化学工程基础第3章传热ppt课件.ppt

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1、第三章 传 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。化工中的传热（1）化学反应在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需向反应器输入和输出热量。（2）在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也要输入和输出热量。（3）化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的回收等。,2,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。概述一、稳态与非稳态传热 传热进行时，物

2、体各温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程称为稳态传热过程；若物体温度既随位置变化、也随时间变化的传热，则称为非稳态传热过程。,3,二 传热的三种基本方法 热的传递是由于T引起的，净的热流方向总是由T高T低，根据传热的机理不同，有三种形式：热传导、热对流、热辐射。1 热传导（又称导热） 若物体上的两部分间连续存在着温度差，则热将从高温部分自动流向低温部分，直至整个物体的各部分温度相等为止，此种传热方式称为热传导，又称导热。固体中热的传递是典型的热传导。1、在金属固体中，起因于自由电子的运动。2、在不良导体的固体和部分液体中，起因于个别电子的动量传递。3、在气体中，热传导是由分子不规则运动而引

3、起的。注意：在热传导时，物体内的分子或质点不发生宏观运动。,4,2、对流传热 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换过程，因而对流只能发生在流体中。在化工生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。 (1)强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。 (2)自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。,5,3、辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。(1)热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体

4、辐射向低温物体(2)辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。(3)任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。,6,几点说明： 上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过程往往是两种或三种基本传热方式的组合。 例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。,7,传热的基本物理量,1 热量Q,单位J,1J=1Nm2 传热速率,也称热流量,指单位时间传递的热量. =Q/,单位w,1w=1Js-1工程中常用传热速率单位是kcalh-1 换算:1cal=4

5、.187J,1kcal=4187J 1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860 kcalh-13 热流密度,指单位时间单位面积传递的热量, q= /A=Q/A4 比定压热容cp是指压力恒定时单位质量物质温度升高1度所需热量,单位Jk-1kg-1,定压摩尔热容cp,m,单位Jk-1mol-1,三种类型换热器,(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。,2 热传导,2-1 热传导与傅立叶定律 1、温度梯度 等温面。温

6、度随距离变化率以沿等温面垂直的方向为最大。这一最大变化率的极限值为温度梯度。,12,傅立叶定律 Fouriers Law 物体内热流的产生是由于存在温度梯度的结果，且热流的方向永远与温度降低的方向一致，即与温度梯度方向相反。 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。,1-2 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。,14,一、固体的导热系数 固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其值与温度大致呈线性关系: 0

7、(1t), 0为0时固体的导热系数. 同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。 二、液体的导热系数 液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。 三、气体的导热系数 气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气

8、体，所以导热系数低，适用于保温隔热。,2-3 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,16,2、推导,17,= T/(/A) = T/R 上式表明热流量正比于传热推动力 T，反比与热阻，当平壁厚度越大，而平壁面积A和物质的导热系数越小时，导热的热阻R越大。,多层平壁热传导,20,1、数学模型的四个假设（1）导热系数为定值（2）无限平壁 平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。（3）一维稳定导热 平壁的温度变化仅沿垂直壁面的x方向变化。于是等温面是垂直于x轴的平面。（4）相接触的两表面温度相同（层与层接触良好）t1t2t3t42、推导在稳定导热中，通过各层的导热速率

9、是否相等： =1=2= 3？还是=1+2+3？,21,22,3、结论与讨论 多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和串联热阻叠加原则，它和物理学中串联电阻的欧姆定律相似。稳定的串联传热过程的温差与热阻成正比，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻。,1-4 圆筒壁稳定热传导计算 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（）。,24,推导： 现讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率,25,26,3、讨论 （1）在化工中经常用到对

10、数平均值，若 当 ，可用算术平均半径 代替对数平均半径,两者相差小于4%。 （2）与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以分析通过多层圆筒壁的热传导。,推广到n层圆筒的传热速率公式为,27,（3）稳定传热时，为定值，q是否为定值？ 显然，通过各层的相同，但,3 对流传热,我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。对流给热的定义是，通过流体内分子的定向流

11、动和混合而导致热量的传递。,3-1 对流传热过程分析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。,3-2 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。,比例系数，亦称传热膜系数，其单位是,牛顿冷却定律,3-3 传热膜系数有效膜 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

12、“有效膜”。,2-3 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,强制对流时，表示自然对流影响的Gr可以忽略；而在自然对流时，由于流体密度差而引起的流体质点的升力影响较大，Re的影响可以忽略。,3、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：,37,值的大致范围(表3-6）：空气自然对流，520 wm-2K-1 ；空气强制对流，20100 wm-2K-1 ；水蒸汽冷凝，500015000 wm-

13、2K-1 ；水沸腾，250025000 wm-2K-1,39,4、流体有相变时的对流传热膜系数的关联式,蒸气冷凝: 饱和蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化潜热。 蒸气冷凝进行加热的优点：具有恒定的温度( ts饱和温度)，操作时易于控制；表面传热系数h大。 蒸气冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。,（1） 蒸汽冷凝对流传热,40, 膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。,膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。,竖直壁面：层流

14、：=1.13r2g3/l(Ts-Tw)1/4湍流： =0.0076(2g3/2) 1/3Re0.4水平圆管外：层流： =0.725r2g3/n2/3d(Ts-Tw)1/4,41, 滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。,在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小。 滴状冷凝的表面传热系数比膜状冷凝的表面传热系数大510倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。,42,42/28,(2) 沸腾传热,工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水

15、加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。 大空间沸腾是指沉浸于原为静止的大容器内的加热面上的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡成长、运动所形成的对流引起的。,43,产生沸腾现象的必要条件：液体过热、有汽化核心,沸腾曲线,3、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。,物体的吸收率为反射率为透过率,能量守恒：,黑体：能全部吸收辐射能的物体。A=1白体：能全

16、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 ：,3-2 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。,3- 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。,3-4 实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：,50,4、热交换的计算,51,一、热交换的基本方程,化工生产中最常用的传热操作是热流体经管壁（或器壁）向冷流体传热的过程，该过程称为热交换或换热。,52,热量的传递属于：对流导热对流类型。即 热流

17、体的热量 管外壁 管内壁 冷流体,下面分别讨论,53,1 、 热量,管外壁,（1）,式中A1 外壁面积,2、外壁,内壁,（2),Am平均传热面积,54,3、内壁,冷流体,(3),A2：内壁面积 对于稳定传热,55,三式相加得,56,令,由于温差沿着传热壁面变化,（4）称为热交换基本方程,式中: k传热系数，单位与相同 即（w/m2k）,（4）,57,若传热面为平壁，则,这时,（5）,若传热面为圆筒壁，但管子的直径较大，或管壁及垢层均较薄，即d外/ d内 2时，近似认为d内=d外=dm=d,58,这时k的计算式采用平壁的计算式，即,这时多采用外壁面积。,若传热面积有垢层时，,（6）,59,讨论：

18、若传热壁面是新的，且壁面本身热阻较小，若传热壁面是旧的，且壁面和垢层均很薄，,热阻可忽略,（6）式简化为,60,由此得出两个结论： A、在数值上 ： ，K,设,将 分别除以分子和分母,61,B、若,K值接近于热阻较大的一项的 值, 在传热过程中，要提高K值，设法提高 值最小的一项，才会有显著的效果，即对传热更有利。,62,由,可知,提高 ，则 （提高湍动程度）则,63,二 、换热过程的热量衡算,在换热过程中，若忽略热损失，则,1、无相变，靠显热换热即流体在换热过程中无相变，仅靠物理显热进行热交换。,（7）,64,式中： 质量流量，kg/sC流体进出口平均温度下的比热， 流体进出换热器的温度，,

19、2、有相变，靠潜热换热,式中 D流体的冷凝量或蒸发量，kg/sH流体的冷凝潜热或蒸发潜热，J/kg,65,三 、传热平均温度差,1、恒温传热,高沸点液体的饱和蒸气冷凝,低沸点饱和液体的沸腾气化两种流体进行热交换时，在任何时刻，两种流体的温度均不发生变化，即热流体始终为T，冷流体为t，这时,66,2、变温传热,在传热过程中间壁一侧或两侧的流体温度随着传热壁面位置的不同而不同。 变温传热大致有以下四种情况,一侧变温 两侧变温,67,对于间壁两侧都变温的传热过程，平均温度差随着换热器内流体流向的不同而不同。,68,3、逆流、并流时对数平均温度差,工业上最常用的是逆流和并流。平均温度差要用冷热流体进出

20、口温度差的对数平均值计算,即,（9）,69,（10）,在计算中，取数值大的为t1，小的为t2，以保证分子和分母都是正数。,若,可用算术平均值代替 对数平均值，即,70,例题,71,要求每小时冷凝500kg乙醇蒸气，并冷却至30。乙醇的凝结温度为78.5，凝结热为880kJ.kg-1。乙醇液体的平均定压比热容为2.8kJ.kg-1。在该条件下乙醇蒸气的传热膜系数为3500 W.m-2.K-1 , 乙醇液体的传热膜系数为700 W.m-2.K-1。冷却水(逆流)的初始温度为15，排出温度为35，水的传热膜系数为1000 W.m-2.K-1，水的平均定压比热容为4.2 kJ.kg-1。管壁和污垢热阻

21、可忽略。试计算热交换器应有的换热面积。若列管长为2m的242mm钢管，则应当用多少根。,解：由于乙醇蒸气和乙醇液体的传热膜系数差别很大，对总传热系数的影响差别亦很大，因此，必须分冷凝段和冷却段分别计算，其温度变化见下图并设冷凝段和冷却段交界处水的温度为t。,72,乙醇的冷凝冷却量：,冷凝段的换热速率：,冷却段的换热速率：,73,总换热速率：,水的用量：,两段交界处水的温度：,74,或：,求冷凝段的换热面积A1：,75,求冷却段的换热面积A2：,76,77,四、 流体流向的选择,只讨论逆流和并流的情况,1、从平均温度差考虑,假定 T1、T2、t1、t2 、K,均为定值,由于,，知,根据,换热面积

22、小，设备就小。,78,2、从载热介质的用量考虑,因此，达到同一传热效果（加热或冷 却），逆流比并流所用载热介质要少。,79,但并不是说逆流处处比并流优越，并流 初期传热速率大，后期小，对于粘稠冷液体的加热，若采用并流，使其在进入换热器后迅速提高温度，降低粘度，有利于提高传热效果。 另外，并流容易控制加热或冷却的温度。,5 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,83,5-3 套管式换热器,5-4 列管式换热器,86,87,88,6 强化传热的途径,所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率Q。提高K，A，tm中的任何一个，都可以传热强化。,89,1.增大传热面积A，意味着提高设备费。但是换热器内部结构的改革，增大A，亦不失为强化传热途径之一。2.增大传热温差tm，一般是改变流体流向，逆流操作比并流操作的tm大。3.提高总传热系数K，主要是提高 等，若忽略导热项，且不考虑基于内、外表面则,90,这说明，为了提高K，就要提高 ，也就是增加传热系数较小一侧的 。由于搅拌器中污垢的导热系数较小,使 增大，就降低了K值。所以清理污垢，也能大大提高K值。,本章小结,传热方式传热计算传热设备,