《内蒙古大学化工原理ppt 3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内蒙古大学化工原理ppt 3（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 传热过程,传 热 过 程,3.0 概 述,传热过程在生产中的应用 传热的三种基本方式 冷热流体的接触方式,一、传热过程在生产中的应用,加热或冷却 保 温,强化传热过程 削弱传热过程,换热,二、传热的三种基本方式,1. 热传导 热传导(导热)：热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程。,气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现 液体 分子动量传递引起,特点：没有物质的宏观位移,传热学：研究热体与冷体之间热量交换速率的科学。,2. 对流传热 对流传热：不同温度的流体，因搅拌、流
2、动引起的物体内部质点发生相对位移的热量传递过程。,3. 辐射传热 辐射传热(热辐射)：物体因热的原因向冷体发出辐射能的过程。,自然对流 强制对流,具有波、粒二象性 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介,特点：,对流传热的种类：,特点：宏观质点发生相对位移；伴随热传导。,三、 冷热流体的接触方式,1. 直接接触式,优点： 设备结构较简单 传热效果好缺点： 对流体有限定,2. 蓄热式,优点： 结构较简单 耐高温缺点： 设备体积大 有一定程度的混合,3. 间壁式,列管换热器,传热面为壳内所有管束壁的表面积,三、热载体及其选择,（1）加热剂：起加热作用的热载体； 工业中常用的有热水（4010
3、0）、饱和水蒸气（100180）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180540）、烟道气（5001000）、电加热等。,1. 热载体： 为了将冷流体加热或热流体冷却，供给或取走热量的流体。,（2）冷却剂：而起冷却作用的热载体； 工业中常用的有水（2030）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4）等等。水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。,2. 热载体的选择：,温度易调节控制； 饱和蒸汽压较低； 毒性小，不易燃易爆，腐蚀性小； 价格便宜，来源容易。,3.1 热 传 导,传导的基本概念 傅 立 叶 定 律 导 热
4、系 数 通过平壁的稳定热传导 通过圆筒壁的稳定热传导,3.1.1 热传导的基本概念,t 某点的温度， 或 K； x , y , z 某点的坐标； 时间。,(1) 温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,1. 温度场和等温面,式中:,热传导的必要条件：物体或系统内存在温度差。,一般情况下，其数学表达式为：,不稳定温度场,稳定温度场,(2) 等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,不同温度的等温面不相交,稳定一维温度场,2. 温度梯度,温度梯度是一个点的概念。 温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 一维稳定热传导温度梯度是,说 明：,3.1.2 傅
5、立叶定律,式 中：,1. 傅立叶定律的内容,Q 热传导速率，W 或 J/s； S 导热面积，m2； t / n 温度梯度，/m 或 K/m； 导热系数，W/(m) 或 W/(mK)。,通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。,表征材料导热性能的物性参数导热系数 越大，导热性能越好,对一维稳态热传导,说 明：,2. 导热系数 ,由傅立叶定律：,在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 是分子微观运动的宏观表现。, = f(结构,组成,密度,温度,压力）,各种物质的导热系数由试验方法测定,金属固体 非金属固体 液体 气体,说 明：,(1) 固体,金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下， 越大，
6、 越大。,(2) 液体,t ， （除水和甘油）,一般来说，纯液体的大于溶液,(3) 气体,t ， ,气体不利用导热，但可用来保温或隔热,金属液体较高，非金属液体低，水的最大。,气体混合物导热系数估算：,有机物水溶液估算：,有机物互混溶液估算：,一、 单层平壁的稳定热传导,假设：S大，b 小；材料均匀；温度仅沿x 变化，且不随时间变化。,3.1.3 通过平壁的稳定热传导,对于稳定温度场,由傅立叶定律：,边界条件为：,得：,设不随t而变,讨 论：,2分析平壁内的温度分布,上限由,1可表示为,推动力：,热阻：,改为,二、多层平壁的稳定热传导,假 设：S 大，b小；材料均匀；温度仅沿 x 变化，且不随
7、时间变化。各层接触良好，接触面两侧温度相同。,以三层平面壁热传导为例,推广至n层：,对于稳定温度场,即：,三层平面壁热传导的传热速率：,温度分布曲线,3.1.4 通过圆筒壁的稳定热传导,一、单层圆筒壁的稳定热传导,假 定：圆筒很长；稳定温度场；一维温度场；,b,圆筒壁的传热面积随半径变化，温度也随半径变化,对于稳定温度场，在半径 r 处沿半径方向取 dr 同心薄层圆筒，根据傅立叶定律，,通过该圆筒的导热速率为：,边界条件,得：,设不随 t而变,进行变量分离 ：,讨 论：,1上式可以写为,对数平均面积,2 当,，可以把圆筒的传热看成为壁厚为,面积为,的平壁的热传导。,计算结果误差不大于4%,3圆
8、筒壁内的温度分布,上限从,改为,温度分布曲线 tr 成对数曲线变化 (假设不随t变化),作业：296页1，2，3，4，5,二、多层圆筒壁的稳定热传导,对于n层圆筒壁：,三层圆筒壁：,3.2 对 流 传 热,对流传热过程分析 对流传热速率 影响对流传热系数的因素 对流传热系数经验关联式,3.2.1 对流热过程分析,一、对流传热过程,对流传热过程（热对流）： 通过流体质点移动及混合而导致的热量传递的过程。,对流传热与流体流动及混合的状况有关,对流传热分类：,流体无相变的对流传热,(2) 流体有相变的对流传热,自然对流传热：仅因温度差而产生流体内部密度差引起流动的传热过程。 强制对流传热：流体因外力
9、作用引起流动的传热过程。,蒸气冷凝：气体在传热过程中全部或部分冷凝为液体。 液体沸腾：液体在传热过程中沸腾汽化，部分液体转化为气体。,f,二、流体边界层和传热边界层,（1）意义上的区别：,流体边界层： 存在速度梯度的区域，表示速度分布的情况。 传热边界层： 存在温度梯度的区域，表示温度分布的情况。,对流传热可以看作是在传热边界层内的热传导过程。,（2）引入传热边界层的意义：,TW,T,b,t,T,3.2.2 对流传热速率牛顿冷却定律,牛顿冷却定律的推导,传热边界层：,由传热边界层的概念，根据傅立叶定律：,令：,则：,牛顿冷却定律是一种推论。牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热过程所遵循的规律。,3
10、. 对流传热系数 是研究对流传热的核心问题，它反映对流传热速度的快慢， 越大，对流传热越快。,推动力：,阻力：,讨 论：, 的获得主要有三种方法：,1理论分析法：,用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。,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。,建立理论方程式，用数学分析的方法求出 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：,3类比方法：,3.2.3 影响对流传热系数 的因素,1. 引起流动的原因,自然对流,强制对流,自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。, 强
11、 自,2. 流体的物性 ，cp ，,3. 流动形态 层流、过渡流、湍流 湍流 层流,4. 传热面的形状，大小和位置,形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管或板是垂直放置还是水平放置）。,5. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变, 值 的 范 围,对流传热系数 的意义:, 在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。 反映了对流传热的快慢, 愈大表示对流传热愈快。 不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。,一、因次分析法求无相变时的, f (u，L， ， ，cp， g),基本物理量：长度 L，时间 T ，质
12、量 M，温度 ，热量Q变 量 总 数： 8个,由牛顿冷却定律：,则：,令：,q 热通量,无相变时影响 的因素有：,q f (u，L， ， ，cp， g，T ),无相变时影响 q的因素有：,q表示为幂函数的形式：,则上式中各物理量的单位及因次式为：,(1),QL-2T-1 =k(LT1)a (L) b ( ) c ( ML1T1) d (QT1L1 -1) e ( ML 3 ) f (QM - 1 - 1 )h (LT 2 -1) i,因此（1）式两边物理量的因次式为：,QL-2T-1 =kQ(e+h) L(a+b-d-e-3f+i) T (-a-d-e-2i) (c-e-h-i) M (d+f
13、-h),根据因次式一致性原则，等式两边各物理量的因次相等,(2),用 a, h, i 表示另外几个字母,e = 1 h d =a + h 2i c = 1+ i f = a + 2i b = a + 3i 1,代入（1）式，得：,（3）,式（3）为包括四个无因次准数群。,1. 努塞尔（Nusselt ）准数:,2. 雷诺（Reynolds）准数:,3. 普兰特（Prandtl ）准数:,4. 格拉斯霍夫（Grashof ）准数:,二、对流传热中的几个准数及其物理意义,物理涵义：包含的准数，表明流体与器壁换热时，器壁尺寸的影响。,物理涵义：确定传热时流体流动的形态对器壁换热时的影响。,物理涵义：
14、表明流体物性对传热的影响。,物理涵义：表明流体因受热膨胀对传热的影响，主要是自然对流的影响。,5. 定性温度、特性尺寸的确定,（1）定性温度：确定物性参数数值的温度称为定性温度。,定性温度的取法：,取流体的平均温度 取壁面的平均温度 取流体和壁面的平均温度（膜温）,圆管的特征尺寸为管内径 di 非圆管取当量直径： 对平壁：一般取厚度或高度 (长度),（2）特性尺寸：对流体流动和传热发生主要影响的尺寸。,特性尺寸的取法：,3.2.4 流体无相变时的对流传热系数 ,1. 流体在管内作强制湍流,（1）低粘度常温下低于2倍水的粘度,半经验公式,n 取决热流方向:,流体被加热时，n0.4； 被冷却时，n0.3。,一、 流体在管内作强制对流,适用范围： Re 10000，0.7 Pr 60 l /di 10000，0.7 Pr 60， 特征尺寸di 取内径， 定性温度：w 按壁温 tw 确定，流体温度,液体：,加热时冷却时,气体：,加热时冷却时,2. 流体在管内作强制层流,适用范围： Re 2300，0.6 Pr 60 特征尺寸di 取内径 定性温度： w 按壁温 tw确定，流体温度,
