hgjc~第三章 热量传递资料

2020/2/121第三章热量传递HeatTransfer化工基础陈玉琴2020/2/1221、掌握内容传热基本方式、传热基本方程式及其相关参数的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及换热器的设计计算、强化传热的途径。2、理解内容热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热边界层概念，典型的换热器。3、了解内容工业换热器的类型、结构、操作原理。本章学习要求2020/2/123传热就是热量的传递，是指由于温度差引起的能量转移。这是自然界和工程技术领域中非常普遍的一种传递过程。由热力学第二定律知道，凡是有温差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。§3—1概述2020/2/124化学工业与传热的关系更为密切，传热在化工生产中应用大为广泛，概括起来主要用于以下几个方面：（1）化学反应有一定的温度要求，为此，物料需要加热和冷却。化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为420～480℃，为了达到要求的反应温度，必先对原料进行加热；而这个反应又是可逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。2020/2/125（2）某些单元操作，如蒸发、蒸馏、干燥、结晶等等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。对于上述单元操作过程只有输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。（3）回收废热，节省能源，达到绿色环保低碳经济的目的。仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮气、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。2020/2/126此外，高温设备与管路的保温或低温设备的隔热等也需要传热过程。传热是化工生产过程中最常用单元操作之一。综上所述，化工生产中对传热过程的要求主要有以下两种情况：其一是强化传热过程，如在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用；其二是削弱传热过程，如对高温设备或管道进行保温，以减少热损失。为此必须掌握传热的共同规律。2020/2/127§3－1－1传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间存在温差引起的。据热力学第二定律，当无外功输入时，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。只有在消耗机械功的条件下，才有可能由低温物体向高温物体传递热量。本章只讨论前一种情况，既无外功加入的传热。根据传热机理不同，热传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。2020/2/128一、热传导（又称导热）当物体内部或两个直接接触的物体之间有温差时，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称为热传导，简称导热。在导热过程中，热量将从物体的高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它相接触的低温物体，直到整个物体的各部分温度相等为止。热传导在固体、液体和气体中均可进行。固体中的热传导属于典型的导热方式。在流体中，只有在静止流体或流动边界层中导热才成为主要的传热方式。2020/2/129导热的实质是：温度较高部分物质微粒（分子、原子、电子）具有较高的能量，因而热震动较剧烈，当它与相邻的能量较低的微粒相互碰撞时，前者传给后者的能量大于后者传给前者的能量，从而净结果就是使热量传到低温部分，直到整个物体的温度均匀一致为止。在纯导热过程中，在传热方向上介质质点宏观上不发生或无明显的相对位移，这是导热的特点。T1T212342020/2/1210二、热对流热对流，是指在流体中存在温度差时，由于流体质点发生相对位移（流动混合），把热量从一处传到另一处的过程，简称对流。热对流只能发生在流体中。因此它与流体的流动状况密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点间的热传导，只是此时，导热占次要地位。2020/2/1211流体的热对流，据产生的原因不同，可分为两种方式：1、自然对流：由于流体内部各点之间的温度不同而引起的密度的差异，使温度高的地方流体密度小而上浮，温度低的地方流体密度大而下沉，这样引起质点的相对位移而传递热量，这种对流称自然对流。2、强制对流:流体质点的运动是由于外界的机械作用，如泵（风机）或搅拌等而强迫进行的，所以称为强制对流。强制对流时，流体质点的运动较为剧烈，故强制对流有较好的传热效果。2020/2/1213三、热辐射热辐射是一种通过电磁波传递热能的过程。由于物体本身有一定的温度，即可向外界发射能量，此能量以电磁波的形式在空间传播，当被另一种物体部分或全部接受后，又重新转变为热能，此种传递方式称为热辐射。所有物体（包括固体、液体、气体）都能将热能以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质，即它可以在真空中传播。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果就是辐射传热。辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换。2020/2/1214即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形式向空间传送；当遇到另一能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部地吸收而转变为热能。注意：任何物体，只要温度在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。2020/2/1216§3－1－2定态传热与非定态传热1、定态传热：若传热系统（如換热器）中各点的温度只随位置变，而不随时间变，则此种传热为定态传热。定态传热过程中，传热系统不积累能量，即输入热量等于输出热量，Q入=Q出。定态传热的特点是：单位时间内传递的热量(即传热速率)在任何时刻恒为常数。2、非定态传热：若传热系统中各点的温度既随位置变又随时间变，则此传热过程为非定态传热。2020/2/1217§3－1－3典型传热设备－间壁式換热器換热器是实现传热过程的基本设备。为了便于讨论传热的基本原理及其计算，先简单介绍典型的換热器（P85）。2main.swf2020/2/1218一、间壁式换热器间壁式換热，是指进行換热的冷热流体分别处于固体间壁的两侧，热流体将热量传给间壁的一侧壁面，通过间壁的另一侧壁面再将热量传给冷流体，这就是间壁式換热。见下图所示。间壁式換热时，冷热流体被固体壁面隔开，各走各的通道，不相混合。这是间壁式換热器最大的优点，这种換热方法在化工生产中用的最多，其所用设备就是间壁式换热器。2020/2/1219流体通过间壁换热示意图\swf\002\2-03.swf2020/2/1220间壁式換热器类型很多，其典型代表就是套管式換热器和列管式換热器。1、套管式換热器：它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷热流体分别流经内管和环隙进行热的交换。套管式換热器2020/2/1221套管式换热器1-内管;2-外管;3-180。回弯套管式換热器可作加热、冷却之用。套管式换热器2020/2/12222、列管式換热器下图为单程列管式換热器。由外壳、管束、管板、挡板和封头等部件组成。管束固定在管板上，安装到壳体内，壳体两端分别与封头用螺栓联接，在壳体和封头上装有流体进出口。\swf\002\2-03.swf列管式换热器2020/2/1223通常，把流体流经管束称为流经管程，将该流体称为管程（管方、管内）流体；把流体流经管间环隙称为流经壳程，将该流体称为壳程（或壳方、环隙、管外）流体。管程流体流经管程一次，称为单程列管式換热器。若管程流体在管束内流经两次，称为双程列管式換热器。若流体流在管束内来回流过多次，称为多程（如四程、六程）列管式換热器。換热器在工作时，一流体由一侧封头进口管进入換热器，经过管束后，由另一端的出口管流出，另一流体由壳体一侧的进口管进入，壳体内装有数块挡板，使流体在壳体与管束间沿挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出。列管式换热器动画2020/2/1224双程列管式換热器2020/2/1225间壁式換热器的简单画法2020/2/1226二、几个概念1、传热面积：由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壁表面积即为传热面积。显然传热面积越大，传递的热量越多，对于列管式換热器，传热面积S:S=ndL单位：m2n---管数；d---管径，m;L---管长，m.式中的d可分别用管内径di，外径do或平均直径dm来计算，则对应的传热面积分别为管内侧表面积Si、外侧表面积So或平均表面积Sm。2iomddd2020/2/12272、传热速率：換热器中的传热一般是通过传导和对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示，或用热通量表示。传热速率（Q）：单位时间内通过传热面的热量，单位：W3、热通量（q）:单位时间内通过单位传热面积的热量，即每单位传热面积的传热速率，又称热流密度（或传热强度），单位：W/m2。由于传热面积Si、So、Sm不同，因此相应的热通量数值不同，计算时应表明选择的基准面积。2020/2/1228§3－2传导传热热传导是依靠物质微粒的热运动而实现的。只要物体内部有温差存在，热量就会从高温部分向低温部分传递，热量的传递过程称为热流。§3－2－1传导传热的基本方程式-傅立叶定律2020/2/1229物体内热流的产生，是由于存在温差的结果，而且热流的方向永远与温度降低的方向相一致。傅立叶定律就是用以确定在物体内存在温差时，因热传导而产生的热流大小的一个定律，这是热传导的基本定律，也是求解导热问题的一个基本公式。在一个质量均匀的平板内，当温度t1t2时，热量将以导热的方式通过物体，由t1向t2方向传递，如图。取热流方向微分厚度dn，传递的热量为dQ，平板面积为S。2020/2/1230导热的基本关系2020/2/1231单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的导热面积成正比，即：dndtdSdQ傅立叶（Fourier）定律dndtdSdQ2020/2/1232－温度梯度，即温度升高的方向上单位距离的温度变化率，K/m或ºC/m。λ－比例系数，称为导热系数，w/m.K或w/m.ºC。温度梯度是一个向量，其方向指向温度升高的方向，与热流的方向相反，所以式中有负号。dndt式中：Q－导热速率，即单位时间内传导的热量，W;S－导热面积，即垂直于热流方向的面积，m2；2020/2/1233§3－2－2导热系数一、定义式由傅立叶定律：单位：w/m.K或w/m.℃二、物理意义导热系数在数值上等于单位面积、单位温度梯度下、在单位时间内传导的热量，其数值越大，物质的导热能力就越强。dndtdSdQ2020/2/1234导热系数是表征物质导热能力大小的一个物理量，是物质的物理性质之一。其值与物质的组成、结构、密度、温度和压力等因素有关。通常由实验测定，不同的物质的导热系数相差很大，导热系数越大，导热性能越好。一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体的次之，非金属液体的更小，气体的导热系数最小，即导热系数λ：金属固体非金属液体气体。2020/2/1235三、影响因素讨论λ的影响因素是指外因，即温度与压强，而压强对任何物质的导热系数影响都不大，一般可忽略。温度对任何物质的导热系数都影响较大。金属：T↑，λ↓；固体非金属：T↑,λ↑；大多数液体：T↑,λ↓；但水与甘油例外，T↑,λ水↑，λ甘油↑；动画气体：T↑,λ↑（包括水蒸气）。2020/2/1236§3－2－3平壁的定态热传导一、单层平壁热传导假设一均匀的面积很大的单层平壁，厚度为b，平壁内的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，如图所示，壁面两侧的温度为t1、t2，在定态导热时，导热速率Q不随时间变化，传热面积S和导热系数λ也是常数，则傅立叶定律可简化为dxdtdSQ2020/2/1237t1t2bQ单层平壁定态热传导2020/2/1238积分：x=0，t=t1；x=b，t=t2，且t1t2bttdtSQdx021RtSbttbttSQ2121RtSbttQ21单层平壁导热速率的计算式2020/2/1239b是平壁厚度，m上式说明，单层平壁的导热速率，与推动力Δt成正比，与热阻成反比。这是自然界中传递