化工原理第五章传热(王晓敏)

第五章传热 1 换热器 0 引言 2 3 换热器 按用途 加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和再沸器 按冷热流体热量交换方式 混合式 蓄热式和间壁式 夹套换热器 4 蛇管换热器 沉浸式 5 喷淋式 6 套管换热器 7 列管换热器 第三章传热 第一节概述第二节热传导第三节两流体间的热量传递第四节对流与对流传热系数第五节辐射传热 要求及目的 了解和掌握传热的基本概念 规律和计算 能正确进行工艺设计 合理选择和使用换热器 8 第一节概述 1 传热在化工生产中的应用 利用余热 以降低能耗 任何工艺过程需在指定温度下进行 必须加热或冷却 绝热 9 2 传热的三种基本方式 一 热传导 conduction 依靠物体中微观粒子的热运动而传热 特点 物体内部无宏观运动 靠物体各部分的直接接触产生热量传递 介质 物质三态均可 二 对流 convection 流体质点 微团 发生宏观相对位移而引起的传热现象 特点 只能发生在流体中 对流给热 通常把传热表面与接触流体的传热称为对流给热或给热 即对流传热常伴随热传导 自然对流与强制对流 三 辐射 Radiation 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象 热辐射不要任何介质作媒介 在高温情况下 辐射传热成为主要传热方式 10 热传导 对流 辐射 11 冬天 经过在白天太阳底下晒过的棉被 晚上盖起来为什么感到很暖和 并且经过拍打以后 为什么效果更加明显 冬天 在相同的室外温度条件下 为什么有风比无风时感到更冷些 夏季在维持20 室内工作 穿单衣感到舒适 而冬季保持在22 的室内工作时 为什么必须穿绒衣才觉得舒服 在寒冷的北方地区 建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好 为什么 电影 泰坦尼克号 里 男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来 试从传热学的观点解释这一现象 12 3 传热速率与热阻 热流量Q 单位时间内通过全部传热面积传递的热量 J s或W 热通量q 单位时间内通过单位传热面积传递的热量 W m2 传热面上不同局部面积的热通量可以不同 q dQ dA 传热速率 传热温差 热阻电流I 电压U 电阻R 13 Q 单位时间内传导的热量 W A 导热面积 m2l 导热系数 W m K W m 0C 第二节热传导 一 傅立叶定律1 温度场和等温面温度场 物体或空间各点温度的分布 非稳态温度场 等温面 温度相同的点组成的面 等温面彼此不相交 稳态温度场 2 温度梯度 温度梯度的方向垂直于等温面 以温度增加方向为正 3 傅立叶定律 热传导的基本定律 单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比 传热方向与温度梯度方向相反 14 二 导热系数 1 固体的导热系数多数均一固体的 在一定范围内与温度成直线关系 2 液体的导热系数水的 最大 多数液体 除水和甘油 的 随温度升高略有减小 纯液体的 比溶液大 3 气体的导热系数气体的 很小 有利于保温 气体的 随温度升高而增大 一般情况下 气体的 与压力无关 导热系数大致范围 金属 2 3 420W m K 建筑材料 0 25 3W m K 绝缘材料 0 025 0 25W m K 液体 0 09 0 6W m K 气体 0 006 0 4W m K 15 1 单层平壁的稳定热传导 dx x o Q A t1 t2 边界条件为 x 0时 t t1x b时 t t2 三 平壁的稳定热传导 传热量Q与传热面积A 平壁两侧温度差和导热系数成正比 与平壁厚度成反比 稳定温度场中 积分上式 阻力 导热推动力 16 Q 热传导速率 W A 平壁 等温面 面积 m2 q 热传导通量 W m2 b 平壁厚度 m t 两壁面温差 K 导热系数 W m K 例2 平壁厚500mm 若t1 900 C t2 250 C 导热系数 1 0 1 0 001t W m 1 K 1 试求平壁内温度分布 1 导热系数按平壁的平均温度tm取为常数 2 考虑导热系数随温度的变化 17 例1 厚度为230mm的砖壁 内壁温度为600 C 外壁温度为150 C 砖壁的导热系数可取为1 0W m 1 K 1 试求通过每平米砖壁的导热量 2 多层平壁的稳定热传导 稳定导热时 通过各层热量相等 各层温度降 18 推动力 总温度差总热阻 各层热阻之和 例3 有一炉壁 由下列三种材料组成 耐火砖 1 1 4W m 1 K 1 b1 230mm保温砖 2 0 15W m 1 K 1 b2 115mm建筑砖 3 0 8W m 1 K 1 b3 230mm今测得其内壁温度为900 C 外壁温度为80 C 求 1 单位面积的热损失 2 各层接触面上的温度 四 圆筒壁的稳定热传导 Steady stateconductionthroughacylinder u t1 Q r1 r2 t1 t2 l Q 假设 1 材料的导热系数不随温度变化 或取平均温度 2 温度仅沿半径方向变化 一维 稳定传热 20 通过圆筒壁的稳定热传导 r dr 分离变量 积分 对数平均半径 壁厚度 r2 r1 2时 rm r1 r2 2 21 对多层圆筒壁 与多层平壁稳定热传导类似 对n层圆筒壁 多层圆筒壁与多层平壁不同之处 各层传热面积不相同 计算时应用各自的平均传热面积 由于各层传热面积不同 虽然单位时间总传热量相同 但单位面积传热量 热通量 则不同 22 例4 f50 5的不锈钢管 导热系数l1为16W m K 外包厚30mm的石棉 导热系数l2为0 2W m K 如管内壁温为350 保温层外壁温度为100 计算每米管长的热损失 解 不锈钢管内半径 r1 40 2 20mm 外半径 r2 50 2 25mm 石棉层内半径 r2 25mm 外半径 r3 25 30 55mm r3 r2 2 每米管长热损失 23 例5 求例4中温度分布 24 例6 在一 60 3 5mm的钢管外层包有两层绝热材料 里层为40mm的氧化镁粉 平均导热系数 0 07W m 外层为20mm的石棉层 其平均导热系数 0 15W m 现用热电偶测得管内壁温度为500 最外层表面温度为80 管壁的导热系数 45W m 试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度 25 a 每米管长的热损失 r1 0 053 2 0 0265mr2 0 0265 0 0035 0 03mr3 0 03 0 04 0 07mr4 0 07 0 02 0 09m 解 b1 0 0035mb2 0 04mb3 0 02m t1 500 Ct2 t3 t4 80 C b 界面温度 26 27 例7外径为426mm的蒸汽管道 其外包扎一层厚度为426mm的保温层 保温材料的导热系数为0 615W m 若蒸汽管道外表面温度为177 保温层的外表面温度为38 试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布 解 此题为单层圆筒壁的热传导问题 已知条件 蒸汽导管外表面的半径r2 0 426 2 0 213m 温度t2 177 保温层的外表面的半径r3 0 213 0 426 0 639m 温度t3 38 由 28 可得每米管道的热损失为 设保温层内半径r处的温度为t 代入上式 将已知数据代入 整理得温度t与半径的关系式为 t 126 6lnr 18 64 筒壁内的温度分布不是直线 而是曲线 29 练习题1内径为15mm 外径为19mm的钢管 其 1为20W m 其外包扎一层厚度为30mm 2为0 2W m 的保温材料 若钢管内表面温度为580 保温层外表面温度为80 试求 1 每米管长的热损失 2 保温层中的温度分布 30 练习题2有一蒸汽管道 外径为25mm 管外包有两层保温材料 每层材料均厚25mm 外层保温材料与内层材料导热系数之比 2 1 5 此时单位时间的热损失为Q 现工况将两层材料互换 且设管外壁与保温层外表面的温度t1 t3不变 则此时热损失为Q 求Q Q 第三节两流体间的热量传递 一 间壁两侧流体热交换过程的分析 流体质点 微团 发生宏观相对位移而引起的传热现象 特点 只能发生在流体中 自然对流 流体质点由温差引起的密度差而产生的相对宏观运动 从而发生传热 强制对流 流体质点在外力作用下而产生的相对宏观运动 从而发生传热 对流给热 通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流给热或给热 包括对流和热传导 31 高温流体对流传热 低温流体对流传热 壁面 冷流体 热流体 壁面 传热基本方程 对流传热系数 32 二 对流传热系数和总传热系数 牛顿冷却定律 热对流的基本定律 间壁换热器传热过程分析 33 注意 传热过程不同 对应不同的推动力及相应的阻力 稳定的串联传热过程 由传热基本方程 对比两式有 34 K 总传热系数 当间壁为平壁 或管壁很薄或管径较大时 dA1 dA2 dAm和dA相等或近似相等 则 当传热面为圆筒壁 内外两侧传热面积不等 根据换热器标准规定 传热面积以换热管外表面计算 则 对圆管 因为 K与a的区别 对流传热系数a具有局部性质 K是总传热系数 35 例8 例4中 在石棉层外再包一厚度30mm的保温材料 导热系数l3 0 02W m K 如环境温度tb为20 两种情况下a保持不变 求 热损失减少的百分率 保温层外壁面温度t4 解 热损失减少的百分率 对流传热系数 36 例4 f50 5的不锈钢管 导热系数l1为16W m K 外包厚30mm的石棉 导热系数l2为0 2W m K 如管内壁温为350 保温层外壁温度为100 计算每米管长的热损失 37 每米管长热损失 加保温层后 r4 55 30 85mm r3 55mm 38 保温层外壁面温度t4 热损失减少的百分率 三 污垢热阻Rs 计算热阻时 需加上污垢层热阻 因不易计算 可根据经验估计其大致数值 管壁内侧和外侧均需分别计入 污垢热阻的大致范围 39 污垢热阻Rs 污垢热阻的大致数值 为减少垢层热阻 1 定期清洗换热器 2 对换热流体进行防垢预处理 40 41 例9 有一列管换热器 由 25 2 5mm的钢管组成 CO2在管内流动 冷却水在管外流动 已知管内的 1 50W m 2 K 1 管外的 2 2500W m 2 K 1 1 求传热系数K 2 若使 1增大1倍 其他条件不变 求传热系数增大的百分率 3 若使 2增大1倍 其他条件不变 求传热系数增大的百分率 4 若计算传热系数时 不对内外表面差异做校正 误差有多大 已知钢的导热系数 45W m 2 K 1 CO2侧污垢热阻Rs1 0 5 10 3m2 K W 1 冷却水侧污垢热阻Rs2 0 58 10 3m2 K W 1 四 传热温差和热量衡算 热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系对于间壁式换热器 假设换热器绝热良好 热损失可忽略 则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 42 逆流 并流 43 44 45 并流中 tI恒大于 tII 逆流中 tI不一定大于 tII一侧流体变温时 并流和逆流的对数平均温度差是相等的 两侧流体都变温时 由于流体的流动方向不同 两端的温度差也不相同 因此并流和逆流时的平均温度差是不相等的 46 例10 在换热器中 冷热流体进行热交换 热流体温度都是90 冷却到70 冷流体温度都是由20 加热到60 试比较并流与逆流的传热平均温度差 计算结果表明 在并流和逆流时 虽然两流体的进 出口温度不变 但逆流时的传热平均温度差比并流要大28 度 故工业生产中多采用逆流换热 47 48 例11 在一列管式换热器中用机油和原油换热 机油在管内流动 进口温度245 C 出口温度175 C 原油在管外流动 温度由120 C升到160 C 1 分别计算并流和逆流时的平均温差 2 若已知机油质量流量ms1 0 5kg s 1 定压比热容cp1 3kJ kg 1 K 1 并流和逆流时的K均为100W m 2 K 1 分别求所需传热面积 例12 某工厂用300kPa 绝 的饱和蒸汽 将环丁砜水溶液由105 C加热至115 C后 送再生塔再生 已知其流量为200m3 h 1 密度为1080kg m 3 比热容为2 93kJ kg 1 K 1 试求蒸汽用量 又若换热器的管外表面积为110m2 计算温差时水溶液的温度可近似取为其算数平均值 求传热系数 已知300kPa下水的汽化潜热r 2168kJ kg 1 49 例13 有一列管式换热器 其传热面积A 100m2 用作锅炉给水和原油之间的换热 已知水的质量流量为550kg min 1 进口温度为35 C 出口温度为75 C 油的温度要求由150 C降到65 C 由计算得出水与油之间的传热系数K 250W m 2 K 1 问如果采用逆流操作 此换热器是否合用 第五章传热总结 1 稳定传热的基本规律 稳定传热 T f x y z 不稳定传热 T f x y z t 2 利用基本原理解决化工生产中的传热问题 传热过程和设备的计算 设计换热器 强化传热过程的途径 强化 增强和削弱 绝热 热量恒算式 传热速率关系 传热基本方程式 热力学计算式 式中 Q 传热速率 W A 与传热方向垂直的传热面积 m2 q 传热通量 W m2 tm 冷热两种流体的平均温度差 K K 总传热系数 W m2 K 50 传热过程的计算 传热负荷 热力学Q Q放 Q吸 的计算传热温差 tm总传热系数 K传热计算的类型及其方法 传热任务 传热能力 51 K 总传热系数 当间壁为平壁 或管壁很薄或管径较大时 dA1 dA2 dAm和dA相等或近似相等 则 当传热面为圆筒壁 内外两侧传热面积不等