化工原理第四章传热过程超详细讲解

第四章传热过程,1概述一、化工生产中的传热过程传热的应用1、供给或取走反应热：,相变潜热：,2、回收利用余热、废热：交换器的降温，以利用热能。3、隔绝热量传递,避免热量损失：保温瓶,保温蒸汽管。二、要解决的问题1、进行热量衡算，确定热载体的用量2、计算完成一定生产(传热)任务所需的传热面积3、寻找强化传热途径如何提高传热速率,三、传热方式分类,稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化Tf(x)稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变化Tf(x),1、据冷热流体是否接触,混合式：冷热流体混合煤气洗涤塔间壁式：冷热分离间壁、冷凝管蓄热式：热流体贮热，冷流体吸热热风炉炼铁,2、在间壁式传热中,据传热面上的温度分布,分为：,稳定传热：T不随时间变化,对于一定的传热设备，热阻一定，当T不随时间变化,T亦不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，稳定传热传热速率不随时间变化。,稳定传热非稳定传热,3、据传热机理不同，分为,四、几个基本概念：,(2)传热速率=Q/单位,(3)比热cp显热：Q显=mcpt,(Cp定压比热容-J/kg*K)(J/mol*K),(4)潜热,式中:Hm和Hn分别为质量和摩尔相变潜热(单位分别为：J/kg；J/mol),(1)传热量Q,2传导传热（热传导，导热）一、定义：传导传热发生在固体、静止或滞流流体中，因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。,二、导热方程付立叶定律：1、导热方程,如图：若t1t2，热量将自发的以导热方式从内壁向外壁传递。实验证明：通过该壁传递的热量与壁两侧的温差成正比，与传热面积和传热时间成正比，与传导距离成反比，即：,dQ=-,-付立叶方程,对于稳定的热传导：dt不随时间d变化，故积分为：,温度梯度速度梯度（P41）,比较,2.导热系数（类似于粘度）意义：材料导热能力大小的标志，是A1m2，=1m,t=1k时的传热速率。在相同的条件下，材料不同，其传热速率不同，故是材料本身的性质。,大小：a.实验测定或查附表二、三、六、七可得。b.随温度的变化,对金属：0，t,。原子振动加剧，电子运受阻非金属：0,t,。分子振动加剧，传热能力增加液体：0,t,。t液体膨胀,分子距离加大，碰撞气体：0,t,。t,分子能量碰撞。金属非金属，固液气，结构紧密结构松散,单位：,泡沫保温材料,三、平面壁的稳定热传导特点,2多层平面壁,如耐火砖绝热砖建筑砖组成三层复合壁，对各层分别应用单层导热公式有：,R=/热阻,1单层平面壁，如P105图,一层：,二层：,三层：,(1),(2),(3),平面壁：A1=A2=A3=A稳定传热1=2=3=则有：t1-t4=t=,讨论：(1)+得：,(4),(5),+得：,(2)t1/t2=R1/R2=,即各层的温降与其热阻成正比。,可见：传热速率式中分母是分子温度区间内的热阻之和。,(4)在不知A时,可求单位传热面积的传热速率热流密度（传热强度）qq=/A=t/(/)例：4-1P107热阻越大，温度降越大例：4-2P108垢层的热阻很大，应勤除垢层,(3),可求夹层间的温度。,作业：P142（3，4）,四、圆筒壁的稳定热传导如图：,据付立叶定律：1、单层圆简壁,对数平均半径。当r2/r1104、Pr=0.7120的气体和2水的液体：,液体被加热时m=0.4（411）液体被冷却时m=0.3（412）,2）有相变时的值相变时放出大量的潜热，故值查表(取一中间值),P117表4-2,四、传热总速率的方程从给热方程中消去tw1,tw2，求,令T=1，t=2,注意：由于1=2=3=所以有：,五、总传热系数K,多层圆简壁一般不用=KAm(T-t)的形式,而直接使用公式。,单层,例4-7：釜内径d1=0.8m外径d2=0.822m，故釜壁可视为平面壁，则有：,热阻主要集中在较小和较小的一侧，金属管壁的热阻很小，在液一液热交换过程中通常忽略。,作业：P14314,b.据,4.总传热系数K的获得途径：,实测。,a.据计算,例4-10用160饱和蒸气加热粘性溶液15140，黏性溶液的黏度随温度升高而显著下降，使总传热系数K-t变化，属不稳定传热，取一时间微元d,在d内传递的热量为dQ，则对冷流体有：,没有K=f(t)关系，只有K-t数据，只能采用辛普森数据积分(自变量间隔相等)公式积分：,分别计算出y0,y1,y2y5代入公式求得：,=8.57*105(25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37)+6.94)10-5=3230s=54min,n为积分区间所分的等分数，这里有6组(T-t)数据，可求得6个y值，即：,六、传热温度差传热过程中温差一般是变化的，需取平均值计算。,1、稳定的恒温传热温差（温度不随位置而变化）如图的传热过程：,2、稳定的变温传热温差（温度随位置而变化）,逆流(相向逆流),并流(同向并流),注意：同一流体终、始态的温差用T或t表示。换热器同一端高低温流体的温差用t1或t2表示。,3、平均温差公式以并流为例推导平均温差公式：(T-t)与A有关，故须找平均温差(T-t)m=tm,则需找d(T-t)dA关系,故取一微元面积dA,在dA内视(T-t)为常数,在dA内应用传热速率方程式有：,对冷热流体进行热量衡算有：,可找到dAd(T-t)关系，积分就可得(T-t)m=tm,即：经过dA后换热器换热：,T流体放热：,t流体吸热：,(2)-(3)得：,设法消去与流体性质相关的参数M、Cp：,代回(5)式整理得：,(5),对数平均温差,同理逆流换热亦可推导出：,当,算术平均温差,注意：计算时，先作出TA方框图，注明温度，找出t1和t2后再计算tm。,例4-11,例4-11tm逆=54.9tm并=39.1tm逆/tm并=54.9/39.1=1.404在,K相同时：A并/A逆=tm逆/tm并1A并A逆在A,K相同时：逆/并=tm逆/tm并1逆并据=MCpt，在相同时，逆流可减少热载体的用量，即M逆tm并。1、逆流的优点：=KAtm进出口温度相同时，tm逆tm并，故在A、K一定时:逆/并=tm逆/tm并1即：逆并冷热流体的出口温度互不受影响，冷流体出口温度t1可能高于热流体出口温度T2，换热彻底。在、K相同时，A逆A并。,2、并流的优点:t2t2，适用于某些连续操作的管式反应器中进行的放热反应的热量的移出。如图：并流能正常操作，逆流不能正常操作。,例4-12在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时,并逆，求T2,t1。解：利用并流求得有关常数：=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t,T=-50t=40M1Cp1/M2Cp2=t/T=0.8(常数)(1),tm并=t1-t2/lnt1/t2=39.1KA/M1Cp1=-T/tm=50/39.1=1.28（常数）(2),-T=120-T2t=t1-20,改逆流后:,代入（1）和（2）式：M1Cp1/M2Cp2=t/T=(t1-20)/(120-T2)=0.8KA/M1Cp1=-T/tm=2（120-T2）/（100-t1+T2）=1.28,例4-13求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同理有：M1Cp1/M2Cp2=t/T=0.8=(t1-20)/(120-T2)t1=116-0.8T2tm逆=(100-t1+T2)/2K(2A)/M1Cp1=2*1.28=-T/tm逆,=(120-T2)*2/(100-t1+T2)=2.56T2=42.5t1=82,八、强化传热的途径和措施=KAtm1.增大A:增大较小一侧的A值，如气体和小的液体走管外；采用翅片管、螺纹管作换热管。当两种流体能接触时，尽量增加其分散度(A大)。如喷啉冷却时将液体雾化。2.提高tm：尽量采用逆流换热。温差的增大受气候条件和输送费用的限制。,3.提高K值,K值取决于值和很小的垢层的厚度。1、采用大的流体作热载体；2、据：,增大流速可提高值；3、勤除垢层,减小热阻/。,平面壁传导传热：,圆筒壁传导传热：,九、常用公式：,平面壁对流传热：,圆筒壁对流传热：,热量衡算：,平均温差：,4-5热交换器一、列管式换热器如图4-14，P127管程：换热器的管内通道管程数：流体在管程中从一端到另一端运行的次数。壳程：换热器的外壳与管束之间的通道壳程数：流体在壳程中从一侧到另一侧运行的次数。总换热面积：A=ndml二、夹套式加热器：图4-20三、蛇管式热交换器：4-21四、螺旋板式热交换器：4-22五、板式热交换器：4-23,习题14解：圆筒壁的对流传热,2/1=6.53/18.75=0.348235%,1=2000Wm-2K-1,结垢后：,结垢前：,2=15000Wm-2K-1,r1=0.011m,r2=0.0125m,r2=0.011m,r3=0.0125m,r1=0.01m,习题23：,A=n*l*dm=1323.140.0235=1.9m2,T2=?,t2=15,T1=90,?,习题21解：lA,可用A比代表l比，即视为平面壁作近似计算。=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t加长前：t1=25T1=-50M1Cp1/M2Cp2=t1/-T1=25/50=0.5tm1=(t1+t2)/2=(110+85)/2=97.5,作业：P14422、24,习题15解：=KAtm=-M1Cp1T=-qV11Cp1T=-v/4d21Cp1T=0.5*0.785*0.022*1200*3000*(90-60)=644328WA=n*l*dm=38*4*3.14*0.0225=10.73m2tm=(50-40)/ln5/4=44.815K=/Atm=644328/10.73*44.815=1340W/m2*K=M2Cp2t=M2*3000*(40-20)=644823WM2=10.74kg/s,习题16解：121饱和蒸汽通入蛇管加热溶液，起始时溶液温度T较低，溶液的得热速率1较大，而桶的散热速率2较小