化工基础第四章传热.ppt
《化工基础第四章传热.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工基础第四章传热.ppt(136页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、2023/11/1,1,第一节 概 述,第四章 传 热,一、传热过程的应用,(1)物料的加热或冷却(2)热量与冷量的回收利用(3)设备与管路的保温,2023/11/1,2,二、传热的基本方式,(一)热传导,气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体:自由电子在晶格间的运动 非导电体:通过晶格结构的振动实现 液体 机理复杂,特点:静止介质中的传热,没有物质的宏观位移,2023/11/1,3,(二)热对流,(三)热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流:由于流体内温度不同造成的浮升力 引起的流动。强制对流:流体受外力作用而引起的流动。,能量转移、能量形式的转化 不需
2、要任何物质作媒介,特点:流动介质中的传热,流体作宏观运动,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。很多人看过电影“洗澡”吧,老式澡堂中水池的水,是将水蒸汽直接通人冷水中,使冷水加热,此即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂,仍然采用这种办法。,(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、此即蓄热式换热器。如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。,(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。有夹套式热交换器;蛇形式热交换器;套管式热交换器;列管式热交换器;板式热交换器。如图所示。,夹套式换热器,套
3、管式换热器(1内管 2外管),单程列管式换热器1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板,双程列管式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板,2023/11/1,11,三、两流体通过间壁换热过程,(一)间壁式换热器,夹套式换热器,2023/11/1,12,传热速率Q(热流量):单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量,单位 J/s或W。热流密度q(热通量):单位时间内通过单位传热面积传递的热量,单位 J/(s.m2)或W/m2。,(二)传热速率与热流密度,2023/11/1,13,非稳态传热,(三)稳态与非稳态传热,稳态传热,稳定传热:在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变,
4、不随时间而变特点:通过传热表面的传热速率为常量,热通量不一定为常数。,不稳定传热:若传热体系中各点的温度,既随位置的变化,又随时间变化。特点:传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热,间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的,因而我们主要讨论稳定传热。,2023/11/1,14,(四)两流体通过间壁的传热过程,稳态传热:,2023/11/1,15,式中 tm两流体的平均温度差,或K;A传热面积,m2;K总传热系数,W/(m2)或W/(m2K)。,(五)总传热速率方程,2023/11/1,16,一、傅立叶定律,温度场:某时刻,物体或空间各点的温度分布。,(一)温度场和等温面,
5、非稳态温度场,稳态温度场,等温面:在同一时刻,温度场中所有温度相同的点 组成的面。,第二节 热传导,不同温度的等温面不相交。,2023/11/1,17,(二)温度梯度,方向:法线方向,以温度增加的方向为正。,2023/11/1,18,(三)傅立叶定律,式中 dQ 热传导速率,W或J/s;dA 导热面积,m2;t/n 温度梯度,/m或K/m;导热系数,W/(m)或W/(mK)。,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,2023/11/1,19,二、热导率,在数值上等于单位温度梯度下的热通量,=f(结构,组成,密度,温度,压力),金属固体 非金属固体 液体 气体,表征材料导热性能的物性参数,2023/
6、11/1,20,1.固体热导率,金属材料 10102 W/(mK)建筑材料 10-110 W/(mK)绝热材料 10-210-1 W/(mK),在一定温度范围内:,对大多数金属材料a 0,t,2023/11/1,21,2.液体热导率,金属液体较高,非金属液体低;非金属液体水的最大;水和甘油:t,其它液体:t,,0.090.6 W/(mK),2023/11/1,22,3.气体热导率,t,一般情况下,随p的变化可忽略;气体不利于导热,有利于保温或隔热。,0.0060.4 W/(mK),2023/11/1,23,三、平壁的稳态热传导,(一)单层平壁热传导,假设:材料均匀,为常数;一维温度场,t沿x变
7、化;A/b很大,忽略端损失。,2023/11/1,24,积分:,2023/11/1,25,(二)多层平壁热传导,假设:各层接触良好,接触面两侧温度相同。,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,2023/11/1,26,各层的温差,2023/11/1,27,结论:多层平壁热传导,总推动力为各层推动力之和,总热阻为各层热阻之和;各层温差与热阻成正比。,推广至n层:,2023/11/1,28,四、圆筒壁的稳态热传导,(一)单层圆筒壁的热传导,特点:传热面积随半径变化,A=2rl(2)一维温度场,t沿r变化。,2023/11/1,29,在半径r处取dr同心薄层圆筒,积分,2023/1
8、1/1,30,讨论:,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,2023/11/1,31,一般 时,,2023/11/1,32,(二)多层圆筒壁的热传导,2023/11/1,33,三层:,n层圆筒壁:,【例】一套管换热器的内管为252.5mm的钢管,钢的导热系数为45 W/(mK),该换热器在使用一段时间以后,在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢,垢层的导热系数分别为1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK),已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120,试求此换热器单位管长的传热量。解:换热器的热流密度,W/m,代入数据得,【例4-2】一套管换热器的内管为252.5mm
9、的钢管,钢的导热系数为45 W/(mK),该换热器在使用一段时间以后,在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢,垢层的导热系数分别为1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK),已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120,试求此换热器单位管长的传热量。解:换热器的热流密度,W/m,代入数据得,【例4-3】工业炉的炉壁,由下列三层组成:耐火砖 k1=1.4W/(mK),b1=225mm保温砖 k2=0.15W/(mK),b2=115mm保温砖 k3=0.8W/(mK),b3=225mm今测得其内壁温度为930,外壁温度为55,求单位面积的热损失。解:由串联热阻的概念,W/m
10、2,2023/11/1,37,一、对流传热过程,第三节 对流传热,传热边界层(thermal boundary layer):温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。,传热边界层(thermal boundary layer):温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。,2023/11/1,40,湍流主体温度梯度小,热对流为主,层流内层温度梯度大,热传导为主,过渡区域热传导、热对流均起作用,2023/11/1,41,式中 Q 对流传热速率,W;1、2 热、冷流体的对流传热系数,W/(m2K);T、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及 平均壁温,。
11、,冷流体:,热流体:,牛顿冷却定律,2023/11/1,42,(一)影响因素,2.引起流动的原因自然对流:由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流:由于外力和压差而引起的流动。,强制 自然,二、对流传热系数的影响因素,1.流动状态 湍流 层流,2023/11/1,43,自然对流的产生:,设 热处:t2,2;冷处:t1,1,体积膨胀系数,1/C.,或,而,得:,或,2023/11/1,44,由温度差而产生的单位体积的升力:,2023/11/1,45,5.是否发生相变 相变 无相变,4.传热面的形状,大小和位置 形状管、板、管束等;大小管径、管长、板厚等;位置管子的排列方式,垂直或水平放置。,
12、3.流体的物性,cp,2023/11/1,46,三、对流传热的特征数关系式,变量数 8个基本因次 4个:长度L,时间T,质量M,温度无量纲特征数(8-4)=4,无相变时,2023/11/1,47,1.努塞尔特(Nusselt)数,表示对流传热系数的特征数,2.雷诺(Reynolds)数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,2023/11/1,48,3.普兰特(Prandtl)数,反映流体的物性对对流传热的影响,4.格拉斯霍夫(Grashof)准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式:Nu=f(Re,Pr,Gr)简化:强制对流 Nu=f(Re,Pr)自然对流 Nu=f(Pr,Gr),2023
13、/11/1,49,使用准数关联式时注意:1.应用范围2.特征尺寸3.定性温度,2023/11/1,50,四、无相变时对流传热系数的经验关联式(一)流体在管内作强制对流1.圆形直管内的强制湍流,(1)应用范围:Re 104,Pr=0.7160,L/d 60,气体或低粘度的液体(2 水)(2)定性温度:流体进出口的算术平均 值(3)特征尺寸:管内径,2023/11/1,51,讨论:(1)加热与冷却的差别:,液体,气体,2023/11/1,52,物性一定时:,(2)影响因素:,2023/11/1,53,公式修正:,(1)当L/d 2 水),工程处理:加热:冷却:,2023/11/1,54,(3)弯管
14、,(4)非圆形管道,用当量直径计算。,2023/11/1,55,2.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300 Re 104,2023/11/1,56,3.圆形直管内强制层流,(1)随热流方向不同,速度分布情况不同;,(2)自然对流造成了径向流动,强化了对流传热过程。,对于液体,2023/11/1,57,自然对流可以忽略:Gr 25000,自然对流不能忽略:Gr25000乘校正因子:,适用范围:,定性温度:,特征尺寸:管内径,2023/11/1,58,(二)流体在管外强制对流传热,1.流体在管束外垂直流过,2023/11/1,59,应用范围:Re=500070000;x1/d=1.25
15、;x2/d=1.25 特征尺寸:管外径;流速取各排最窄通道处 定性温度:进、出口温度平均值,Nu=C Ren Pr0.4,平均对流传热系数:,2023/11/1,60,2流体在换热器管间的流动,折流挡板形式:圆缺形、圆环形,2023/11/1,61,设置折流挡板目的:增加壳程流体的湍动程度,进而提高壳程的。,圆缺形折流挡板:,定性温度:,应用范围:Re=2103106,2023/11/1,62,正方形排列:,正三角形排列:,特征尺寸:(1)当量直径de,2023/11/1,63,(2)流速u按流通截面最大处的截面计算:,式中 h两块折流挡板间距离,m;D换热器壳径,m;,2023/11/1,6
16、4,(三)自然对流时的对流传热系数,定性温度:膜温(tm+tw)/2特征尺寸:垂直的管或板为高度H 水平管为管外径d0,各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。,2023/11/1,65,1.蒸汽冷凝方式,五、流体有相变时的对流传热,滴 膜,(1)膜状冷凝,(2)滴状冷凝,冷凝过程的热阻冷凝液膜,(一)蒸汽冷凝时的对流传热,2023/11/1,66,2.膜状冷凝时的对流传热系数,(1)水平管束外,定性温度:tSr,其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数r比汽化热,2023/11/1,67,(2)蒸汽在垂直管外(或垂直板上)冷凝,qm冷凝液量,kg/sM冷凝负荷,kg/s.m,2023/11/1,68
17、,层流,Re1800,Re1800,湍流,影响冷凝传热的因素 蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动,液膜厚度 若逆向流动,液膜厚度 蒸汽的流速较大,液 膜 吹 跑 冷凝液膜两侧的温度差 t 当液膜呈滞流流动时,若t加大,则蒸气冷凝速率增加,因而液膜层厚度增厚,蒸汽中不凝气体含量的影响:若蒸汽中含有不凝气体,壁面为气体(导热系数很小)所覆盖,增加了一层附加热阻,使急剧下降,蒸汽中含1%空气,则 下降60%。,冷凝壁面的影响 如对于翅片管和螺旋管 s 冷凝管的方位:对于水平管:对于垂直管:流体的物性:r(潜热)、;,2 液体沸腾时的对流传热系数 2.1 液体沸腾的基本概念 液体的沸腾:当液体被加热时
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 基础 第四 传热
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6446750.html