第三章传热及传热设备 主讲 毕成良 本章重点 掌握三种传热方式的基本定律和计算方法 重点掌握对流传热及其计算 了解换热器的类型 结构 掌握列管式换热器的结构 设计及选用 了解新型换热器的结构及原理 掌握强化传热的途径 本章主要内容 第一节概述第二节热传导第三节对流传热第四节传热计算第五章辐射传热第六章换热器小结 习题课 第三章传热及传热设备第一节概述 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质 这些性质的变化都涉及热能的传递 化学反应 向反应器提供热量或从反应器移走热量 蒸发 蒸馏 干燥 按一定的速率向这些设备输入热量 高温或低温设备 隔热保温 减少热损失 热能的合理利用和废热回收 化工生产的传热问题 一 热量传递的方式 热传导 依靠物体中微观粒子的热运动 如固体中的传热 热对流 流体质点 微团 发生宏观相对位移而引起的传热现象 对流传热只能发生在流体中 通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热 热辐射 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介 在高温情况下 辐射传热成为主要传热方式 第三章传热及传热设备第一节概述 一 热传导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 特点 静止介质中的传热 没有物质的宏观位移 第三章传热及传热设备第一节概述 二 热对流自然对流 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 特点 流动介质中的传热 流体作宏观运动 三 热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 能量转移 能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 第三章传热及传热设备第一节概述 二 典型的换热设备 直接混合式传热 冷热两种流体直接接触 在混合过程中进行热交换 不常用 如凉水塔 间壁式换热 参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧 冷 热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换 套管式换热器 第三章传热及传热设备第一节概述 列管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器 二典型的换热设备 第三章传热及传热设备第一节概述 传热过程的基本问题 载热体用量的确定 设计新的换热器 核算现有换热器的传热性能 强化或削弱传热的方法 解决这些问题需要两个基本关系式 热量恒算式 若忽略过程热损失 传热速率关系 传热速率 热流量 Q 单位时间内所交换的热量 W 传热通量 热流密度 q 单位时间单位传热面积上传递的热量 W m2 第三章传热及传热设备第一节概述 第三章传热及传热设备第一节概述 一 间壁式换热器 三 流体通过间壁换热过程 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 二 传热速率与热流密度 第三章传热及传热设备第一节概述 三 稳态与非稳态传热 第三章传热及传热设备第一节概述 四 两流体通过间壁的传热过程 稳态传热 第三章传热及传热设备第一节概述 式中 tm 两流体的平均温度差 或K A 传热面积 m2 K 总传热系数 W m2 或W m2 K 五 总传热速率方程 第三章传热及传热设备第一节概述 第三章传热及传热设备第二节热传导 一 热传导基本概念 温度场 某时刻 物体或空间各点的温度分布 一 温度场和等温面 非稳态温度场 稳态温度场 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 方向 法线方向 以温度增加的方向为正 第三章传热及传热设备第二节热传导 温度梯度 两等温面的温度差与其间的法线距离之比称为温度梯度 即 式中dQ 热传导速率 W或J s 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 第三章传热及传热设备第二节热传导 单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比 即 二 傅里叶定律Fourier 第三章传热及传热设备第二节热传导 三 热导率 热传导系数 热导率 表示物质导热能力的物理量 称为热导率 热导率的大小与物质的组成 结构 密度 压力和温度有关固体的热导率 金属的热导率较大 且随温度升高而略有下降 非金属的热导率较小 且一般随温升而增 在不是特别精确的计算时 我们可认为固体的热导率是常数 液体的热导率 非金属液体中水的热导率最大 除水和甘油外 热导率随温升而降 气体的热导率 气体的热导率很小 不利于传热而有利于保温 故一般的保温材料都是多孔的 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 金属固体 非金属固体 液体 气体 表征材料导热性能的物性参数 三 热传导系数 第三章传热及传热设备第二节热传导 1 固体热传导系数 热导率 金属材料10 102W m K 建筑材料10 1 10W m K 绝热材料10 2 10 1W m K 在一定温度范围内 对大多数金属材料a0 t 第三章传热及传热设备第二节热传导 2 液体热传导系数 热导率 金属液体 较高 非金属液体 低 非金属液体水的 最大 水和甘油 t 其它液体 t 0 09 0 6W m K 第三章传热及传热设备第二节热传导 3 气体热传导系数 热导率 t 一般情况下 随p的变化可忽略 气体不利于导热 有利于保温或隔热 0 006 0 4W m K 第三章传热及传热设备第二节热传导 第三章传热及传热设备第二节热传导 4 热传导系数与温度的关系二者基本上呈直线关系 金属和体液的热传导系数随温度增加而减少 水例外 气体与非金属热传导系数随温度增加而增加 5 热传导系数与压强关系固体和液体的热传导系数与压强基本无关 气体在压强很高 大于200MPa 或很低 小于2700Pa 时热传导系数随压强增加而增大或随压强降低而减小 一 单层平壁热传导 假设 材料均匀 为常数 一维温度场 t沿x变化 A b很大 忽略端损失 第三章传热及传热设备第二节热传导 四 平壁的稳态热传导 积分 第三章传热及传热设备第二节热传导 二 多层平壁热传导 假设 各层接触良好 接触面两侧温度相同 t1 t2 b1 t x b2 b3 t2 t4 t3 第三章传热及传热设备第二节热传导 各层的温差 第三章传热及传热设备第二节热传导 结论 多层平壁热传导 总推动力为各层推动力之和 总热阻为各层热阻之和 各层温差与热阻成正比 推广至n层 第三章传热及传热设备第二节热传导 一 单层圆筒壁的热传导 特点 传热面积随半径变化 A 2 rl 2 一维温度场 t沿r变化 第三章传热及传热设备第二节热传导 五 圆筒壁的稳态热传导 在半径r处取dr同心薄层圆筒 积分 第三章传热及传热设备第二节热传导 讨论 对数平均面积 热阻 令 对数平均半径 第三章传热及传热设备第二节热传导 又 一般时 二 多层圆筒壁的热传导 第三章传热及传热设备第二节热传导 三层 n层圆筒壁 第三章传热及传热设备第二节热传导 1 对流传热过程 第三章传热及传热设备第三节对流传热 一 对流传热及其类型 流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时的热交换过程在工程上称为对流传热或 传热 过程 湍流主体温度梯度小 热对流为主 层流内层温度梯度大 热传导为主 过渡区域热传导 热对流均起作用 第三章传热及传热设备第三节对流传热 第三章传热及传热设备第三节对流传热 对流传热过程大致可分四种基本类型 1 流体强制对流传热若由于水泵 风机或其它外力作用引起流体运动 则称为强制对流 2 流体自然对流传热若由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密度差异所致 则称为自然对流 2 对流传热的类型 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 蒸汽冷凝传热蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时 蒸汽放热并凝成液体 冷凝液在重力作用下沿壁面流下 这种传热类型叫蒸汽冷凝传热 4 液体沸腾传热液体从固体壁面取得热量而沸腾 在液体内部产生气泡 气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热类型叫液体沸腾传热 1 2 类型的传热为液体无相变的传热 3 4 类型的传热为流体有相变的传热 2 对流传热的类型 第三章传热及传热设备第三节对流传热 二 对流传热速率与对流表面传热系数 式中Q 对流传热速率 W 1 2 热 冷流体的对流传热系数 W m2 K T TW t tW 热 冷流体的平均温度及平均壁温 冷流体 热流体 牛顿冷却定律 三 对流表面传热系数 的影响因素 第三章传热及传热设备第三节对流传热 1 流体的流动状态 湍流 层流2 引起流动的原因自然对流 由于流体内部密度差而引起流体的流动 强制对流 由于外力和压差而引起的流动 强制 自然 自然对流的产生 设热处 t2 2 冷处 t1 1 体积膨胀系数 1 C 或 而 得 或 第三章传热及传热设备第三节对流传热 由温度差而产生的单位体积的升力 第三章传热及传热设备第三节对流传热 5 是否发生相变 相变 无相变 4 传热面的形状 大小和位置形状 管 板 管束等 大小 管径 管长 板厚等 位置 管子的排列方式 垂直或水平放置 3 流体的物性 cp 单位体积流体所具有的热容量 粘度 热传导系数 体积膨胀系数 第三章传热及传热设备第三节对流传热 第三章传热及传热设备第三节对流传热 6 流体的温度温度升高 附加的自然对流强度增大 7 温度边界层假定以流体温度t满足tw t 0 99 tw t 的等温面为分界面 在此分界面与壁面间的流动层称为温度边界层 通常对流表面传热系数等于流体热传导系数与有效层流膜厚度之商 但有效层流膜厚度难以确定 因此要靠实验测得 四 对流传热的特征数及特征数关联式的确定方法1 用量纲分析法确定有关特征数 变量数目 8个基本量纲4个 长度L 时间T 质量M 温度 无量纲特征数 8 4 4 无相变时 第三章传热及传热设备第三节对流传热 1 努塞尔特 Nusselt 数 表示对流传热系数的特征数 2 雷诺 Reynolds 数 反映流体的流动状态对对流传热的影响 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 普兰特 Prandtl 数 反映流体的物性对对流传热的影响 4 格拉斯霍夫 Grashof 准数 表示自然对流对对流传热的影响 一般形式 Nu f Re Pr Gr 简化 强制对流Nu f Re Pr 自然对流Nu f Pr Gr 第三章传热及传热设备第三节对流传热 使用特征数关联式时应注意 1 定性温度 流体进出口的平均温度 壁面的平均温度 流体和壁面的平均温度 2 定型尺寸 传热面几何特征的长度 3 特征速度 流体的速度 4 热流方向对表面传热系数 的影响要表明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的 还需要指明热流方向 第三章传热及传热设备第三节对流传热 五 无相变时对流传热系数的经验关联式 一 流体在管内作强制对流1 圆形直管内的强制湍流 1 应用范围 Re 104 Pr 0 7 160 L d 60 气体或低粘度的液体 2 水 2 定性温度 流体进出口的算术平均值 3 特征尺寸 管内径 第三章传热及传热设备第三节对流传热 讨论 1 加热与冷却的差别 液体 气体 第三章传热及传热设备第三节对流传热 物性一定时 2 影响因素 第三章传热及传热设备第三节对流传热 公式修正 1 当L d2 水 工程处理 加热 冷却 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 弯管 4 非圆形管道 用当量直径计算 第三章传热及传热设备第三节对流传热 2 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 2300 Re 104 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 圆形直管内强制层流 1 随热流方向不同 速度分布情况不同 2 自然对流造成了径向流动 强化了对流传热过程 对于液体 第三章传热及传热设备第三节对流传热 自然对流可以忽略 Gr 25000 自然对流不能忽略 Gr 25000乘校正因子 适用范围 定性温度 特征尺寸 管内径 第三章传热及传热设备第三节对流传热 二 流体在管外强制对流传热 1 流体在管束外垂直流过 第三章传热及传热设备第三节