第四章   傳熱

第一節  概述
 傳熱過程在化工生產中的應用
 傳熱的三種基本方式
 傳熱基本方程
 熱負荷的計算
 穩定傳熱和不穩定傳熱

一、  傳熱過程在化工中的應用
　　傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的 存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實現傳熱的 前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關。但是進行傳熱的 目的不外乎是以下三種：
1.加熱或冷卻
2.換熱
3.保溫
可見，傳熱過程是普遍存在的。
二、  傳熱的三種基本方式
　　一個物系或一個設備只要存在溫度差就會發生熱量傳遞，當沒有外功加入時，熱量 就總是會自動地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導，熱對流和熱輻射。化工生產中碰到的各種傳熱現象都屬于這三種基本方式。
（一）  熱傳導（導熱）
       一個物體的兩部分連續存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到個部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導。
       物質的三態均可以充當熱傳導介質，但導熱　的機理因物質種類不同而異，具體為：
     固體金屬：自由電子運動在晶格之間；
     液體和非金屬固體：個別分子的動量傳遞；
     氣體：分子的不規則運動。
（二） 對流傳熱
熱對流是指物體中質點發生相對的位移而引起的熱量交換，熱對流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質點能發生的相對位移。據引起對流的原因不同可分為：自然對流和強制對流。
熱對流與流體運動狀況有關，熱對流還伴隨有流體質點間的熱傳導，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對流傳熱，即包含了熱傳導和熱對流。Resheji.com 整理

（三）熱輻射
熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。
一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。
三、傳熱基本方程
當兩種流體間需要進行換熱而又不允許直接混合時，需在間壁式換熱器中進行換熱。如在間壁式換熱器中，熱流體通過管壁將熱量傳給冷流體．熱傳遞的快慢用傳熱速率Ｑ來表示。傳熱速率Ｑ是指單位時間內通過傳熱面傳遞的能量．單位是J/Ｓ．Ｗ。

換熱器的傳熱速率Q與傳熱面積A和冷熱兩種流體的平均溫差⊿tm成正比;
即Ｑ＝kA△tm
Ｑ：傳熱速率, Ｗ
△tm：兩流體的平均溫度差,K
k：比例系數，總傳熱系數，因次W/(m2·K)。
上式為傳熱速率方程或傳熱基本方程，是換熱器傳熱計算的重要依據。傳熱速率是換熱器在一定的操作條件下的換熱速率。而熱通量q是指單位傳熱面積上的傳熱速率。常見的間壁式換熱器有套管換熱器和列管換熱器。見下圖：

四、熱負荷的計算
生產中常把單位時間內的流體所放出或吸收的熱量稱為熱負荷。如果無外功輸入，位能，動能可忽略，不考慮熱損失，并傳熱良好時，由能量守恒定律得，單位時間熱流體放出的熱量Ｑ１應等于冷流體所吸收的熱量Ｑ２。
Q放= Q吸

（一） 無相變化時
（１）比熱法
Ｑ＝ＷhＣph（Ｔ１－Ｔ２） ＝ＷcＣph（t２－t1）
Ｑ： 換熱器的熱負荷kJ/h
Ｗh，Ｗc： 熱冷流體的質量流量kG/h
Ｃph，Ｃpc：熱冷流體的平均比熱
Ｔ１，Ｔ２：熱冷流體的開始，終了溫度，K
t1，t2： 熱冷流體的開始，終了溫度，K

（２）熱焓法
Ｑ＝Ｗh（Hh1－Hh2）
＝Ｗc（Hc２－Hc1）
Ｑ： 換熱器的熱負荷kJ/h
Ｗh，Ｗc： 熱冷流體的質量流量kG/h
Hh1，Hh2：熱流體的進出口的焓kJ/kg
Hc1，Hc2：冷流體的進出口的焓kJ/kg 。熱設計http://www.93ssc.com

換熱器中熱流體為飽和蒸汽，當冷凝時有相的變化,但是冷凝液在飽和溫度下離開換熱器．
（二）有相變的傳熱
Ｑ＝Ｗhr＝ＷcＣpc（t1－t2）
r ：為飽和蒸汽冷凝潛熱
其值等于在飽和蒸汽的焓與該溫度下的液體焓的差 如果冷凝液在低于飽和溫度之下排出時，則用下式計算熱負荷
Ｑ＝Ｗh［r＋Ｃph（Ｔs－Ｔ２）］
＝ＷcＣpc（t2－t1）
式中Ｃph為冷凝液的比熱; Ｔs為冷凝液的飽和溫度

可見，熱流體放出的熱量被冷流體所吸收，冷流體獲得的熱量等于熱流體放出的熱量。根據熱量恒算式，可由既定的傳熱任務求得載熱體的消耗量。
五穩定傳熱和不穩定傳熱
穩定傳熱：在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變．特點：通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數。
不穩定傳熱：若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點：傳熱速率、熱通量均為變量。通常連續生產多為穩定傳熱，間歇操作多為不穩定傳熱。
化工過程中連續生產是主要的，因而我們主要討論穩定傳熱。

第二節熱傳導
一、平壁穩定熱傳導

單層平壁導熱速率的工作方程式 溫度差稱為傳熱推動力，R稱為導熱熱阻。
導熱系數k是物質的物理性質之一。其值的大小反映物質導熱能力的強弱，其值越大，導熱能力越強。工程上通常根據導熱系數的數值來選擇合適的導熱材料，例如，需要提高導熱速率的場合選用導熱系數大的材料，反之，需要減小導熱速率的場合選用導熱系數小的材料。

金屬1-400 W/(m2·K)
建筑材料0.1-1 W/(m2·K)
絕熱材料0.01-0.1 W/(m2·K)
液體0.1-0.6 W/(m2·K)
氣體0.005-0.05 W/(m2·K)
各種物質導熱系數的大致范圍如下：
工業上經常遇到多層平壁導熱的情況，如用耐火磚、保溫轉和青磚筑成的三層爐壁。仿照串聯電路的歐姆定律，對于三層熱阻的串聯導熱，穩態下

二、圓筒壁穩定熱傳導
熱量通過列管式換熱器的管壁和圓筒型設備的器壁的傳導即為圓筒壁的熱傳導，圓筒壁的導熱速率可以表示為圓筒壁的導熱速率式與平壁的導熱速率式具有相同的數學形式，只不過圓筒壁的傳熱面積隨徑向位置而變，應取平均面積作為傳熱面積。

【例4-1】一套管換熱器的內管為φ25×2.5mm的鋼管，鋼的導熱系數為45 W/(m·K)，該換熱器在使用一段時間以后，在換熱管的內外表面上分別生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導熱系數分別為1.0 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)，已知兩垢層與流體接觸一側的溫度分別為160℃和120℃，試求此換熱器單位管長的傳熱量。

第三節對流傳熱
一、對流傳熱過程分析
二、牛頓冷卻定律
三、對流傳熱系數及其影響因素
四、對流傳熱系數的因次分析

由于對流傳熱的多樣性，有必要將問題分類加以研究。
對流傳熱

有相變傳熱(冷凝傳熱 沸騰傳熱)

無相變傳熱 (自然對流 強制對流=>(管外對流 管內對流) )

 五、對流傳熱系數關聯式

管內對流( 非圓管道 彎管 圓形直管( 湍流 過渡流 滯流))

在學習為數繁多的關聯式時，應注意以下三個方面的問題。
應用范圍只能在實驗的范圍內應用，外推是不可靠的。
定性溫度取流體進，出口溫度的算術平均值作為定性溫度；
高粘度流體用壁溫作粘度定性溫度；冷凝傳熱取凝液主體溫度和壁溫的算術平均值作為定性溫度。
特征尺寸傳熱面的幾何因素有時是很復雜的，一般選取對傳熱起決定作用的幾何因素作為特征尺寸，管內流動取管內徑作為特征尺寸；管外的流動取管外徑作為特征尺寸，等等。
管內對流傳熱還與流體的入口效應有關，在流動邊界層與傳熱邊界層尚未充分發展的所謂“進口段”，給熱系數還要受到速度分布和溫度分布的影響，進口段的給熱系數高于充分發展后的給熱系數值。

（一）、流體無相變時的對流傳熱系數

（二）、流體有相變化時的對流傳熱系數

 

第四節輻射傳熱
一、基本概念
不直接接觸的兩物體可以不依賴其間的任何介質而傳遞輻射熱，通常把物體發射輻射能以及輻射能的傳播成為輻射，如果發射的輻射能是與物體的溫度有關的熱能轉換的，則稱為熱輻射。

(一) 輻射產生的原因和特點
(二) 投射在物體上輻射能的分布
熱射線在物理本質上與光射線一樣服從反射和折射定律。當物體發射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收(QA),一部分被反射回去(QR), 一部分透過物體(QD), 其中被吸收的這部分可以轉化為熱能。

(三) 黑體白體透明體不透明體灰體
黑體：當A=1, R=D=0時，表明輻射能全部被吸收。自然界中并不存在絕對黑體，黑墨表面， A=0.96~0.98，定義黑體的目的是為了在計算中確定一個比較的標準。
透熱體：當D=1, A=R=0時，表明輻射能全部透過物體。例如對稱雙原子氣體O2、N2、H2等都是透熱體。
灰體：工業上常見固體材料被稱作“灰體”，所謂灰體是指它只能部分地吸收發射來的熱射線，其余則反射回去，即A+R=1。
固體材料的吸收率和反射率的大小取決于物體的性質，溫度和表面狀況。
鏡體：當R=1, A=D=0時，表明輻射能全部被反射。自然界中也不存在絕對鏡體，例如表面拋光的銅，其反射率R=0.97。

 

二 斯蒂芬—波爾茨曼定律

E—物體的輻射能力，單位時間內物體單位面積發射總輻射能，因次為W/m2。
C0黑體輻射系數，C0=5.67W/(m2·K4)
。
黑體輻射能力Eb與絕對溫度T關系為：
黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式。

C=AC0——灰體的輻射系數。
對于實際物體A<1, C<C0。
將黑體作為輻射計算的比較標準。
任何物料輻射能力與吸收率之比恒等于同溫度下黑體輻射能力
黑度
灰體輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比，以ε表示：

結論：黑體的輻射能力最大，物體吸收率越大，輻射能力越強
三 克希霍夫定律
設有兩塊相距很近平行平板。若板1為灰體，其輻射能力、吸收率和溫度分別為E1、A1和T1，板2為黑體，其輻射能力，吸收率和溫度分別為E2(=Eb),A2(=1)和T2，且T1>T2，板1發射的能量為E1，獲得的能量為A1Eb，其差額即凈的輻射傳熱量q=E1-A1Eb，當兩個物體的溫度相等時，輻射傳熱達到平衡狀態，即q=0，也即E1=A1Eb或E1/A1=Eb，

四 兩固體間的輻射傳熱
若兩物體的溫度各為T1和T2，且T1>T2，則物體1發射E1至物體2時，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物體部分吸收和部分反射，如此無窮往返直至E1被全吸收為止，從物體2發射的輻射能E2，也要經歷反復吸收和反射的過程。
發射或反射的能量不一定能全部投射到對方物體上，因此，在計算兩固體間輻射傳熱時，必須考慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小，以及兩者之間的距離和位置。

第五節傳熱過程的計算
一、傳熱溫差
 參與熱交換的兩種流體或其中之一有溫度變化，熱流體放出熱量溫度沿程降低，冷流體獲得熱量溫度流程升高，冷熱流體的溫度差沿換熱器表面各點是不同的。
 當用傳熱基本方程式計算整個換熱器的傳熱速率時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差。
 平均溫差還與參與換熱的兩流體的流動方式有關，流體的流動方式不同，平均傳熱溫差不同。

二、總傳熱系數
總傳熱系數K綜合反映傳熱設備性能，流動狀況和流體物性對傳熱過程的影響，倒數1/K稱為傳熱過程的總熱阻。
冷、熱兩流體的溫度分別為T和t，給熱系數分別為h2和h1，管壁熱側表面和冷側表面的溫度分別為Tw和tw, 間壁兩側面積分別為A1和A2，流體通過間壁的熱交換經過“對流—傳導—對流”三個串聯步驟。

獲取K的其他途徑：
⑴ 查取K值在有關傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經驗數值，但應選用工藝條件接近、傳熱設備類似的較為成熟的經驗K值作為設計依據，表7-1列出了一些條件下經驗K值的大致范圍，供設計時參考。
⑵ 實驗測定通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：
實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大，這主要是由于計算給熱系數h的關聯式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準確等原因所致，因此，使用計算的K值時應慎重，最好與另外兩種方
法作對照，以確定合理的K值。
列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據
流體種類總傳熱系數K
W/(m2·K)
水—氣體12~60
水—水800~1800
水—煤油350左右
水—有機溶劑280~850
氣體—氣體12~35
飽和水蒸氣—水1400~4700
飽和水蒸氣—氣體30~300
飽和水蒸氣—油60~350
飽和水蒸氣—沸騰油290~870

污垢熱阻
換熱器在運行一段時間后，流體介質中可沉積物會在換熱表面上生成垢層，有時換熱面還會被流體腐蝕而形成垢層。垢層的生成對傳熱產生附加熱阻，使總傳熱系數減小，傳熱速率顯著下降。
若垢層厚度為⊿s，垢層導熱系數為λs，則垢層熱阻為Rs=⊿s/λs。因為垢層導熱系數很小，即使厚度不大，垢層熱阻也很大，往往成為主要熱阻，必須給予足夠重視。
由于垢層的厚度和導熱系數不易準確估計，工程計算上通常是選用污垢熱阻的經驗數值。

在計算強制對流、自然對流、冷凝和沸騰傳熱的給熱系數以及設備的熱損失時，需要知道壁溫，此外，在選擇換熱器類型和管材時，也需要壁溫數據。
三、壁溫的估算
由于換熱器間壁兩側流體的溫度不同，間壁兩側表面的溫度也是不同的，但是金屬間壁的熱阻通常很小，因而忽略間壁溫度的差異。若間壁兩側流體的平均溫度分別為T和t，給熱系數分別為h1和h2，則間壁平均溫度tw滿足下式

四、強化傳熱的途徑
傳熱過程的強化占有十分重要的地位，設計和開發高效換熱設備, 可以達到節能降耗的經濟目的。
相反，許多場合需要力求削弱傳熱，隔熱保溫技術在高溫和低溫工程中對提高經濟效益關系重大，已經發展成為傳熱學的一個重要分支。
傳熱強化Q = KAΔtm
不難看出，提高方程式右邊任何一項，均可達到提高換熱器傳熱能力的目的，但究竟哪一個環節是傳熱的控制步驟，則需要具體問題作具體分析，只有針對傳熱過程的薄弱環節采取強化措施，才能收到預期的效果。

第六節傳熱設備
一 換熱器的類型
(一) 間壁式換熱器
(二) 混合式換熱器
(三) 蓄熱式換熱器
二 間壁式換熱器
三 列管式換熱器的設計

(一) 選用和設計中應考慮的問題
1 流體流經的路徑選擇
選擇的原則
⑴ 不清潔易結垢的物料流過易于清洗的一側管內易于清洗；
⑵ 需要通過增大流速以提高給熱系數的流體應選管程；
⑶ 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；
⑷ 壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；
⑸ 蒸汽走殼程，冷凝液易于排出；
⑹ 被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱；
⑺ 粘度大流量小流體選殼程，殼程Re>100即可達到湍流。

(二) 列管換熱器的選用和設計的步驟
⑴ 確定流動路徑，根據任務計算傳熱負荷，確定流體進、出的溫度，選定換熱器形式，計算定性溫度，查取物性，計算平均溫差，根據溫度校正系數不小于0.8的原則，確定殼程數。
⑵ 依據總傳熱系數經驗值范圍，或按生產實際選定總傳熱系數K估值，估算傳熱面積A估。選定換熱器的基本尺寸，如管徑、管長、管數及排列等；若選用，在標準中選擇換熱器型號。
⑶ 計算管程和殼程的壓降，根據初選設備規格，計算管、殼程流體壓降，檢查結果是否滿足工藝要求，若壓降不合要求，要調整流速，再確定管程數或擋板間距，或選擇另一規格的設備，重新計算壓降至滿足要求。

⑷ 計算總傳熱系數，核算傳熱面積，計算管、殼程的給熱系數h1和h2，確定污垢熱阻Rs1和Rs2, 計算總傳熱系數K計，并計算傳熱面積A計，比較A估和A計，若A估/A計=1.15～1.25，則初選的設備合適，否則需另設K估值，重復以上步驟。

復習－第三章傳熱
基本概念
傳導對流和輻射
穩態傳熱與不穩態傳熱
傳熱微分方程和管內層流溫度分布
傅里葉定律、牛頓冷卻定律及傳熱基本方程
傳熱過程的平衡關系和速率關系
對數平均溫差
熱阻概念及傳熱控制步驟
換熱器的校核與調節
膜狀冷凝和滴狀冷凝
泡狀沸騰和膜狀沸騰
黑體鏡體透熱體
吸收率（黑度）反射率和折射率
強化傳熱和削弱傳熱的措施
換熱器流體流動路徑選擇

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