化工原理第3章

1、第三章第三章 传传 热热 传热，即热量的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热的传递。在能源、化工、动力、冶金等工业部门都涉及许多传热问题。 化工生产中对传热过程的要求有以下两种情况：一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；另一种是消弱传热过程，如对设备、管道的保温，以减少热损失。三种类型换热器(1) 直接混合式将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。(2)蓄热式先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。(3)间壁式热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。第一节 热传导1-1 热传导与傅

2、立叶定律 热传导的定义：依靠物体内部自由电子运动或分子振动，从而导致热量的传递，即热传导。 热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定律。实践证明，单位时间内的通过单位面积的传热量q与垂直于温度的梯度 成正比。dndTdndTqdndTq1-2 导热系数导热系数在数值上等于单位时间内，温度梯度为1 Km-1时，经过单位面积所传递的热量。物质的导热系数值越大，表明该物质的导热能力越强。 dndTq1-3 单层及多层平面壁的定常态热传导 单层平面壁的热传导计算 )(21TTAqA热阻力传热推动力热流强度n层平壁热传导的公式为： 式中：i壁层的序数 n壁的层数 总热阻总推动力RTAbTniii11-4

3、圆筒壁稳定热传导计算 的圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外半径为r2，外壁温度为T2，其热流量（）。12211212ln122ln)(2rrTTLTTLrrdrdTrL推广到n层圆筒的热流量公式为： ninnnninnrrTTL1111ln12第二节 对流传热 对流传热的定义是，通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。2-1 牛顿冷却定律 对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热定律。在固体壁面存在层流层，然后是过度层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在过度层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们

4、尝试，虚拟一个传热边界层，使得层流、过度流、湍流的全部传热阻力集中在内。于是可以按平壁导热处理。 比例系数，亦称传热膜系数，其单位是 122KmWKmWTTqW)(TTqTTqWW（流体被加热流体被冷却2-2 有效膜 假设有一层厚度为t的静止流体膜所具有的热阻，恰好等于拟考察的对流传热过程的热阻相当，则该静止流体膜称为传热的“有效膜”。Tqtt2-3 比例系数计算 影响因素流体的种类：气体、液体、固体流体的性质：密度、导热系数、黏度等流体的流型：层流、过度流、湍流等对流的种类：自然对流和强制对流传热壁面的形状、位置和大小),(Tgclufp223PrReTlgGrCluLNup格拉晓夫数普朗特

5、数雷诺数努塞尔数2-4 流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式低黏度流体：当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。高黏度流体：14. 033. 08 . 0027. 0wpCdu圆形管内过渡流时的对流传热系数为： 8 . 15Re1061湍过空气自然对流，525 wm-2K-1 ；空气强制对流，30300 wm-2K-1 ；水蒸汽冷凝，10008000 wm-2K-1 ；水沸腾，150030000 wm-2K-1第三节 热辐射 3-1 基本概念 当波长为0.4-40m的电磁波投射到另一物体上时，能够被该物体吸收变成热能，将这一范围内的电磁波称为热射线。当物体向外辐射的能量与其从外

6、界吸收的辐射能不相等时，该物体就与外界进行了热量传递，这种传热方式称为热辐射。 1QQQQQQDRA物体的吸收率为反射率为透过率QQAAQQRRQQDD能量守恒：黑体：能全部吸收辐射能的物体。A=1白体：能全部反射辐射能的物体。R=1透热体：所有投射在物体上的辐射射线完全透过。D=1灰体：能部分吸收辐射能的物体。 灰体的黑度 ：AQAQ3-2 斯蒂芬波尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。 40400100TCTE3- 3 实际物体间的辐射能力 一般物体温度低于400- 673K时，可忽略辐射传热的影响。在化工热交换计算中，一般都不考虑辐射传热。400100TCEE3-4 实

7、际物体间的辐射传热 高温对低温物体的辐射热流量可用下式表示：424121100100TTAC第四节 热交换的计算4-1 热流量方程与传热系数 热流体对壁面间壁内传导间壁壁面对冷流体总热流量方程：一、平面壁的总热流量方程式K称为基于内表面的总传热系数，它是表示导热系数与给热系数的综合传热指标，是以内表面为传热面积的K。K只在微分管段为常数。但工程计算中，常由某定性温度的物性来确定1、2，即将看作常数，因而此处亦可将K看成常数。TKATTA21/11)(二、圆筒壁的总流量方程式Ko=1/R=R in+R w+R out总的热阻等于两侧流体的对流传热的热阻和器壁传导热阻之和。imOAAAK02011

8、114-2 传热的平均温度差恒温传热是指任何时间内经过间壁两侧进行热量交换的两种流体，其温度都不发生变化的传热过程。变温传热是指在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿传热壁面随位置而变化，若各点上的温度不随时间变则称之为定常态变温传热；若间壁一侧或两侧的流体温度不仅随位置而变，还随时间而改变，则称非定常态变温传热。第五节 间壁式热交换器间壁式换热器的特点是冷、热两流体被固体壁面隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。从结构来看，有以下几种：夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器等。5-1 夹套式换热器 5-2 蛇管式换热器 5-3 套管式换热器 5-4 列管式换热器 5-9 各种间壁换热器的比

9、较和强化传热的途径 各种换热器的比较各种换热器的特点及外表均不相同，采用什么类型的换热器应视具体情况，综合考虑。强化传热的途经所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率。提高K，A，Tm中的任何一个，都可以传热强化。miiTAK12121ln1TTTTTddddddKmiiimiiii其中：第六节第六节 加热技术加热技术 加热方式加热原理主要设备工业应用电阻加热电流通过电阻较大的电热丝或电热棒而产生热量直接加热式电炉干燥、蒸馏电弧加热电弧放电产生热量直接加热式电弧炉熔炼特种金属电子束加热由电子束撞击被加热物体而产生热量炉体真空系统和电子系统熔炼各种金属6-1 高频加热与微波加热高频加热：高频振荡器、工作电容器及被加热的物体。 加热方式：在整个被加热的物体上同时进行加热，内部的分子处于不停的运动中，加热均匀、快速。而一般的加热是从外向里进行。 不足：热效率低，对无线电及广播会产生干扰。 微波加热：是利用高频的电磁辐射线（频率高于高频加热的频率）引其被加热物体内分子的振动而产生能量。加热速度快