化學(xué)工程基礎(chǔ)

節(jié)概述節(jié)傳導(dǎo)傳熱節(jié)對流傳熱節(jié)熱交換的計(jì)算2021/5/91第一節(jié)概述一、化工生產(chǎn)中的傳熱過程1、化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)要控制適宜的溫度范圍：（1）放熱反應(yīng)的熱量要通過換熱移除。（2）吸熱反應(yīng)需提供足夠的熱量。（3）反應(yīng)原料要預(yù)熱，產(chǎn)物要冷卻。2、很多化工單元操作是在換熱條件下進(jìn)行的：蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、精餾等。3、節(jié)約能源，合理使用能源：（1）熱流體保溫、低溫條件的保持。（2）生產(chǎn)中余熱、廢熱的有效利用。2021/5/92二、傳熱的基本方式1、傳導(dǎo)傳熱：物體溫度較高的分子因熱而振動(dòng)，并與相鄰分子碰撞，而將能量傳遞給相鄰分子，順序地將熱量從高溫向低溫部分傳遞。

特點(diǎn)：沒有分子的宏觀相對位移。2、對流傳熱：由于流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)位置并相互碰撞，能量較大的質(zhì)點(diǎn)與能量較低的質(zhì)點(diǎn)相互混合，使熱量從高溫向低溫傳遞。

自然對流：溫度差，密度差，自然移動(dòng)。

強(qiáng)制對流：外力(攪拌等)使流體質(zhì)點(diǎn)相對位移。2021/5/93第四章傳熱過程3、輻射傳熱：熱物體以波的形式向四周散發(fā)輻射能，輻射遇到另外的物體時(shí)，被全部或部分地吸收并重新轉(zhuǎn)變成熱能的傳熱方式。

溫度越高，輻射出去的熱能越大。

不用任何介質(zhì)作媒介。實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱，并非單獨(dú)以某種方式進(jìn)行，往往是多種方式同時(shí)進(jìn)行。2021/5/94三、傳熱中的一些基本物理量和單位1、熱量Q：單位：kg·m2·s-2，Nm，J，cal，kcal1cal=4.186J2、傳熱速率Φ(熱流量：單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。單位：W，kcal·h-11kcal·h-1=1.163W3、傳熱強(qiáng)度q：單位：W·m-2

，kg·s-3單位時(shí)間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。2021/5/956、潛熱：單位量（質(zhì)量或物質(zhì)的量）物質(zhì)在發(fā)生相變時(shí)伴隨的熱量變化。單位：J

·kg-1，J

·moj-1汽化熱、冷凝熱、升華熱、溶解熱、結(jié)晶熱等計(jì)算：Q=ΔH·m或Q=ΔHm·n4、恒壓比熱容cp、cpm：單位量物質(zhì)恒壓下升溫1K所需熱量。單位：cpJ·kg-1

·K-1

cpm

J·mol-1

·K-1

5、顯熱：單位量（質(zhì)量或物質(zhì)的量）物質(zhì)在等壓時(shí)變溫伴隨的熱量變化。單位：J計(jì)算：Q=m·cp·

Δt

或Q=n·cpm·

Δt潛熱和顯熱的區(qū)別：相變，溫變2021/5/96四、定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱1、定態(tài)傳熱：傳熱面上各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間改變的傳熱。只考慮傳熱面上某一點(diǎn)的情況，各點(diǎn)溫度可不同。定態(tài)傳熱時(shí)，單位時(shí)間的傳熱量Φ不變。連續(xù)穩(wěn)定的操作時(shí)大多是定態(tài)傳熱。2、非定態(tài)傳熱：傳熱面上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的傳熱。非定態(tài)傳熱時(shí)，不同的單位時(shí)間的傳熱量不同。間歇操作時(shí)大多是非定態(tài)傳熱。2021/5/97第二節(jié)傳導(dǎo)傳熱一、熱傳導(dǎo)基本方程式----傅立葉定律1、傅立葉定律：對于微元：引入比例系數(shù)：

負(fù)號(hào)是因?yàn)闊崃總鬟f方向與溫度升高方向相反。

比例系數(shù)λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W·m-1·k-1,J·m-1·k-1·s-1

dt/dδ：溫度梯度，K/m；2021/5/98導(dǎo)熱系數(shù):是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物理性質(zhì)之一。一般來說：

λ金屬>λ非金屬固體>λ液體>λ氣體.導(dǎo)熱系數(shù)λ的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好λ的物理意義為：當(dāng)溫度梯度為1K/m時(shí)，每秒鐘通過1m2的導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，其單位為W/m·K或W/m·℃。金屬2.3～420w/m·K建筑材料0.25～3w/m·K液體0.09～0.6w/m·K

氣體0.006～0.4w/m·K2、導(dǎo)熱系數(shù)：λ數(shù)值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度等有關(guān)。λ數(shù)值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關(guān)。2021/5/99質(zhì)地均勻的固體:λ=λ0(1+at)λ0為00C時(shí)固體的導(dǎo)熱系數(shù),a為溫度系數(shù).液體混和物:λ=k(λ1w1+λ2w2+……

)w1,w2,----各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)λ1,λ2,----各組分的導(dǎo)熱系數(shù)K--常數(shù),對一般混和物或溶液為1.0,對有機(jī)物的水溶液為0.9氣體混和物:x1,x2…各組分的摩爾分?jǐn)?shù)M1,M2…各組分的相對分子量2021/5/910二、平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)1、單層平面壁的熱傳導(dǎo):在定態(tài)的條件下,傳熱量不變，且兩壁面的溫度不隨時(shí)間而變.移項(xiàng)：積分：Δt：溫差，傳熱推動(dòng)力，K

R=δ/(Aλ)：傳熱阻力，熱阻，K/W2021/5/911δ2δ1δ3AΦ厚度δ△t3△t2△t1t3t1t2t42、多層平面壁的熱傳導(dǎo):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：第二層：第三層：2021/5/912對定態(tài)傳熱：A1=A2=A3=A，Φ1=Φ2=Φ3=Φ上面三式相加：◆多層平面壁的傳熱速率Φ等于總推動(dòng)力Δt除總熱阻R?！舳鄬悠矫姹诘目偀嶙鑂為各層熱阻之和（相當(dāng)于串聯(lián)）?！舾鲗拥臏囟冉蹬c該層的熱阻成正比。2021/5/913例解：根據(jù)題意若爐灶的爐壁順序地由厚24cm的耐火磚(λ=0.90W.m-1.k-1)、12cm的絕熱磚(λ=0.20W.m-1.k-1)和24cm的建筑磚(λ=0.63W.m-1.k-1)砌成，傳熱穩(wěn)定后，耐火磚的內(nèi)壁溫度為940℃

，普通磚的外壁面溫度為50℃試求每秒鐘每平方米壁面?zhèn)鲗?dǎo)傳熱所散失的熱量，并求各磚層交界面的溫度。δ1=24cm，δ2=12cm，δ3=24cm，t1=940℃t4=50℃λ1=0.90W.m-1.k-1λ2=0.20W.m-1.k-1λ3=0.63W.m-1.k-1求：q=?，t2，t32021/5/914由得℃

℃

℃

℃

℃

123δ0.240.120.24λ0.900.200.63Δt190.2428271.8◆絕熱磚層最薄，溫差最大，導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻最大。2021/5/9151、單層圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱圓筒壁傳熱面積和溫度都隨圓筒壁的半徑而變化.傅立葉定律應(yīng)寫為:移項(xiàng)積分:三、圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱rr1r2lt1.t2dt△tΦΦdr2021/5/916

δ=r2-r1為圓筒壁厚度。

rm為圓筒壁的對數(shù)平均半徑：當(dāng)r2/r1<2時(shí)可用算術(shù)平均半徑代替：rm=(r1+r2)/2

Am為圓筒壁的平均傳熱面積：Am=2πrml2021/5/9172、多層圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱根據(jù)：第一層第二層第三層三式相加2021/5/918整理：同樣令：傳熱速率與推動(dòng)力成正比，與熱阻成反比。注意各層直徑或半徑的取值。2021/5/919第三節(jié)對流傳熱因流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)而形成的對流還有兩種:對流傳熱:是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的,與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān).自然對流:因流體本身各質(zhì)點(diǎn)溫度不同,引起密度差異而形成的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng).強(qiáng)制對流:借助于機(jī)械攪拌或機(jī)械作用而引起的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng).2021/5/920一、對流傳熱的機(jī)理:1、機(jī)理靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層，溫度梯度較大。過渡層中，溫度發(fā)生了緩慢的變化。湍流主體中，各處的溫度基本相同。對于湍流流體：傳熱邊界層：靠近壁面，有明顯的溫度梯度的流體層，包括滯流內(nèi)層和過渡層。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。2021/5/9212、牛頓傳熱方程當(dāng)湍流主體的溫度為t1的流體向溫度為t2的壁面對流傳熱時(shí),傳熱速率Φ與流體主體和壁面間的溫差(t1-t2)及壁面面積A成正比,即α：傳熱膜系數(shù)，也叫傳熱分系數(shù)、給熱系數(shù)。對穩(wěn)定傳熱過程:α的單位：W.m-2.k-1

或J/(m2.k.s)α的物理意義：流體主體與壁面度差為1K時(shí),每秒通過1m2壁面所傳給流體(或由流體給出)的熱量。2021/5/922二、對流傳熱膜系數(shù):1、影響傳熱膜系數(shù)的因素:(2)流體的流動(dòng)形態(tài)和對流情況；(4)傳熱的溫度和溫度差；(5)流體傳熱的相變化；(6)壁面的形狀、排列方式和尺寸。(3)流體的性質(zhì)：λ、ρ、μ、c、β等物理性質(zhì)；(1)流體的種類：液體、氣體、蒸汽；2021/5/9232、傳熱過程的幾個(gè)相關(guān)特征數(shù)：格拉曉夫數(shù)：自然對流對換熱的影響。Gr普朗特?cái)?shù)：流體的物理性質(zhì)對換熱的影響。Pr雷諾數(shù)：流體流動(dòng)狀態(tài)對換熱的影響。Re努塞爾數(shù)：流體的導(dǎo)熱系數(shù)與換熱器壁幾何尺寸對換熱的影響。Nu特征數(shù)的物理意義特征數(shù)形式特征數(shù)◆Nu、Re、Pr應(yīng)用于對流傳熱?！鬐r應(yīng)用于受熱引起的自然對流傳熱。2021/5/9243、傳熱膜系數(shù)的特征關(guān)系式：（1）適用于圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流當(dāng)流體被冷卻時(shí)：當(dāng)流體被加熱時(shí)：通過量綱分析，可獲得傳熱膜系數(shù)的一些特征數(shù)關(guān)系式：◆適用于大多數(shù)氣體和粘度小于2倍水粘度的液體?！暨m用于圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流?！暨m用于列管間的流體，計(jì)算時(shí)d取de：2021/5/925◆定性溫度：可用對數(shù)平均或算術(shù)平均值?！粢后w被加熱時(shí)，t↑,μ↓,δ↓,α↑?！魵怏w被加熱時(shí)，t↑,μ↑,δ↑,α↓?！魧τ诟哒承缘牧黧w，加入校正因子c:加熱時(shí)：c=1.05冷卻時(shí)：c=0.95如：20℃的有機(jī)液體Pr：2~20；

20℃的水Pr：7.01Pr<1，指數(shù)大，α小，如20℃的空氣Pr：0.71Pr>1，指數(shù)大，α大。2021/5/926（2）自然對流傳熱(蛇管或器壁)Gr·Pr＜500(滯流)Gr·Pr＞2×107(湍流)500＜Gr·Pr＜2×107(過渡流)

計(jì)算時(shí)，定性溫度取壁面與流體溫度的平均值。（3）帶攪拌的反應(yīng)釜

D為反應(yīng)釜的內(nèi)徑。

d：攪拌槳的直徑，n：攪拌轉(zhuǎn)數(shù)。2021/5/9274、沸騰和冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)：（1）沸騰傳熱由傳熱面與液體間的溫差不同分為：泡核沸騰強(qiáng)烈的泡核沸騰膜狀沸騰前面討論的是無相變時(shí)的α,沸騰和冷凝是相變過程?！舴序v傳熱時(shí)，α值總是較大?！魧ζ莓a(chǎn)生有影響的因素都對α有影響?！魧Ζ林档挠绊懸蛩睾芏?，難以計(jì)算，一般都有采用實(shí)驗(yàn)值、經(jīng)驗(yàn)值?！羲序v傳熱的α值：1000~30000W·m-2·K-12021/5/928（2）冷凝傳熱：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，液膜在重力作用下聚厚而流下，這種冷凝稱為膜狀冷凝。

冷凝傳熱的傳熱膜系數(shù)比沸騰傳熱還要大。

發(fā)生相變時(shí)的α值很大，熱阻很小，往往可以忽略。

蒸汽冷凝時(shí)，不凝性氣體的存在會(huì)使α值減小。膜狀冷凝α值：5~15kW·m-2·K-1滴狀冷凝α值：40~120

kW·m-2·K-12021/5/929第四節(jié)熱交換的計(jì)算一、總傳熱方程：化工生產(chǎn)中最常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁向冷流體傳熱的過程。管壁是傳導(dǎo)傳熱，兩側(cè)是對流傳熱。2021/5/930在定態(tài)條件下，Φ1=Φ’=Φ2=Φ,上面三式相加可得：熱流體一側(cè)：1、總傳熱方程：間壁：冷流體一側(cè)：2021/5/931第四章傳熱過程對于平面壁，A1=A2=A2、平面壁的總傳熱方程：其中：W·m-2·K-1對復(fù)合傳熱壁：2021/5/9323、園筒壁的總傳熱方程：若傳熱間壁為園筒壁，則：熱流體間壁：冷流體三式相加得：2021/5/933◆其中◆若α1α2相差較大，可選α較小的一側(cè)r作rm?！羧魣@筒壁是復(fù)合壁，則為或◆一般的傳熱壁都較薄，此時(shí)r1≈r2≈rm,則這也就是平面壁的計(jì)算公式。2021/5/934二、傳熱系數(shù)的大致范圍相對大?。簹鈿?、氣液＜液液＜一側(cè)相變＜兩側(cè)相變2021/5/935三、傳熱溫差1、定態(tài)恒溫傳熱和定態(tài)變溫傳熱：（1