項(xiàng)目三傳熱任務(wù)一認(rèn)識(shí)傳熱課件

1、項(xiàng)目三 傳熱 項(xiàng)目三 傳熱 1.掌握傳熱的基本概念與基本理論；2.理解傳熱原理及傳熱的過程；3.熟悉傳熱設(shè)備結(jié)構(gòu)；4.熟悉傳熱裝置流程及儀表；5.掌握傳熱的計(jì)算；6.掌握傳熱裝置的仿真操作和實(shí)際運(yùn)行操作技能；7.掌握常見異?，F(xiàn)象的判別及處理方法。知識(shí)目標(biāo)與技能目標(biāo)1.掌握傳熱的基本概念與基本理論；知識(shí)目標(biāo)與技能目標(biāo)任務(wù)一 認(rèn)識(shí)傳熱任務(wù)一 認(rèn)識(shí)傳熱任務(wù)導(dǎo)入某工廠為避免鍋爐低溫硫腐蝕，需用高溫水蒸汽加熱冷空氣，提高空氣預(yù)熱器入口的空氣溫度至50。要求設(shè)計(jì)一個(gè)方案滿足上述要求。任務(wù)導(dǎo)入冷空氣的溫度要升高，需從高溫水蒸汽中吸收熱量，即發(fā)生熱量傳遞過程。在傳熱的過程中依據(jù)什么原理，采用什么設(shè)備及通過怎樣

2、的流程升溫從而完成傳熱的任務(wù)呢？因此我們必須掌握相關(guān)的傳熱原理、傳熱的方法、傳熱的相關(guān)設(shè)備及工藝流程等相關(guān)知識(shí)。任務(wù)分析冷空氣的溫度要升高，需從高溫水蒸汽中吸收熱量，即發(fā)生熱量傳遞一、傳熱基礎(chǔ)知識(shí) 熱量傳遞總是自高溫處至低溫處傳遞。傳熱的方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、熱輻射三種。知識(shí)鏈接一、傳熱基礎(chǔ)知識(shí) 熱量傳遞總是自高溫處至低溫處傳遞。傳加熱或冷卻換熱 保溫1.傳熱在化工中的應(yīng)用 傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中可占到40%左右。 加熱或冷卻1.傳熱在化工中的應(yīng)用 傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中削弱傳熱過程 2.化工生產(chǎn)過程對(duì)傳熱過程的要求 強(qiáng)化傳熱過程削弱傳熱過程 2.化工生產(chǎn)過程對(duì)傳熱過程的要求 強(qiáng)化傳

3、熱過3.傳熱過程冷熱流體的接觸方式（1）直接接觸式(混合式傳熱)液體氣體3.傳熱過程冷熱流體的接觸方式（1）直接接觸式(混合式傳熱)（2）蓄熱式結(jié)構(gòu)較簡單耐高溫低溫流體高溫流體設(shè)備體積大有一定程度的混合缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（2）蓄熱式結(jié)構(gòu)較簡單低溫流體高溫流體設(shè)備體積大缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（3）間壁式 傳熱面為內(nèi)管壁的表面積 套管換熱器（3）間壁式 傳熱面為內(nèi)管壁的表面積 套管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流體t1t2列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流間壁式傳熱的3步驟： a .熱流體靠對(duì)流傳熱將熱量Q傳給金屬壁一側(cè)給熱； b.熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)

4、的形式傳至另一側(cè)導(dǎo)熱； c. 熱量以對(duì)流傳熱形式從壁面?zhèn)鹘o冷流體給熱。間壁式傳熱的3步驟： a .熱流體靠對(duì)流傳熱將熱量4.熱載體及其選擇 加熱劑：熱水、飽和水蒸氣 礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等 用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等 冷卻溫度30C 水 加熱溫度180C 飽和水蒸氣4.熱載體及其選擇 加熱劑：熱水、飽和水蒸氣冷卻劑：水、空氣熱傳導(dǎo)機(jī)理：又稱導(dǎo)熱，借助物質(zhì)的分子、原子或自由電子的運(yùn)動(dòng)將熱量從物體溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位的過程。熱傳導(dǎo)可發(fā)生在物體內(nèi)部或直接接觸的物體之間。熱傳導(dǎo)過程中，沒有物質(zhì)的宏觀位移。熱傳導(dǎo)不僅發(fā)生在固體中，也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。二、傳

5、熱機(jī)理（一）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)機(jī)理：二、傳熱機(jī)理（一）熱傳導(dǎo)1傅立葉定律傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律，表達(dá)式式中 Q導(dǎo)熱速率，J/s或W； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK）； A垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積，m2； dt/dx溫度梯度，是導(dǎo)熱方向上溫度的變化率。 由于導(dǎo)熱方向?yàn)闇囟认陆档姆较?，故右端加一?fù)號(hào)。1傅立葉定律傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律，表達(dá)式式中 2導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個(gè)物性參數(shù)，越大，導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱性能的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓力等有關(guān)。 物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常由實(shí)驗(yàn)測定。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值差別極大，一般而言，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最

6、小。工程上常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可從有關(guān)手冊中查得。2導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個(gè)物性3傅立葉定律的工業(yè)應(yīng)用 工業(yè)生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。設(shè)圓筒壁的內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長度為l，圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變。若圓筒壁內(nèi)、外表面溫度分別為tw1和tw2，且tw1tw2。若在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的薄層圓筒，其傳熱面積可視為常量，等于2rl；同時(shí)通過該薄層的溫度變化為dt根據(jù)傅立葉定律通過該薄層的導(dǎo)熱速率可表示為3傅立葉定律的工業(yè)應(yīng)用 工業(yè)生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中分離變量積分并整理得單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式 :導(dǎo)熱速率可表示為傳熱推動(dòng)力與傳熱

7、阻力之比:則圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻R為令圓筒壁平均面積Am為:rm圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，m；分離變量積分并整理得單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式 :導(dǎo)熱速率可表整理可得式中 圓筒壁的厚度，m； R= 單層圓筒壁導(dǎo)熱熱阻，K/W。 整理可得式中 圓筒壁的厚度，m；（二）對(duì)流傳熱1.對(duì)流 對(duì)流，又稱給熱，是指利用流體質(zhì)點(diǎn)在傳熱方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過程。 根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因不同，又可分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。 強(qiáng)制對(duì)流：流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由外力作用（如泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等）而引起的； 自然對(duì)流：流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異而引起的。 流體在發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，往

8、往伴隨著自然對(duì)流，但一般強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)度比自然對(duì)流的強(qiáng)度大得多。（二）對(duì)流傳熱1.對(duì)流2.對(duì)流傳熱的分析2.對(duì)流傳熱的分析湍流主體:流體質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)劇烈，傳熱溫度差極小，各處的溫度基本相同，傳熱方式主要為對(duì)流，其熱阻很小，傳熱速度極快。層流底層:在傳熱方向上沒有質(zhì)點(diǎn)位移，傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)，傳熱溫度差大，熱阻大。過渡層：傳熱方式既有對(duì)流又有熱傳導(dǎo)，有一定的溫度差及熱阻。 對(duì)流傳熱熱阻主要集中在層流內(nèi)層中，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。湍流主體:流體質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)劇烈，傳熱溫度差極小，各處的溫度基本相3.對(duì)流傳熱基本方程牛頓冷卻定律 式中 Q 對(duì)流傳熱速率，W； 對(duì)流傳熱膜系數(shù)，W（m

9、2K）; A對(duì)流傳熱面積，m2； t流體與壁面間溫度差的平均值，K; R1/（ ）對(duì)流傳熱熱阻，K/W；3.對(duì)流傳熱基本方程牛頓冷卻定律 式中 Q 4.對(duì)流傳熱膜系數(shù) 對(duì)流傳熱膜系數(shù)反映了對(duì)流傳熱的強(qiáng)度，越大，說明對(duì)流強(qiáng)度越大，對(duì)流傳熱熱阻越小。氣體的 值最小，液體的 值次之,載熱體發(fā)生相變時(shí)的 值最大。 4.對(duì)流傳熱膜系數(shù) 對(duì)流傳熱膜系數(shù)反映了對(duì)流傳熱的（1）對(duì)流的形成原因 影響對(duì)流傳熱膜系數(shù)的因素有以下方面：（2）流體的性質(zhì) （3）相變情況（4）流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（5）傳熱壁面的形狀、位置及長短等（1）對(duì)流的形成原因 影響對(duì)流傳熱膜系數(shù)的因素有以下方面：（1）無相變時(shí)對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式由于

10、影響 的因素很多，要建立一個(gè)通式求各種條件下的 是不可能的。通常是采用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)法獲得各種條件下 的關(guān)聯(lián)式。流體無相變傳熱時(shí)的對(duì)流傳熱膜系數(shù)的 關(guān)聯(lián)式為 Nu=ARemPrnGrh 使用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:應(yīng)用范圍特征尺寸定性溫度（1）無相變時(shí)對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式由于影響 的因素很多，特征數(shù)的名稱及意義 特征數(shù)的名稱及意義 無相變流體在圓直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的關(guān)聯(lián)式: A.低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度） 或 式中n的取值方法是：當(dāng)流體被加熱時(shí)，n0.4；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n0.3。 無相變流體在圓直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的關(guān)聯(lián)式: A.低粘度流體（應(yīng)用范圍：Re10000，0.7Pr120；

11、管長與管徑之比l/di60。若l/di60，將由式（2-10a）算得的乘以1（di/ l）0.7加以修正。特征尺寸l：取管內(nèi)徑di。 定性溫度： 取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 應(yīng)用范圍：B.高粘度液體 應(yīng)用范圍、特征尺寸及定性溫度與上式相同。 為粘度校正系數(shù)，當(dāng)液體被加熱時(shí)， 1.05；當(dāng)流體被冷卻時(shí)， 0.95。 B.高粘度液體 應(yīng)用范圍、特征尺寸及定性溫度與上式相同。 當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸時(shí)，蒸汽將釋放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體，發(fā)生在蒸汽冷凝和壁面之間的傳熱稱為冷凝傳熱。 定義:方式: 膜狀冷凝:冷凝液能夠潤濕壁面，在壁面上形成一層液膜；滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，在壁

12、面上形成許多小液滴。 （2）流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱 A.蒸汽的冷凝當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸時(shí)，蒸汽將釋放出潛熱，并在壁面A.沸騰給熱 概念:液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產(chǎn)生汽泡的過程稱為沸騰。 工業(yè)應(yīng)用:再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐A.沸騰給熱 概念:液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產(chǎn)生汽泡設(shè)備的尺寸與形狀 大容積沸騰 管內(nèi)沸騰(強(qiáng)制對(duì)流沸騰） 管內(nèi)液流的主體溫度是否達(dá)到相應(yīng)壓力下的飽和溫度 過冷沸騰：若液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱表面上有氣泡產(chǎn)生，稱為過冷沸騰 熱量的傳遞: 通過汽化冷凝過程實(shí)現(xiàn) 飽和沸騰：當(dāng)液流主體溫度達(dá)到飽和溫度，則離開加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)。這種沸騰稱為飽

13、和沸騰。 液體在加熱面上沸騰的分類: 設(shè)備的尺寸與形狀 大容積沸騰 管內(nèi)沸騰(強(qiáng)制對(duì)流沸騰） 管內(nèi)氣泡形成的條件: 過熱度：t=tWts 汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動(dòng)液層 沸騰給熱時(shí)，氣泡的生成和脫離對(duì)該薄層液體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，使熱阻大為降低。 沸騰給熱的熱阻集中于緊貼加熱表面的液體薄層內(nèi)。氣泡形成的條件: 過熱度：t=tWts 汽化核心生成汽大容積飽和沸騰曲線 AB段表面汽化階段 BC段核狀沸騰階段 2.2 C t55C CD段不穩(wěn)定膜狀沸騰階段 DE段穩(wěn)定膜狀沸騰階段 t250C t2.2C 55 C t250C 工業(yè)上：核狀沸騰優(yōu)點(diǎn)：大，

14、tW小大容積飽和沸騰曲線 AB段表面汽化階段 BC段沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施:強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）在核狀沸騰階段溫差提高， 液體的性質(zhì)溫差操作壓強(qiáng)新的、潔凈的、粗糙的加熱面加熱面強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施:強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、B. 冷凝給熱 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝B. 冷凝給熱 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝冷凝過程的熱阻:蒸汽冷凝的水平管束外式中 n水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：定性溫度：膜溫t=(t+tw)/2 管外徑do液膜的厚度冷凝過程的熱阻:蒸汽冷凝的水平管束外式中 n

15、水平湍流豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re1800特性尺寸l：定性溫度：膜溫 管外徑或板高H湍流豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re10m/s ）冷凝液,；潛熱r , 同向時(shí)， ；反向時(shí)， ； u 蒸汽過熱 冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列 包括冷卻和冷凝兩個(gè)過程。蒸汽過熱 冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂比較:膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，蒸汽的冷凝在液膜的表面進(jìn)行，冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。在滴狀冷凝過程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于沒有液膜阻礙熱流，故其 很大，是膜狀冷凝的十倍左右。工程上要保持滴狀冷凝是很

16、困難的。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經(jīng)過一段時(shí)間后，由于液珠的聚集，大部分都要變成膜狀冷凝。為了保持滴狀冷凝可采用各種不同的壁面涂層和蒸汽添加劑，但這些方法還處于研究和實(shí)驗(yàn)中。故在進(jìn)行冷凝計(jì)算時(shí)，為安全起見一般按膜狀冷凝來處理。 比較:膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，蒸汽的冷凝在液膜的表面進(jìn)行，輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。 特點(diǎn)： 能量傳遞的同時(shí)還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換； 不需要任何介質(zhì)。（三） 固體輻射1.基本概念輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。熱輻射：物體由于熱的原能量守恒定律：2.能量守恒定律的應(yīng)用 穿透率反射率吸收率能量

17、守恒定律：2.能量守恒定律的應(yīng)用 穿透率反射率吸收率 黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d = f(物體性質(zhì)、溫度、表面、輻射波長）固體、液體：氣體：r=0 a+d=1d=0 r+a=1a=1r=1d=1 黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d = f(物體性質(zhì)、3.物體的輻射能力 物體在一定溫度下，單位表面積，單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到），W/m2。 物體的單色輻射能力：物體在一定溫度下，發(fā)射某種波長的能力；以E表示，單位W/m3。輻射能與單色輻射能的關(guān)系：普朗克定律3.物體的輻射能力 物體在一定溫度下，單位表面0黑體輻射常數(shù)，=5.67 10-8W/(m2 .K4)；C0黑

18、體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2 .K4)斯蒂芬-波爾茨曼定律(1)輻射能力 四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感。4.黑體的輻射能力與吸收能力(2)吸收能力 a=1 0黑體輻射常數(shù)，=5.67 10-8W/(m2 .K5.實(shí)際物體的輻射能力與吸收能力(1).輻射能力物體的黑度： 1 說明： 黑度表示實(shí)際物體接近黑體的程度 影響物體黑度的因素 物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長 物體的黑度是物體的一種性質(zhì)，只與物體本身的情況有關(guān)，與外界因素?zé)o關(guān)，其值可用實(shí)驗(yàn)測定. 物體的黑度不單純是顏色的概念 以黑度表征5.實(shí)際物體的輻射能力與吸收能力(1).輻射能力物體的黑度：(2)吸收能力 特點(diǎn) a.

19、部分吸收 a1 b. 對(duì)不同波長的輻射能吸收的程度不同 c. 影響因素：物體本身的情況(物體種類，表面溫度，表面頭部等)，輻射物體的情況（即所輻射的波長） 結(jié)論：實(shí)際物體的吸收率a比黑度更復(fù)雜。(2)吸收能力 特點(diǎn) a. 部分吸收 a1 b. 對(duì)不6.灰體的輻射能力和吸收能力 (1)灰體 以相同的吸收率吸收所有波長的輻射能的物體。 灰體的吸收率不隨輻射線的波長而變。 灰體為不透熱體，即a+r=1 (2)灰體的特點(diǎn)(3) 灰體的吸收能力吸收率a克?；舴蚨?4)灰體輻射能力表征黑度6.灰體的輻射能力和吸收能力 (1)灰體 以相同的吸收7.兩固體間的相互輻射 任意放置的灰體1和2，其面積分別為A1和A2，表面溫度分別為T1和T2不變。兩灰體表面的輻射能力和吸收率分別為E1、E2和a1、a2 。系統(tǒng)黑度 7.兩固體間的相互輻射 任意放置的灰體1和2，式中Q12高溫物體1向低溫物體2傳遞的熱量，W； 1-2幾何因子或角系數(shù)； A輻射面積，m2； T1高溫物體的溫度，K