1）层流边界层（层流内层）内： 热传导，热阻大； （2）过渡区： 热传导与对流传热共同起作用； （3）湍流区： 充满漩涡，混合很好，对流为主， 热阻小。 2．热边界层概念 假设（1）在壁面附近存在一传热边界层（又称有效膜），热量以传热方式进行，在该区内集中着全部热阻，即全部温差； （2）在传热边界层外，温合很好，温度梯度已消失。 即（层流内层外的热阻兑换成热传导形式后的虚拟厚度），因此，将对流传热计算改变为热传导计算：  是虚拟的，难以测定。 令代替，故  称为牛顿冷却定律 对间壁换热  对流传热系数（给热系数），[W/m2.K]——对流给热强度的标志 主要影响因数—— （1）流体种类及其物性（ （2）流体流动起因：强制对流 >自然对流 （3）流体流动状态： 可见：湍流>过渡流>层流 （4）有无相态变化： 有相态变化>无相态变化 （5）传热表面形状，相对位置与尺寸 二、对流传热过程的量纲分析：白金汉法 设无相变 列出主要影响因数：  写成幂函数形式： 量纲形式：  应用量纲一致性原理 对于质量M：1=c+d+e 对于长度L：0=a+b-c+d-3e+2f+h 对于时间T：-3=-a-c-3d-2f-2h 对于温度θ：-1=-d-f 令a,f,h为已知，解得：d=1-f c=-a+f-2h e=a+2g b=a+3g-1 代人得：  写成准数关联式  努赛尔准数 ，表示给热系数的准数； 雷诺准数，表示流动状态对对流传热的影响； 普朗特准数 ，表示流体物性对对流传热的影响； 格拉斯霍夫准数，表示自然对流对对流传热的影响。 应用公式注意事项：准数关联式仅是一种经验式，不能超出各系数实验测定的范围。1．应用范围——只适用于建立关联式时的实验条件； 2．特性尺寸l 3．定性温度t 4．准数为一无因次数群，故各物理量必须用统一的单位制。 三、流体无相变时给热系数经验关联式 在强制对流情况下： 在自然对流情况下： 1．流体在圆形直管内作强制湍流时的给热系数 低粘度流体  即  n由热流方向而定：当流体被加热时，n=0.4 当流体被冷却时，n=0.3  应用条件：1） 2) 特性尺寸 l=d内 3）定性温度 （2）高粘度液体 （3）对于l/d<60的短管  管入口效应校正系数 （4）对于弯管：由于离心力的作用，扰动加剧，边界层分离，δb小，α大  弯管效应校正系数 R—弯管中心线的曲率半径 2．流体在圆形直管内作强制过渡流时的给热系数 当，由于湍流不充分，层流层较厚，故α过渡流<α湍流  校正系数 3．流体在圆形直管内作强制层流时的给热系数 4．流体在非圆形管内作强制对流时的给热系数 只需将管内直径改用当量直径de  四、流体有相变时的对流传热 1．蒸汽冷凝时的对流传热 蒸汽冷凝方式：按冷凝液润湿壁面能力而分 （1）膜状冷凝——附着力>表面张力时，在壁面上形成一层连续的液膜，热量通过液膜以导热和对流方式传给壁面。 （2）滴状冷凝——蒸汽在壁面上直接冷凝，热阻小，其给热系数是膜状冷凝5~10倍。 蒸汽在水平管内冷凝—— 蒸汽在垂直管外（或板上）冷凝—— 影响冷凝传热因素： 除流体物性、冷凝面尺寸及放置位置及温度外， （1）不凝性气体影响 （2）蒸汽流速与流向的影响 （3）蒸汽过热的影响 （4）传热面形状及布置 2．液体沸腾时对流传热 分管内沸腾与大容器沸腾（池内沸腾）两类 大容器饱和沸腾现象 主要特征——在液体内部的加热壁上不断有汽泡生成、长大、脱离和浮升到液体表面 汽泡形成条件： 过热度=t1（液体主体温度）－t2（液体饱和温度） 过热度越大，生成汽泡越容易，数量越多。 在加热壁面处，液体过热度最大， 2）汽化核心——加热壁面上有许多粗糙不平的小坑和划痕点，这些地方线有微量气体，在被加热时，就会膨胀生成气泡。 饱和沸腾过程—— 沸腾曲线：关系曲线 AB段（自然对流区）——，少量汽泡产生，不能脱离壁面； BC段（核状沸腾区）——，汽化核心数增多，汽泡生成、成长和浮升速度加快，气泡剧烈运动，使液体受到剧烈搅拌作用，随增大而迅速增大； CD段（膜状沸腾区）：继续增大，汽泡生成多而快，连成一片，形成气膜，覆盖在加热壁面上，使液体不能与加热壁面接触，汽膜热阻大， C点（临界点）——核状沸腾转变为膜状沸腾的临界点，又称烧毁点。 （3）影响沸腾传热的因素： a 流体物性：Cp， 表面张力 b 温度差：在核心沸腾时 c 操作压力：影响液体的饱和温度，使和表面张力下降，气泡易生成与脱离壁面 d 加热面状态：粗糙程度，有无油污 传热过程计算 化工生产中所涉及到的传热计算有两类： 设计型计算——由生产工艺要求Q，确定换热器的传热面积A； 操作型（校核型）计算——已有换热器，计算传热量。 计算基础——物料衡算、热量衡算和速率方程。 传热总速率方程式： 可避免知道两侧壁面温度 在换热器任一截面上，推动力是不同的， 所以  K——总传热系数，W/m2.K 二、热负荷计算 忽略操作过程中的热损失，由热量衡算可知： Q热=Q冷 对于无相变流体：  或 对于有相变流体： r ——汽化潜热，J/kg 三、传热平均温度差及流体流动方向的选择 1．恒温传热： 一侧为饱和蒸汽冷凝，T 另一测为液体沸腾，t 则两侧流体温差处处相同：  2．变温传热 由于传热温差沿传热面在变，改写传热方程  一侧变温传热，一侧恒温 两侧变温传热 都可推得  分别指换热器进、出口处的冷热两流体的温度差。  该式即适用于两侧变温的逆、并流，也适用于一侧变温的传热。 对于错流，折流  校正系数由辅助参数R和p决定：   3．流体流动方向的选择 （1）流体流动方向对传热平均温差的影响 一侧变温——并流、逆流的相同，所以流动方向与传热温差无关。流动方向选择主要考虑换热器构造和操作上方便。 两侧变温——  （2）逆流操作载热体用量少； （3）逆流时，冷热流体温度差较均匀。 （4）在加热某些粘性物料时，并流可在物料进口处温差大，使μ大大的下降。 四、总传质系数K K值有三来源：1）经验值——来自于生产实践，但范围变化大； 2）现场实测或实验测定——； 3）计算 1．总传热系数计算式 间壁传热过程：间壁两侧的对流和间壁的导热 对某一微元（dA）截面上:  在整个传热面长度上积分得 可见，热阻 传热面为平壁时：A1=Am=A2=A  一般在管壁较薄或设备直径较大时，作平壁处理。 （2）当传热面为园筒壁时，则K与所选基准面A有关。 若A1为基准， 若Am为基准： 若A2为基准：  2．污垢热阻  [K/W] 若按平壁算，则Rd单位为[K.m2/W] 或  [K.m2/W] 尽管间壁上污垢不厚，但由于其热阻大，所以必须定期清洗。 3．壁温计算 由 设原则上可解出Q及两侧壁温。 由于金属热阻小，可忽略， 故设 于是，可求出Tw或tw 此式表明传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。壁温必定接近热阻较小的（即较大）一侧流体的温度。 4．两点讨论 各类手册上所列K值，一般以管外表面积A2为基准之值 在不考虑污垢及壁阻，并且在平壁情况下：  若 总热阻由热阻大的一侧对流传热控制（总传热系数K总是接近于 小的一方），要提高K值，其关键在于小的一方，增加流速，提高湍流程度，提高。 五、传热面积  n——列管换热器中的管束数 六、强化传热过程的途径 强化传热——是指一定的设备能承担更大的传热要求，即提高现有换热器的生产能力。 由可知，提高均能有效地强化传热。 1．增大： 以选用逆流为宜，但不宜很大，会使有效能损失增大，不利节能。 增大A/V（单位体积的传热面积） 对新设备，增大传热面积，意味着金属材料用量增加，成本增加， 应设法小的一边的传热面积。 改进传热面结构，扩展传热面——采用螺纹管，波纹管…… 3．增大K 增大较小的值 （1）增大流体湍流程度，减少层流底层厚度 a． 增大（如增加管程数，壳程设挡板） 但 所以流速增大受到一定限制。 b． 采用改变流动条件，使流体不断改变流动方向，提高湍流程度，如管内插入旋流元件。 （2） 改变传热面形状和增加粗糙度 定时清洗污垢 采用有相变的载热体或导热系数大的载热体