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1、第四章 传热过程,1概述一、化工生产中的传热过程传热的应用1、供给或取走反应热：,相变潜热：,2、回收利用余热、废热：交换器的降温，以利用热能。3、隔绝热量传递, 避免热量损失：保温瓶, 保温蒸汽管。二、要解决的问题1、进行热量衡算，确定热载体的用量2、计算完成一定生产(传热)任务所需的传热面积3、寻找强化传热途径如何提高传热速率,第四章 传热过程1概述相变潜热：2、回收利用余热、废热：交,三、传热方式分类,稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化Tf (x)稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变化Tf (x),1、据冷热流体是否接触,混合式：冷热流体混合煤气洗涤塔间壁式：冷热分离间壁、冷凝
2、管蓄热式：热流体贮热，冷流体吸热热风炉炼铁,2、在间壁式传热中,据传热面上的温度分布,分为：,稳定传热：T不随时间变化,对于一定的传热设备，热阻一定，当T不随时间变化, T亦不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，稳定传热传热速率不随时间变化。,稳定传热非稳定传热,三、传热方式分类稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化T,3、据传热机理不同，分为,四、几个基本概念：,(2)传热速率=Q/ 单位,(3)比热cp 显热：Q显=m cpt,(Cp定压比热容-J/kg*K) (J/mol*K),(4)潜热,式中:Hm和Hn分别为质量和摩尔相变潜热 (单位分别为：J/kg；J/mol),(1)传
3、热量 Q,3、据传热机理不同，分为四、几个基本概念：(2)传热速率=,2传导传热（热传导，导热）一、定义：传导传热发生在固体、静止或滞流流体中，因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。,二、导热方程付立叶定律：1、导热方程,如图：若t1t2，热量将自发的以导热方式从内壁向外壁传递。实验证明：通过该壁传递的热量与壁两侧的温差成正比，与传热面积和传热时间成正比，与传导距离成反比，即：,dQ= -,-付立叶方程,对于稳定的热传导：dt不随时间d变化，故积分为：,温度梯度速度梯度（P41）,比较,2传导传热（热传导，导热）一、定义：传导传热发生在,2.导热系数 （类似于粘度） 意义：材料导热能力
4、大小的标志，是A1m2， =1m, t=1k时的传热速率。在相同的条件下，材料不同，其传热速率不同，故是材料本身的性质。,大小：a. 实验测定或查附表二、三、六、七可得。 b. 随温度的变化,对金属： 0，t,。原子振动加剧，电子运受阻非金属：0, t,。 分子振动加剧，传热能力增加 液体：0,t, 。 t液体膨胀,分子距离加大，碰撞 气体：0, t,。 t , 分子能量 碰撞 。金属非金属，固液气，结构紧密结构松散,单位：,泡沫保温材料,2.导热系数 （类似于粘度） 意义：材料导热能力大小的,三、平面壁的稳定热传导特点,2 多层平面壁,如耐火砖绝热砖建筑砖组成三层复合壁，对各层分别应用单层导
5、热公式有：,R=/热阻,1 单层平面壁，如P105图,一层：,二层：,三层：,(1),(2),(3),三、平面壁的稳定热传导特点2 多层平面壁,如耐火砖,平面壁：A1=A2=A3=A稳定传热1=2=3=则有： t1-t4=t=,讨论：(1)+得：,(4),(5),+得：,(2)t1/t2 =R1/R2=,即各层的温降与其热阻成正比。,可见：传热速率式中分母是分子温度区间内的热阻之和。,平面壁：A1=A2=A3=A稳定传热1=2=3=,(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率热流密度（传热强度）q q= /A= t/ (/ ) 例：4-1P107 热阻越大，温度降越大例：4-2P108 垢
6、层的热阻很大，应勤除垢层,(3),可求夹层间的温度。,(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率热流密度（传,作业：P142 （3，4）,作业：P142 （3，4）,四、圆筒壁的稳定热传导 如图：,据付立叶定律： 1、 单层圆简壁,对数平均半径。当r2 /r11.2 时，可用算术平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。,=dr,筒,四、圆筒壁的稳定热传导 如图：据付立叶定律： 1、 单层圆,2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：,传热速率式中：分母是分子温度区间内的“热阻”之和,2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面,例4-3 P109 解
7、：注意(1)弄清r1, r2, r3, r4 或d1, d2, d3, d4 ，数值不可混淆。(2)钢铁的导热系数=50 W/m*K， 要记住。(3)矿渣棉的最小，0.07 W/m*K，小于石棉泥0.15 W/*K。(4)选保温材料时，只要能耐热， 小的应包在内层。(5)金属管的热阻远小于绝热层的热阻，即可忽略,例4-4 P109 计算1米长的保温管道在一年(生产300天)内因散热引起的费用与包裹保温材料折旧引起的费用之和为最小值时的保温层厚度经济厚度。,解：,散热 Q：26/109 元/J费用M1 (元/J) 保温材料的敷装、维修及材料费： 500元/5年m3=100 元/年m3费用M2,例
8、4-3 P109 解：注意(1)弄清r1, r2,如图：D , , M1，但材料体积 V，M2。费用最少的厚度经济厚度=(D-d)/2 。为简化计算，用Dm计算Am，Dm=(D+0.1)/2，则：Am=Dml=l*(D+0.1)/2,设热阻集中在保温层：则,W=J/s,则一米管年损失的热量：,年损失的价值：,一米管道耗保温材料体积：V=,年折旧费用：,如图：D , , M1，但材料体积 V，M2。,总费用：,复杂系数一元三次方程，用试差法求解：,求导，求极值:,设D=0.4 时，左=62.8右=63 =D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15 m,28.356,总费用：复杂系数一元三次
9、方程，用试差法求解： 求导，求极值:,作业：P142 （4、5）,作业：P142 （4、5）,对流传热发生在湍流流体中因冷热流体间的相对运动而传热的方式。(因为流体内部的对流传热不能稳定持续进行, 要使对流传热稳定持续地进行，流体的边缘必须有供给或取走热量的壁面，而工业上常见的传热是指冷热流体通过间壁的传热)，所以将流体边缘的壁面也包括进来一起讨论 。 故将对流传热扩展为：对流给热流体与壁面之间的传热。由于壁面附近的流体为滞流，因此：对流给热包括湍流主体的对流传热和壁附近滞流层的热传导，为描述此复杂的给热过程的速率，特提出对流给热机理(模型)，其要点为：,3 对流传热一、对流传热机理,对流传热
10、发生在湍流流体中因冷热流体间的相对运动而传热的方,a.湍流主体以对流方式传热，温度一致, 即忽略湍流主体的热阻。b.壁面附近存在传热边界层(滞流和过渡层)，此层中流体以热传导方式传热，是传热过程的阻力所在。对流给热模型的实质：把复杂的对流给热过程视为通过滞流内层的热传导过程。,对流给热模型将间壁传热分解为两个给热和一个导热过程: T主体 过度、滞流层 内壁 外壁 滞流、过度层 t主体对流传热 传导传热 传导传热 传导传热 对流传热 1 2 3 给热：T流体壁 传导传热 给热：壁t流体,a.湍流主体以对流方式传热，温度一致, 即忽略湍流主体,二、牛顿给热方程既然将对流给热视为通过滞流内层的热传导
11、，则对,式中T是流体以导热方式传热(传热边界层)的厚度，是虚拟的，难测定，故令：T / T= T 给热系数则有：,式中：T, tw1, tw2, t, T, t 均应是流体流动方向上某一截面上的数值。三、给热系数(传热膜系数) 1、意义：流体主体与壁面间温差t =1K，A=1m2时，单位时间内传递的热量。单位：W/m2K,二、牛顿给热方程既然将对流给热视为通过滞流内层的热传导，则,2、数值 1）无相变时给热的值,对于流体在圆管内作强制对流，Re104、Pr =0.7120的气体和2水的液体：,液体被加热时m=0.4 （411） 液体被冷却时m=0.3 （412）,2）有相变时的值 相变时放出大
12、量的潜热，故值查表(取一中间值),P117 表4-2,2、数值 1）无相变时给热的值对于流体在圆管内作强制对流,四、传热总速率的方程 从给热方程中消去tw1, tw2，求,令T=1，t=2,四、传热总速率的方程 从给热方程中消去tw1, tw2，求,注意：由于1=2=3= 所以有：,五、总传热系数K,注意：由于1=2=3= 所以有：五、总传热系数,多层圆简壁一般不用=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。,单层,多层圆简壁一般不用=KAm (T- t) 的形式,而直接使,例4-7 ：釜内径 d1=0.8m外径d2=0.822m，故釜壁可视为平面壁，则有：,热阻主要集中在较小和较小的一侧
13、，金属管壁的热阻很小，在液一液热交换过程中通常忽略。,例4-7 ：釜内径 d1=0.8m外径d2=0.822m，,化工原理第四章传热过程超详细讲解课件,作业： P143 14,作业： P143 14,b. 据,4.总传热系数K的获得途径：,实测。,a. 据 计算,b. 据4.总传热系数K的获得途径：实测。a. 据,例4-10 用160饱和蒸气加热粘性溶液15140，黏性溶液的黏度随温度升高而显著下降，使总传热系数K-t 变化，属不稳定传热，取一时间微元d,在d内传递的热量为 dQ，则对冷流体有：,没有K=f(t)关系，只有K-t数据，只能采用辛普森数据积分(自变量间隔相等) 公式积分：,例4-
14、10 用160饱和蒸气加热粘性溶液15140，黏,分别计算出y0,y1,y2y5 代入公式求得：,=8.57*105 (25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37) +6.94)10-5=3230 s=54 min,n为积分区间所分的等分数，这里有6组 (T- t)数据，可求得 6 个y值，即：,分别计算出y0,y1,y2y5 代入公式求得：=8.5,六、传热温度差 传热过程中温差一般是变化的，需取平均值计算。,1、稳定的恒温传热温差 （温度不随位置而变化）如图的传热过程：,六、传热温度差 1、稳定的恒温传热温差 （温度不随位置而变化,2、稳定的变温传热温差（温度随
15、位置而变化）,逆流(相向逆流),并流(同向并流),注意：同一流体终、始态的温差用T 或 t表示。 换热器同一端高低温流体的温差用t1 或t2 表示。,2、稳定的变温传热温差（温度随位置而变化）逆流(相向逆流),3、平均温差公式 以并流为例推导平均温差公式： (T-t)与A有关，故须找平均温差(T-t)m = t m, 则需找d(T-t) dA关系,故取一微元面积dA, 在dA 内视(T-t)为常数,在dA内应用传热速率方程式有：,对冷热流体进行热量衡算有：,可找到dAd(T-t) 关系，积分就可得(T-t)m =tm,kg/s (qm),3、平均温差公式 以并流为例推导平均温,即：经过dA后换
16、热器换热：,T流体放热：,t流体吸热：,(2)-(3)得：,即：经过dA后换热器换热：T流体放热：t流体吸热：(2)-(,设法消去与流体性质相关的参数M、Cp：,代回(5)式整理得 ：,(5),设法消去与流体性质相关的参数M、Cp：代回(5)式整理得 ：,对数平均温差,同理逆流换热亦可推导出：,当,算术平均温差,注意：计算时，先作出TA方框图，注明温度，找出t1 和t2 后再计算 tm 。,例4-11,对数平均温差同理逆流换热亦可推导出：当算术平均温差注意：计算,例4-11tm逆 =54.9 tm并=39.1 tm逆 /tm并=54.9/39.1 =1.404在, K相同时：A并/A逆=tm逆
17、/tm并1 A并A逆在A, K相同时：逆/并=tm逆 /tm并1 逆并据=MCpt，在相同时，逆流可减少热载体的用量，即M逆M并。即逆流传热，可使 or A or m .,例4-11tm逆 =54.9 tm并=39.1,七、并流与逆流的比较 并流传热的温差t前大后小，逆流传热温差t始终较大，故一般有tm逆tm并。1、逆流的优点： =KAtm 进出口温度相同时，tm逆tm并，故在 A、K一定时: 逆/并 =tm逆 /tm并 1 即： 逆 并 冷热流体的出口温度互不受影响，冷流体出口温度t1可能高于热流体出口温度T2，换热彻底。在、K相同时，A逆A并。,七、并流与逆流的比较 并流传热的温差t前大,
18、2、并流的优点: t2T2， 流体终点温度易控制，对于易气化、分解、反应和冷凝而必须控温的流体的换热较适合。,t1t2，适用于某些连续操作的管式反应器中进行的放热反应的热量的移出。如图：并流能正常操作，逆流不能正常操作。,2、并流的优点: t2T2， 流体终点温度易控制，对,例4-12 在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时,并逆，求T2, t1。解：利用并流求得有关常数： =KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t,T=-50 t=40 M1Cp1/ M2Cp2=t/T=0.8 (常数)(1),tm并=t1-t2/lnt1/t2=39.1KA/M1Cp1=-T/tm=50/39.1=1.28
19、（常数）(2),例4-12 在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时,并逆,-T=120-T2 t=t1-20,改逆流后:,代入（1）和（2）式：M1Cp1/ M2Cp2=t/T=(t1-20)/(120-T2)=0.8KA/M1Cp1=-T/tm= 2（120-T2 ） / （100-t1 + T2 ）=1.28,-T=120-T2 t=t1-20改逆流后:代,例4-13 求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同理有：M1Cp1/M2Cp2=t/T=0.8=(t1-20)/(120-T2) t1=116-0.8T2 tm逆=(100-t1+T2)/2 K(2A)/M1Cp1=2*1.28=
20、-T/tm逆,=(120-T2)*2/ (100-t1+T2)=2.56T2=42.5 t1=82 ,例4-13 求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同理有：,八、强化传热的途径和措施 =KAtm 1.增大A:增大较小一侧的A值，如气体和小的液体走管外；采用翅片管、螺纹管作换热管。当两种流体能接触时，尽量增加其分散度(A大)。如喷啉冷却时将液体雾化。2.提高tm：尽量采用逆流换热。温差的增大受气候条件和输送费用的限制。,八、强化传热的途径和措施,3.提高K值,K值取决于值和很小的垢层的厚度。1、采用大的流体作热载体；2、据：,增大流速可提高值；3、勤除垢层, 减小热阻/ 。,3.提高K值K
21、值取决于值和很小的垢层的厚度。,平面壁传导传热：,圆筒壁传导传热：,九、常用公式：,平面壁传导传热：圆筒壁传导传热：九、常用公式：,平面壁对流传热：,圆筒壁对流传热：,平面壁对流传热：圆筒壁对流传热：,化工原理第四章传热过程超详细讲解课件,热量衡算：,平均温差：,热量衡算：平均温差：,4-5 热交换器一、列管式换热器 如图4-14，P127管程：换热器的管内通道管程数：流体在管程中从一端到另一端运行的次数。壳程：换热器的外壳与管束之间的通道壳程数：流体在壳程中从一侧到另一侧运行的次数。总换热面积：A= ndml 二、夹套式加热器：图4-20三、蛇管式热交换器：4-21四、螺旋板式热交换器：4-
22、22五、板式热交换器：4-23,4-5 热交换器,习题14 解：圆筒壁的对流传热,2/1=6.53/18.75=0.3482 35%,1 = 2000Wm-2K-1,结垢后：,结垢前：,2 = 15000Wm-2K-1,r1 = 0.011m,r2 = 0.0125m,r2 = 0.011m,r3 = 0.0125m,r1 = 0.01m,习题14 解：圆筒壁的对流传热2/1=6.53/18,习题23：,A=n*l*dm=1323.140.0235=1.9m2,T2=?,t2=15,T1=90,?,习题23：A=n*l*dm=1323.140.02,习题21解：lA, 可用A比代表 l 比，
23、即视为平面壁作近似计算。=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t 加长前： t1=25 T1=-50M1Cp1/M2Cp2=t1/-T1=25/50=0.5tm1=(t1+t2)/2=(110+85)/2=97.5,A,习题21解：lA, 可用A比代表 l 比，A,作业： P144 22、24,作业： P144 22、24,习题15解：=KAtm=-M1Cp1T=-qV11Cp1T =-v/4d21Cp1T =0.5*0.785*0.022*1200*3000*(90-60)=644328 W A=n*l*dm =38*4*3.14*0.0225=10.73 m2 tm=(50-40)/ln5
24、/4=44.815K=/Atm=644328/10.73*44.815=1340 W/m2*K=M2Cp2t=M2*3000*(40-20)=644823W M2=10.74 kg/s,习题15,习题16解：121饱和蒸汽通入蛇管加热溶液，起始时溶液温度T较低，溶液的得热速率1较大，而桶的散热速率2较小，随着溶液温度T升高， 1变小而2变大，当溶液的得热速率1等于桶的散热速率2时，溶液的温度稳定不变，即为溶液所能加热到的温度T ：1=KA1(121-T)=6002（121-T） 2=A2(T-20)=105（T-20） 当1=2 时，T=117,习题16解：121饱和蒸汽通入蛇管加热溶液，起始时溶液,习题25：A= /Ktm，而冷凝区与冷却区的K和平均温差tm不同，故须分开计算。要求各区温差，如图，必须先求出冷流体的中间温度t2求冷却水的质量流量M2.,求M2：总=M1（ H -Cp1T ）,2,习题25：A= /Ktm，而冷凝区与冷却区的K和平均温,化工原理第四章传热过程超详细讲解课件,
