化工原理第四章

1、第4章. 傳熱4.1 概述一一. 傳熱的基本方式傳熱的基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）:由于物質(zhì)分子、原子或電子的熱運(yùn)動(dòng)，將熱量從物體高溫處向低溫處的傳遞過程稱為熱傳導(dǎo)。 特點(diǎn)：物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的相互位移。熱對(duì)流熱對(duì)流:流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移和混合而引起的熱量傳遞，熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。 自然對(duì)流傳熱 強(qiáng)制對(duì)流傳熱 熱輻射（輻射傳熱）熱輻射（輻射傳熱）:因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。熱輻射是一種以電磁波傳遞熱能的方式。 二. 傳熱過程中熱冷流體熱交換方式 t T 直接接觸式1.直接接觸式換熱和混合式換熱器兩流體在換熱器中直接接觸，相互混合進(jìn)行換熱。

2、該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備及操作費(fèi)用均較低，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場(chǎng)合。2.蓄熱式 借助于蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體。該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫；缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，熱效率低且不能完全避免兩流體的混合。 熱流體 蓄熱式 二. 傳熱過程中熱冷流體熱交換方式 3.間壁式間壁式 化工生產(chǎn)過程中冷熱流體之間進(jìn)行的熱交換大多不允許直接混合，兩種流體常被固體壁面隔開，并在壁面兩側(cè)流動(dòng)構(gòu)成典型的間壁式換熱器。該類型換熱器的特點(diǎn)是兩流體在換熱過程中不混合。T t 間壁式 間壁式換熱器中的傳熱過程 (對(duì)流傳熱)套管式換熱器管殼式換熱器 傳熱速率傳熱速率Q(熱流量)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞的熱量,W

3、熱通量熱通量q (熱流密度或傳熱速度)：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e、單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量, W/m2穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化的傳熱過程。傳熱速率為常量。非穩(wěn)態(tài)傳熱：非穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置而變且又隨時(shí)間而變的傳熱過程。 載熱體及其選擇 物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí),通常需要用另一種流體供給或取走熱量,此種流體稱為載熱體載熱體.載熱體的選擇原則:(1)載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制(2)載熱體的飽和蒸氣壓較低,加熱時(shí)不易分解(3)毒性小,不易燃易爆,不腐蝕設(shè)備(4)價(jià)廉易得4.2 熱傳導(dǎo) 等溫面：等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面。溫度不同

4、的等溫面不會(huì)相交。 溫度梯度：溫度梯度： ntntgradtn0lim傅立葉定律傅立葉定律 ( 熱傳導(dǎo)的基本定律):熱傳導(dǎo)速率和溫度梯度以及垂直于熱流方向的表面積成正比。 ntdSdQntdSdQq一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):dxdtSQ t+ t t l 等溫面及溫度梯度 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù))ntdSdQ單位:W/(m)或W/(mK)。 是物性之一，是物性之一，與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)(T、p)有關(guān)。有關(guān)。物理含義：物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質(zhì)的代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。越大，導(dǎo)熱性能越好。 導(dǎo)熱系數(shù)的大小順序： (金

5、屬固體) (非金屬固體) (液體) (氣體)。 大多數(shù)固體： )1 (0at非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)T非金屬金屬的導(dǎo)熱系數(shù)：純度增加，金屬，純金屬合金，T，金屬液體: 非金屬液體：水最大；純液體混合液體金屬液體：金屬液體較高，但T時(shí)，金屬液體。 氣體T，。 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1.單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)dxdtSQ由傅立葉定律 :若不隨溫度而變或取兩壁面處的平均值，則積分 邊界為:x=0時(shí)，t=t1 x=b時(shí) t=t2 ,積分得:)(21ttSbQ或RtSbttQ21溫度分布:SbR導(dǎo)熱熱阻，/WSQxtt1RtbtSQq多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 穩(wěn)態(tài)傳熱:Q1= Q2= Q3= Q iiniiinRtSbtt

6、Q111(1)串聯(lián)傳熱過程的總推動(dòng)力（溫度差）是各分過程溫度差之和；總熱阻為各分過程熱阻之和.結(jié)論結(jié)論:（2）在穩(wěn)態(tài)多層平壁導(dǎo)熱過程中，熱阻大，對(duì)應(yīng)的溫度差就大；總溫度差一定時(shí), Q的大小取決于總熱阻的大小. 例: 某平壁層由三層材料組成,其厚度分別為30cm、25cm、40cm , 導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.16W/(m.)、 0.58W/(m.)、 0.93W/(m.), 已知內(nèi)層溫度為1100, 最外層溫度為100 ,求各層溫度降. 如果由于某種原因,在第二層和第三層之間有一3mm厚的空氣層(為0.031W/(m.),而要求熱損失仍和原來相同,再求最外層壁溫為多少? 各層溫度降又為多少? 圓筒壁

7、的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) drdtrLdrdtSQ2單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):積分:12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQRtSbttQm21溫度分布:11ln2rrLQtt多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo):niiiinrrttlQ1111ln1)(2或iinimiiinRtSbttQ111注意：注意：圓筒壁的熱傳導(dǎo)速率： Q1=Q2=Q3=.=Qn但 q1q2q3 qn (各層S不同)4.3 對(duì)流傳熱概述 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱是指流體與固體壁面間的傳熱過程 對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合傳熱現(xiàn)象, 其熱阻主要集中在滯流內(nèi)層。 *減薄滯流內(nèi)層的厚度、增加流體的湍動(dòng)是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑 牛

8、頓冷卻定律:dSTTtdSdQw)(或dStdQ1對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2. ), 不是物性參數(shù) ,它是受多種因素影響的一個(gè)物理量。 熱邊界層若流體自由流的溫度與固體壁面的溫度不同時(shí)會(huì)形成熱邊界層熱邊界層越薄則層內(nèi)溫度梯度越大, 通過層流內(nèi)層的傳熱速率為:wdydtdSdQ又根據(jù)牛頓冷卻定律有:tdSdQ則可得:wdydtt保溫層的臨界直徑 在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料,隨保溫層厚度增加,可能會(huì)使熱損失增大.保溫層的臨界直徑的確定:LrrrLttRRttQoioff21ln211211熱損失01)/ln()11)(2221oioooforrrrrttLdrdQ求得臨界半徑為:/cr/2

9、cd臨界直徑為:4.4 傳熱過程計(jì)算一一. 熱量衡算熱量衡算忽略換熱器的熱損失，即Qh= Qc Q=WhCph（T1-T2）= Wc Cpc（t2-t1） 一側(cè)有相變時(shí): Q=Whr= Wc Cpc（t2-t1） 若冷凝液的溫度低于飽和溫度，則：)()(212ttCWTTCrWQpccSphhdtCWdTCWdQpccphh無相變時(shí):二二. 總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程 總傳熱速率微分方程:mmooiidStTKdStTKdStTKdQ)()()(dQ=K(T-t)dS=KtdS兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:熱流體與器壁的對(duì)流傳熱器壁的熱傳導(dǎo))(2wwmtTdSbdQ)(3ttdS

10、dQwoo)(1wiiTTdSdQ冷流體與器壁的對(duì)流傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)：dQ1= dQ2= dQ3= dQ總傳熱系數(shù) )(111tTdSdSbdSdQoomii與dQ=KdS(T-t) 比較:iimoodSdSbdSKdS111K的三種形式:iiomooOdddbdK11ooimiiidddbdK11iimoommddbddK1注意注意:傳熱系數(shù)K與傳熱面積S一一對(duì)應(yīng)。 一般以外表面為基準(zhǔn): iiomooodddbdK11若換熱器內(nèi)外結(jié)垢，存在污垢熱阻Rsi、Rso，則： osiiomoioisooRdddbdddRK11)(tTdSKdQoo 若傳熱面為平壁或薄管壁時(shí),可簡(jiǎn)化為:ososiiRb

11、RK111當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，可簡(jiǎn)化為：oiK111又若oi，則K*K值總是接近熱阻大的流體側(cè)的值總是接近熱阻大的流體側(cè)的值，值，總熱阻是由熱阻大的總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制，要提高那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制，要提高K值，關(guān)鍵要提高對(duì)流傳值，關(guān)鍵要提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的熱系數(shù)較小一側(cè)的值。值。三三.平均溫度差和總傳熱速率方程平均溫度差和總傳熱速率方程1. 恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差tKStTKSQ)(2. 變溫傳熱時(shí)的平均溫度差變溫傳熱時(shí)的平均溫度差 mtKSttttKSQ1212ln總傳熱速率方程:對(duì)數(shù)平均溫度差 :2/12tt當(dāng)時(shí)，可以用算術(shù)平均

12、溫度差代替對(duì)數(shù)平均溫度差。 并逆mmtt對(duì)于同樣的進(jìn)出口條件， 并可以節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量 注意：注意： 對(duì)于一側(cè)溫度有變化，另一側(cè)恒溫， 并逆mmtt1212lntttttm 錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差: mtmtt(先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差tm，再根據(jù)實(shí)際流動(dòng)情況乘以溫度差校正系數(shù)) ),(RPft兩流體的最初溫度差冷流體的溫升1112tTttP冷流體的溫升熱流體的溫降1221ttTTR 例: 在列管換熱器中用1.5kgf/cm2的飽和蒸汽將470m3/h的某溶液從40加熱到45, 采用3832000mm 的鋼管(=46.5W/m. ), 若無垢層, 試計(jì)算傳熱面積S和所需的管數(shù).已知

13、: 水蒸汽1.5kgf/cm2時(shí)其飽和溫度為126,其o=11600W/(m2.) , 溶液i=3700W/(m2.), =1320kg/m3, Cp=3.4kJ/kg. 4.5 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式(1)流體的種類和相變化的情況流體的種類和相變化的情況 流體的種類不同，其對(duì)流傳熱膜系數(shù)各不相同 ;流體有相變化時(shí), 較大.(2)流體的物性流體的物性， ；（Cp 、 ） ，體積膨脹系數(shù)，。 (3)流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài)滯流：值較小 ；湍流：Re，滯流內(nèi)層的厚度減薄,。 (4)流體流動(dòng)的原因流體流動(dòng)的原因 強(qiáng)制自然(6)傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素(

14、5)流體的溫度流體的溫度對(duì)流傳熱過程的特征數(shù)(準(zhǔn)數(shù)) lupc223tlg準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾準(zhǔn)數(shù)（給熱準(zhǔn)數(shù)）Nu表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流型準(zhǔn)數(shù)）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)（升力準(zhǔn)數(shù)）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)lnmANuPrRe強(qiáng)制對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式:自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式: Nu = f (Gr, Pr)無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式流體在圓形管內(nèi)作強(qiáng)制湍流nNuPrRe023. 08 . 0（1）對(duì)于低粘度（小于2倍常溫水的粘度）的流體流體被加熱時(shí)，n=0.4流體被冷卻時(shí)，n=0.3npcdud8 . 0023. 0

15、應(yīng)用范圍：Re10000，0.7Pr膜狀 工業(yè)上遇到的大多為膜狀冷凝膜狀冷凝特點(diǎn)膜狀冷凝特點(diǎn):冷凝液膜是蒸氣冷凝傳熱的主要熱阻流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素(影響冷凝液膜厚度的因素影響冷凝液膜厚度的因素):(1) 液膜兩側(cè)的溫度差的影響:液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，t，液膜厚度,(2) 流體物性的影響： 、， ； 、； r、。 (3) 蒸汽的流速和流向的影響:同向流動(dòng), u, ；若逆向流動(dòng)，則u,減小. 若u足夠大,液膜會(huì)被蒸汽吹離壁面,此時(shí)隨蒸汽流速的增加急劇增大。 (4) 蒸汽中不凝性氣體含量的影響:使急劇下降 .(5) 冷凝壁面的影響(6)冷凝液的排出(在換熱器中

16、蒸氣必須上進(jìn)下出)2.液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大容積沸騰 5t時(shí) 自然對(duì)流階段 5t-25 泡核沸騰階段 25t 膜狀沸騰階段 影響沸騰傳熱的因素:(1)流體的物性: 、 則；、 則。(2)溫度差t(3)操作壓強(qiáng):操作壓強(qiáng)升高，液體飽和溫度提高，則增大。(4)加熱表面的狀況 例：有一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)中的單程逆流列管式換熱器，熱空氣在管程由120降至80，其對(duì)流傳熱系數(shù)1=50W/（m2K）。殼程的冷卻水從15升至90，其對(duì)流傳熱系數(shù)2=2000W/（m2K），管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計(jì)。當(dāng)冷卻水量增加一倍時(shí)，試求水和空氣的出口溫度t2和T2，忽略流體物性參數(shù)隨溫度的變化；傳熱速率Q比原來增加了多少？壁溫

17、的估算壁溫的估算 若不考慮污垢熱阻,則:iwowtTTT11siiwsoowRtTRTT11 注意：注意：管壁溫度接近于熱阻小的那一側(cè)流體的溫度。 4.6 熱輻射 一一. 基本概念基本概念熱輻射熱輻射:物體因熱的原因引起的電磁波輻射. 被傳遞的能量為輻射能。 理論上，熱輻射的電磁波長(zhǎng)從0，但是具有實(shí)際意義的波長(zhǎng)范圍為0.420m(0.40.8 m為可見光；0.820 m為紅外光線）熱輻射的特點(diǎn)：（1）無需中間介質(zhì)，可在真空中傳遞；（2）熱射線同光一樣，服從反射和折射定律，具有反射性、吸收性和透過性。4.6 熱輻射 根據(jù)能量守恒定律有：A+R+D=1 （A吸收率；R反射率；D透過率） 黑體黑體：

18、能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體。 鏡體或絕對(duì)白體鏡體或絕對(duì)白體：能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體。透熱體透熱體：能透過全部輻射能，即透過率D=1的物體?；殷w灰體：凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到的所以波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體。灰體有以下特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)A不隨輻射線的波長(zhǎng)而變；(2)灰體是不透熱體，即A+R=1。 二.物體的輻射能力和有關(guān)的定律 斯蒂芬-玻耳茲曼定律：黑體的輻射能力與絕對(duì)溫度關(guān)系 輻射能力輻射能力:物體在一定溫度下,單位表面積,單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總輻射能, W/m20- 黑體的輻射常數(shù)，其值為)./(1067. 5428KmW 0C- 黑體的輻射系數(shù)

19、，其值為)./(67. 542KmW 推廣到灰體的輻射能力： 4)100(TCE 物體的黑度：0CCEEb40)100(TCEEb或 4040)100(TCTEb 克希霍夫定律：)(.2211TfEAEAEAEb40)100(TACE *在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值是相同的。物體的輻射能力越強(qiáng)，則其吸收能力越強(qiáng)。 三三. 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱 )100()100(42412121TTSCQ1、極大的兩平行面：面積S=S1或S2，角系數(shù)=1，11121021CC2、很大的物體2包住物體1：面積S=S1，角系數(shù)=1，0121CC 3、物體2恰好包住物體1：面積S=S1，角

20、系數(shù)=1，11121021CC 4.7換熱器 一、換熱器的分類一、換熱器的分類1、根據(jù)換熱器的用途可分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、分凝器和再沸器等。2、根據(jù)換熱器的傳熱原理可分為：混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器。蓄熱式換熱器二二. 間壁式換熱器間壁式換熱器 1夾套式換熱器夾套式換熱器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：夾套安裝在容器外部，夾套與器壁之間形成的空間為加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的通道。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，傳熱面積小，傳熱效率低，廣泛用于反應(yīng)釜的加熱和冷卻。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器 沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器 噴淋式換熱器噴淋式換熱器 噴淋式換熱器噴淋式換熱器蛇管的形狀 優(yōu)點(diǎn)

21、：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉、能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)：傳熱面積小，蛇管外對(duì)流傳熱系數(shù)較小，檢修和清洗不便。3套管式換熱器套管式換熱器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。能耐高壓，傳熱系數(shù)較大。傳熱面積可根據(jù)需要增減，能保持完全逆流使對(duì)數(shù)平均溫度差最大。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，管間接頭較多，易泄漏，占地面積較多。用途：用途：適用于流量不大、所需傳熱面積不多而要求壓強(qiáng)較高的場(chǎng)合。4. 列管式換熱器（管殼式換熱器）列管式換熱器（管殼式換熱器） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積設(shè)備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作彈性大，可用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，在大型裝置中普遍采用。列管式換熱器殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相垂直的折流擋板，其作用是提高殼程流體的流速，迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流，防止流體短路，增加殼程流體的湍動(dòng)程度。 具有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器 U形管式換熱器 U形管式換熱器特點(diǎn)形管式換熱器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式換熱器的特點(diǎn)浮頭式換熱器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。流體流動(dòng)流道的選擇