第二节两流体间的对流传热doc

传热
1．学习目的
通过本章学习，掌握传热的基本原理、传热的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题，诸如：
（1）热传导速率方程及其应用。

（2）换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。

（3）对流传热系数关联式。

（4）辐射传热的基本概念和相关定律，掌握两物体间辐射传热的速率方程。

2．本知识点的重点
（1）单层、多层平壁热传导速率方程，单层、多层圆筒壁热传导速率方程及其应用。

（2）换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。

（3）对流传热系数的影响因素及因次分析法。

3．本章应掌握的内容
（1）传热的基本方式。

（2）间壁式换热器。

（3）对流传热系数机理。

（4）用传热单元数法进行传热计算。

（5）换热器的结构型式和强化途径。

（6）两固体间的辐射传热速率方程及其应用。

4．本章一般了解的内容
（1）保温层临界直径。

（2）传热单元数法及应用场合。

（3）对流－辐射联合传热。

（4）一般传热设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题。

5．本章学习中应注意的问题
（1）边界层概念。

（2）传热单元数法。

（3）因次分析法。

（4）辐射传热的基本概念和定律，影响辐射传热速率的影响因素。

6 .应掌握的英文词汇
Heat transfer and its applications
Basic law of conduction
Steady-state conduction
Unsteady-state conduction
Principles of heat flow in fluids
Typical heat-exchange equipment
Energy balances
Heat flux and heat –transfer coefficients
Heat transfer to fluids without phase change
Boundary layer
Heat transfer by forced convection in laminar flow
Heat transfer by forced convection in turbulent flow
Heat transfer in transition region between laminar and turbulent flow
Heat transfer to liquid metals
Heating and cooling of fluids in forced convection outside tubes
Natural convection
Heat transfer to fluids with phase change
Heat transfer from condensing vapors
Heat transfer to boiling liquids
Radiation heat transfer
Emission of radiation
Absorption of radiation by opaque solids
Radiation between surfaces
Radiation to semitransparent materials
Combined heat transfer by conduction-convection and radiation
Heat-exchange equipment
Shell-and –tube heat exchangers
Plate-type exchangers
Extended-surface equipment
Scraped-surface exchangers
Condensers and vaporizers
Heat transfer in agitated vessels
Heat transfer in packed beds
概述:
化学工业与传热过程密切相关，因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要加热、冷却和保温。

例如蒸发、蒸馏、干燥等单元操作，都涉及到对设备输入或输出热。

还有一些废热回收，节能降耗任务都关系到传热问题。

因此说，传热普遍存在于化工生产过程中。

所谓传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热量传递。

也就是说，凡是有温度差存在时，就必然发生热流从高温处传递到低温处的过程。

对于化工生产中对传热的要求经常有以下两种情况：
1）要强化传热过程：例各种换热设备中的传热
我们实验室的传热实验是用饱和蒸汽冷凝来加热内管水，多采用增强流体湍动、减小内管直径及加强外管保温等措施来强化蒸汽向内管空气的传热过程。

2）削弱传热过程：如设备、管道的保温，尽量减少热损失
本章的内容就是深入讨论传热形式，传热机理以及换热器的设计和操作等重要问题。

一、传热的基本方式
根据传热机理的不同，传热可分为三种基本方式：对流、传导、辐射。

1.热传导（又称导热）
如果物体之间或物体内部各部分之间不发生宏观上的相对运动，而仅借助于分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导（又称导热）
①热传导发生的前提条件是：
物体与物体之间（相接触的）或系统各部分之间存在温度差，则热量由高温部分传向低温部分，或由高温物体传向低温物体，直至整个物体（或系统）各部分温度相等为止，但依靠的是微观粒子无规则热运动，而非宏观运动。

2．热对流（简称对流）
流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程称为热对流。

热对流仅发生在流体中，按其产生机理可分为以下两种形式：
1）因为流体中各部分的温度不同而引起密度的差别，从而使流体质点间产生相对运动，这种对流称为自然对流。

2）因泵或搅拌等外力所产生的质点强制运动，称为强制对流。

3.热辐射
物体因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。

[注]：①所有的物体都能进行热辐射，而且不需要任何介质。

②任何物体都在不断的发射电磁波，同时吸收其他物体辐射能而传化为热
能，物体之间相互辐射和吸收能量的总和称为辐射传热。

§1. 热传导
一、傅立叶定律：（揭示了热传导所遵循的基本规律）
因为系统各点之间的温度差是引起热传导的根本原因，所以讲述傅氏定律之前，首先介绍一下温度场和温度剃度的概念：
1.温度场：
指任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，如果我们把物体内任一点的温度随位置和时间变化情况表达出来，
表示通过等温面的热传导速率与温度梯度及传热面积成正比。

有： 1Q =2Q =3Q
（3）总传热系数K=const（4）换热器的热损失可以忽略
1．恒温差传热：
是指传热温度差不随换热位置而变化，它产生的原因是间壁两侧流体均有相变化发生。

例：换热器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热就是恒温差传热。

此时t∆=T-t=const，t∆与流体流动方向和流动距离无关，则Q=KS（T－t）
2. 变温差传热
t m m t t ∆∆=∆ε逆系
式中 逆m t ∆——为按逆流操作情况下的平均温度差,
t ∆ε——为校正系数，为P ，R 两因数的函数，即：t ∆ε=f （P ，R ），对于各种换热情况下的t ∆ε值，可在有关手册中查到。

第二节 两流体间的对流传热
对流传热在工程技术中非常重要。

许多工业部门中经常遇到两流体之间或流体与壁面之间的热交换问题，这类问题需用对流传热的理论予以解决。

在对流传热过程中，除热的流动外，还涉及到流体的运动，温度场与速度场将会发生相互作用。

对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。

根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类：
（1）流体无相变的对流传热：包括强制对流（强制层流和强制湍流）、自然对流。

（2）流体有相变的对流传热：包括蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。

对于上述几类，其对流传热过程机理不尽相同，影响对流传热速率的因素也有区别。

为了方便，先介绍对流传热的基本概念。

一、对流传热的基本概念
依靠流体质点相对位移（即运动）而传递热量称之为对流传热，所以它与流体流动状况密切相关。

由于内摩擦力粘性的存在，靠近管壁处有一层滞流内层（也称层流底层），该层流体层
之间平行流动，以导热方式传热。

层流内层外侧有过渡区，然后湍流主体区，该区流体质点剧烈湍动，各部分充分
实验表明，影响对流传热系数的主要因素有：
（1）流体的状态；
（2）流体的物理性质；
（3）流体的运动状况；
（4）流体对流的状况；
（5）传热表面的形状、位置及大小。

对流传热系数的确定是个极其复杂的问题，影响因素很多，只能针对某些具体情况，用因此分析方法得出准数，再用实验确定准数间的具体关系，进而得到准数关联式加以表达。

三、使用α准数关联式应注意的问题
α准数关联式是一种经验公式，使用时不能超出实验条件的范围。

用因此分析方法得到准数关系式为：
第四节热辐射
一、基本概念
物体温度大于绝对零度即可向外发射辐射能，辐射能以电磁波的形式传递，当与另一物体相遇时，则可被吸收、反射、透过，其中吸收的部分又可将电磁波转变为热能。

这种与物
四、设备热损失的计算
由设备外壁向周围环境所损失的热量，为对流传热与辐射传热两部分之和，即总的散热量为：
()()()
t t A t t A Q Q Q w w T w w R c R
c -=-+=+=ααα （4-28）
式中
T α——对流辐射联合传热系数W .m -2.K -1，其值可用天津大学编《化工原理》上册
P 278所提供的近似公式估算；
w A ——设备外壁表面积，m 2
； w t ——设备外壁温度，K 。

第五节 传热单元数法（ε-NTU 法）
一、传热效率ε
四、传热效率与传热单元数的关系
对各种传热情况，可推导出传热效率和传热单元数的相应公式，并可绘制成图，供设计
时直接使用。

图中NTU ，ε和R 必须全部用热流体的数据或者全部用冷流体的数据。

ε-NTU 法既可对换热器进行校核计算，也可做新换热器的设计，可参看有关例题。

当传热系数K 为已知时，应用ε-NTU 法进行换热器设计，具有以下优点：
（1）计算简单，查图方便； （2）无需计算对数平均温度差；
（3）在两流体出口温度（22,t T ）为已知时，无需试算，对正在使用的换热器，如改变
进口温度（11,t T 或），可以直接求出相应的出口温度，亦无需试算；
（4）对一组串联的换热器，可将NTU 累计起来计算，其操作结果比常用方法更易估计。

第六节 传热过程的强化
强化传热过程，就是力求用较小的传热面积或较小体积的传热设备来完成同样的传热任务。

由传热速率方程式m t KA Q ∆=可看出，若提高K ，A ，Δm t 中的任何值，均可强化传热过程。

一、Δ
m t
该项取决于冷、热流体的进、出口温度，其中物料的温度由生产工艺所决定，而冷却和加热介质的温度因选择的介质不同而异。

冷却剂一般多用水，其进口温度根据水源情况而定，出口温度由经验传热温度差不少于10°C 进行确定。

加热剂的选择,当温度不超过200°C 时,多用水蒸气作为加热介质，而温度超过200°C 时，要考虑烟道气，有机载热体等其他加热剂。

当两种流体均为变温的情况，尽可能采用逆流。

二、 A
对新设计的换热器而言，增大A ，即意味着提高设备费用，如应设法增加单位体积内的传热面积，如用螺纹管、翅片管代替光滑管等。

对两种流体的α相差很大时，应设法增加α值小的一侧的传热面积。

第七节换热设备
换热设备类型很多，主要掌握列管式换热器的结构，包括管程、壳程、挡板、隔板、补偿装置等。

对列管换热器的选用和设计可参看本院编写的课程设计资料及其它有关专著。

新型换热器要掌握其特点及发展趋势。

思考题：
1．何谓稳态热传导？
2．对流传热系数的定义是什么？说明对流传热的机理及求算对流传热系数的途径。

3．为什么自然对流问题的分析解比强制对流问题的分析解更为复杂？
4．试说明流体有相变化时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数的理由。

5．为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高？
6．如何理解辐射传热中黑体和灰体的概念？
7．在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8？
8．换热器是如何分类的，工业上常用的换热器有哪些类型，各有何特点？
9．管壳式换热器为何常采用多管程，分程的作用是什么？
本章学习参考资料
1.必读书籍
姚玉英等. 化工原理,下册. 天津: 天津大学出版社, 1999
2.参考书籍
(1) 柴诚敬, 张国亮. 化工流体流动和传热. 北京: 化学工业出版社,
2000
(2) 蒋维钧等. 化工原理,下册. 北京: 清华大学出版社, 1993
(3) J. M. Coulos and J. F. Richrdson. Chemical Engineering Vol2.3rd ed.—oxford: Pergamon, 1994
(4) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 5th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 1993
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