化工原理第五章传热

演示文稿化工原理第五章传热第1页，共55页。化工原理第五章传热王晓敏ppt课件第2页，共55页。>>换热器>>0.引言3第3页，共55页。4换热器按用途：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器按冷热流体热量交换方式：混合式、蓄热式和间壁式夹套换热器第4页，共55页。5蛇管换热器沉浸式第5页，共55页。6喷淋式第6页，共55页。7套管换热器第7页，共55页。8列管换热器第8页，共55页。第三章传热第一节概述第二节热传导第三节两流体间的热量传递第四节对流与对流传热系数第五节辐射传热要求及目的：了解和掌握传热的基本概念、规律和计算；能正确进行工艺设计，合理选择和使用换热器。9第9页，共55页。第一节概述1.传热在化工生产中的应用

利用余热，以降低能耗；任何工艺过程需在指定温度下进行，必须加热或冷却；绝热加热器冷凝器醋酸气体乙炔气体冷凝器精馏塔反应器150℃200℃醋酸乙烯气体精醋酸乙烯液体产品

粗醋酸乙烯液体冷油热油10第10页，共55页。2.传热的三种基本方式一、热传导（conduction)依靠物体中微观粒子的热运动而传热；特点：物体内部无宏观运动，靠物体各部分的直接接触产生热量传递；介质：物质三态均可。二、对流（convection)：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象；特点：只能发生在流体中；对流给热：通常把传热表面与接触流体的传热称为对流给热或给热（即对流传热常伴随热传导）；自然对流与强制对流。三、辐射（Radiation)高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。热辐射不要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。11第11页，共55页。热传导对流辐射12第12页，共55页。冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象。13第13页，共55页。3.传热速率与热阻热流量Q:单位时间内通过全部传热面积传递的热量

，J/s或W；热通量q：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，W/m2；传热面上不同局部面积的热通量可以不同；q=dQ/dA；传热速率=传热温差/热阻电流I=电压U/电阻R14第14页，共55页。Q－单位时间内传导的热量,W；A－导热面积，m2l－导热系数，W/m.K，W/m.0C第二节热传导一、傅立叶定律

1.温度场和等温面温度场：物体或空间各点温度的分布；非稳态温度场：等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。稳态温度场：2.温度梯度温度梯度的方向垂直于等温面，以温度增加方向为正。3.傅立叶定律--热传导的基本定律

单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比。传热方向与温度梯度方向相反15第15页，共55页。二、

导热系数1.固体的导热系数多数均一固体的λ在一定范围内与温度成直线关系：2.液体的导热系数水的λ最大；多数液体（除水和甘油）的λ随温度升高略有减小；纯液体的λ比溶液大；3.气体的导热系数气体的λ很小，有利于保温；气体的λ随温度升高而增大；一般情况下，气体的λ与压力无关；导热系数大致范围：金属：2.3~420W/m.K；建筑材料：0.25~3W/m.K；绝缘材料：0.025~0.25W/m.K；液体：0.09~0.6W/m.K；气体：0.006~0.4W/m.K16第16页，共55页。1.单层平壁的稳定热传导dxxoQAt1t2边界条件为：x=0时，t=t1

x=b时，t=t2三、平壁的稳定热传导传热量Q与传热面积A、平壁两侧温度差和导热系数成正比，与平壁厚度成反比；稳定温度场中：积分上式：阻力导热推动力17第17页，共55页。Q:热传导速率，W；A:平壁（等温面）面积，m2;q:热传导通量，W/m2；b:平壁厚度，m;△t:两壁面温差,K;:导热系数，W/m.K；例2：平壁厚500mm，若t1=900°C，t2=250°C，导热系数λ=1.0×（1+0.001t)W·m-1·K-1,试求平壁内温度分布。（1）导热系数按平壁的平均温度tm取为常数；（2）考虑导热系数随温度的变化。18例1：厚度为230mm的砖壁，内壁温度为600°C，外壁温度为150°C。砖壁的导热系数可取为1.0W·m-1·K-1,试求通过每平米砖壁的导热量。第18页，共55页。2.多层平壁的稳定热传导AdxoQt1t2xt3t4b1b2b3稳定导热时，通过各层热量相等：各层温度降：19第19页，共55页。推动力→总温度差总热阻→各层热阻之和例3:有一炉壁，由下列三种材料组成：耐火砖：λ1=1.4W·m-1·K-1，b1=230mm保温砖：λ2=0.15W·m-1·K-1，b2=115mm建筑砖：λ3=0.8W·m-1·K-1，b3=230mm今测得其内壁温度为900°C，外壁温度为80°C，求：（1）单位面积的热损失

（2）各层接触面上的温度。第20页，共55页。四、圆筒壁的稳定热传导

(Steady-stateconductionthroughacylinder)u，t1Qr1r2t1t2lQ假设：（1）材料的导热系数不随温度变化（或取平均温度）；（2）温度仅沿半径方向变化（一维），稳定传热；21第21页，共55页。通过圆筒壁的稳定热传导r1r2t1t2lQrdr分离变量，积分：对数平均半径壁厚度r2/r1<2时，rm=(r1+r2)/2；22第22页，共55页。对多层圆筒壁，与多层平壁稳定热传导类似：对n层圆筒壁:多层圆筒壁与多层平壁不同之处，各层传热面积不相同，计算时应用各自的平均传热面积；由于各层传热面积不同，虽然单位时间总传热量相同，但单位面积传热量（热通量）则不同；23第23页，共55页。例4：f50×5的不锈钢管，导热系数l1为16W/m.K，外包厚30mm的石棉，导热系数l2为0.2W/m.K。如管内壁温为350℃，保温层外壁温度为100℃，计算每米管长的热损失。解：不锈钢管内半径：r1=40/2=20mm，外半径：r2=50/2=25mm，石棉层内半径：r2=25mm，外半径：r3=25＋30＝55mm，r3/r2>2：每米管长热损失：24例5：求例4中温度分布第24页，共55页。25例6：在一φ60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.15W/m·℃。现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。第25页，共55页。26(a)每米管长的热损失

r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m解:b1=0.0035mb2=0.04mb3=0.02mt1=500°Ct2=?t3=?t4=80°C第26页，共55页。(b)界面温度27第27页，共55页。28例7

外径为426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为426mm的保温层，保温材料的导热系数为0.615W/(m·℃)。若蒸汽管道外表面温度为177℃，保温层的外表面温度为38℃，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。已知条件：蒸汽导管外表面的半径r2＝0.426/2＝0.213m温度t2＝177℃保温层的外表面的半径r3＝0.213＋0.426＝0.639m温度t3＝38℃由：第28页，共55页。29可得每米管道的热损失为：设保温层内半径r处的温度为t，代入上式：将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：

t=-126.6lnr–18.64筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。第29页，共55页。30练习题1内径为15mm，外径为19mm的钢管，其

1

为20W/m℃，其外包扎一层厚度为30mm，

2为0.2W/m℃的保温材料，若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃,试求:(1)每米管长的热损失;(2)保温层中的温度分布。第30页，共55页。31

练习题2

有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比

2/1=5，此时单位时间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q’，求Q’/Q=？第31页，共55页。第三节两流体间的热量传递一、

间壁两侧流体热交换过程的分析

流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象；特点：只能发生在流体中；自然对流：流体质点由温差引起的密度差而产生的相对宏观运动，从而发生传热；强制对流→流体质点在外力作用下而产生的相对宏观运动，从而发生传热。对流给热：通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流给热或给热（包括对流和热传导）。dAT2t1T1t232第32页，共55页。热传导qu1Tw热流体Ta1高温流体对流传热低温流体对流传热冷流体

ta2u2tw总传热系数壁面-冷流体：热流体-壁面：传热基本方程对流传热系数33第33页，共55页。二、

对流传热系数和总传热系数牛顿冷却定律（热对流的基本定律）高温壁面Tw低温壁面tw热传导低温壁面tw

冷流体t(冷流体一侧）热对流热流体T壁面Tw（热流体一侧）热对流

间壁换热器传热过程分析34第34页，共55页。注意：传热过程不同，对应不同的推动力及相应的阻力。稳定的串联传热过程由传热基本方程：对比两式有：35第35页，共55页。K－总传热系数

当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，dA1、dA2、dAm

和dA

相等或近似相等，则：

当传热面为圆筒壁，内外两侧传热面积不等，根据换热器标准规定，传热面积以换热管外表面计算，则：对圆管，因为：K与a的区别：对流传热系数a具有局部性质，K是总传热系数；36第36页，共55页。例8：例4中，在石棉层外再包一厚度30mm的保温材料，导热系数l3＝0.02W/m.K。如环境温度tb为20℃，两种情况下a保持不变，求：⑴热损失减少的百分率；⑵保温层外壁面温度t4。解：⑴热损失减少的百分率；对流传热系数管壁传给空气的热量37例4：f50×5的不锈钢管，导热系数l1为16W/m.K，外包厚30mm的石棉，导热系数l2为0.2W/m.K。如管内壁温为350℃，保温层外壁温度为100℃，计算每米管长的热损失。第37页，共55页。38每米管长热损失：加保温层后，r4=55＋30＝85mm：r3=55mm：第38页，共55页。39⑵保温层外壁面温度t4：热损失减少的百分率：第39页，共55页。三、污垢热阻Rs

计算热阻时，需加上污垢层热阻，因不易计算，可根据经验估计其大致数值，管壁内侧和外侧均需分别计入；内侧污垢外侧污垢污垢热阻的大致范围：40第40页，共55页。污垢热阻Rs污垢热阻的大致数值流体种类污垢热阻m2·℃/W流体种类污垢热阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸气

海水0.0001

有机蒸汽0.0002

河水0.0006

水蒸气(不含油)0.0001

井水0.00058

水蒸气废气(含油)0.0002

蒸馏水0.0001

制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体

未处理的凉水塔用水0.00058

空气0.0003

经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004

多泥沙的水0.0006

天然气0.002

盐水0.0004

焦炉气0.002为减少垢层热阻，（1）定期清洗换热器；（2）对换热流体进行防垢预处理。41第41页，共55页。42例9：有一列管换热器，由Ø25×2.5mm的钢管组成，CO2在管内流动，冷却水在管外流动，已知管内的α1=50W·m-2·K-1，管外的α2=2500W·m-2·K-1。（1）求传热系数K；（2）若使α1增大1倍，其他条件不变，求传热系数增大的百分率；（3）若使α2增大1倍，其他条件不变，求传热系数增大的百分率；（4）若计算传热系数时，不对内外表面差异做校正，误差有多大？（已知钢的导热系数λ=45W·m-2·K-1，CO2侧污垢热阻Rs1=0.5×10-3m2·K·W-1,冷却水侧污垢热阻Rs2=0.58×10-3m2·K·W-1）第42页，共55页。四、传热温差和热量衡算

热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略，则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。

冷流体ms2,t2,cp2冷流体ms2,t1,cp2热流体ms1,T1,cp1热流体ms1,T2,cp143第43页，共55页。T1T2t2t1T1T2t1t2t2tAt1T2T1t2tAt1T2T1逆流并流44第44页，共55页。T2t1t2T1dTdtdAAttIItITt45第45页，共55页。46第46页，共55页。T2t1t2T1AtIItI并流中，△tI恒大于△tII;逆流中，△tI不一定大于△tII一侧流体变温时，并流和逆流的对数平均温度差是相等的；两侧流体都变温时，由于流体的流动方向不同，两端的温度差也不相同，因此并流和逆流时的平均温度差是不相等的。47第47页，共55页。例10：在换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度都是90℃冷却到70℃,冷流体温度都是由20℃加热到60℃,试比较并流与逆流的传热平均温度差。计算结果表明：在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的传热平均温度差比并流要大28%度，故工业生产中多采用逆流换热。逆流传热时

T90→70

t60←20并流传热时

T90→70

t20→6048第48页，共55页。49例11：在一列管式换热器中用机油和原油换热，机油在管内流动，进口温度245°C，出口温度175°C，原油在管外流动，温度由120°C升到160°C。（1）分别计算并流和逆流时的平均温差；（2）若已知机油质量流量ms1=0.5kg·s-1，定压比热容cp1=3kJ·kg-1·K-1,并流和逆流时的K均为100W·m-2·K-1，分别求所需传热面积。例12：某工厂用300kPa（绝）的饱和蒸汽，将环丁砜水溶液由105°C加热至115°C后，送再生塔再生，已知其流量为200m3·h-1，密度为1080kg·m-3，比热容为2.93kJ·kg-1·K-1，试求蒸汽用量。又若换热器的管外表面积为110m2，计算温差时水溶液的温度可近似取为其算数平均值，求传热系数。（已知300kPa下水的汽化潜热r=2168kJ·kg-1）第49页，共55页。50例13：有一列管式换热器，其传热面积A=100m2，用作锅炉给水和原油之间的换热。已知水的质量流量为550kg·min-1，进口温度为35°C，出口温度为75°C，油的温度要求由150°C降到65°C，由计算得出水与油之间的传热系数K=250W·m-2·K-1，问如果采用逆流操作，此换热器