传热

化工原理传热单元，传热 就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。

传热

• 概述
  • （1）传热的定义： 就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。
  • （2）传热的基本方式
    • 热传导
      • 若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、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，简称导热。
      • 特点：物体间没有宏观位移，只发生在静止物体内的一种传热方式。
    • 热对流
      • 强制对流（外力作用引起的对流）：通过施加机械能（泵、风机、搅拌等）使流体质点间发生相对位移而引起的对流传热。
      • 自然对流（由于密度差引起的对流）：由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生相对位移而对流传热。
      • 特点：对流只能发生在流体中。
    • 热辐射
      • 物体由于热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。被传递的能量称为辐射能。
      • 热辐射的特点：
        • （1）辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。
        • （2）辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。
  • （3）对流传热
  • （4）热、冷流体热交换方式
    • 直接接触式换热
    • 蓄热式换热
    • 间壁式换热
      • 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。
      • 传热过程可分为三步：
        • 热量从壁的热侧传到冷侧（对流传热）
        • 热量从壁的冷侧传给冷流体（热传导）
        • 热流体将热量传给固体壁面（对流传热）
      • 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本 尺寸。
  • （5）间壁式换热器
    • 套管式换热器：套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流 体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。
    • 列管式换热器
      • 组成：列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。
  • （6）传热速率和热通量
    • 传热速率（热流量）Q ：单位时间内通过传热面的热量，单位为W。
    • 热通量（又称为热流密度或传热速度）q：单位传热面积的传热速率，单位为W/m2。
  • （7）稳态传热和非稳态传热：传热系统中各点的温度和传热速率不随时间而变化。不加说明一般都指稳态传热过程
  • （8）载热体
    • 载热体：提供或取走热量的流体
      • （1）加热介质：热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气等
      • （2）冷却介质：水、空气、盐水、氨蒸汽等
    • 选用原则：温度易调，不易分解，无毒无害，便宜，易得
• 热传导
  • （1）温度场、等温面和温度梯度
    • 温度场：体或系统内部的各点温度分布的总和。
    • 等温面：温度场中同一时刻下温度相同的点组成的面。 温度不同的等温面不能相交。
    • 温度梯度：两相邻等温面的温度差与垂直距离比值的极限 值，用grad t表示。
  • （2）傅里叶定律
  • （3）导热系数
    • 在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是物 质的物理性质之一
    • 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次 之，液体的较小，气体的最小。
  • （4）单层平壁的稳态热传导
  • （5）多层平壁的稳态热传导
  • （6）接触热阻
  • （7）单层圆筒壁的稳态热传导
    • 温度分布：一维稳态导热，所以热流量Q是固定的，但是 热通量是变化的，不是一常数（圆筒壁内的温度按对数曲线变化）
    • 热流量（单层圆筒壁的热传导速率方程式）：
  • （8）多层圆筒壁的稳态热传导
• 对流传热概述
  • （1）对流传热分类
    • 一、流体无相变
      • 1 强制对流
      • 2 自然对流
    • 二、流体有相变
      • 1 蒸汽冷凝
      • 2 液体沸腾
  • （2）对流传热速率方程
    • 式中：各参数分别为局部总参数，随管长变化。
    • 式中：各参数分别为换热器总参数。
  • （3）对流传热系数
    • 表示：单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位：W/m2·K。 意义：反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
  • （4）对流传热机理
    • 层流内层
      • 流体分层运动，层间没有宏观运动；
      • 在垂直于流动方向上仅为流体热传导；
      • 温度差较大，即温度梯度较大，热阻大
    • 缓冲层
      • 层间有宏观运动；
      • 热对流和热传导作用大致相同；
      • 温度发生较缓慢的变化，热阻变小。
    • 湍流主体
      • 质点运动激烈，各处的温度基本相同；
      • 导热很小，主要是对流作用；
      • 温度梯度很小，热阻最小。
    • 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流内层。 减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。
  • （5）热边界层的形成与发展
    • 1.表明：对一定的流体，当流体与壁面的温度差一定时，对流传热系数取决于紧靠壁面流体的温度梯度。 2.热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外的温度差一定时，热边界层越薄，温度梯度越大，因而α也就上升。 3.因此通过改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强化传热的主要途径之一。
  • （6）保温层的临界直径
• 传热过程计算
  • （1）热量衡算
  • （2）总传热速率微分方程
  • （3）总传热系数
  • （4）传热过程的控制因素
  • （5）总传热速率方程积分形式
  • （6）传热的平均温度差
  • （7）逆流和并流时平均温差计算
  • （8）错流和折流时平均温差计算
  • （9）不同流动类型的比较
  • （10）总传热速率方程的应用
  • （11）传热效率
  • （12）热容量流率和最小值流体
  • （13）传热单元长度和传热单元数
  • （14）传热单元数法
• 对流传热系数关联式
  • （1）对流传热系数的影响因素
    • 1、流体的种类和相变化的情况
    • 2、流体的物性
      • （1）导热系数：层流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。
      • （2）粘度：流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。
      • （3）比热和密度：ρcp：单位体积流体所具有的热容量。ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。
      • （4）体积膨胀系数：体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。
    • 3、流体的温度
    • 4、流体流动状态
    • 5、流体流动的原因
      • 强制对流：由于外力的作用
      • 自然对流：由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移单位体积的流体的升力为：
    • 6、传热面的形状、大小和位置
  • （2）对流传热过程的量纲分析
  • （3）流体无相变时在管内作强制对流的对流传热系数
    • 流体在圆形直管内作强制湍流
      • a) 低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体
      • b) 高粘度的液体
    • 流体在圆形直管内作强制层流
    • 流体在圆形直管内呈过渡流
    • 流体在弯管内作强制对流
    • 流体在非圆形管中作强制对流
  • （4）流体无相变时在管外作强制对流的对流传热系数
  • （5）流体无相变时自然对流的对流传热系数
  • （6）提高对流传热系数的途径
    • 1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re↑，α↑，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。
    • 2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数 α与流速的0.8次方呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高 对流传热系数的效果更为显著。
    • 3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流挡板的情况 对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径 的0.45次方成反比。
    • 4）不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。
    • 5）除增加流速外，可在管内设置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。
  • （7）流体有相变时的对流传热系数——蒸气冷凝
  • （8）蒸气冷凝方式
    • a) 膜状冷凝：若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜
    • b) 滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下
  • （9）冷凝传热影响因素
    • a）冷凝液膜两侧的温度差△t：当液膜呈层流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。
    • b）流体物性：液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。
    • c）蒸汽的流速和流向：蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流动，α减小，摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，α急剧增大。
    • d）蒸汽中不凝气体含量的影响：蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。
    • e）冷凝壁面的影响：若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。
  • （10）流体有相变时的对流传热系数——液体沸腾
    • 大容器沸腾
    • 管内沸腾
  • （11）沸腾传热方式
  • （12）液体沸腾曲线
    • 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。气泡产生的速度随△t上升而增加，α急剧增大。称为泡核沸腾或泡状沸腾。 当△t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。 当△t再增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，α又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。由泡状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差、临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在泡状沸腾区域内操作。
  • （13）液体沸腾传热影响因素
    • a)液体性质的影响：一般情况下，α随λ、ρ的增加而加大，而随μ和σ增加而减小。
    • b）温度差△t的影响
    • c)操作压强的影响：提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同△t的下，传热系数α增加。
    • d)加热表面的影响：新的或清洁的加热面，α较高。当壁面被油脂沾污后，会使α急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。
  • （14）壁温估算
• 辐射传热
  • （1）辐射传热
    • 1、热辐射：
      • 热辐射：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射
      • 辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程
    • 2、热射线：可见光线和红外光线统称为热射线服从反射定律和折射定律能在均一介质中作直线传播在真空和大多数的气体（惰性气体和对称的双原子气体）中热射线可以完全透过
  • （2）黑体、镜体、透热体、灰体
    • 黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体
    • 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体
    • 透热体：能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体
    • 灰体：能够以相等的吸收率部分吸收所有波长辐射能的物体
  • （3）辐射能力、黑度
    • 物体辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。用E表示，单位：W/m2。
    • 单色辐射能力：在相同条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用EΛ。
    • 黑体的辐射能力—斯帝芬-波尔茨曼定律
    • 黑度（发射率）：同一温度下，灰体的辐射能力与黑体辐 射能力的比值
  • （4）辐射定律
  • （5）辐射定律
  • （6）辐射、对流联合传热
• 换热器