化工第二章教案

第二章传热过程内容提要：本章首先介绍了传热的三种基本方式传导传热、对流传热、辐射传热，着重讨论了传导传热和对流传热的机理及传热速率方程，并在此基础上，建立了总传热速率方程，然后又应用这一方程解决了冷热两种流体通过固体壁面进行传热这一化工生产中最常见的传热过程。第一节概述一、化工生产中的传热过程：1.热传递及其应用：(1)应用于生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝(2)应用于控制化学反应所需要的一定温度范围(3)应用于单元操作(4)应用于生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能2.传热过程所需要解决的基本问题：(1)载热体：加热剂和冷却剂合称为载热体。(2)根据生产的工艺要求，进行物料衡算和能量衡算以确定载热体的用量。(3)计算所需的传热面积，选择传热方式及换热器。(4)对现有换热设备进行衡算，看其是否发挥了最大能力。二、传热的基本方式与工业上的换热方式：1.传热的基本方式：(1)传导传热：在同一物体内或连接紧密的不同物体之间，由于有温度差存在，热量会自动从高温向低温传递，这种传热方式为传导传热(导热)。导热的特征：在导热过程中物体各部份或物体与物体之间不发生相对位移。对流体来说就是流体的质点不发生运动。导热的实质：流体内分子的热运动或自由电子的运动。(2)对流传热：流体内部由于质点相对运动而将热量由流体中的某一处传递到另一处的传热过程。自然对流：强制对流：(3).辐射传热：高温物体发射的辐射能量被低温物体吸收后，又重新转变为热能的过程。2.工业上的换热方式：(1)直接换热：优点：传热效果好，设备简单；缺点：局限性大。二、稳态传热与非稳态传热：1.传热速率：用q表示，q=kAΔtm,

k----传热系数2.稳态传热：传热过程中，当与热流方向垂直的任意截面上某一点的温度和传热速率不随时间而变化时，就为稳态传热(定态传热、定常传热)。(2)间壁换热：优点：适应范围广；缺点：换热效率低。冷水直接冷却二氧化硫炉气示意图

(3)蓄热式换热：第二节传导传热一、热传导基本方程-------傅立叶定律：在一质量均匀的平板内，当t1>t2热量以导热方式通过物体,从t1向t2方向传递,取热流方向微分长度dδ，在dt的瞬时传递的热量为dQ，实验证明，单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：

dQ/dτ∝A·dt/dδ写成等式为：

dQ/dτ=-λA·dt/dδ

式中dQ/dτ-----导热速率，w;

A------导热面积，m2；

dt/dδ-----温度梯度，K/m；

λ------比例系数，称为导热系数(热导率)，w/m·K；“-”-----表示热量沿温度降低的方向传递。二、导热系数：导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。1.物理意义：在傅立叶定律中，假设A=1m2,

dt/dδ=1K/m,则dQ/dτ=-λ即导热系数就是单位传热面积上，当温度梯度为1时的传热速率，单位为w/m.K。Qδt1t2Δtdδdt2.影响导热系数的因素：物质的种类和组成、物理状态、湿度、压强等。三、传导传热的计算：1.单层平面壁(平壁)：qδt1t2Δt在稳定导热时，导热速率q不随时间变化，传热面积A和导热系数λ也是常量，则傅立叶公式可简化为：

Φ

=

将此式积分，当x=0，t=t1;x=δ时，t=t2,积分结果为：

Qτ=-λAdt/dδ

若改写成传热速率方程的一般形式，则有：t1-t2q=δ/λA=ΔtRR=δ/λA热阻δ1λ1δ2λ2δ3λ3t1t2t3t4δtR1R2R3q=λδA(t1–t2)2.多层平面壁：根据傅立叶定律：t1–t2=Φ

1δ1λ1=Φ

1R1t2–t3=Φ

2δ2λ2=Φ

2R2t3–t4=Φ

3δ3λ3=Φ

3R3

此为稳态传热过程，则Φ

1=Φ

2=Φ

3=Φ，把以上三式相加，t1-t4=q(R1+R2+R3)

Φ=t1-t4R1+R2+R3=Δt∑Ri例题：书上热阻温差保温耐火砖0.1607116保温砖0.767555建筑砖0.2812043.单层圆筒壁：QQQQ圆筒壁与平壁不同的地方是在垂直于热流的方向上，传热壁面积是不断变化的，因此需要求出热流方向上的平均传热面积Am，R=δ/λAm。设圆筒的内径为r1，外径为r2，则Amr2/r1<=2，rm=2r1+r2Am=2πrmLr2/r1>2，rm=r2-r1r2lnr1Am=2πrmL4.多层圆筒壁：r1r2r3第三节对流传热一、对流传热过程分析：1.传热边界层：沿热流方向，具有温度梯度的虚拟流体层称为传热边界层。在传热边界层内，热量以传导传热的方式进行传递，热阻很大，其上的温度降也很大。2.对流给热：工程上，把通过传热边界层的热传导和通过传热边界层外的对流传热过程合称为对流给热过程。二、对流给热方程------牛顿冷却定律：对流给热是包含传导传热和对流传热的综合过程，对流传热与流体的流动状况密切相关，而流体的流动状况又是变化多端，所以对对流给热进行精确计算是十分困难的，一般就用牛顿冷却定律来作为计算基础。牛顿冷却定律热流体被冷却：Φ=αA(T–tw1)冷流体被加热：Φ=αA(tw2–t)T----热流体湍流主体的平均温度；t----冷流体湍流主体的平均温度；

A----传热面积；

tw1----低温固体壁面的温度；tw2----高温固体壁面的温度；α---对流给热系数，它的值与流动边界层的厚度有关。以上的参数均应为同一传热横截面积上的数值，且这一横截面应该是垂直于流动方向的。对换热器，为了简便，T、t、tw1、tw2简化为流体进出换热器的平均温度和换热器壁面的平均温度。tw1tw2Tt3.流动边界层与传热边界层的区别：前者表示流体的速度分布情况，后者表示流体的温度分布情况。通常二者的厚度也不相等。一般我们把传热边界层的厚度δt看作是滞流内层的厚度δb和过渡区中虚拟的经过折算的厚度δf之和。2.影响α的因素：(1)流体的种类和性质；(2)流体的流动类型和对流状态；(3)流体的相态变体；(4)传热温度；(5)传热壁面的形状、排列位置及尺寸大小；……

α=f(λ、μ、ρ、w、t、cp、l、……)3.对流传热过程准数：书上41页三、对流给热系数：1.物理意义：对流给热系数表示当Δt=1时，单位时间通过单位传热面积所传递的热量，它的单位为w/m2.k。α是对流传热强度的标志，α越大，单位时间传递的热量就越多。4.给热系数的准数关联式：(1)没有相态变体的流体，在圆形直管内湍流流动时的关联式：

α=0.023λdRe0.8Prm液体被加热或气体被冷却：m=0.4液体被冷却或气体被加热：m=0.3关联的应用范围：无相态变化，圆形直管、湍流，主要适用于大多数气体或粘度小于水2倍的液体。Re>10000,0.7<Pr<120,L/d>=60式中有关参数如λ、μ、cp、ρ等的定性温度为t=(t进+t出)/2适用范围：粘性流体如C-H化合物、有机溶剂或某些水溶液(水除外)圆形直管，湍流，Re>10000,0.7<Pr<120,L/d>=60对非圆形管路：de=4x流体流过的横截面流体润湿的周边例题1：例题：水以2m/s的流速通过Φ55*25，长3m的钢管去冷却套管换热器环隙中的苯，已知水温从25℃升高到55℃，试计算：(1)水对管壁的给热系数；(2)若将水的流速提高30%，在其它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？(3)若将管径缩小一半，在其它条件下同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？(2)加热或冷却某些粘性流体，在圆形直管内湍流流动的关联式：

α=0.027λdRe0.8Pr1/3(μ/μw)0.14

μ------定性温度下流体的粘度，μw------固体壁面温度下流体的粘度定性温度为t=(t进+t出)/2，第四节热交换的计算一、总传热速率方程：1.传热过程分析：间壁式热交换器，热量从热流体湍流主体传到冷流体湍流主体的过程为：2.传热总方程推导：根据间壁式热交换器的传热模型，可以推出它的传热速率方程：设热流体与高温固体壁面的对流给热方程为：Φ

1=α1A1(T–tw1)，方程可变形为：T–tw1=热流体冷流体固体壁Tttw1tw2TδT----------------tw1----------------------tw2---------------t对流给热传导传热对流给热在热量从T传到t的过程中，温度的变化如红色曲线。从温度降的情况可见，间壁式换热器的温度降主要集中在两边界层中，即它的热阻主要集中在传热边界层内。Φ

1α1A1热量通过壁厚为δ的固体壁的传导传热方程为：

Φ

2=δλAm(tw1–tw2)方程变形为：tw1–tw2=Φ

2δλAm低温固体壁面与冷流体的对流给热方程为：Φ

3=α2A2(tw2–t)方程可变形为：tw2–t=Φ

3α2A2此过程为稳态传热，所以Φ

1=Φ

2=

Φ

3=Φ，把以上三式相加则：T–t=Φ(++)1α1A11α2A21λδAmΦ=T–t1α1A11α2A21λδAm++=Am(T–t)Amα1A1Amα2A2δλ++令k=1Amα1A1Amα2A2δλ++则Φ=kAmΔt-----间壁式热交换器的传热速率方程上式中的k是换热器的总传热系数，它的物理意义是在单位时间内，当间壁两侧湍流主体的温差为1℃时，通过单位传热面积所传递的热量。k值越大，则换热器单位传热面积传递的热量就越多，所以K是换热器传热性能的一个标志。至此，本章一共提到了三个标志：λ是物质传导传热能力的标志；

α是流体对流给热强度的标志；K是换热器传热性能的一个标志。3.传热总方程的应用：(1)平面壁总传热方程：当换热器的传热壁面为单层平面壁时，A1=A2=Am=

A则k=11α11α2δλ++Φ=kAΔt-又是平壁的导热热阻，δλ如果我们把1α看作是对流给热过程的热阻，而那么k就可以看作是对流给热热阻和传导传热热阻之和的倒数。当单层壁面两侧有垢层或为多层平面壁传热时，总传热系数k为：则k=11α11α2++δiλiΣ(2).圆筒壁总传热方程：r1r2设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，平均半径为rm,圆筒轴向长度为L,则：A1=2

πr1LA2=2

πr2LAm=2

πrmLδ=r2–r1Φ=T–t12

πr1Lα112

πr2Lα2δ2

πrmLλ++=2

πL(T–t)1r1

α11r2α2δ

rm

λ++其中rmr2/r1<=2，rm=2r1+r2r2/r1>2，rm=r2-r1r2lnr1在圆筒中，有一个特殊情况，就是化工生产中最常见的薄壁管，此时r1=

r2=rm，计算时就可按平面壁来进行A1=A2=Am=2

πrmL，δ=r2–r1如果换热器的内外壁都没有垢层，而且传热壁本身是又薄又导热性能良好，那么传热壁的热阻就可以忽略不计，δλ则k=11α11α2+=α1α2α1+

α1这就是化工生产中最常见的金属薄壁管。例题：书上二、热量衡算--------热负荷与载热体的计算：1.热负荷及其计算：工艺热负荷：生产工艺上为了完成某一加热或冷却任务需要在单位时间内供给或取走的热量，有Φ

l来表示，单位：w。设备热负荷：换热设备所具有的能力，用Φ设备来表示。Φ设备>=Φ

l，生产条件才能完成。

Φ

l的计算又分为两种情况：(1)流体在换热过程中无相态变化而只有温度变化：Φ

l=qmaCp(ta2–ta1)(2)流体在热交换器中发生相变，如蒸发、冷凝等：Φ

l=qmaΔHa

ΔH----相变热；qma----质量流量；ta2、ta1----a的进出口温度，(ta2–ta1)>02.热量衡算式：热流体a冷流体b固体壁q设备设热流体放出的热量为Φ

a，冷流体吸收的热量为Φ

b，设备的换热能力为Φ设备，那么在不考虑热量损失的情况下，Φ

a=Φ

b=Φ设备,热量衡算可在这三者中的任意两个之间来进行。(1)在两个流体之间进行衡算都不发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=qmbCpa(tb2–tb1)一种流体发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=qmbΔHb

两种都发生相变：qmaΔHa=qmbΔHb(2)流体和设备之间进行衡算流体不发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=kAmΔt流体发生相变：qmbΔHb=kAmΔt

例1：某酒精蒸气的冷凝器是由19根Φ18*2，长1.2m的钢管组成，酒精的冷凝温度为78℃，汽化潜热为210kcal/kg，如果冷却水的传热温差为Δt=53℃，传热系数为600kcal/m2.h.℃，问此冷凝器能否350kg/h冷凝的酒精？例2：书上三、传热平均温度差：恒温传热：冷热两种流体的温度均不随着流动方向而发生变化，如一侧流体是恒温沸腾，一侧流体是饱和蒸汽冷凝。变温传热：一侧或两侧的流体，温度随着流动方向而发生变化。1.恒温传热温度差：Tt设横坐标为换热器壁面，纵坐标为温度，因为冷热两种流体的温度均不发生变化，所以，传热的温度差也就始终不会发生变化，则Δtm=T-t2.变温传热平均温度差：