第四章 傳熱
第一節(jié) 概述
傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用
傳熱的三種基本方式
傳熱基本方程
熱負荷的計算
穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱
一、 傳熱過程在化工中的應(yīng)用
傳熱是自然界和工程領(lǐng)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(xiàn)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(guān)。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(shè)備只要存在溫度差就會發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)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(jù)傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射。化工生產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。
（一） 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）
一個物體的兩部分連續(xù)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(dǎo)。
物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱 的機理因物質(zhì)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(guī)則運動。
（二） 對流傳熱
熱對流是指物體中質(zhì)點發(fā)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(zhì)點能發(fā)生的相對位移。據(jù)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(guān)，熱對流還伴隨有流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)，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(dǎo)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(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。
三、傳熱基本方程
當(dāng)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(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f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(shù)，總傳熱系數(shù)，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(jù)。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(chǎn)中常把單位時間內(nèi)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(shè)計http://m.16909.cc
換熱器中熱流體為飽和蒸汽，當(dāng)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(jù)熱量恒算式，可由既定的傳熱任務(wù)求得載熱體的消耗量。
五穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱
穩(wěn)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(shù)。
不穩(wěn)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(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)定傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱。
化工過程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而我們主要討論穩(wěn)定傳熱。
第二節(jié)熱傳導(dǎo)
一、平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)
單層平壁導(dǎo)熱速率的工作方程式 溫度差稱為傳熱推動力，R稱為導(dǎo)熱熱阻。
導(dǎo)熱系數(shù)k是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。其值的大小反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強弱，其值越大，導(dǎo)熱能力越強。工程上通常根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值來選擇合適的導(dǎo)熱材料，例如，需要提高導(dǎo)熱速率的場合選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，反之，需要減小導(dǎo)熱速率的場合選用導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍如下：
工業(yè)上經(jīng)常遇到多層平壁導(dǎo)熱的情況，如用耐火磚、保溫轉(zhuǎn)和青磚筑成的三層爐壁。仿照串聯(lián)電路的歐姆定律，對于三層熱阻的串聯(lián)導(dǎo)熱，穩(wěn)態(tài)下
二、圓筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)
熱量通過列管式換熱器的管壁和圓筒型設(shè)備的器壁的傳導(dǎo)即為圓筒壁的熱傳導(dǎo)，圓筒壁的導(dǎo)熱速率可以表示為圓筒壁的導(dǎo)熱速率式與平壁的導(dǎo)熱速率式具有相同的數(shù)學(xué)形式，只不過圓筒壁的傳熱面積隨徑向位置而變，應(yīng)取平均面積作為傳熱面積。
【例4-1】一套管換熱器的內(nèi)管為φ25×2.5mm的鋼管，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·K)，該換熱器在使用一段時間以后，在換熱管的內(nèi)外表面上分別生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導(dǎo)熱系數(shù)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(cè)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(jié)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(shù)及其影響因素
四、對流傳熱系數(shù)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(nèi)對流) )
五、對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式
管內(nèi)對流( 非圓管道 彎管 圓形直管( 湍流 過渡流 滯流))
在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時，應(yīng)注意以下三個方面的問題。
應(yīng)用范圍只能在實驗的范圍內(nèi)應(yīng)用，外推是不可靠的。
定性溫度取流體進，出口溫度的算術(shù)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(shù)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(fù)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(nèi)流動取管內(nèi)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(nèi)對流傳熱還與流體的入口效應(yīng)有關(guān)，在流動邊界層與傳熱邊界層尚未充分發(fā)展的所謂“進口段”，給熱系數(shù)還要受到速度分布和溫度分布的影響，進口段的給熱系數(shù)高于充分發(fā)展后的給熱系數(shù)值。
（一）、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)
（二）、流體有相變化時的對流傳熱系數(shù)
第四節(jié)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(zhì)而傳遞輻射熱，通常把物體發(fā)射輻射能以及輻射能的傳播成為輻射，如果發(fā)射的輻射能是與物體的溫度有關(guān)的熱能轉(zhuǎn)換的，則稱為熱輻射。
(一) 輻射產(chǎn)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(zhì)上與光射線一樣服從反射和折射定律。當(dāng)物體發(fā)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(zhuǎn)化為熱能。
(三) 黑體白體透明體不透明體灰體
黑體：當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)。
透熱體：當(dāng)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(yè)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(fā)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(zhì)，溫度和表面狀況。
鏡體：當(dāng)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(nèi)物體單位面積發(fā)射總輻射能，因次為W/m2。
C0黑體輻射系數(shù)，C0=5.67W/(m2·K4)
。
黑體輻射能力Eb與絕對溫度T關(guān)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(shù)。
對于實際物體A<1, C<C0。
將黑體作為輻射計算的比較標(biāo)準(zhǔn)。
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(jié)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(shè)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(fā)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(dāng)兩個物體的溫度相等時，輻射傳熱達到平衡狀態(tài)，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(fā)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(fā)射的輻射能E2，也要經(jīng)歷反復(fù)吸收和反射的過程。
發(fā)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(jié)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(dāng)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(guān)，流體的流動方式不同，平均傳熱溫差不同。
二、總傳熱系數(shù)
總傳熱系數(shù)K綜合反映傳熱設(shè)備性能，流動狀況和流體物性對傳熱過程的影響，倒數(shù)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(shù)分別為h2和h1，管壁熱側(cè)表面和冷側(cè)表面的溫度分別為Tw和tw, 間壁兩側(cè)面積分別為A1和A2，流體通過間壁的熱交換經(jīng)過“對流—傳導(dǎo)—對流”三個串聯(lián)步驟。
獲取K的其他途徑：
⑴ 查取K值在有關(guān)傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經(jīng)驗數(shù)值，但應(yīng)選用工藝條件接近、傳熱設(shè)備類似的較為成熟的經(jīng)驗K值作為設(shè)計依據(jù)，表7-1列出了一些條件下經(jīng)驗K值的大致范圍，供設(shè)計時參考。
⑵ 實驗測定通過實驗測定現(xiàn)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(shù)h的關(guān)聯(lián)式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準(zhǔn)確等原因所致，因此，使用計算的K值時應(yīng)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(shù)K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)
流體種類總傳熱系數(shù)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(zhì)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(chǎn)生附加熱阻，使總傳熱系數(shù)減小，傳熱速率顯著下降。
若垢層厚度為⊿s，垢層導(dǎo)熱系數(shù)為λs，則垢層熱阻為Rs=⊿s/λs。因為垢層導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)不易準(zhǔn)確估計，工程計算上通常是選用污垢熱阻的經(jīng)驗數(shù)值。
在計算強制對流、自然對流、冷凝和沸騰傳熱的給熱系數(shù)以及設(shè)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(shù)據(jù)。
三、壁溫的估算
由于換熱器間壁兩側(cè)流體的溫度不同，間壁兩側(cè)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(cè)流體的平均溫度分別為T和t，給熱系數(shù)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(shè)計和開發(fā)高效換熱設(shè)備, 可以達到節(jié)能降耗的經(jīng)濟目的。
相反，許多場合需要力求削弱傳熱，隔熱保溫技術(shù)在高溫和低溫工程中對提高經(jīng)濟效益關(guān)系重大，已經(jīng)發(fā)展成為傳熱學(xué)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)采取強化措施，才能收到預(yù)期的效果。
第六節(jié)傳熱設(shè)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(shè)計
(一) 選用和設(shè)計中應(yīng)考慮的問題
1 流體流經(jīng)的路徑選擇
選擇的原則
⑴ 不清潔易結(jié)垢的物料流過易于清洗的一側(cè)管內(nèi)易于清洗；
⑵ 需要通過增大流速以提高給熱系數(shù)的流體應(yīng)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(shè)計的步驟
⑴ 確定流動路徑，根據(jù)任務(wù)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(jù)溫度校正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)。
⑵ 依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際選定總傳熱系數(shù)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(shù)及排列等；若選用，在標(biāo)準(zhǔn)中選擇換熱器型號。
⑶ 計算管程和殼程的壓降，根據(jù)初選設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程流體壓降，檢查結(jié)果是否滿足工藝要求，若壓降不合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或擋板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計算壓降至滿足要求。
⑷ 計算總傳熱系數(shù)，核算傳熱面積，計算管、殼程的給熱系數(shù)h1和h2，確定污垢熱阻Rs1和Rs2, 計算總傳熱系數(shù)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(shè)備合適，否則需另設(shè)K估值，重復(fù)以上步驟。
復(fù)習(xí)－第三章傳熱
基本概念
傳導(dǎo)對流和輻射
穩(wěn)態(tài)傳熱與不穩(wěn)態(tài)傳熱
傳熱微分方程和管內(nèi)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(guān)系和速率關(guān)系
對數(shù)平均溫差
熱阻概念及傳熱控制步驟
換熱器的校核與調(diào)節(jié)
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
熱設(shè)計資料下載： 第四章 傳熱
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