,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 传 热,第一节 概 述,一、定义：由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程，简称传热。,二、传热现象：几乎无时不有，无处不在。因为温差几乎无时不有，无处不在。,三、传热原理的应用：十分广泛。尤其在能源动力、化工冶金部门。,化学过程,单元操作,设备管道,废热利用,四、问题类型,提高（强化）传热速率,降低（削弱）传热速率,五、传热状态,稳态（定常）传热：各点温度不随时间而变,非稳态（非定常）传热：否则,第四章 传 热第一节 概 述 一、定义：由温度,1,六、传热基本方式（传热机理）,1热传导（导热）(conduction)：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微观运动传递热量的过程。,金属，自由电子的运动。,固体 分子晶体，分子的振动。,非金属 原子晶体，原子的振动。晶格结构的振动，弹性波。,离子晶体，离子的振动。,液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。,气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。,2热对流（对流）(convection)：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。,自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。,强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。,3热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。,在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存,六、传热基本方式（传热机理）,2,七、换热器的类型：间壁式、混合式（图4-1）、蓄热式（图4-2）。,八、典型间壁式换热器：套管式（图4-4）和列管（壳管）式（图4-5、4-6）。,九、间壁式换热器中的传热方式：对流,导热,对流,十、载热体：提供或取走热量的流体。,1加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气（表4-1）。,或电。,2冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨（表4-2）。或氟里昂、液氮。,七、换热器的类型：间壁式、混合式（图4-1）、蓄热式（图4-,3,第二节 热传导,一、傅立叶定律：,在物体内任何一点，沿任一方向的导热,热流密度,（单位时间内垂直通过单位面积的热流量）与该方向上的温度变化率成正比，即,式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。,qn方向的导热热流密度，W/m,2,；,Qn方向的导热传热速率或热流量，W，J/s；,S与热流方向垂直的导热面积，m,2,；,导热系数，W/(m,K)，W/(m,C)；,n方向的温度变化率，K/m，,C/m；,二、导热系数,：,表征物质导热能力的物性参数。,1固体,式中,0,固体在0,C的导热系数，W/(m,K)，W/(m,C)；温度系数，1/,C,2液体,(1),金属液体：,(2),非金属液体（除水、甘油外）：t,（略减小）,(3),有机化合物水溶液的导热系数估算式为,第二节 热传导 一、傅立叶定律：在物体内任何一点，沿任一方向,4,式中 组分i的质量分率。,(4),有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为,3、气体,很小，对导热不利，但有利于保温和绝热,(1),(2),(3),常压下气体混合物的导热系数估算式为,式中 组分i的摩尔分率。,组分i的摩尔质量，kg/kmol。,4、一般规律,(1),(2),(3),(4),换热器传热基础知识课件,5,三、通过平壁的导热,1单层平壁,如图所设，且假定,为常数，,则将一维稳态条件用于傅立叶定律：,得,所以 ，t与x成线性关系。,或,沿x方向定积分，得,而由一维稳态条件，知q与x无关，,（）,所以,所以,而,所以 单层平壁微分导热公式,沿平面定积分，得,所以 单层平壁导热公式,三、通过平壁的导热,6,传递过程有共同规律：,如欧姆定律,将单层平壁公式改写为,式中 温差，K，,C；,热阻，K/W。,2、多层平壁,以三层平壁为例，如图所设，且假定,为常数，及层与层之间接触良好，没有接触热阻，则由,单层平壁公式，得,而由一维稳态条件，得,所以相加并整理，得,或,传递过程有共同规律：,7,四、通过圆筒壁的导热,1单层圆筒壁,如图所设，且假定,为常数,则将一维稳态条件用于傅立叶定律：,得,或,所以 ，t与r成非线性关系,或,沿r方向定积分，得,而由一维稳态条件，知 与r无关，,（，但 ）,所以,所以,单层圆筒壁微分导热公式,四、通过圆筒壁的导热,8,整理,单层圆筒壁微分导热公式,式中 对数平均微元面积，m,2,；,当 时 ，。,沿柱面定积分，得,所以 单层圆筒壁导热公式,整理,单层圆筒壁导热公式,式中 对数平均面积，m,2,；当 时，。,温差，K，,C；,热阻，K/W。,整理,9,课堂练习：设 ，试求单层圆筒壁的导热传热速率计算公式。,解：由,得,沿r方向定积分，得,所以,得,所以当,与t成线性关系时，只要将导热公式中的,用算术平均温度下的代替，即可,求解变导热系数的导热问题。否则，要用积分平均值代替。,换热器传热基础知识课件,10,3、多层圆筒壁,与多层平壁同理可得,或,3、多层圆筒壁,11,第三节 对流传热,一、传热方式和温度分布,11、层流 导热 非线性,层流底层区 导热 近似线性,22、湍流 过渡流区 导热与对流 非线性,湍流主体区 对流为主 近似水平线,二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即,或,式中 q,x,局部对流热流密度，W/m,2,；,Q对流传热速率或热流量，W；,S与流体接触的固体传热面积，m,2,；,x,局部对流传热系数，W/(m,2,K)；,t,w,，T,w,分别为冷热流体侧的局部壁温，K，,C；,t，T分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流温度，K，,C。,三、对流传热系数,x,牛顿冷却定律实质上是对流传热系数的定义式，对流传热系数表征对流传热能力的参数，与流体物性及流动状态等有关。对流传热系数的一般范围见表,4-5,。后面将详细讨论对流传热系数的计算。,第三节 对流传热,12,四、,x,的物理意义,以管外冷流体湍流流动为例，则有效膜很薄。设有效膜内的流体按层流流动，则由单层圆筒壁微分导热公式：,得,比较,得,所以,x,的物理意义是导热系数与有效膜厚度之比。,(若为层流，则,，),四、x的物理意义,13,五、热边界层,1形成,当流体流过与其温度不同的壁面时，因其本身受热或,冷却,而使壁面附近流体的温度发生变化，从而产生温度梯度。,热边界层（温度边界层）：壁面附近存在温度梯度的流体层,t,，一般取热边界层外缘的过余温度 。,主流区：边界层以外的区域。,2发展（限于管内）,与流动边界层类似，热边界层的形成也有一个发展的过程，但热边界层在充分发展后因传热过程的继续而不能形成稳定的热边界层，最后会消失。,虽然管道内充分发展后的热边界层（温度分布）不能稳定，但局部对流传热系数,x,可以基本稳定。因为对流传热系数取决于层流底层的厚度，见,x,的物理意义。,进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数,x,基本稳定的这一段距离。,若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则,从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，,有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。,换热器传热基础知识课件,14,第四节 传热计算,一、能量衡算（忽略热损失）,1基本热量衡算式,2无相变时热量衡算式,3有相变时热量衡算式,4无相变和有相变共存时热量衡算式,二、总传热方程：仿牛顿冷却定律，显然，在间壁式换热器中，热流密度与两流体的温差成正比，即,总传热微分方程,或 总传热微分方程,式中 q,x,局部热流密率，W/m,2,；,Q传热速率或热流量，W；,S间壁传热面积，m,2,；,K,x,局部总传热系数，W/(m,2,K)；,t、T分别为冷热流体的局部流体截面平均温度或大空间中流体主流温度，K；,第四节 传热计算 一、能量衡算（忽略热损失）,15,三、总传热系数K,x,、K,总传热微分方程实质上是总传热系数的定义式。总传热系数主要取决于冷热流体侧的对流传热系数。下面推导其计算公式。,设稳定传热，其他如图所设，则,通过热流体的对流传热速率为,通过热流体侧污垢的导热传热速率为,通过管壁的导热传热速率为,通过冷流体侧污垢的导热传热速率为,通过冷流体的对流传热速率为,整理，得,相加并整理，得,三、总传热系数Kx、K,16,对比总传热微分方程：,得,而 ，,所以,假定,为常数，对上式沿管长取平均值，得,当 时，,当 时，,当传热面为平壁时，,所以,四、对流传热系数对总传热系数的影响,以平壁为例，若忽略污垢热阻和管壁热阻，则,对比总传热微分方程：,17,所以,当 时，,当 时，,所以当,i,，,o,相差较大时，必须提高较小的,，才能提高K；当,i,，,o,相差不大时，必须同时提高,i,，,o,，才能提高K。,五、平均温差,1恒温传热,由总传热微分方程,对上式沿管长取平均值，得,所以 总传热方程,令 平均温差,则,总传热方程,所以,18,2、变温传热,(1),逆流和并流,以套管式换热器中的逆流为例，如图所设，则由dS中的热平衡，得,所以,相减,令 局部温差,且 假定为常数。,则,2、变温传热,19,所以,t与Q成线性关系，其斜率也可为,而,所以,假定 为常数，则 ，,令 对数平均温差，当 时，。,所以 总传热基本方程,显然，上式对并流也适用。,（2）折流和错流,式中 温差校正系数,所以t与Q成线性关系，其斜率也可为,20,式中,六、关于简化假定的讨论,当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式误差较大。,若K随温度呈线性变化时，可用下式计算,若K随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的K视为常数，则,或,若K随温度变化较大时，应采用积分法：,或,式中,21,七、K的来源,经验值：由生产设备总结的大概数据，表4-6。,实验值：由现场设备或实验装置测出的数据。,计算值：由对流传热(系数)关联式计算的数据。,八、保温层的临界直径,由,得,所以,由总传热方程,得,令 ，,所以 ，,所以,临界热绝缘直径,（,4-29a,）,七、K的来源,22,九,、传热单元数,1,传热效率,：实际传热量与最大可能传热量之比，即,显然，热、冷流体各自温度变化的最大值均为 。,又由,知最大可能传热量应为Wc,p,值较小的流体在最大温度变化下传递的热量，即,式中 热容量流率,若,则,若,则,2传热单元数NTU（Number of Transfer Units）,由,得,假定为 常数，则,九、传热单元数,23,令 传热单元长度，m；,传热单元数,所以,当 时,，即,由,得,所以，传热单元长度是温度变化 与该段换热器内的平均推动力 相等时的换热器长度。,1传热效率和传热单元数的关系（,与NTU）,以单程逆流、热流体为最小值流体为例，且假定为常数。,由,得,或,所以,换热器传热基础知识课件,24,相减，得,令,并定积分，得,所以,而,所以,解之 （4-60）,同理,式中,并流、逆流、折流的,-NTU,关系分别见图,4-22,、,4-23,、,4-24,。,换热器传热基础知识课件,25,第五节 对流传热系数关联式,一、对流传热的分类,强制对流,无相变,自然对流,对流传热,冷凝,有相变,沸腾,二、影响对流传热的因素,1流体的种类,牛顿型流体,非牛顿型流体,2流体的相变状况,无相变,有相变,3流体的物性,密度,动力粘度,导热系数,定压比热c,p,体积膨胀系数,4流体的进出口温度,冷流体温度t,1,，t,2,热流体温度T,1,，T,2,第五节 对流传热系数关联式 一、对流传热的分类,26,5.流体的流动类型,层流,过渡流,湍流,6.流体流动的原因,自然对流,强制对流,7.传热壁面的几何因素,形状,大小,位置,光滑度,三、对流传热过程的量