6-传热-化工原理

第6章传热HeatTransfer第6章传热4/20/20202传热在化工生产中的应用6.1概述(Introduction)6.1.1化工生产中的传热过程蒸发、蒸馏、干燥、结晶、化学反应等传热过程的基本要求1.强化传热（加热或冷却）；2.避免传热（保温）;热量传递方向：高温传向低温传热过程的推动力：温度差第6章传热4/20/20203冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。1直接接触式传热6.1.2冷热流体的接触方式第6章传热4/20/202042蓄热式传热冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量传递给冷流体，达到换热的目的。优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。第6章传热4/20/202053间壁式传热在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。第6章传热4/20/202066.1.3载热体及其选择Ф加热剂：水及水蒸气（40-180℃）联苯混合物（道生油）（255-380℃）载热体熔盐（142-530℃）冷却剂：水，空气，冷冻剂（无机盐水溶液、乙二醇、液氨）矿物油（180-250℃）烟道气（500-1000℃）选择原则：温度易于调节饱和蒸汽压低无毒、无腐蚀价格低廉,易得第6章传热4/20/202076.1.4传热中的基本概念Ф热流密度（热通量）q：单位面积上的传热速率，W·m-2潜热：物质在发生相变化时伴随的热量变化，J传热速率Q是指单位时间传递的热量，W。传热速率也称为热负荷显热：由于温差而传递的热量mpqct传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率定压比热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，J·kg-1·K-1q=Q/A第6章传热4/20/20208定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为定态传热，间歇操作多为非定态传热。化工过程中连续生产是主要的，因而本章主要讨论定态传热。6.1.5定态传热和非定态传热第6章传热4/20/202096.1.6温度场和温度梯度,,,tfxyzt──某点的温度，℃；x,y,z──某点的坐标；──时间。温度场：某时刻物体在空间各点的温度分布。1温度场和等温面第6章传热4/20/202010定态温度场,,,tfxyz非定态温度场zyxft,,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q0t第6章传热4/20/2020112温度梯度ntnttgradn0limt+tt-ttnQdA•温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向。0limntdtgradtndx一维定态传热第6章传热4/20/2020126.1.7传热的基本方式（传热机理）辐射传热：对流传热：导热）热传导：(发生在物质内部或静止（或层流）流体内，无物质的宏观位移发生在流体内，物质发生宏观位移依靠电磁波传热第6章传热4/20/2020136.1.8本章要解决的问题传热规律1.毛衣外穿合理吗？2.加热器（致冷器）应装在房间的什么地方？3.开水壶底有凹槽，为什么？传热面积计算换热器的结构第6章传热4/20/2020146.2热传导（HeatConduct）热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。导热不依靠物质的宏观位移，起因于物体内部分子微观运动的一种传热方式。第6章传热4/20/202015t+dttdxdldtdQdAdx6.2.1傅立叶定律(Fourier’sLaw)负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反dtQAdx导热系数,单位为W/(mK)随传热距离而引起的温度变化，称为温度梯度第6章传热4/20/202016物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每秒经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的越大，导热性能越好。通常：导电固体非导电固体，液体气体T升高，气体、水的升高，其它液体的降低。导热系数数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定，也可以查资料、计算QdtAdx)10at＋（＝ww2211＝.......312231113122231111MxMxMxMx＝固体液体混合物气体混合物计算金属：a0;非金属:a0第6章传热4/20/202017/dtqQAdx12()tttARQqA若为常数，则：当x=0时，t=t1，当x=时，t=t2积分上式：6.2.2平面壁的一维定态热传导1.单层平面壁的热传导热阻显然，Q=常数且q=常数tt1t2Qx0xdx第6章传热4/20/202018233412112233311433121231()()()()iiiiittttttQqAAAAtttAAAA总推动力总热阻2.多层平壁的一维定态热传导tt2t3t4t10x123显然，通过每一层Q=常数，q=常数第6章传热4/20/202019通过每一层的Q=常数且q=常数两层壁交界处的温度32222QttA12111()ttAQ21111QttA第6章传热4/20/202020例6-1某工业锅炉的炉壁由耐火砖（1=1.3W/m.K）、保温砖（2=0.20W/m.K）普通砖（3=0.95W/m.K）组成，炉膛内壁温度为1000℃，普通砖层厚12cm，其外表面温度为50℃，通过炉壁的热损失为1200W/m2,绝热材料的耐热温度为900℃，求耐火砖的最小厚度及此时绝热层的厚度及其外壁温度。121111000900q=12001.3tt3433350q=12000.120.95ttt23222900201.6q=12000.20tt耐火砖解得1＝10.83cm解得t3=201.6℃解得2＝11.64cm普通砖保温砖第6章传热4/20/202021dtQqAAdr常数常数但q2dtQqArLdr常数22112trtrQdtdrrL12122121lnln22ttttQrrddLL1.单层圆筒壁定态导热若为常数，则：--------可见温度分布为对数关系6.2.3圆筒壁的一维定态热传导（无内热源）tr1rr2rdrt1t2dt第6章传热4/20/202022121221212121ln22ln()ttttQrrrrLLrrrr1212212mmttttQrrALr推动力阻力21mm=r-r=2LrA式中：--------对数平均半径1212lnrrrrrm令当212rr时，可用算术平均半径代替12()ttQA第6章传热4/20/2020233233411231112223331()()()()iimmmiimiitttttttQAAAA2.多层圆筒壁稳态导热23341221324312314324321123lnlnln222lnlnln222ttttttQrrrrrrLLLttddddddLLLdtQqAAdr常数常数但q第6章传热4/20/202024例6-2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：2332ln2ttQrrL由：保温层的外表面的半径r3＝0.213＋0.426=0.639m,温度t3=38℃蒸汽导管外表面的半径r2＝0.426/2=0.213m,温度t2=177℃第6章传热4/20/202025可得每米管道的热损失为：23322()20.615(17738)489W/m0.639lnln0.213ttQrLr设保温层内半径r处的温度为t，代入上式：222()489lnttQrLr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。第6章传热4/20/202026第6章传热4/20/202027例6-3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2/1=5，此时单位时间的热损失为Q；若将两层材料互换，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=？1313113322111122()lnln7525ln12575ln1.222522ttttLttQddddLLLL13131133212111212()'lnln7525ln12575ln0.7325222ttttLttQddddLLLL'1.21.640.73QQ导热系数小的材料应包在内层解：第6章传热4/20/20202821201212LrLrrttQln总热阻总推动力02drdQ令t1t2t0r1r2则2r002222drdQrdrdQr时，当时，当Qrcr2------临界半径rc故Q有极大值保温层的临界厚度第6章传热4/20/202029影响因素：接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质6.2.4接触热阻接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计1311111cttQAAA接触热阻第6章传热4/20/2020306.3对流传热(HeatConvection)热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。对流方式强制对流自然对流因搅拌等外力而使质点产生相对位移流动的流体与外界的传热因流体中各处温度不同引起密度差异而使流体质点产生相对位移静止流体与外界的传热电热炉烧水第6章传热4/20/2020311对流传热过程分析（1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区：充满漩涡，混合较好，对流为主，热阻小。6.3.1对流传热速率——牛顿冷却定律第6章传热4/20/2020322对流传热速率——牛顿冷却定律流体被加热：11w()QATTQ──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；Tw，tW──热、冷流体侧壁温，℃；T，t──热、冷流体平均温度，℃；A──传热面积，m2。流体被冷却：22w()QAttTtTtTTwtwt第6章传热4/20/2020336.3.2对流传热系数（1）引起流动的原因自然对流：由于流体内