传热与传质最全的计算

1 ln r2 1
2L r1 2Lr2
d dr2
2l(t1
tf
)( 1
r2
1
r22
2
ln(
r2
r1 )
1
r2
)
0
φ
r2
称为临界半径rc
t1 r1 r2
t2 tf
B
rc
r2
第三节 对流传热
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.
①、间壁两侧流体为恒温 ②、间壁一侧恒温另一侧为变温
ΔTm并=ΔTm逆主要考虑设备结 构以及操作上的方便
③、间壁两侧均为变温
∵ ΔTm并＜ΔTm逆； φ = K A △Tm
当φ一定时，ΔTm增加，A减小，说明逆流时所需传热面积比并流小
Ⅰ
Ⅱ
并流、逆流时冷热流体沿传热面的温度变化情况
T1 T1
T2
T2′
T2
T2′
T1′
T1′
T1 T1′
T2
T2′
T1′
T2′
T2 A、并流
T1 B、逆流
错流和折流
对于错流和折流的平均温差计算，先按逆流时计算对数
平均温度差，再乘以校正系数 ε△T，而校正系数ε△T是冷、热
流体的温度变化P和R和函数。
▪ 蒸发：碱液蒸发、PVC干燥
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
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传热传质方法及计算公式
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。
1
2
对流传热分类
自然对流
对
无相变化
流
强制对流
传
热
膜状冷凝
分
蒸汽冷凝
类
有相变化
滴状冷凝
液体沸腾
一、对Βιβλιοθήκη Baidu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。
过渡区
1
湍 流 主 体 区
层流内 层
2
湍 流 主 体 区
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
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
i1 i
ri
ΔT=T1 –Tn+1
Φ
r2
r1
r3
T1
r4
T2
T4 T3
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 t f
t1 t f
R1 R2
φ放 = φ冷
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
dA
通过换热器中任一微元面积dA的间壁 T
两侧流体的传热速率方程，可以仿照对
dφ
流传热速率方程写出：
dφ = K ( T – T′) dA = K △T dA
二、对流传热速率方程
热流体侧 冷流体侧
1
1 1
A1 (T
TW1)
1A1(T
TW1)
2
2 2
A2 (TW 2
T ) 2 A2 (TW 2
T )
对流传热速率方程(又称牛顿冷却定律)
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
高温
低温
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
φ
dx
T2
δ
x
dT
温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯
dx
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； ②确定面上的温度； ③确定保温层的壁厚。
2021/5/12
2021/5/12
（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 润湿能力大的液体，形成的气泡容易离 开表面，对沸腾传热有利。
（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。
传热的分类
▪ 传热的分类
间歇传热
按连续性
分类：
连续传热 非稳态传热：传热速率常数，
按与时间 的关系
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：
导热 对流 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。
热传导联合作用的传热过程.
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
A dT
dx
q dT
dx
T1 T T+dT
T′
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。
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。
3、单层圆筒壁的热传导
单层圆筒壁的热传导速率方程
dr
T2
r1
T1
r2
2L（T1 T2）
ln（ r2 ） r1
热阻为:
R
ln（r2 r1 ）
2L
L
上式也可以写成与平壁热传导速率方程类似形式:
Am
(T1
T2 )
Am
(T1 (r2
T2 ) r1)
其中对数平均面积为:
Am
2L（r2
ln（ r2
r1） ）
T f (P, R)
将该函数绘成曲线，然后通过P、R查找 ε△T （可通过工程手册查取）
冷流体的温升 P 两流体的最初温差
T2 T1 T1 T1
热流体的温降 R 冷流体的温升
T1 T2 T 2 T1
T ·T 错流和折流的平均温差为： m
T
m逆
4、流体流动方向的选择
（1）、流向对传热平均温差的影响
2
3
1A 2 A 3 A 1A 2 A 3 A
T1
T2
φ
n层平壁的热传导速率方程:
T3 T4
T1 Tn1
n i
i1 i A
δ1 δ2 δ3
x
各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。
T1
:
T2
:
T3
:
T
1 1 A
:
2 2 A
:
3 3 A
:
n i 1
i i A
1 1
:
2 2
:
3 3
:
n i 1
i i
2、导热系数
A dT
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。
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: φ放 = qmhCph ( T1 – T2) = qmh ( H1 – H2) 冷流体: φ冷 = qmcCpc ( T2′– T1′) = qmc ( H2′ – H1′)
2
rm
L
r1
对数平均半径为:
rm
r2 r1 ln（ r2 ）
r1
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 ln r2 1 ln r3 1 ln r4
1 r1 2 r2 3 r3
n层圆筒壁的热传导速率方程
2LT
n 1 ln ri1
（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
A
R A
称为导热热阻
T
T1
φ
T2
δ
x
T T1 T2 称为导热的推动力
2、多层平壁的热传导
三层平壁的热传导速率方程:
T
T1 T2 T3
1 2 3
1
T1 T4
▪1、提高传热速率
▪ 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。
1
2
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。
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