化工原理第四章傳熱過程超詳細講解

1、第四章第四章 傳熱過程傳熱過程1 1概述概述一、化工生產(chǎn)中的傳熱過程一、化工生產(chǎn)中的傳熱過程傳熱的應用傳熱的應用1、供給或取走反應熱：、供給或取走反應熱：相變潛熱：相變潛熱：2、回收利用余熱、廢熱：交換器的降溫，以利用熱能。、回收利用余熱、廢熱：交換器的降溫，以利用熱能。3、隔絕熱量傳遞、隔絕熱量傳遞, 避免熱量損失：保溫瓶避免熱量損失：保溫瓶, 保溫蒸汽管。保溫蒸汽管。二、要解決的問題二、要解決的問題1、進行熱量衡算，確定熱載體的用量、進行熱量衡算，確定熱載體的用量2、計算完成一定生產(chǎn)、計算完成一定生產(chǎn)(傳熱傳熱)任務所需的傳熱面積任務所需的傳熱面積3、尋找強化傳熱途徑、尋找強化傳熱途徑如何

2、提高傳熱速率如何提高傳熱速率三、傳熱方式分類三、傳熱方式分類穩(wěn)定的恒溫傳熱，傳熱面上的溫度不隨位置穩(wěn)定的恒溫傳熱，傳熱面上的溫度不隨位置變化變化Tf (x)穩(wěn)定的變溫傳熱，傳熱面上的溫度隨位置變穩(wěn)定的變溫傳熱，傳熱面上的溫度隨位置變化化Tf (x) 1、據(jù)冷熱流、據(jù)冷熱流體是否接觸體是否接觸混合式：冷熱流體混合混合式：冷熱流體混合煤氣洗滌塔煤氣洗滌塔間壁式：冷熱分離間壁式：冷熱分離間壁、冷凝管間壁、冷凝管蓄熱式：熱流體貯熱，冷流體吸熱蓄熱式：熱流體貯熱，冷流體吸熱熱風爐煉鐵熱風爐煉鐵 2、在間壁式傳熱中、在間壁式傳熱中,據(jù)據(jù)傳熱面上傳熱面上的溫度分布的溫度分布分為：分為：穩(wěn)定傳熱：穩(wěn)定傳熱：T

3、不隨時間變化不隨時間變化 對于一定的傳熱設備，熱阻一定，當對于一定的傳熱設備，熱阻一定，當T不隨時間變化不隨時間變化, T亦亦不隨時間而變，故傳熱速率不隨時間變化，所以，不隨時間而變，故傳熱速率不隨時間變化，所以，穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱傳傳熱速率不隨時間變化熱速率不隨時間變化。穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱非穩(wěn)定傳熱非穩(wěn)定傳熱3、據(jù)傳熱機理不同，分為、據(jù)傳熱機理不同，分為四、幾個基本概念：四、幾個基本概念：(2)傳熱速率傳熱速率=Q/ 單位單位(3)比熱比熱cp 顯熱：顯熱：Q顯顯=m cpt(Cp定壓比熱容定壓比熱容-J/kg*K) (J/mol*K)(4)潛熱潛熱式中式中:Hm和和Hn分別為質(zhì)量和摩爾相變潛熱

4、分別為質(zhì)量和摩爾相變潛熱 (單位分別為：單位分別為：J/kg；J/mol)(1)傳熱量傳熱量 QnmnmHHQ潛2 2傳導傳熱（熱傳導，導熱）傳導傳熱（熱傳導，導熱）一、定義：一、定義：傳導傳熱傳導傳熱發(fā)生在固體、靜止或發(fā)生在固體、靜止或滯流流體滯流流體中，因分中，因分子的振動或自由電子的運動而傳遞熱量的方式。子的振動或自由電子的運動而傳遞熱量的方式。二、導熱方程二、導熱方程付立葉定律：付立葉定律：1、導熱方程、導熱方程如圖：若如圖：若t1t2，熱量將自發(fā)的以導熱方式，熱量將自發(fā)的以導熱方式從內(nèi)壁向外壁傳遞。從內(nèi)壁向外壁傳遞。實驗證明：實驗證明：通過該壁傳遞的熱量與壁兩側(cè)通過該壁傳遞的熱量與壁

5、兩側(cè)的溫差成正比，與傳熱面積和傳熱時間成的溫差成正比，與傳熱面積和傳熱時間成正比，與傳導距離成反比正比，與傳導距離成反比，即：，即：dQ= -付立葉方程付立葉方程對于穩(wěn)定的熱傳導：對于穩(wěn)定的熱傳導：dt不隨時間不隨時間d變化，故積分為：變化，故積分為：溫度梯度溫度梯度速度梯度速度梯度（P41）比比較較2.導熱系數(shù)導熱系數(shù) （類似于粘度）（類似于粘度） 意義：意義：材料導熱能力大小的標志，是材料導熱能力大小的標志，是A1m2， =1m, t=1k時的傳熱速率。在相同的條件下，材料不同，其傳熱速率不時的傳熱速率。在相同的條件下，材料不同，其傳熱速率不同，故同，故是材料本身的性質(zhì)是材料本身的性質(zhì)。大

6、小：大?。篴. 實驗測定或查附表二、三、六、七可得。實驗測定或查附表二、三、六、七可得。 b. 隨溫度的變化隨溫度的變化對金屬：對金屬： 0，t,。原子振動加劇，電子運受阻原子振動加劇，電子運受阻非金屬：非金屬：0, t,。 分子振動加劇，傳熱能力增加分子振動加劇，傳熱能力增加 液體：液體：0,t, 。 t液體膨脹液體膨脹,分子距離加大，碰撞分子距離加大，碰撞 氣體：氣體：0, t,。 t , 分子能量分子能量 碰撞碰撞 。金屬金屬非金屬非金屬，固固液液氣氣，結構緊密結構緊密結構松散結構松散單位：單位：泡沫保溫泡沫保溫材料材料三、平面壁的穩(wěn)定熱傳導三、平面壁的穩(wěn)定熱傳導特點特點2 多層平面壁多

7、層平面壁,如耐火磚如耐火磚絕熱磚絕熱磚建筑磚組成三層復合建筑磚組成三層復合壁，對各層分別應用單層導熱公式有：壁，對各層分別應用單層導熱公式有：R=/熱阻熱阻1 單層平面壁，如單層平面壁，如P105圖圖一層：一層：二層：二層：三層：三層：(1)(2)(3)tAttA)(21平面壁平面壁：A1=A2=A3=A穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱1=2=3=則有：則有： t1-t4=t=討論討論：(1)+得：得：(4)(5)+得：得：(2)t1/t2 =R1/R2=即各層的溫降與其熱阻成正比。即各層的溫降與其熱阻成正比?？梢姡簜鳠崴俾适街锌梢姡簜鳠崴俾适街蟹帜甘欠肿訙囟葏^(qū)間內(nèi)的熱阻之和分母是分子溫度區(qū)間內(nèi)的熱阻之和。(

8、4)在不知在不知A時時, 可求可求單位傳熱面積的傳熱速率單位傳熱面積的傳熱速率熱流密度熱流密度（傳熱強度）（傳熱強度）q q= /A= t/ (/ ) 例：例：4-1P107 熱阻越大，溫度降越大熱阻越大，溫度降越大例：例：4-2P108 垢層的熱阻很大，應勤除垢層垢層的熱阻很大，應勤除垢層(3) 可求夾層間的溫度?？汕髪A層間的溫度。21432232212iiitttttA1112Att作業(yè)：作業(yè)：P142 P142 （3 3，4 4）四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導 如圖：據(jù)付立葉定律：據(jù)付立葉定律： 1、 單層圓簡壁單層圓簡壁對數(shù)平均半徑對數(shù)平均半徑。當。當r2 /r1104、

9、Pr =0.7120的氣體的氣體和和2水水的液體：的液體：液體被加熱時液體被加熱時m=0.4 （411） 液體被冷卻時液體被冷卻時m=0.3 （412）2）有相變時的）有相變時的值值 相變時放出大量的潛熱，故相變時放出大量的潛熱，故值查表值查表(取一中間值取一中間值)P117 表表4-2四、傳熱總速率的方程四、傳熱總速率的方程 從給熱方程中消去從給熱方程中消去tw1, tw2，求，求令令T=1，t=2注意：由于注意：由于1=2=3= 所以有：所以有：五、總傳熱系數(shù)五、總傳熱系數(shù)K 多層圓簡壁一般不用多層圓簡壁一般不用=KAm (T- t) 的形式的形式,而直接使用公式。而直接使用公式。單層22

10、1211221111rrrrrrrrrrKmmmmiiiirrrrrrriiimii11lnln1例例4-7 ：釜內(nèi)徑：釜內(nèi)徑 d1=0.8m外徑外徑d2=0.822m，故釜壁可視為平面壁，則有：故釜壁可視為平面壁，則有：熱阻主要集中在熱阻主要集中在較小和較小和較小的一側(cè)較小的一側(cè)，金屬管壁的熱阻很，金屬管壁的熱阻很小，在液一液熱交換過程中通常忽略。小，在液一液熱交換過程中通常忽略。作業(yè)：作業(yè)： P143 14b. 據(jù)4.總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K的獲得途徑：的獲得途徑：實測。a. 據(jù) 計算例例4-10 用用160飽和蒸氣加熱粘性溶液飽和蒸氣加熱粘性溶液15140，黏性溶，黏性溶液的黏度隨溫度升高

11、而顯著下降，使總傳熱系數(shù)液的黏度隨溫度升高而顯著下降，使總傳熱系數(shù)K-t 變化，變化，屬屬不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱，取一時間微元取一時間微元d,在在d內(nèi)傳遞的熱量為內(nèi)傳遞的熱量為 dQ，則對冷流體有：，則對冷流體有：沒有沒有K=f(t)關系，只有關系，只有K-t數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，只能采用只能采用辛普森數(shù)辛普森數(shù)據(jù)積分據(jù)積分(自變量間隔相等自變量間隔相等) 公式積分：公式積分：542210bbay)y2(y)y4(yy3ydxa分別計算出分別計算出y0,y1,y2y5 代入公式求得代入公式求得：=8.57*105 (25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37) +6.94)10

12、-5=3230 s=54 min n為積分區(qū)間所分的等分數(shù)，這里有為積分區(qū)間所分的等分數(shù)，這里有6組組 (T- t)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，可求得可求得 6 個個y值，即：值，即：六、傳熱溫度差六、傳熱溫度差 傳熱過程中溫差一般是變化的，需取平均值計算。傳熱過程中溫差一般是變化的，需取平均值計算。 1、穩(wěn)定的恒溫傳熱溫差、穩(wěn)定的恒溫傳熱溫差 （溫度不隨位置而變化）（溫度不隨位置而變化）如圖的傳熱過程：如圖的傳熱過程：2、穩(wěn)定的變溫傳熱溫差（溫度隨位置而變化）、穩(wěn)定的變溫傳熱溫差（溫度隨位置而變化）逆流逆流(相向逆流相向逆流) 并流并流(同向并流同向并流)注意：注意：同一流體終、始態(tài)的溫差用同一流體終、始態(tài)

13、的溫差用T 或或 t表示。表示。 換熱器同一端高低溫流體的溫差用換熱器同一端高低溫流體的溫差用t1 或或t2 表示。表示。3、平均溫差公式、平均溫差公式 以并流為例推導平均溫差公式：以并流為例推導平均溫差公式： (T-t)與與A有關，故須找平均溫差有關，故須找平均溫差(T-t)m = t m, 則需找則需找d(T-t) dA關系關系,故取一微元面積故取一微元面積dA, 在在dA 內(nèi)視內(nèi)視(T-t)為常數(shù)為常數(shù),在在dA內(nèi)應用傳熱速率方程式有：內(nèi)應用傳熱速率方程式有： 對冷熱流體進行對冷熱流體進行熱量衡算熱量衡算有：有：可找到可找到dAd(T-t) 關系，關系，積分就可得積分就可得(T-t)m

14、=tm kg/s (qm)即：經(jīng)過即：經(jīng)過dA后換熱器換熱：后換熱器換熱：T流體放熱：流體放熱：t流體吸熱：流體吸熱：(2)-(3)得：得：2P22P2dd=M C dt dt=M C設法消去與流體性質(zhì)相關的參數(shù)設法消去與流體性質(zhì)相關的參數(shù)M、Cp：代回代回(5)式整理得式整理得 ：(5)對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差同理逆流換熱亦可推導出：同理逆流換熱亦可推導出：當當算術平均溫差算術平均溫差注意：注意：計算時，先作出計算時，先作出TA方框方框圖，注明溫度，找出圖，注明溫度，找出t1 和和t2 后再后再計算計算 tm 。)()(ln)()(ln221122112121tTtTtTtTtttttm并例

15、例4-11例例4-11tm逆逆 =54.9 tm并并=39.1 tm逆逆 /tm并并=54.9/39.1 =1.404在在, K相同時：相同時：A并并/A逆逆=tm逆逆/tm并并1 A并并A逆逆在在A, K相同時：相同時：逆逆/并并=tm逆逆 /tm并并1 逆逆并并據(jù)據(jù)=MCpt，在，在相同時，逆流可減少熱載體的用量，相同時，逆流可減少熱載體的用量，即即M逆逆tm并并。1、逆流的優(yōu)點：、逆流的優(yōu)點： =KAtm 進出口溫度相同時，進出口溫度相同時，tm逆逆tm并并，故在，故在 A、K一定時一定時: 逆逆/并并 =tm逆逆 /tm并并 1 即：即： 逆逆 并并 冷熱流體的出口溫度互不受影響，冷流

16、體出口溫度冷熱流體的出口溫度互不受影響，冷流體出口溫度t1可能高于熱可能高于熱流體出口溫度流體出口溫度T2，換熱徹底換熱徹底。在。在、K相同時，相同時，A逆逆A并并。 2、并流的優(yōu)點、并流的優(yōu)點: t2t2，適用于某些連續(xù)操，適用于某些連續(xù)操作的管式反應器中進行的作的管式反應器中進行的放熱放熱反應的熱量的移出反應的熱量的移出。如圖：并流能正常操作，逆流如圖：并流能正常操作，逆流不能正常操作。不能正常操作。例例4-12 在其他條件在其他條件(K,Cp,M1,M2)不變時不變時,并并逆，求逆，求T2, t1。解：利用并流求得有關常數(shù)：解：利用并流求得有關常數(shù)： =KAtm=-M1Cp1T=M2Cp

17、2tT=-50 t=40 M1Cp1/ M2Cp2=t/T=0.8 (常數(shù)常數(shù))(1)tm并并=t1-t2/lnt1/t2=39.1KA/M1Cp1=-T/tm=50/39.1=1.28（常數(shù)）（常數(shù)）(2)-T=120-T2 t=t1-20改逆流后改逆流后:代入（代入（1）和（）和（2）式：）式：M1Cp1/ M2Cp2=t/T=(t1-20)/(120-T2)=0.8KA/M1Cp1=-T/tm= 2（120-T2 ） / （100-t1 + T2 ）=1.28例例4-13 求在逆流換熱中面積增大一倍時的出口溫度。同求在逆流換熱中面積增大一倍時的出口溫度。同理有：理有：M1Cp1/M2Cp

18、2=t/T=0.8=(t1-20)/(120-T2) t1=116-0.8T2 tm逆逆=(100-t1+T2)/2 K(2A)/M1Cp1=2*1.28=-T/tm逆逆 =(120-T2)*2/ (100-t1+T2)=2.56T2=42.5 t1=82 八、強化傳熱的途徑和措施八、強化傳熱的途徑和措施 =KAtm 1.增大增大A:增大增大較小一側(cè)的較小一側(cè)的A值值，如氣體和，如氣體和小的液小的液體走管外；采用翅片管、螺紋管作換熱管。體走管外；采用翅片管、螺紋管作換熱管。當兩種當兩種流體能接觸時，流體能接觸時，盡量增加其分散度盡量增加其分散度(A大大)。如噴啉冷。如噴啉冷卻時將液體霧化。卻時

19、將液體霧化。2.提高提高tm：盡量采用逆流換熱盡量采用逆流換熱。溫差的增大受氣候。溫差的增大受氣候條件和輸送費用的限制。條件和輸送費用的限制。3.提高提高K值值K值取決于值取決于值值和和很小的很小的垢層的厚度垢層的厚度。1、采用采用大的流體大的流體作熱載體；作熱載體；2、據(jù)：、據(jù)： 增大流速增大流速可提高可提高值；值；3、勤除垢層勤除垢層, 減小熱阻減小熱阻/ 。平面壁傳導傳熱：平面壁傳導傳熱：圓筒壁傳導傳熱：圓筒壁傳導傳熱：九、常用公式：九、常用公式： 平面壁對流傳熱：平面壁對流傳熱：圓筒壁對流傳熱：圓筒壁對流傳熱：1n1iii1m11tA211n1ii11m1ln1r1tl2rrrii)(

20、)(ln)()(ln221122112121tTtTtTtTtttttm熱量衡算：熱量衡算：平均溫差：平均溫差：4-5 4-5 熱交換器熱交換器一、列管式換熱器一、列管式換熱器 如圖如圖4-14，P127管程管程：換熱器的管內(nèi)通道：換熱器的管內(nèi)通道管程數(shù)管程數(shù)：流體在管程中從一端到另一端運行的次數(shù)。：流體在管程中從一端到另一端運行的次數(shù)。殼程殼程：換熱器的外殼與管束之間的通道：換熱器的外殼與管束之間的通道殼程數(shù)殼程數(shù)：流體在殼程中從一側(cè)到另一側(cè)運行的次數(shù)。：流體在殼程中從一側(cè)到另一側(cè)運行的次數(shù)?？倱Q熱面積：總換熱面積：A= n dml 二、夾套式加熱器：二、夾套式加熱器：圖圖4-20三、蛇管式

21、熱交換器：三、蛇管式熱交換器：4-21四、螺旋板式熱交換器：四、螺旋板式熱交換器：4-22五、板式熱交換器：五、板式熱交換器：4-23習題習題14 解：圓筒壁的對流傳熱解：圓筒壁的對流傳熱2/1=6.53/18.75=0.3482 35%1 = 2000Wm-2K-1結垢后：結垢后：結垢前：結垢前：221n1ii11m1ln1r1tl2rrrii2 = 15000Wm-2K-1r1 = 0.011mr2 = 0.0125m221211m11ln1r1tl2rrr32231211m11ln1ln1r1tl2rrrrr垢r2 = 0.011mr3 = 0.0125mr1 = 0.01m習題習題23：sM/kg3600/60011sM/kg3600/14002kg/4180c2pKJkg/2200c1pKJA=n*l*dm=1323.140.0235=1.9m2T2=?t2=15T1=90?習題習題21解：解：lA, 可用可用A比代表比代表 l 比，比， 即視為平面壁作近似計算。即視為平面壁作近似計算。=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t 加長前加長前： t1=25 T1=-50M1Cp1/M2Cp2=t1/-T1=25/50=0.5tm1=(t1+t2)/2=(110+85)/2=9