清华大学化工原理25第五章传热.doc

第五章 传热Key Words: Heat transfer, Conduction, Convection, Rediation, Fourier Law第一节 概述 化工过程中经常遇到气一液，液液，气固，液固的换热过程 加热 冷却 过程强化 保温削弱过程一、 传热的基本方式： 热传导 分子振动 无质点位移 对流传热 流体质点相对移动 强制对流、自然对流 电磁波形式传播 热辐射 放热辐射能吸收 无需中间介质、能量转换，T高时的主要方式 K传热方式相互依存，并不独立存在二、 冷热流体接触方式： 直接接触式 间壁式 蓄热式三、 传热速率： （传热速率）热流量Q：J/s 热流密度（热通量） q=dQ/ds J/m2s 四、 稳态传热和不稳态传热 PQ、q、及有关物理量（进出口T， t） 不随时间变化稳态 q： 不随q变化（沿管长变化） K 不稳定：夹套加热 第二节 热传导一、 温度场和温度梯度：在时刻物体（或空间）各点温度分布 t = f (x,y,z,q) 若与无关稳定温度场相同连结组成等温面 等温面不相交 等温面上无热量传递温度梯度： ：法线方向二、 定律 (与牛顿粘性定律相似)：导热系数，负号：热流方向是温度降方向。三、导热系数 与物质组成、结构、温度、密度、压强等有关。 单位： 金属 101102 T l 建材 10-1100 w/mK T l 绝缘材料 10-210-1 液体 10-1 T l (水、甘油除外) 气体 10-210-1 固体：l=lo(1+KT) 0：0导热系数，金属K0液体：T(水、甘油除外) 气体：T。高于2000atm，低于20mmHg，p四、平壁稳定热传导： 一平板，长宽与厚比无限大。 积分： 温度分布 直线 多层：n层 l不同 ，b不同存在n个温度差（接触面良好）Q相同（通过各层） 由总温差和li，求Q，由五、圆筒壁的稳定热传导 、Q相同、q不同 对数平均值 当r2 / r1主流t1 膨胀公式： b体积膨胀系数。 强制对流与Re有关。 3、物性： 都是t的函数 4、传热面形状，大小，位置。（特征尺寸） 5、有无相变化，二、对流传热中的因次分析法： 按确定的几何形状讨论，经因次分析可以得到 Nusselt Reynold Prandt Grashof （对流传热） （流动） （物性） （自然对流） 对流强制： 自然对流： 滞流： 1应用范围：Re，Pr 2定性尺寸：， 3定性温度： 物性值 膜温，壁面主体 三、流体在管内强制对流的a：1、圆形直管内，强制湍流： 1)低粘度流体（ a长 当，校正项。例如： ，校正项：1.071.02 2)高粘度流体（温差过大） 定性尺寸di 定性温度，壁温下的粘度 2、圆形直管内，强制滞流 1) 速度分布不同 复杂性 2) 存在自然对流影响 3)、入口段较大100d（Re2000） 1)忽略自然对流影响： （短管）壁温下粘度。 2) 水平管、 特征尺寸di 膜温： 乘以校正系数 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 垂直管 流动方向与自然对流方向一致，a+15% 流动方向与自然对流方向相反，a-15% 3、圆形直管过渡流： Re230010000之间，用湍流公式乘以f 4、弯曲圆管内： 由于离心力的作用， 加速湍动产生二次环流 a为圆形直管中的a 5、非圆形管： 套管环隙：（空气水） 定性尺寸为de四、流体在管外强制对流的a ： 1、管外流体平行流过：de的计算。 2、管外流体垂直流过：1) 单管： 边界层增厚 边界层脱离 Re小时，层流边界层（低点）脱离a Re 大时，层流边界层（低点）湍流边界层a增厚a脱离 2) 管束 直列 错列 直列： 错列： Re3000 do，u取最狭处： 定性温度，排数不为10，乘以校正系数。 3) 换热器管间流动： 流速，流向不断变化，Re100湍流 挡板形式，（圆缺挡板） 出现旁流，不能达到垂直流动 若圆缺挡板，截去25。 （A）， ， do 流速，最狭小处通道流速 速度计算： h：档板间距 D：外壳内径 （B） 小结：1、对流传热与流动、物性有关（温差） Re 由此：热流方向 温差物性 mw 2、必须注意经验公式的使用条件 L，t，Re，Pr 3、含Gr，使用膜温 4、a的大小 a) a湍a层 a短a长 b)换热器 ： c)加强湍动程度。五、流体作自然对流的a ： 定性温度：膜温，tw与 (t1+t2)/2的平均值 定性尺寸 水平管do，垂直管L 查表！六、蒸汽冷凝的a： 1、冷凝过程机理： 加热介质饱和蒸汽 壁面低于饱和蒸汽温度 汽相温度唯一。 无汽相热阻（忽略气流补充的压降） 冷凝放出的潜热必须通过液膜传向壁面 给热的热阻主要来自于壁面上的液膜 液体浸润壁面膜状冷凝 不浸润滴状冷凝，比前者大几至十几倍 膜状冷凝： 膜厚不同，不同。 L足够大时，湍流 若液膜滞流热传导为主。 ：液膜两侧温差，：离顶部x处膜厚 2、垂直壁面的膜状冷凝： 1）理论分析 物性const 假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力 滞流 可以导出： （平均值） 定性尺寸：L 定性温度：膜温：，ts饱和温度 r：饱和温度下的冷凝潜热 若传热量一定，r，冷凝量，膜厚， ，单位体积受力，流动快，膜厚， （通过膜导热） 膜厚， t 传热推动力，冷凝液，膜厚， 倾斜直壁：与水平夹角为， 2）实验结果：滞流下，蒸汽与液膜间磨擦 3）流型判断： 滞流：Re2100 Re 壁下端Re 值 涉及冷凝负荷 冷凝负荷M：单位浸润周边上的冷凝液质量流量 4）无因次* 对于滞流： 对于湍流： 3、水平管壁蒸汽冷凝： （1）单管 水平管可以看成不同角度倾斜壁面，进行积分 （当do很小时，可以看成滞流） 与垂直管相比： （2）管束： n：垂直列上的管数。 垂直管数不同时取平均值。 4、几点讨论： 对于过热蒸汽，一般可以按饱和蒸汽 蒸汽流向: 向下流， 向上流， 向上流速， （3）不冷凝气： 在蒸汽与液膜之间形成气膜。汽中含1不凝气，a50。 （4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚a （5）强化：直管 沟槽 金属丝（张力作用）18复盖面积时a最大。 水平管：（倾斜） 膜、滴交错七、液体沸腾时的a： 锅炉、蒸发器、再沸器 温差， 容积沸腾：加热面浸于液体中 自然对流 汽泡运动 管内沸腾：一定流速流动，加热管 1、沸腾现象： 特征：有气泡产生；由加热表面首先生成；必要条件过热 汽泡生成，存在 由过热造成 加热表面过热度最大， 缝隙依托 表面不平整 汽化核心，Dt 残留气体 过热生成长大上浮补充过热 自然对流区 ta小，a小K 如 汽水 冷凝水 注意:若Kai，改换基准习题课:5-54. 套管换热器，气体T190，T250；水 t115 t230求（1）10时，措施；（2）若WS120，t1=15，措施生产任务：冷却 (1) 原工况: 新工况：t1, 10，生产状况不变Q不变 S不变 T2，T1不变(物性不变) 措施若K不变工况不变，不变 （物性变化不大） 由 措施： （2）原工况， 新工况： 由 558列管式冷凝器 （1）WS250（加热） 原工况： （a）由 求出 忽略壁阻 若用： (b）饱和压力0.3MPa，T由120 133 与（a）中相同 (c）并联：每个换热器0.75wS2 S加倍 串联：第一级出口：（第二级入口 ） 假设K=K”=K 阻力加倍 (2) (3) 油污垢：d = 2mm l =0.2w/mK R总 K di由20mm 16mm u ai u= (20/16)2u，di=16di/20 比较热阻： 第六节 热辐射Key Words: Radiation heat transfer, Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan Boltzmann law, Kirchhoff low一、 基本概念物体内原子由于物体本身温度，激发后，对外以电磁波形式发出辐射能吸收热能。辐射线波长：0.420mm 之间（可见光0.40.8mm） 同样满足 Q= QA + QR + QD 吸收 反射 透过 A吸收率、R反射率、D透过率 黑体 A=1, 无光泽漆面 0.960.98 镜体R=1 磨光铜板 R0.97 透热体D=1 单原子，对称双原子 A、R、D取决于物性，表面状况，T，辐射波长 灰体： 对所有波长有相同的吸收率 D0，二、固体的辐射能力： E：单位时间、单位面积辐射能量w/m2（全部波长） 1、Pranck定律： 用量子理论可以推导。(T绝对温度，C1 、C2常数) 2、Stefan-Boltzmann Law l，Ebl出现峰值， 等温线下面积代表E 黑体与绝对温度4次方成正比。 辐射能力 sO黑体辐射常数 CO黑体辐射系数 灰体 黑度 3、Kirchhoff定律、E与A的关系 1为灰体，2为黑体 中间为透热体 平衡状况下，1、2温度相等 （无热流量） 发射吸收 一切物体的辐射能力与吸收率之比均等于相同温度下绝对黑体的辐射能力。（与T有关） 三、两固体间的相互辐射： 相互的 反复吸收、反射 取决于A，R，形状位置 两个较大的平行灰体壁面： 中间透热体 距离近（全部投入） Q12 1给2的辐射热量（净）；C12 总辐射系数 j 几何因素，（角系数）； S1 1的面积 1、平行板 室内 2、一物体被包围 j1 加热炉内 同心圆球 无限长圆筒 被包围物 外围物 当 3、任意表面： 四、设备热损失计算： 例：用热电偶测高温气体： 测量值T1923K，Tw713K 热电偶 e10.3 a150 wm2K （求Tg） 加入单层遮热罩，a290 wm2K（抽气） 遮热罩e20.3 求T1解：定态条件下，热电偶辐射散热对流受热 绝对误差159K，相对误差14.7% 加上遮热罩: a) 遮热罩： b）热电偶： 绝对偏差37K，相对偏差3.4第七节 换热器一、 换热器的类型及特点： 直接式 蓄热式 夹套 蛇管 沉浸 间壁式 喷淋 套管 列管式 壳体 管束 管程隔板 花板 壳程隔板 顶盖二、换热器的强化： S 管式（细管） 翅片 Dtm 严格逆流（无相变） u，不易生垢 垢 水质 除垢 K a小处下手 a、u、湍流，内外沟流 热管三、列管换热器的设计 WS1 T1 T2 WS2 t1 分两步初选 条件 管程，壳程允许的p 校核 体系物性，工业要求（一）初选 1、计算热负荷 压力 2、确定流体在换热器中流动途径 腐蚀 结垢处理等 3、确定t2型式 4、计算u，保证湍流（壳程数） 5、计算Dtm Dt 0.8（壳程数） 6、由K估（实验、经验）S估，定型号（二）核算： 1、Dp由设备尺寸等计算Dp是否满足要求（改变管、壳程） 2、计算ai，ao，估计R, ai、ao不可小于K估，否则改变管、壳程，或换型号 3、计算Dtm 4、S实1.151.2S估565水溶液t120，要求： t260 VS=35m3/h 蒸汽加热0.3MPa（绝压），H=4m，液面上压力为0.03MPa（表压）全部管路均为f763mm，Le =200m 换热器阻力：Le=100m(f763mm) 换热器 双管程f252.5mm， 90根管L2m水泵3B57A水泵a）换热器是否可用，VS=35m3/h时t2=?b）泵是否满足要求?c）实际流量为多少，t2=?d）仍需35m3/h如何调节，轴功率为多少？ 物理数据：1、核算换热器： 可以解出 可以选用2、核算泵： 求管路特性曲线： 其中： 当时， 根据泵特性曲线：Q=35m3/h H=43m(水柱) 可以选用3、实际流量及 求管路特性曲线与泵特性曲线交点： 求出4、如需保持35m3/h，关小阀门 查图