[工学]化工原理第三章 传热学习要点.ppt

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1、教学要求,(1)重点掌握对流传热过程的基本原理及对流传热过程的计算方法；(2)掌握使用数学软件求解传热计算中复杂数学模型的方法；(3)掌握对流传热系数的计算公式及影响对流传热过程的主要因素；(4)掌握热传导、热辐射的基本原理及计算方法；(5)了解常用换热器。,3.1.1传热的基本形式(Three kinds of heat transfer),热传导(Heat conduction)：由于物体内部微观粒子热运动而引起的热量传递现象。（固体或静止流体中）,热对流(Heat convection)：由于温度不同的流体之间发生相对位移而引起的热量传递现象。（流体流动中）,热辐射(Heat radia

2、tion)：温度不同的物体之间发射与吸收电磁波的能量不同，从而引起热量传递现象。（任何物体中，高温条件下显著）,传热(Heat transfer)是指由于温度差而引起的能量传递过程。,自然对流：温差导致密度差导致流体流动强制对流：外力强制流体流动,3.1 概述 Generalization,实际传热过程中，往往是多种传热形式的组合。,需要提供热量：吸热过程，加热介质需要撤出热量：放热过程，冷却介质（P110 表3-1）,物料温度变化：低温高温物料相态变化：固态液态气态物料组成物理变化：溶解、混合物料组成发生化学变化：吸热反应、放热反应化工单元操作：精馏、吸收、干燥,需要强化传热：加快传热速率，

3、保证生产需求。需要消弱传热：减慢传热速率，减少能量损失，安全生产。,3.1 概述 Generalization,3.1.2 传热的用途(Three kinds of heat transfer),3.1.3 传热速率（Rate of Heat Flow）,1、传热速率（热流量）Q 单位时间内通过传热面的热量，W(J/s),2、热通量（传热速度）q 单位传热面积的传热速率，W/m2q=Q/A,3.1 概述 Generalization,3、定态传热：工艺参数只随位置变化不随时间变化的传热过程。非定态传热：工艺参数不仅随位置变化也随时间变化的传热过程。,关于导热系数的说明：(1)导热系数是物质的物

4、理性质，表征了物质导热能力，即导热系数越大，物体导热性能越好；(2)导热系数与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压力等因素有关；Page112-114中图、表(3)一般来说物质导热系数大小顺序如下：金属 非金属固体 液体 绝热材料 气体,3.2 热传导 Heat Conduction,3.2.1 傅立叶定律（Fouriers Law）,3.2.2 单层平壁(Heat conduction through slabs),1.t大 or R小 Q大 Q 一定：R大 t大 t一定：R大 Q小 小 or b大 R大2.强化传热措施(Q)(1)选择较大的材料(2)降低固体壁厚(3)增大传热面积(4)增

5、大温差,3.削弱传热措施(Q)(1)选择较小的材料(2)增加固体壁厚(3)减少传热面积(4)降低温差(5)计算热损失或保温层的厚度,3.2 热传导 Heat Conduction,3.2.3 多层平壁(Through multi-plane slabs),2.总热阻为各层热阻之和，总温差为各层温差之和3.传热速率一定：Ri大的壁层，ti大4.传热速率一定，各层壁厚相等：i小的壁层，Ri大，ti大5.保温层的作用：降低能量损失，符合安全生产,3.2 热传导 Heat Conduction,1.,3.3.1 对流传热过程的分析(Analysis for Convection heat transf

6、er),3.3 对流传热 Convection Heat Transfer,对流传热(Convection Heat Transfer)指流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。,冷、热流体在固体壁面两侧流动过程中进行热量传递,*热量由热流体主流区传热至冷流体主流区的综合过程：,*两流体对壁面均为对流传热，固体壁面内为热传导,*分别研究解决,3.3.2 牛顿冷却定律(Newton Law),对流传热系数：,对流传热系数在数值上等于单位温度差、单位传热面积的对流传热速率，反映了对流传热的快慢。越大，表示对流传热速率越快。,表3-6 值的范围（Page133）,自 强 气 液 无相变 有相变,3.

7、3 对流传热 Convection Heat Transfer,(1)流体导热系数：(1-k)(2)流体黏度：(-0.8+k)(3)流体比热容和密度：Cp(0.8Cpk)(4)管径：d u(d-2)(d-1.8)尽量选小管径(5)流体流速：u(u0.8)对于特定的传热体系，操作过程中，改变u是提高对流传热系数最有效的措施。(例题3-4 Page123),3.3.3 对流传热系数(Convective heat transfer coefficient),3.3 对流传热 Convection Heat Transfer,根据计算公式分析影响因素,除工艺生产要求外，饱和蒸气冷凝还是提供热量的一种

8、常见方式，主要优点：相变热量大，传热速率快，恒温放热。,3.3.3 对流传热系数(Convective heat transfer coefficient),3.3.3.4 蒸气冷凝,3.3 对流传热 Convection Heat Transfer,滴状冷凝：由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。,*蒸气与低温壁面直接接触，因此滴状冷凝传热效果好于膜状冷凝。,膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜,影响冷凝传热的因素(P131),3.3.3 对流传热系数(Convective heat transfer coefficient),3.3.3.4 蒸汽冷凝

9、,3.3 对流传热 Convection Heat Transfer,液体的性质：,水 有机 冷凝液膜两侧的温度差：=f(t-1/4)Q=At 蒸气中不凝气体（设置放气口，定期排不凝气体）蒸气的流速和流向（降低液膜厚度或破坏液膜）饱和蒸气冷凝，上进下出 冷凝壁面的状态（破坏液膜）,过冷沸腾：液体主体温度低于饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度略高于饱和温度，过热是产生大量气泡的必要条件。（核状沸腾）影响沸腾传热的因素 液体的性质：,操作温度：控制在核状沸腾区 操作压强：p ts 加热壁面：壁面粗糙，有更多的汽化核心 核状沸腾最大，过冷沸腾和膜状沸腾很小。,3.3.3 对流传热系数(Convecti

10、ve heat transfer coefficient),3.3.3.5 液体沸腾,3.3 对流传热 Convection Heat Transfer,3.4.1 热量衡算(Heat balance),Qc,Qh冷、热流体传热速率，kWqmc,qmh 冷、热流体质量流率，kg/sCpc,Cmh冷、热流体平均比热容，kJ/(kg)T1,T2 热流体进、出口温度，t1,t2 冷流体进、出口温度，*注意各物理量单位的一致性,(1)无相变,热流体：Qh=qmhCph(T1-T2),3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,冷流体：Qc=qmc Cpc(t2

11、-t1),(2)有相变（饱和蒸气冷凝、饱和液体气化）,(3)相变与非相变同时发生,Qhqmhrh Qcqmcrc r相变（气化 or 冷凝）热，kJ/kg,QTQ相变+Q无相变,3.4.1 热量衡算(Heat balance),3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,*针对具体对象灵活计算*定态传热：Qh=Qc=Q*热量平衡关系，还与换热器的传热速率有关,基于管平均面积：,基于管外表面积：,基于管内表面积：,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,3.4.2 总传热系数(Overall heat tra

12、nsfer coefficient),考虑污垢热阻：,关于总传热系数 K，W/(m2K),*若不特殊说明，K为基于管外表面积的总传热系数*K 为总传热系数，其数值越大，传热速率越快*1/K为总热阻，各个热阻之和*K的来源：实验测定；计算i,o后计算；查设计手册*K的大致范围(K小)：Page135，表3-7*污垢热阻对K的影响*影响K的主要因素及提高K应采取的有效措施,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,3.4.2 总传热系数(Overall heat transfer coefficient),传热面为平壁或薄管壁,忽略管壁热传导和污垢热阻,

13、*若io，则 1/K1/o，Ko 若io，则 1/K1/i，Ki*总传热系数接近于较小、热阻较大一侧流体的值*提高较小一侧流体的值，对提高K值作用显著,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,*影响K的主要因素及提高K应采取的有效措施,3.4.2 总传热系数(Overall heat transfer coefficient),Page 136 例题3-9,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,3.4.3 总传热速率方程（Overall heat transfer rate）,*Q=KAtm=qmhC

14、ph(T1-T2)=qmc Cpc(t2-t1)*在换热器中三个传热速率意义不同，数值相同，相当于有两个等式关系。*公式中的K应与A相对应，一般定义为基于管外表面积总传热系数，相应使用管外表面积计算。*注意单位的一致性。,3.4.4 对数平均温度差(Log-mean temperature difference),3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,t1=T1-t1 t2=T2-t2,(1)无相变,(2)一侧为相变逆流、并流相同,(3)两侧均为相变,若：t1=t2 则：tm=t,关于tm的讨论,3.4.4 对数平均温度差(Log-mean te

15、mperature difference),3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,逆流操作温差分布较均匀，且可以有：T2t2 并流时温差变化较大，必须是T2t2,Q=qmhCph(T1-T2),逆流操作T2可以更低，或t2可以更高。,Q=qmcCpc(t2-t1),Q相同的情况下可以节省换热介质的用量。,tm逆tm折tm并,Q和K一定时，A逆Q并,3.4.4 对数平均温度差(Log-mean temperature difference),3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,某侧流体为相变传热，温

16、度不变，此时逆流、并流操作tm逆=tm并，效果一样。并流操作可以保证T2t2，对热敏流体加热有保护作用。折流的目的是增加K，强化传热效果，代价是tm降低，且流动阻力增加，故需综合考虑。,*壁温总是接近值较大一侧流体的温度。,假设金属壁导热系数很大，Twtw，忽略热阻,3.4.5 壁温的估算（Temperature at the wall）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,AiAo,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,设计型计算（设计换热器）已知：生产任务(工艺流体流量qmh、进出口温度T1、T2)设计：

17、选择换热介质及其进出口温度(t1、t2)确定定性温度，查流体性质(表格、共线图)计算传热速率、换热介质流量(Q、qmc)确定流体流向，计算对数平均温度差(tm)计算对流传热系数和总传热系数(i、o、K)计算换热面积(A)选择换热器的形式和型号，或设计换热器,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAtm,传热速率：Qh=Qc=Q,操作型计算（对已有换热器进行校核，A一定）,1.换热器已有，计算操作参数（计算两流体出口温度）；2.已知老工况的操作参数，改变工艺流体流量等，计算新工况下操作参数。

18、I 计算两流体出口温度；II 计算换热介质流量及出口温度(qmc、t2)采用比例法,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,补充例题（操作型）,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,在逆流操作的单程列管换热器中，热空气在壳程流动，将水从25加热到85，其温度由200降低到93。i为 2000W/(m2)，o为 50W/(m2)。流量调节范围内，i变化不大，

19、o与空气流速的0.8方成比例。由于生产任务的变化，水流量需增加50%，两流体进口温度不变，新工况下的操作结果如何。(1)热空气流量不变，计算两流体的出口温度；(2)水的进、出口温度不变，计算新工况下热空气流量及出口温度。(3)对比讨论两种操作方式。,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,(1),新工况I：,原工况：Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAtm,(2),Q=qmhCph(T1-T2)=1.5qmcCpc(t2-t1)=KAtm,比例法,

20、预测 T、t、Q变化趋势,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,结论：水流量增加50%，若不调整空气流量，则空气出口温度降低至87.94，水的温度降低至66.89。,Q/Q=1.047,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,(1),原工况：qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)=KAtm,(2),K=48.78W/(m2.K),新工况II

21、：qmhCph(T1-T2)=1.5qmcCpc(t2-t1)=KAtm b=qmh/qmh,(3),tm=89.45,3.4.6 传热过程的计算方法（Calculation methods）,3.4 传热过程的计算 Calculation of heat Transition,结论：水流量增加50%，若要保证水出口温度不变，则传热速率增加50%，相应空气流量应增加60%。,3.5.1 概述（General）,辐射：物体以电磁波的形式传递能量的过程。辐射能：辐射过程中传递的能量。热辐射：因热的原因（温度差）引起的电磁波辐射。辐射传热：不同物体间相互吸收和辐射能量的综合过程。(1)自然界中任何物

22、质在任何温度下都会向外界热辐射；(2)辐射传热的结果：高温物体向低温物体传递能量；(3)辐射传热的特点：无需任何传递介质，可在真空中传递；辐射传热非常快，瞬间完成。(4)热辐射与光辐射本质相同，服从反射定律与折射定律。,3.5 幅射传热 Heat Radiation,根据能量守恒定律，投射在某物体上的总辐射能为：,吸收率,反射率,透过率,3.5.1 概述（General）,Q=QA+QR+QD,A+R+D=1,3.5 幅射传热 Heat Radiation,黑体：A=1、白体：R=1、透热体：D=1、灰体：D=0,大多数液体和固体都是灰体；D=0、A+R=1大多数气体：R=0、A+D=1 or

23、 D=1,3.5.2 辐射定律(Radiation law),黑度=E0/E,C 灰体的辐射系数,W/m2K4,*黑度是灰体幅射能力与黑体辐射能力的比值，小于1；*黑度属于物质性质之一；（Page147 表4-7）*黑度越大，说明该物质辐射能力越大，越接近黑体；*定律中辐射能为温度的四次方，温度越高，辐射能越大。,灰体辐射能：,3.5 幅射传热 Heat Radiation,黑体辐射能：,C0 黑体的辐射系数,5.67 W/m2K4,3.5.3 两固体间辐射传热的计算,几何因素（角系数）C1-2 总辐射系数,*表3-10 Page148，记住1、3、4情况*温差越大，辐射传热越大；*辐射传热速率为温度四次方，相同温差条件下，高温时为传热的主要形式；*材料的大，辐射能力高，宜用于做散热材料 材料的小，辐射能力低，宜用于做保温材料,3.5 幅射传热 Heat Radiation,3.6 换热器 Heat exchanger,按物料接触方式分：直接接触式、间壁式、蓄热式按换热器形状分：板式、管式、热管式 板式：夹套式、平板式、板翅式、螺旋板式 管式：套管式、蛇形管式、列管式 列管式(管壳式)：固定管板式、浮头式、U形管式 为强化壳程换热：折流挡板 为强化管程换热：多管程换热器设计：P157(1)、(3)、(5),