化工原理第三章-传热-学习要点

教学要求(1)重点掌握对流传热过程的基本原理及对流传热过程的计算方法；(2)掌握使用数学软件求解传热计算中复杂数学模型的方法；(3)掌握对流传热系数的计算公式及影响对流传热过程的主要因素；(4)掌握热传导、热辐射的基本原理及计算方法；(5)了解常用换热器。3.1.1传热的基本形式(Threekindsofheattransfer)热传导(Heatconduction)：由于物体内部微观粒子热运动而引起的热量传递现象。（固体或静止流体中）热对流(Heatconvection)：由于温度不同的流体之间发生相对位移而引起的热量传递现象。（流体流动中）热辐射(Heatradiation)：温度不同的物体之间发射与吸收电磁波的能量不同，从而引起热量传递现象。（任何物体中，高温条件下显著）传热(Heattransfer)是指由于温度差而引起的能量传递过程。自然对流：温差导致密度差导致流体流动强制对流：外力强制流体流动3.1概述Generalization实际传热过程中，往往是多种传热形式的组合。需要提供热量：吸热过程，加热介质需要撤出热量：放热过程，冷却介质（P110表3-1）物料温度变化：低温←→高温物料相态变化：固态←→液态←→气态物料组成物理变化：溶解、混合物料组成发生化学变化：吸热反应、放热反应化工单元操作：精馏、吸收、干燥需要强化传热：加快传热速率，保证生产需求。需要消弱传热：减慢传热速率，减少能量损失，安全生产。3.1概述Generalization3.1.2传热的用途(Threekindsofheattransfer)3.1.3传热速率（RateofHeatFlow）1、传热速率（热流量）Q单位时间内通过传热面的热量，W(J/s)2、热通量（传热速度）q单位传热面积的传热速率，W/m2q=Q/A3.1概述Generalization3、定态传热：工艺参数只随位置变化不随时间变化的传热过程。非定态传热：工艺参数不仅随位置变化也随时间变化的传热过程。关于导热系数λ的说明：(1)导热系数是物质的物理性质，表征了物质导热能力，即导热系数越大，物体导热性能越好；(2)导热系数与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压力等因素有关；Page112-114中图、表(3)一般来说物质导热系数大小顺序如下：金属非金属固体液体绝热材料气体3.2热传导HeatConduction3.2.1傅立叶定律（Fourier’sLaw）3.2.2单层平壁(Heatconductionthroughslabs)1.Δt大orR小→Q大Q一定：R大→Δt大Δt一定：R大→Q小λ小orb大→R大2.强化传热措施(Q↗)(1)选择λ较大的材料(2)降低固体壁厚(3)增大传热面积(4)增大温差3.削弱传热措施(Q↘)(1)选择λ较小的材料(2)增加固体壁厚(3)减少传热面积(4)降低温差(5)计算热损失或保温层的厚度3.2热传导HeatConductionRtAbttQ21传热阻力传热推动力3.2.3多层平壁(Throughmulti-planeslabs)2.总热阻为各层热阻之和，总温差为各层温差之和3.传热速率一定：Ri大的壁层，Δti大4.传热速率一定，各层壁厚相等：λi小的壁层，Ri大，Δti大5.保温层的作用：降低能量损失，符合安全生产3.2热传导HeatConduction21iiiiimtt1.RtSbttSbttQniiiiniii1111ii总传热阻力总传热推动力1iiQQQ3.3.1对流传热过程的分析(AnalysisforConvectionheattransfer)3.3对流传热ConvectionHeatTransfer对流传热(ConvectionHeatTransfer)指流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。冷、热流体在固体壁面两侧流动过程中进行热量传递*热量由热流体主流区传热至冷流体主流区的综合过程：*两流体对壁面均为对流传热，固体壁面内为热传导*分别研究解决3.3.2牛顿冷却定律(NewtonLaw)对流传热系数：tAQ对流传热系数在数值上等于单位温度差、单位传热面积的对流传热速率，反映了对流传热的快慢。α越大，表示对流传热速率越快。表3-6α值的范围（Page133）换热方式空气自然对流空气强制对流水自然对流水强制对流有机蒸气冷凝水蒸气冷凝水沸腾αW/(m2·K)5~2530~300200~103250~104300~30005000~1.5·1041500~3·104α自α强α气α液α无相变α有相变3.3对流传热ConvectionHeatTransfer(1)流体导热系数：λ↗→α↗(α∝λ1-k)(2)流体黏度：μ↗→α↘(α∝μ-0.8+k)(3)流体比热容和密度：ρCp↗→α↗(α∝ρ0.8Cpk)(4)管径：d↘→u(d-2)↗→α↗(α∝d-1.8)尽量选小管径(5)流体流速：u↗→α↗(α∝u0.8)对于特定的传热体系，操作过程中，改变u是提高对流传热系数最有效的措施。(例题3-4Page123)3.3.3对流传热系数(Convectiveheattransfercoefficient)3.3对流传热ConvectionHeatTransferk..kp..kμdCρuλ8020808010.023根据计算公式分析影响因素除工艺生产要求外，饱和蒸气冷凝还是提供热量的一种常见方式，主要优点：相变热量大，传热速率快，恒温放热。3.3.3对流传热系数(Convectiveheattransfercoefficient)3.3.3.4蒸气冷凝3.3对流传热ConvectionHeatTransfer滴状冷凝：由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。*蒸气与低温壁面直接接触，因此滴状冷凝传热效果好于膜状冷凝。膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜影响冷凝传热的因素(P131)3.3.3对流传热系数(Convectiveheattransfercoefficient)3.3.3.4蒸汽冷凝3.3对流传热ConvectionHeatTransfer①液体的性质：λ↗,ρ↗,μ↘→α↗α水α有机②冷凝液膜两侧的温度差：α=f(Δt-1/4)Q=α·A·Δt③蒸气中不凝气体（设置放气口，定期排不凝气体）④蒸气的流速和流向（降低液膜厚度或破坏液膜）饱和蒸气冷凝，上进下出⑤冷凝壁面的状态（破坏液膜）过冷沸腾：液体主体温度低于饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度略高于饱和温度，过热是产生大量气泡的必要条件。（核状沸腾）影响沸腾传热的因素①液体的性质：λ↗,σ↘,μ↘→α↗②操作温度：控制在核状沸腾区③操作压强：p↗→ts↗→μ↘σ↘→α↗④加热壁面：壁面粗糙，有更多的汽化核心→α↗⑤核状沸腾α最大，过冷沸腾和膜状沸腾α很小。3.3.3对流传热系数(Convectiveheattransfercoefficient)3.3.3.5液体沸腾3.3对流传热ConvectionHeatTransfer3.4.1热量衡算(Heatbalance)Qc,Qh—冷、热流体传热速率，kWqmc,qmh—冷、热流体质量流率，kg/sCpc,Cmh—冷、热流体平均比热容，kJ/(kg·℃)T1,T2—热流体进、出口温度，℃t1,t2—冷流体进、出口温度，℃*注意各物理量单位的一致性(1)无相变热流体：Qh=qmh·Cph·(T1-T2)3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition冷流体：Qc=qmc·Cpc·(t2-t1)(2)有相变（饱和蒸气冷凝、饱和液体气化）(3)相变与非相变同时发生Qh＝qmh·rhQc＝qmc·rcr—相变（气化or冷凝）热，kJ/kgQT＝Q相变+Q无相变3.4.1热量衡算(Heatbalance)3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition*针对具体对象灵活计算*定态传热：Qh=Qc=Q*热量平衡关系，还与换热器的传热速率有关iimddddbKoooo111oo111ddddbKimiiioo1ddddbKmiimm基于管平均面积：基于管外表面积：基于管内表面积：3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition3.4.2总传热系数(Overallheattransfercoefficient)考虑污垢热阻：iiisimsddddRddbRKoooooo111关于总传热系数K，W/(m2·K)*若不特殊说明，K为基于管外表面积的总传热系数*K为总传热系数，其数值越大，传热速率越快*1/K为总热阻，各个热阻之和*K的来源：实验测定；计算αi,αo后计算；查设计手册*K的大致范围(Kα小)：Page135，表3-7*污垢热阻对K的影响*影响K的主要因素及提高K应采取的有效措施3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition3.4.2总传热系数(Overallheattransfercoefficient)isisRbRK111ooiK111o①传热面为平壁或薄管壁②忽略管壁热传导和污垢热阻*若αiαo，则1/K≈1/αo，K≈αo若αiαo，则1/K≈1/αi，K≈αi*总传热系数接近于α较小、热阻较大一侧流体的α值*提高α较小一侧流体的α值，对提高K值作用显著3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition*影响K的主要因素及提高K应采取的有效措施3.4.2总传热系数(Overallheattransfercoefficient)Page136例题3-93.4传热过程的计算CalculationofheatTransition3.4.3总传热速率方程（Overallheattransferrate）*Q=K·A·Δtm=qmh·Cph·(T1-T2)=qmc·Cpc·(t2-t1)*在换热器中三个传热速率意义不同，数值相同，相当于有两个等式关系。*公式中的K应与A相对应，一般定义为基于管外表面积总传热系数，相应使用管外表面积计算。*注意单位的一致性。3.4.4对数平均温度差(Log-meantemperaturedifference)2121ttlntttm3.4传热过程的计算CalculationofheatTransitiont1=T1-t1t2=T2-t2(1)无相变2112tTtTttlntm(2)一侧为相变逆流、并流相同tTtTTT2121lntmtTt(3)两侧均为相变若：t1=t2则：tm=t关于Δtm的讨论3.4.4对数平均温度差(Log-meantemperaturedifference)3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition①逆流操作温差分布较均匀，且可以有：T2≤t2并流时温差变化较大，必须是T2t2Q=qmhCph(T1-T2)逆流操作T2可以更低，或t2可以更高。Q=qmcCpc(t2-t1)Q相同的情况下可以节省换热介质的用量。②Δtm逆Δtm折Δtm并Q和K一定时，A逆A并A和K一定时，Q逆Q并3.4.4对数平均温度差(Log-meantemperaturedifference)3.4传热过程的计算CalculationofheatTransition③某侧流体为相变传热，温度不变，此时逆流、并流操作Δtm逆=Δtm并，效果一样。④并流操作可以保证T2t2，对热敏流体加热有保护作用。⑤折流的目的是增加K，强化传热效果，代价是Δtm降低，且流动阻力增加，故需综合考虑。*壁温总是接近α值较大一侧流体的温度。ooowmwwiiwm1A)(A)(1A)(ΔtAKQssiRttbtTRTToowiit