化工原理--传热

第四章传热本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。

本章重点要求掌握：①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；③总传热速率方程以及传热过程的计算。

4.1 概述4.1.1 传热在化工生产中的应用传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。

由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。

化工生产过程与传热关系十分密切。

这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。

例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。

化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。

这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：（4.1.1）式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δt m—平均传热温差，℃。

4.1.2 传热的基本方式根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。

热传导：热传导又称导热。

是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。

对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。

在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。

辐射传热：又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。

物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。

4.1.3 稳态传热和非稳态传热稳态传热：在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态传热。

非稳态传热：传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。

4.2 热传导从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体导热机理各有不同。

热传导机理：气体—温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热量传递；液体—液体中的分子比气体密集，分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导致热量传递；固体—相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递。

这种碰撞和迁移，类似于分子运动。

在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用，即良好的导电体也是良好的导热体。

导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没有物质的宏观位移。

4.2.1 基本概念和傅立叶定律（1）温度场和等温面温度场：所研究的具有一定温度分布的空间范围。

()τ,,t=xfy,z稳态温度场与非稳态温度场：稳态温度场：()zyxt=。

,zfyxft,,=，非稳态温度场：()τ,,等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的面称为等温面。

温度不同的等温面彼此不会相交。

（2）温度梯度：沿等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。

（4.2.1）图4.2.1 等温面、温度梯度与热流方向（3） 傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即：（4.2.2）4.2.2 热导率 根据傅立叶定律可得热导率：n t q∂∂-=λ (W/m·K)热导率= f(材料，结构，温度，湿度，压强)一般规律：对于气体：t ↑，λ↑；对于液体：t ↑，λ↓（水、甘油例外）；对于固体：金属t ↑，λ↓（高合金钢例外）；非金属t ↑，λ↑（冰例外）。

多数匀质固体：λ=λ0(1+a λt )，其中金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。

4.2.3 (1) 单层平壁的稳态热传导热导率为常数，对于稳态的一维平壁热传导，傅立叶定律可写为：=传热推动力/阻力平壁内的温度分布：沿壁厚方向温度分布为一直线。

热导率随温度变化：λ=λ0(1+aλt)，则：积分整理得温度分布为非线性函数。

又可以整理如下：图4.2.2 单层平壁的热传导导热速率：，（4.2.3）注意：λm为平均温度下的热导率。

4.2.3 (2)多层平壁的稳态热传导工业上常遇到由多层不同材料组成的平壁,称为多层平壁,如图所示.假设层与层之间接触良好，即接触的两表面温度相同，由于各等温面的温度保持恒定，仍为一维稳态导热，通过各层的热流量均等于Q，则：，（4.2.4）（4.2.5）由以上可见，对于多层平壁的稳态热传导,其总的推动力即为总的温度差，而总的热阻为各层热阻之和，这与电工学中串联电阻的欧姆定律类似。

各层的热阻越大，则其温度差也越大，热传导中温度差与热阻成正比。

对于长圆筒壁的傅立叶定律改写为：于是有：上式可以改写为：图4.2.3多层平壁的稳态热传导对于多层圆筒壁：（4.2.6），注意：Q 恒定，但q 是变化的，故有：温度分布：圆筒壁内的温度分布可由傅立叶定律得出：图4.2.4 多层圆筒壁热传导 积分：（4.2.7）4.3 对流传热对流传热是指流体中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，与流体的流动状况密切相关。

实质上对流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。

4.3.1 热边界层的概念流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。

图4.3.1 (a)流体被平壁加热 (b)流体被平壁冷却热边界层的厚度 ：t w －t = 0.99（t w －t ∞）处与壁面的垂直距离。

热边界层内：0≠dy dt；热边界层外：0=dy dt(等温区)。

湍流流动热边界层与流动边界层关系：湍流区：质点相互混合交换热量，Δt 小。

缓冲层：质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。

层流内层：导热为主，热阻大，温差大。

4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。

如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。

温度差主要集中在层流底层中。

假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为δ1'的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。

对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律：； （4.3.1） 对两侧流体，均可使用牛顿冷却定律，即：Q = αAΔt （4.3.2）式中：Q —对流传热的热流量，W ；A —对流传热面积，m 2；Δt—壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差，K ；α—比例系数，称为表面传热系数，W/（m ²·K ）对流传热过程的计算，归结为如何获取α。

α一般由实验 测定，采用科学的试验方法。

在虚拟膜内，使用傅立叶定律：图4.3.2 对流传热的温度分布 对比牛顿冷却定律，可知：使对流传热归结为导热问题，dy dt可由温度分布求得。

若 一定，dy dt 取决于有效膜厚度δtdy dt∆= 而则和流动状态有关。

4.4 表面传热系数的经验关联4.4.1 (1)表面传热系数的影响因素流动状态的影响，强制对流和自然对流的影响，流体物性的影响，传热面条件的影响，相变化的影响。

对流传热的分类：无相变化传热：强制对流自然对流有相变传热：蒸汽冷凝液体沸腾(2)无相变化时对流传热过程的因次分析利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：(努塞尔数) （4.3.3）(雷诺数) （4.3.4）(普朗特数) （4.3.5）(格拉晓夫数) （4.3.6）4.4.2 特征数的物理意义努塞尔数：= 壁面温度梯度/平均温度梯度称为无因次温度梯度。

平均温度梯度一定，壁面温度梯度越大，Nu越大,越大,有效膜越薄。

按热边界层理论,壁面温度梯度恒大于平均温度梯度,所以,努塞尔数恒大于1。

雷诺数：惯性力和粘滞力的比值，反映流动状态对的影响。

普兰特数：V—动量扩散系数；α—热扩散系数。

该公式反映了热扩散和动量扩散的相互关系。

反映流动边界层厚度和热边界层厚度的相对厚度。

格拉晓夫数（又称升浮力数）：体积的变化（），单位体积流体的体积变化：单位体积流体的浮力变化：反映自然对流程度的特征数。

4.4.3 无相变化的对流传热无相变化对流传热时，特征数之间的关系：强制对流：自然对流：混合对流：（1）管内强制对流进口段对表面传热系数的影响：图4.4.1管内强制对流进口段长度：进口点到边界层汇合点间的长度。

层流：湍流：一般关系式：流动状态不同，则c ,m ,n 不同。

①圆形直管内湍流表面传热系数a. 一般流体（4.3.7）n= 0.4 流体被加热n= 0.3 流体被冷却定性温度：适用范围：，，，。

注意：分析湍流条件下的表面传热系数与u，di，粘度，密度的关系。

b. 粘度较大的流体一般情况下，应考虑粘度变化的影响，使用下式：液体被加热液体被冷却适用条件：，，定性温度：进出口平均温度定型尺寸：管内径。

c. 流体流过短管若则为短管，处于进口段，表面传热系数较大。

采用以上各式计算，并加以校正：②圆形直管内过渡流时表面传热系数过渡流，采用湍流公式，但需加以校正。

③圆形直管内层流条件下的表面传热系数特点：1）进口段的管长所占比例较大2）热流方向不同，也会影响。

3）自然对流的影响有时不可忽略。

定性温度：流体进出口温度的算术平均值定型尺寸：管内径di④弯管内强制对流时的表面传热系数特点：离心力的作用，压力不均匀，产生二次环流,结果使。

计算式：α´= f α（4.3.8）式中：α—直管内的表面传热系数；R—管子的曲率半径。

图4.4.2 弯管内强制对流示意图⑤非圆形管内强制对流的表面传热系数采用圆形管内相应的公式计算,但特征尺寸采用当量直径，但只是一种近似算法，最好采用经验公式和专用式。

4.4.3 (2)管外强制对流传热a. 流体橫向流过单管如图1所示，当流体垂直流过单根圆管外表面时，由于流体沿圆柱周长（或方位角Φ）各点的流动情况不同，因而各点的局部表面传热系数αΦ或局部努塞尔特数NuΦ亦随之而异。

如果流体的初始状态不同，则流体流经各点的情况也随之变化，从而导致圆管沿圆周方向上局部αΦ或NuΦ分布也相应变化，如图2所示。