化工原理第五章传热(王晓敏)详解

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1、第五章 传 热 1 换热器 0.引言 2 3 换热器 按用途： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 按冷热流体热量交换方式：混合式、蓄热式和间壁式 夹套换热器 4 蛇管换热器 沉浸式 5 喷淋式 6 套管换热器 7 列管换热器 第三章第三章 传热传热 第一节 概述 第二节 热传导 第三节 两流体间的热量传递 第四节 对流与对流传热系数 第五节 辐射传热 要求及目的： 了解和掌握传热的基本概念、规律和计算； 能正确进行工艺设计，合理选择和使用换热器 。 8 第一节 概 述 1. 传热在化工 生产中的应用 利用余热，以降低能耗； 任何工艺过程需在指定温度下进行，必须加 热或冷却； 绝热 加热器

2、 冷凝器 醋酸气体 乙炔气体 冷凝器 精 馏 塔 反 应 器 150 200 醋酸乙烯气体 精醋酸 乙烯液 体产品 粗醋酸 乙烯液体 冷油 热油 9 2. 传热的三种基本方式 一、热传导（conduction) 依靠物体中微观粒子的热运动而传热； 特点：物体内部无宏观运动，靠物体各部分的直接接触产生 热量传递； 介质：物质三态均可。 二、对流（convection) ： 流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象； 特点：只能发生在流体中 ； 对流给热：通常把传热表面与接触流 体的传热称为对流给 热或给热（即对流传热常伴随热传导）； 自然对流与强制对流。 三、辐射（Radiation)

3、高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。热辐射不 要任何介质作媒介。 在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 10 热传导 对流 辐射 11 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来 为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果 更加明显？ 冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风 时感到更冷些？ 夏季在维持20室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季 保持在22的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得 舒服？ 在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的 空心砖好？为什么？ 电影泰坦尼克号里，男主人公杰克在海水里被冻 死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传 热学的观点解释这一

4、现象。 12 3. 传热速率与热阻 热流量Q: 单位时间内通过全部传热面积传递的热量 ， J/s或W； 热通量q：单位时间内通过单位传热面积传递的热量， W/m2； 传热面上不同局部面积的热通量可以不同； q=dQ/dA； 传热速率=传热温差/热阻 电流I=电压U/电阻R 13 Q单位时间内传导的热量, W； A导热面积，m2 导热系数，W/m.K，W/m. 0C 第二节 热传导 一、傅立叶定律 1. 温度场和等温面 温度场：物体或空间各点温度的分布； 非稳态温度场 ： 等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。 稳态温度场： 2. 温度梯度 温度梯度的方向垂直于等温 面，以温度增加方向

5、为正。 3. 傅立叶定律-热传导的基本定律 单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比。 传热方向与温度梯度方向相反 14 二、 导热系数 1. 固体的导热系数 多数均一固体的在一定范围内与温度成直线关系： 2. 液体的导热系数 水的最大； 多数液体（除水和甘油）的随温度升高略有减小； 纯液体的比溶液大； 3. 气体的导热系数 气体的很小，有利于保温；气体的随温度升高而增大 ； 一般情况下，气体的与压力无关；导热系数大致范围： 金属：2.3420 W/m.K； 建筑材料： 0.253 W/m.K； 绝缘材料： 0.0250.25 W/m.K； 液体： 0.090.6 W/m.K ； 气

6、体：0.0060.4 W/m.K 15 1. 单层平壁的稳定热传导 dx x o Q A t1 t2 边界条件为：x = 0 时，t = t1 x = b 时，t = t2 三、平壁的稳定热传导 传热量Q与传热面积A、平壁两侧温度差 和导热系数成正比，与平壁厚度成反比； 稳定温度场中 ： 积分上式： 阻力 导热推动力 16 Q:热传导速率，W； A:平壁（等温面）面积，m2; q:热传导通量，W/m2； b:平壁厚度，m; t:两壁面温差,K; :导热系数，W/m.K； 例2：平壁厚500mm，若t1=900C，t2=250C，导热系数=1.0（ 1+0.001t) Wm-1K-1,试求平壁内

7、温度分布。 （1）导热系数按平壁的平均温度tm取为常数； （2）考虑导热系数随温度的变化。 17 例1：厚度为230mm的砖壁，内壁温度为600C，外壁温度为150C。 砖壁的导热系数可取为1.0Wm-1K-1,试求通过每平米砖壁的导热量。 2. 多层平壁的稳定热传导 A dx o Q t1 t2 x t3 t4 b1 b2 b3 稳定导热时，通过各层热量相等 ： 各层温度降： 18 推动力总温度差 总热阻各层热阻之和 例3:有一炉壁，由下列三种材料组成： 耐火砖： 1=1.4 Wm-1K-1，b1=230mm 保温砖： 2=0.15 Wm-1K-1，b2=115mm 建筑砖： 3=0.8 W

8、m-1K-1，b3=230mm 今测得其内壁温度为900C，外壁温度为80C， 求：（1）单位面积的热损失 （2）各层接触面上的温度。 四、圆筒壁的稳定热传导 (Steady-state conduction through a cylinder) u，t1 Q r1r2 t1 t2 l Q 假设：（1）材料的导热系数不随温度变化（或取平均温度 ）； （2）温度仅沿半径方向变化（一维），稳定传热； 20 通过圆筒壁的稳定热传导 r1r2 t1 t2 l Q r dr 分离变量 ，积分 ： 对数平均半径 壁厚度 r2/r12 ： 每米管长热损失： 23 例5：求例4中温度分布 24 例6：在一6

9、03.5mm的钢管外层包有两层绝热材 料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数 =0.07W/m，外层为20mm的石棉层，其平均导 热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁温 度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热 系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层 保温层界面的温度。 25 (a)每米管长的热损失 r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m 解: b1=0.0035m b2=0.04m b3=0.02 m t1=500C t2=? t3=? t4=8

10、0C (b)界面温度 26 27 例7 外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的 保温层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m)。若蒸汽管道外 表面温度为 177 ，保温层的外表面温度为 38，试求每米管长 的热损失以及保温层中的温度分布。 解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。 已知条件： 蒸汽导管外表面的半径 r20.426/20.213m 温度 t2177 保温层的外表面的半径 r30.2130.4260.639m 温度 t338 由： 28 可得每米管道的热损失为： 设保温层内半径 r 处的温度为 t，代入上式： 将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：

11、t = -126.6 ln r 18.64 筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。 29 练习题1 内径为15mm，外径为19mm的钢管，其1 为20 W/m ，其外包扎一层厚度为30mm，2为0.2 W/m 的保温材料，若钢管内表面温度为580,保 温层外表面温度为80,试求: (1)每米管长的热损失; (2)保温层中的温度分布。 30 练习题2 有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温 材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材 料导热系数之比2/1=5，此时单位时间的热损失为Q ；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表 面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q，求Q/Q=

12、？ 第三节 两流体间的热量传递 一、 间壁两侧流体热交换过程的分析 流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象； 特点：只能发生在流体中； 自然对流：流体质点由温差引起的密度差而产生的相对宏观 运动，从而发生传热； 强制对流流体质点在外力作用下而产生的相对宏观运动， 从而发生传热 。 对流给热：通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流给热 或给热（包括对流和热传导）。 dA T2 t1 T1 t2 31 热 传 导 q u1 Tw 热 流 体 T a1 高温流体 对流传热 低温流体 对流传热 冷 流 体 t a2 u2 tw 总传热系数 壁面-冷流体 ： 热流体-壁面 ： 传热基本方程

13、对流传热系数 32 二、 对流传热系数和总传热系数 牛顿冷却定律（热对流的基本定律 ） 高温壁面 T w 低温壁面tw 热传导 低温壁面tw 冷流体t (冷流体一侧） 热对流 热流体T壁面T w（热流体一侧） 热对流 间壁换热器 传热过程分析 33 注意：传热过程不同，对应不同的推动力及相应的阻力。 稳定的串联传热过程 由传热基本方程： 对比两式有： 34 K总传热系数 当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，dA1、dA2、 dAm 和 dA 相等或近似相等，则： 当传热面为圆筒壁，内外两侧传热面积不等，根据换热 器标准规定，传热面积以换热管外表面计算，则： 对圆管，因为 ： K与a的区别：对

14、流传热系数 a具有局部性质，K是总传热系数； 35 例8：例4中，在石棉层外再包一厚度30mm的保温材料，导热系 数30.02W/m.K。如环境温度tb为20，两种情况下a保持不变 ，求： 热损失减少的百分率； 保温层外壁面温度t4。 解： 热损失减少的百分率； 对流传热系数 管壁传给空气的热量 36 例4：f505的不锈钢管，导热系数1为16W/m.K，外包厚30mm 的石棉，导热系数2为0.2W/m.K。如管内壁温为350，保温 层外壁温度为100，计算每米管长的热损失。 37 每米管长热损失： 加保温层后，r4=553085mm： r3=55mm： 38 保温层外壁面温度t4： 热损失减

15、少的百分率： 三、污垢热阻Rs 计算热阻时，需加上污垢层热阻，因不易计算，可根据经 验估计其大致数值，管壁内侧和外侧均需分别计入； 内侧污垢 外侧污垢 污垢热阻的大致范围： 39 污垢热阻Rs 污垢热阻的大致数值 流 体 种 类 污垢热阻 m2/W 流体种类 污垢热阻 m2/W 水(u1m/s, t50) 蒸气 海水0.0001 有机蒸汽 0.0002 河水0.0006 水蒸气(不含油)0.0001 井水0.00058 水蒸气废气(含油)0.0002 蒸馏水0.0001 制冷剂蒸汽(含油)0.0004 锅炉给水0.00026气体 未处理的凉水塔用水0.00058 空气0.0003 经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004 多泥沙的水0.0006 天然气0.002 盐水0.0004 焦炉气0.002 为减少垢层热阻，（1）定期清洗换热器； （2）对换热流体进行防垢预处理。 40 41 例9：有一列管换热器，由252.5mm的钢钢管组组 成，CO2在管内流动动，冷却水在管外流动动，已知 管内的1=50Wm-2K-1，管外的2=2500Wm-2K-1 。（1）求传热传热 系数K；（2）若使1增大1倍，其 他条件不变变，求传热传热 系数增大的百分率；（3）若 使2增大1倍，其他条件不变变，求传热传热 系数增大的 百分率；（4）若计计算传热传热