化工原理传热PPT

第四章传热4.1概述传热在化工生产中的应用1.传热的三类应用实例（1）强化传热过程：流体的升温或冷却，产品的分离(蒸发，蒸馏和干燥等)。（2）削弱传热过程：管道，设备的保温或保冷。（3）热能回收利用：废热回收2.伴随传热的流体作用过程：(1)化学过程：吸放热反应；(2)物理过程：耗能，干燥，蒸发等3.传热在化工生产中的重要性：石化产业：传热设备重量占总设备规模的30-40%；传热设备投资占总设备投资的10-20%4.1.1传热的基本方式1.热力学第二定律：当无外加功时，系统中热量总是自发地从温度较高的物体（部分）传递到温度较低的物体（部分）可见：热传递产生的原因是由于物体内部或物体之间温度差的存在注：有外加功时，可以相反，如制冷机工作原理，本章主要讨论的自发过程。2.传热的基本方式（1）传导（导热）：物体内部分子通过碰撞或振动将热量以分子动能形式传递给相邻分子，但分子本身不产生宏观位移的一种传热方式。①固体的传热②穿过流体层流内层的传热（热边界层）现象①气体，流体：分子布朗运动时碰撞传热②导电固体：自由电子在晶格中运动传热③非导电固体（流体）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振动传热机理（2）对流：流体中质点（微团）产生相对位移引起的热传递。①对流传热只发生在流体中②对流传热的强弱与流体流动状况密切相关特点①自然对流：流体中各点温度不同引起流体密度差异，使轻者上浮，重者下沉。②强制对流：流体因机械搅拌等外加功加入引起的对流对流传热的形式注意点①自然对流与强制对流常在流体中同时发生②化工生产中，强制对流的应用比自然对流更普遍和重要关于对流传热的计算：——牛顿冷却定律：Q=α·A（T高-t低）α——对流传热膜系数（w/oC•m2）(3)辐射：热能转变为电磁波在空间的传递①热辐射不需任何介质②热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移③理论上，只要物体温度T0K，均可产生辐射实际上，只有当物体之间温差较大时，辐射传热现象才较突出，一般来说，当物体的温度超过500K时，辐射热能才予以考虑。特点1、直接接触式换热和混合式换热器4.1.2传热中冷、热流体热交换的方式2、蓄热式换热器和蓄热器3、间壁式换热和间壁式换热器管壁内侧热流体对流)(1)1(Q管壁外侧管壁内侧热传导)(2)2(Q冷流体管壁外侧对流)(3)3(QQQQQ3214.1.3典型间壁式换热器冷流体t1t2热流体T1T2（一）间壁式换热器夹套式换热器图4-5单程管壳式换热器1-外壳2-管束3、4-接管5-封头6-管板7-挡板8-泄水池图4-6双程管壳式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。热流密度q（热通量）：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s.m2)或W/m2。4.1.4传热速率与热通量SQq=非稳态传热,,,,,zyxftqQ4.1.5稳态与非稳态传热稳态传热zyxftqQ,,,,0t在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介质);起冷却(或冷凝)作用的载热体称为冷却剂(或冷却介质)。4.1.6载热体①载热体的温度易调节控制；②载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；④价格便宜，来源容易。工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。选择载热体的原则4.2.1基本概念和傅立叶定律温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。1.温度场和等温面非稳态温度场,,,zyxft稳态温度场zyxft,,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。4.2热传导不同温度的等温面不相交。2.温度梯度方向：法线方向，以温度增加的方向为正。nnxt+ttxntQ0limnttgradtnn3傅立叶定律式中dQ──热传导速率，W或J/s；dS──导热面积，m2；t/n──温度梯度，℃/m或K/m；──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。负号表示传热方向与温度梯度方向相反ddStQn4.2.2导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量=f(结构,组成,密度,温度,压力）金属固体非金属固体液体气体表征材料导热性能的物性参数///dQdSqtntn1.固体导热系数金属材料10～102W/(m•K)建筑材料10-1～10W/(m•K)绝热材料10-2～10-1W/(m•K))1(0at在一定温度范围内：对大多数金属材料a0，t对大多数非金属材料a0，t2.液体热导率金属液体较高，非金属液体低；非金属液体水的最大；水和甘油：t，其它液体：t，0.09～0.6W/(m·K)iwiX)0.1~9.0(式中：Xwi—i组分质量分率0.9—有机液体的水溶液混合物1.0—纯有机流体混合物混合流体导热系数可按下式计算：3.气体热导率t，一般情况下，随p的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。温度越高，压强越大，气体导热系数越大分子动能增大密度增大，分子碰撞频率增加混合气体导热系数计算：iiiiiyMyM3/13/1yi—气体组分摩尔（体积）分率Mi—i组分气体分子量各种情况及各种物质的导热系数均可查阅手册而得t1t2btxdxQ4.2.3平壁的稳态热传导1单层平壁热传导假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化；S/b很大，忽略端损失。积分：热阻推动力=Δ=-=21RtSλbttQddttQSSnx210bttQdxSdt12()SQttb2多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3SλbttSλbttSλbttQ334322321121-=-=-=总热阻总推动力=-=++Δ+Δ+Δ=∑41332211321iRttSλbSλbSλbttt结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；各层温差与热阻成正比。推广至n层：∑∑∑1=1+11=-=ΔniiinniiiSλbttSλbtQ＝各层的温差312122334123123::::::bbbttttttRRRSSS接触热阻由于表面粗糙不平，不同材料构成的界面之间可能出现明显的温度降低而产生接触热阻。因两个接触面间有空穴，而空穴内又充满空气，因此，传热过程包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热传导(高温时还有辐射传热)。一般来说，因气体的导热系数很小，接触热阻主要由空穴造成。接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压强等因素有关，主要依靠实验测定。某燃烧炉的平壁是由一层耐火砖（其λ1=1.047W/(m·k)）与一层普通砖（其λ2=0.814W/(m·k)）砌成，两层厚度均为100mm，操作达到稳定后，测得炉壁的内表面温度是700℃，外表面温度为130℃。为了减少热量损失，在普通砖外表面上增加一层厚度为40mm的保温材料（含85％的氧化镁，λ3=1.047W/(m·k)）。待操作达到稳定后，又测得壁的内表面温度为740℃，外表面（即保温层表面）温度为90℃。试计算加保温层前后，每小时每平方米的壁面各损失热量多少？2221131/2610=814.01.0+047.11.0130-700=+-=mWλbλbttq233221141/823=07.004.0+814.01.0+047.11.090-740=++=mWλbλbλbttq多层平壁传热：λ1=1.047W/(m·k)，b1=100mm；λ2=0.814W/(m·k)，b2=100mm；λ3=0.07W/(m·k)，b3=40mm加保温层前：t1=700℃，t3=130℃所以加保温层后：t1=740℃，t4=90℃所以4.2.4圆筒壁的稳态热传导1单层圆筒壁的热传导假定：（1）圆筒很长（2）稳定（3）各向同性，密度均匀，同平壁在半径r处取dr同心薄层圆筒积分21212ttrrrldtQdr1221ln)(2rrttlQdd2ddttQSrlrr讨论：121221ln2ttttQrRlr12-=rrb—对数平均面积热阻121212--×2ln=rrrrlπλrrR令1212ln-=rrrrrm—对数平均半径mSλb=mSλbttQ21-=rr212一般时，2+=21rrrm当r→∞时，计算公式类似于平壁公式。21212lnmmSSSrlSS2多层圆筒壁的热传导31141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQ＝三层：n层圆筒壁：niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2＝＝m注：（1）在多层平壁传热中：（2）在多层圆筒壁中：QQQQn21SQqSQqSQqSQqnn=======2211QQQQn21nnSQqSQqSQq==,=2211由于nnqrqrqr2211故对多层球罐壁导热球罐壁的传导传热mSλbtQΔ=式中2214==mmrπSSS212rrrm可证明imitQbS例：有一过热蒸汽输送管，管外径d0=320mm，壁温tw0=510℃，外包两层保温层，内层为粉煤灰及熟料泡沫混凝土，其λ1=0.097W/(m·k)，δ1=22mm；外层为石棉硅藻土，其λ2=（0.1622＋0.000169tm）W/(m·k)。若每米长的管子热损失为1395.6W/m，最外层壁温为50℃。试求两层保温层交界处的壁温和外层厚度。101102)ln('rrttqwwmdr16.0232.0200mrr182.0022.016.0101097.02)16.0182.0ln(5106.1395'1wtq解：1.求两层保温层交界处的壁温对通过多层圆筒壁的传热：其中，所以两层保温层交界处的壁温tw1=215℃C5.132221550221wwmttt)/(1846.05.132000169.01622.0000169.01622.02KmWtm1846.02)182.0ln(502152)ln(6.1395'221221rrrttqww2）求外层厚度保温层外层：所以由得：r2=0.209m所以外层壁厚δ2=r2-r1=0.027m=27mm4.3对流传热1.基本概念流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程(如间壁式换热器)中占有重要的地位。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力=系数×推动力对流传热速率可由牛顿冷却定律描述wwdd1/dTTQTTSS换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流动，则对流传热速率方程式可分别表示为iwiddQTTSowoddQttS牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即QSt对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热