化工原理2.ppt

第,2,章,传热,2.1,概述,2.1.1,传热过程冷热流体接触方式,间壁式,直接式,蓄热式,2.1.2,关于热量的基本概念,热负荷,Q,L,（,J/s,）,工艺要求，,是同种流体的温升、温降。,传热量,Q,（,J/s,）,单位时间内，热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量。,热流密度,q,（,J/m,2,s,）,单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。,显然，一个能满足工艺要求的换热器应,Q,=,Q,L,Q,、,q,是两种流体之间的换热，其传热推动力是,（T-t）,传热机理：传导，对流，辐射,载热体、冷却剂、加热剂,常用加热剂：热水、饱和蒸汽、矿物油、道生油、熔盐、烟道气；,常用冷却剂：液氨、液氮、液态乙烯等；,2.3,传热速率和热量衡算,Q,1,=q,m1,c,p1,(T,1,-T,2,),Q,2,=q,m2,c,p2,(t,2,-t,1,),2.3.4,热传导,起因于物体内部微粒微观运动的一种传热方式。,1,傅立叶定律,宏观规律,：,法向温度梯度,t,=,f,(,x,y,z,),导热系数,：,W/m,愈大，导热愈快。,注意,：,（,1,）,与,一样是分子微观运动的宏观表现。,（,2,）,金属,液体,气体,（,3,）温度升高时，,液,下降,，但水明显例外,气,上升,，,2,单层壁传热,热量衡算：进,=,出,+,累积,定态：,即,一维传热,：,Q,=,Q,写成通式：,其中：,讨论：,平壁：,球壁：,3,多层壁传热,通式：,（,1,）通式表示含义：,（,2,）层与层之间密切接触时，不存在空隙。如接触处有空隙时，由于有空气，而 ，增加了接触热阻，往往成为控制因素。,例：已知蒸汽管道外径,=150mm,，,外壁温度,t,0,=180,=0.013+0.000198,t,(,t,单位为,),保温层外壁温度,t,1,=50,，,冷凝量,w,=110,-4,kg/m,s,。,求：保温层厚度,解：,Q,L,=,wr,查,180,水,r,=2019kJ/kg,Q,/,L,=110,-4,2019=202W/m,对于圆筒壁：,r,1,=75mm,r,2,=,r,1,+,=(75+,)mm,保温层平均温度,：,=0.013+0.000198,t,m,=0.126(W/m,K),=50mm,2.4,对流给热,2.4.1.1,流动对传热的贡献,流体被冷却,导致,流体沿,x,方向作层流流动的结果，使垂直方向上的热流密度（,q,）,随距离,y,的增大而减小，温度梯度 也随之减小。,在温差相同的情况下,一定，,流动增加了壁面处的温度梯度，使壁面的,热流密度较流体静止时为大。,湍流时曲线更平坦,更大，,q,更大,一维导热,+,二维流动，使,q,2.4.1.2,两种对流形式,自然对流与强制对流,（,1,）,自然对流,流体内部温度不同，引起密度不同而引起宏观流动。,t,重者下沉,（,2,）,强制对流,在外力或,作用下引起流动,t,轻者上浮,2.4.1.3,对流给热过程的影响因素,（,1,）,牛顿冷却定律,对照傅立叶定律,热传导,：,对流传热,：牛顿冷却定律,其中，,T,w,为,壁温；,T,为流体主体温度；,为给热系数，,W/m,2,。,按牛顿冷却定律，实验的任务是测定不同情况下的给热系数，并将其关联成经验表达式以供设计时用。,（,2,）,对流给热系数,的量纲分析,物性：,固体表面的特性尺寸：,l,强制对流的流速：,u,自然对流特性速度：,变量,8,个，基本量纲,4,个,根据,定理，无量纲准数,=8-4=4,即,分别为,:,努塞尔 雷诺,普朗特,格拉斯霍夫,2.4.2,无相变流体,经验关联式,2.4.2.1,圆形直管内强制湍流,湍,0.3,流体被冷却,或,讨论,：,(1),任何经验公式应用时要注意三点：,适用范围,，,，低,定性温度为 或,特性尺寸管径,d,0.4,流体被加热,b,例：有一列管式换热器，其管束由,269,根长,3m,，,内径,d,=25mm,的管子组成。管内走空气，流量为,8000kg/h,，,空气被加热。定性温度下，空气的,c,p,=1.01kJ/kg,=2.0110,-2,mPa,s,=2.8710,-2,W/m,求空气对管壁的给热系数。,条件,:,Re,10,4,0.7,Pr,3040,解：,L,/,d,=15030,=65.7(W/m,2,),(2),公式的修正,高黏度修正,对工程处理,加热 冷却,过渡区,校正系数,弯管,R,弯管的曲率半径,2.4.2,无相变流体,经验关联式,0.3,流体被冷却,或,0.4,流体被加热,b,(3),湍,计算式灵活应用,当,b,=0.4,时，即为式,改写成,B,为惯性综合系数,因此,课堂讨论：,圆直管内处于高度湍流，无相变流体,已知,q,v,1,d,1,时,1,，令,d,1,=,d,2,使,q,v,2,=2,q,v,1,则,2,=,1,。,已知,q,v,1,d,1,时,1,，令,q,v,2,=,q,v,1,使,d,1,=1/2,d,2,则,2,=,1,。,对照教材,p69“,由式（,2-34,）可以看出，在其它因素不变时，说明管径,d,对,影响不大”一段话要特别留意。,引申：,若,则改写成,2.4.3,有相变化时对流,给热,1,沸腾给热,传热推动力,：,壁温与操作压强下液体的饱和温度之差。,两种沸腾：,大容积,与管内沸腾,沸腾条件,：,过热度和汽化核心,为使气泡产生，,p,v,p,1,过热度,=,t,-,t,s,，,并且，过热度与气泡,半径有关，因而很难形成小气泡。,（,1,）过热度：,（,2,）汽化核心,气泡首先在粗糙表面凹缝中产生,表面功小,对气泡有依托作用,存在气泡胚胎。,（,3,）核状和膜状沸腾,大容积沸腾规律,大，壁温,t,w,较低,核状沸腾好，工业采用,。,影响,沸,因素多，在核状,沸腾下，,沸腾过程的强化,表面粗糙化添加剂加入,牛顿冷却定律：,q,=,(,T,-,T,w,)=,(,t,w,-,t,),=,f,(,物性，操作特性，几何尺寸,),2,冷凝给热,(1),膜状冷凝与滴状冷凝,传热推动力,：,应用,：工业上从安全考虑，冷凝器设计按,膜状冷凝,2.5.1,基本概念,2.5,热辐射,（,1,）热辐射,辐射,物体以电磁波方式传递热量过程。,热辐射,不同物体间互相辐射和吸收能量综合过程，其净结果热量高低。,热辐射线可以在真空中传播，无需任何介质，这是热辐射与对流和传导的主要不同点。,（,2,）黑体、白体、透射体,吸收率,反射率,透过率,黑体,a,=1,，,白体,r,=1,透热体,d,=1,固体和液体不允许热辐射透过，,d,=0,a,+,r,=1,。,“,黑,”,，,“,白,”,之分不据颜色,雪霜,a,=0.985,近似黑体，,黑光金属,r,=0.97,近似白体。,1=,a,+,r,+,d,（,3,）黑度,黑度,黑度只与辐射物体本身情况有关，是物体的一种性质，而与外界无关。,2.5.2,固体辐射,（,1,）黑体辐射能力,E,b,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,即,四次方定律表明，辐射传热对温度十分敏感。,E,b,:,黑体辐能力,W/m,2,T,:,绝对温度,K,C,0,:,黑体辐射系数，,5.67W/(m,2,K,4,),（,2,）灰体辐射能力和吸收能力,克希霍夫定律,灰体,：,能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。,灰体也是理想物体，但是大多数的材料，在工业上应用最多的热辐射（波长在,0.76,20,m,）,范围，其吸收率随波长变化不大，因而可视为灰体。,克希霍夫定律：,在同一温度下，灰体的吸收率等于黑度。辐射能力愈大，其吸收能力愈大。,灰体辐射能力,对太阳辐射，气体辐射,（,5,）影响辐射的主要因素,温度影响,与,T,4,成正比，很敏感。与对流、传导不同。,几何位置影响,表面黑度的影响,*,减少辐射散热时，可在表面上镀以黑度很小的银、铝等。,辐射表面之间介质的影响,*,减少辐射散热，加遮热板（例,6-7,）,（,6,）辐射给热系数,高温设备（如管式炉）外壁对周围空气的散热，兼有辐射与自然对流作用,辐射,对流,2.6.1.1,传热过程数学描述,2.6,传热过程计算,若以外壁面为基准：,若为平壁,注意：,（,1,）,K,与,A,必须对应,一般情况管壁比较薄，,A,i,=,A,m,=,A,0,(2),考虑污垢：,对新管子，经过清洗去垢后管子，,R,i,=,R,0,=0,，,又通常,金属,大，壁,薄，故,/,0,，,忽略壁,阻及垢阻：则,当,0,i,，,则,K,比,i,还小,当,0,i,，则,K,i,，,p209,例,6,9,指出了强化传热途径从,小入手,值工程概念,：,气,几十至几百,有相变 几千至几万,因此当管外用饱和蒸汽加热管内气体时，,蒸汽,空气,K,空气,无相变,液,几百至几千,W/m,2,K,壁温计算：,很小，,T,w,=,t,w,结论：壁温总是趋于,值大一边温度。,壁温讨论意义重大,！,例如：管式炉中炉管为什么在烈火中不融化？,若,i,大，则（,T,-,T,w,）,小 即,T,w,T,因为里面有液体，,液,大，所以,t,W,t,液,2.6.1.2,平均温差和传热基本方程式,以逆流，无相变流体推导：,K,为常数,物性数据不变,热量衡算,：,前提：,定态，无热损失,是传热操作线斜率,d,A,面上传热速率式,或,沿管长,l,作积分可得传热基本方程：,注意：,公式中,K,与,A,要对应,K,i,A,i,=,K,0,A,0,逆流时，,t,2,=,T,1,-,t,2,t,1,=,T,2,-,t,1,当,t,2,t,m,并,完成同样,Q,(,KA,t,m,),A,逆,2000;,定性温度,;,定性尺寸,(3),换热器压降计算,判别换热器性能标准：,K,大，,P,小,管程压降,P,t,P,=,直管阻力,+,局部阻力,=,f,t,：,管程结垢校正系数,当流量一定时，,而,兼顾传热与压降,2.7.3,其它类型换热器,（,1,）板式换热器,螺旋板式换热器,优点：,传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，成本较低。,缺点：,操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修。,板式换热器,优点：,传热效率高，传热系数,K,大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。,缺点：,耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小,。,板翅式换热器,优点：,结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。,缺点：,制造工艺复杂，检修清洗困难。,（,2,）其他类型换热器,翅片管式换热器,特点：,管外安装翅片增加了传热面积、传热系数。,热管式换热器,特点：,有相变,大，结构简单，壁温均匀。,例：已知：,q,m,1,=1.5kg/s,，,r,=395kJ/kg,，,T,=60,管束,n,根,25,2.5mm,管内河水,t,1,=25,，,不计管外冷凝、管壁、垢层热阻，,N,P,=1,求：,(1),q,m,2,；,(2),n,，,L,（,u,=1m/s,）,(3),n,不变，,N,P,=2,，,q,m,1,解：,(1),从,t,m,10,及防止水中盐类析出为原则，选,t,2,=38,查附录得,=995kg/m,3,，,c,P,2,=4.1kJ/kg,=0.619W/m,，,=77.9,10,-5,Pa,S,Pr,=5.25,由热量衡算得,q,m,1,r,=,q,m,2,c,P,2,(,t,2,-,t,1,),(2),取水在管内流速为,1m/s,左右，则,取,n,=36,根,W/m,2,由题意知,由传热速率式：,验,L,/,d,=1033040,（,1,）,(3),改为双管程，流速变化，,K,也变化,由式（,1,）得,q,m,1,r,=,q,m,2,c,P,2,(,t,2,-,t,1,),