化学工程基础第3章传热

第三章传热传热，即热量的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热的传递。在能源、化工、动力、冶金等工业部门都涉及许多传热问题。•化工中的传热•（1）化学反应在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需向反应器输入和输出热量。•（2）在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也要输入和输出热量。•（3）化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的回收等。2化工生产中对传热过程的要求有以下两种情况：一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；另一种是消弱传热过程，如对设备、管道的保温，以减少热损失。1概述一、稳态与非稳态传热传热进行时，物体各温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程称为稳态传热过程；若物体温度既随位置变化、也随时间变化的传热，则称为非稳态传热过程。3二传热的三种基本方法热的传递是由于ΔT引起的，净的热流方向总是由T高→T低，根据传热的机理不同，有三种形式：热传导、热对流、热辐射。1热传导（又称导热）若物体上的两部分间连续存在着温度差，则热将从高温部分自动流向低温部分，直至整个物体的各部分温度相等为止，此种传热方式称为热传导，又称导热。固体中热的传递是典型的热传导。1、在金属固体中，起因于自由电子的运动。2、在不良导体的固体和部分液体中，起因于个别电子的动量传递。3、在气体中，热传导是由分子不规则运动而引起的。注意：在热传导时，物体内的分子或质点不发生宏观运动。42、对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换过程，因而对流只能发生在流体中。在化工生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。(1)强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。(2)自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。53、辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。(1)热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体(2)辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。(3)任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。高温物体辐射能低温物体6几点说明：上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过程往往是两种或三种基本传热方式的组合。例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。7传热的基本物理量•1热量Q,单位J,1J=1N·m•2传热速率Ф,也称热流量,指单位时间传递的热量.Ф=Q/τ,单位w,1w=1J·s-1•工程中常用传热速率单位是kcal·h-1换算:1cal=4.187J,1kcal=4187J1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860kcal·h-1•3热流密度,指单位时间单位面积传递的热量,q=Ф/A=Q/Aτ•4比定压热容cp是指压力恒定时单位质量物质温度升高1度所需热量,单位J·k-1·kg-1,定压摩尔热容cp,m,单位J·k-1·mol-1三种类型换热器(1)直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。2热传导2-1热传导与傅立叶定律1、温度梯度等温面。温度随距离变化率以沿等温面垂直的方向为最大。这一最大变化率的极限值为温度梯度。dndTqdndTq12傅立叶定律Fourier’sLaw物体内热流的产生是由于存在温度梯度的结果，且热流的方向永远与温度降低的方向一致，即与温度梯度方向相反。热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定律。实践证明，单位时间内的通过单位面积的传热量q与垂直于温度的梯度成正比。dndTdndTqdndTq1-2导热系数•导热系数在数值上等于单位时间内，温度梯度为1K·m-1时，经过单位面积所传递的热量。物质的导热系数值越大，表明该物质的导热能力越强。dndTq14一、固体的导热系数固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其λ值与温度大致呈线性关系:λ＝λ0(1＋αt),λ0为0℃时固体的导热系数.同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。二、液体的导热系数液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。三、气体的导热系数气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。2-3单层及多层平面壁的定常态热传导•单层平面壁的热传导计算162、推导)()()(/,;,021212102121ttAAttttAdtdxAAttxttxdtdxAdtdxAdxdtAtt为定值，则有：及因为＝：定积分需确定边界条件＝－，分离变量并积分：傅立叶定律可转化为：17过程阻力过程推动力过程传递的速率＝：传递过程的普遍关系为故可归纳到自然界中，的形式是完全类似的，相比较，可以看出它们介绍的欧姆定律与普通物理中的电学所即为推动力。（℃）为温度差，，℃导热热阻，RUIKtWKRRtAbtt/)(,)/()2(21)(21TTAqA热阻力传热推动力热流强度=△T/(δ/λA)=△T/R上式表明热流量正比于传热推动力△T，反比与热阻，当平壁厚度越大，而平壁面积A和物质的导热系数λ越小时，导热的热阻R越大。多层平壁热传导201、数学模型的四个假设（1）导热系数λ为定值（2）无限平壁平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。（3）一维稳定导热平壁的温度变化仅沿垂直壁面的x方向变化。于是等温面是垂直于x轴的平面。（4）相接触的两表面温度相同（层与层接触良好）t1t2t3t42、推导在稳定导热中，通过各层的导热速率是否相等：Ф=Ф1=Ф2=Ф3？还是Ф=Ф1+Ф2+Ф3？21niiinniinnnAttRttRtRRRtttnRRRttAAAttAAAtttQAttAttAttAttAttAtt11111121213214133221141332211321334322321121334332232211211.)/()/()/()/()/()/()/()/()/()/(,)/(,)/(即：层平壁：推至根据等比定理有：223、结论与讨论多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和─串联热阻叠加原则，它和物理学中串联电阻的欧姆定律相似。稳定的串联传热过程的温差与热阻成正比，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻。1-4圆筒壁稳定热传导计算圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外半径为r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。24推导：现讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率drdtrldrdtA2)/ln(/)(2)(/2lnln/2:,,,;,0:/2/21221211221221121rrttlttlrrdtlrdrlttrttrdtlrdxdtlrdrttrr则有为定值及因为＝定积分需确定边界条件，分离变量并积分：25mmrlttrrrrrrrrrttrrrrlrrrrttrrlrrttl)2/()(,)/ln()()()()/ln()(2)/ln()()(2)/ln()(22112121212211212121221121221则有：圆筒壁的厚度对数平均直径，令263、讨论（1）在化工中经常用到对数平均值，若当，可用算术平均半径代替对数平均半径,两者相差小于4%。（2）与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以分析通过多层圆筒壁的热传导。推广到n层圆筒的传热速率公式为ninnnninnrrttl1111ln1227（3）稳定传热时，Ф为定值，q是否为定值？显然，通过各层的Ф相同，但332211332211222,qrqrqrlqrlqrlqrAq3对流传热•我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。对流给热的定义是，通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。•3-1对流传热过程分析•在固体壁面存在层流层，然后是过度层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在过度层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一个传热边界层δ，使得层流、过度流、湍流的全部传热阻力集中在δ内。于是可以按平壁导热处理。3-2牛顿冷却定律对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热定律。α——比例系数，亦称传热膜系数，其单位是))(''TTqTTqWW（流体被加热时流体被冷却时122]][[][KmWKmWTTqW牛顿冷却定律Tqt3-3传热膜系数有效膜假设有一层厚度为δt的静止流体膜所具有的热阻，恰好等于拟考察的对流传热过程的热阻相当，则该静止流体膜称为传热的“有效膜”。t2-3比例系数α计算影响因素•流体的种类：气体、液体、固体•流体的性质：密度、导热系数、黏度等•流体的流型：层流、过度流、湍流等•对流的种类：自然对流和强制对流•传热壁面的形状、位置和大小),,,,,,(Tgclufp223PrReTlgGrCluLNup格拉晓夫数普朗特数雷诺数努塞尔数强制对流时，表示自然对流影响的Gr可以忽略；而在自然对流时，由于流体密度差而引起的流体质点的升力影响较大，Re的影响可以忽略。14.033.08.0027.0wpCdu3、流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式•低黏度流体：当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。•高黏度流体：37α值的大致范围(表3-6）：空气自然对流，5~20w·m-2·K-1；空气强制对流，20~100w·m-2·K-1；水蒸汽冷凝，5000~15000w·m-2·K-1；水沸腾，2500~25000w·m-2·K-1394、流体有相变时的对流传热膜系数的关联式蒸气冷凝:饱和蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化潜热。蒸气冷凝进行加热的优点：①具有恒定的温度(ts饱和温度)，操作时易于控制；②表面传热系数h大。蒸气冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。（1）蒸汽冷凝对流传热40◇膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。热流方向蒸汽ts膜状冷