延长榆能化化工原理基础培训教材2

陕西延长中煤榆林能源化工有限公司化工原理基础培训教材(第二部分)(2011-10-3016:27:47)转载▼标签：导热系数平壁热传导热负荷教育分类：烯烃工艺一、换热器的热负荷计算热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量。换热器中冷、热两流体进行热交换，若忽略热损失，则根据能量守恒原理，热流体放出的热量Q1必等于冷流体吸收的热量Q2，Q1=Q2，称此为热量衡算式。热量衡算式与传热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。1.无相变化时热负荷计算1）比热法当物质与外界交换热量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒压条件下，单位质量的物质升高1℃所需的热量，称为定压比热或定压热容。以符号cp表示，单位为kJ/kg·K(或kJ/kg·℃)。在换热器中用冷流体使质量为G1的热流体由温度T1降至T2，其热负荷可用下式计算Q1=G1cp1(T1-T2)(4-2)2）热焓法热焓也称为焓。当物系的内能变U，压力为P，体积为V时，焓的定义为I=U+PV(4-3)由于U、P及V为物系的状态函数，所以I也是状态函数，单位为kJ/kg。由热力学得知，在恒压条件下，物系与外界交换的热量与物系的始态与终态的焓差相等，即Q=G(I1-I2)(4-4)式中I1-------物系始态的焓，kJ/kg；I2-------物系终态的焓，kJ/kg。2.有相变化时热负荷计算当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算Q=Gr(4-5)式中r为液体汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为kJ/kg。潜热等于饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。在传热过程中有时还会遇到象升华与凝结、熔融与凝固等，则r取相应过程的相变潜热计算。此外，在传热过程中还会遇到象有化学反应、吸收与解、溶解与结晶等等有热效应的过程，在进行热负荷计算时还必须考虑到这部分热量。应当提起注意的是：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作投机倒把下的换热能力，是换热器本身的特性，可见两者不同。但对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率值必须等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率与热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具有的传热速率，再依此传热速率计算换热器所需的传热面积。例4-1试计算压力为147.1kN/m2，流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50℃时所放出的热量。解此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二是水温降至50℃时所放出的显热。蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1查水蒸汽表得：p=147.1N/下的水的饱和温度ts=110.7℃；汽化潜热r=2230.1kJ/kgQ1=G1r=1500/3600*2230.1=929kJ/s=929kW水由110.7℃降温至50℃时放出的热量Q2平均温度t=(110.7+50)/2=80.4℃80.4℃时水的比热cp=4.195kJ/kg·℃Q2=G1cp(ts-t1)=1500/3600*4.195*(110.7-50)=106kJ/s=106kW共放出热量QQ=Q1+Q2=929+106=1035kW用焓差法计算查水蒸汽表得：p=147.1kN/m2下饱和水蒸汽的焓I=2694.43kJ/kg；50℃水的焓i=209.34kJ/kg饱和水蒸汽冷凝后并降温至50℃放出的热量Q=G1(I-i)=1500/3600*(2694.43-209.34)=1035.5kW第二节热传导一.傅立叶定律1.温度场和温度梯度只要物体内部有温度差存在，就有热量从高温部分向低温部分传导。所以研究热传导必须涉及物体内部的温度分布(temperatureprofile或temperaturedistribution)。通常，物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即t=f(x，y，z，τ)(4-6)式中t--------温度；x，y，z--------空间坐标；τ-----时间。某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场(temperaturefield)。若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化，则称为一维温度场。一维温度场的温度分布表达式为t=f(x，τ)(4-6a)温度场内如果各点温度随时间而改变，则称为不稳定温度场；若温度不随时间而改变，则称为稳定温度场。温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面。因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。对于一维温度场，当温度沿x方向变化，则某时刻的温度分布如图4-4所示。若等温面x及(x+Δx)的温度分别为t(x，τ)及t(x+Δx，τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：因此，根据温度梯度(temperaturegradient)的定义，有温度梯度温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。1）固体的导热系数常用的固体导热系数见表4-1。在所有固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m·K，不锈钢的导热系数仅为16W/m·K。非金属建筑材料和绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关。在工程计算中，经常遇到的是固体壁面两侧温度不同，在此情况下，选用导热系数时，常以壁面两侧温度的算术平均值下的导热系数计算。大多数均质的固体材料，其导热系数与温度近似成直线关系，可用下式表示λ=λ0(1+at)(4-8)式中λ------固体在温度为t℃时的导热系数，W/m·℃；λ0------固体在0℃时的导热系数，W/m·℃；a-----温度系数，对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属为正值，1/℃。表4-1常用固体材料的导热系数固体温度，℃导热系数，λW/m·K铝300230镉1894铜100377熟铁1861铸铁5348铅10033镍10057银100412钢(1%C)1845船舶用金属30113青铜189不锈钢2016石墨0151石棉板500.17石棉0~1000.15混凝土0~1001.28耐火砖1.04①保温砖0~1000.12~0.21建筑砖200.69绒毛毯0~1000.047棉毛300.050玻璃301.09云母500.43硬橡皮00.15锯屑200.052软木300.043玻璃毛--0.04185%氧化镁--0.0702）液体的导热系数液体分成金属液体和非液体两类，前者导热系数较高，后者较低。在非金属液体中，水的导热系数最大，除去水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。一般来说，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。表4-2和图4-6列出了几种液体的导热系数值。表4-2液体的导热系数液体温度，℃导热系数，λW/m·K醋酸50%200.35丙酮300.17苯胺0~200.17苯300.16氯化钙盐水30%300.55乙醇80%200.24甘油60%200.38甘油40%200.45正庚烷300.14水银288.36硫酸90%300.36硫酸60%300.43水300.623）气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大。在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小，只有在压力大于196200kN/m2，或压力小于2.67kN/m2(20mmHg)时，导热系数才随压力的增加而加大。故工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。常见的几种气体的导热系数值见表4-3。表4-3气体的导热系数气体温度，℃导热系数，λW/m·K氢00.17二氧化碳00.015空气00.024空气1000.031甲烷00.029水蒸汽1000.025氮00.024乙烯00.017氧00.024乙烷00.018二.平壁的稳定热传导1.单层平壁的稳定热传导下面讨论单层平壁稳定热传导的导热速率计算。图4-7所示为一平壁。壁厚为b，壁的面积为A，假定壁的材质均匀，导热系数λ不随温度变化，视为常数，平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。若平壁侧面的温度t1及t2恒定，则当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2，根据傅立叶定律式(4-9)可写为式(4-10)中Δt=t1-t2为导热的推动力(drivingforce)，而R=b/λA则为导热的热阻(thermalresistance)。例4-2现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为600℃，外壁温度为150℃。试求通过每平方米砖壁的热量。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数λ=0.6W/m·℃。解Q=λA/b(t1-t2)Q/A=λ/b(t1-t2)=0.60/0.24*(600-150)=1125W/m22.多层平壁的稳定热传导今以图4-8所示的三层平壁为例，讨论多层平壁的稳定热传导问题。假定各层壁的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系数分别为λ1，λ2，λ3，皆视为常数，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁的面积为A，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。与单层平壁同样处理，可得下列方程。第一层同理，第二层第三层对于稳定导热过程：因此(4-11)式(4-11)亦可写成下面形式同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中i为n层平壁的壁层序号。例4-3有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成，如附图所示。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知耐火砖b1=150mmλ1=1.06W/m·℃保温砖b2=310mmλ2=0.15W/m·℃建筑砖b3=240mmλ3=0.69W/m·℃今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946℃。试求：(a)单位面积的热损失；(b)保温砖与建筑砖之间界面的温度；(c)建筑砖外侧温度。解用下标1表示耐火砖，2表示保温砖，3表示建筑砖。t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。(a)热损失qq=Q/A=λ1/b1(t1-t2)=1.06/0.15(1000-946)=381.6W/m2(b)保温砖与建筑砖的界面温度t3因系稳定热传导，所以q1=q2=q3=qq=λ2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31*(946-t3)解得t3=157.3℃(c)建筑砖外侧温度t4同理q=λ3/λ3(t3-t4)381.6=0.69/0.24*(157.3-t4)解得t4=24.6℃现将本题中各层温度差与热阻的数值列表如下。温度差，℃热阻b/λA，℃/W耐火砖Δt1=1000-946=540.142保温砖Δt2=946-157.3=788.72.07建筑砖Δt3=157.3-24.6=132.70.348由表可见，热阻大的保温层，分配于该层的温度差亦大，即温度差与热阻成正比。三.圆筒壁的稳定热传导在化工生产中，所用设备、管道及换热器管子多为圆筒形，所以通过圆筒的热传导非常普遍。1.单层圆筒壁的稳定热传导如图4-9所示，设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半径为r2，外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为A=2πrL。根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为分离变量得假定导热系数λ为常数，在圆筒壁的内半径r1和外半径r2间进行积分移项，得(4-14)为了便于理解，将式(4-14)改写成式(4-10)的形式。为此，进行下面的转换式中b------圆筒壁的厚度，b=r2-r1，m；Am------称为对数平均面积(logarithmicmeanarea),。当A2/A12时，可用算术平均值(arithmeticmeanvalue)近似计算。2.多层圆筒壁的稳定热传导热由多层