化工原理第四章传热过程超详细讲解

1、第四章第四章 传热过程传热过程1 1概述概述一、化工生产中的传热过程一、化工生产中的传热过程传热的应用传热的应用1、供给或取走反应热：、供给或取走反应热：相变潜热：相变潜热：2、回收利用余热、废热：交换器的降温，以利用热能。、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、隔绝热量传递, 避免热量损失：保温瓶避免热量损失：保温瓶, 保温蒸汽管。保温蒸汽管。二、要解决的问题二、要解决的问题1、进行热量衡算，确定热载体的用量、进行热量衡算，确定热载体的用量2、计算完成一定生产、计算完成一定生产(传热传热)任务所需的传热面积任务所需的传热面积3、寻找强化传热途径、寻找强化传热途径如何

2、提高传热速率如何提高传热速率三、传热方式分类三、传热方式分类稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化变化Tf (x)稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变化化Tf (x) 1、据冷热流、据冷热流体是否接触体是否接触混合式：冷热流体混合混合式：冷热流体混合煤气洗涤塔煤气洗涤塔间壁式：冷热分离间壁式：冷热分离间壁、冷凝管间壁、冷凝管蓄热式：热流体贮热，冷流体吸热蓄热式：热流体贮热，冷流体吸热热风炉炼铁热风炉炼铁 2、在间壁式传热中、在间壁式传热中,据据传热面上传热面上的温度分布的温度分布分为：分为：稳定传热：稳定传热：T

3、不随时间变化不随时间变化 对于一定的传热设备，热阻一定，当对于一定的传热设备，热阻一定，当T不随时间变化不随时间变化, T亦亦不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，稳定传热稳定传热传传热速率不随时间变化热速率不随时间变化。稳定传热稳定传热非稳定传热非稳定传热3、据传热机理不同，分为、据传热机理不同，分为四、几个基本概念：四、几个基本概念：(2)传热速率传热速率=Q/ 单位单位(3)比热比热cp 显热：显热：Q显显=m cpt(Cp定压比热容定压比热容-J/kg*K) (J/mol*K)(4)潜热潜热式中式中:Hm和和Hn分别为质量和摩尔相变潜热

4、分别为质量和摩尔相变潜热 (单位分别为：单位分别为：J/kg；J/mol)(1)传热量传热量 QnmnmHHQ潜2 2传导传热（热传导，导热）传导传热（热传导，导热）一、定义：一、定义：传导传热传导传热发生在固体、静止或发生在固体、静止或滞流流体滞流流体中，因分中，因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。二、导热方程二、导热方程付立叶定律：付立叶定律：1、导热方程、导热方程如图：若如图：若t1t2，热量将自发的以导热方式，热量将自发的以导热方式从内壁向外壁传递。从内壁向外壁传递。实验证明：实验证明：通过该壁传递的热量与壁两侧通过该壁传递的热量与壁

5、两侧的温差成正比，与传热面积和传热时间成的温差成正比，与传热面积和传热时间成正比，与传导距离成反比正比，与传导距离成反比，即：，即：dQ= -付立叶方程付立叶方程对于稳定的热传导：对于稳定的热传导：dt不随时间不随时间d变化，故积分为：变化，故积分为：温度梯度温度梯度速度梯度速度梯度（P41）比比较较2.导热系数导热系数 （类似于粘度）（类似于粘度） 意义：意义：材料导热能力大小的标志，是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，故同，故是材料本身的性质是材料本身的性质。大

6、小：大小：a. 实验测定或查附表二、三、六、七可得。实验测定或查附表二、三、六、七可得。 b. 随温度的变化随温度的变化对金属：对金属： 0，t,。原子振动加剧，电子运受阻原子振动加剧，电子运受阻非金属：非金属：0, t,。 分子振动加剧，传热能力增加分子振动加剧，传热能力增加 液体：液体：0,t, 。 t液体膨胀液体膨胀,分子距离加大，碰撞分子距离加大，碰撞 气体：气体：0, t,。 t , 分子能量分子能量 碰撞碰撞 。金属金属非金属非金属，固固液液气气，结构紧密结构紧密结构松散结构松散单位：单位：泡沫保温泡沫保温材料材料三、平面壁的稳定热传导三、平面壁的稳定热传导特点特点2 多层平面壁多

7、层平面壁,如耐火砖如耐火砖绝热砖绝热砖建筑砖组成三层复合建筑砖组成三层复合壁，对各层分别应用单层导热公式有：壁，对各层分别应用单层导热公式有：R=/热阻热阻1 单层平面壁，如单层平面壁，如P105图图一层：一层：二层：二层：三层：三层：(1)(2)(3)tAttA)(21平面壁平面壁：A1=A2=A3=A稳定传热稳定传热1=2=3=则有：则有： t1-t4=t=讨论讨论：(1)+得：得：(4)(5)+得：得：(2)t1/t2 =R1/R2=即各层的温降与其热阻成正比。即各层的温降与其热阻成正比。可见：传热速率式中可见：传热速率式中分母是分子温度区间内的热阻之和分母是分子温度区间内的热阻之和。(

8、4)在不知在不知A时时, 可求可求单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率热流密度热流密度（传热强度）（传热强度）q q= /A= t/ (/ ) 例：例：4-1P107 热阻越大，温度降越大热阻越大，温度降越大例：例：4-2P108 垢层的热阻很大，应勤除垢层垢层的热阻很大，应勤除垢层(3) 可求夹层间的温度。可求夹层间的温度。21432232212iiitttttA1112Att作业：作业：P142 P142 （3 3，4 4）四、圆筒壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导 如图：据付立叶定律：据付立叶定律： 1、 单层圆简壁单层圆简壁对数平均半径对数平均半径。当。当r2 /r1104、

9、Pr =0.7120的气体的气体和和2水水的液体：的液体：液体被加热时液体被加热时m=0.4 （411） 液体被冷却时液体被冷却时m=0.3 （412）2）有相变时的）有相变时的值值 相变时放出大量的潜热，故相变时放出大量的潜热，故值查表值查表(取一中间值取一中间值)P117 表表4-2四、传热总速率的方程四、传热总速率的方程 从给热方程中消去从给热方程中消去tw1, tw2，求，求令令T=1，t=2注意：由于注意：由于1=2=3= 所以有：所以有：五、总传热系数五、总传热系数K 多层圆简壁一般不用多层圆简壁一般不用=KAm (T- t) 的形式的形式,而直接使用公式。而直接使用公式。单层22

10、1211221111rrrrrrrrrrKmmmmiiiirrrrrrriiimii11lnln1例例4-7 ：釜内径：釜内径 d1=0.8m外径外径d2=0.822m，故釜壁可视为平面壁，则有：故釜壁可视为平面壁，则有：热阻主要集中在热阻主要集中在较小和较小和较小的一侧较小的一侧，金属管壁的热阻很，金属管壁的热阻很小，在液一液热交换过程中通常忽略。小，在液一液热交换过程中通常忽略。作业：作业： P143 14b. 据4.总传热系数总传热系数K的获得途径：的获得途径：实测。a. 据 计算例例4-10 用用160饱和蒸气加热粘性溶液饱和蒸气加热粘性溶液15140，黏性溶，黏性溶液的黏度随温度升高

11、而显著下降，使总传热系数液的黏度随温度升高而显著下降，使总传热系数K-t 变化，变化，属属不稳定传热不稳定传热，取一时间微元取一时间微元d,在在d内传递的热量为内传递的热量为 dQ，则对冷流体有：，则对冷流体有：没有没有K=f(t)关系，只有关系，只有K-t数据，数据，只能采用只能采用辛普森数辛普森数据积分据积分(自变量间隔相等自变量间隔相等) 公式积分：公式积分：542210bbay)y2(y)y4(yy3ydxa分别计算出分别计算出y0,y1,y2y5 代入公式求得代入公式求得：=8.57*105 (25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37) +6.94)10

12、-5=3230 s=54 min n为积分区间所分的等分数，这里有为积分区间所分的等分数，这里有6组组 (T- t)数据，数据，可求得可求得 6 个个y值，即：值，即：六、传热温度差六、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。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、稳定的恒温传热温差 （温度不随位置而变化）（温度不随位置而变化）如图的传热过程：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）、稳定的变温传热温差（温度随位置而变化）逆流逆流(相向逆流相向逆流) 并流并流(同向并流同向并流)注意：注意：同一流体终、始态的温差用同一流体终、始态

13、的温差用T 或或 t表示。表示。 换热器同一端高低温流体的温差用换热器同一端高低温流体的温差用t1 或或t2 表示。表示。3、平均温差公式、平均温差公式 以并流为例推导平均温差公式：以并流为例推导平均温差公式： (T-t)与与A有关，故须找平均温差有关，故须找平均温差(T-t)m = t m, 则需找则需找d(T-t) dA关系关系,故取一微元面积故取一微元面积dA, 在在dA 内视内视(T-t)为常数为常数,在在dA内应用传热速率方程式有：内应用传热速率方程式有： 对冷热流体进行对冷热流体进行热量衡算热量衡算有：有：可找到可找到dAd(T-t) 关系，关系，积分就可得积分就可得(T-t)m

14、=tm kg/s (qm)即：经过即：经过dA后换热器换热：后换热器换热：T流体放热：流体放热：t流体吸热：流体吸热：(2)-(3)得：得：2P22P2dd=M C dt dt=M C设法消去与流体性质相关的参数设法消去与流体性质相关的参数M、Cp：代回代回(5)式整理得式整理得 ：(5)对数平均温差对数平均温差同理逆流换热亦可推导出：同理逆流换热亦可推导出：当当算术平均温差算术平均温差注意：注意：计算时，先作出计算时，先作出TA方框方框图，注明温度，找出图，注明温度，找出t1 和和t2 后再后再计算计算 tm 。)()(ln)()(ln221122112121tTtTtTtTtttttm并例

15、例4-11例例4-11tm逆逆 =54.9 tm并并=39.1 tm逆逆 /tm并并=54.9/39.1 =1.404在在, K相同时：相同时：A并并/A逆逆=tm逆逆/tm并并1 A并并A逆逆在在A, K相同时：相同时：逆逆/并并=tm逆逆 /tm并并1 逆逆并并据据=MCpt，在，在相同时，逆流可减少热载体的用量，相同时，逆流可减少热载体的用量，即即M逆逆tm并并。1、逆流的优点：、逆流的优点： =KAtm 进出口温度相同时，进出口温度相同时，tm逆逆tm并并，故在，故在 A、K一定时一定时: 逆逆/并并 =tm逆逆 /tm并并 1 即：即： 逆逆 并并 冷热流体的出口温度互不受影响，冷流

16、体出口温度冷热流体的出口温度互不受影响，冷流体出口温度t1可能高于热可能高于热流体出口温度流体出口温度T2，换热彻底换热彻底。在。在、K相同时，相同时，A逆逆A并并。 2、并流的优点、并流的优点: t2t2，适用于某些连续操，适用于某些连续操作的管式反应器中进行的作的管式反应器中进行的放热放热反应的热量的移出反应的热量的移出。如图：并流能正常操作，逆流如图：并流能正常操作，逆流不能正常操作。不能正常操作。例例4-12 在其他条件在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时不变时,并并逆，求逆，求T2, t1。解：利用并流求得有关常数：解：利用并流求得有关常数： =KAtm=-M1Cp1T=M2Cp

17、2tT=-50 t=40 M1Cp1/ M2Cp2=t/T=0.8 (常数常数)(1)tm并并=t1-t2/lnt1/t2=39.1KA/M1Cp1=-T/tm=50/39.1=1.28（常数）（常数）(2)-T=120-T2 t=t1-20改逆流后改逆流后:代入（代入（1）和（）和（2）式：）式：M1Cp1/ M2Cp2=t/T=(t1-20)/(120-T2)=0.8KA/M1Cp1=-T/tm= 2（120-T2 ） / （100-t1 + T2 ）=1.28例例4-13 求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同理有：理有：M1Cp1/M2Cp

18、2=t/T=0.8=(t1-20)/(120-T2) t1=116-0.8T2 tm逆逆=(100-t1+T2)/2 K(2A)/M1Cp1=2*1.28=-T/tm逆逆 =(120-T2)*2/ (100-t1+T2)=2.56T2=42.5 t1=82 八、强化传热的途径和措施八、强化传热的途径和措施 =KAtm 1.增大增大A:增大增大较小一侧的较小一侧的A值值，如气体和，如气体和小的液小的液体走管外；采用翅片管、螺纹管作换热管。体走管外；采用翅片管、螺纹管作换热管。当两种当两种流体能接触时，流体能接触时，尽量增加其分散度尽量增加其分散度(A大大)。如喷啉冷。如喷啉冷却时将液体雾化。却时

19、将液体雾化。2.提高提高tm：尽量采用逆流换热尽量采用逆流换热。温差的增大受气候。温差的增大受气候条件和输送费用的限制。条件和输送费用的限制。3.提高提高K值值K值取决于值取决于值值和和很小的很小的垢层的厚度垢层的厚度。1、采用采用大的流体大的流体作热载体；作热载体；2、据：、据： 增大流速增大流速可提高可提高值；值；3、勤除垢层勤除垢层, 减小热阻减小热阻/ 。平面壁传导传热：平面壁传导传热：圆筒壁传导传热：圆筒壁传导传热：九、常用公式：九、常用公式： 平面壁对流传热：平面壁对流传热：圆筒壁对流传热：圆筒壁对流传热：1n1iii1m11tA211n1ii11m1ln1r1tl2rrrii)(

20、)(ln)()(ln221122112121tTtTtTtTtttttm热量衡算：热量衡算：平均温差：平均温差：4-5 4-5 热交换器热交换器一、列管式换热器一、列管式换热器 如图如图4-14，P127管程管程：换热器的管内通道：换热器的管内通道管程数管程数：流体在管程中从一端到另一端运行的次数。：流体在管程中从一端到另一端运行的次数。壳程壳程：换热器的外壳与管束之间的通道：换热器的外壳与管束之间的通道壳程数壳程数：流体在壳程中从一侧到另一侧运行的次数。：流体在壳程中从一侧到另一侧运行的次数。总换热面积：总换热面积：A= n dml 二、夹套式加热器：二、夹套式加热器：图图4-20三、蛇管式

21、热交换器：三、蛇管式热交换器：4-21四、螺旋板式热交换器：四、螺旋板式热交换器：4-22五、板式热交换器：五、板式热交换器：4-23习题习题14 解：圆筒壁的对流传热解：圆筒壁的对流传热2/1=6.53/18.75=0.3482 35%1 = 2000Wm-2K-1结垢后：结垢后：结垢前：结垢前：221n1ii11m1ln1r1tl2rrrii2 = 15000Wm-2K-1r1 = 0.011mr2 = 0.0125m221211m11ln1r1tl2rrr32231211m11ln1ln1r1tl2rrrrr垢r2 = 0.011mr3 = 0.0125mr1 = 0.01m习题习题23：sM/kg3600/60011sM/kg3600/14002kg/4180c2pKJkg/2200c1pKJA=n*l*dm=1323.140.0235=1.9m2T2=?t2=15T1=90?习题习题21解：解：lA, 可用可用A比代表比代表 l 比，比， 即视为平面壁作近似计算。即视为平面壁作近似计算。=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t 加长前加长前： t1=25 T1=-50M1Cp1/M2Cp2=t1/-T1=25/50=0.5tm1=(t1+t2)/2=(110+85)/2=9