化工原理第五章传热(王晓敏)

第五章传热1换热器0.引言23换热器•按用途：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器•按冷热流体热量交换方式：混合式、蓄热式和间壁式夹套换热器4蛇管换热器沉浸式5喷淋式6套管换热器7列管换热器第三章传热•第一节概述•第二节热传导•第三节两流体间的热量传递•第四节对流与对流传热系数•第五节辐射传热要求及目的：•了解和掌握传热的基本概念、规律和计算；•能正确进行工艺设计，合理选择和使用换热器。8第一节概述1.传热在化工生产中的应用•利用余热，以降低能耗；•任何工艺过程需在指定温度下进行，必须加热或冷却；•绝热加热器冷凝器醋酸气体乙炔气体冷凝器精馏塔反应器150℃200℃醋酸乙烯气体精醋酸乙烯液体产品粗醋酸乙烯液体冷油热油92.传热的三种基本方式一、热传导（conduction)•依靠物体中微观粒子的热运动而传热；•特点：物体内部无宏观运动，靠物体各部分的直接接触产生热量传递；•介质：物质三态均可。二、对流（convection)：•流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象；•特点：只能发生在流体中；•对流给热：通常把传热表面与接触流体的传热称为对流给热或给热（即对流传热常伴随热传导）；•自然对流与强制对流。三、辐射（Radiation)•高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。热辐射不要任何介质作媒介。•在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。10热传导对流辐射11•冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？•冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？•夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？•在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？•电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象。123.传热速率与热阻•热流量Q:单位时间内通过全部传热面积传递的热量，J/s或W；•热通量q：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，W/m2；•传热面上不同局部面积的热通量可以不同；•q=dQ/dA；•传热速率=传热温差/热阻•电流I=电压U/电阻R13Q－单位时间内传导的热量,W；A－导热面积，m2l－导热系数，W/m.K，W/m.0Cntntn0lim第二节热传导一、傅立叶定律1.温度场和等温面•温度场：物体或空间各点温度的分布；(,,,)tfxyz非稳态温度场：•等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。),,(zyxft稳态温度场：2.温度梯度•温度梯度的方向垂直于等温面，以温度增加方向为正。3.傅立叶定律--热传导的基本定律•单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比。tdQdAnl传热方向与温度梯度方向相反14)1(0tll二、导热系数1.固体的导热系数•多数均一固体的λ在一定范围内与温度成直线关系：2.液体的导热系数•水的λ最大；•多数液体（除水和甘油）的λ随温度升高略有减小；•纯液体的λ比溶液大；3.气体的导热系数•气体的λ很小，有利于保温；气体的λ随温度升高而增大；•一般情况下，气体的λ与压力无关；导热系数大致范围：金属：2.3~420W/m.K；建筑材料：0.25~3W/m.K；绝缘材料：0.025~0.25W/m.K；液体：0.09~0.6W/m.K；气体：0.006~0.4W/m.K151.单层平壁的稳定热传导dxxoQAt1t2边界条件为：x=0时，t=t1x=b时，t=t2三、平壁的稳定热传导•传热量Q与传热面积A、平壁两侧温度差和导热系数成正比，与平壁厚度成反比；tQAnl稳定温度场中：dxdtAQl12QAttbl积分上式：12/tttQbARl阻力导热推动力16阻力推动力RtbttAQql/21Q:热传导速率，W；A:平壁（等温面）面积，m2;q:热传导通量，W/m2；b:平壁厚度，m;△t:两壁面温差,K;:导热系数，W/m.K；l例2：平壁厚500mm，若t1=900°C，t2=250°C，导热系数λ=1.0×（1+0.001t)W·m-1·K-1,试求平壁内温度分布。（1）导热系数按平壁的平均温度tm取为常数；（2）考虑导热系数随温度的变化。17例1：厚度为230mm的砖壁，内壁温度为600°C，外壁温度为150°C。砖壁的导热系数可取为1.0W·m-1·K-1,试求通过每平米砖壁的导热量。2.多层平壁的稳定热传导AdxoQt1t2xt3t4b1b2b3稳定导热时，通过各层热量相等：各层温度降：211ttt433ttt322ttt333333433222222322111111211RtAbtbttARtAbtbttARtAbtbttAQllllll18111nniittQR•推动力→总温度差•总热阻→各层热阻之和3141321321332211321iiRttRRRtttAbAbAbtttQlll例3:有一炉壁，由下列三种材料组成：耐火砖：λ1=1.4W·m-1·K-1，b1=230mm保温砖：λ2=0.15W·m-1·K-1，b2=115mm建筑砖：λ3=0.8W·m-1·K-1，b3=230mm今测得其内壁温度为900°C，外壁温度为80°C，求：（1）单位面积的热损失（2）各层接触面上的温度。四、圆筒壁的稳定热传导(Steady-stateconductionthroughacylinder)u，t1Qr1r2t1t2lQ假设：（1）材料的导热系数不随温度变化（或取平均温度）；（2）温度仅沿半径方向变化（一维），稳定传热；20通过圆筒壁的稳定热传导r1r2t1t2lQrdrdrdtrldrdtAQll221212ttrrdtlrdrQl分离变量，积分：12121221212lnln2ttttttQlRrrrrlll)(2ln2112ttlrrQl21212122112121)2()(()ln/mmlrrttttttttQArrbbARrrlll)ln(1212rrrrrm对数平均半径mmlrA2rrb12壁厚度r2/r12时，rm=(r1+r2)/2；21对多层圆筒壁，与多层平壁稳定热传导类似：1111111ln(/)2nnnniiiiiimiittttQbrrAlll12314123123tttttQRRRRRR14312112233mmmttbbbAAAlll对n层圆筒壁:•多层圆筒壁与多层平壁不同之处，各层传热面积不相同，计算时应用各自的平均传热面积；•由于各层传热面积不同，虽然单位时间总传热量相同，但单位面积传热量（热通量）则不同；112233Q222rlqrlqrlq112233rqrqrq22例4：f50×5的不锈钢管，导热系数l1为16W/m.K，外包厚30mm的石棉，导热系数l2为0.2W/m.K。如管内壁温为350℃，保温层外壁温度为100℃，计算每米管长的热损失。解：不锈钢管内半径：r1=40/2=20mm，外半径：r2=50/2=25mm，211m141.02/)02.0025.0(212mmrA石棉层内半径：r2=25mm，外半径：r3=25＋30＝55mm，r3/r22：m038.0)025.0/055.0ln(25.0055.02mr222m239.012mmrA每米管长热损失：W/m3976274.00022.0250239.02.003.0141.016005.0100350222111mmAbAbtLQll23例5：求例4中温度分布24例6：在一φ60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.15W/m·℃。现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。25(a)每米管长的热损失r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m解:b1=0.0035mb2=0.04mb3=0.02mt1=500°Ct2=?t3=?t4=80°C21121112177.012;02825.0203.00265.02;213.10265.003.0mrAmrrrrrmmm2222323223296.012;0472.0)03.0/07.0ln(03.007.0)/ln(;233.203.007.0mrAmrrrrrrrmmm233433345024.012;08.0207.009.02;228.107.009.0mrAmrrrrrmmm1333222111413.191265.093.1000439.04205024.015.002.0296.007.004.0177.0450035.080500mWAbAbAbttLQmmmlll(b)界面温度414121100.2265.093.1000439.0000439.0RRttttCtttttt9.499100.2805005002424121879.0265.093.1000439.093.124132RRttttCtttttt72.130879.0805009.4993341322627例7外径为426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为426mm的保温层，保温材料的导热系数为0.615W/(m·℃)。若蒸汽管道外表面温度为177℃，保温层的外表面温度为38℃，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。已知条件：蒸汽导管外表面的半径r2＝0.426/2＝0.213m温度t2＝177℃保温层的外表面的半径r3＝0.213＋0.426＝0.639m温度t3＝38℃2332ln2ttQrrll由：28可得每米管道的热损失为：23322()20.615(17738)489W/m0.639lnln0.213ttQrlrl设保温层内半径r处的温度为t，代入上式：222()Q489lnttrlrl将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：t=-126.6lnr–18.64筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。29练习题1内径为15mm，外径为19mm的钢管，其l1为20W/m℃，其外包扎一层厚度为30mm，l2为0.2W/m℃的保温材料，若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃,试求:(1)每米管长的热损失;(2)保温层中的温度分布。30练习题2有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比l2/l1=5，此时单位时间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q’，求Q’/Q=？第三节两流体间的热量传递一、间壁两侧流体热交换过程的分析流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象；特点：只能发生在流体中；自然对流：流体质点由温差引起的密度差而产生的相对宏观运动，从而发生传热；强制对流→流体质点在外力作用下而产生的相对宏观运动，从而发生传热。对流给热：通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流给热或给热（包括对流和