化工原理传热

- 98 - 第四章 传热

本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。本章重点要求掌握：

①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；

②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；

③总传热速率方程以及传热过程的计算。

4.1 概述

4.1.1 传热在化工生产中的应用

传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。

化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。

化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：

（4.1.1）

式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δtm—平均传热温差，℃。

4.1.2 传热的基本方式

根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。 - 99 - 热传导：热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。

- 1 - 化工原理の传热实验

一、实验目的

1、学习传热系数的测定方法；

2、学习传热膜系数及其准数联式的测定方法。

二、实验原理

本实验有套管换热器4套，列管式换热器4套，首先介绍套管换热器。

套管换热器管间进饱和蒸汽，冷凝放热以加热管内的空气，实验设备如图2-2-5-1（1）所示。

传热方式为：冷凝—传导—对流

1、传热系数可用下式计算：

]/[2kmWtAqKm

(1)

图2-2-5-1（1） 套管换热器示意图

式中：q——传热速率[W]

A——传热面积[m2]

△tm—传热平均温差[K]

○1传热速率q用下式计算：

])[(12WttCVqpS （2）

式中：3600/hSVV——空气流量[m3/s]

Vh——空气流量[m3/h]

——空气密度[kg/m3]，以下式计算：

]/)[273(4645.031mkgtRpPa （3）

Pa——大气压[mmHg]

Rp——空气流量计前表压[mmHg]

t1——空气进换热器前的温度[℃]

Cp——空气比热[KkgJ/]，查表或用下式计算：

- 2 - ]/[04.01009KkgJtCmp （4）

tm=(t1+t2)/2——空气进出换热器温度的平均值（℃）

t2——空气出口温度[℃]

②传热平均面积A：

][2mLdAm （5）

式中：dm=传热管平均直径[m]

L—传热管有效长度[m ]

1 一、选择题

1、关于传热系数K，下述说法中错误的是（ ）

A、传热过程中总传热系数K实际是个平均值；

B、总传热系数K随着所取的传热面不同而异；

C、总传热系数K可用来表示传热过程的强弱，与冷、热流体的物性无关；

D、要提高K值，应从降低最大热阻着手；

C

2、在确定换热介质的流程时，通常走管程的有（ ），走壳程的有（ ）。

A、高压流体； B、蒸汽； C、易结垢的流体；

D、腐蚀性流体； E、粘度大的流体； F、被冷却的流体；

A、C、D；B、E、F

3、影响对流传热系数的因素有( )。

A、产生对流的原因；

B、流体的流动状况；

C、流体的物性；

D、流体有无相变；

E、壁面的几何因素；

A、B、C、D、E

4、对下述几组换热介质，通常在列管式换热器中K值从大到小正确的排列顺序应是（ ）。

A、②>④>③>①；B、③>④>②>①；C、③>②>①>④；D、②>③>④>①；

冷流体 热流体

① 水 气 体

②水沸腾 水蒸气冷凝

③ 水 水

④ 水 轻油

D

5、下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是（ ）。

A、③>④>①>②； B、④>③>②>①； C、③>④>②>①； D、③>②>④>①；

①空气流速为30m/S时的a； ②水的流速为1.5m/s时的a；

③蒸汽滴状冷凝时的a； ④水沸腾时的a；

C

6、传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时，影响传热过程的将是（ ）。

A、管避热阻； B、污垢热阻；

C、管内对流传热热阻； D、管外对流传热热阻；

设计型计算

例3-14 有一套管式换热器，内管为893.5的钢管，苯在内管中流动，其流量为2000kg/h，温度从80℃冷却至50℃。冷却水在环隙中从15℃升至35℃。苯的对流传热系数为230W/(m2K),水侧的对流传热系数为290W/(m2K)，忽略污垢热阻。试求：（1）冷却水的消耗量；（2）并流和逆流操作时所需的传热面积（以外表面积为基准）。

解 （1）冷却水的消耗量

苯的定性温度CTo6525080苯，查得苯的比热为cp1=1.86103J/kgK

水的定性温度Cto2523515水，查得水的比热为cp2=4.178103J/kgK

用热量衡算计算热负荷

)()(12222111ttcmTTcmQpsps （忽略热损失）

得 WTTcmQps432111101.3)5080(1086.136002000)(

hkgskgttcQmps/6.1335/371.0)1535(10178.4101.3)(341222

（2）以外表面积A1为基准的总传热系数K1 ，碳钢的导热系数)/(45KmW

082.0089.023010855.0089.0450035.02901111212111ddddbKm

WKm/1025.81072.4101.81045.323353

所以 K1=121.1 W/(m2K)

并流操作 Ctttttom1.34)1565ln(1565)ln(2121并

传热面积为 24151.71.341.121101.3mtKQAm并并

逆流操作 Ctttom4023545221并

传热面积为 24140.6401.121101.3mtKQAm逆逆

因并逆mmtt，所以并逆AA， 80 50