山東大學(xué)化工原理課件02傳熱

1、Unit Operations of Chemical Engineering 第二章 傳熱 Heat Transfer化工廠的換熱區(qū)2.1 概述傳熱的目的 加熱或冷卻物料到指定溫度減少熱損失保溫回收熱量換熱常用加熱劑（加熱介質(zhì)）？常用冷卻劑（冷卻介質(zhì)）？生活中的傳熱？2.1 概述一、熱量傳遞方式直接接觸式傳熱，如水蒸汽冷凝塔蓄熱式傳熱熱間壁式傳熱，化工生產(chǎn)中多是間壁式換熱器： 熱流體壁面一側(cè) 另一側(cè)冷流體 典型的間壁式換熱器 套管傳熱器 管殼式換熱器（列管傳熱器）典型的換熱設(shè)備管殼式換熱器 單程管殼式換熱器 雙程管殼式換熱器 1 2 3 3 6 6 5 445 7浮頭式換熱器2.1 概述二、

2、傳熱的基本方式（按機(jī)理的不同）導(dǎo)熱有溫差就有導(dǎo)熱。主要發(fā)生在固體、靜止流體以及無(wú)傳熱方向上的流動(dòng)的流體內(nèi)。其特點(diǎn)是無(wú)質(zhì)點(diǎn)位移對(duì)流依靠質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移傳熱。 自然對(duì)流各處溫度不同，由密度差引起的。 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制流體運(yùn)動(dòng)傳熱。輻射物質(zhì)依靠發(fā)射電磁波進(jìn)行傳熱。溫度較高時(shí)才比較明顯。Notes：固體內(nèi)部傳熱只能靠導(dǎo)熱；而流體與壁面間的換熱，往往既有對(duì)流又有導(dǎo)熱，總稱為對(duì)流傳熱過(guò)程。冷熱流體間的傳熱是一個(gè)過(guò)程。8兩相流體之間的傳熱過(guò)程熱流體將熱傳給內(nèi)管內(nèi)壁側(cè)(對(duì)流給熱)熱量由管內(nèi)壁傳遞到外壁側(cè)（導(dǎo)熱）管外壁面將熱傳遞給冷流體(對(duì)流給熱）化工中典型的傳熱過(guò)程是這樣的三、傳熱基本方程換熱器的衡量指標(biāo)：傳熱速率

3、單位時(shí)間通過(guò)傳熱面的熱量，用Q表示，單位：J/s或W熱通量或熱流密度單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱量，用q 表示，單位：J/m2s工程上習(xí)慣將傳熱速率表示為下列形式： 微分式：dQ= K dA (T-t) 積分式： Q= K A (tm) K傳熱系數(shù)；A傳熱面積； tm -傳熱推動(dòng)力典型的傳熱問(wèn)題傳熱基本方程？2.2 熱傳導(dǎo)一、 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 2.2 熱傳導(dǎo)二、基本概念Fouriers Law：與牛頓粘性定律類似導(dǎo)熱系數(shù)物理意義物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小影響因素導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)量級(jí)？導(dǎo)熱系數(shù)2.3 平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)假定：材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化等溫面是垂直于x軸的平壁面積與厚度相比是很

4、大的，邊緣處熱損失可略一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一維單層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱單層平壁x=0, t=t2x=, t=t1考慮隨溫度的變化， 取平均值。多層平壁導(dǎo)熱假定層與層間接觸良好，即相鄰壁面溫度相同。導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)多層平壁導(dǎo)熱速率方程推導(dǎo)圓筒壁的熱傳導(dǎo)假設(shè)：導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁，忽略兩熱損失，僅在徑向有熱傳遞。則傳熱為僅沿徑向方向的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。一維單層園筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱單層園筒壁r=r1, t=t2r=r2, t=t1一維單層圓筒壁導(dǎo)熱速率方程固體壁面熱傳導(dǎo)重點(diǎn)提示問(wèn)題的處理方法取微元體作熱量衡算，結(jié)合過(guò)程特征方程傅里葉定律，對(duì)方程積分求解。主要結(jié)論平壁、圓筒壁等導(dǎo)熱速率計(jì)算式重要觀點(diǎn) 速率等于推動(dòng)力與阻力

5、之比 推動(dòng)力之和 速率 = 總阻力之和穩(wěn)態(tài)傳熱，推動(dòng)力與阻力成正比保溫層厚度大于其臨界半徑時(shí)，保溫層越厚，散熱越少當(dāng)兩種或兩種以長(zhǎng)保溫材料同時(shí)適用時(shí)，一般導(dǎo)熱系數(shù)小的包在內(nèi)層，散熱量少。2.4 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱機(jī)理對(duì)流傳熱是指運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程，故對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。對(duì)流傳熱包括強(qiáng)制對(duì)流（強(qiáng)制層流和強(qiáng)制湍流）、自然對(duì)流、蒸汽冷凝和液體沸騰等形式的傳熱過(guò)程。處于層流狀態(tài)下的流體，在與流動(dòng)方向相垂直的方向上進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，由于不存在流體的旋渦運(yùn)動(dòng)與混合，故傳遞方式為熱傳導(dǎo)。處于湍流狀態(tài)下流體，由于流體的旋渦運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)混合強(qiáng)烈，傳熱方式主要是對(duì)流。但無(wú)論湍流程度多高，總

6、有一層流內(nèi)層存在，其傳熱方式仍為熱傳導(dǎo)。對(duì)流傳熱速率方程牛頓冷卻定律根據(jù)“速率等于推動(dòng)力除以阻力”，也等于某一系數(shù)乘以推動(dòng)力。 熱流體 dQ =ds (T-TW ) 冷流體dQ =ds (tW-t) 局部對(duì)流傳熱系數(shù)一般用平均對(duì)流傳熱系數(shù) Q= S t m t m 平均傳熱溫差 對(duì)流傳熱系數(shù)的求法根據(jù)牛頓冷卻定律，固體壁面與流體之間的對(duì)流傳熱速率為 dQ= ds (T-T w)對(duì)流傳熱速率Q的關(guān)鍵在于確定對(duì)流傳熱系數(shù)，但它的求算是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，它與流體的物理性質(zhì)、壁面的幾何形狀和粗糙度、流體的速度、流體與壁面間的溫度差等因素有關(guān)，一般很難確定。目前在工程實(shí)際中，求取湍流傳熱的對(duì)流傳熱系數(shù)大抵

7、有兩個(gè)途徑：一是應(yīng)用量綱分析方法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；二是應(yīng)用動(dòng)量傳遞與熱量傳遞的類似性，建立對(duì)流傳熱系數(shù)與范寧摩擦系數(shù)之間的定量關(guān)系，通過(guò)較易求得的范寧摩擦系數(shù)f來(lái)求取較難求得的對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素有無(wú)相變流體性質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)原因傳熱面的幾何特征傳熱準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號(hào)和含義努賽爾特?cái)?shù)(Nusselt number)Nu 表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)(Reynolds number)Re 表示慣性力與粘性力之比，是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtl number)Pr 表示速度邊界層和熱邊界層相對(duì)厚度的一個(gè)參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性格拉斯霍夫數(shù)(Grash

8、of number)Gr 表示由溫度差引起的浮力與粘性力無(wú)相變 對(duì)流傳熱系數(shù) 關(guān)聯(lián)式無(wú)相變對(duì)流傳熱分類無(wú)相變強(qiáng)制對(duì)流管內(nèi)流動(dòng)管外流動(dòng)直管彎管按直管計(jì)算乘以校正系數(shù)非圓管以當(dāng)量直徑代替直徑圓管公式垂直流過(guò)水平流過(guò)管子分布為錯(cuò)列管子分布為直列有擋板無(wú)擋板按非圓管計(jì)算管內(nèi)湍流過(guò)渡流按湍流計(jì)算乘以校正系數(shù)滯流很少見(jiàn)管內(nèi)強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱系數(shù)影響因素分析圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流 關(guān)聯(lián)式 流體加熱時(shí)主要影響因素分析流體物理性質(zhì)流速影響大，管徑影響較小有相變的對(duì)流傳熱系數(shù)相變包括蒸汽冷凝與液體沸騰蒸汽冷凝分為膜狀冷凝和滴狀冷凝膜狀冷凝冷凝液可完全潤(rùn)濕傳熱壁面，形成一層液膜覆蓋在壁面上。 相變熱阻很小，要將熱量傳給或傳出

9、壁面必須通過(guò)液膜，因此熱阻主要集中于液膜內(nèi)。滴狀冷凝冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面形成許多液滴，傳熱系數(shù)比膜狀冷凝高幾倍甚至幾十倍，熱阻比膜狀冷凝小得多。工業(yè)上大多為膜狀冷凝，為安全起見(jiàn)，換熱器的設(shè)計(jì)一般按膜狀冷凝考慮。沸騰傳熱沸騰傳熱包括大容積沸騰（池沸騰）管內(nèi)沸騰（管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰）多相流范疇液體沸騰狀況（以水沸騰為例）沸騰曲線液體沸騰大容積沸騰和管內(nèi)沸騰沸騰機(jī)理氣泡產(chǎn)生：氣泡內(nèi)部壓力大于周圍壓力（表面物理化學(xué)）液體必須過(guò)熱；加熱面具有汽化核心氣泡脫離沸騰給熱的熱阻與無(wú)相變傳熱一樣，主要在加熱面附近的層流內(nèi)層中。但由于沸騰的氣泡在壁面上的不斷產(chǎn)生和脫離，攪動(dòng)劇烈，使

10、熱阻大大降低，所以沸騰傳熱熱系數(shù)遠(yuǎn)大于無(wú)相變傳熱系數(shù)。沸騰曲線：自然對(duì)流：氣泡很少核狀沸騰：氣泡劇烈運(yùn)動(dòng)膜狀沸騰：壁面被汽膜覆蓋臨界溫度差：燒毀點(diǎn)沸騰傳熱液體沸騰的必要條件過(guò)熱度和汽化核心大容積沸騰的三種狀態(tài)自然對(duì)流核狀沸騰膜狀沸騰工業(yè)上沸騰傳熱一般控制在核狀沸騰操作。學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的重點(diǎn)掌握經(jīng)驗(yàn)公式的選用方法，注意公式三要素：適用范圍、特征尺寸、定性溫度。不同類型的換熱器，不同的傳熱情況，對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式不同，可查有關(guān)專著。學(xué)會(huì)用經(jīng)驗(yàn)公式指導(dǎo)理論分析2.5 輻射傳熱輻射的特征溫度大于 0 K，就有輻射無(wú)需傳遞介質(zhì)，同光的傳播氣體輻射，是容積過(guò)程固體、液體輻射，表面過(guò)程（1微米厚度內(nèi)）輻射

11、傳熱是指物體間凈的熱量交換研究途徑先討論單個(gè)物體的輻射能力，在討論物體間的輻射傳熱輻射的吸收、反射和透過(guò) Q=Q A +Q R +Q D 吸收率A A=1 黑體如沒(méi)有光澤的黑漆表面A=0.960.98透過(guò)率D D=1 透熱體 單原子、對(duì)稱雙原子構(gòu)成的氣體，一般可視為透熱體反射率R R=1鏡體或白體如表面磨光的銅，R=0.97灰體能以相等的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體 吸收率A不隨波長(zhǎng)變化 是不透熱體單個(gè)物體的輻射能力輻射能力E物體在一定溫度下，單位輻射面積、單位時(shí)間所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的能量，J/m2 s黑體的單色輻射能力隨波長(zhǎng)的變化符合普朗克(Plank)定律；對(duì)全波長(zhǎng)范圍內(nèi)能量積分得四次方定

12、律即斯蒂芬-波爾斯曼定律 Eb = C 0 (T/100)4 實(shí)際物體的輻射能力以黑度表示，黑度表示實(shí)際物體輻射能力與黑體輻射能力之比 E=Eb 灰體的輻射能力E=AEb A= （克?；舴蚨桑?.6 傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱計(jì)算類型設(shè)計(jì)型設(shè)計(jì)某些參數(shù)的選擇，如冷、熱介質(zhì)的選擇、流體進(jìn)口溫度的選擇、經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的取值等操作型預(yù)測(cè)計(jì)算某些參數(shù)的變化對(duì)換熱能力的影響 換熱器的校核，核算一現(xiàn)有的換熱器是否可完成指定的生產(chǎn)任務(wù)相關(guān)數(shù)學(xué)方程 熱量衡算式 傳熱速率式總傳熱系數(shù)計(jì)算式2.6 傳熱過(guò)程計(jì)算熱量衡算方程傳熱計(jì)算分析熱量衡算方程速率方程Key用速率的觀點(diǎn)分析問(wèn)題，傳熱的多少是由傳熱速率決定的，速率與熱負(fù)荷不同

13、傳熱面積的計(jì)算設(shè)計(jì)型問(wèn)題總傳熱系數(shù)K的來(lái)源計(jì)算選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，選擇類型、結(jié)構(gòu)類似的換熱器實(shí)測(cè)。計(jì)算舉例并流與逆流比較例：并流與逆流的比較 并流T1=90 T2=70 逆流T1=90 T2=70 t1=20 t2 = 60 t2 =20 t1 = 60 t m =31 t m =39逆流優(yōu)于并流逆流推動(dòng)力大于并流對(duì)于一定的熱流體（T1） 并流T1 T2 逆流T1 T2 t1 t2 t2max =T2 t2 t1 t2max =T1 因此 (t2-t1)逆 (t2 t1 )并 若換熱的目的為單純的冷卻，逆流所需冷卻介質(zhì)少 如換熱目的為回收熱量，則逆流溫差大利用價(jià)值大。采用并流的場(chǎng)合熱敏性物料避免高溫區(qū)，延長(zhǎng)換熱器的使用壽命 計(jì)算舉例分析某冷凝器，用冷水冷卻有機(jī)蒸汽，使其于80在管外冷凝，水溫由t1=20 升至t2=30 ,冷凝液W h=