化學(xué)工藝與原理

1、第第3章傳章傳 熱熱 3.1概述概述 傳熱過程的應(yīng)用傳熱過程的應(yīng)用 用途廣泛：能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑、用途廣泛：能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等農(nóng)業(yè)、環(huán)保等 傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 1、化學(xué)反應(yīng)，、化學(xué)反應(yīng)，2、設(shè)備保溫，、設(shè)備保溫，3、熱能回收、熱能回收 兩類兩類1）要求傳熱量增大）要求傳熱量增大強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱 2）要求傳熱量減?。┮髠鳠崃繙p小削弱傳熱削弱傳熱 本章討論范圍：傳熱基本原理及其在化工中的應(yīng)用本章討論范圍：傳熱基本原理及其在化工中的應(yīng)用 熱量從高溫向低溫穩(wěn)定、自發(fā)地進(jìn)行熱量從高溫向低溫穩(wěn)定、自發(fā)地進(jìn)行太原工

2、業(yè)學(xué)院電子課件太原工業(yè)學(xué)院電子課件 根據(jù)傳熱機(jī)理分類根據(jù)傳熱機(jī)理分類 1、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）物體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生相對(duì)位物體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生相對(duì)位移，僅靠分子、原子、自由電子在自己位置上振動(dòng)（熱運(yùn)移，僅靠分子、原子、自由電子在自己位置上振動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行傳熱。動(dòng)）進(jìn)行傳熱。 發(fā)生在：固體、流體中發(fā)生在：固體、流體中 2、熱對(duì)流（對(duì)流傳熱）、熱對(duì)流（對(duì)流傳熱）流體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)流體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的傳熱。位移而引起的傳熱。 發(fā)生在：流體中發(fā)生在：流體中 相對(duì)位移：溫差引起相對(duì)位移：溫差引起自然對(duì)流自然對(duì)流 受外力作用受外力作用強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 3、熱輻射、熱輻射

3、因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。任何物體都能產(chǎn)生熱輻射。任何物體都能產(chǎn)生熱輻射。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）不需任何介質(zhì)）不需任何介質(zhì) 2）過程伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換）過程伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換 實(shí)際中，傳熱方式常以兩種或三種方式同時(shí)存在，只是在實(shí)際中，傳熱方式常以兩種或三種方式同時(shí)存在，只是在不同的條件下，某種方式的傳熱占主要地位。不同的條件下，某種方式的傳熱占主要地位。3.1.2傳熱過程中熱、冷流體（接觸）熱交換方式傳熱過程中熱、冷流體（接觸）熱交換方式 一、直接接觸式換熱和混合式換熱器一、直接接觸式換熱和混合式換熱器 冷、熱流體直接接觸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備冷、熱流體直

4、接接觸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備混合式換熱器。圖混合式換熱器。圖3-1 優(yōu)點(diǎn)：傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。優(yōu)點(diǎn)：傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。 二、蓄熱式換熱和蓄熱器二、蓄熱式換熱和蓄熱器 冷、熱流體交替流過蓄熱器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備冷、熱流體交替流過蓄熱器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器。圖圖3-2 三、間壁式換熱和間壁式換熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器 冷、熱流體被固體壁面隔開，冷、熱流體被固體壁面隔開， 熱需通過固體壁面?zhèn)鬟f熱需通過固體壁面?zhèn)鬟f 實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備間壁式換熱器間壁式換熱器太原工業(yè)學(xué)院電子課件冷流體冷流體t1t2熱流體熱流體T1T2套管式換熱器套管式換熱器太原工業(yè)學(xué)院電子課件3.1.3傳熱過程傳熱過程1

5、. 傳熱速率和熱通量傳熱速率和熱通量傳熱速率傳熱速率Q 單位時(shí)間內(nèi)通過單位時(shí)間內(nèi)通過 傳熱面的熱量傳熱面的熱量, W 熱通量熱通量q單位面積的傳熱速率，單位面積的傳熱速率，W/傳熱熱阻傳熱熱阻溫度差溫度差傳熱推動(dòng)力傳熱推動(dòng)力傳熱速率傳熱速率)( dSdqQ RqRQ tt 或或太原工業(yè)學(xué)院電子課件 2.穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變，不隨時(shí)系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變，不隨時(shí)間變。任一時(shí)刻傳熱速率（單位時(shí)間傳遞的熱量）為間變。任一時(shí)刻傳熱速率（單位時(shí)間傳遞的熱量）為常數(shù)。連續(xù)操作過程。常數(shù)。連續(xù)操作過程。 輸入能輸出能輸入能輸出能 非穩(wěn)態(tài)傳熱

6、非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置變，也系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置變，也隨時(shí)間變。隨時(shí)間變。 間斷操作過程。間斷操作過程。太原工業(yè)學(xué)院電子課件3. 載熱體及其選擇載熱體及其選擇 物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，由另一種物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，由另一種流體流體供給或取供給或取走熱量走熱量 載熱體加熱劑（加熱介質(zhì)）載熱體加熱劑（加熱介質(zhì)）起加熱作用的載熱體起加熱作用的載熱體 冷卻劑（冷卻介質(zhì)）冷卻劑（冷卻介質(zhì)）起冷卻作用的載熱體起冷卻作用的載熱體 工業(yè)常用加熱劑工業(yè)常用加熱劑熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等物、熔鹽及煙道氣等 工業(yè)常用冷卻劑工

7、業(yè)常用冷卻劑水、空氣和各種冷凍劑。水、空氣和各種冷凍劑。太原工業(yè)學(xué)院電子課件載熱體載熱體3.2 傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算 3-2-1熱量衡算熱量衡算 間壁式換熱器，假設(shè)：換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略間壁式換熱器，假設(shè)：換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略 有衡算式輸入能輸出能有衡算式輸入能輸出能 即放熱吸熱即放熱吸熱 對(duì)整個(gè)換熱器對(duì)整個(gè)換熱器 無相變焓衡算無相變焓衡算 QWh(Ih1Ih2）Wc（Ic2Ic1） 比熱法比熱法 QWh cph(T1T2） Wc cpc（t2t1） 式中式中 W流體的質(zhì)量流量，流體的質(zhì)量流量，kgh或或kgs； I流體的焓，流體的焓，kJkg； Q換熱器的熱負(fù)荷，換熱

8、器的熱負(fù)荷，kJh或或kW；下標(biāo)下標(biāo)1和和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口分別表示換熱器的進(jìn)口和出口 有相變有相變 QWh r Wc cpc（t2t1） QWh r+ cph(TsT2） Wc cpc（t2t1）Wh飽和蒸氣（即熱流體）的冷凝速率，飽和蒸氣（即熱流體）的冷凝速率，kg/s r飽和蒸氣的冷凝潛熱，飽和蒸氣的冷凝潛熱， kJ/kg。 cph冷凝液的比熱容，冷凝液的比熱容，kJ/(kg) Ts 冷凝液的飽和溫度，冷凝液的飽和溫度，。 上式應(yīng)用條件上式應(yīng)用條件 1）定態(tài)流動(dòng)即）定態(tài)流動(dòng)即Wh、Wc為常數(shù)為常數(shù),kg/h 2）cp 取為常數(shù)或平均值，取為常數(shù)或平均值，kJ/(kg. C) 小

9、小 結(jié)結(jié) 二 、熱負(fù)荷計(jì)算 無相變 QWh(Ih1Ih2）Wc（Ic2Ic1） QWh cph(T1T2） Wc cpc（t2t1）， 有相變QWh r Wc cpc（t2t1） QWh r+ cph(TsT2)Wc cpc (t2t1） 3-2-2 總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù) 一、總傳熱速率方程一、總傳熱速率方程 從熱流體到冷流體的傳熱過程從熱流體到冷流體的傳熱過程 ，包括對(duì)流、熱傳導(dǎo)、對(duì)流，包括對(duì)流、熱傳導(dǎo)、對(duì)流三個(gè)過程三個(gè)過程 ，整個(gè)過程熱量，整個(gè)過程熱量 的傳遞，服從總傳熱速率方程式的傳遞，服從總傳熱速率方程式 速率方程，仿照牛頓速率方程，仿照牛頓 冷卻定律冷

10、卻定律 有有 Q K tmdS (3-25) 上式為總傳熱速率方程式上式為總傳熱速率方程式 K總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2. )， 與傳熱面積對(duì)應(yīng)與傳熱面積對(duì)應(yīng)3-2-3平均溫度差法平均溫度差法 簡化假定簡化假定 1）傳熱為定態(tài)操作過程）傳熱為定態(tài)操作過程 2）兩流體的比熱容均為常量（取換熱器進(jìn)、出口下的）兩流體的比熱容均為常量（取換熱器進(jìn)、出口下的平均值）平均值） 3）K為常量為常量 4）換熱器的熱損失可忽略）換熱器的熱損失可忽略 一、恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差 隨換熱器管長不同，兩側(cè)流體溫差處處相等t = Tt 二、變溫傳熱時(shí)的平均溫度差 兩種流體流向 逆流并流錯(cuò)流折流 1、兩側(cè)變溫、兩

11、側(cè)變溫 1）逆流與并流）逆流與并流 以逆流為例以逆流為例 放熱放熱dQ =Wh cph dT 吸熱吸熱 dQ = W C cpcdt contcWdTdQphhcontcWdtdQpcc有T = mQ +k兩式相減Tt = t =(m m/)Q + (kk/) 所以 t Q關(guān)系也為直線 t = m/ Q + k/直線斜率QttdQtd12)( QtttKdStd12 )(SttdSQttttdK012211)()454(ln1212 tttttm對(duì)數(shù)平均溫度差mtKSttttKSQ 1212ln 一、總傳熱速率方程式 QKS tm熱負(fù)荷與傳熱速率的區(qū)別 二、總傳熱系數(shù)K000011 miidb

12、dddK0111 iK接近小的時(shí)，當(dāng)K0i小小 結(jié)結(jié) 一、傳熱平均溫差tm恒溫傳熱 tm Tt變溫傳熱1212lntttttm 注意注意（1）當(dāng)）當(dāng) t 2 2 t1 時(shí)時(shí) tm可用算術(shù)平均值代可用算術(shù)平均值代 （2）換熱器兩端溫差大者為）換熱器兩端溫差大者為 t2 （3）并流時(shí)的）并流時(shí)的 tm同式（同式（3-25） 2）錯(cuò)流與折流）錯(cuò)流與折流 tm t tm逆逆 2、一側(cè)變溫另一側(cè)不變溫、一側(cè)變溫另一側(cè)不變溫 tm逆逆？ tm并并 3、流向的選擇、流向的選擇 （1）在相同進(jìn)出口溫度下，）在相同進(jìn)出口溫度下， tm逆逆 tm折折 tm并并， QKS tm，當(dāng)，當(dāng)Q、K一定，一定， tm越大，

13、越大，S越小越小 （2）逆流并流）逆流并流 T2接近 t 1 T2接近 t 2 ， （ T1 T2)逆 （ T1 T2)并 Q一定 Wh 逆 Wh ua Wh cph 一定 Wh cph(T1T2）逆Wh cph(T1T2）并 Q逆 Q并 （3）如對(duì)某流體出口溫度有限制，應(yīng)采用并流）如對(duì)某流體出口溫度有限制，應(yīng)采用并流 （4）設(shè)計(jì)時(shí)，）設(shè)計(jì)時(shí)， t 0.8 三、總傳熱系數(shù)三、總傳熱系數(shù)K不為常數(shù)時(shí)的傳熱計(jì)算不為常數(shù)時(shí)的傳熱計(jì)算 K隨溫度呈線性變化時(shí)隨溫度呈線性變化時(shí) K隨溫度不呈線性變化時(shí)，換熱器分段計(jì)算隨溫度不呈線性變化時(shí)，換熱器分段計(jì)算)484(ln12211221 tKtKtKtKSQ2

14、121)(S)(SK)(:)(0011ttpccSTTphhSnjjmjjnjjjjmjjtTKdtcWdStTKdTcWdStKQSjnQQStKQ或算的微分形式得傳熱速率方程和熱量衡隨溫度變化較大時(shí)，由為任一段的序號(hào)分段數(shù)，下標(biāo)小小 結(jié)結(jié) 一、傳熱平均溫差tm恒溫傳熱 tm Tt變溫傳熱二、流向選擇 Wh cph 一定， Q逆 Q并Q一定，Wh 逆 t2 t 隨隨 r 變變 S=2 r L 穩(wěn)態(tài)一維溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)一維溫度場(chǎng) =constdrdtrLdrdtSQ 221212ttrrdtLrdrQ 1221ln)(2rrttLQ 寫成單層平壁的形式寫成單層平壁的形式122121)()(rrttSbttSQmm 3-14與與3-15等效，等效，LrrrrrLSmm 2ln)(21212 太原工業(yè)學(xué)院電子課件 二、多層圓筒壁二、多層圓筒壁 應(yīng)用串聯(lián)熱阻的概念，應(yīng)用串聯(lián)熱阻的概念，得得由由12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ n層圓筒壁層圓筒壁 niiiinrrLttQ1111ln21 1212ln)(rrrrrm 對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)平平均均半半徑徑12121212SSln)SS(L2L2ln)(L2S 對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)平平均均面面積積rrrrm 太原工業(yè)學(xué)院電子課件小小