《化工原理第四章 传热.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理第四章 传热.ppt（127页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 传热 heat transfer 任课教师 万惠萍 第一节概述 1 物料的加热与冷却 2 热量与冷量的回收利用 3 设备与管道的保温 一 传热过程的应用 使物料达到指定的温度 以节约能源 降低生产成本 以减少热量 冷量损失 1 热传导 Conduction 导热 原因 微观粒子的热运动 二 热量传递的基本方式 特点 无宏观位移 是固体内部热量传递的主要形式 根据传热机理的不同 分为三种 2 对流传热 Convection 原因 流体质点相对位移 特点 流体流动 自然 强制 3 辐射传热 Radiation 原因 因热产生电磁波辐射 特点 不需要媒介 可在真空中传递 有能量形式变化 三
2、两流体通过间壁换热 1 间壁式换热器 2 两流体通过间壁的传热过程 1 热流体以对流方式将热量传递到间壁的一侧壁面 2 热量从间壁的一侧壁面以导热方式传递到另一侧壁面 3 最后以对流方式将热量从壁面传给冷流体 J m2 s 或 W m2 四 传热过程 1 热流量Q 单位时间内通过整个换热器的传热面所传递的热量 J s 或W 2 热流密度 或热通量 q 单位时间 通过单位传热面传递的热量 二者之间的关系 一 传热速率 注意 对传热速率的要求是相对的 需要加热 冷却时 要强化传热 要求保温时 要降低传热速率 可用两种方式表示 二 稳态传热与非稳态传热 稳态过程 传热过程中 参数T1 T2 t1 t
3、2 qm1 qm2 等不随时间变化 但可以是位置的函数 非稳态过程 传热过程中 各参数是时间的函数时 为非稳态过程 连续生产中的传热过程多为稳态传热 开车 停车以及改变操作条件时 为非稳态传热 一维稳定温度场内的等温面是平行或同心的圆筒面 定态时 一 温度场和温度梯度 温度场 物体内各点温度在时空中的分布 一维稳定温度场 等温面 温度相同的点所组成的面 等温面彼此不会相交 第二节热传导 一 傅立叶定律 温度梯度 一维时 梯度方向以温度增加方向为正 且垂直于等温面 梯度方向正好与传热方向相反 二 傅立叶定律 还可写成 4 2 是热传导的基本定律 式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反 傅立
4、叶定律与牛顿粘性定律类似 此处的类似是指非同类过程之间的相似性 即热量从高温传至低温 傅立叶定律指出 热流密度正比于传热面的法向温度梯度 二 热导率 表征物质的导热能力 越大 导热性能越好 影响因素 物质种类 环境温度等 物质的物理性质之一 1 固体导热系数 的数量级 W m 金属 10 102 建材 10 1 10 绝热材料 10 2 10 1 固体 与温度的关系 W m 0 0 时材料的导热系数a 温度系数 金属为 非金属为 3 气体导热系数 金属 合金 非金属 2 液体导热系数 水 氯化钙 甘油 乙二醇 T 其他液体 T 液态金属 水 其他液体 气体导热系数很小 T 总之 固态金属 固态
5、非金属 液体 绝热材料 气体 液体的 较小 但比固体绝热材料大 在非金属液体中 水的热导率最大 三 平壁的稳态热传导 前提 4 材料密度均匀 导热系数 为常数 2 平壁两侧温度均匀 恒定 且t1 t2 3 壁内传热系定态一维热传导 1 平壁无限大 平壁长宽远大于厚度 边缘热量损失忽略 傅立叶定律可写成 常数 一 单层平壁的稳态热传导 对傅立叶定律式积分 4 5 4 5a 整理得 4 5 式还可写成 4 6 4 7 三层平壁如图 设层间接触良好 一维稳定导热必有 Q1 Q2 Q3 Q 即 二 多层平壁的稳态热传导 依叠加原理 n层时 此式说明 某层热阻大 需要的温差也大 即以较大的温差克服较大的
6、阻力 才能达到与其他层传热速率相同 四 圆筒壁的稳态热传导 特点 传热面积 温度沿半径变化 设圆筒壁为无限长 目的也是按一维导热处理 一 单层圆筒壁的稳态热传导 1 材料密度均匀 导热系数 为常数 2 圆筒壁内外两侧温度均匀 恒定 3 内部温度仅沿半径方向 垂直于壁面 变化 q沿r方向各截面传热量不等 总传热量Q沿r方向各处相等 依傅立叶定律 即 4 9 式 4 9 还可整理得 类似于平壁导热 其中 对数平均半径 4 11 对数平均直径 当时 可用算术平均直径 也可用对数平均面积 圆筒壁热阻 由式 得 仿多层平壁的处理方法 热阻代入圆筒的热阻 二 多层圆筒壁的稳态热传导 三层圆筒壁如图 设层间
7、接触良好 一维稳定导热 注意 q1 q2 q3 原因是 热射线是放射性形式 各层面积不等 Q1 Q2 Q3 Q 4 12 1 根据传热机理的不同 传热过程可分为 和三种方式 2 物质导热系数的顺序是 A金属 一般固体 液体 气体 B金属 液体 一般固体 气体 C金属 气体 液体 一般固体 D金属 液体 气体 一般固体 A 3 不需要任何介质的传热称为 传热 A热传导 B对流 C辐射 D热流动 C 练习题 4 稳定导热是指不随时间改变 系统各点温度 热传导 对流传热 热辐射 4 厚度不同的三种材料构成三层平壁 各层接触良好 已知各层厚度b1 b2 b3 热导率 1 2 3 在稳定传热过程中 各层
8、的热阻R1R2R3 各层热流量Q1Q2Q3 各层温差 t1 t2 t3 水的 大于保温材料的 保温材料的 导致保温效果 5 一包有石棉瓦保温层的蒸汽管道 当石棉瓦受潮后 其保温效果应 主要原因是 6 外包绝热材料的金属蒸汽管道 当蒸汽压力增大时 绝热材料的热导率将变 而蒸汽管道的热导率将变 主要原因是 大 小 温度升高 主流区温度梯度很小 热阻小 近壁面处温度梯度大 热阻大 第三节对流传热 工业上遇到的对流传热常指流体与固体壁面之间的热量交换 也称对流给热 热流体侧 冷流体侧 T t TW tw 对流传热的类型 流体无相变的给热 强制对流给热 自然对流给热 流体有相变的给热 蒸汽冷凝给热 液体
9、沸腾给热 湍流时 热阻主要集中在层流内层 如图 a b两点温差为 t 则 a b两点形成压差 自然对流 b a 体积膨胀系数 当 t较小时 环流速度 上式说明 只要有温差就有环流 为了在一定空间内获得较为均匀的加热 加热器应放置在该空间的下部 反之 为了在一定空间内获得较为均匀的冷却 冷却器应放置在该空间的上部 一 对流传热方程与对流传热系数 目前 对流传热的工程计算仍采用半经验方法处理 对流传热速率 对流给热系数 对流给热推动力 牛顿冷却定律 热流体侧 冷流体侧 给热系数 W m2 TW tW 壁温 T t 流体平均温度 q 热通量 W m2 二 给热系数 的影响因素 对流给热系数是对流传热
10、过程研究的核心内容之一 1 流动形态和动力 流动形态 层流 传热膜 传热阻力 q 湍流 传热膜 传热阻力 q 流动动力 自然对流 湍动 传热膜 q 强制对流 湍动 传热膜 q 确定这些物性的温度称作定性温度 一般用流体主体的平均温度作为定性温度 t1 流体进口温度t2 流体出口温度 2 流体的 物理 性质 对 影响较大的有 cp 传热表面的形状 排列 放置方式 管径 管长 板高等 其中对传热影响最大的因素称作特征尺寸 3 传热表面的几何因素 垂直管或板 L 圆管 d 非圆管 de 4 流体类型和相变情况 液体 气体 水蒸气 牛顿型流体 非牛顿型流体 有无相变化 准数关系式为 三 对流传热的特征
11、数关系式 将影响 的众多因素组合为若干个无因次数群 再用实验数据确定他们之间的关系 得到不同条件下计算 的经验关联式 目的 无因次形式 4 17 雷诺准数 是Re的一种变形 表征自然对流的流动状态 努塞尔准数 普朗特准数 格拉斯霍夫准数 对流给热比导热增大的倍数 流体的物性参数 各无因次准数的物理意义 惯性力与粘性力之比 4 19 四 流体无相变时对流传热系数的经验关联式 低粘度流体圆直管内强制湍流给热系数 给热系数 流体被加热时n 0 4 被冷却时n 0 3 Re 100000 7 Pr 120管长与管内径之比即L d 60低粘度流体 粘度不大于水粘度的2倍 即 2mPa s 应用条件 例
12、管内强制湍流时给热系数的计算图示为一列管式换热器示意图 由38根 25mm 2 5mm的无缝钢管组成 苯在管内流动 由20 被加热至80 苯的流量为8 32kg s 外壳中通入水蒸气进行加热 试求管壁对苯的给热系数 又问当苯的流量提高一倍 给热系数有何变化 解 1 0 7 Pr 120 查物性 860kg m3 cp 1 80kJ kg 0 45mPa s 0 14W m 加热管内苯的流速为 定性温度 以上计算表明本题的流动情况符合式 4 19 的应用条件 故 若忽略定性温度的变化 当苯的流量增加一倍时 给热系数 为 2 水温50 时 0 45mPa s 2mPa s 一般列管换热器L d 6
13、0 当管径不变时 上例说明 当流量不变时 与直径的关系 注 练习题 1 对流给热过程是和之间的传热过程 流体固体壁面 热传导 热对流 2 对流传热是与共同作用的结果 3 影响对流给热的因素有哪些 答 1 流动形态和动力 2 流体的 物理 性质 3 传热表面的几何因素 4 流体类型和相变情况 五 流体有相变时的对流传热 有相变化时的对流传热 分为蒸汽冷凝给热和液体沸腾给热 由于伴有相变化 其给热系数远大于无相变过程 一 蒸汽冷凝时的对流传热 1 蒸汽冷凝热阻特点 两相共存 气相无热阻 冷凝液将壁面覆盖 冷凝潜热通过液膜才能到达壁面 因此热阻主要在液膜处 冷凝大 2 冷凝方式 膜状冷凝 壁面被液膜
14、覆盖 液膜存在温度差 冷凝潜热需穿过液膜传递 传热阻力主要来自液膜 滴状冷凝 液膜不能覆盖壁面 给热系数较膜状冷凝大 虽然 滴 膜 但滴状冷凝难于控制 目前应用的冷凝器仍按膜状冷凝设计 3 影响冷凝给热的因素及强化措施 影响因素 不凝性气体 不凝性气体阻碍蒸汽与汽液界面的接触 蒸汽中含1 空气 给热系数下降约60 相当于附加一层气膜热阻 蒸汽流速及流向 流速较大且与膜同向 流速较大且与膜逆向 通常蒸汽入口设在换热器上部 以避免蒸汽和凝液逆向流动 若蒸汽吹散液膜 反而 强化措施 2 定期排放不凝性气体 1 应尽可能减小液膜厚度 在壁面处开沟槽 加金属丝等 大容积沸腾 加热面浸没于无强制对流的液体
15、中的沸腾 加热表面浸入液体的自由表面之下 液体于加热面产生气泡 自由上浮 二 液体沸腾时的对流传热 液体的流动仅缘于自然对流和气泡的扰动 如水壶烧水 容器内液体温度高于饱和温度时 液体汽化而形成气泡的过程 称为沸腾 沸腾分类 管内沸腾 流体受压差作用在管内流动时沸腾 饱和沸腾 离开加热面的气泡不再凝结 过冷沸腾 流体主体温度低于饱和温度 加热面上气泡离开后重新凝结 流体在管内流动 流速对传热影响显著 气泡与液体一起流动 两相流 汽化核心 1 沸腾的必要条件 液体过热 沸腾给热热阻集中在紧贴加热表面的液体薄层内 热阻很低 给热强度高于无相变的液体给热 粗糙的加热壁面的凹缝易于形成汽化核心 加热壁
16、面温度最高 可达到液体过热 2 大容积饱和沸腾曲线 液体的大容积饱和沸腾随温差 t 壁温与操作压强下液体的饱和温度之差 的变化 都会出现不同类型的沸腾状态 当 t 2 2 随 t缓慢增加 此时 紧贴加热表面的液体过热度很小 不足以产生气泡 给热是靠自然对流进行的 汽化现象只在液面上发生 严格说来还不是沸腾 而是表面汽化 1 自然对流 2 核状沸腾 当 t 2 2 2 2 25 加热面上有气泡产生 随 t急剧上升 这是由于气泡的产生和脱离对加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故 3 不稳定膜状沸腾 t增大到某一定数值 25 250 时 加热面上的汽化核心增多 气泡在脱离加热面之前便相互连接 形成气膜 把加热面与液体隔开 下降 称不稳定膜状沸腾 t增至250 加热表面上形成一层稳定的气膜 把液体和加热面完全隔开 辐射传热的作用变得重要 再度增加 此阶段称为稳定膜状沸腾 4 稳定膜状沸腾 工业上 应控制在核状沸腾阶段 此时有给热系数大 壁温低的优点 膜状沸腾时 因气膜导热差 使壁温高 易烧坏设备 应用时应注意 3 沸腾给热过程的强化 1 加热表面 粗糙有利 污垢不利 2 液体性质 3 操作压力
