化工原理(第四版)王志魁(化学工业出版社)第四章 传热ppt课件

2020/5/3,.,1,第一节概述,返回,第四章传热,一、传热过程的应用,（1）物料的加热或冷却（2）热量与冷量的回收利用（3）设备与管路的保温,2020/5/3,.,2,二、传热的基本方式,（一）热传导,气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动实现液体机理复杂,特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移,2020/5/3,.,3,（二）热对流,（三）热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。,能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介,特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动,2020/5/3,.,4,三、两流体通过间壁换热过程,（一）间壁式换热器,夹套式换热器,2020/5/3,.,5,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。,（二）传热速率与热流密度,2020/5/3,.,6,非稳态传热,（三）稳态与非稳态传热,稳态传热,2020/5/3,.,7,（四）两流体通过间壁的传热过程,稳态传热：,2020/5/3,.,8,式中tm两流体的平均温度差，或K；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)。,（五）总传热速率方程,2020/5/3,.,9,一、傅立叶定律,温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,（一）温度场和等温面,非稳态温度场,稳态温度场,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,第二节热传导,不同温度的等温面不相交。,2020/5/3,.,10,（二）温度梯度,方向：法线方向，以温度增加的方向为正。,2020/5/3,.,11,（三）傅立叶定律,式中dQ热传导速率，W或J/s；dA导热面积，m2；t/n温度梯度，/m或K/m；导热系数，W/(m)或W/(mK)。,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,2020/5/3,.,12,二、热导率,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,2020/5/3,.,13,1.固体热导率,金属材料10102W/(mK)建筑材料10-110W/(mK)绝热材料10-210-1W/(mK),在一定温度范围内：,对大多数金属材料a0，t,2020/5/3,.,14,2.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，,0.090.6W/(mK),2020/5/3,.,15,3.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。,0.0060.4W/(mK),2020/5/3,.,16,三、平壁的稳态热传导,（一）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；A/b很大，忽略端损失。,2020/5/3,.,17,积分：,2020/5/3,.,18,（二）多层平壁热传导,假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,2020/5/3,.,19,各层的温差,2020/5/3,.,20,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：,2020/5/3,.,21,四、圆筒壁的稳态热传导,（一）单层圆筒壁的热传导,特点：传热面积随半径变化，A=2rl(2)一维温度场，t沿r变化。,2020/5/3,.,22,在半径r处取dr同心薄层圆筒,积分,2020/5/3,.,23,讨论：,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,2020/5/3,.,24,一般时，,2020/5/3,.,25,（二）多层圆筒壁的热传导,2020/5/3,.,26,三层：,n层圆筒壁：,2020/5/3,.,27,一、对流传热过程,第三节对流传热,2020/5/3,.,28,湍流主体温度梯度小，热对流为主,层流内层温度梯度大，热传导为主,过渡区域热传导、热对流均起作用,2020/5/3,.,29,式中Q对流传热速率，W；1、2热、冷流体的对流传热系数，W/(m2K)；T、TW、t、tW热、冷流体的平均温度及平均壁温，。,冷流体：,热流体：,牛顿冷却定律,2020/5/3,.,30,（一）影响因素,2.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。,强制自然,二、对流传热系数的影响因素,1.流动状态湍流层流,2020/5/3,.,31,自然对流的产生：,设热处：t2，2；冷处：t1，1,体积膨胀系数，1/C.,或,而,得：,或,2020/5/3,.,32,由温度差而产生的单位体积的升力：,2020/5/3,.,33,5.是否发生相变相变无相变,4.传热面的形状，大小和位置形状管、板、管束等；大小管径、管长、板厚等；位置管子的排列方式，垂直或水平放置。,3.流体的物性，cp,2020/5/3,.,34,三、对流传热的特征数关系式,变量数8个基本因次4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4,无相变时,2020/5/3,.,35,1.努塞尔特（Nusselt）数,表示对流传热系数的特征数,2.雷诺（Reynolds）数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,2020/5/3,.,36,3.普兰特（Prandtl）数,反映流体的物性对对流传热的影响,4.格拉斯霍夫（Grashof）准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)简化：强制对流Nu=f(Re,Pr)自然对流Nu=f(Pr,Gr),2020/5/3,.,37,使用准数关联式时注意：1.应用范围2.特征尺寸3.定性温度,2020/5/3,.,38,四、无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流1.圆形直管内的强制湍流,（1）应用范围：Re104,Pr=0.7160,L/d60,气体或低粘度的液体（2水）（2）定性温度：流体进出口的算术平均值（3）特征尺寸：管内径,2020/5/3,.,39,讨论：（1）加热与冷却的差别：,液体,气体,2020/5/3,.,40,物性一定时：,（2）影响因素：,2020/5/3,.,41,公式修正：,（1）当L/d2水）,工程处理：加热：冷却：,2020/5/3,.,42,（3）弯管,（4）非圆形管道,用当量直径计算。,2020/5/3,.,43,2.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300Re膜,（1）膜状冷凝,（2）滴状冷凝,冷凝过程的热阻冷凝液膜,（一）蒸汽冷凝时的对流传热,2020/5/3,.,54,2.膜状冷凝时的对流传热系数,（1）水平管束外,定性温度：tSr，其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数r比汽化热,2020/5/3,.,55,（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,qm冷凝液量，kg/sM冷凝负荷，kg/s.m,2020/5/3,.,56,层流,Re1800,湍流,2020/5/3,.,57,3.影响因素和强化措施(1)液体物性，r(2)不凝气体不凝气体存在，导致，需定期排放。,(3)蒸汽流速与流向（u10m/s）同向时，t，；反向时，t，；u，(4)蒸汽过热r=r+cp(tv-ts)影响较小,2020/5/3,.,58,(5)强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。,2020/5/3,.,59,（二）液体沸腾时的对流传热,1.沸腾现象,在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层,2020/5/3,.,60,沸腾必要条件：过热度t=（tts）0存在汽化核心,推动力（twts）沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、膜状沸腾工业上采用核状沸腾大，tW小,水沸腾曲线,2020/5/3,.,61,2.影响因素及强化措施（1）液体的性质,（2）温度差核状沸腾阶段:t2.5，t（3）操作压力,2020/5/3,.,62,（4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大,（5）强化措施表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,2020/5/3,.,63,第四节传热过程计算,返回,总传热速率方程,式中Q传热速率，W；tm两流体的平均温度差，；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2)。,2020/5/3,.,64,（一）恒温传热,（二）变温传热,tm与流体流向有关,一、传热平均温度差,2020/5/3,.,65,1.逆流与并流,2020/5/3,.,66,以逆流为例推导tm,假设：（1）稳态流动，qm1、qm2为常数；（2）cp1、cp2为常数；（3）K沿管长不变化；（4）热损失忽略不计。,对于微元：,2020/5/3,.,67,而,2020/5/3,.,68,逆流、并流均适用；当t2/t12，则可用算术平均值。,对数平均温度差,2020/5/3,.,69,2.错流与折流,1tm0.9,若Q需要，换热器合适。,2020/5/3,.,83,二、操作型计算（1）已知：换热器A，qm1、T1，qm2、t1求：出口T2、t2（2）已知：换热器A，qm1、T1，T2、t1求：qm2、t2,注意：列管式换热器中,流通面积,传热面积,2020/5/3,.,84,传热计算,例1、现测定套管式换热器的总传热系数，数据如下：甲苯在内管中流动，质量流量为5000.h-1，进口温度为80，出口温度为50；水在环隙中流动，进口温度为15，出口为30。逆流流动。冷却面积为2.5。问所测得得总传热系数为若干？,2020/5/3,.,85,*如何确定K值,1，利用公式计算:2，利用实验测定:3，设计换热器时，需参考经验数据以确定K值,以便于计算所需面积，(见教材151页)，选取时注意设备相似，流动相似,2020/5/3,.,86,传热计算,例2、一套管式换热器内流体的对流传热系数200w.k-1，管外流体的对流传热系数350w.k-1。已知两种流体均在湍流情况下进行换热。试回答下列问题：（1）假设管内流体流动增加一倍；（2）假设管外流体流速增加二倍。其它条件不变，试问总传热系数是原来的多少倍？管壁热阻及污垢热阻可不计。,2020/5/3,.,87,传热计算,某化工厂，用河水在一间壁式换热器内冷凝蒸汽，经过一段时间运行后，发现换热器的传热效果明显下降，分析主要原因是?总传热系数的倒数代表，提高K值的关键是。总传热系数K的物理意义是什么？简述何谓强化传热？有哪三个主要途径？。,2020/5/3,.,88,一、基本概念,1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。,特点：能量形式的转换不需要任何介质,第五节热辐射,2020/5/3,.,89,能量守恒定律：,吸收率反射率穿透率,3.物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q；被反射Q；穿过物体Q,2020/5/3,.,90,黑体：,白体(镜体)：,透热体：,灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,固体、液体：=0+=1气体：=0+=1,2020/5/3,.,91,二、物体的辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E表示,W/m2,黑体辐射常数,5.66910-8W/(m2.K4),（一）黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感,Cb黑体辐射系数,5.669W/(m2.K4),2020/5/3,.,92,（二）实际物体,黑度：,1,=f(物体的种类、表面温度、表面状况),C灰体的辐射系数，C=Cb,是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度,实验测定,2020/5/3,.,93,（三）克希霍夫定律,对灰体:,热交换达到平衡时T1=T2,q=0,任意物体:,2020/5/3,.,94,结论：（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大（2）=同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等（3），EEb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大,2020/5/3,.,95,（一）辐射传热速率,四、两固体间的相互辐射,两面积无限大的平行平板,两平面有限大的平行平板,2020/5/3,.,96,一物体被另一物体包围,若外围为黑体，1=1或A2A1，,则C1-2=C1=Cb1,2020/5/3,.,97,1.温度的影响T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式2.几何位置的影响3.表面黑度的影响，可通过改变大小强化或减小辐射传热4.辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）,（二）影响辐射传热的主要因素,2020/5/3,.,98,五、高温设备及管道的热损失,对流：,辐射：,令=1,总热损失：,T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K),2020/5/3,.,99,（1）空气自然对流，tW5m/s,平壁保温层外,空气速度u50时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：,2020/5/3,.,107,2.浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂,2020/5/3,.,108,3.U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,2020/5/3,.,109,三、列管换热器的选用,1.根据工艺任务，计算热负荷,2.计算tm,3.依据经验选取K，估算A,4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,2020/5/3,.,110,5.核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6.计算A,根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。,2020/5/3,.,111,(1)流体流程选择,管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体,壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便