化工原理(第五章传热)好

第五章传热Chapter5HeatTransfer化工原理吉首大学第一节概述(Introduction)化工生产的传热问题化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递。化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用和废热回收。化工原理吉首大学热量传递的方式热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。化工原理吉首大学典型的换热设备直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。套管式换热器冷溶液进冷溶液出热溶液进热溶液出化工原理吉首大学典型的换热设备列管式换热器单程列管式换热器双程列管式换热器12336654457化工原理吉首大学传热过程的基本问题⑴载热体用量的确定；⑵设计新的换热器；⑶核算现有换热器的传热性能；⑷强化或削弱传热的方法。解决这些问题需要两个基本关系式热量恒算式若忽略过程热损失吸放QQ传热速率关系传热速率(热流量)Q：单位时间内所交换的热量(W)传热通量(热流密度)q：单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2)化工原理吉首大学传热负荷生产上对物料加热(冷却)时所需提供(移除)的热量，即生产工艺需要的传热速率(传热任务)。设：Q—传热速率，W；W1、W2—热、冷流体的质量流率，kg/s；Cp1、Cp2—热、冷流体的比热，J/(kg·K)；T1、T2—热流体的进、出口温度，℃；t1、t2—冷流体的进、出口温度，℃；r—流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。无相变：1211pQWCTT2221pQWCtt21pQWrCtt12112221ppQWCWCttTT有相变：若忽略热损失，则热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量化工原理吉首大学第二节热传导(HeatConduction)傅里叶定律温度场：物体（或空间）各点温度在时空的分布，称为温度场，即t=f(x,y,z,θ)各点的温度随时间而变的温度场称为不稳定温度场，不随时间而变的温度场称稳定温度场。等温面：温度相同的点所组成的面称等温面。温度梯度：两等温面的温度差与其间的法线距离之比称为温度梯度，即limΔtΔnΔn→0tn=傅里叶定律：单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比，即q=－λtn化工原理吉首大学热导率热导率：表示物质导热能力的物理量，称为热导率。热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关固体的热导率：金属的热导率较大，且随温度升高而略有下降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别精确的计算时，我们可认为固体的热导率是常数。液体的热导率：非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油外，热导率随温升而降。哈哈气体的热导率：气体的热导率很小，不利于传热而有利于保温。故一般的保温材料都是多孔的。化工原理吉首大学=λA△tb单层平壁热传导如图，热量从平壁的一边传向另一边时，只要长、宽与厚相比很大时，可认为传热在整个平壁上是均匀的。根据傅里叶定律有xtQt1t2q=－λtn=－λdtdnb=λ(t1-t2)b因此，传热速率（传热量）方程为Q=Aq=λA(t1-t2)b化工原理吉首大学单层圆筒壁热传导如图，热量从里向外传，只要长度远大于直径时，可认为传热在整个圆筒壁上是均匀的。根据傅里叶定律有Q=－λAtn=－λ2πrldtdrrr1r2drtt1t2tr1r2rrQ∫r1r2=－2πλldtdrr∫t1t2Qln=2πλl(t1－t2)r2r1Q=2πλl(t1－t2)r2r1lnQ=2πλl(r2－r1)(t1－t2)r2r1ln(r2－r1)=2πλlrm(t1－t2)b=λAm△tb化工原理吉首大学多层平壁热传导多层圆筒壁热传导对于传热速率，同样可借用欧姆定律的形式，即传热速率=传热推动力传热阻力Q=△t∑RQ=△t1+△t2+…+△tnb1λ1Ab2λ2AbnλnA+++…Q=△t1+△t2+…+△tnbnλnAmn+++…b1λ1Am1b2λ2Am2=△t∑R=△t∑R∴R=b/λA化工原理吉首大学第三节两流体间的热量传递一、两流体间间壁传热的分析（1）热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面；（2）热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面；（3）冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行：沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况如图。TtTwtw流体通过间壁的热量交换热流体冷流体化工原理吉首大学二、传热速率和传热系数由图可见，间壁传热可简化为三层热传导传热。于是有K称为传热系数对于平壁，有TtTwtw流体通过间壁的热量交换热流体冷流体δ1δ2q=δ1λ1（T－Tw）=a1（T－Tw）q=δ2λ2（t－tw）=a2（tw－t）Q=A(T－t)1a1bλ++1a2/()Q=KA(T-t)=KA△T令1K=1a1bλ++1a2a称为给热系数化工原理吉首大学对于圆筒壁，有Q=2πl（T－t）1a1d1bλdm++/()1a2d2Q=A1(T－t)1a1bλ++1a2/()Q=2πd1l（T－t）1a1bd1λdm++/()d1a2d2换热器标准规定，换热面积以管外径计算，故有其中：K=11a1bd1λdm++/()d1a2d2当管较薄或管径较大时，d1、d2、dm相差为大，为了简化计算，可按平壁处理，面积以管外径计算，则有其中：K=11a1bλ++/()1a2=KA1△T=KA1△T化工原理吉首大学获取K的另外两种途径(1)查取K值在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，可供设计参考。注意应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据。流体种类总传热系数KW/(m2·K)水—气体12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有机溶剂280~850气体—气体12~35饱和水蒸气—水1400~4700饱和水蒸气—气体30~300饱和水蒸气—油60~350饱和水蒸气—沸腾油290~870化工原理吉首大学获取K的另外两种途径(2)实验测定通过实验测定现有换热器的流体流量和温度，再由传热基本方程计算K值：22mQKtA实验测定的K值较为可靠。实测K值的方法不仅是为了在缺乏工业实验数据时提供设计依据，而且还可以籍助实测的K值判断换热器的工作状况，从而寻求强化传热的措施。计算得到的K值与查取或实测值相差较大，主要原因是给热系数h的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确。使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。化工原理吉首大学污垢热阻换热器在运行一段时间后，流体介质中的可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。因垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2，则总热阻用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和2211fRKKK2为清洁表面的总传热系数，K2’是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定Rf值。222121112'211hRddkbddRdhdKsms化工原理吉首大学污垢热阻污垢热阻的大致数值流体种类污垢热阻m2·℃/W流体种类污垢热阻m2·℃/W水(u1m/s,t50℃)蒸气海水0.0001有机蒸汽0.0002河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体未处理的凉水塔用水0.00058空气0.0003经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004多泥沙的水0.0006天然气0.002盐水0.0004焦炉气0.002化工原理吉首大学三、传热温差：推动力换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿程升高，故冷热流体温度差在换热器表面各点不同。当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。化工原理吉首大学传热温差：推动力在换热器中取微分长度dl，其传热面积为dA两流体通过微分面积dA交换的热量为AtTKQd)(dt1t2T1T2mQKAtdldATt假定：⑴在传热过程中，热损失忽略不计；⑵两流体的比热为常数，不随温度而变；⑶总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。化工原理吉首大学传热温差：推动力AtTKQd)(d1111ddddppQQTTWCWC或2222ddddppQQttWCWC或112211ppmWCWCmtTQddtTtTAmK)(dd热流放出的热量冷流吸收的热量两式相减并令逆流传热微分式dldATt化工原理吉首大学传热温差：推动力两边求积分12210ddtTAtTTtmKATt12211lntTmKAtT12111pTTQWC21221pttQWC1221ttTTmQ12211221lnttTTQKAtTtT122112121212lnlnmttTTtttttTttT121212111222lnlnmttTTtttttTttT根据换热器总热量恒算式两式相减比较传热基本方程式同样可推出并流传热平均温差计算式化工原理吉首大学逆流和并流传热的平均温差的特点T1、T2、t1、t2相同时，逆流平均温差大于并流平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。在换热器中，若参与换热的两流体都变温，则一般都采用逆流操作，但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。但需要注意，倘若采用逆流代替并流而节省了载热体，则其平均温差就未必仍比并流的大。21211121ppWCttWCTT化工原理吉首大学传热温差：推动力错流和折流时的平均温差列管式换热器中两种流体的流动比较复杂的多程流动。对于错流或折流平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正，即——温差修正系数,mmtt逆,fPR2111ttPtT冷流体实际温度变化冷流体最大温度变化1221TTRtt热流体实际温度变化冷流体实际温度变化与冷热两流体温度变化有关，表示为P和R两参数的函数化工原理吉首大学传热温差：推动力温差修正曲线化工原理吉首大学传热温差：推动力错流和折流时平均温差的数学解析式对于m壳程、2m×n管程（如1-2，1-4，2-8，…）换热器：当R≠1时：当R=1时：＜1(tm＜tm,逆)是由于复杂流动中同时存在并流和逆流；换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济；可改用多壳程来增大，即将几台换热器串联使用。22211ln11211ln211RyRyRyRRyRRRPPRPPRymm111111121222ln222yyyyPmPmPy化工原理吉首大学四、换热器计算的变量分析设计型计算：在给定的工艺条件