第四章   传热

第一节  概述
 传热过程在化工生产中的应用
 传热的三种基本方式
 传热基本方程
 热负荷的计算
 稳定传热和不稳定传热

一、  传热过程在化工中的应用
　　传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的 目的不外乎是以下三种：
1.加热或冷却
2.换热
3.保温
可见，传热过程是普遍存在的。
二、  传热的三种基本方式
　　一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。
（一）  热传导（导热）
       一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。
       物质的三态均可以充当热传导介质，但导热　的机理因物质种类不同而异，具体为：
     固体金属：自由电子运动在晶格之间；
     液体和非金属固体：个别分子的动量传递；
     气体：分子的不规则运动。
（二） 对流传热
热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。
热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。Resheji.com 整理

（三）热辐射
热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。
一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。
三、传热基本方程
当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混合时，需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体．热传递的快慢用传热速率Ｑ来表示。传热速率Ｑ是指单位时间内通过传热面传递的能量．单位是J/Ｓ．Ｗ。

换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差⊿tm成正比;
即Ｑ＝kA△tm
Ｑ：传热速率, Ｗ
△tm：两流体的平均温度差,K
k：比例系数，总传热系数，因次W/(m2·K)。
上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器传热计算的重要依据。传热速率是换热器在一定的操作条件下的换热速率。而热通量q是指单位传热面积上的传热速率。常见的间壁式换热器有套管换热器和列管换热器。见下图：

四、热负荷的计算
生产中常把单位时间内的流体所放出或吸收的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量Ｑ１应等于冷流体所吸收的热量Ｑ２。
Q放= Q吸

（一） 无相变化时
（１）比热法
Ｑ＝ＷhＣph（Ｔ１－Ｔ２） ＝ＷcＣph（t２－t1）
Ｑ： 换热器的热负荷kJ/h
Ｗh，Ｗc： 热冷流体的质量流量kG/h
Ｃph，Ｃpc：热冷流体的平均比热
Ｔ１，Ｔ２：热冷流体的开始，终了温度，K
t1，t2： 热冷流体的开始，终了温度，K

（２）热焓法
Ｑ＝Ｗh（Hh1－Hh2）
＝Ｗc（Hc２－Hc1）
Ｑ： 换热器的热负荷kJ/h
Ｗh，Ｗc： 热冷流体的质量流量kG/h
Hh1，Hh2：热流体的进出口的焓kJ/kg
Hc1，Hc2：冷流体的进出口的焓kJ/kg 。热设计https://www.resheji.com

换热器中热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化,但是冷凝液在饱和温度下离开换热器．
（二）有相变的传热
Ｑ＝Ｗhr＝ＷcＣpc（t1－t2）
r ：为饱和蒸汽冷凝潜热
其值等于在饱和蒸汽的焓与该温度下的液体焓的差 如果冷凝液在低于饱和温度之下排出时，则用下式计算热负荷
Ｑ＝Ｗh［r＋Ｃph（Ｔs－Ｔ２）］
＝ＷcＣpc（t2－t1）
式中Ｃph为冷凝液的比热; Ｔs为冷凝液的饱和温度

可见，热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量。根据热量恒算式，可由既定的传热任务求得载热体的消耗量。
五稳定传热和不稳定传热
稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。
不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。
化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。

第二节热传导
一、平壁稳定热传导

单层平壁导热速率的工作方程式 温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。
导热系数k是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导热能力的强弱，其值越大，导热能力越强。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料，例如，需要提高导热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。

金属1-400 W/(m2·K)
建筑材料0.1-1 W/(m2·K)
绝热材料0.01-0.1 W/(m2·K)
液体0.1-0.6 W/(m2·K)
气体0.005-0.05 W/(m2·K)
各种物质导热系数的大致范围如下：
工业上经常遇到多层平壁导热的情况，如用耐火砖、保温转和青砖筑成的三层炉壁。仿照串联电路的欧姆定律，对于三层热阻的串联导热，稳态下

二、圆筒壁稳定热传导
热量通过列管式换热器的管壁和圆筒型设备的器壁的传导即为圆筒壁的热传导，圆筒壁的导热速率可以表示为圆筒壁的导热速率式与平壁的导热速率式具有相同的数学形式，只不过圆筒壁的传热面积随径向位置而变，应取平均面积作为传热面积。

【例4-1】一套管换热器的内管为φ25×2.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(m·K)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160℃和120℃，试求此换热器单位管长的传热量。

第三节对流传热
一、对流传热过程分析
二、牛顿冷却定律
三、对流传热系数及其影响因素
四、对流传热系数的因次分析

由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。
对流传热

有相变传热(冷凝传热 沸腾传热)

无相变传热 (自然对流 强制对流=>(管外对流 管内对流) )

 五、对流传热系数关联式

管内对流( 非圆管道 弯管 圆形直管( 湍流 过渡流 滞流))

在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。
应用范围只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。
定性温度取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度；
高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。
特征尺寸传热面的几何因素有时是很复杂的，一般选取对传热起决定作用的几何因素作为特征尺寸，管内流动取管内径作为特征尺寸；管外的流动取管外径作为特征尺寸，等等。
管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。

（一）、流体无相变时的对流传热系数

（二）、流体有相变化时的对流传热系数

 

第四节辐射传热
一、基本概念
不直接接触的两物体可以不依赖其间的任何介质而传递辐射热，通常把物体发射辐射能以及辐射能的传播成为辐射，如果发射的辐射能是与物体的温度有关的热能转换的，则称为热辐射。

(一) 辐射产生的原因和特点
(二) 投射在物体上辐射能的分布
热射线在物理本质上与光射线一样服从反射和折射定律。当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被物体吸收(QA),一部分被反射回去(QR), 一部分透过物体(QD), 其中被吸收的这部分可以转化为热能。

(三) 黑体白体透明体不透明体灰体
黑体：当A=1, R=D=0时，表明辐射能全部被吸收。自然界中并不存在绝对黑体，黑墨表面， A=0.96~0.98，定义黑体的目的是为了在计算中确定一个比较的标准。
透热体：当D=1, A=R=0时，表明辐射能全部透过物体。例如对称双原子气体O2、N2、H2等都是透热体。
灰体：工业上常见固体材料被称作“灰体”，所谓灰体是指它只能部分地吸收发射来的热射线，其余则反射回去，即A+R=1。
固体材料的吸收率和反射率的大小取决于物体的性质，温度和表面状况。
镜体：当R=1, A=D=0时，表明辐射能全部被反射。自然界中也不存在绝对镜体，例如表面抛光的铜，其反射率R=0.97。

 

二 斯蒂芬—波尔茨曼定律

E—物体的辐射能力，单位时间内物体单位面积发射总辐射能，因次为W/m2。
C0黑体辐射系数，C0=5.67W/(m2·K4)
。
黑体辐射能力Eb与绝对温度T关系为：
黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。高温下辐射传热成为主要的传热方式。

C=AC0——灰体的辐射系数。
对于实际物体A<1, C<C0。
将黑体作为辐射计算的比较标准。
任何物料辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体辐射能力
黑度
灰体辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比，以ε表示：

结论：黑体的辐射能力最大，物体吸收率越大，辐射能力越强
三 克希霍夫定律
设有两块相距很近平行平板。若板1为灰体，其辐射能力、吸收率和温度分别为E1、A1和T1，板2为黑体，其辐射能力，吸收率和温度分别为E2(=Eb),A2(=1)和T2，且T1>T2，板1发射的能量为E1，获得的能量为A1Eb，其差额即净的辐射传热量q=E1-A1Eb，当两个物体的温度相等时，辐射传热达到平衡状态，即q=0，也即E1=A1Eb或E1/A1=Eb，

四 两固体间的辐射传热
若两物体的温度各为T1和T2，且T1>T2，则物体1发射E1至物体2时，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物体部分吸收和部分反射，如此无穷往返直至E1被全吸收为止，从物体2发射的辐射能E2，也要经历反复吸收和反射的过程。
发射或反射的能量不一定能全部投射到对方物体上，因此，在计算两固体间辐射传热时，必须考虑两物体的吸收率与反射率，形状与大小，以及两者之间的距离和位置。

第五节传热过程的计算
一、传热温差
 参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的。
 当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。
 平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。

二、总传热系数
总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数1/K称为传热过程的总热阻。
冷、热两流体的温度分别为T和t，给热系数分别为h2和h1，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw, 间壁两侧面积分别为A1和A2，流体通过间壁的热交换经过“对流—传导—对流”三个串联步骤。

获取K的其他途径：
⑴ 查取K值在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，表7-1列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。
⑵ 实验测定通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：
实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数h的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方
法作对照，以确定合理的K值。
列管换热器总传热系数K的经验数据
流体种类总传热系数K
W/(m2·K)
水—气体12~60
水—水800~1800
水—煤油350左右
水—有机溶剂280~850
气体—气体12~35
饱和水蒸气—水1400~4700
饱和水蒸气—气体30~300
饱和水蒸气—油60~350
饱和水蒸气—沸腾油290~870

污垢热阻
换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。
若垢层厚度为⊿s，垢层导热系数为λs，则垢层热阻为Rs=⊿s/λs。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足够重视。
由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。

在计算强制对流、自然对流、冷凝和沸腾传热的给热系数以及设备的热损失时，需要知道壁温，此外，在选择换热器类型和管材时，也需要壁温数据。
三、壁温的估算
由于换热器间壁两侧流体的温度不同，间壁两侧表面的温度也是不同的，但是金属间壁的热阻通常很小，因而忽略间壁温度的差异。若间壁两侧流体的平均温度分别为T和t，给热系数分别为h1和h2，则间壁平均温度tw满足下式

四、强化传热的途径
传热过程的强化占有十分重要的地位，设计和开发高效换热设备, 可以达到节能降耗的经济目的。
相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。
传热强化Q = KAΔtm
不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。

第六节传热设备
一 换热器的类型
(一) 间壁式换热器
(二) 混合式换热器
(三) 蓄热式换热器
二 间壁式换热器
三 列管式换热器的设计

(一) 选用和设计中应考虑的问题
1 流体流经的路径选择
选择的原则
⑴ 不清洁易结垢的物料流过易于清洗的一侧管内易于清洗；
⑵ 需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管程；
⑶ 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；
⑷ 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；
⑸ 蒸汽走壳程，冷凝液易于排出；
⑹ 被冷却的流体一般走壳程，便于散热；
⑺ 粘度大流量小流体选壳程，壳程Re>100即可达到湍流。

(二) 列管换热器的选用和设计的步骤
⑴ 确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。
⑵ 依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。
⑶ 计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。

⑷ 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2, 计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.15～1.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。

复习－第三章传热
基本概念
传导对流和辐射
稳态传热与不稳态传热
传热微分方程和管内层流温度分布
傅里叶定律、牛顿冷却定律及传热基本方程
传热过程的平衡关系和速率关系
对数平均温差
热阻概念及传热控制步骤
换热器的校核与调节
膜状冷凝和滴状冷凝
泡状沸腾和膜状沸腾
黑体镜体透热体
吸收率（黑度）反射率和折射率
强化传热和削弱传热的措施
换热器流体流动路径选择

 热设计资料下载：  第四章 传热

标签： 点击： 评论: