化工基础-第二章-传热过程

第二章传热过程本章重点：传导传热，对流传热，热交换器的计算，强化传热的途径。难点：传导传热、对流传热机理和基本方程。在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了保证化学反应在一定的温度下进行，对于吸热反应，就需要外界供给热量，而对于放热反应，则要及时取走热量；在分离、提纯的操作中，如精馏、蒸发、干燥等操作中，都发生物相的变化，物质发生了相变，就要吸收或放出热量，也需要及时供给或取出热量；在预热或冷却过程中，又需要供给或取走物料在温度变化时所吸收或放出的“显热”；这些热量传递的过程简称传热。在化工生产中的加热炉和各种管道需要保温和阻止热量传递，这一类也属于传热的问题。热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。实现传热过程的设备类型（传热中冷热流体的接触方式）：直接混和式传热（直接接触式传热），间壁式传热、蓄热式传热。直接混和式传热（直接接触式传热），冷热流体直接接触传热，如在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下工艺上不允许冷热流体直接接触，在热交换器中冷热流体分别流过间壁两侧，热量自热流体传给冷流体。蓄热式传热，主要通过传导、对流、辐射三种方式来传递热量。蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内填充耐火砖等填料，它的传热方式是，首先将热流体通入蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使冷流体被已加温的蓄热室加热，达到冷热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体，且允许少量物质参混的情况。化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中换热器约占设置重量的40％左右，因此必须对传热机理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、换热设备的传热面积计算，以及主要几种热交换器的基本结构和性能有所了解。§1传导传热1-1传导传热传导传热也称热传导，是依靠物体内自由分子的运动或分子的振动来传递热量的。物体较热部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将其动能的一部分传给后者，借此，热能从物体的一部分传至另一部分。此种作用继续进行，直到整个物体中温度达到完全相同。在一个均匀（各部分化学组成、物理状态相同）的物体内（图2-1），热量以传导方式沿着方向n通过物体。取热流方向的微分长度为，在瞬间内的热传量为。实践证明，单位时间内的传热量与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度成正比，即：（2-1）或写成：(2-2)上式为导热基本方程，或称为傅立叶（Fourier）定律。图2-1通过壁面的热传导dnddQddQdndtdndtAddQdndtAddQ在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时间内的导热量为定值，故上式可写成：（2-3）式中：q－单位时间内传导的热量，也称导热速率[J/s]或[W]；A－导热面积[m2]；－比例系数，称为导热系数[W/m·K]；－温度梯度[K/m]，表示热流方向温度变化的强度。温度梯度越大，说明在热流方向单位长度上的温差也越大。dndtAQqdndt式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量沿着温度降低的方向传递（温度升高，温度梯度为正）。导热系数系温度梯度为1[K/m]，导热面积为1[m2]情况下，单位时间内传递的热量。物质的导热系数数值越大，说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导热能力的标志，为物质的物理性质之一。通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料；反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。影响导热系数λ值的主要因素：物质的化学组成；物理状态（固态的导热系数大，气态的小）；湿度（湿材料的比干材料的要大）；压强（对气体有影响）；温度。各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压下一些物质的导热系数大致如下：从右表数据可以看出，金属的值最大，气体的值最小，一些保温材料值之所以很小，就是因为保温材料内有很大部分空间是空气的缘故。物质导热系数λ[W/m·K]金属5建筑材料0.5～2绝热材料0.01～0.4水0.6其他液体0.09～0.7气体0.007～0.17物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小（水和甘油除外）。气体的导热系数随温度的升高而加大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数和压力的关系不是很大，只有在压力大于2000[大气压]或是小于20[毫米汞柱]时，导热系数才随着压力的增加而加大。工程计算上较常涉及的混和气体或溶液的导热系数，一般应由实验测定比较可靠，若缺乏实验条件，也可以按纯物质的数据进行估算。液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：式中：、－混合液和各组分的导热系数[W/m·K]；－各组分的质量分数；K－常数，对一般混合物或溶液为1.0，对有机物的水溶液为0.9。)42(xKn1iiimmiix气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：式中：、－气体混合物和各组分的导热系数[W/m·K]；－i组分的摩尔分数；Mi－i组分的摩尔质量[g/mol]。)52(n1i1/3)i(Miyn1i1/3)i(Miλiymλmiiy1-2平面壁的稳定热传导平面壁的传热面积沿传热方向没有改变；稳定热传导即单位时间内的传热量为定值（即不管此时彼时，单位时间内传递的热量相同）。图2-1为厚度为δ、面积为A的单层平面壁热传导的示意图。稳定情况下，单位时间传导的热量由式（2-3）可知：dndtλAτQq当n由，t由时，则得或方程式（2-6a）和（2-6b）都可用来计算单层平面壁的稳定热传导。q/为单位时间、单位面积的导热量，称热通量。q为导热速率。可认为是热传导的阻力，简称热阻R。（t1－t2）为传热推动力。021tt)62(210ttddtdnAQ)()(2112ttttAQ)62(/21/attqAQ)62(/21bAttqQA/因此上式也可以写成：多层平面壁的稳定热传导：生产上常见的是多层平面壁，例如用耐火砖、保温砖和青砖构成的三层炉壁，如图2-2所示。由式（2-6b）可知，第一层（耐火砖）：即第二层（保温砖）：第三层（青砖）：λAδRRΔtq)(21111ttAq1111tAq2222tAq3333tAq对于稳定热传导：因此式中：－多层串联壁两边外表面的温度差；n－壁的层数；i－壁层的序数。qqqq321321332211tttAAAq)72()(13322114133221141niiitAttAAAAttqt图2-2多层平面壁的热传导图2-3单层圆筒壁练习：某燃烧炉的平壁由三种材料构成，最内层为耐火砖，中间层为保温砖，外层为普通砖，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=225mm，λ1＝1.4W/(m·K)；δ2=250mm，λ2＝0.15W/(m·K)；δ3=225mm，λ3＝0.8W/(·Km)。已测得内外表面温度分别为930℃和40℃，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。解:（1）单位面积热损失为2mW4228.0225.015.0250.04.1225.040930n1iii/λδΔtq（2）各层温差及各接触面的温度：℃118.640158.6ttΔt℃158.6703.5862.1Δttt℃703.50.150.250422λδqAλδqΔt℃862.167.9930Δttt℃67.91.40.225422λδqAλδqΔt43322322/22211211/111（1）各种材料以单位面积计（即取A=1m2）的热阻R；（2）燃烧炉热通量q/及导热总温差；（3）燃烧炉平壁中各材料层的温差分布。补充例题如右图所示，某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和建筑砖三种材料砌成，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=200mm，λ1＝1.2W/(m·K)；δ2=250mm，λ2＝0.15W/(m·K)；δ3=200mm，λ3＝0.85W/(·Km)。若已知耐火砖内侧温度t1为900℃，绝热砖和建筑砖接触面上的温度t3为280℃。从多层平面壁稳态热传导方面考虑，试求：解：（1）以单位面积计的热阻为耐火砖：绝热砖：建筑砖：（2）在稳态条件下通过各材料层的热通量相等。燃烧炉热通量WKAR/167.012.12.01111WKAR/67.1115.025.02222WKAR/235.0185.02.0333322131//33867.1167.0280900mWRRttq燃烧炉导热总温差（3）各材料层的温差分布℃7001)235.067.1167.0(338A)RRR(qttt321/414.1:10:1235.0:67.1:167.0::::321321RRRttt1-3圆筒壁的稳定热传导化工生产上最常采用圆筒形设备传热。如热交换器里的管壁就是最常遇到的圆筒壁。圆筒壁的传热面积随着圆筒半径的增加而增加（平面壁的传热面积是不变的）。设在图2-3单层圆筒壁上取一厚度为dr的薄层，此薄层距轴线的距离为r，圆筒的长度为L，则，故rLA2drdtrLq2在圆筒内壁r1和外壁r2间积分：式（2-8）是圆筒壁的稳定热传导计算公式。当r2/r1≤2时，可以把当作壁厚，把当作传热面积。按平面壁热传导来计算，误差≤4％。在计算保温问题时，因绝热材料包得较厚，一般r2/r1都较大，仍应按圆筒壁来计算。21212ttrrdtqLrdr)(2lnln1212ttqLrr)(2ln1212ttqLrr)82(ln1)(21221rrttLq)(12rr2221rrL例2-1若在热交换器里的一根钢管，管内径是25[mm]，管壁厚3.25[mm]，管长5.00[m]，管内壁温度是373[K]，管外壁温度是371[K]，已知钢的导热系数=49[W/m·K]，这根钢管传递热量为多少？解已知[mm]=0.0125[m]=12.5+3.25=15.75[mm]=0.01575[m]=3.25[mm]=0.00325[m]L=5.00[m]=49[W/m·K][K][K]（1）按圆筒壁稳定热传导公式（2-8）计算：[W]5.122251r2r3731t3712t412211033.10125.001575.0ln303.2)371373(4900.514.32ln)(2rrttLq（2）按平面壁稳定热传导公式（2-6b）计算：[W]从上述计算结果可以看出，其，用平面壁稳定热公式计算，误差仅为1％左右。)62(/21bAttqQ00325.0)371373(0141.000.514.3249/)(222121ttrrLq41034.1226.112rr22221rrLrLA多层圆筒壁的稳定热传导)92(ln12ln1ln1ln1)(21134323212141ninnnrrtLrrrrrrttLq)a92(ddln1tL2qn1i1nn或式中d－圆筒直径[m]。补充例题：为安全并减少热损失，要在外径为140mm的蒸气管外包扎石棉保温层。石棉的λ=0.1＋0.0002t[W/m·℃]，式中t为摄