化學(xué)工藝及原理

第3章傳熱3.1概述傳熱過程的應(yīng)用用途廣泛：能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、化學(xué)反應(yīng)，2、設(shè)備保溫，3、熱能回收兩類1）要求傳熱量增大——強(qiáng)化傳熱

2）要求傳熱量減小——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)用熱量從高溫向低溫穩(wěn)定、自發(fā)地進(jìn)行太原工業(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1、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）——物體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生相對位移，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。發(fā)生在：固體、流體中2、熱對流（對流傳熱）——流體內(nèi)各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的傳熱。發(fā)生在：流體中相對位移：溫差引起——自然對流受外力作用——強(qiáng)制對流3、熱輻射——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。特點(diǎn)：1）不需任何介質(zhì)

2）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——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。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——蓄熱式換熱器。圖3-2三、間壁式換熱和間壁式換熱器冷、熱流體被固體壁面隔開，熱需通過固體壁面?zhèn)鬟f實(shí)現(xiàn)設(shè)備——間壁式換熱器太原工業(yè)學(xué)院電子課件冷流體t1t2熱流體T1T2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1.傳熱速率和熱通量傳熱速率Q——單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量,W

熱通量q——單位面積的傳熱速率，W/㎡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——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）為常數(shù)。連續(xù)操作過程。輸入能＝輸出能非穩(wěn)態(tài)傳熱——系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置變，也隨時(shí)間變。間斷操作過程。太原工業(yè)學(xué)院電子課件3.載熱體及其選擇物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，由另一種流體供給或取走熱量

載熱體加熱劑（加熱介質(zhì)）——起加熱作用的載熱體冷卻劑（冷卻介質(zhì)）——起冷卻作用的載熱體工業(yè)常用加熱劑——熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等工業(yè)常用冷卻劑——水、空氣和各種冷凍劑。太原工業(yè)學(xué)院電子課件載熱體3.2傳熱過程計(jì)算

3-2-1熱量衡算間壁式換熱器，假設(shè)：換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略有衡算式輸入能＝輸出能即放熱＝吸熱對整個(gè)換熱器無相變焓衡算

Q＝Wh(Ih1－Ih2）＝Wc（Ic2－Ic1）比熱法

Q＝Whcph(T1－T2）＝Wccpc（t2－t1）式中W——流體的質(zhì)量流量，kg／h或kg／s；

I——流體的焓，kJ／kg；

Q——換熱器的熱負(fù)荷，kJ／h或kW；

下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口有相變

Q＝Whr＝Wccpc（t2－t1）

Q＝Wh[r+

cph(Ts－T2）]＝Wccpc（t2－t1）

Wh——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，kJ/kg。

cph——冷凝液的比熱容，kJ/(kg·℃)

Ts——冷凝液的飽和溫度，℃。上式應(yīng)用條件

1）定態(tài)流動(dòng)即Wh、Wc為常數(shù),kg/h

2）cp取為常數(shù)或平均值，kJ/(kg.°C)

小結(jié)二、熱負(fù)荷計(jì)算無相變Q＝Wh(Ih1－Ih2）＝Wc（Ic2－Ic1）

Q＝Whcph(T1－T2）＝Wccpc（t2－t1），有相變Q＝Whr＝Wccpc（t2－t1）

Q＝Wh[r+

cph(Ts－T2)]＝Wccpc(t2－t1）3-2-2總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)一、總傳熱速率方程從熱流體到冷流體的傳熱過程，包括對流、熱傳導(dǎo)、對流三個(gè)過程，整個(gè)過程熱量的傳遞，服從總傳熱速率方程式速率方程，仿照牛頓冷卻定律有

Q＝KtmdS(3-25)上式為總傳熱速率方程式K－－總傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)，與傳熱面積對應(yīng)3-2-3平均溫度差法簡化假定1）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)、出口下的平均值）3）K為常量4）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=T－t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1）逆流與并流以逆流為例放熱dQ=－WhcphdT

吸熱dQ=WCcpcdt有T=mQ+k兩式相減T－t=t=(m–m/)Q+(k－k/)

所以t－Q關(guān)系也為直線t=m/Q+k/直線斜率對數(shù)平均溫度差一、總傳熱速率方程式

Q＝KStm

熱負(fù)荷與傳熱速率的區(qū)別二、總傳熱系數(shù)K小結(jié)一、傳熱平均溫差tm恒溫傳熱t(yī)m

＝T－t

變溫傳熱注意（1）當(dāng)t22t1

時(shí)tm可用算術(shù)平均值代（2）換熱器兩端溫差大者為t2

（3）并流時(shí)的tm同式（3-25）2）錯(cuò)流與折流tm＝ttm逆2、一側(cè)變溫另一側(cè)不變溫tm逆？tm并

3、流向的選擇（1）在相同進(jìn)出口溫度下，tm逆＞tm折＞tm并，

Q＝KStm，當(dāng)Q、K一定，tm越大，S越?。?）逆流并流

T2接近t1T2接近t2，（T1－T2)逆＞（T1－T2)并

Q一定∴Wh

逆<Wh

ua

Whcph一定

Whcph(T1－T2）逆＞W(wǎng)hcph(T1－T2）并

∴Q逆＞

Q并（3）如對某流體出口溫度有限制，應(yīng)采用并流（4）設(shè)計(jì)時(shí)，t

＞0.8三、總傳熱系數(shù)K不為常數(shù)時(shí)的傳熱計(jì)算K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)算小結(jié)一、傳熱平均溫差tm恒溫傳熱t(yī)m

＝T－t

變溫傳熱二、流向選擇

Whcph一定，

Q逆＞Q并

Q一定，Wh

逆<Wh

并

錯(cuò)流和折流tm＝ttm逆

兩測變溫tm逆＞tm并一測變溫tm逆＝tm并3.2熱傳導(dǎo)

3.2.1基本概念和傅立葉定律一、溫度場和溫度梯度溫度場——任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度分布總和

t=f(x,y,z,)

非穩(wěn)態(tài)溫度場：溫度場內(nèi)各點(diǎn)的溫度不僅隨位置變，也隨時(shí)間而變穩(wěn)態(tài)溫度場：溫度場內(nèi)各點(diǎn)的溫度僅隨位置變，不隨時(shí)間變

t=f(x,y,z,)

穩(wěn)態(tài)一維溫度場——在穩(wěn)態(tài)溫度場中溫度僅沿一個(gè)方向發(fā)生變化等溫面——同一時(shí)刻下由相同溫度點(diǎn)組成的面為之，太原工業(yè)學(xué)院電子課件溫度梯度——沿等溫面法線方向上的溫度變化率向量，方向——指向溫度減少的方向穩(wěn)態(tài)一維溫度場二、傅立葉定律實(shí)驗(yàn)Q——導(dǎo)熱速率，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，其方向與溫度梯度的方向相反，W——比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.·C)，或W/m·K。太原工業(yè)學(xué)院電子課件3.2.2導(dǎo)熱系數(shù)上式改寫為

的物理意義單位溫度梯度下的熱通量，表征物體的導(dǎo)熱能力，物性參數(shù)。一般：純金屬＞合金＞建筑材料＞液＞氣1、固體的一般＝

0（1+a/t)

2、液體的非金屬液體中，水的最大，一般純液＞溶液估算式有機(jī)化合物水溶液m=0.9aii有機(jī)化合物互溶混合液m=aiI3、氣體的隨溫度升高而升高，常用于保溫、隔熱等估算式太原工業(yè)學(xué)院電子課件3.2.3平壁的熱傳導(dǎo)一、單層平壁

t僅沿x方向變，穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)由R——導(dǎo)熱熱阻，℃/W

R/——導(dǎo)熱熱阻，·

℃/W

b增大，R增大

Q一定，R增大，t增大例3-1結(jié)論：各層溫差與熱阻成正比二、多層平壁以三層為例穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，通過各層的導(dǎo)熱速率相等有Q＝Q1＝Q2＝Q3則太原工業(yè)學(xué)院電子課件圖3-6接觸熱阻的影響接觸熱阻太原工業(yè)學(xué)院電子課件3.2.4圓筒壁的熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁設(shè)t1>t2

t隨r