化工单元操作传热

LOGO模块四传热LOGO项目一概述一.传热过程在化工生产中的应用传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，LOGO为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热网络的综合；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。化工生产过程中对传热的要求有两种情况：（1）强化传热（2）削弱传热LOGO二.传热的基本方式根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。1.热传导：热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。特点：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。LOGO2.对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流和强制对流。自然对流：流体原来是静止的，但内部由于温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发生对流。强制对流：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流。LOGO3.辐射传热：又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。LOGO三、典型的传热设备1.间壁式换热器主要有套管式换热器和列管式换热器套管式换热器冷溶液进冷溶液出热溶液进热溶液出套管式换热器LOGO列管式换热器LOGO单程列管式换热器双程列管式换热器12336654457LOGO间壁式换热器热交换计算方程式Q=KAtm式中：Q--冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K--传热系数，W/（m2.℃)A--传热面积，m2;tm--平均传热温差，℃。上式称传热速率方程式或传热基本方程式。LOGO2.直接接触式传热在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。3.蓄热式换热这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。LOGO优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。LOGO四、热载体及其选择热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷却剂。（1）加热剂工业中常用的有热水（40～100℃）、饱和水蒸气（100～180℃）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180～540℃）、烟道气（500～1000℃）等；除此外还可用电来加热。LOGO用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制。（2）冷却剂工业中常用的有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4℃）等等。水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。LOGO五、稳定传热与不稳定传热稳定传热：在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳定传热。不稳定传热：在传热系统中温度分布随时间变化的传热过程称为不稳定传热。化工生产过程中的传热多为稳定传热。LOGO第二节热传导一、基本概念和傅立叶定律从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体导热机理各有不同。气体----温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热量传递；液体----液体中的分子比气体密集，分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导致热量传递；LOGO固体----相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递。这种碰撞和迁移，类似于分子运动。在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用，即良好的导电体也是良好的导热体。导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没有物质的宏观位移。1.温度场和等温面物体的温度分布是空间和时间的函数，即t=f(x、y、z、)LOGO温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布。稳定温度场是指在温度场内各点的温度分布不随时间而改变；不稳定温度场是指在温度场内各点的温度分布随时间而改变。等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的面称为等温面。温度不同的等温面彼此不会相交。LOGO2.温度梯度沿等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。ntnttgradn0limLOGO3.傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即：4.热导率热导率定义由傅立叶定律给出：一般金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。ntQdAdqtn/LOGO物质热导率的大致范围物质种类热导率纯金属金属合金液态金属非金属固体非金属液体绝热材料气体100～140050～50030～3000.05～500.5～50.05～10.005～0.5LOGO（1）固体的热导率对于固体:金属t,（高合金钢例外）非金属t,（冰例外）多数匀质固体和t有如下关系：)1(0at式中──t℃时的热导率，W/(m·℃)或W/(m·K)；0──0℃时的导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；a──温度系数，对大多数金属材料为负值（a0），对大多数非金属材料为正值（a0）。LOGO（2）液体的导热系数对于液体:t，（水、甘油例外）LOGO（3）气体的热导率对于气体:t，1-水蒸气2-氧3-二氧化碳4-空气5-氮6-氩LOGO二、平壁的稳定热传导1.单层平壁的稳定热传导假设：(1)平壁内温度只沿x方向变化，y和z方向上无温度变化，即这是一维温度场。(2)各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。导热系数为常数，对于稳态的一维平壁热传导，傅立叶定律可写为：LOGO过程传递速率=传热推动力/阻力平壁内的温度分布：xtAQdd边界条件为：当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2。积分得：210ttbAdtQdxAbttttAbQ2121)(沿壁厚方向温度分布为一直线。cxAQtLOGO二、多层平壁的稳定热传导工业上常遇到由多层不同材料组成的平壁,称为多层平壁,如图所示.假设层与层之间接触良好,即接触的两表面温度相同.由于各等温面的温度保持恒定,仍为一维稳态导热,通过各层的热流量均等于Q,则:LOGOAbttAbttAbttQ334322321121总热阻总推动力iiiiiiiRttAbttAbtQ413141推广到至n层niinniiinRttAbttQ111111＝＝LOGO例1：某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成：耐火砖b1=230mm，λ1=1.05W/(m·℃)；绝热砖b2=230mm，λ2=0.151W/(m·℃)；普通砖b3=240mm，λ3=0.93W/(m·℃)。若已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖接触处的温度为940℃，而绝热砖与普通砖接触处的温度不超过138℃，试问：（1）绝热层需几块绝热砖？（2）普通砖外侧温度为若干。LOGO解：q=1(t1-t2)/b1=1.05(1000-940)/0.23=273.9(W/m2)q=2(t2-t3)/b2b2=2(t2-t3)/q=0.151(940-138)/273.4=0.442(m)0.442/0.23=1.9所以需要2块绝热砖t4=34.9℃LOGO三、圆筒壁的稳定热传导1.单层圆筒壁的稳定热传导对于单层圆筒壁的傅立叶定律改写为：rtrLrtSQdd)(dd2边界条件为：r=r1,t=t1;r=r2,t=t221212ttrrrLdtQdr12211221122rrttLrrttLQln)(ln)(LOGO上式可改写为：其中Sm为对数平均面积热阻推动力RtAbttAAbAAttrrrrrrttlQm)(ln))((ln)())((221121221121212211212/lnAAAAAmLOGO对于多层圆筒壁：niiiinniinniiiinrrttLRttAbttQ11111111m11ln1)(2＝＝＝2.多层圆筒壁的稳定热传导LOGO注意：Q恒定，但q是变化的，故有例2：有一蒸汽管外径为50mm，管外包以两层保温材料，每层厚度均为25mm，外层与内层保温材料的导热系数之比为λ2/λ1=4，此时的热损失为Q。现将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与保温层外表面的温度均不变，则热损失为Q’。求Q’/Q，并说明何种材料放在里层为好。LOGO解：设管外壁与保温层外表面的温度分别为t1和t2r1=0.025m，r2=0.05m，r3=0.075mQ’/Q=1.44因此将保温性好的材料，即导热系数小的材料放在里层为好LOGO第三节对流传热一、对流传热方程对流传热分析根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为：（1）流体无相变的对流传热：强制对流传热、自然对流传热；（2）流体有相变的对流传热：蒸气冷凝、液体沸腾。对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。LOGO流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。湍流流动热边界层与流动边界层关系：湍流区：质点相互混合交换热量，t小。缓冲层：质点混合，分子运动共同作用，温度变化平缓。层流内层：导热为主，热阻大，温差大。LOGO(a)流体被平壁加热(b)流体被平壁冷却LOGO2.对流传热方程-牛顿冷却定律对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为δ1'的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部LOGO传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律：对流传热过程的计算，归结为如何获取。一般由实验测定，采用科学的试验方法。)(wttAQoLOGO二、对流传热系数1.影响对流传热系数的主要因素（1）流动状态的影响Re层流底层薄，,Re动力消耗大。（2）强制对流和自然对流的影响强制对流：外部机械作功,一般u较大，故较大。自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一般u较小，也较小。LOGO（3）流体物性的影响的影响：,的影响：,Re,Cp的影响：Cp,Cp单位体积流体的热容量大，则较大。的影响:Re（4）传热面条件的影响不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使