化工基础 传热.ppt

第四章传热过程,第一节概述第二节传导传热第三节对流传热第四节热交换的计算第五节热交换器,2020/5/24,第四章传热过程,2,第一节概述,一、化工生产中的传热过程,1、化工生产中的化学反应要控制适宜的温度范围：,（1）放热反应的热量要通过换热移除。,（2）吸热反应需提供足够的热量。,（3）反应原料要预热，产物要冷却。,2、很多化工单元操作是在换热条件下进行的：,蒸发、结晶、干燥、精馏等。,3、节约能源，合理使用能源：,（1）热流体保温、低温条件的保持。,（2）生产中余热、废热的有效利用。,2020/5/24,第四章传热过程,3,二、传热的基本方式,1、传导传热：,物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻分子碰撞，而将能量传递给相邻分子，顺序地将热量从高温向低温部分传递。,特点：没有分子的宏观相对位移。,2、对流传热：,由于流体质点变动位置并相互碰撞，能量较大的质点与能量较低的质点相互混合，使热量从高温向低温传递。,自然对流：温度差，密度差，自然移动。,强制对流：外力(搅拌等)使流体质点相对位移。,2020/5/24,第四章传热过程,4,3、辐射传热：,热物体以波的形式向四周散发辐射能，辐射遇到另外的物体时，被全部或部分地吸收并重新转变成热能的传热方式。,温度越高，辐射出去的热能越大。,不用任何介质作媒介。,实际生产中的传热，并非单独以某种方式进行，往往是多种方式同时进行。,2020/5/24,第四章传热过程,5,三、传热中的一些基本物理量和单位,1、热量Q：,单位：kgm2s-2，Nm，J，cal，kcal,1cal=4.186J,2、传热速率(热流量：单位时间内传递的热量。,单位：W，kcalh-1,1kcalh-1=1.163W,3、传热强度q：,单位：Wm-2，kgs-3,单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。,2020/5/24,第四章传热过程,6,6、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在发生相变时伴随的热量变化。单位：Jkg-1，Jmoj-1,汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等,计算：Q=Hm或Q=Hmn,4、恒压比热容cp、cpm：单位量物质恒压下升温1K所需热量。,单位：cpJkg-1K-1cpmJmol-1K-1,5、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时变温伴随的热量变化。单位：J,计算：Q=mcpt或Q=ncpmt,潜热和显热的区别：相变，温变,2020/5/24,第四章传热过程,7,四、定态传热和非定态传热,1、定态传热：,传热面上各点的温度不随时间改变的传热。,只考虑传热面上某一点的情况，各点温度可不同。,定态传热时，单位时间的传热量不变。,连续稳定的操作时大多是定态传热。,2、非定态传热：,传热面上各点的温度随时间而改变的传热。,非定态传热时，不同的单位时间的传热量不同。,间歇操作时大多是非定态传热。,2020/5/24,第四章传热过程,8,第二节传导传热,一、热传导基本方程式-傅立叶定律,1、傅立叶定律：,对于微元：,引入比例系数：,负号是因为热量传递方向与温度升高方向相反。,比例系数为导热系数，单位：Wm-1k-1,Jm-1k-1s-1,dt/d：温度梯度，K/m；,2020/5/24,第四章传热过程,9,导热系数:是物质导热性能的标志，是物理性质之一。,一般来说：金属非金属固体液体气体.,导热系数的值越大，表示其导热性能越好,的物理意义为：当温度梯度为1K/m时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量，其单位为W/mK或W/m。,金属2.3420w/mK,建筑材料0.253w/mK,液体0.090.6w/mK,气体0.0060.4w/mK,2、导热系数：,数值的大小与物质的组成、结构、密度等有关。,数值的大小也与外界条件温度、压力等有关。,2020/5/24,第四章传热过程,10,质地均匀的固体:,=0(1+at),0为00C时固体的导热系数,a为温度系数.,液体混和物:,=k(1w1+2w2+),w1,w2,-各组分的质量分数,1,2,-各组分的导热系数,K-常数,对一般混和物或溶液为1.0,对有机物的水溶液为0.9,气体混和物:,x1,x2各组分的摩尔分数,M1,M2各组分的相对分子量,2020/5/24,第四章传热过程,11,二、平面壁的定态热传导,1、单层平面壁的热传导:,在定态的条件下,传热量不变，且两壁面的温度不随时间而变.,移项：,积分：,t：温差，传热推动力，K,R=/(A)：传热阻力，热阻，K/W,2020/5/24,第四章传热过程,12,2、多层平面壁的热传导:,对于定态传热，各层传热速率相等，各层传热面积相等。,第一层：,第二层：,第三层：,2020/5/24,第四章传热过程,13,对定态传热：A1=A2=A3=A，1=2=3=,上面三式相加：,多层平面壁的传热速率等于总推动力t除总热阻R。,多层平面壁的总热阻R为各层热阻之和（相当于串联）。,各层的温度降与该层的热阻成正比。,2020/5/24,第四章传热过程,14,例,解：根据题意,若炉灶的炉壁顺序地由厚24cm的耐火砖(=0.90W.m-1.k-1)、12cm的绝热砖(=0.20W.m-1.k-1)和24cm的建筑砖(=0.63W.m-1.k-1)砌成，传热稳定后，耐火砖的内壁温度为940，普通砖的外壁面温度为50试求每秒钟每平方米壁面传导传热所散失的热量，并求各砖层交界面的温度。,1=24cm，2=12cm，3=24cm，t1=940t4=50,1=0.90W.m-1.k-12=0.20W.m-1.k-13=0.63W.m-1.k-1,求：q=?，t2，t3,2020/5/24,第四章传热过程,15,由,得,绝热砖层最薄，温差最大，导热系数小，热阻最大。,2020/5/24,第四章传热过程,16,1、单层圆筒壁的传导传热,圆筒壁传热面积和温度都随圆筒壁的半径而变化.,傅立叶定律应写为:,移项积分:,三、圆筒壁的传导传热,2020/5/24,第四章传热过程,17,=r2-r1为圆筒壁厚度。,rm为圆筒壁的对数平均半径：,当r2/r12时可用算术平均半径代替：rm=(r1+r2)/2,Am为圆筒壁的平均传热面积：Am=2rml,2020/5/24,第四章传热过程,18,2、多层圆筒壁的传导传热,根据：,第一层,第二层,第三层,三式相加,2020/5/24,第四章传热过程,19,整理：,同样令：,传热速率与推动力成正比，与热阻成反比。,注意各层直径或半径的取值。,2020/5/24,第四章传热过程,20,例382.5mm的水蒸气管（钢的=50W.m-1.k-1）包有隔热层。第一层是40mm厚的矿渣棉(=0.07W.m-1.k-1)，第二层是20mm厚的石棉泥（=0.15W.m-1.k-1）。若管内壁温度为140，石棉泥外壁温度为30。试求每米管长的热损失速率。若以同量的石棉作内层，矿渣棉作外层时（即同样厚度），情况如何？试作比较。,解：由题意得：,r1=0.0165mr2=0.019mr3=0.059mr4=0.079m,1=502=0.073=0.15,t1=140t4=30,2020/5/24,第四章传热过程,21,若以同量石棉作内层，矿渣棉作外层，得：,r1=0.0165mr2=0.019mr3=0.059mr4=0.079m,1=502=0.153=0.07,t1=140t4=30,2020/5/24,第四章传热过程,22,金属管的热阻很小，可以忽略。,2020/5/24,第四章传热过程,23,作业：P142起,3、5、7,2020/5/24,第四章传热过程,24,第三节对流传热,因流体质点变动而形成的对流还有两种:,2020/5/24,第四章传热过程,25,一、对流传热的机理:,1、机理,靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层，温度梯度较大。,过渡层中，温度发生了缓慢的变化。,湍流主体中，各处的温度基本相同。,对于湍流流体：,传热边界层：靠近壁面，有明显的温度梯度的流体层，包括滞流内层和过渡层。,一般把热量由湍流主体传向器壁或相反的传热过程叫做对流传热。,2020/5/24,第四章传热过程,26,2、牛顿传热方程,当湍流主体的温度为t1的流体向温度为t2的壁面对流传热时,传热速率与流体主体和壁面间的温差(t1-t2)及壁面面积A成正比,即,：传热膜系数，也叫传热分系数、给热系数。,对稳定传热过程:,的单位：W.m-2.k-1或J/(m2.k.s),的物理意义：流体主体与壁面度差为1K时,每秒通过1m2壁面所传给流体(或由流体给出)的热量。,2020/5/24,第四章传热过程,27,二、对流传热膜系数:,1、影响传热膜系数的因素:,(2)流体的流动形态和对流情况；,(4)传热的温度和温度差；,(5)流体传热的相变化；,(6)壁面的形状、排列方式和尺寸。,(3)流体的性质：、c、等物理性质；,(1)流体的种类：液体、气体、蒸汽；,2020/5/24,第四章传热过程,28,2、传热过程的几个相关特征数：,Nu、Re、Pr应用于对流传热。,Gr应用于受热引起的自然对流传热。,2020/5/24,第四章传热过程,29,3、传热膜系数的特征关系式：,（1）狄丢斯式：(适用于圆管内强制湍流),当流体被冷却时：,当流体被加热时：,通过量纲分析，可获得传热膜系数的一些特征数关系式：,适用于大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体。,适用于圆管内强制湍流。,适用于列管间的流体，计算时d取de：,2020/5/24,第四章传热过程,30,定性温度：可用对数平均或算术平均值。,液体被加热时，t,。,气体被加热时，t,。,对于高粘性的流体，加入校正因子c:,加热时：c=1.05,冷却时：c=0.95,如：20的有机液体Pr：220；20的水Pr：7.01,Pr1，指数大，大。,2020/5/24,第四章传热过程,31,（2）自然对流传热(蛇管或器壁),GrPr500(滞流),GrPr2107(湍流),500GrPr2107(过渡流),计算时，定性温度取壁面与流体温度的平均值。,（3）带搅拌的反应釜,D为反应釜的内径。,2020/5/24,第四章传热过程,32,例列管式冷凝器中，用水冷凝有机物蒸汽，水以0.5ms-1的速率在252mm的管内流动，进水温度为20,出水温度为40。试求水对管壁的传热膜系数。,解：用进出口的平均温度30作为定性温度：,c=4183JK-1kg-1，=996kg/m3,=8.0110-4Pas，=0.618Wm-1K-1,题设：=0.5ms-1，d=0.021m,2020/5/24,第四章传热过程,33,4、沸腾和冷凝时的传热膜系数：,（1）沸腾传热由传热面与液体间的温差不同分为：,泡核沸腾,强烈的泡核沸腾,膜状沸腾,前面讨论的是无相变时的,沸腾和冷凝是相变过程。,沸腾传热时，值总是较大。,对汽泡产生有影响的因素都对有影响。,对值的影响因素很多，难以计算，一般都有采用实验值、经验值。,水沸腾传热的值：100030000Wm-2K-1,2020/5/24,第四章传热过程,34,（2）冷凝传热：,滴状冷凝：冷凝液不润湿壁面，而是在壁面上形成杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁面落下，这种过程称为滴状冷凝。,膜状冷凝：冷凝液润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝称为膜状冷凝。,冷凝传热的传热膜系数比沸腾传热还要大。,发生相变时的值很大，热阻很小，往往可以忽略。,蒸汽冷凝时，不凝性气体的存在会使值减小。,膜状冷凝值：515kWm-2K-1,滴状冷凝值：40120kWm-2K-1,2020/5/24,第四章传热过程,35,三、常用的传热膜系数:,值由大到小的顺序,2020/5/24,第四章传热过程,36,第四节热交换的计算,一、总传热方程：,化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁向冷流体传热的过程。管壁是传导传热，两侧是对流传热。,2020/5/24,第四章传热过程,37,在定态条件下，1=2=,上面三式相加可得：,热流体一侧：,1、总传热方程：,间壁：,冷流体一侧：,2020/5/24,第四章传热过程,38,对于平面壁，A1=A2=A,2、平面壁的总传热方程：,其中：,Wm-2K-1,对复合传热壁：,2020/5/24,第四章传热过程,39,例夹套反应釜的内径为80cm，釜壁钢板(=50Wm-1k-1)板厚8mm，衬搪瓷厚3mm(=1.0Wm-1k-1)夹套通饱和水蒸汽(=10000Wm-1k-1)加热，水蒸汽温度为120，釜内为有机物(=250Wm-1k-1)，温度为80。试求该条件下单位面积传热速率和各热阻占总热阻的百分数。,解：反应釜内径0.8m外径0.822m，可近似地按平面壁公式进行计算：,由题设条件知：,1=0.008m，1=50Wm-1k-1,1=10000Wm-1k-1，2=250Wm-1k-1,2=0.003m,2=1.0Wm-1k-1,t1=120，t2=80,1,2,t1,t2,2020/5/24,第四章传热过程,40,各层热阻所占比例,蒸汽冷凝：1.38%,釜壁：2.20%,搪瓷层：41.32%,有机物侧：55.10%,由计算可见：,蒸汽冷凝的传热膜系数很大，热阻很小。,金属壁的导热系数很大，热阻很小。,热阻主要在搪瓷层和有机物侧。,2020/5/24,第四章传热过程,41,3、园筒壁的总传热方程：,若传热间壁为园筒壁，则：,热流体,间壁：,冷流体,三式相加得：,2020/5/24,第四章传热过程,42,其中,若12相差较大，可选较小的一侧r作rm。,一般的传热壁都较薄，此时r1r2rm,则,这也就是平面壁的计算公式。,2020/5/24,第四章传热过程,43,二、传热系数的大致范围,相对大小：,气气、气液液液一侧相变两侧相变,2020/5/24,第四章传热过程,44,例用134的饱和水蒸气（304kPa）通入夹套，使沸腾的甲苯气化成甲苯蒸气送往反应器，甲苯沸点为110.6(气化热363.5kJ.kg-1),加热面为1m2，每小时气化200kg甲苯。试求传热系数。若保温后尚有10%热损失，试求水蒸气每小时消耗量,解：热流量根据需要的热量确定：,水蒸汽的凝结热为2.16103kJ/kg,水蒸汽消耗量为：,2020/5/24,第四章传热过程,45,三、传热温差,1、定态恒温传热和定态变温传热：,（1）定态的恒温传热,传热壁上的温度不随时间变化，也不随位置变化。,两侧都有相变的传热，一侧冷凝，一侧汽化。,（2）定态的变温传热,传热壁上的温度不随时间变化，但随位置而变化。,只有一侧有相变，另一侧无相变。,两侧都无相变。,各点的传热温度差相同，t=T-t。,由于温度随位置而变化，各点的传热温度差不同。,2020/5/24,第四章传热过程,46,2、并流和逆流：,（2）逆流：传热面两侧的冷热流体的流动方向相反。,（1）并流：传热面两侧的冷热流体流动方向相同。,冷流体的出口温度总是低于热流体出口温度。,冷流体的出口温度可能高于热流体的出口温度。,换热推动力都较大、均匀、总强度大。,换热推动力前大后小，换热速率前快后慢。,利用热量更充分。,2020/5/24,第四章传热过程,47,3、传热的平均温度差的计算,（1）恒温传热,（2）定态的变温传热,取传热微元，进行两流体的热量衡算和传热量计算，可得：,这就是对数平均传热温度差。,用对数平均传热温度差的传热计算。,2020/5/24,第四章传热过程,48,为便于计算，可改写为下式：,当t大2t小时，可用算术平均值代替。,4、区别传热温度差和流体温度变化,2020/5/24,第四章传热过程,49,例在套管换热器中，用一定量的热流体将一定量的冷流体加热，热流体温度由120降到70，冷流体由20升到60试比较并流与逆流的传热温差，如下图所示。,解：并流传热时：,热流体12070,冷流体2060,t大=100t小=10,2020/5/24,第四章传热过程,50,逆流传热时：,热流体12070,冷流体6020,t大=60t小=50,逆流传热的传热推动力比并流时大。,逆流时的tm与算术平均值55相对误差0.36%。,在相同的传热条件下，完成相同的传热量，则：,逆流所需的传热面积比并流时小。,2020/5/24,第四章传热过程,51,解：,换热速率为,设换热后的水温为xC，则有：,=qm水Cp水t水=14.2（t-20)=126,t=126/4.2+20=50C,=qm空气Cp空气t空气=2.11(130-70)=126kW,2020/5/24,第四章传热过程,52,逆流传热：,热流体13070,冷流体5020,t大=80t小=50,得,即换热器的换热面积应为40.3m2,2020/5/24,第四章传热过程,53,5、并流与逆流传热的比较：,（1）逆流换热的优点：,（2）并流换热的优点：,传热推动力大，传热强度高。,冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度。,热量利用率高，节约传热介质。,前期tm大，后期tm小，适合于如放热反应的热量转移等一些特殊场合。,并流的冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，可用于控制某一流体的过热或过冷。,2020/5/24,第四章传热过程,54,四、强化传热过程的途径：,2020/5/24,第四章传热过程,55,1、增大传热面积,用螺纹管或螺旋槽管,传热量的增加率低于传热面积的增加率。,增加传热面积一般是指增大单位体积内的传热面积。,园管外表面上加螺旋翅片,反应釜内加浸没式蛇管。,多孔物质结构,采用小直径管,2020/5/24,第四章传热过程,56,2、提高传热温差,（1）采用逆流操作；,（2）增加热流体的温度；,增加水蒸汽的压力；,采用其它热介质如：油、熔盐等；,（3）降低冷流体的温度；,增加冷却水的用量，或降低冷却水的温度；,降低氨的蒸发压强及温度；,（4）要综合考虑；,蒸汽压力高，对设备要求也高。,冷却水温受气温限制，增加流，运行费用会增加。,2020/5/24,第四章传热过程,57,2020/5/24,第四章传热过程,58,3、提高传热系数,一般金属壁较薄，导热系数大，热阻小，可忽略，则,若,若,若两个相差较大时，K小于且接近于较小的一个。,要提高总传热系数，关键是要增加较小的一个。,2020/5/24,第四章传热过程,59,(1)提高12，特别是较小的那个值；,(2)减小垢层热阻。,增加流速v，增大流体的湍动程度；,反应釜中加搅拌；,改变流体流动方向，壳程加挡板等；,采用导热系数大的流体。,采用大的流速等条件防止垢层生成。,定时除垢。,(3)有相变时，控制为滴状冷凝和泡核沸腾。,控制温度差在泡核沸腾的范围。,蒸汽中加入有机物等。,2020/5/24,第四章传热过程,60,10、12、16、18、21、25,作业：,2020/5/24,第四章传热过程,61,第五节热交换器,2020/5/24,第四章传热过程,62,一、列管式热交换器,1、结构,（1）园形壳体，长/径=610；,（2）平行管束；,2020/5/24,第四章传热过程,63,（4）封头，用法兰连接；,（5）折流板，园缺形；,（3）花板，布管方式；,2020/5/24,第四章传热过程,64,2、热膨胀的补偿措施,（1）膨胀圈：壳体上滚压而成。,管板固定，适应的温度差较小，6070。,适应的壳程压力较小，6atm,（2）U形管式：,不易清洗。,弯头部分占地面积大。,2020/5/24,第四章传热过