川大化工原理课件

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1、传 热,第七章,传热概论,传热基本概念,传热的三种基本方式:,热传导、对流传热、辐射传热,一、热传导:热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温 区向低温区移动的过程叫热传导,简称导热。,温度梯度, /m,1.傅立叶定律(Fourier s Law),热传导,式中:,q 热通量,W/(m2.s);,k 物质的导热糸数,W/(m.);,导热糸数 k,k=f (物质形态、组成、密度、温度、压强),单位: W/mK,物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小， 故物质的 k 越大，导热性能越好。,一般地，k导电固体 k非导电固体，k液体 k气体 .T ，k气体， k水，其它液体的 k。,k 的范围,关于绝

2、热保温,二、对流传热: 对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程,因而对流传热只发生在有流体流动的场合。,对流传热,Q 对流传热速率, W ; A 与传热方向垂直的传热面积, m2 ; h 对流传热糸数, W/(m2.) ; t 固体壁面与流体主体之间的温度差,对流传热速率可由牛顿冷却定律表述,即:,三、辐射传热:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为辐射。,能量守恒与传热微分方程() Conservation of energy and differential equation for heat transfer,能量守衡定律(P70),热力学第一定律,应用于具有

3、开放体系性质的控制体，在 dt 时间内控制体内能量的改变速率为：,不可压缩流体的内能微分方程,直角坐标系（x, y, z）,柱坐标系（r, , z）,球坐标系（r, , ）,传热微分方程的应用,热传导与固体壁内的温度分布(P86) Conduction and temperature distribution in solid wall,热传导与速度有关的项为零,注意: 温度差存在就会产生自然对流（natural convection），速度项为零的假设条件不能严格成立，因此导热微分方程对于流体是近似的。,导热微分方程,通过平壁的一维稳态导热,b,x,o,Q,A,T1,T2,若壁厚 x=0 和

4、 x=b 处的温度分别为 T1 和 T2 ，则有,通过平壁的稳定热传导 Steady-state conduction through a flat wall,通过圆筒壁的稳定热传导 Steady-state conduction through a cylinder,积分常数 C1、C2 若由圆筒内、外壁面 R1、R2 处的温度T1 、 T2 确定，则,使用柱坐标系，将轴对称的导热微分方程(P52)简化为,u,Q,R1,R2,T1,T2,L,Q,通过圆筒壁的稳定热传导,对数平均传热面积（logarithmic mean area）,传热微分方程的应用,圆管内层流传热温度分布圆(P75),设管

5、内流体通过管壁稳定地向外放热的热通量为 qs 。 假设流体进入传热段（z=0）以前具有均匀温度T0，z 0 以后，由于传热，流体的温度在 r 和 z 两个方向都有改变 应用传热微分方程求解这种情况下流体的二维温度分布。,圆管内充分发展的稳定层流时流体温度的二维分布函数,虚拟膜模型,其内缘温度为粘附在固体壁面上的流体温度Ts，外缘温度为Tb 。,Tb 定义为流体按质量流率平均的主体温度:,式中的虚拟导热系数 kH 和虚拟膜厚都受边界层内流型的影响,而不仅仅是流体物性的函数。,T(r),Ts,Tb,dH,湍流,对流传热的热阻主要存在于层流内层,对于对流传热,由温度分布,即可求h 。,对于对流传热也

6、有如下表达式:,(牛顿冷却定律),(傅立叶定律),h的获得主要有三种方法：,对流传热,1.理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出h的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。 2.实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。 3.类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,解决对流给热的h (对流给热的准数关糸式),因次分析法,一、影响因素: 共同点,不同点,对流,1. 无相态变化,自然对流; 2. 无相态变化,强制对流; 3. 冷凝; 4. 沸腾,影响因素:,实验方法求h,影响因素:,1. 自然对流

7、,自然对流是因为温度差,而引起的密度差,而引起的浮 升力导致的运动。,2. u 、 、,总体来看: h=f(对流类型,运动状况,物性,设备),对一定的设备,经因次分析得:,对无相态变化:,对流传热中常用的准数,传 热在工程领域的应用,化工生产的传热问题(P299),化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；,热能的合理利用和废热回收。,高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；,蒸发、蒸馏、干燥;,传热过程中根据冷热流体的接触方式,工业上的传热过 程可分为:,直接接触式、间壁式、蓄热式,按应用分类:加热器、冷凝器、再沸器、热交换器。,载热体及其选择:,载热体,高温载热体(加热剂):电热、饱和水

8、蒸汽、烟道气等。,低温载热体(冷却剂):水、空气、冷冻盐水等。,工业上常用加热剂及其适用温度范围,(3) 载热体的毒性要小,使用安全,对设备应基本上没有腐蚀;,载热体的选择应考虑以下几方面:,(2) 载热体的饱和蒸汽压宜低,加热时不会分解;,(1) 载热体的温度易于调节;,(4) 载热体应价格低廉而且容易得到。,典型的换热设备(间壁式)(P300),间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。,直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。,单程列管式换热器,双程列管式换热器,列管式换热器,

9、传热面积,管数 n、管外径 do ,管内径di 和管长 l,基于管内表面的传热面积：,基于管外表面的传热面积：,双管程传热面积=单管程传热面积,管程(管内)流体的流通截面积Af为:,m为管程数,管数 n、管外径 do ,管内径di 和管长 l,传热的基本方程(P327),传热基本方程式或总传热方程式,Q:单位时间传递的热量(J/s),A:传热面积 (m2),K:传热糸数或总传热糸数 W/(m2.K),则有:,传热过程的基本问题, 载热体用量的确定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。,解决这些问题需要依靠两个基本关系式：,热量恒算式,忽略过程热损失,传热速率关

10、系, 传热基本方程式,传热过程的计算,r 流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。,无相变,Wh、Wc 分别为热流体和冷流体的质量流率，kg/s；,Ch、Cc 分别为热流体和冷流体的比热，J/(kgK)；,T1、T2 分别为热流体的进口温度和出口温度，；,t1、t2 分别为冷流体的进口温度和出口温度，；,只有相变,W为单位时间内发生相变的物料量(kg/s),注意:,P331,有温变也有相变过程, 需分段计算,例: 在1atm下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为60 水,求单位时间放出的热量。,120 蒸汽100 蒸汽 100 水 60 水,1,2,3,传热温差tm：推动力,2、3情况下如何求tm?

11、,传热过程的计算,关于对数平均值,是一个特例,如果,成立,则ym为对数平均值,对数平均值,对于一流变温,所以温差tm 必为对数平均值,或, 温差修正系数,T1=T进,T2=T出,t1=t进,t2=t出,tm,逆, 值与冷热两流体的温度变化有关，表示为 P 和 R 两参数的函数,热,P335,温差修正曲线 (P337),1.流体最终温度和载热体消耗量比较:,任务:冷流体被加热,求加热剂消耗量。,并t2,显然,(Wh,逆)min(Wh,并)min,流体流动空间的选择(并、逆流比较),逆t1,例:T1=500;T2=150; t1=20; t2=80,tm逆tm并,2. 传热温差的比较:,总传热系数

12、K,总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。,取得K的途径:,1.实际测定,P336,例:为测定一台列管式换热器的K,将1100m3/h(标态)压缩空气经换热器从140冷却至60,冷却介质为水,水温从28 升到38 (逆流),该换热器规格如下: A:252 2200mm;n=91根。此换热器在此操作条件下K=?,解:查标态下空气物性,A:,2.用经验公式求K :,3.用串联热阻的概念求K:,用串联热阻的概念求K:,对流给热,牛顿 冷却定律描述:,对热流体,对冷流体,由传导传热,串联热阻的概念求K:,4.K的经验数值,K 的经

13、验数值(P338),在有关传热手册和专著中载有某些情况下 K 的经验数值，可供设计参考。,污垢热阻,垢层热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。 因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。 如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是 Rs0 和 Rsi，则总热阻,或者为下式,例7.11：P340,污垢热阻,污垢热阻的大致数值,主要热阻的影响,例:如图示,求:A=?,解:,以管外表面为基准,能否用并流?,开始2013.4.16,讨论:,1.,2.,3.,4.,t=t2-t1或t=T1-T2;描述一侧流体被加热或被冷却(无相变)时的传热速率。,t=tW-t或

14、t=T-TW;描述流体与壁面之间的对流传热速率。,t= 为冷热流体的对数平均温差;描述高温流体通过壁面将热传给冷流体的传热速率。,t=TW tW;描述热由高温壁面通过热传导的方式传给低温壁面的传热速率。,热传导及对流传热,下面内容分别讨论热传导及对流传热问题,7.3固体中的热传导（P301） 单层平壁的传导传热已在2.1.1.1节中进行了讨论，通过导热微分方程的求解，获得了平壁及圆筒壁导热速率的方程式分别为:,下面将从付里叶定律出发,推导圆筒壁及平壁的一维稳定热传导,由付里叶定律得:,固体中的热传导-,关于Am,由前述可知:,又,由此可知Am为对数平均值,固体中的热传导,圆筒壁的一维稳定热传导

15、,单层平壁的一维稳定热传导,即:,多层圆筒壁中的热传导,当,注意:,多层圆筒壁中的热传导,当,注意:,多层平壁中的热传导,由多层圆筒壁中的热传导,思考1： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,思考2： 圆管保温层越厚，保温效果越好吗？,思考题,保温层的临界半径,有一252的蒸汽管道,管内饱和 蒸汽温度为130,管外包一层 k=0.8W/(m2.K)的保温层,保温层外 面是30 的大气,给热糸数为 h0=10 W/(m2.K),试问: (1)是否在任何条件下都是保温层的 厚度越厚越好? (2)若蒸汽冷凝给热糸数hi=10000 W/(m2.K) ,管壁导热糸 数k1=50 W/(m2.K),当保温半径为50,80,100和200mm时， 每米管长的热损失为多少?,保温层的临界半径,解:(1)设保温层半径为r,每米管长的热阻为:,R必然存在一个极值,且为极小值。,R必然存在一个极 值,且为极小值。,保温层的临界半径,产生最小热阻的保温层半径可由下式求出:,对于本题:,即:,当r80mm时,保温层越厚,热损失越小。,保温层的临界半径,(2)单位管长的热损失,裸管:,保温 层半径r=50mm:,同理可求r为80、100、200mm的热损失分别为175.4W/m、174W/m和158W/m。r为8