化工原理课件6.传热

6.传热6.1概述6.2热传导6.3对流传热6.4沸腾给热与冷凝给热6.5热辐射6.6传热过程的计算6.7换热器化工原理6.传热1、本章学习的知识点傅立叶定律；平壁和圆筒壁定常热传导的计算；传热推动力与热阻的概念；对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程；热量衡算方程；总传热系数；平均温差；传热效率与传热单元数；强制对流、自然对流、冷凝和沸腾给热系数的计算；热辐射基本概念；波尔兹曼定律；克希霍夫定律；固体间热辐射；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；壁温的计算；列管换热器的结构、特点、工艺计算与选型；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；其他各种类型传热器的结构与特点。6.传热2、本章学习的重点傅立叶定律；对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程；热量衡算方程；总传热系数；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；列管换热器结构、工艺计算与选型。3、本章学习的难点总传热系数；传热操作型问题的定量计算与定性分析；强化传热过程的途径。4、本章学习的新知识点传热操作型问题的定性分析；换热器优化设计概念。6.1概述6.1.1概述6.1.2传热6.传热返回6.1.1概述一、传热的定义传热是指由温度差引起的能量传递。传热即热量传递，热力学第二定律，当无外加功时，热总是从高温向低温自动传递。二、几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作1、聚氯乙烯生产：乳液聚合8atm，55℃2、合成氨：300atm，500℃，放热反应3、锅炉烟道气温度800℃，如何利用？4、暖气管道的保温，暖气片的散热。三、传热目的1、加热或冷却，使物料达到指定的温度；6.传热6.1.1概述2、换热，以回收利用热量或冷量；3、保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。需要解决的问题：1、如何使传热速率快，使设备紧凑？2、如何使传热速率慢，以保温（冷）？四、传热的基本方式1、直接接触式冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔、热水塔。其传热面积大，设备简单。伴有传质。6.传热6.1.1概述2、间壁式参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。6.传热套管式换热器冷溶液进冷溶液出热溶液进热溶液出6.1.1概述6.传热列管式换热器单程列管式换热器双程列管式换热器12336654457翅片（板）6.1.1概述传热分三步：热流体壁冷流体3、蓄热式冷热流体交替流过蓄热室的壁面，达到传热目的。6.传热给热给热五、传热过程的经济性及载热体的选择1、载热体：供给或取走热量的流体。起加热作用的：加热剂；起冷却作用：冷却剂。加热剂：热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气等冷却剂：水、空气及各种冷冻剂。2、载热体选择t不很低时，最适宜加热剂—水6.1.1概述在选择载热体时应考虑的几个方面：①载热体的温度应易于调节；②载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解；③载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；④载热体应价格低廉而且容易得到。6.传热综合而言t180℃，最适宜加热剂—饱和蒸汽6.1.1概述3、经济性设备费和操作费综合考虑。6.传热冷却：温位下降价值上升载热体温位加热：温位升高价值上升六、传热计算通式mmtKAQtAQ即,返回6.1.2间壁式传热过程一、传热速率1、热流量Q单位时间内热流体通过整个换热器的传热面A传递给冷流体的热量（W=J/s），称为热流量Q。因此与传热面有关。2、热流密度（热通量）q单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）6.传热AQqdd热流密度与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。6.1.2间壁式传热过程二、换热器的热流量及热负荷1、传热量：6.传热AqQdd定态下，，但q沿管长是变化的。0qAAqQd2、热负荷：由工艺条件决定(1)无相变传热比热法：)(21111TTcWQp)(12222ttcWQp21,0QQQQT则若热焓法：)(21IIWQ6.1.2间壁式传热过程(2)有相变传热6.传热WrQ三、非定态传热过程工业上，多是间歇过程：T和t随时间变化。即：0qddTAQq0TdqAQ6.1.2间壁式传热过程四、传热机理1、热传导（又称导热）依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热。2、对流给热流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热。3、辐射传热高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。6.传热返回6.2热传导6.2.1傅立叶定律和导热系数6.2.2通过平壁的定态导热过程6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程6.2.4通过多层壁的定态导热过程6.传热返回6.2.1傅立叶定律和导热系数一、傅立叶定律和导热系数6.传热ntq说明：1、ntq2、“-”表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。2、—导热系数，是表征材料导热性能的一个参数，导热性能增加。6.2.1傅立叶定律和导热系数二、导热系数6.传热聚集状态等压强湿度温度结构材料的组成，，，，，1、导热系数的定义ntdq导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热流密度q。2、的数量级（w/m.℃）金属：10~102；建筑材料：10-1~10；绝热材料：10-2~10-1；液体：10-1~10；气体：10-2~10-1非金6.2.1傅立叶定律和导热系数一般：6.传热气液固非金，3、温度对的影响t固体金多数均质固体t10金0非金0液体气体lg返回6.2.2热传导过程的数学描述假定：一维定态6.传热xt一、单层平壁的定态热传导设：平壁无限大，稳定传热导，一维，导热系数=const，t线性分布平壁内取薄层，对单位面积作热量衡算可得：tcxqqpxxx对定态导热0/t又因为薄层内无热量累积，q=q1=q2则常数xtqdd6.2.2热传导过程的数学描述注：当，平壁内温度呈线性分布6.传热constdxdtconst二、热流量Q对于平壁定态热传导，热流密度不随变化，将积分得qxdxdtq2121ddxxttxqt1212xxqttqtt12阻力推动力/tq6.2.2热传导过程的数学描述6.传热/tAQq热阻推动力RtAtQ/说明：1、热流量Q正比于推动力，反比于热阻tAR2、由可得，ARR，A，3、当，的导热系数。即：t221ttt，mm是取AtQm/返回6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程设有内、外半径分别为r1，r2的圆筒，内、外表面维持恒定的温度、，管长足够大，则圆筒壁内的传热可以看作一维热传导。如右图6.传热1t2tl一、温度分布，由傅立叶定律得rtqddrlA2AQq对式(6-1)进行不定积分，可得：rrlQtd2drtrlQdd2(6-1)rdrdt6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程6.传热rrlQtd2dCrlQtln2由上式可以看出，圆筒壁内的温度按对数曲线变化。二、热流量Q21212rrttrdrlQdt1212ln2rrlQttt1t2对式(6-1)在边界条件下即r=r1,t=t1;r=r2,t=t2进行积分，可得：12121221ln)())((2rrrrrrttltlrm2mr6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程6.传热mAmAt/)(2ln121212rrtlrrrr1221ln)(2rrttlQmlrt2/6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程即：6.传热mAtQ/1212lnAAAAAm式中：说明：1、当的圆筒壁，误差4%。22121dd2,22121AAArrrmm2、当时，根据查t221tttmmr1=75r2=175r中=1256.2.3通过圆筒壁的定态导热过程例6-1解：(1)分析6.传热℃140210018021中tttm)℃./(13.0140000198.0103.0000198.0103.0mwtmmmmmmrtlQlrtQ22对定态传热过程，单位长度的热损失沿半径方向不变，所以取一半也行。若忽略管壁热阻，则：t1=180t中=1006.2.3通过圆筒壁的定态导热过程6.传热mwrtlQmm/01.12813.0098.0205.01001802查附表查得180℃饱和蒸汽的汽化热kgJr/10019.26)/(1034.610019.201.12856smkgrlQmrrrrrm098.0075.0125.0ln075.0125.0ln11中中6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程6.传热1212ln2rrlQttm设t2=41℃℃5.110241180221tttm)℃./(125.05.110000198.0103.0000198.0103.0mwtmm℃8.41075.0125.0ln125.0201.128180ln21212rrlQttm所以，假设与计算相符，则t2=41.8℃返回(2)设保温层外测温度为t2r1=75r2=175r中=125t1=180t中=1006.2.4通过多层壁的定态导热过程以3层为例，接触良好。一、推动力和阻力的加和性6.传热一维定态：321QQQQ平壁：321AAAA所以，321qqqq假设：1、接触紧凑，两侧温度相同（各相邻壁面）2、皆为常数。321,,6.2.4通过多层壁的定态导热过程6.传热AttAttAttQ334322321121总阻力总推动力RtAAAttAttQ33221114146.2.4通过多层壁的定态导热过程说明：6.传热1、通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻可以加和的。14321ttttttAAAA3322112、推动力At二、各层的温度差321332211433221::::::RRRAAAtttttt6.2.4通过多层壁的定态导热过程由上式可知：在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。三、接触系数多层平壁相接时，在接触面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面必增加传导的热阻—接触热阻。如右图6.传热321321::::RRRttt6.2.4通过多层壁的定态导热过程1、来源：实验测得。6.传热空隙中气压等压紧力接触面粗糙度，，c2、以两层平壁为例AAAttAttQc122113131接触热阻四、多层圆筒壁的定态热传导总阻力总推动力mAtQ6.2.4通过多层壁的定态导热过程例6-2解：6.传热32321321、ttq，、、、、及求及已知8.0225.015.0125.04.1225.05593033221141ttq2/4.686281.0833.01607.0875mw℃1103.1101607.04.686111111