化工基礎(chǔ) 第二章 傳熱過程.ppt

1、第二章傳熱過程，本章的重點(diǎn)是加強(qiáng)傳熱、對流傳熱、換熱器的核算、傳熱的途徑。 難點(diǎn)：傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱機(jī)理和基本方程。 在化工生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，隨時(shí)都會(huì)遇到傳熱問題。 例如，為了保證化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度下進(jìn)行，需要從外部對吸熱反應(yīng)供給熱量，而對于放熱反應(yīng)，在需要立即除去熱量的分離、精制的操作中，例如在精餾、蒸發(fā)、干燥等操作中，發(fā)生物質(zhì)相的變化，物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)， 需要吸收或釋放熱量，需要立即供給或取出熱量的預(yù)熱或冷卻過程中，材料需要供給或取出溫度變化時(shí)吸收或釋放的“顯熱”的這些熱傳遞過程簡稱為傳熱。 化工生產(chǎn)中的加熱爐和各種管道需要阻止保溫和傳熱，這也是傳熱的問題。 傳導(dǎo)、對流、輻射三種基本方式可

2、用于、熱的傳遞。 實(shí)現(xiàn)傳熱過程的設(shè)備類型(傳熱冷熱流體的接觸方式):直接混合傳熱(直接接觸式傳熱)、間壁式傳熱蓄熱式傳熱。 直接混合式傳熱(直接接觸式傳熱)、冷熱流體直接接觸傳熱，如真空蒸發(fā)操作中使水蒸氣通過混合冷凝器與冷卻水直接接觸冷凝，冷水從液封管中流出，只有非冷凝氣體從真空泵中抽出，保證一定負(fù)壓下的連續(xù)真空蒸發(fā)操作。 間壁式傳熱主要通過傳導(dǎo)、對流兩種方式傳熱。 在大多數(shù)情況下，在過程中冷熱流體不能直接接觸，在熱交換器中冷熱流體分別在隔壁的兩側(cè)流動(dòng)，熱從熱流體傳遞到冷流體。 蓄熱式傳熱主要通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式傳熱。 蓄熱式熱交換器由熱容量大的蓄熱室構(gòu)成，是在室內(nèi)填充耐火煉瓦等填充材

3、料，使熱流體通過蓄熱室加熱填充材料，之后通過冷流體，使加熱的蓄熱室加熱冷流體，謀求冷熱流體間的傳熱的傳熱方式。 這種傳熱方式適用于僅適用于氣體，允許少量物質(zhì)混合的情況。 在化工生產(chǎn)中，間壁式傳熱設(shè)備使用最多。 這種設(shè)備通常被稱為換熱器或換熱器。 在所有化工設(shè)備中換熱器約占安裝重量的40左右，需要了解傳熱機(jī)理、傳熱過程的影響因素、傳熱過程的強(qiáng)化或抑制、換熱設(shè)備的傳熱面積的修正，以及主要的幾個(gè)換熱器的基本結(jié)構(gòu)和性能。 1傳導(dǎo)熱、1-1傳導(dǎo)傳導(dǎo)熱也稱為熱傳導(dǎo)，通過物體內(nèi)的自由分子的運(yùn)動(dòng)和分子的振動(dòng)來傳導(dǎo)熱。 物體的熱部分的分子因振動(dòng)與相鄰的分子碰撞，通過將其動(dòng)能的一部分傳遞給后者，從物體的一部分向其

4、他部分傳遞熱能。 這種作用一直持續(xù)到整個(gè)物體的溫度完全相同為止。 在均勻(各部分的化學(xué)組成、物理狀態(tài)相同)的物體內(nèi)(圖2-1 )，熱傳導(dǎo)性地沿著方向n通過物體。 取熱流方向的微分長度，取瞬間的熱傳遞量。 實(shí)際上，證明了每單位時(shí)間的傳熱量與垂直于熱流方向的傳熱截面積a和溫度梯度成比例，(2-1)或(2-2)上式被稱為傳熱基本方程式或傅立葉定律。 通過圖2-1的壁面的熱傳導(dǎo)、在穩(wěn)定熱傳導(dǎo)時(shí)，熱傳導(dǎo)率q不隨時(shí)間變化，即，每單位時(shí)間的熱傳導(dǎo)量一定，因此在(2-3)式中： q每單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱、也稱為熱傳導(dǎo)率j的a熱傳導(dǎo)面積m2； 稱為比例系數(shù)、熱傳導(dǎo)率W/mK； 溫度梯度K/m表示熱流方向的溫度變化的

5、強(qiáng)度。 溫度梯度越大，表示熱流方向的每單位長度的溫度差也越大。式(2-1)、(2-2)、(2-3)的等號右邊的負(fù)號表示熱流方向與溫度梯度方向相反，即熱向溫度下降的方向傳遞(溫度上升，溫度梯度為正)。熱傳導(dǎo)率系溫度梯度為1 K/m、熱傳導(dǎo)面積為1 m2時(shí)，單位時(shí)間傳遞的熱量。 物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率的數(shù)值越大，表示該物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)。 因此，導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標(biāo)志，也是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。 通常，如果需要提高熱傳導(dǎo)率，可以選擇熱傳導(dǎo)率大的材料，相反，如果要降低熱傳導(dǎo)率，請選擇熱傳導(dǎo)率小的材料。 影響導(dǎo)熱率值的因素：物質(zhì)的化學(xué)組成物理狀態(tài)(固體導(dǎo)熱率大，氣體小)濕度(濕材料比干材料大)壓力(影響

6、氣體)溫度。 各種物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率可以用實(shí)驗(yàn)方法測定。 常溫常壓下一些物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率大致如下。 從右表的數(shù)據(jù)可知，金屬值最大，氣體值最小，一部分保溫材料的值小，是因?yàn)楸夭牧蟽?nèi)大部分的空間是空氣。 中的組合圖層性質(zhì)變更選項(xiàng)。 物料的熱導(dǎo)率值也隨溫度而變化。 但是，金屬和液體的熱傳導(dǎo)率的變化很小。 大多數(shù)液體的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的上升而減少(水和甘油除外)。 氣體的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大。 在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，氣體的熱傳導(dǎo)率和壓力的關(guān)系不大，只有在壓力大于2000氣壓或小于20mm水銀柱的情況下，熱傳導(dǎo)率才隨著壓力的增加而變大。 與工程修正算法相關(guān)的混合氣體和溶液的熱傳導(dǎo)率，一般應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)

7、來測定，如果沒有實(shí)驗(yàn)條件，也可以根據(jù)純粹的物質(zhì)數(shù)據(jù)來推定。 液體混合物的熱傳導(dǎo)率可以通過質(zhì)量加法來估計(jì)：式中：混合液和各成分的熱傳導(dǎo)率W/mK； 各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)k常數(shù)相對于一般的混合物或溶液為1.0，相對于有機(jī)物的水溶液為0.9。 氣體混合物的熱導(dǎo)率可以用摩爾加法估計(jì)：式中：氣體混合物和各成分的熱導(dǎo)率W/mK； I成分的摩爾分?jǐn)?shù)Mi i成分的摩爾質(zhì)量g/mol。 1-2平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)、平面壁的傳熱面積在傳熱方向上不變的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)、即每單位時(shí)間的傳熱量是一定的(即，與此時(shí)無關(guān)，每單位時(shí)間的傳熱量相同)。 圖2-1是厚度為a的單層平面壁熱傳導(dǎo)的示意圖。 在穩(wěn)定的情況下，每單位時(shí)間傳遞的熱由式

8、(2-3)可知，若取n為t，則能夠使用式(2-6a )和式(2-6b )兩者來修正單層平面壁的穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)。 q/是單位時(shí)間、單位面積的導(dǎo)熱量，稱為熱通量。 q是熱傳導(dǎo)率。 被認(rèn)為是熱傳導(dǎo)的阻力，簡稱為熱阻r。 (t1t2)是傳熱推進(jìn)力。 因?yàn)樯鲜绞嵌鄬悠矫姹诘姆€(wěn)定熱傳導(dǎo)：生產(chǎn)上常見的是多層平面壁，例如由耐火煉瓦、保溫?zé)捦吆退{(lán)煉瓦構(gòu)成的三層爐壁，如圖2-2所示。 由式(2-6b )可知，第一層(耐火煉瓦): 即第二層(保溫?zé)捦?: 第三層(藍(lán)煉瓦): 、相對于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)：因此式中：多層串聯(lián)壁的兩側(cè)n壁的層數(shù)I壁層的序數(shù)。 多層平面壁的熱傳導(dǎo)圖2-3單層圓筒壁，練習(xí)：某燃燒爐的平壁由三種材料構(gòu)成

9、，最內(nèi)層為耐火煉瓦，中間層為保溫?zé)捦撸鈱訛槠胀捦?，各層材料的厚度和熱傳?dǎo)率依次為1=225 mm，2=250 mm，2 0.15 W/(mK )； 3=225 mm毫米，30.8瓦/(千米)。 測定內(nèi)外表面溫度分別為930和40，求出了每單位面積的熱損失和各層間接觸面的溫度。 解： (1)每單位面積的熱損失為： (2)各層溫度差及各接觸面的溫度：(1)各種材料的每單位面積(即A=1 m2)的熱阻r； (2)燃燒爐的熱通量q/及熱傳導(dǎo)總溫度差(3)燃燒爐的平壁上各材料層的溫度差分布。補(bǔ)充例題如右圖所示，某燃燒爐的平壁由耐火煉瓦、絕熱煉瓦和建筑煉瓦3種材料構(gòu)成，各層材料的厚度和熱傳導(dǎo)率依次為1

10、=200 mm、11.2 W/(mK )即2=250 mm、2 0.15 W/(mK )； 3=200 mm毫米，30.85瓦/(千米)。 可知耐火煉瓦的內(nèi)側(cè)溫度t1為900，絕熱煉瓦和建筑煉瓦的接觸面上的溫度t3為280。 從多層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方面考慮，解：解： (1)每單位面積的熱阻為耐火煉瓦：絕熱煉瓦：建筑煉瓦： (2)在穩(wěn)態(tài)條件下通過各材料層的熱通量相等。 燃燒爐熱通量、燃燒爐熱傳導(dǎo)總溫差(3)各材料層的溫差分布、1-3圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)、化工生產(chǎn)中最常用的圓筒形設(shè)備熱傳導(dǎo)。 換熱器之類的管壁是最常見的圓筒壁。 圓筒壁的傳熱面積隨著圓筒半徑的增加而增加(平面壁的傳熱面積不變)。 在

11、圖2-3的單層圓筒壁上取厚度為dr的薄層，設(shè)距該薄層的軸線的距離為r，圓筒的長度為l，因此，圓筒內(nèi)壁r1和外壁r2的積分：式(2-8)是圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)修正公式。 在r2/r12的情況下，可以將壁厚、作為傳熱面積。 用平面壁熱傳導(dǎo)進(jìn)行修正，誤差為4。 在修正保溫問題時(shí)，由于絕熱材料被厚厚地包裹，所以像r2/r1那樣大，必須用圓筒壁修正。 對于例2-1熱交換器中的鋼管，已知管內(nèi)徑25 mm、管壁厚3.25 mm、管長5.00 m、管內(nèi)壁溫度373 K、管外壁溫度371 K、鋼的熱傳導(dǎo)率=49 W/mK的解為mm=0. 0125 m=12.53.25=15.75 mm=，多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，

12、或式中d圓筒直徑m。 補(bǔ)充例題：為了安全減少熱損失，在外徑140 mm的蒸汽管外包裹石棉保溫層。 石棉的=0.10.0002t W/m，式中t為攝氏溫度。 蒸汽管外壁溫度240要求將每米管長的熱損失抑制在300 W/m以下，保溫層外壁溫度在40以下。 試著求出保溫層的厚度以及保溫層中的溫度分布。 解： (1)保溫層的厚度(2)保溫層中的溫度分布保溫層中的半徑為r，設(shè)溫度為t，2對流傳熱、2-1對流傳熱是熱工業(yè)上常見的對流傳熱，可以從流體向固體壁(例如容器壁、導(dǎo)管壁等)傳熱，也可以從固體壁向周圍傳熱，從這樣的壁面向流體傳熱或者對流供熱是在流體對流過程中產(chǎn)生的，因此與流體的流動(dòng)有著密切的關(guān)系。 流

13、體在固體壁面流動(dòng)時(shí)形成流動(dòng)邊界層，即使邊界層內(nèi)存在速度梯度的流體達(dá)到紊流時(shí)，在靠近壁面的地方也始終存在一層流底層，流體在該層內(nèi)進(jìn)行層流運(yùn)動(dòng)。 因此，可知在該層內(nèi)也只能通過熱傳導(dǎo)(傳導(dǎo)熱)方式進(jìn)行熱傳導(dǎo)。 由于流體的導(dǎo)熱率小，層流基層的熱阻大，其中溫差大，即溫度梯度大。 在層流層的底層外，從過渡區(qū)到流出區(qū)(湍流主體)，通過流體質(zhì)點(diǎn)的位移和混合進(jìn)行傳熱，溫度的變化也逐漸變慢，到達(dá)流出區(qū)后溫度梯度幾乎消失。 為了便于處理對流傳熱問題，采用流動(dòng)邊界層的概念，將存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層，在傳熱邊界層之外，溫度梯度被認(rèn)為消失了。 流動(dòng)邊界層和傳熱邊界層的不同： (1)流動(dòng)邊界層表示流體的速度分布狀

14、況；(2)傳熱邊界層表示流體的溫度分布。 通常兩者的厚度也不相等，但只對氣體大致相等。綜上所述，對流傳熱是以層流底層的傳熱和層流底層外的流體質(zhì)點(diǎn)的相對位移和混合為主的傳熱的總稱。 為了便于處理，一般認(rèn)為對流傳熱相當(dāng)于通過厚度的傳熱邊界層的傳熱。 另一方面，在傳熱邊界層中，包含實(shí)際的層流基底層的厚度和相當(dāng)于層流基底層外的層流基底層的熱阻的假想的厚度(參照圖2圖4 )。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)實(shí)際上不存在，是為了處理問題的方便而假設(shè)的。 圖2-4流體的對流傳熱基于以上的與傳熱邊界層相關(guān)的概念，對對流傳熱進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，但由于壁面向冷流體傳熱時(shí)實(shí)際傳熱的熱邊界層的厚度難以測定，因此通過代入上式，同樣地，熱流體對壁面

15、施加熱的時(shí)式(2-11 )、式(用文字說明壁面溫度tw的固體對溫度t的周圍流體加熱時(shí)，傳熱速度q與壁面面積a和壁面與流體的溫度差(twt )成比例。 式中的a比例系數(shù)也稱為供熱系數(shù)，傳熱分系數(shù)。 由式(2-10a )得到其單位為W/m2K。 a的物理意義是在單位時(shí)間s或h、單位傳熱面積m-2中，溫度差為1 K時(shí)能夠傳遞的熱量j，因此也是對熱的強(qiáng)度的指標(biāo)。 實(shí)驗(yàn)表明，影響熱系數(shù)a的主要因素有：流體的種類、液體、氣體、蒸汽的供熱系數(shù)不同的流體的性質(zhì)密度()、比熱(c )、熱傳導(dǎo)率()、粘度()等流體運(yùn)動(dòng)狀況停滯，過渡流或湍流，即與速度w有關(guān)的流體對流狀況自然對流或強(qiáng)制對流傳熱壁的形狀、位置及大小的管、板或總結(jié)以上的影響因素，a可以用下式表示：2-2相變化沒有時(shí)的流體的供熱系數(shù)用因素