化工基礎傳熱PPT課件

1、2022-2-7第四章 傳熱過程1第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、化工生產中的傳熱過程一、化工生產中的傳熱過程1、化工生產中的化學反應要控制適宜的溫度范圍：、化工生產中的化學反應要控制適宜的溫度范圍：（1 1）放熱反應的熱量要通過換熱移除。）放熱反應的熱量要通過換熱移除。（2 2）吸熱反應需提供足夠的熱量。）吸熱反應需提供足夠的熱量。（3 3）反應原料要預熱，產物要冷卻。）反應原料要預熱，產物要冷卻。2、很多化工單元操作是在換熱條件下進行的：、很多化工單元操作是在換熱條件下進行的：蒸發(fā)、結晶、干燥、精餾等。蒸發(fā)、結晶、干燥、精餾等。3、節(jié)約能源，合理使用能源：、節(jié)約能源，合理使用能源：（1 1）熱流

2、體保溫、低溫條件的保持。）熱流體保溫、低溫條件的保持。（2 2）生產中余熱、廢熱的有效利用。）生產中余熱、廢熱的有效利用。第1頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程2二、傳熱的基本方式二、傳熱的基本方式1、傳導傳熱：、傳導傳熱：物體溫度較高的分子因熱而振動，并與相鄰分子碰物體溫度較高的分子因熱而振動，并與相鄰分子碰撞，而將能量傳遞給相鄰分子，順序地將熱量從高撞，而將能量傳遞給相鄰分子，順序地將熱量從高溫向低溫部分傳遞。溫向低溫部分傳遞。u 特點：沒有分子的宏觀相對位移。特點：沒有分子的宏觀相對位移。2、對流傳熱：、對流傳熱：由于流體質點變動位置并相互碰撞，能量較大的質由于流體質點變動位置

3、并相互碰撞，能量較大的質點與能量較低的質點相互混合，使熱量從高溫向低點與能量較低的質點相互混合，使熱量從高溫向低溫傳遞。溫傳遞。u 自然對流：溫度差，密度差，自然移動。自然對流：溫度差，密度差，自然移動。u 強制對流：外力強制對流：外力( (攪拌等攪拌等) )使流體質點相對位移。使流體質點相對位移。第2頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程33、輻射傳熱：、輻射傳熱：熱物體以波的形式向四周散發(fā)輻射能，輻射遇到另熱物體以波的形式向四周散發(fā)輻射能，輻射遇到另外的物體時，被全部或部分地吸收并重新轉變成熱外的物體時，被全部或部分地吸收并重新轉變成熱能的傳熱方式。能的傳熱方式。u 溫度越高，輻射出

4、去的熱能越大。溫度越高，輻射出去的熱能越大。u 不用任何介質作媒介。不用任何介質作媒介。實際生產中的傳熱，并非單獨以某種方式進行，實際生產中的傳熱，并非單獨以某種方式進行，往往是多種方式同時進行。往往是多種方式同時進行。第3頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程4三、傳熱中的一些基本物理量和單位三、傳熱中的一些基本物理量和單位1、熱量、熱量Q：單位：單位：kgm2s-2，Nm，J，cal，kcal1cal=4.186 J2、傳熱速率、傳熱速率 ( (熱流量熱流量：單位時間內傳遞的熱量。：單位時間內傳遞的熱量。單位：單位：W，kcal h-11kcal h-1 =1.163WQ3、傳熱強度

5、、傳熱強度q：單位：單位：W m-2 ， kgs-3QqA單位時間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。單位時間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。第4頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程56、潛熱：單位量（質量或物質的量）物質在、潛熱：單位量（質量或物質的量）物質在發(fā)生發(fā)生相變相變時時 伴隨的熱量變化。伴隨的熱量變化。單位：單位： J kg-1， J moj-1汽化熱、冷凝熱、升華熱、溶解熱、結晶熱等汽化熱、冷凝熱、升華熱、溶解熱、結晶熱等計算：計算：Q=H m 或或 Q=Hm n4、恒壓比熱容、恒壓比熱容cp、cpm：單位量物質恒壓下升溫：單位量物質恒壓下升溫1K所需熱量。所需熱量。單位

6、：單位： cp J kg-1 K-1 cpm J mol-1 K-1 5、顯熱：單位量（質量或物質的量）物質在等壓時、顯熱：單位量（質量或物質的量）物質在等壓時變溫變溫伴伴 隨的熱量變化。隨的熱量變化。單位：單位： J計算：計算：Q=m cp t 或或 Q=n cpm t 潛熱和顯熱的區(qū)別：相變，溫變潛熱和顯熱的區(qū)別：相變，溫變第5頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程6四、定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱四、定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱1、定態(tài)傳熱：、定態(tài)傳熱：傳熱面上各點的溫度不隨時間改變的傳熱。傳熱面上各點的溫度不隨時間改變的傳熱。u只考慮傳熱面上某一點的情況，各點溫度可不同。只考慮傳熱面上某一點的情

7、況，各點溫度可不同。u定態(tài)傳熱時，單位時間的傳熱量定態(tài)傳熱時，單位時間的傳熱量不變。不變。u連續(xù)穩(wěn)定的操作時大多是定態(tài)傳熱。連續(xù)穩(wěn)定的操作時大多是定態(tài)傳熱。2、非定態(tài)傳熱：、非定態(tài)傳熱：傳熱面上各點的溫度隨時間而改變的傳熱。傳熱面上各點的溫度隨時間而改變的傳熱。u非定態(tài)傳熱時，不同的單位時間的傳熱量不同。非定態(tài)傳熱時，不同的單位時間的傳熱量不同。u間歇操作時大多是非定態(tài)傳熱。間歇操作時大多是非定態(tài)傳熱。第6頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程7第二節(jié)第二節(jié) 傳導傳熱傳導傳熱一、熱傳導基本方程式一、熱傳導基本方程式-傅立葉定律傅立葉定律 1、傅立葉定律傅立葉定律 ：tQA dtdQAdd

8、 對于微元：對于微元：dtdQAdd 引入比例系數：引入比例系數：u 負號是因為熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。負號是因為熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。u 比例系數比例系數為導熱系數，單位：為導熱系數，單位：W Wm m-1-1k k-1-1, , J Jm m-1-1k k-1-1s s-1-1u dt/ddt/d：溫度梯度，：溫度梯度，K/mK/m；第7頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程8導熱系數導熱系數: :是物質導熱性能的標志，是物理性質之一。是物質導熱性能的標志，是物理性質之一。一般來說：一般來說： 金屬金屬非金屬固體非金屬固體液體液體 氣體氣體.導熱系數導熱系數的值越大

9、，表示其導熱性能越好的值越大，表示其導熱性能越好的物理意義為：的物理意義為：當溫度梯度為當溫度梯度為1K/m1K/m時，每秒鐘通過時，每秒鐘通過1m1m2 2的導熱面積而傳導的熱量，的導熱面積而傳導的熱量，其單位為其單位為W/mW/mK K或或W/mW/m。金屬金屬 2.32.3420 w/m420 w/mK K 建筑材料建筑材料 0.250.253 w/m3 w/mK K 液體液體 0.090.090.6 w/m0.6 w/mK K 氣體氣體 0.0060.0060.4 w/m0.4 w/mK K 2 2、導熱系數：、導熱系數：數值的大小與物質的組成、結構、密度等有關。數值的大小與物質的組成

10、、結構、密度等有關。數值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關。數值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關。第8頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程9質地均勻的固體質地均勻的固體: = 0(1+at)0為為00C時固體的導熱系數時固體的導熱系數,a為溫度系數為溫度系數.液體混和物液體混和物: =k(1w1+ 2w2+ )w w 1 1, w, w2 2,-,-各組分的質量分數各組分的質量分數1 1 , ,2 2,-,-各組分的導熱系數各組分的導熱系數K-K-常數常數, ,對一般混和物或溶液為對一般混和物或溶液為1.0,1.0,對有機物的水溶液為對有機物的水溶液為0.90.9氣體混和物氣體混和物

11、: :=1x1M11/3+2x2M21/3+.x1M11/3+x2M21/3+.x x1 1 ,x ,x2 2各組分的摩爾分數各組分的摩爾分數M1 ,MM1 ,M2 2各組分的相對分子量各組分的相對分子量第9頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程10二、平面壁的定態(tài)熱傳導二、平面壁的定態(tài)熱傳導1 1、單層平面壁的熱傳導、單層平面壁的熱傳導: :在定態(tài)的條件下在定態(tài)的條件下, ,傳熱量不變，且兩壁面的溫度不隨時間而變傳熱量不變，且兩壁面的溫度不隨時間而變. .dtdQAdd dtQAd QdtAd 移項：移項：ddt 積分：積分：210ttddt 12tt 12tttRAtq u t t：

12、溫差，傳熱推動力，：溫差，傳熱推動力，K Ku R=/(A) R=/(A) ： 傳熱阻力，熱阻，傳熱阻力，熱阻，K/WK/W第10頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程11213A厚度厚度t3t2t1t3t1t2t42 2、多層平面壁的熱傳導、多層平面壁的熱傳導: :對于定態(tài)傳熱，各層傳熱速率相等，各層傳熱面積相等。對于定態(tài)傳熱，各層傳熱速率相等，各層傳熱面積相等。第一層：第一層：12111()ttA111211tttA第二層：第二層：222322tttA第三層：第三層：333433tttA第11頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程12對定態(tài)傳熱：對定態(tài)傳熱：A1=A2=A3=A

13、，1=2=3=上面三式相加：上面三式相加：31214123tttA 143121231ttttRAA312123123:tttt 多層平面壁的傳熱速率多層平面壁的傳熱速率等于總推動力等于總推動力t除總熱阻除總熱阻R。 多層平面壁的總熱阻多層平面壁的總熱阻R為各層熱阻之和（相當于串聯）。為各層熱阻之和（相當于串聯）。 各層的溫度降與該層的熱阻成正比。各層的溫度降與該層的熱阻成正比。312123iittq第12頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程13例例解：解：根據題意根據題意若爐灶的爐壁順序地由厚若爐灶的爐壁順序地由厚24cm24cm的耐火磚的耐火磚(=0(=0.90W90W.m m-1

14、-1.k k-1-1) )、12cm12cm的絕熱磚的絕熱磚(=0(=0.20W20W.m m-1-1.k k-1-1) )和和24cm24cm的建筑磚的建筑磚(=0(=0.63W63W.m m-1-1.k k-1-1) )砌成，傳熱穩(wěn)定后，耐火磚的內壁溫度砌成，傳熱穩(wěn)定后，耐火磚的內壁溫度為為940940 ，普通磚的外壁面溫度為，普通磚的外壁面溫度為5050試求每秒鐘試求每秒鐘每平方每平方米米壁面?zhèn)鲗鳠崴⑹У臒崃?，并求各磚層交界面的溫度。壁面?zhèn)鲗鳠崴⑹У臒崃浚⑶蟾鞔u層交界面的溫度。1 1=24cm=24cm， 2 2=12cm=12cm，3 3=24cm=24cm，t t1 1=9

15、40 =940 t t4 4=50 =50 1 1=0=0.90W90W.m m-1-1.k k-1-1 2 2=0=0.20W20W.m m-1-1.k k-1 -1 3 3=0=0.63W63W.m m-1-1.k k-1-1求：求：q=?q=?，t t2 2，t t3 3第13頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程14294050890713.40.240.120.241.2480.90.20.63iitqW m由由1iiiittq 得得12110.24940713.4749.80.90ttq 23220.12749.8713.4321.80.20ttq 1940749.8190.

16、2t 2749.8321.8428t 3321.850271.8t 1230.240.120.240.900.200.63tt190.2428271.8 絕熱磚層最薄，溫差最大，導熱系數小，熱阻最大。絕熱磚層最薄，溫差最大，導熱系數小，熱阻最大。第14頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程151 1、單層圓筒壁的傳導傳熱、單層圓筒壁的傳導傳熱圓筒壁傳熱面積和溫度都隨圓筒壁圓筒壁傳熱面積和溫度都隨圓筒壁的半徑而變化的半徑而變化. .傅立葉定律應寫為傅立葉定律應寫為: :移項積分移項積分: :三、圓筒壁的傳導傳熱三、圓筒壁的傳導傳熱rr1r2lt1.t2dttdrdtAd 2dtrldr 2

17、2112rtrtdrldtr 21212lnrlttr 12212lnlttrr 2121lnl trr2121lnl tdd第15頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程162121lnl trr21221121lnl trrrrrr 2ml t r mt A mtAtR122121lnl ttrr1mtAu =r2-r1為圓筒壁厚度。為圓筒壁厚度。u r rm m為圓筒壁的對數平均半徑：為圓筒壁的對數平均半徑：2121lnmrrrr r當當r r2 2/r/r1 12時可用算術平均半徑代替：時可用算術平均半徑代替：r rm m=(r=(r1 1+r+r2 2) )/2/2u A Am

18、m為圓筒壁的平均傳熱面積：為圓筒壁的平均傳熱面積： A Am m =2rml第16頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程172 2、多層圓筒壁的傳導傳熱、多層圓筒壁的傳導傳熱122121lnl ttrr根據：根據：第一層第一層211211ln2rtttlr 322322ln2rtttlr 第二層第二層433433ln2rtttlr 第三層第三層三式相加三式相加32414112233111lnlnln2rrrtttlrrr 第17頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程183241122332111lnlnlnl trrrrrr整理：整理：121lnnnnl trr121lnnnnl

19、tdd同樣令：同樣令：1nnnrr11lnnnmnnnrrrrr2mnmnAlr1nmnntrAtR傳熱速率與推動力成正比，與熱阻成反比。傳熱速率與推動力成正比，與熱阻成反比。注意各層直徑或半徑的取值。注意各層直徑或半徑的取值。第18頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程19例例 38382.5mm2.5mm的水蒸氣管（鋼的的水蒸氣管（鋼的=50W.m=50W.m-1-1.k.k-1-1 ）包有隔）包有隔熱層。第一層是熱層。第一層是40 mm40 mm厚的礦渣棉厚的礦渣棉-1-1.k.k-1-1) )，第二層是，第二層是20 mm20 mm厚厚的石棉泥（的石棉泥（ -1-1.k.k-1-

20、1 ）。若管內壁溫度為）。若管內壁溫度為140140 ，石棉泥外，石棉泥外壁溫度為壁溫度為3030 。試求每米管長的熱損失速率。若以同量的。試求每米管長的熱損失速率。若以同量的石棉作內層，礦渣棉作外層時（即同樣厚度），情況如何？石棉作內層，礦渣棉作外層時（即同樣厚度），情況如何？試作比較。試作比較。解：解：由題意得：由題意得：r1=0.0165 m r2=0.019 m r3=0.059 m r4=0.079 m1=50 2= 0.07 3=0.15t1=140 t4=30 r1r2r3r4第19頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程20若以同量石棉作內層，礦渣棉作外層，得：若以同量石棉

21、作內層，礦渣棉作外層，得：11 .38059. 0079. 0ln15. 01019. 0059. 0ln07. 010165. 0019. 0ln501)30140(14. 321ln12mWnrnrtlr1=0.0165 m r2=0.019 m r3=0.059 m r4=0.079 m1=50 2= 0.15 3=0.07t1=140 t4=30 第20頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程21第一層第一層第二層第二層第三層第三層/l交換前交換前0.0028216.191.94638.1交換后交換后0.002827.554.1758.9u 金屬管的熱阻很小，可以忽略。金屬管的熱阻

22、很小，可以忽略。19 .58059. 0079. 0ln07. 01019. 0059. 0ln15. 010165. 0019. 0ln501)30140(14. 321ln12mWnrnrtl第21頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程22作業(yè)：作業(yè)：P142起起3、5、7第22頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程23第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱因流體質點變動而形成的對流還有兩種因流體質點變動而形成的對流還有兩種:對流傳熱對流傳熱: :是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現象是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現象,它它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的是依靠流體質點的移動進行熱量

23、傳遞的,與流與流體的流動情況密切相關體的流動情況密切相關.自然對流自然對流: :因流體本身各質點溫度不同因流體本身各質點溫度不同,引起密度差異而形引起密度差異而形成的流體質點移動成的流體質點移動.強制對流強制對流: : 借助于機械攪拌或機械作用而引起的流體借助于機械攪拌或機械作用而引起的流體質點移動質點移動.第23頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程24一、對流傳熱的機理一、對流傳熱的機理: :1 1、機理、機理靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層，溫溫度梯度較大度梯度較大。過渡層中，溫度發(fā)生了緩慢的變化。過渡層中，溫度發(fā)生了緩慢的變化。湍流主體中湍流主體中

24、，各處的溫度基本相同。各處的溫度基本相同。對于湍流流體：對于湍流流體：傳熱邊界層：靠近壁面，有明顯的溫度梯傳熱邊界層：靠近壁面，有明顯的溫度梯度的流體層度的流體層，包括滯流內層和過渡層。包括滯流內層和過渡層。一般把熱量由湍流主體傳向器壁或一般把熱量由湍流主體傳向器壁或相反的傳熱過程叫做對流傳熱。相反的傳熱過程叫做對流傳熱。第24頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程252 2、牛頓傳熱方程、牛頓傳熱方程當湍流主體的溫度為當湍流主體的溫度為t t1 1的流體向溫度為的流體向溫度為t t2 2的壁面對流傳的壁面對流傳熱時熱時, ,傳熱速率傳熱速率與流體主體和壁面間的溫差與流體主體和壁面間的溫

25、差(t(t1 1-t-t2 2) )及及壁面面積壁面面積A A成正比成正比, ,即即：傳熱膜系數，也叫傳熱分系數、給熱系數。傳熱膜系數，也叫傳熱分系數、給熱系數。對穩(wěn)定傳熱過程對穩(wěn)定傳熱過程: :12dttdA12dttdA12ttAA t的單位：的單位：W.mW.m-2-2.k.k-1-1 或或 J/(mJ/(m2 2.k.s).k.s)的物理意義：流體主體與壁面度差為的物理意義：流體主體與壁面度差為1K1K時時, ,每秒通每秒通 過過1m1m2 2壁面所傳給流體壁面所傳給流體( (或由流體給或由流體給 出出) )的熱量。的熱量。第25頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程26二、對流

26、傳熱膜系數二、對流傳熱膜系數: :1、影響傳熱膜系數的因素、影響傳熱膜系數的因素:(2) 流體的流動形態(tài)和對流情況；流體的流動形態(tài)和對流情況；(4) 傳熱的溫度和溫度差；傳熱的溫度和溫度差；(5) 流體傳熱的相變化；流體傳熱的相變化；(6) 壁面的形狀、排列方式和尺寸。壁面的形狀、排列方式和尺寸。(3) 流體的性質：流體的性質：、c c、等物理性質；等物理性質；(1) 流體的種類：液體、氣體、蒸汽；流體的種類：液體、氣體、蒸汽；第26頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程272、傳熱過程的幾個相關特征數：、傳熱過程的幾個相關特征數：格拉曉夫數：自然對流對換熱的影響。Gr普朗特數：流體的物

27、理性質對換熱的影響。Pr雷諾數：流體流動狀態(tài)對換熱的影響。Re努塞爾數：流體的導熱系數與換熱器壁幾何尺寸對換熱的影響。Nu特征數的物理意義特征數形式特征數l dvRe c 322glt Nu 、Re 、Pr應用于對流傳熱。應用于對流傳熱。 Gr應用于受熱引起的自然對流傳熱。應用于受熱引起的自然對流傳熱。第27頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程283、傳熱膜系數的特征關系式：、傳熱膜系數的特征關系式：（1）狄丟斯式：）狄丟斯式：(適用于圓管內強制湍流適用于圓管內強制湍流)當流體被冷卻時：當流體被冷卻時：當流體被加熱時：當流體被加熱時：通過量綱分析，可獲得傳熱膜系數的一些特征數關系式：通

28、過量綱分析，可獲得傳熱膜系數的一些特征數關系式：適用于大多數氣體和粘度小于適用于大多數氣體和粘度小于2 2倍水粘度的液體。倍水粘度的液體。0.80.40.023RePrd0.80.30.023RePrd適用于圓管內強制湍流適用于圓管內強制湍流。適用于列管間的流體，計算時適用于列管間的流體，計算時d d 取取d de e：4de 流流體體流流道道橫橫截截面面積積橫橫截截面面上上被被流流體體濕濕潤潤周周邊邊第28頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程29定性溫度：可用對數平均或算術平均值。定性溫度：可用對數平均或算術平均值。液體被加熱時，液體被加熱時，t,。氣體被加熱時，氣體被加熱時，t,。

29、對于高粘性的流體，加入校正因子對于高粘性的流體，加入校正因子c:0.80.330.027cRePrd 加熱時：加熱時：c=1.05冷卻時：冷卻時：c=0.95如：如：20的有機液體的有機液體Pr ：220； 20的水的水Pr ：7.01Pr1，指數大，指數大，大。大。第29頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程30（2）自然對流傳熱）自然對流傳熱(蛇管或器壁蛇管或器壁)G Gr rP Pr r500(500(滯流滯流) )G Gr rP Pr r 2 210107 7( (湍流湍流) )500500G Gr rP Pr r2 210107 7( (過渡流過渡流) )u 計算時，定性溫度取

30、壁面與流體溫度的平均值。計算時，定性溫度取壁面與流體溫度的平均值。1 31.18Gr Prd1 30.135Gr Prd1 40.54Gr Prd（3）帶攪拌的反應釜）帶攪拌的反應釜1 320.36RePrDu D D為反應釜的內徑。為反應釜的內徑。u 2d nRed d：攪拌槳的直徑，攪拌槳的直徑，n n：攪拌轉數。攪拌轉數。第30頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程31例例 列管式冷凝器中，用水冷凝有機物蒸汽，水以列管式冷凝器中，用水冷凝有機物蒸汽，水以0.5m0.5ms s-1-1 的速率在的速率在25252mm2mm的管內流動，進水溫度為的管內流動，進水溫度為20,20,出水出

31、水 溫度為溫度為4040。試求水對管壁的傳熱膜系數。試求水對管壁的傳熱膜系數。解：解：用進出口的平均溫度用進出口的平均溫度3030作為定性溫度：作為定性溫度：c c =4183 J=4183 JK K-1-1kgkg-1-1，=996 =996 kg/mkg/m3 3=8.01=8.011010-4 -4 PaPas s，=0.618 W=0.618 Wm m-1-1K K-1-1題設：題設：=0.5 m=0.5 ms s-1-1， d=0.021 md=0.021 m0.021130564000dvRe41835.42cPr0.80.40.023RePrd0.023212611W mK212

32、.611kW mK第31頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程324、沸騰和冷凝時的傳熱膜系數：、沸騰和冷凝時的傳熱膜系數：（1）沸騰傳熱）沸騰傳熱 由傳熱面與液體間的溫差不同分為：由傳熱面與液體間的溫差不同分為：泡核沸騰泡核沸騰強烈的泡核沸騰強烈的泡核沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰前面討論的是無相變時的前面討論的是無相變時的, ,沸騰和冷凝是相變過程。沸騰和冷凝是相變過程。 沸騰傳熱時，沸騰傳熱時，值總是較大。值總是較大。 對汽泡產生有影響的因素都對汽泡產生有影響的因素都 對對有影響。有影響。 對對值的影響因素很多，難以計算，一般都有采用值的影響因素很多，難以計算，一般都有采用 實驗值、經驗值。

33、實驗值、經驗值。 水水沸騰傳熱的沸騰傳熱的值值：1000100030000 W30000 Wm m-2-2K K-1-1第32頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程33（2）冷凝傳熱：）冷凝傳熱：滴狀冷凝：冷凝液不潤濕壁面，而是在壁面上形成滴狀冷凝：冷凝液不潤濕壁面，而是在壁面上形成 雜亂無章的珠滴，并在重力作用下沿壁雜亂無章的珠滴，并在重力作用下沿壁 面落下，這種過程稱為滴狀冷凝。面落下，這種過程稱為滴狀冷凝。 膜狀冷凝：冷凝液潤濕壁面而形成平滑的液膜，液膜狀冷凝：冷凝液潤濕壁面而形成平滑的液膜，液 膜在重力作用下聚厚而流下，這種冷凝膜在重力作用下聚厚而流下，這種冷凝 稱為膜狀冷凝。稱

34、為膜狀冷凝。 u 冷凝傳熱的傳熱膜系數比沸騰傳熱還要大。冷凝傳熱的傳熱膜系數比沸騰傳熱還要大。u 發(fā)生相變時的發(fā)生相變時的值很大，熱阻很小，往往可以忽略。值很大，熱阻很小，往往可以忽略。u 蒸汽冷凝時，不凝性氣體的存在會使蒸汽冷凝時，不凝性氣體的存在會使值減小。值減小。膜狀冷凝值：515 kWm-2K-1滴狀冷凝值：40120 kWm-2K-1第33頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程34三、常用的傳熱膜系數三、常用的傳熱膜系數: :值由大到小的順序值由大到小的順序水蒸汽水蒸汽冷凝冷凝水水沸騰沸騰水加熱水加熱或冷卻或冷卻油加熱油加熱或冷卻或冷卻氣體加熱氣體加熱或冷卻或冷卻第34頁/共7

35、1頁2022-2-7第四章 傳熱過程35第四節(jié)第四節(jié) 熱交換的計算熱交換的計算一、總傳熱方程：一、總傳熱方程：化工生產中最常用到的傳熱操作是熱流體經管壁向冷流體傳熱的過程。管壁是傳導傳熱，兩側是對流傳熱。第35頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程36在定態(tài)條件下，在定態(tài)條件下，1=2=,上面三式相加可得：上面三式相加可得：1212tttAAA 1212tttRAAA熱流體一側：熱流體一側：1、總傳熱方程：、總傳熱方程：1111A tt11111tttA間壁：間壁：冷流體一側：冷流體一側：12A tt12tttA 2222A tt22222tttA第36頁/共71頁2022-2-7第四章

36、 傳熱過程37對于平面壁，對于平面壁，A A1 1= A= A2 2 = A= A2 2、平面壁的總傳熱方程：、平面壁的總傳熱方程：1A tttKA tRKA 其中：其中：1KWm-2K-1RKAA對復合傳熱壁：對復合傳熱壁：A t第37頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程38例例 夾套反應釜的內徑為夾套反應釜的內徑為80cm，釜壁鋼板，釜壁鋼板(=50Wm-1k-1)板板厚厚8 mm，襯搪瓷厚，襯搪瓷厚3 mm(=1.0Wm-1k-1)夾套通飽和水蒸汽夾套通飽和水蒸汽(=10000 Wm-1k-1 )加熱，水蒸汽溫度為加熱，水蒸汽溫度為120，釜內為有，釜內為有機物機物(=250 W

37、m-1k-1 )，溫度為，溫度為80。試求該條件下單位面。試求該條件下單位面積傳熱速率和各熱阻占總熱阻的百分數。積傳熱速率和各熱阻占總熱阻的百分數。解解：反應釜內徑反應釜內徑0.8m外徑外徑0.822m，可近似地按平面壁公，可近似地按平面壁公 式進行計算：式進行計算：由題設條件知：由題設條件知： 1=0.008m，1= 50Wm-1k-11=10000Wm-1k-1，2= 250Wm-1k-12=0.003m, 2= 1.0Wm-1k-1t1=120，t2=8012t1t2第38頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程39K t1211t1208010.0080.003110000501.

38、02504440101.6 1034 407.2625510W m各層熱阻所占比例各層熱阻所占比例蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：1.38%釜壁：釜壁：2.20%搪瓷層：搪瓷層：41.32%有機物側：有機物側：55.10%由計算可見：由計算可見：蒸汽冷凝的傳熱膜系數很大，熱阻很小。蒸汽冷凝的傳熱膜系數很大，熱阻很小。金屬壁的導熱系數很大，熱阻很小。金屬壁的導熱系數很大，熱阻很小。熱阻主要在搪瓷層和有機物側。熱阻主要在搪瓷層和有機物側。第39頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程403 3、園筒壁的總傳熱方程：、園筒壁的總傳熱方程：若傳熱間壁為園筒壁，則：若傳熱間壁為園筒壁，則：熱流體熱流體11111

39、1112A ttrltt11112ttrl間壁：間壁：1222112211lnlnl ttl trrrr21211ln2rttlr冷流體冷流體222222222A ttrltt22222ttr l三式相加得：三式相加得：2121 112 2111ln2rttlrrr第40頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程411221 112 22111lnl ttrrrr121 12 2211ml ttrrr 其中其中21rr2121lnmrrrr r 若若1 12 2相差較大，可選相差較大，可選較小的一側較小的一側r r作作r rm m。 若園筒壁是復合壁，則若園筒壁是復合壁，則mr為為mr或或1

40、1lniiirr 一般的傳熱壁都較薄，此時一般的傳熱壁都較薄，此時r r1 1rr2 2rrm m, ,則則1212211mr l tt121211mAttmKAt這也就是平面壁的計算公式。這也就是平面壁的計算公式。第41頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程42二、傳熱系數的大致范圍二、傳熱系數的大致范圍相對大?。合鄬Υ笮。簹鈿?、氣液氣氣、氣液液液液液一側相變一側相變兩側相變兩側相變第42頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程43例例 用用134的飽和水蒸氣（的飽和水蒸氣（304kPa）通入夾套，使沸騰）通入夾套，使沸騰的甲苯氣化成甲苯蒸氣送往反應器，甲苯沸點為的甲苯氣化成甲苯蒸

41、氣送往反應器，甲苯沸點為110.6 (氣化熱氣化熱-1),加熱面為加熱面為1m2，每小時氣化，每小時氣化200kg甲苯。試求傳甲苯。試求傳熱系數。若保溫后尚有熱系數。若保溫后尚有10%熱損失，試求水蒸氣每小時熱損失，試求水蒸氣每小時消耗量消耗量解：熱流量根據需要的熱量確定：解：熱流量根據需要的熱量確定：m200 363.5qH20.19kJ/s3600汽化2120.16863KW mKt 水蒸汽的凝結熱為水蒸汽的凝結熱為2.16103kJ/kg, 水蒸汽消耗量為：水蒸汽消耗量為：200137.4/0.9kg h第43頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程44三、傳熱溫差三、傳熱溫差1、定

42、態(tài)恒溫傳熱和定態(tài)變溫傳熱：、定態(tài)恒溫傳熱和定態(tài)變溫傳熱：（1）定態(tài)的恒溫傳熱）定態(tài)的恒溫傳熱傳熱壁上的溫度不隨時間變化，也不隨位置變化。傳熱壁上的溫度不隨時間變化，也不隨位置變化。 兩側都有相變的傳熱，一側冷凝，一側汽化。兩側都有相變的傳熱，一側冷凝，一側汽化。（2）定態(tài)的變溫傳熱）定態(tài)的變溫傳熱傳熱壁上的溫度不隨時間變化，但隨位置而變化。傳熱壁上的溫度不隨時間變化，但隨位置而變化。 只有一側有相變，另一側無相變。只有一側有相變，另一側無相變。 兩側都無相變。兩側都無相變。 各點的傳熱溫度差相同，各點的傳熱溫度差相同，t=T-tt=T-t 。由于溫度由于溫度隨位置而變化，隨位置而變化，各點的傳

43、熱溫度差不同。各點的傳熱溫度差不同。第44頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程452、并流和逆流：、并流和逆流：（2 2）逆流：傳熱面兩側的逆流：傳熱面兩側的冷熱冷熱流體的流動方向相反。流體的流動方向相反。（1 1）并流：傳熱面兩側的冷熱流體流動方向相同。）并流：傳熱面兩側的冷熱流體流動方向相同。 冷流體的出口溫度總是低于熱流體出口溫度。冷流體的出口溫度總是低于熱流體出口溫度。 冷流體的出口溫度可能高于熱流體的出口溫度。冷流體的出口溫度可能高于熱流體的出口溫度。 換熱推動力都較大、均勻、總強度大。換熱推動力都較大、均勻、總強度大。 換熱推動力前大后小，換熱速率前快后慢。換熱推動力前大后

44、小，換熱速率前快后慢。 利用熱量更充分。利用熱量更充分。T1t1T2t2t1t2溫度溫度傳熱面積傳熱面積并流傳熱并流傳熱T1t1T2t2t1t2溫度溫度傳熱面積傳熱面積T1t1T2t2t1t2溫度溫度傳熱面積傳熱面積逆流換熱（逆流換熱（t1t2）逆流換熱（逆流換熱（t1t2）第45頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程463、傳熱的平均溫度差的計算、傳熱的平均溫度差的計算（1 1）恒溫傳熱）恒溫傳熱t(yī)Tt （2 2）定態(tài)的變溫傳熱）定態(tài)的變溫傳熱111tTt222tTtT1t1T2t2t1t2傳熱面積傳熱面積dAdTdt1212lnmttttt 取傳熱微元，進行兩流體的熱量取傳熱微元，進

45、行兩流體的熱量衡算和傳熱量計算，可得：衡算和傳熱量計算，可得： 這就是這就是對數平均傳熱溫度差。對數平均傳熱溫度差。 用對數平均傳熱溫度差的傳熱計算。用對數平均傳熱溫度差的傳熱計算。mKA t第46頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程47lnmttttt大小大小 為便于計算，可改寫為下式：為便于計算，可改寫為下式： 當當t大大2 2t小小時，時，可用算術平均值代替。可用算術平均值代替。4、區(qū)別傳熱溫度差和流體溫度變化、區(qū)別傳熱溫度差和流體溫度變化傳熱溫度差傳熱溫度差流體溫度變化流體溫度變化t，tmt， t“兩種流體間，平均值兩種流體間，平均值同種流體同種流體傳熱推動力傳熱推動力換熱前后

46、溫度變化換熱前后溫度變化=KAt=KAtm m=mc=mct第47頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程48例例 在套管換熱器中，用一定量的熱流體將一定量的冷流在套管換熱器中，用一定量的熱流體將一定量的冷流體加熱，熱流體溫度由體加熱，熱流體溫度由120降到降到70 ，冷流體由，冷流體由20升升到到60試比較并流與逆流的傳熱溫差，如下圖所示。試比較并流與逆流的傳熱溫差，如下圖所示。T11200Ct1200Ct2600CT2700C(A)并流并流T11200Ct2600Ct1200CT2700C（B）逆流）逆流解：解： 并流傳熱時：并流傳熱時：熱流體熱流體 12012070 70 冷流體冷流

47、體 202060 60 tt大大=100 t=100 t小小=10 =10 lnmttttt大小大小100 10ln 100 1039.1 第48頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程49逆流傳熱時：逆流傳熱時：熱流體熱流體 12012070 70 冷流體冷流體 606020 20 tt大大=60 t=60 t小小=50 =50 lnmttttt大小大小6050ln 60 5054.8 逆流傳熱的傳熱推動力比并流時大。逆流傳熱的傳熱推動力比并流時大。 逆逆流時的流時的tm與算術平均值與算術平均值55相對誤差相對誤差0.36%0.36%。 在相同的傳熱條件下，完成相同的傳熱量，則：在相同的

48、傳熱條件下，完成相同的傳熱量，則：mmKAtKAt并并逆逆39.10.7154.8mmtAAt并逆并逆逆流所需的傳熱面積比并流時小。逆流所需的傳熱面積比并流時小。第49頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程50在列管換熱器中以流量為在列管換熱器中以流量為1kg/s，溫度為，溫度為20 C的冷卻水使的冷卻水使流量為流量為2.1kg/s的空氣從的空氣從130 C冷卻到冷卻到70 C。水在管內，空。水在管內，空氣在管間，逆流流動，忽略垢層及管壁熱阻。已知：氣在管間，逆流流動，忽略垢層及管壁熱阻。已知： 水水2500W/(m2K)， 空空=50W/(m2K)，Cp水水=4.2kJ/(kg.K).

49、K)，Cp空空=1kJ/(kgK)K)。求換熱器的傳熱面積。求換熱器的傳熱面積。例：例：解：解： 換熱速率為換熱速率為 2112121212500 5049.0211250050KW m K 設換熱后的水溫為設換熱后的水溫為x x C C，則有，則有：=qm水Cp水t水=1 4.2 （t-20)=126t=126/4.2+20=50 C=qm空氣Cp空氣t空氣=2.11(130-70)=126kW第50頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程51逆流傳熱：逆流傳熱： 熱流體熱流體 13013070 70 冷流體冷流體 505020 20 tt大大=80 t=80 t小小=50 =50 80

50、5063.83ln 80 50lnmtttKtt大小大小mKA t 由 得得2126 100040.349.02 63.83mAmK t即換熱器的換熱面積應為即換熱器的換熱面積應為40.3m2第51頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程525、并流與逆流傳熱的比較：、并流與逆流傳熱的比較：（1）逆流換熱的優(yōu)點：）逆流換熱的優(yōu)點：（2）并流換熱的優(yōu)點：）并流換熱的優(yōu)點： 傳熱推動力大，傳熱強度高。傳熱推動力大，傳熱強度高。 冷流體的出口溫度可高于熱流體的出口溫度。冷流體的出口溫度可高于熱流體的出口溫度。 熱量利用率高，節(jié)約傳熱介質。熱量利用率高，節(jié)約傳熱介質。 前期前期tm大大，后期后期t

51、m小，適合于如放熱反小，適合于如放熱反 應的熱量轉移等一些特殊場合。應的熱量轉移等一些特殊場合。 并流的并流的冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口 溫度，可用于控制某一流體的過熱或過冷。溫度，可用于控制某一流體的過熱或過冷。第52頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程53四、強化傳熱過程的途徑：四、強化傳熱過程的途徑：（1） 增大傳熱面積增大傳熱面積（2） 提高傳熱溫差提高傳熱溫差（3） 提高傳熱系數提高傳熱系數三個方面三個方面mKA t第53頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程541、用螺紋管或螺旋槽管用螺紋管或螺旋槽管傳熱量的增加率低于傳熱

52、面積的增加率。傳熱量的增加率低于傳熱面積的增加率。增加傳熱面積一般是指增大單位體積內的傳熱面積。增加傳熱面積一般是指增大單位體積內的傳熱面積。園管外表面上加螺旋翅片園管外表面上加螺旋翅片反應釜內加浸沒式蛇管。反應釜內加浸沒式蛇管。多孔物質結構多孔物質結構采用小直徑管采用小直徑管第54頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程552、（1）采用逆流操作；）采用逆流操作；（2）增加熱流體的溫度；）增加熱流體的溫度； 增加水蒸汽的壓力；增加水蒸汽的壓力； 采用其它熱介質如：油、熔鹽等；采用其它熱介質如：油、熔鹽等；（3）降低冷流體的溫度；）降低冷流體的溫度； 增加冷卻水的用量，或降低冷卻水的溫度；

53、增加冷卻水的用量，或降低冷卻水的溫度； 降低氨的蒸發(fā)壓強及溫度；降低氨的蒸發(fā)壓強及溫度；（4）要綜合考慮；）要綜合考慮； 蒸汽壓力高，對設備要求也高。蒸汽壓力高，對設備要求也高。 冷卻水溫受氣溫限制，增加流，運行費用會增加。冷卻水溫受氣溫限制，增加流，運行費用會增加。第55頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程56第56頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程573、1K一般金屬壁較薄，導熱系數大，熱阻小，可忽略，則一般金屬壁較薄，導熱系數大，熱阻小，可忽略，則1K1212 若若1211121K 12K若若121212K 若兩個若兩個相差較大時，相差較大時，K小于且接近于較小的一個。

54、小于且接近于較小的一個。要提高總傳熱系數，關鍵是要增加較小的一個。要提高總傳熱系數，關鍵是要增加較小的一個。第57頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程58(1) 提高提高1 12 2 ，特別是較小的那個，特別是較小的那個 值；值；(2) 減小垢層熱阻。減小垢層熱阻。 增加流速增加流速v ，增大流體的湍動程度；，增大流體的湍動程度； 反應釜中加攪拌；反應釜中加攪拌； 改變流體流動方向，殼程加擋板等；改變流體流動方向，殼程加擋板等；0.80.40.30.023dvcd0.60.7 采用導熱系數大的流體。采用導熱系數大的流體。 采用大的流速等條件防止垢層生成。采用大的流速等條件防止垢層生成。

55、 定時除垢。定時除垢。(3) 有相變時，控制為滴狀冷凝和泡核沸騰。有相變時，控制為滴狀冷凝和泡核沸騰。 控制溫度差在泡核沸騰的范圍?？刂茰囟炔钤谂莺朔序v的范圍。 蒸汽中加入有機物等。蒸汽中加入有機物等。第58頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程5910、12、16、18、21、25作業(yè)：作業(yè)：第59頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程60第五節(jié)第五節(jié) 熱交換器熱交換器按用途分為：按用途分為：加熱器加熱器冷卻器冷卻器冷凝器冷凝器按結構分為：按結構分為：管式換熱器：列管式、蛇管、套管管式換熱器：列管式、蛇管、套管板式換熱器：波紋板式、螺旋板式板式換熱器：波紋板式、螺旋板式夾套式：夾套反應釜夾套式：夾套反應釜第60頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程61一、列管式熱交換器一、列管式熱交換器1、（1）園形殼體，長）園形殼體，長/徑徑=610；（2）平行管束；）平行管束；第61頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程62（4）封頭，用法蘭連接；）封頭，用法蘭連接；（5）折流板，園缺形；）折流板，園缺形；（3）花板，布管方式；）花板，布管方式；第62頁/共71頁2022-2-7第四章 傳熱過程632、熱膨脹的補償措施熱膨脹的補償措施（1）膨脹圈：殼體上滾壓而成。）膨脹圈：殼體上