《第四章传热》PPT课件

.,1,第4章传热4.1概述1、传热原理热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向：传热极限：传热推动力,高温低温,达到温度相等,温度差,.,2,2传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。问题：提高或降低温度的方法明火或电加热、通风、水冷、两流体换热等典型换热设备：间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备）例：列管式换热器3、本章研究的主要问题1）三种传热机理（传热速率计算）2）换热器计算3）换热设备简介,.,3,4.1.1传热的基本方式根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：热传导、热对流和热辐射。1热传导热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引起的热量传递。热传导的条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。热传导存在于静止物质内或垂直于热流方向的层流底层中。金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰撞传递热量。气体：分子的不规则运动而引起的。,.,4,2热对流热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型：强制对流：流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起；自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热。3热辐射热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结果。方向：高温低温热辐射的电磁波波长范围0.38100m，可见光和红外线范围。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。,.,5,4.1.2传热过程中热冷流体（接触）热交换的方式1直接接触式换热和混合换热器P207图4-1直接接触式换热方式优点：传热效果好，设备结构简单。采用该换热方式的前提是：工艺上允许两种流体相互混合。2蓄热式换热和蓄热器P207图4-2蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖）换热的方式：热、冷流体交替地流过蓄热器。特点：结构简单，可耐高温，但设备体积大，两种流体有一定的混合。,.,6,3间壁式换热和间壁式换热器特点：冷热两流体不直接接触，由管壁隔开。热量传递：,(1)热流体以对流方式将热量传递到间壁的左侧Q1(2)热量从间壁的左侧以热传导的方式传递到右侧Q2(3)以对流方式将热量从右侧壁面传递给冷流体Q3稳态传热：Q1=Q2=Q3,.,7,4.1.3典型的间壁式换热器,1套管式换热器,.,8,2列管式换热器,4.1.4传热速率与热通量传热速率（热流量）Q：单位时间内通过传热面的热量。表示换热器传热的快慢。热流密度（热通量）q：是指单位时间内通过单位传热面积的热量。单位传热面积的传热速率，单位为W/m2。,.,9,4.1.5稳态传热与非稳态传热稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化。连续的化工生产过程大都属于稳态传热。非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化。间歇操作传热过程和开、停车或改变操作参数时的传热过程属于非稳态传热。,.,10,4.2热传导4.2.1基本概念和傅立叶定律1.温度场和温度梯度温度场：在某一瞬间，物系内所有各点温度分布的总和。t=f(x，y，z，)t温度，；x，y，z空间坐标；时间,s一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。t=f(x，)非稳态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。t=f(x，y，z，)稳态温度场：若温度不随时间而改变。t=f(x，y，z)一维稳定温度场：若温度仅沿一个坐标方向发生变化。t=f(x),.,11,等温面指：具有相同温度的点组成的面特点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。温度梯度指：沿等温面法线方向的温度变化率方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直一维的温度场，温度梯度可表示为,.,12,2.傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。Q传热速率，W；导热系数，W/（mK）或W/（m）；S导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；负号表示热流方向与温度梯度方向相反,.,13,4.2.2导热系数物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数，W/（mK）或W/（m）。，导热能力。=f(种类(固、液、气)、组成、结构、温度、压力）：实验测定。金属非金属液体溶液气体1.固体的金属是最好的导热体。纯金属合金t,非金属：t,2.液体的金属液体：t,非金属液体：t,。金属液体非金属液体,.,14,纯液体溶液溶液的：经验公式，查手册。3.气体的导热系数=f(T），t,气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。4.2.3通过平壁的稳态热传导1.单层平壁的稳态热传导导热系数=const;温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，等温面皆为垂直于x轴的平行平面。一维稳态的热传导,.,15,当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2，且t1t2，分离变量积分R导热的热阻，K/W；r单位传热面积的导热的热阻，(m2K)/W,（重点）,.,16,结论：Q正比于t，反比于热阻RR=b/Sb，R;,R例4-1现有一平壁厚度为400mm，内壁温度为500，外壁温度为100。试求：（1）通过平壁的导热热量，W/m2；（2）平壁内距内壁150mm处的温度。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数=0.6W/（m）。解（1）（2）,.,17,2.多层平壁的稳态热传导三层平壁，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等厚度分别为b1、b2、b3，导热系数为1、2、3，对于稳态热传导过程,.,18,P216例4-2,.,19,例4-2有一锅炉的墙壁由三种保温材料组成。最内层是耐火砖，厚度b1=150mm，导热系数1=1.06W/（m）；中间为保温砖，厚度b2=310mm，导热系数2=0.15W/（m）；最外层为建筑砖，厚度b3=240mm，导热系数3=0.69W/（m）。测得炉的内壁温度为1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946。试求：(1)单位面积的热损失；(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；(3)建筑砖外侧温度。解t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。（1）热损失q(2)保温砖与建筑砖的界面温度t3由于是稳态热传导，所以q1=q2=q3=q解得t3=157.3(3)建筑砖外侧温度t4解得t4=24.6,.,20,各层温度差与热阻的数值：温度差t/热阻R/W耐火砖t1=1000-946=540.142保温砖t2=946-157.3=788.72.07建筑砖t3=157.3-24.6=132.70.348结论：多层平壁的稳态热传导中，热阻大的保温层，分配于该层的温度差亦大，即温度差与热阻成正比。,.,21,4.2.4通过圆筒壁的稳态热传导1.单层圆筒壁的稳态热传导,问题：与平壁稳态导热的异同点相同点：一维稳态导热，Q=常数不同点：1、热流方向不同2、传热面积沿径向不同,.,22,b圆筒壁的厚度，b=r2-r1，m；Sm称为对数平均面积，m2。当S2/S12时，可用算术平均值近似计算。,.,23,2.多层圆筒壁的稳态热传导以三层圆筒壁为例。各层壁厚分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各层材料的导热系数1、2、3皆视为常数，,321,.,24,例4-3为了减少热损失，在1334mm的蒸汽管道外层包扎一层厚度50mm的石棉层，其平均导热系数=0.2W/（m）。蒸汽管道内壁温度为180，要求石棉层外侧温度为50，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及蒸汽管道外壁的温度。,.,25,4.3对流传热概述1、对流机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。是流体的主要传热方式。问题：与流体流动状况是否相关对流与流体流动状况密切相关湍动程度越高，对流的传热速率越大。层流流体：热传导为主；湍流流体：对流为主,2、分类自然对流：强制对流：,温差引起密度差，造成流体流动。,流体靠外加动力流动，造成对流。,.,26,4.3.1对流传热方程与对流传热系数湍流流动时:层流底层，以热传导方式为主。由于流体较小，热阻较大。温度差也主要集中在该层中。简化：传热边界层，t又难以测定，以代替/t牛顿冷却定律：t对流传热温度差，；,.,27,牛顿冷却定律说明：1、实验定律；2、对壁面两侧流体（冷、热），均适用；热流体：,冷流体：,是计算关键，一般由实验测定,.,28,4.3.2对流传热机理简介热边界层的概念1、热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域,2、热边界层的厚度,3、热边界层内（近壁处）认为：集中全部的温差和热阻,热边界层外（流体主体）认为：等温区，无温差和热阻,.,29,4.4传热过程计算两类计算设计型计算操作型计算；基本理论：热量衡算方程和传热速率方程,4.4.1热量衡算稳态传热，忽略热损失时，冷流体吸收热量=热流体放出热量1、无相变传热,.,30,2、有相变传热,例4-4试计算压力为147.1kPa，流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50时所放出的热量。,.,31,4.4.2总传热速率方程和总传热系数1总传热速率方程,K：总传热系数，W/m2K注意：K与S相对应，同选Si、Sm或So,总传热系数获取方法：选取经验值P229实验测定K值；QStmK计算。,.,32,1）总传热系数的计算两流体通过管壁的传热包括以下过程：热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧；通过管壁的热传导；由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。,各部分传热速率方程：管内侧流体：管壁导热：管外侧流体：对稳态传热，,.,33,.,34,如果考虑污垢热阻工程上规定，以传热管外表面积So为基准,.,35,若传热面为平壁或薄管壁时：,（忽略管壁热阻和污垢热阻）,结论：K值总是接近热阻大的一侧流体的a值（a小），总热阻由热阻较大一侧流体控制，如果要提高K，首先要提高a小。ai、ao相差不太大时，两者必须同时提高。,圆筒壁：SoSiSm，SO=dOL，Si=diL，Sm=dmL。,.,36,例4-5一列管换热器，列管由的无缝钢管组成，钢管的导热系数为45，管内为冷却水，对流传热系数为450，管外为饱和水蒸汽冷凝，对流传热系数为，试求：（1）总传热系数K；（2）若将水侧的对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。（3）若将蒸汽侧的对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。,.,37,4.4.3传热平均温度差的计算1.恒温传热恒温传热:热交换时，冷热流体在壁面两侧温度不变化间壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾T-热流体的温度；t-冷流体的温度。2.变温传热流体变温,一侧流体恒温另一侧流体变温,.,38,(1)流动型式并流：换热的两种流体以相同的方向流动。逆流：换热的两种流体在以相对的方向流动。错流：换热的两种流体呈垂直方向流动。折流：即有逆流又有并流,.,39,(2)并流和逆流时的平均温度差tm,（非常重要）,.,40,tm：对数平均温度差，进、出口处两种流体温度差的对数平均值。当t1/t22：算术平均值tm=(t1+t2)/2当一侧变温另一侧流体恒温：并流或逆流的平均温度差相等；当两侧流体变温传热：并流和逆流时的平均温度差则不同。常取两端温度差中大者作为t1，小者作为t2，以使式中分子与分母都是正数。进、出口条件相同时,.,41,例4-6现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180。分别计算并流与逆流时的平均温度差。解并流：25018010016015020逆流：2501801601009080逆流操作时，因t1/t2=90/80100即可达到湍流。（6）)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。（7）需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。,.,89,(二）流体流速的选择,列管换热器内常用的流速范围(P280）（三）流体两端温度的确定(P280）（四）管子的规格和排列方法目前我国试行的系列标准规定采用192和252.5两种规格，对一般流体是适用的。此外，还有382.5，572.5的无缝钢管和252,382.5的耐酸不锈钢管。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45安装，可在一定程度上提高表面传热系数。,.,90,.,91,（五）流动方式的选择*除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，