《化工原理》第4章 传热.ppt

1、4.1概述4.2热传导4.3对流传热4.4传热过程计算4.5辐射传热4.6传热，2传热。根据热力学第二定律，温差存在的地方一定有传热，因此传热是自然界和工程技术领域中非常普遍的能量传递过程。传热在化工生产中的应用，需要(1)材料的加热、冷却、汽化、冷凝，经常需要输入或输出能量，材料达到指定的温度和状态，以满足工艺处理、加工、存储等要求。蒸发、蒸馏、干燥等过程。(2)热和冷的回收。(3)化学设备和管道保温。4.1概述4.1.1传热在化学生产中的应用，3，1。热传导(也称为热传导)的机制是当物体内部或直接接触的两个物体之间存在温度差异时，由于物体本身的分子或电子的微观运动，物体温度高的部位向温度低

2、的部位输送热量的过程称为热传导。2.热对流(也称为对流传热)的机制是在流体的质点发生相对位移和混合，将热量从一个地方传送到另一个地方。流体发生宏观运动时，除分子热运动流出体质点(微组)外，还发生了相对随机运动，发生碰撞和混合，因此产生的传热过程称为对流传热。4.1.2传热的基本方法，4，3。热辐射(又称辐射传热)当物体向外辐射的能量与从外吸收的辐射能不相等时，牙齿物体会发生向外传热，牙齿传热的方式称为热辐射。这三种茄子传热的基本方法几乎是单独存在的，传热过程通常是以对流和传导相结合的方式进行传热，例如化学工厂常用的间壁换热器。5，4.1.3个壁热交换器工业中的热更换方式可根据原理和设备类型分为

3、间壁式热交换、混合式热交换、再生式热交换。化工中普遍使用的是间壁式传热。壁形换热器的类型不同，最典型的是热管换热器，最简单的是图4-l(a)所示的套管换热器。传热方向(图4-l(b)传热过程包括三个步骤。(1)热流体通过对流传热，将热传到肝壁的一侧。(2)热量从墙的一侧通过热传导传递到另一侧。(3)热通过对流换热从壁传到冷流体。6、1。内观2。外观也是4-l套管热交换器的热更换，7，热交换器的传热速度显示为以下指标：(1)传热速度q(也称为热流):表示在单位时间内通过传热表面的热(w)。传热速度是换热器本身特定运行条件下的传热能力，是换热器本身的特性。(2)热负荷Q:表示换热器单位时间内的冷却

4、，热流体之间交换的热(W)。热负荷是热交换器生产所需的传热能力，设计热交换器时，通常将传热速度和热负荷视为数值相等。(3)热通量Q(也称为热通量密度):表示在单位时间内通过单位传热面积的热，即单位传热面积的传热速率(W)。8，4.1.4传热速率化学生产中经常发生加热或冷却传热过程。在单位时间内通过换热器传递的热量与热更换面积成正比，与冷热流体之间的平均温度差成正比。例如(4-2)或(4-3)，q传热速度，w；k比例系数(传热系数，W/(m2)或W/(m2k)；a传热面积垂直于热流方向，m2；Tm传热的平均温差或k；q热流，W/m2。称为传热速度方程式的格式(4-2)是传热计算的基本方程式。传热

5、系数、传热面积和传热平均温度差是传热过程的三个茄子因素。9，4.1.5在稳定传热和不稳定传热系统中，传热面各点的温度不随时间变化，仅随位置变化，则牙齿传热过程是稳定传热。在传热系统中，如果传热表面各点的温度随位置不同而不同，随时间变化，则这种传热过程称为不稳定传热。连续生产过程中进行的传热大部分是稳定的传热。间歇性工作的热交换器或连续工作的热交换器的开放、停车阶段发生的传热都属于不稳定的传热。牙齿章节仅讨论稳定的传热。10，4.2热传导4.2.1热传导的基本定律1。傅里叶定律如图4-2所示，在均匀物体内传导热量的方式，在任何方向沿X穿过物体。取传热方向的微分长度dx后，温度变为dt。傅立叶在大

6、量实验的基础上提出了热传导的基本规律，其数学表达式为(4-4)，图4-2通过壁面热传导，2 .导热系数导热系数在数值上等于单位温度变化中通过单位导热面积传导的热量。因此，热导率是表示物质热导能力大小的参数，是物质的物性。越大，热导率越快。11，4.2.2平坦壁的稳定热传导1。单层平整壁热传导有高度和宽度较大的平整壁，厚度为。假定平面壁材料均匀，导热系数不随温度变化(或取平均值)。壁两侧的温度为t1、T2、t1t2，平整壁上每个点的温度不会随时间变化，仅在垂直于壁的X方向上变化。平面墙的垂直剖面区域是传热区域A，如图4-3所示。单位时间内通过面积A的热量为Q，已知为傅立叶定律，图4-3单层扁壁的

7、热传导，12，在热流方向上的Q，A都是常量，所以分离变量后积分，正则表达式(4-8)度，多层平壁两侧的表面温度分别均匀为t1和T4，内层两个接触面的温度分别为T2和T3，稳定的情况下，通过各层的传热速度相同。图4-4多层平壁的热传导，(4-10)，14，上方，(4-12)，(4-11)，(4-11)，与使用等比清理的15，4.2.3圆柱壁的稳定导热1平壁不同，圆柱壁的热导率如果从半径R取厚度为dr的薄层，则传热区域为A2rl。根据傅里叶定律，通过牙齿环薄层传导的热量为图4-5单层圆柱壁的热传导，(4-13)，16，t1 T2的Q为正值，并向径向外传递。取得分隔变数，设定为常数，积分，移动，(4

8、-14)，17，格式中圆柱壁的厚度(M)，=R2-R1；Rm日志平均半径(m)；Am平均热传导率(m2)，Am=2rml。(4-15)，为了比较和平壁，可以转换为：18，2点算术平均数rm=近似计算。比较式(4-14)和(4-15)是圆柱墙的热阻，如、(4-16图4-6所示)，对于三层圆柱墙，有R1、R2和R3牙齿，表示每层的热阻。应当指出，与图4-6多层圆柱壁热传导、(4-17)、20、多层扁平壁热传导相比，多层圆柱壁热传导的总推力仍然是总温差，等于各层温差之和。总热阻也是各层热阻的和。但是，用于计算各层热阻的传热面积不相等，因此必须使用各层的平均面积。流经每个剖面的热流Q相同，但流经剖面的

9、热流Q不同。格式(4-17)为，(4-18)，21，4.3对流传热4.3.1对流传热过程分析热流体和冷却流体分别沿间隙两侧平行流动时，热传输方向垂直于流动方向，因此热流体位于垂直流动方向的截面AA中(见图)，在湍流主体温度下通过通过通过区域，在分层，图4-7对流换热的温度分布，22，如图所示：(1)在间壁传热的任一侧，流体的流动部分必须有温度分布，温度变化主要集中在层流内层。也就是说，对流换热的大部分热阻也集中在这里。在徐璐其他流动截面上，由于冷热流体之间的间隙不断进行热交换，截面各点的温度值可能会发生变化，但这种温度分布关系是相似的。(2)如果流体和肝壁的热导率不随温度变化，层流内层和肝壁的

10、传热都是通过热传导实现的，因此牙齿部分的温度是直线分布的。墙面的热导率一般比较高，牙齿部分的热阻相对小得多，温度梯度也小得多。(3)根据传热的一般概念，流体侧壁的传热推力必须是湍流主体和壁之间的温差。但是，由于很难确定每个流动剖面的湍流主体温度，因此在工程计算中，通常将温差计算为该流动剖面的流体平均温度，而不是湍流主体温度。因此，图4-7中的热流体面的温差是T-TW，冷流体面的温差是tw-t。T，T分别表示AA剖面的热和冷流体的平均温度。23，4.3.2对流换热速度方程图4-7分别绘制了冷却、热流体两侧的虚拟膜界面，虚拟膜中的温度也应线性分布。根据傅立叶定律，可以使用一面流体的稳定对流传热速度

11、为，(4-19)，表达式的T截面上的对流，流体的平均导热系数(WM)；a是垂直于热流方向的壁面面积(m2)，在牙齿区域中，T保持不变。t截面的虚拟膜厚(m)。24，这里，再次，在第一章中使用量化和折叠的想法，即实际对流传热过程通过厚T折叠成虚拟薄膜的传热过程。必须明确指出层流内层和虚拟膜是两个茄子不同的概念，前者是真实存在的，后者是人为引入的，以考虑问题的便利性。但是两者都有共同点。可以想象，流体主体的湍流越大，虚拟膜和层流内层就越薄，在相同的温差下可以传递更多的热量。25，顺序对流换热系数(W/m2)。表达式(4-20)也称为对流换热方程，也称为牛顿冷却定律。温差不变的截面中，壁一侧流体适合

12、恒定对流传热。牛顿冷却定律以非常简单的形式描述了复杂对流传热过程的速度关系，并将所有影响对流传热的因素分类为对流传热系数。的大小反映了该侧流体对流换热过程的强度，因此在不同条件下确定值的方法是对流换热的中心问题。还必须注意，流体温度和流动状态发生变化时，值会随着流动剖面发生变化。因此，在肝壁换热器中，经常取的平均值是不变量计算的。(4-20)，26，4.4传热过程计算冷却，热2流体通过壁的传热速度方程式为A换热器的传热面积(M2)。Tm热，冷2流体的平均温度差，即传热的总推力(或K)；K比例系数，称为传热系数(W/m2或W/m2K)，与墙两侧的对流传热系数有关，实际上是整个传热过程的平均值。，

13、(4-32)，27，4.4.1热平衡可以在图4-8所示的热管换热器中热交换器保温良好的情况下忽略热损失，图4-8换热器的热平衡计算，28，4.4.2传热系数1。传热系数计算如图4-9所示，冷热流体通过肝壁传热的过程分为三个阶段。热流体通过对流传热将热量传递到固体壁。固体壁以热传导的方式将热量从热侧传递到冷侧。热量通过对流传热，将热量从墙传递到冷流体。图4-9壁两侧的流体传热过程，29，热流体的温度为T，冷却流体一侧的壁温度为T，冷却流体一侧的壁温度为tw，冷却流体一侧的壁温度为TW，Ai和A0分别为内外侧的传热区域，Am为壁的平均区域，I和0。(4-38)，(4-37)，可用，31，2事实，换

14、热器运行一段时间后，热管内外两侧各有不同程度的污垢，降低传热速度。实际上，表面污垢会引起相当大的热阻，在传热计算中，灰尘热阻往往不被忽略。灰尘热电阻的厚度和热传导率难以测量，因此工程计算通常根据经验选择灰尘热电阻值。表4-4列出了工业中常见的流体灰尘热阻的大致范围，供参考。对于污垢常夹的流体，换热器使用的时间太长，灰尘热阻增加到传热率严重下降的程度，因此换热器应根据工作条件定期清洗。32，如果管内外流体的灰尘热阻显示为Rsi，Rs0，则根据串联热阻的概念，传热系数K在使用金属薄壁时可以忽略管壁热阻。对于干净的液体，灰尘热阻也可以忽略，K值除了以上计算方法外，还可以生产或直接测量实际经验数据。(

15、4-44)，(4-43)，33，4.4.4传热的平均温度差可以分为恒温传热和可变温度传热两种，具体取决于参与换热的两种流体沿换热器的传热面流动时各点的温度变化。在换热器中，两种流体的流动可以分为平行流、逆流、横流和折叠四个茄子类别，如图4-10所示。图4-10换热器的流体流动图表，34，1例：换热器内壁一侧液体沸腾，另一侧蒸汽冷凝，两侧流体温度不变，传热温差也不变。也就是说，T、T分别表示热和冷流体的温度()。(4-45)，35，2图4-11，图4-12所示。图4-11侧流体温度变化时的温差变化，36，图4-12两侧流体温度变化，37，(1)以回流和回流的平均温差为例，推导TM的方程式，分析当前dl段管道长度，相应的传热面积为dAi，因此，平均温差是换热器入口和出口两种流体温差的对数平均