第五章、传热与传质培训课件

传热的分类
传热的分类
间歇传热 按连续性 连续传热
分类：
按与时间 的关系
非稳态传热：传热速率常数，
稳态传热：传热速率=常数，
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一、热量传递的三种基本方式
根据传热的机理不同，热量传递的基本方式分为三种：
导
对
热
流
热辐射
1、热传导（又称导热）
当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时， 由于分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而 引起热量的传递。热量由高温度部分传到低温部分， 或从高温物体传到与之相接触的低温物体，直到各 部分温度相等为止，这种热量传递过程称为导热。
α可查询相关资料取经验值。
四、提高传热膜系数的途径 （一）无相变的对流传热：
提高流体流速是强化传热的有效措施，但流体流速增大后能量损失增 加。
（二）冷凝传热：
（1）不凝气体 蒸汽内含有不凝气体，形成气膜，使传热阻力增大， 对流传热系数降低。 （2）蒸汽流速和流向 蒸汽与液膜流向一致，加速液膜流动，对流传 热系数增大；蒸汽流速增大对流传热膜系数增大 （3）蒸汽过热情况 按饱和蒸汽冷凝处理 （4）冷凝面的高度及布置方式 冷凝液膜增厚会降低传热系数。
传热在生产中的应用
2、化工设备和管道的保温（保冷），以减少热量 （冷量）损失。 保温：如蒸汽管道、热水管道。 保冷：-35℃盐水、7℃水管道 3、生产中热能的合理利用，废热回收。 废热利用：氯化氢合成热用于溴化锂及采暖、转 化反应热用于溴化锂机组
研究传热的目的
1、提高传热速率
过渡区
1
层流内 层
2
湍 流 主 体 区
湍 流 主 体 区
二、对流传热速率方程
热流体侧 1 冷流体侧 2
2 A2 (TW 2 T ) 2 A2 (TW 2 T ) 2
1 2
1 A1 (T TW 1 ) 1 A1 (T TW 1 ) 1
对流传热速率方程(又称牛顿冷却定律)
1 2 3 n i 1 2 3 n i T1 : T2 : T3 : T : : : : : : 1 A 2 A 3 A i 1 i A 1 2 3 i 1 i
dr
3、单层圆筒壁的热传导
单层圆筒壁的热传导速率方程
r 2L（T1 T2） ln 2 ） （ r1 r2 热阻为: R ln （ ） 2L r 1
当r2/r1≤2时,rm
r1 r2 2
4、多层圆筒壁的热传导
三层圆筒壁的热传导速率方程
2L（T1 T4） 1 r2 1 r3 1 r4 ln ln ln 1 r1 2 r2 3 r3
n层圆筒壁的热传导速率方程
Φ
r2
r1 T1 T2 T4 T3
r3 r4
2LT n 1 ri 1 ln r i 1 i i
（3）气体的导热系数
气体的导热系数随温度升高而增大，随压强增大而增加。
二、传导传热的计算 1、单层平面热传导
T1 T2 T R
T φ T2

A
T1
R A
T T1 T2
称为导热热阻
δ
x
称为导热的推动力
ห้องสมุดไป่ตู้、多层平壁的热传导
三层平壁的热传导速率方程:

T φ T3 T 4
传热过程的推动力：温度差
传热在生产中的应用
传热在生产中的应用：
1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。 加热：熔盐炉、混合气预热、再沸器


聚合釜夹套升温、汽提、干燥等
冷却：采用循环水、7℃水、-35℃盐水等冷却水
转化器、合成炉用热水冷却
冷凝：氯气液化、混合脱水、氯乙烯单体冷凝 蒸发：碱液蒸发、PVC干燥
d dr2
r2
t1 t f
tf
1 1 2l (t1 t f )( 2) r2 r2 ln( r2 r1 ) 1 r2
称为临界半径rc
2
0
φ
B

rc
r2
第三节
对流传热
1
2
对流传热过程是从流体到固体壁
或从固体壁到流体的传热过程, 是一个层流内层为主的导热和层 流内层以外对流传热的综合过程.
②确定面上的温度；
③确定保温层的壁厚。
2、导热系数

dT A dx
（1）、固体的导热系数
大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 λ=λ0（1+αλt）
αλ--------温度系数
（2）液体的导热系数
液态金属：液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。 其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数 液体λ随温度升高略有减少，纯液体λ比混合液体一般要大一些。
（三）、沸腾传热
（1）温度差 温度差是控制沸腾传热的重要参数
大容积沸腾 液体沸腾 管内沸腾 沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随温度升高较慢。 当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。 气泡产生的速度△t随上升而增加， α急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。
强化传热，减小设备尺寸，节省费用
2、降低传热速率
削弱传热，减少热量损失
传热的基本方式
热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而
引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，
热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部 分， 或是温度较高的物体传给温度较低的物体。 根 据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对 流和辐射三种。
T dA
dφ
T′
φ = K A △T = K A ( T – T′)
3、变温传热
变温传热可以分为以下几种情况： ①间壁一侧流体为恒温，另一侧流体为变温。 如：用恒压蒸汽加热另一种流体，蒸汽温度恒定，流体 为变温； 又如：用热流体加热另一种在较低温度下进行沸腾的流体， 流体的沸腾温度保持恒定。 ②温 a、并流，换热器中冷、热流体同向平行流动 度 b、逆流，换热器中冷、热流体反向平行流动 均 c、错流，换热器中冷、热流体相互垂直流动 有 并流逆流交错Ⅰ 变 d、折流 化 多次错流Ⅱ
T1′
传热速率方程:
φ = K A △Tm
一、热量衡算
工业生产中由于流体温度的变化吸收或放出热量称为 热负荷。在稳态传热过程中，若忽略热损失，热量的衡 算关系式为：热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。 热负荷的计算，可以分为两种情况： 1、无相变时的热负荷计算 热流体: 冷流体:
φ放 = qmhCph ( T1 – T2) = qmh ( H1 – H2) φ冷 = qmcCpc ( T2′– T1′) = qmc ( H2′ – H1′) φ放 = φ 冷
3、热辐射
因物体本身温度的原因激发产生的电磁波在空间的 传递，称为热辐射。 辐射传热的特点是：
（1）、能量传递过程中有能量形式的转变
（2）、任何物体只要在热力学温度零度以上都能发射辐
射能
第二节 热传导
一、热传导方程 1、傅立叶定律
T φ T2 x
dT A dx dT q dx
对流传热分类
自然对流
对 流 传 热 分 类
无相变化 强制对流 膜状冷凝 蒸汽冷凝 有相变化 液体沸腾
滴状冷凝
一、对流传热分析
1、层流底层，由于流体粘性的存在，
靠近壁面的一薄层流体作层流流动 ， 称为层流底层，热量传递主要是靠分子 扩散运动以导热方式进行，热阻主要集 中在层流底层中，造成较大的温度降。 2、过渡区，在层流底层与湍流主体 之间存在着一个过渡区，该区的流体由 于漩涡运动，而造成流体质点产生相对 运动，热量传递除了以传导方式外，还 有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。 3、湍流主体，流体质点的剧烈碰撞 与混合，热量传递以对流方式为主，可 以认为无热阻，温度梯度为零，各处的 温度相等。
ΔT=T1 –Tn+1
5、保温层的临界半径
t1----保温层内表面温度；tf----环境温度 r1、r2----分别为保温层内外壁半径； λ---为保温材料的导热系数 α----为对流传热系数；L---为管长
t1 t2
r1 r2
t1 t f r2 1 1 R1 R2 ln 2L r1 2Lr2
δ1 δ2 δ3
1 2 3 1 A 2 A 3 A
T1 T2 T3

1 2 3 1 A 2 A 3 A
T1 T4
T1
T2
n层平壁的热传导速率方程:

T1 Tn 1
i A i 1 i
n
x
各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。
2013-7-28
2013-7-28
（2）操作压力 提高压力提高饱和温度，液体黏度及表面张力下降， 有利于气泡生成与脱离壁面，强化了对流传热过程。
（3）流体物性 表面张力小 开表面，对沸腾传热有利。
润湿能力大的液体，形成的气泡容易离
（4）加热面 壁面粗糙，发生气泡的核心多些，气泡上升运动越激烈， 从而强化了传热。
Ⅰ
Ⅱ
并流、逆流时冷热流体沿传热面的温度变化情况
第四节 传热计算
化工生产中经常遇到物料通过管壁或容器器壁加热 或冷却的传热过程。热流体以对流的方式传给固体壁面， 而固体壁面内部以导热的方式把热量从一侧表面传给另一 侧表面，然后再以对流的方式把热量传给冷流体，这个传 热过程称为热交换。下面套管式换热器是间壁式换热器中 最常用的一种。
T2′ T1 T2
qmhCph ( T1 – T2) = qmcCpc ( T2′– T1′) 其中qmh和qmc分别为热、冷流体的质量流量，kg/s或kg/h
二、传热速率方程
1、总传热速率微分方程 通过换热器中任一微元面积dA的间 壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照 对流传热速率方程写出： dφ = K ( T – T′) dA = K △T dA K--------总传热系数.W/(m2· ℃) 2、恒温传热 换热器间壁两侧流体的温度都是恒定，比如：蒸发 器中，一侧为饱和蒸汽；另一侧为沸腾液体，它们之间传 热就是恒温传热。
三、传热膜系数的影响因素
AT
1、流体的流动状态 2、流体的对流状况 3、流体的物理性质 影响较大的物性有流体的比热、导热 系数、密度和粘度。 4、传热表面的形状，大小和位置 5、流体相变的影响
对流传热膜系数α的物理意义: 当壁面和流体主体温度 差为1K时,单位面积的固体壁面上单位时间内以对流传 热方式传递的热量。 对流传热方程式以很简单的形式表达了复杂的对流传 热过程的传热速率，其中的膜系数包括了所有影响对 流传热过程的复杂因素。由于对流传热系数α受很多因 素的影响，不可能提出一个确定α的普遍公式。
T2
r1 T1 r2
L
上式也可以写成与平壁热传导速率方程类似形式: (T1 T2 ) (T1 T2 ) Am Am (r2 r1 ) 其中对数平均面积为:
Am 2L（r2 r1） 2 rm L r2 ln ） （ r1
r2 r1 对数平均半径为: rm r ln 2 ） （ r1
2、对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流
传热（即对流） 。
对流的形式可分为：
（1）、自然对流：由于流体中各处的温度不同而引起密度 的差别。轻者上浮，重者下沉，流体之间产生相对位移。 （2）、强制对流：由于泵、风机或搅拌等外力的作用使得 流体质点强制运动。 在化工传热过程中,通常是流体流经固体壁面时发生的对流 和热传导联合作用的传热过程.
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第五章 传热传质知识
什么是传热?
传热跟我们的生活密切相关 传热在生活中的应用： 1、做饭时，蒸、煮、炒等都是传热过程，饭菜凉了 我们也要“热一热”再吃； 2、冬天开暖气供暖，屋子里暖和、舒服； 3、穿衣服要看天气，根据温度变化选择衣服，冬天 穿棉袄，夏天穿单薄的衣服。
传热推动力
传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传 递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化工生产与传热 的关系尤为密切。 高温 低温
dT dx
T1
T
T+dT
dx
δ
温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯 度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。
负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递.
傅立叶定律解决的问题
傅里叶定理是研究传热过程的重要方程， 在工程上 主要解决三个问题：
①计算传热量或热量损失；