项目三 传热

化学工业出版社项目三传热任务1：了解传热在化工生产中的应用1．传热过程的分类：化工生产过程常用来保温或保冷。传热发生的根本原因是同一物体的内部或不同物体之间有温度差。传热的方式随热交换的物质材料及接触状况不同而不同，归结起来有三种，即热传导、热对流、热辐射。⑴热传导热传导原理：是依靠相邻分子的碰撞或电子的迁移，使热量从物体内高温处向低温处的传递。•热传导是静止物体内的一种传热方式，即一切物体，不论其内部有无质点的相对位移，只要存在温度差，就必发生热传导。气体、液体和固体的热传导方式机理各不相同，发生在固体中的为典型的热传导。热传导不能在真空中进行。•特点：不依靠宏观混合运动；•在气体、液体、固体中都能发生。⑵热对流•热对流传热原理：热对流是由于物体中质点发生相对位移而引起的热量传递。由于引起流体质点相对位移形成的原因不同，对流可分为强制对流和自然对流。如果流体的宏观运动是由于各处温度不同而引起密度差异，使轻者上浮、重者下降，称为自然对流；如果流体的宏观运动是因泵、风机或搅拌等外力所致，则称为强制对流。习惯上把流体与固体壁面间的传热，统称为对流传热，又称给热。⑶热辐射热辐射传热原理：是指因热的原因发出辐射能的过程。凡是热力学温度在零度以上，所有的物体（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，即可在真空中传播。任何物体在发出辐射能的同时，也不断吸收周围物体发来的辐射能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。净热量是从高温物体传向低温物体。辐射传热的特点是不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移。只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传递方式。双边交流：•1.查取有关资料，找出三种热传导的应用，把你获得的资料并与其他人交流一下，看别人的理解与你有何不同，并展开讨论。•2.传热应用的类型填空：太阳出来暖洋洋_________；吹风降温_________；守着火炉取暖_________；电热毯取暖_________；我国北方寒冷地区的暖炕取暖_________；用塑料大棚保暖种植反季节蔬菜_________。聚氨酯板玻璃棉板聚乙烯板硅酸铝棉玻璃纤维格子布中空玻璃保温材料任务2：认识传热设备换热器是许多工业部门中通用的设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等。•此类换热器是冷、热流体直接混合，在混合过程中进行传热。直接混合式气体冷却器示意图1．直接接触式换热器•2．蓄热式换热器的类型•此类换热器是在一个被称为蓄热器的设备内进行的，器内装有耐火砖之类的固体耐热材料。操作时，冷、热两股流体交替流过填充物。间歇式制取半水煤气蓄热式换热示意图3．间壁式换热器用换热器的壁面将冷、热两流体隔开，热量只能通过壁面进行交换。夹套式换热器仿真图夹套式换热器示意图套管式换热器套管式换热器换热示意图单程列管式换热器结构示意图平板换热器平板式换热器结构示意图板翅式换热器板翅式换热器结构示意图螺旋板换热器结构示意图螺旋板换热器照片螺旋板换热器结构示意图4．热管式换热器•热管是60年代中期发展起来的一种新型传热元件。它是在一根抽除不凝性气体的密闭金属管内充以一定量的某种工作液体构成，工作液体因在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端放出潜热。冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。热管式换热器结构示意图1．潜热法：传热的结果引起冷热流体的状态发生变化，即液体气化或气体冷凝而吸收的气化潜热或放出的冷凝潜热热负荷的计算QQ２．显热法：因为冷、热流体在温度升高或降低过程中放出或吸收的热量。•在温变或相变时，用流体的起始、终了状态的焓差来计算流体放出或吸收的热量：3．焓差法计算热负荷•【案例１】：在列管换热器中，用120kPa的饱和水蒸气来加热常温水。水的流量是6m3/h,从20℃被加热到80℃，水走管内，蒸汽走管外，不计热损失，试求该换热器每小时的传热量（kJ/h）及每小时加热蒸汽的用量(kg/h)。热负荷计算案例双边交流：•1.流体在传热过程中只发生温度变化时，热量的计算式为______________；若只有相变化，则热量的计算式为______________。•2.100℃的水蒸气比100℃的热水烫伤人的程度要厉害，你知道为什么吗？（提示水蒸气比同温的水多放出一种冷凝潜热，对人皮肤伤害很大。）•3.下雪天不冷，化雪天冷，你知道这是为什么吗？（提示：雪的形成是水蒸气凝固放出热量，化雪是固体雪融化成液体水，吸收汽化潜热。你想到了吗？）•1.单层平壁导热量的计算•固体壁面两侧温度不同的时候，热量就会从高温部位以热传导的形式传向低温部位。温度差越大、固体壁面越薄、材料的热导率越大，则导热速率越大，可由傅立叶定律表示：任务4：学习换热器固体壁面内热导量的计算方法•【案例2】：某平壁厚度为0.35m，一侧壁面温度为1100℃，另外一侧壁面温度为400℃,墙壁材料的热导率为１.383℃）,试求通过单位平壁面积的导热速率.2.多层平壁导热速率的计算若热导率为常数，则单位传热面积上的导热速率为：•【案例3】:平面炉壁有下列三种材料组成,耐火砖:热导率λ1=1.4w/(m·℃.),厚度δ1=225mm；保温砖:热导率λ2=0.15w/(m·℃.),厚度δ2=115mm；建筑砖:热导率λ3=0.8w/(m·℃.),厚度δ3=225mm；今侧得其内壁温度为1000℃，外壁温度为60℃，求：炉壁每单位面积上的传热量。3.圆筒壁的稳态热传导热导率的计算若从内向外传递热量，则经三层圆筒的导热速率为：图3-7通过三层圆筒壁的传热示意图三层圆筒的导热速率的计算公式【案例4】:用φ42×2.5mm的钢管作为蒸汽管。为了减少热损失，在管外包两层保温材料。第一层是厚度为50mm的氧化镁，热导率为0.07w/(m·℃)；第二层是厚度为10mm的氧化镁石棉，热导率为0.15w/(m·℃)。若管内壁温度为180℃，石棉外壁温度为30℃，试求：该蒸汽管每米长的热损失。双边交流：1.俗谚说一层棉衣比十层单衣还暖和，为什么？2.在稳定传热中，通过平壁的每层导热量都相等。若厚度相同，材料的热导率越小，则在该层的温度下降越_______（答案是：大，你答对了吗？）•3.圆筒导热过程中，若圆筒的外直径尺寸为25mm，外壁温度为100℃，管外包两层不同的保温材料，其热导率分别为0.28w/(m·℃.)和0.07w/(m·℃.),每层厚度δ均为25mm，若管外空气的温度为20℃，则每米管长的热损失为_________(答案为44.77w/（m2℃），你算对了吗？)；若将两种保温材料位置互换，则热损失与原状况的热损失之比为______(答案为1.56倍，你算对了吗？)，所以，由此得出的结论是将热导率小的材料放在______(内、外)层好(答案为：内，你算对了吗？)。任务5：学习对流传热速率的计算•想一想：热对流是指物体中质点发生相对位移而引起的热量传递。对流传热的效果，与流体流动的速度有关系。那么对流传热与哪些因素有关呢，怎样计算对流传热速率呢？1．对流传热速率的计算•流动流体与固体壁面之间的对流传热，有两种方式，即当流体温度高时向壁面放热，或者是壁面温度高时向流体放热。传热过程的推动力Δt是流体与壁面间的温度差。图3-8流体通过间壁的传热过程示意图流体通过间壁的对流传热速率的计算２．对流传热系数的影响因素影响对流传热系数的主要因素有以下方面：（1）流体的状态①状态形式：液体、气体、蒸汽②流体有无相变：有相变时的对流传热系数要大于无相变时的对流传热系数。（2）流体的物理性质对影响较大的流体的物理性质有导热系数、比热容、黏度、密度、体积膨胀系数、汽化潜热等。密度愈大、粘度愈小，则对流传热系数愈大。（3）流体的流动状态层流时对流传热系数较湍流时的小。（4）流体流动的原因一般强制对流的对流传热系数较自然对流为大。（5）传热面积的形状、位置及大小管子是管或板；管子是横放、竖放或斜放；流体走管内或管外等；管径及管长的大小。都影响对流传热系数。【案例5】：在一列管式换热器中，水在内直径为20mm、长度为3m的管束内流过。管内壁的平均温度为60℃，水的平均温度为20℃，若管壁对水的对流传热系数为4000w/（m2℃），试求水与管壁的对流传热速率。双边交流：•1.学完本节课程后，查取相关资料，了解对流传热系数的有关计算方法，根据相关的计算关系，分析影响对流传热的主要因素。请同学们分组讨论，看看自己的答案与别人的有什么不同，然后互相补充。（流体对流传热系数的影响因素：有流速u、传热壁面的特征尺寸、流体的黏度μ、密度ρ、导热系数λ、表面张力σ、体积膨胀系数β、重力加速度g等，你的答案是不是这样的？）•2.夏天用风扇吹风的时候，风扇叶轮速度高，就感觉凉爽，为什么？（提示：从流体流速对的影响分析）冷、热流体经过间壁换热器的传热速率，是指在单位传热面积上、单位时间的传热量，可以用下式来计算：任务6：学习冷、热流体经过间壁换热器传热速率的计算【案例6】：现有一台列管式换热器，如图3-10所示，冷却水在管内流过，水进、出口温度分别是15℃和32℃；热油在管外与水逆流流动，其进、出口温度分别是120℃和40℃，热油的流量为2.1kg/h,其平均比热容1.9kJ/(kg.·℃)。若换热器的总传热系数K为450w/（m2℃），忽略热损失，试求：换热器的传热面积。=任务7：学习间壁换热器壁温的计算想一想：工业上使用的换热器一般由金属制成，而金属材料容易热胀冷缩。温度太高或太低，都会破坏金属的晶格，影响金属的的安全性能。所以，知道壁温后，想办法采取措施，就可以防患于未然。那么壁温如何计算呢？•【案例8】：一废热锅炉，由φ25×2.5mm锅炉钢管组成，管长L=6m。管外为水沸•腾，绝对压力为2.55MPa。管内通高温的合成转化气，其平均温度为500℃。已知转化•气一侧对流传热系数аi=300W/(m2·℃),沸腾水一侧аo=10000W/(m2·℃),若忽略管壁结•垢所产生的热阻，试求：•（1）换热器传热速率；•（2）锅炉钢管两侧的壁温【案例9】：在【案例1】的锅炉使用一段时间后，沸腾水一侧产生一层污垢，污垢热阻为Rso=0.005m2·℃/W，其他条件不变，忽略导热热阻，求换热器的传热系数和水一侧的壁温。开眼界：列管式换热器的热补偿热补偿的方式：膨胀节式的固定管板式、浮头式、U型管式。膨胀节式换热器结构示意图浮头式换热器结构示意图U型管换热器结构示意图U型管照片1.带有膨胀节式的固定管板式如图3-12，这种换热器的两端管板与壳体制成一体，结构简单，价格低廉。它是在外壳的适当部位上焊接一个补偿圈，补偿圈发生弹性变形（压缩或拉伸），以适应壳体和管束不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，适应于冷、热流体温差大于50℃时（应不大于70℃）并且壳程流体的压强不大于600kPa的场合。图3-12补偿圈式列管换热器2.U型管式换热器如图3-13，这种热补偿方法是将每根管子弯曲成U形，管子两端固定在同一管板上，因此受热时每根管子可自由伸缩，与其它管子及壳体无关。适用在高温高压的场合。但清洗困难。图3-13U形管换热器3.浮头式换热器如图3-14，其一端管板与外壳固定连接，另一端管板不与管板连接，可以与管束一起自由移动。这种结构不仅可以消除热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便于管内、外清洗和检修。结构复杂，造价高。但应用十分广泛。图3-14浮头式换热器结构示意图任务8：学习传热过程的强化方法想一想：家用的暖气设备，外部结构逐步改观，旧式的表面光滑，体积庞大但散热效果不好；改观后的外部有翅片，复杂多样，即便体积小，但散热效果好。这是为什么呢？1.理论引导所谓强化传热过程，就是力求用较少的传热面积或较小体积的传热设备来完成同样的传热任务，以提高经济性。由传热速率方程式Q=KAΔtm可以知道，增大传热面积A、传热平均温度差Δtm、传热系数K，都可以使传热速率提高。2．具体措施：（1）增大传热面积A增大传热面积不是单靠加大设备尺寸来实现，而是改变设备结构，使单位体积的设备提供较大的传