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文檔簡介
第四章傳熱
第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導
第三節(jié)對流傳熱
第四節(jié)傳熱過程計算第五節(jié)
熱輻射第六節(jié)
換熱器第四章傳熱第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導第三節(jié)1一、傳熱在化學工程中的應用二、傳熱的基本方式熱傳導(conduction);熱對流(convection);熱輻射(radiation)?;ぎa(chǎn)品加工過程中的溫度控制以及各種單元操作(如裂解、重整、聚合等)對溫度有一定的要求。熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的,根據(jù)傳熱機理不同,傳熱的基本方式有三種:4.1概述一、傳熱在化學工程中的應用二、傳熱的基本方式熱傳導(cond21、熱傳導氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果
固體導電體:自由電子在晶格間的運動非導電體:通過晶格結構的振動實現(xiàn)液體機理復雜特點:靜止介質(zhì)中的傳熱,沒有物質(zhì)的宏觀位移1、熱傳導氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果特3強制對流:因泵(或風機)或攪拌等外力所導致的對流稱為強制對流。
流動的原因不同,對流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。自然對流:由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異,致使流體產(chǎn)生相對位移,這種對流稱為自然對流。2、熱對流
流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中。強制對流:流動的原因不同,對流傳熱的規(guī)律也不同。43、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞,稱為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去,而不需要任何介質(zhì)。任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)射輻射能,但是只有在物體溫度較高的時候,熱輻射才能成為主要的傳熱形式。實際上,上述三種傳熱方式很少單獨出現(xiàn),而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。3、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞,稱為熱輻射。5冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔6二、間壁式傳熱面為內(nèi)管壁的表面積套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T2二、間壁式傳熱面為內(nèi)管壁的表面積套管換熱器冷流體t17列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積熱流體T1T2冷流體t1t2列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積熱流體T1T2冷流8熱載體及其選擇
加熱劑:熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等用電加熱冷卻劑:水、空氣、冷凍鹽水、液氨等冷卻溫度30C水加熱溫度180C飽和水蒸氣熱載體及其選擇加熱劑:熱水、飽和水蒸氣冷卻劑:水、空氣、冷9熱負荷Q’:工藝要求,同種流體需要溫升或溫降時,吸收或放出的熱量,單位J。傳熱速率Q:熱流量,單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量,單位J/s或W。熱流密度q:熱通量,單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量,單位J/(s.m2)或W/m2。一、基本概念熱負荷Q’:工藝要求,同種流體需要溫升或溫降時,吸收或放出的10非穩(wěn)態(tài)傳熱
二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱
穩(wěn)態(tài)傳熱
式中 A──總傳熱面積,m2。非穩(wěn)態(tài)傳熱二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱式中 A──11三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷12式中K──總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)或W/(m2·K);Q──傳熱速率,W或J/s;A──總傳熱面積,m2;
tm──兩流體的平均溫差,℃或K??倐鳠崴俾史匠蹋悍€(wěn)態(tài)傳熱:式中K──總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)或W/(m2·K13溫度場(temperaturefield):某一瞬間空間中各點的溫度分布,稱為溫度場.
式中:t——溫度;
x,y,z——空間坐標;
τ——時間。
物體的溫度分布是空間坐標和時間的函數(shù),即t=f(x,y,z,τ)4.2熱傳導
一、傅立葉定律
1溫度場和溫度梯度
溫度場(temperaturefield):某一瞬間空間中14不穩(wěn)定溫度場
穩(wěn)定溫度場
一維溫度場:若溫度場中溫度只沿著一個坐標方向變化。一維溫度場的溫度分布表達式為:
t=f(x,τ)不穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場一維溫度場:若溫度場中溫度只15等溫面:在同一時刻,溫度場中所有溫度相同的點組成的面。t1t2t1>t2等溫面Q等溫面的特點:(1)等溫面不能相交;(2)沿等溫面無熱量傳遞。等溫面:在同一時刻,溫度場中所有溫度相同的點16
注意:沿等溫面將無熱量傳遞,而沿和等溫面相交的任何方向,因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。對于一維溫度場,等溫面x及(x+Δx)的溫度分別為t(x,τ)及t(x+Δx,τ),則兩等溫面之間的平均溫度變化率為:溫度梯度:溫度梯度是向量,其方向垂直于等溫面,并以溫度增加的方向為正。t+tt-ttnQdA注意:沿等溫面將無熱量傳遞,而沿和等溫面相交的任何方向17傅立葉定律是熱傳導的基本定律,它指出:單位時間內(nèi)傳導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比,即
式中Q——單位時間傳導的熱量,簡稱傳熱速率,w
A——導熱面積,即垂直于熱流方向的表面積,m2
λ——導熱系數(shù)(thermalconductivity),w/m.k。式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向相反。
2傅立葉定律傅立葉定律是熱傳導的基本定律,它指出:單位時間內(nèi)傳導的18熱導率
在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量=f(結構,組成,密度,溫度,壓力)金屬固體>非金屬固體>液體>氣體
表征材料導熱性能的物性參數(shù)熱導率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量191.固體熱導率
金屬材料10~102W/(m?K)建筑材料10-1~10W/(m?K)絕熱材料10-2~10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內(nèi):對大多數(shù)金屬材料a<0,t
對大多數(shù)非金屬材料a>0
,
t
1.固體熱導率金屬材料10~102W/(m?K)202.液體熱導率金屬液體較高,非金屬液體低;非金屬液體水的最大;水和甘油:t,其它液體:t,0.09~0.6W/(m·K)2.液體熱導率金屬液體較高,非金屬液體低;0.09~0213.氣體熱導率t,一般情況下,隨p的變化可忽略;氣體不利于導熱,有利于保溫或隔熱。0.006~0.4W/(m·K)3.氣體熱導率t,0.006~0.4W/(m·22bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b,壁面積為A;壁的材質(zhì)均勻,導熱系數(shù)λ不隨溫度變化,視為常數(shù);平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化,故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面。平壁側面的溫度t1及t2恒定。二、平壁的穩(wěn)定熱傳導
1單層平壁的熱傳導bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b,壁面積為A;二、平23傅立葉定律:邊界條件為:取dx的薄層,作熱量衡算:得:不隨t而變
式中Q──熱流量或傳熱速率,W或J/s;A──平壁的面積,m2;b──平壁的厚度,m;
──平壁的熱導率,W/(m·℃)或W/(m·K);t1,t2──平壁兩側的溫度,℃。傅立葉定律:邊界條件為:取dx的薄層,作熱量衡算:得:24討論:
2.分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1.可表示為推動力:熱阻:為討論:2.分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1.可表示為推動力:熱25不隨t變化,
t~x成呈線形關系。3.當隨t變化時若隨t變化關系為:則t~x呈拋物線關系。
如:1~t1,2~t2不隨t變化,t~x成呈線形關系。3.當隨t變26如圖所示:以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為b1,b2,b3,各層材質(zhì)均勻,導熱系數(shù)分別為λ1,λ2,λ3,皆視為常數(shù);層與層之間接觸良好,相互接觸的表面上溫度相等,各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面。壁的面積為A,在穩(wěn)定導熱過程中,穿過各層的熱量必相等。2多層平壁的穩(wěn)定熱傳導
如圖所示:以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假27第一層第三層第二層對于穩(wěn)定導熱過程:Q1=Q2=Q3=Q第一層第三層第二層對于穩(wěn)定導熱過程:Q1=Q2=Q3=Q28同理,對具有n層的平壁,穿過各層熱量的一般公式為式中i為n層平壁的壁層序號。同理,對具有n層的平壁,穿過各層熱量的一般公式為式中i為n層29例:某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm,中間夾層厚10cm,填以絕熱材料。磚墻的熱導率為0.70w/m·k,絕熱材料的熱導率為0.04w/m·k,墻外表面溫度為10℃,內(nèi)表面為-5℃,試計算進入冷庫的熱流密度及絕熱材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。按溫度差分配計算t2、t3℃℃解:根據(jù)題意,已知t1=10℃,t4=-5℃,b1=b3=0.12m,b2=0.10m,λ1=λ3=0.70w/m·k,λ2=0.04w/m·k。按熱流密度公式計算q:例:某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm,中間夾層厚10cm30Qt2t1r1rr2drL設圓筒的內(nèi)半徑為r1,內(nèi)壁溫度為t1,外半徑為r2,外壁溫度為t2。溫度只沿半徑方向變化,等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其面隨半徑而變化。在半徑r處取一厚度為dr的薄層,若圓筒的長度為L,則半徑為r處的傳熱面積為A=2πrL。三、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導
1單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導Qt2t1r1rr2drL設圓筒的內(nèi)半徑為r1,內(nèi)壁溫度為t31根據(jù)傅立葉定律,對此薄圓筒層可寫出傳導的熱量為邊界條件
得:設不隨t而變
式中Q──熱流量或傳熱速率,W或J/s;
──熱導率,W/(m·℃)或W/(m·K);t1,t2──圓筒壁兩側的溫度,℃;r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑,m。根據(jù)傅立葉定律,對此薄圓筒層可寫出傳導的熱量為邊界條件得:32討論:1.上式可以為寫對數(shù)平均面積對數(shù)平均半徑討論:1.上式可以為寫對數(shù)平均面積對數(shù)平均半徑332.3.圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t~r成對數(shù)曲線變化(假設不隨t變化)4.平壁:各處的Q和q均相等;圓筒壁:不同半徑r處Q相等,但q卻不等。2.3.圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t~r成對數(shù)曲線變化(34r1r2r3r4t1t2t3t4
對穩(wěn)定導熱過程,單位時間內(nèi)由多層壁所傳導的熱量,亦即經(jīng)過各單層壁所傳導的熱量。
如圖所示:以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為b1=r2-r1,b2=r3-r2,b3=r4-r3;各層材料的導熱系數(shù)λ1,λ2,λ3皆視為常數(shù);層與層之間接觸良好,相互接觸的表面溫度相等,各等溫面皆為同心圓柱面。2多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導r1r2r3r4t1t2t3t4對穩(wěn)定導熱過35多層圓筒壁的熱傳導計算,可參照多層平壁。對于第一、二、三層圓筒壁有多層圓筒壁的熱傳導計算,可參照多層平壁。對于第一、二36根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則,整理上三式可得同理,對于n層圓筒壁,穿過各層熱量的一般公式為注:對于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導,通過各層的熱傳導速率都是相同的,但是熱通量卻不相等。根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則,整理上三式可得同理,37例在一60×3.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料,里層為40mm的氧化鎂粉,平均導熱系數(shù)λ=0.07W/m·℃,外層為20mm的石棉層,其平均導熱系數(shù)λ=0.15W/m·℃。現(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁溫度為500℃,最外層表面溫度為80℃,管壁的導熱系數(shù)λ=45W/m·℃。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。解:每米管長的熱損失此處,r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m例在一60×3.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料,里層38保溫層界面溫度t3解得t3=131.2℃
保溫層界面溫度t3解得t3=131.239對流傳熱:是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,它是依靠流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞的,與流體的流動情況密切相關。
當流體作層流流動時,在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞,主要以熱傳導(亦有較弱的自然對流)的方式進行。
4.3對流傳熱
一、對流傳熱的基本概念對流傳熱:是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,它是依靠流體40傳熱過程高溫流體湍流主體壁面兩側層流底層湍流主體低溫流體湍流主體對流傳熱溫度分布均勻?qū)恿鞯讓訉釡囟忍荻却蟊诿鎸?導熱系數(shù)較流體大)有溫度梯度不同區(qū)域的傳熱特性:傳熱邊界層(thermalboundarylayer):溫度邊界層。有溫度梯度較大的區(qū)域。傳熱的熱阻即主要集中在此層中。溫度距離TTwtwt熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體湍流主體傳熱壁面層流底層層流底層傳熱方向?qū)α鱾鳠崾疽鈭D傳熱過程高溫流體湍流主體不同區(qū)域的傳熱邊界層(thermal41式中
Q——對流傳熱速率,W;A——傳熱面積,m2Δt——對流傳熱溫度差,Δt=T-TW或Δt=t-tW,℃;T——熱流體平均溫度,℃;TW——與熱流體接觸的壁面溫度,℃;t——冷流體的平均溫度,℃;tW——與冷流體接觸的壁面溫度,℃;a——對流傳熱系數(shù)(heattransferconfficient),W/m2·K(或W/m2·℃)。簡化處理:認為流體的全部溫度差集中在厚度為δt的有效膜內(nèi),但有效膜的厚度δt又難以測定,所以以α代替λ/δt而用下式描述對流傳熱的基本關系
Q=αA(T-Tw)二、對流傳熱速率牛頓冷卻定律Q=α’A(tw-t)式中Q——對流傳熱速率,W;A——傳熱面42
三、影響對流傳熱系數(shù)的主要因素1.引起流動的原因自然對流:由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強制對流:由于外力和壓差而引起的流動。強>自
2.流體的物性
,,,cp
三、影響對流傳熱系數(shù)的主要因素1.引起流動的原因強435.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變>無相變4.傳熱面的形狀,大小和位置形狀:如管、板、管束等;大?。喝绻軓胶凸荛L等;位置:如管子的排列方式(管束有正四方形和三角形排列);管或板是垂直放置還是水平放置。3.流動形態(tài)
層流、湍流
湍>層
5.是否發(fā)生相變4.傳熱面的形狀,大小和位置3.流動44無相變時,影響對流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示:八個物理量涉及四個基本因次:質(zhì)量M,長度L,時間T,溫度θ。通過因次分析可得,在無相變時,準數(shù)關系式為:即四、對流傳熱中的因次分析無相變時,影響對流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示:45準數(shù)符號及意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾特準數(shù)(Nusselt)Nu=αl/λ
表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)(Reynolds)Re=luρ/μ
確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)(Prandtl)Pr=cpμ/λ
表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)(Grashof)Gr=βgΔtl3ρ2/μ2
表示自然對流影響的準數(shù)準數(shù)符號及意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾特準數(shù)(Nusselt)46
準數(shù)關聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式,在利用關聯(lián)式求對流傳熱系數(shù)時,不能超出實驗條件范圍。在應用關聯(lián)式時應注意以下幾點:1、應用范圍2、特性尺寸無因次準數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是選取對流體流動和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。3、定性溫度流體在對流傳熱過程中溫度是變化的。確定準數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。一般定性溫度有三種取法:進、出口流體的平均溫度,壁面平均溫度,流體和壁面的平均溫度(膜溫)。4、準數(shù)是一個無因次數(shù)群,其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度。簡化:強制對流Nu=f(Re,Pr)自然對流Nu=f(Pr,Gr)準數(shù)關聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式,在利用關聯(lián)式求對流傳熱47
Nu=0.023Re0.8Prn
式中n值視熱流方向而定,當流體被加熱時,n=0.4,被冷卻時,n=0.3。應用范圍:Re>10000,0.7<Pr<160,管長與管徑比L/di>50。若L/di<50時,α須乘以(1+(di/L)0.7)進行校正。特性尺寸:取管內(nèi)徑,定性溫度:流體進、出口溫度的算術平均值。五、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)式
1流體在圓形直管內(nèi)強制對流時的對流傳熱系數(shù)
1.1圓形直管內(nèi)強制湍流時的對流傳熱系數(shù)
1.1.1低粘度流體
Nu=0.023Re0.8Prn式中n值視熱流方向而48Nu=0.023Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14應用范圍Re>10000,0.7<Pr<16700,L/di>60。特性尺寸取管內(nèi)徑定性溫度除μw取壁溫外,均為流體進、出口溫度的算術平均值。當液體被加熱時(μ/μw)0.14=1.05當液體被冷卻時(μ/μw)0.14=0.95
對于氣體,不論加熱或冷卻皆取1。1.1.2高粘度流體
Nu=0.023Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14應用49例:常壓下,空氣以15m/s的流速在長為4m,φ60×3.5mm的鋼管中流動,溫度由150℃升到250℃。試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解:此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強制對流定性溫度t=(150+250)/2=200℃查200℃時空氣的物性數(shù)據(jù)(附錄)如下Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m.℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3
Pr=0.68特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.5>60例:常壓下,空氣以15m/s的流速在長為4m,φ60×350Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(0.6×10-5)=2.28×104>104(湍流)Pr=cpμ/λ=(1.026×103×26.0×10-5)/0.03928=0.68W/m2·℃本題中空氣被加熱,k=0.4代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4
=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4
=60.4Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(0.51流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流時,應考慮自然對流及熱流方向?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的影響。當自然對流的影響比較小且可被忽略時,按下式計算:
Nu=1.86Re1/3Pr1/3(di/L)1/3(μ/μw)0.14應用范圍:Re<2300,0.6<Pr<6700,(Re·Pr·di/L)>10。特性尺寸:取管內(nèi)徑di定性溫度:除μw取壁溫外,均為流體進、出口溫度的算術平均值。1.2流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流時,應考慮自然對流及熱52
當自然對流的影響不能忽略時,而自然對流的影響又因管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動方向不同而異。對水平管,按下式計算應用范圍:Re<2300;l/d>50;當管子較短,l/d<50時,計算所得的α值應校正。特性尺寸:取管內(nèi)徑di定性溫度:壁溫tw與流體進、出口平均溫度的平均值tm,即膜溫。Δt=tw-tmNu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2當自然對流的影響不能忽略時,而自然對流的影響又因53對于垂直管,自然對流的影響較大,可作近似校正。如強制對流方向和自然對流方向相同時,α值按上式計算結果減少15%,方向相反時,加大15%。L/d4030201510f1.021.051.131.181.28校正系數(shù)f的數(shù)值在過渡流時,對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的計算公式計算,根據(jù)所得的α值再乘以校正系數(shù)φ,即可得到過渡流下的對流傳熱系數(shù)。1.3流體在圓形直管內(nèi)作過渡流對于垂直管,自然對流的影響較大,可作近似校正。如54流體在彎管內(nèi)流動時,由于受離心力的作用,增大了流體的湍動程度,使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)大。式中α?——彎管中的對流傳熱系數(shù),w/(m2?℃)
α——直管中的對流傳熱系數(shù),w/(m2?℃)
R——彎管軸的彎曲半徑,m1.4流體在彎管內(nèi)作強制對流流體在彎管內(nèi)流動時,由于受離心力的作用,增大了流體55采用上述各關聯(lián)式計算,將管內(nèi)徑改為當量直徑de即可。當量直徑按下式計算具體采用何種當量直徑,根據(jù)所選用的關聯(lián)式中的規(guī)定而定?;?.5流體在非圓形管內(nèi)強制對流采用上述各關聯(lián)式計算,將管內(nèi)徑改為當量直徑de即可。當量直徑562流體在管外強制對流
2.1流體在管束外強制垂直流動——單管2流體在管外強制對流
2.1流體在管束外強制垂直流動——57流體在管束外強制垂直流動——多管流體在管束外強制垂直流動——多管58加熱表面形狀特征尺寸GrPr
范圍cn水平圓管外徑d0104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3Nu=c(GrPr)n定性溫度:取膜的平均溫度,即壁面溫度和流體平均溫度的算術平均值。式中的c、n值見表3自然對流
加熱表面形狀特征尺寸GrPr范圍cn水平圓管外徑59蒸汽冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。膜狀冷凝:由于冷凝液能潤濕壁面,因而能形成一層完整的膜。在整個冷凝過程中,冷凝液膜是其主要熱阻。滴狀冷凝:若冷凝液不能潤濕壁面,由于表面張力的作用,冷凝液在壁面上形成許多液滴,并沿壁面落下。在實際生產(chǎn)過程中,多為膜狀冷凝過程。蒸汽冷凝時的傳熱推動力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。六、流體有相變時的對流傳熱系數(shù)
1蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。膜狀冷凝:由于冷凝液能60滴>膜
冷凝過程的熱阻——冷凝液膜滴>膜冷凝過程的熱阻——冷凝液膜61膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)1.1水平管束外定性溫度:tSr,其它膜溫n——水平管束在垂直列上的管數(shù)r——飽和蒸汽的冷凝潛熱膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)1.1水平管束外定性溫度:tSr,621.2蒸汽在垂直管外(或垂直板上)冷凝qm——冷凝液量,kg/sM——冷凝負荷,kg/s.m1.2蒸汽在垂直管外(或垂直板上)冷凝qm——冷凝液量,kg63層流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸:管或板高H定性溫度:膜溫層流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸:管或板高H定性641.3影響因素和強化措施(1)液體物性,,
,r
(2)不凝氣體不凝氣體存在,導致,需定期排放。(3)蒸汽流速與流向(u>10m/s)同向時,t,;反向時,t,;u,(4)蒸汽過熱r’=r+cp(tv-ts)影響較小1.3影響因素和強化措施(3)蒸汽流速與流向(u>10m65(5)強化措施:目的:減少冷凝液膜的厚度水平管束:減少垂直方向上管數(shù),采用錯列;垂直板或管:開縱向溝槽,或在壁外裝金屬絲。(5)強化措施:66
對液體對流加熱時,在液相內(nèi)部伴有由液相變成氣相的過程稱為沸騰。工業(yè)上沸騰的方法有兩種:(1)管內(nèi)沸騰:液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰。(2)大溶積沸騰(池內(nèi)沸騰):加熱壁面浸沒在液體中,液體在壁面受熱沸騰。沸騰傳熱的應用:精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。2液體沸騰時的對流傳熱系數(shù)
2.1沸騰傳熱的特點對液體對流加熱時,在液相內(nèi)部伴有由液相變成氣67汽泡產(chǎn)生的條件問題:為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生?過熱度:t=tW-ts
汽化核心:一般為粗糙加熱面的細小凹縫處汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層化工原理第四篇傳熱課件682.2沸騰曲線1)自然對流階段t<5C2)核狀沸騰階段25C>t>5C3)不穩(wěn)定膜狀沸騰
250C>t>25C工業(yè)上:核狀沸騰4)穩(wěn)定膜狀沸騰優(yōu)點:大,tW小2.2沸騰曲線工業(yè)上:核狀沸騰4)穩(wěn)定膜狀沸騰優(yōu)點:大692.3影響因素及強化措施(1)液體的性質(zhì)(2)溫度差核狀沸騰階段:t2.5,,t
(3)操作壓力2.3影響因素及強化措施(2)溫度差70(4)加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面,大
(5)強化措施表面粗糙化:將表面腐蝕,燒結金屬粒;加表面活性劑(乙醇、丙酮等)(4)加熱面(5)強化措施71對流傳熱計算公式有兩種類型:準數(shù)關系式和純經(jīng)驗公式。在應用這些方程時應注意以下幾點:1、首先分析所處理的問題是屬于哪一類,如:是強制對流或是自然對流,是否有相變等。2、選定相應的對流傳熱系數(shù)計算式,特別應注意的是所選用的公式的使用條件。3、當流體的流動類型不能確定時,采用試差法進行計算,再進行驗證。4、計算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。對流傳熱系數(shù)小結對流傳熱計算公式有兩種類型:準數(shù)關系式和純經(jīng)驗公724.4傳熱過程計算dAt2G1,T1G2,t1T24.4傳熱過程計算dAt2G1,T1G2,t173熱流體固體壁面一側固體壁面一側另一側固體壁面另一側冷流體twTw對流對流導熱冷流體熱流體tTQ熱流體固體壁面一側twTw對流對流導744.4.1總傳熱速率方程式中Q──傳熱速率,W;
tm──兩流體的平均溫度差,℃;A──傳熱面積,m2;K──總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)。4.4.1總傳熱速率方程式中Q──傳熱速率,W;75(一)恒溫傳熱4.4.2傳熱平均溫度差兩種流體進行熱交換時,在沿傳熱壁面的不同位置上,在任何時間兩種流體的溫度皆不變化,這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中,飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱。Δt=T-t式中T——熱流體的溫度℃;t——冷流體的溫度℃。(一)恒溫傳熱4.4.2傳熱平均溫度差兩種流體76在傳熱過程中,間壁一側或兩側的流體沿著傳熱壁面,在不同位置時溫度不同,但各點的溫度皆不隨時間而變化,即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。該過程又可分為下列兩種情況:(1)間壁一側流體恒溫另一側流體變溫,如用蒸汽加熱另一流體以及用熱流體來加熱另一種在較低溫度下進行沸騰的液體。(2)間壁兩側流體皆發(fā)生溫度變化,這時參與換熱的兩種流體沿著傳熱兩側流動,其流動方式不同,平均溫度差亦不同。即平均溫度差與兩種流體的流向有關。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況。(二)變溫傳熱
在傳熱過程中,間壁一側或兩側的流體沿著傳熱壁面,77并流
參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側分別以相同的方向流動。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況:逆流
參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側分別以相對的方向流動。錯流
參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側彼此呈垂直方向流動。
折流簡單折流:一側流體只沿一個方向流動,而另一側的流體作折流,使兩側流體間有并流與逆流的交替存在。復雜折流:參與熱交換的雙方流體均作折流。并流生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況:78T2T1t1t2T1T2t1t2圖兩側流體變溫時的溫度變化并流逆流錯流折流12121212圖換熱器中流體流向示意圖T2T1t1t2T1T2t1t2圖兩側流體變溫時的溫度79假設:傳熱為穩(wěn)定操作過程。兩流體的比熱為常量??倐鳠嵯禂?shù)為常量(K不隨換熱器的管長而變化)。換熱器的熱損失可忽略。以逆流為例:熱量衡算微分方程為dQ=-WhcphdT=Wccpcdt根據(jù)假定,則有(1)逆流和并流時的平均溫度差假設:以逆流為例:熱量衡算微分方程為根據(jù)假定,則有(1)逆流80Q~T和Q~t為直線關系,即T=mQ+kt=m?Q+k?Δt=T-t=(m-m?)Q+(k-k?)溫度T1傳熱量QT2t1Δt1t2Δt20Q~T和Q~t為直線關系,即T=mQ+k81從上式可以看出:Δt~Q關系呈直線,其斜率為將總傳熱速率微分方程代入上式,則有由于K為常量,積分上式有dQ=KΔtdS從上式可以看出:Δt~Q關系呈直線,其斜率為將總傳熱速率微82式中Δtm稱為對數(shù)平均溫差。當Δt2/Δt1≤2時,可用(Δt2+Δt1)/2代替對數(shù)平均溫度差。注:(1)應用上式求Δtm時,取換熱器兩端的Δt中數(shù)值大的為Δt2,小的為Δt1。(2)上式對并流也適用。式中Δtm稱為對數(shù)平均溫差。當Δt2/Δt183例現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油,原油在管外流動,進口溫度為100℃,出口溫度為160℃;某反應物在管內(nèi)流動,進口溫度為250℃,出口溫度為180℃。試分別計算并流與逆流時的平均溫度差。解:并流℃
逆流℃
℃
例現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油,原油在管外流動,進口溫度為84逆流操作時,因Δt2/Δt1<2,則可用算術平均值℃由上例可知:當流體進、出口溫度已經(jīng)確定時,逆流操作的平均溫度差比并流時大。在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K值相同的條件下,采用逆流操作,可以節(jié)省傳熱面積,而且可以接生加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。在生產(chǎn)中的換熱器多采用逆流操作,只是對輪流體的溫度有限制時才采用并流操作。注:流體流動方向的選擇逆流操作時,因Δt2/Δt1<2,則可用算術平均值℃85流向的選擇1.所需傳熱面積逆流優(yōu)于并流。流向的選擇1.所需傳熱面積逆流優(yōu)于并流。862.載熱體消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加熱任務:t1t2(T2并)min=t2(T2逆)min=t1逆流優(yōu)于并流。2.載熱體消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加熱任務:t1873.溫度差分布逆流時的溫度差分布更均勻。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4.并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱,或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場合。3.溫度差分布逆流時的溫度差分布更均勻。T2并流T1t1t88方法:先按純逆流的情況求得其對數(shù)平均溫度差Δtm逆,然后再乘以校正系數(shù)εΔt,即Δtm=εΔt·Δtm逆
校正系數(shù)εΔt與冷、熱兩種流體的溫度變化有關,是R和P的函數(shù),即εΔt=f(R,P)式中R=(T1-T2)/(t2-t1)=熱流體的溫降/冷流體的溫升
P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流體的溫升/兩流體的最初溫差根據(jù)冷、熱流體進、出口的溫度,依上式求出R和P值后,校正系數(shù)εΔt值可根據(jù)R和P兩參數(shù)從相應的圖中查得。(2)錯流和折流時的平均溫度差方法:先按純逆流的情況求得其對數(shù)平均溫度差Δtm逆894.4.3總傳熱系數(shù)K——總傳熱系數(shù),W/(m2·K)twTw管內(nèi)對流管外對流導熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ2(一)總傳熱系數(shù)計算4.4.3總傳熱系數(shù)K——總傳熱系數(shù),W/(m2·K)tw90管內(nèi)對流管外對流管壁熱傳導穩(wěn)態(tài)傳熱管內(nèi)對流管外對流管壁熱傳導穩(wěn)態(tài)傳熱91(1)平壁dA=dA1=dA2=dAm討論:(2)以外表面為基準(dA=dA1)(1)平壁dA=dA1=dA2=dAm討論:(2)以外表92K1——以外表面為基準的總傳熱系數(shù),W/(m2.K)dm——對數(shù)平均直徑,m以內(nèi)表面為基準:d1/d2<2可用算術平均值K1——以外表面為基準的總傳熱系數(shù),W/(m2.K)以內(nèi)表面93(二)污垢熱阻
Rd1、Rd2——傳熱面兩側的污垢熱阻,(m2·K)/W(三)提高K值的討論
設法減小控制熱阻。(1)減小污垢熱阻——防結垢、及時清洗。(二)污垢熱阻Rd1、Rd2——傳熱面兩側的污垢熱阻,(m94(2)若污垢熱阻與壁阻可忽略時,有或若則當1、2相差較大時:若則或應提高較小,進而提高K。當1、2相差不大時,二者應同時提高。(2)若污垢熱阻與壁阻可忽略時,有或若則當1、2相95對穩(wěn)定傳熱過程式中S1、S2、Sm分別代表熱流體側傳熱面積、冷流體側傳熱面積和平均傳熱面積。Tw、tw分別代表熱流體側和冷流體側的壁溫α1、α2分別代表熱流體側和冷流體側的對流傳熱系數(shù)整理上式可得4.4.4壁溫的計算對穩(wěn)定傳熱過程式中S1、S2、Sm分別代表熱流體側傳熱面積96例在一由?25×2.5mm鋼管構成的廢熱鍋爐中,管內(nèi)通入高溫氣體,進口500℃,出口400℃。管外為p=981kN/m2壓力(絕壓)的水沸騰。已知高溫氣體對流傳熱系數(shù)a1=250W/m2·℃,水沸騰的對流傳熱系數(shù)a2=10000W/m2·℃,鋼管λ=45W/m·℃
。忽略污垢熱阻。試求管內(nèi)壁平均溫度Tw及管外壁平均tw。解:(a)總傳熱系數(shù)以管子內(nèi)表面積S1為基準例在一由?25×2.5mm鋼管構成的廢熱鍋爐中,管內(nèi)通97(c)計算單位面積傳熱量℃(d)管壁溫度Q/S1=K1Δtm=242×271=65580W/m2T——熱流體的平均溫度,取進、出口溫度的平均值T=(500+400)/2=450℃管內(nèi)壁溫度
(b)平均溫度差在p=981kN/m2,水的飽和溫度為179℃℃(c)計算單位面積傳熱量98管外壁溫度
℃
由此題計算結果可知:由于水沸騰對流傳熱系數(shù)很大,熱阻很小,則壁溫接近于水的溫度,即壁溫總是接近對流傳熱系數(shù)較大一側流體的溫度。又因管壁熱阻很小,所以管壁兩的溫度比較接近。管外壁溫度℃由此題計算結果可知:由于水沸騰對991.設計型計算已知:qm1、T1、T2(生產(chǎn)任務),t1、qm2等求:傳熱面積A或校核換熱器是否合適步驟:(1)計算熱負荷;(2)計算tm;(3)計算1、2及K;(4)計算A若A實>A計
或Q換>Q需要,換熱器合適。傳熱計算1.設計型計算步驟:(1)計算熱負荷;若A實>A計100二、操作型計算(1)已知:換熱器A,qm1、T1,qm2、t1
求:出口T2、t2(2)已知:換熱器A,qm1、T1,T2、t1求:qm2、
t2注意:列管式換熱器中流通面積傳熱面積二、操作型計算注意:列管式換熱器中流通面積傳熱面積101一、基本概念1.輻射:物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2.熱輻射:物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。特點:能量形式的轉(zhuǎn)換不需要任何介質(zhì)4.5熱輻射一、基本概念1.輻射:物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2.102—10-10—1010—110210410610-410-210-6γ射線無線電波微波X射線紫外熱射線紅外能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作熱射線。—10-10—1010—110210410610-410-2103QQQNQ能量守恒定律: ——吸收率 ——反射率 ——穿透率
3.物體對熱輻射的作用總能量Q;被物體吸收Q;被反射Q;穿過物體Q
QQQNQ能量守恒定律: 104黑體:白體(鏡體):透熱體:灰體:以相同的吸收率吸收所有波長輻射能的物體固體、液體:=0+=1氣體:=0+=1黑體:白體(鏡體):透熱體:灰體:以相同的吸收率吸收所有波105
4.輻能流率輻射功率,物體在單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能幅能流,物體單位面積上產(chǎn)生的輻射能輻射流率,單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻能流4.輻能流率輻射功率,物體在單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能幅能1065、單色輻射能Eλ及Plank’sLaw
單色輻射能:一定溫度下從單位物體表面在單位時間內(nèi)發(fā)射單一波長輻射的輻射能,其單位為W/m2黑體的單色輻射能Ebλ可用Plank’sLaw精確地描述:
由黑體輻射譜中能量分布圖可知:隨著溫度的提高,物體最大輻射能漸向波長縮短的方向移動。E
bλλT=1400KT=1200
K010φbλ—黑體的單色輻射能力,w/m3
λ—波長,mT—物體的熱力學溫度,KC1—常數(shù),其值為3.743×10-16W·m2C2—常數(shù),其值為1.4387×10-2m·K5、單色輻射能Eλ及Plank’sLaw單1076、斯蒂芬—波爾茨曼(Stephen-Boltzman)定律全輻射能為所有單色輻射能之和,即對黑體
σ稱為斯蒂芬—波爾茨曼輻射常數(shù),其值為5.67×10-8w/(m2·K4)c0稱為黑體輻射系數(shù)上式說明,黑體的全發(fā)射能力正比于熱力學溫度的四次方,此關系稱為斯蒂芬—波爾茨曼定律,亦稱四次方定律。(W/m2)6、斯蒂芬—波爾茨曼(Stephen-Boltzman)定108灰體灰體的黑度:
<1
物體的黑度:物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長。是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。
式中 C——灰體的輻射系數(shù),C=5.669W/(m2.K4)灰體灰體的黑度:1097、克?;舴蚨蒚1>T2α1
α2=1對灰體:熱交換達到平衡時T1=T2,Q=0任意物體:q1q0(1-α
1)q0α
1q0Ⅰ灰體Ⅱ黑體克希霍夫定律7、克?;舴蚨蒚1>T2α1α2=1110結論:(1)物體的輻射能力越強,其吸收率越大(2)=同溫度下,物體的吸收率與黑度數(shù)值上相等(3)<1,q<qb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大結論:111(一)輻射傳熱速率二、兩固體間的相互輻射①兩面積無限大的平行平板②兩平面有限大的平行平板(一)輻射傳熱速率二、兩固體間的相互輻射①兩面積無限大的平行112③一物體被另一物體包圍若外圍為黑體,1=1或A2》A1,則C1-2=C1=Cb1③一物體被另一物體包圍若外圍為黑體,1=1或1131.溫度的影響
QT4;低溫可忽略,高溫可能成為主要方式2.幾何位置的影響3.表面黑度的影響
Q,可通過改變大小強化或減小輻射傳熱4.輻射表面間介質(zhì)的影響減小輻射散熱,在兩換熱面加遮熱板(小熱屏)(二)影響輻射傳熱的主要因素1.溫度的影響(二)影響輻射傳熱的主要因素114一、換熱器的分類按用途分類加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器按冷、熱流體熱量交換方式分類混合式、蓄熱式、間壁式4.6換熱器一、換熱器的分類按用途分類按冷、熱流體熱量交換方式分115二、間壁式換熱器的類型(一)夾套換熱器優(yōu)點:結構簡單缺點:
A小釜內(nèi)小強化措施:釜內(nèi)加攪拌釜內(nèi)加蛇管外循環(huán)二、間壁式換熱器的類型(一)夾套換熱器優(yōu)點:116(二)蛇管換熱器1.沉浸式強化措施:容器內(nèi)加攪拌器,提高K優(yōu)點:結構簡單管內(nèi)能耐高壓缺點:管外?。ǘ┥吖軗Q熱器1.沉浸式強化措施:容器內(nèi)加攪拌器,提高K1172.噴淋式優(yōu)點:結構簡單管內(nèi)能耐高壓管外比沉浸式大缺點:噴淋不易均勻占地面積大2.噴淋式優(yōu)點:缺點:118(三)套管換熱器優(yōu)點:結構簡單能耐高壓
(K)或tm大缺點:結構不緊湊A/V小接頭多,易漏(三)套管換熱器優(yōu)點:缺點:119(四)列管換熱器管板、管束、封頭、殼體(四)列管換熱器管板、管束、封頭、殼體1201.固定管板式特點:結構簡單;但殼程檢修和清洗困難。——加熱補償圈(膨脹節(jié))當管內(nèi)外流體溫差Δt>50℃時,需考慮溫度熱補償。根據(jù)熱補償方式不同,列管式換熱器分為:1.固定管板式特點:結構簡單;但殼程檢修和清洗困難?!?212.浮頭式特點:可完全消除熱應力,便于清洗和檢修,結構復雜2.浮頭式特點:可完全消除熱應力,便于清洗和檢修,結構復1223.U型管式特點:結構較浮頭簡單;但管程不易清洗。3.U型管式特點:結構較浮頭簡單;但管程不易清洗。123三、列管換熱器的選用1.根據(jù)工藝任務,計算熱負荷2.計算tm3.依據(jù)經(jīng)驗選取K,估算A4.確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程,選定u由u和qm估算單管程的管子根數(shù),由管子根數(shù)和估算的A,估算管子長度,再由系列標準選適當型號的換熱器。三、列管換熱器的選用1.根據(jù)工藝任務,計算熱負荷2.計算1245.核算K分別計算管程和殼程的,確定垢阻,求出K,并與估算的K進行比較。如果相差較多,應重新估算。6.計算A根據(jù)計算的K和tm,計算A,并與選定的換熱器A相比,應有10%~25%的裕量。5.核算K分別計算管程和殼程的,確定垢阻,求出125(1)流體流程選擇管程:不清潔或易結垢、腐蝕性、壓力高的流體殼程:飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體原則:傳熱效果好,結構簡單,清洗方便(2)流體流速的選擇u選擇是經(jīng)濟權衡,要避免層流流動uK,在同Q、tm下A,節(jié)省設備費uHf,操作費用增加(1)流體流程選擇管程:不清潔或易結垢、腐蝕性、壓力高的流126(3)換熱器中管子的規(guī)格和排列方式管子的規(guī)格:19×2mm和25×2.5mm管長:1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式:正三角形正方形直列正方形錯列(3)換熱器中管子的規(guī)格和排列方式管子的規(guī)格:19×2m127圓缺形圓盤形多管程:管內(nèi)流體u加擋板:增大殼程流體的湍動殼程圓缺形圓盤形多管程:管內(nèi)流體u加擋板:增大殼程流體的128四、傳熱過程的強化途徑1.增大tm加熱劑T1或冷卻劑t1兩側變溫,盡量采用逆流強化傳熱,可tm、A/V、K2.增大A/V直接接觸傳熱,可增大A和湍動程度四、傳熱過程的強化途徑1.增大tm加熱劑T1或冷卻1293.增大K減小壁、污垢及兩側流體熱阻中的主要熱阻提高較小一側有效提高的方法(無相變):增大流速——多管程加擾流元件——殼程加擋板改變傳熱面形狀和增加粗糙度3.增大K減小壁、污垢及兩側流體熱阻中的主要熱阻提高130五、新型的換熱器(一)平板式換熱器五、新型的換熱器(一)平板式換熱器131增加剛性;提高湍動程度;增加A;易于液體均勻分布增加剛性;提高湍動程度;增加A;易于液體均勻分布132優(yōu)點:
結構緊湊操作靈活
K大缺點:耐溫、耐壓差,易漏處理量小優(yōu)點:缺點:133(二)螺旋板式換熱器(二)螺旋板式換熱器134優(yōu)點:結構緊湊不易結垢,堵塞
K大保持逆流,tm大缺點:壓力,溫度不能太高難以維修優(yōu)點:缺點:135(三)板翅式換熱器優(yōu)點:流體湍動程度高,K大;結構緊湊,單位體積的A較大;缺點:易堵塞,清洗困難;構造復雜(三)板翅式換熱器優(yōu)點:缺點:136(四)翅片管換熱器增加A,增強管外流體的湍動來提高(四)翅片管換熱器增加A,增強管外流體的湍動來提高137第四章傳熱
第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導
第三節(jié)對流傳熱
第四節(jié)傳熱過程計算第五節(jié)
熱輻射第六節(jié)
換熱器第四章傳熱第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導第三節(jié)138一、傳熱在化學工程中的應用二、傳熱的基本方式熱傳導(conduction);熱對流(convection);熱輻射(radiation)?;ぎa(chǎn)品加工過程中的溫度控制以及各種單元操作(如裂解、重整、聚合等)對溫度有一定的要求。熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的,根據(jù)傳熱機理不同,傳熱的基本方式有三種:4.1概述一、傳熱在化學工程中的應用二、傳熱的基本方式熱傳導(cond1391、熱傳導氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果
固體導電體:自由電子在晶格間的運動非導電體:通過晶格結構的振動實現(xiàn)液體機理復雜特點:靜止介質(zhì)中的傳熱,沒有物質(zhì)的宏觀位移1、熱傳導氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果特140強制對流:因泵(或風機)或攪拌等外力所導致的對流稱為強制對流。
流動的原因不同,對流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。自然對流:由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異,致使流體產(chǎn)生相對位移,這種對流稱為自然對流。2、熱對流
流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中。強制對流:流動的原因不同,對流傳熱的規(guī)律也不同。1413、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞,稱為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去,而不需要任何介質(zhì)。任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)射輻射能,但是只有在物體溫度較高的時候,熱輻射才能成為主要的傳熱形式。實際上,上述三種傳熱方式很少單獨出現(xiàn),而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。3、熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞,稱為熱輻射。142冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式板式塔143二、間壁式傳熱面為內(nèi)管壁的表面積套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T2二、間壁式傳熱面為內(nèi)管壁的表面積套管換熱器冷流體t1144列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積熱流體T1T2冷流體t1t2列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積熱流體T1T2冷流145熱載體及其選擇
加熱劑:熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等用電加熱冷卻劑:水、空氣、冷凍鹽水、液氨等冷卻溫度30C水加熱溫度180C飽和水蒸氣熱載體及其選擇加熱劑:熱水、飽和水蒸氣冷卻劑:水、空氣、冷146熱負荷Q’:工藝要求,同種流體需要溫升或溫降時,吸收或放出的熱量,單位J。傳熱速率Q:熱流量,單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量,單位J/s或W。熱流密度q:熱通量,單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量,單位J/(s.m2)或W/m2。一、基本概念熱負荷Q’:工藝要求,同種流體需要溫升或溫降時,吸收或放出的147非穩(wěn)態(tài)傳熱
二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱
穩(wěn)態(tài)傳熱
式中 A──總傳熱面積,m2。非穩(wěn)態(tài)傳熱二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱式中 A──148三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體三、冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷149式中K──總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)或W/(m2·K);Q──傳熱速率,W或J/s;A──總傳熱面積,m2;
tm──兩流體的平均溫差,℃或K??倐鳠崴俾史匠蹋悍€(wěn)態(tài)傳熱:式中K──總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)或W/(m2·K150溫度場(temperaturefield):某一瞬間空間中各點的溫度分布,稱為溫度場.
式中:t——溫度;
x,y,z——空間坐標;
τ——時間。
物體的溫度分布是空間坐標和時間的函數(shù),即t=f(x,y,z,τ)4.2熱傳導
一、傅立葉定律
1溫度場和溫度梯度
溫度場(temperaturefield):某一瞬間空間中151不穩(wěn)定溫度場
穩(wěn)定溫度場
一維溫度場:若溫度場中溫度只沿著一個坐標方向變化。一維溫度場的溫度分布表達式為:
t=f(x,τ)不穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場一維溫度場:若溫度場中溫度只152等溫面:在同一時刻,溫度場中所有溫度相同的點組成的面。t1t2t1>t2等溫面Q等溫面的特點:(1)等溫面不能相交;(2)沿等溫面無熱量傳遞。等溫面:在同一時刻,溫度場中所有溫度相同的點153
注意:沿等溫面將無熱量傳遞,而沿和等溫面相交的任何方向,因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。對于一維溫度場,等溫面x及(x+Δx)的溫度分別為t(x,τ)及t(x+Δx,τ),則兩等溫面之間的平均溫度變化率為:溫度梯度:溫度梯度是向量,其方向垂直于等溫面,并以溫度增加的方向為正。t+tt-ttnQdA注意:沿等溫面將無熱量傳遞,而沿和等溫面相交的任何方向154傅立葉定律是熱傳導的基本定律,它指出:單位時間內(nèi)傳導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比,即
式中Q——單位時間傳導的熱量,簡稱傳熱速率,w
A——導熱面積,即垂直于熱流方向的表面積,m2
λ——導熱系數(shù)(thermalconductivity),w/m.k。式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向相反。
2傅立葉定律傅立葉定律是熱傳導的基本定律,它指出:單位時間內(nèi)傳導的155熱導率
在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量=f(結構,組成,密度,溫度,壓力)金屬固體>非金屬固體>液體>氣體
表征材料導熱性能的物性參數(shù)熱導率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量1561.固體熱導率
金屬材料10~102W/(m?K)建筑材料10-1~10W/(m?K)絕熱材料10-2~10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內(nèi):對大多數(shù)金屬材料a<0,t
對大多數(shù)非金屬材料a>0
,
t
1.固體熱導率金屬材料10~102W/(m?K)1572.液體熱導率金屬液體較高,非金屬液體低;非金屬液體水的最大;水和甘油:t,其它液體:t,0.09~0.6W/(m·K)2.液體熱導率金屬液體較高,非金屬液體低;0.09~01583.氣體熱導率t,一般情況下,隨p的變化可忽略;氣體不利于導熱,有利于保溫或隔熱。0.006~0.4W/(m·K)3.氣體熱導率t,0.006~0.4W/(m·159bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b,壁面積為A;壁的材質(zhì)均勻,導熱系數(shù)λ不隨溫度變化,視為常數(shù);平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化,故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面。平壁側面的溫度t1及t2恒定。二、平壁的穩(wěn)定熱傳導
1單層平壁的熱傳導bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b,壁面積為A;二、平160傅立葉定律:邊界條件為:取dx的薄層,作熱量衡算:得:不隨t而變
式中Q──熱流量或傳熱速率,W或J/s;A──平壁的面積,m2;b──平壁的厚度,m;
──平壁的熱導率,W/(m·℃)或W/(m·K);t1,t2──平壁兩側的溫度,℃。傅立葉定律:邊界條件為:取dx的薄層,作熱量衡算:得:161討論:
2.分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1.可表示為推動力:熱阻:為討論:2.分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1.可表示為推動力:熱162不隨t變化,
t~x成呈線形關系。3.當隨t變化時若隨t變化關系為:則t~x呈拋物線關系。
如:1~t1,2~t2不隨t變化,t~x成呈線形關系。3.當隨t變163如圖所示:以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為b1,b2,b3,各層材質(zhì)均勻,導熱系數(shù)分別為λ1,λ2,λ3,皆視為常數(shù);層
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