第五章、传热与传质培训课件

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1、LOGO第五章 传热传质知识 传热跟我们的生活密切相关 传热在生活中的应用： 1、做饭时，蒸、煮、炒等都是传热过程，饭菜凉了 我们也要“热一热”再吃； 2、冬天开暖气供暖，屋子里暖和、舒服； 3、穿衣服要看天气，根据温度变化选择衣服，冬天 穿棉袄，夏天穿单薄的衣服。什么是传热?传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传 递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化工生产与传热 的关系尤为密切。高温 低温传热过程的推动力：温度差传热推动力 传热在生产中的应用： 1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。 加热：熔盐炉、混合气预热、再沸器 聚合釜夹套升温、汽提、干燥等 冷却：采用循环水、7水、

2、-35盐水等冷却水 转化器、合成炉用热水冷却 冷凝：氯气液化、混合脱水、氯乙烯单体冷凝 蒸发：碱液蒸发、PVC干燥传热在生产中的应用传热在生产中的应用 2、化工设备和管道的保温（保冷），以减少热量 （冷量）损失。 保温：如蒸汽管道、热水管道。 保冷：-35盐水、7水管道 3、生产中热能的合理利用，废热回收。 废热利用：氯化氢合成热用于溴化锂及采暖、转 化反应热用于溴化锂机组 研究传热的目的 1、提高传热速率 强化传热，减小设备尺寸，节省费用 2、降低传热速率 削弱传热，减少热量损失传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地

3、从温度较高的部分传给温度较低的部分， 或是温度较高的物体传给温度较低的物体。 根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。传热的分类 传热的分类分类 ：按连续性按与时间 的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，LOGO一、一、热热热热量量传递传递传递传递 的三种基本方式的三种基本方式根据传热传热 的机理不同，热热量传递传递 的基本方式分为为三种：导导 热热 对对 流热辐热辐 射1 1、热传导热传导热传导热传导 （又称（又称导热导热导热导热 ）当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时时，由于分子、原子和自由电电子等微观观粒子的热热运动动而引起热

4、热量的传递传递 。热热量由高温度部分传传到低温部分，或从高温物体传传到与之相接触的低温物体，直到各部分温度相等为为止，这这种热热量传递过传递过 程称为为导导热热。2 2、对对对对流流流体各部分之间发间发 生相对对位移所引起的热传递过热传递过 程称为为对对流传热传热 （即对对流） 。 对对流的形式可分为为：（1）、自然对对流：由于流体中各处处的温度不同而引起密度的差别别。轻轻者上浮，重者下沉，流体之间产间产 生相对对位移。（2）、强制对对流：由于泵泵、风风机或搅搅拌等外力的作用使得流体质质点强制运动动。在化工传热过传热过 程中,通常是流体流经经固体壁面时发时发 生的对对流和热传导联热传导联 合作

5、用的传热过传热过 程.3 3、热辐热辐热辐热辐 射射因物体本身温度的原因激发产发产 生的电电磁波在空间间的传传递递，称为为热辐热辐 射。 辐辐射传热传热 的特点是：（1）、能量传递过传递过 程中有能量形式的转变转变（2）、任何物体只要在热热力学温度零度以上都能发发射辐辐射能第二节第二节 热传导热传导一、一、热传导热传导热传导热传导 方程方程 1 1、傅立叶定律、傅立叶定律TTT+dTT1T2dxx温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯 度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递. 傅里叶定理是研究传热过程的重要方程， 在工

6、程上 主要解决三个问题：计算传热量或热量损失；确定面上的温度；确定保温层的壁厚。傅立叶定律解决的傅立叶定律解决的问题问题问题问题2 2、导热导热导热导热 系数系数（1）、固体的导热导热 系数大多数固体的导热导热 系数与温度大致呈线线性关系。=0（1+t）-温度系数（2）液体的导热导热 系数液态态金属：液态态金属导热导热 系数比一般液体高液态态金属导热导热 系数随温度升高而降低。 其他液体：水的导热导热 系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数 液体随温度升高略有减少，纯纯液体比混合液体一般要大一些。（3）气体的导热导热 系数 气体的导热导热 系数随温度升高而增大，随压压强增大而增加。二、二、传

7、导传热传导传热传导传热传导传热 的的计计计计算算 1 1、单层单层单层单层 平面平面热传导热传导热传导热传导TT1T2x称为导热热阻称为导热的推动力2 2、多、多层层层层平壁的平壁的热传导热传导热传导热传导TT2 T3T1T41x32三三层层层层平壁的平壁的热传导热传导热传导热传导 速率方程速率方程: :n n层层层层平壁的平壁的热传导热传导热传导热传导 速率方程速率方程: :各层层平壁的温差降与该层该层 的热热阻成正比 。3 3、单层圆单层圆单层圆单层圆 筒壁的筒壁的热传导热传导热传导热传导单层圆单层圆单层圆单层圆 筒壁的筒壁的热传导热传导热传导热传导 速率方速率方 程程热热阻为为:上式也可

8、以写成与平壁热传导热传导 速率方程类类似形式:其中对对数平均面积为积为 :对对数平均半径 为为:当r2/r12时时, T1Lr1r2T2dr4 4、多、多层圆层圆层圆层圆 筒壁的筒壁的热传导热传导热传导热传导三三层圆层圆层圆层圆 筒壁的筒壁的热传导热传导热传导热传导 速率方速率方 程程n n层圆层圆层圆层圆 筒壁的筒壁的热传导热传导热传导热传导 速率方程速率方程r1r2r4r3T1T3T4T2T=T1 Tn+15 5、保温、保温层层层层的的临临临临界半径界半径r1r2t1tft1-保温层层内表面温度；tf-环环境温度 r1、r2-分别为别为 保温层层内外壁半径； -为为保温材料的导热导热 系数

9、 -为对为对 流传热传热 系数；L-为为管长长称为临为临 界半径rcBrcr2t2对对对对流流传热过传热过传热过传热过 程是从流体到固体程是从流体到固体壁或从固体壁到流体的壁或从固体壁到流体的传热过传热过传热过传热过程程, ,是一个是一个层层层层流内流内层为层为层为层为 主的主的导热导热导热导热和和层层层层流内流内层层层层以外以外对对对对流流传热传热传热传热 的的综综综综合合过过过过程程. .12第三节第三节 对流传热对流传热自然对流强制对流无相变 化有相变 化蒸汽冷凝液体沸腾膜状冷凝滴状冷凝对流传热 分类对流传热 分类一、对流传热分析一、对流传热分析1 1、层层层层流底流底层层层层，由于流体

10、粘性的存在 ，靠近壁面的一薄层层流体作层层流流动动 ，称为层为层 流底层层，热热量传递传递 主要是靠 分子扩扩散运动动以导热导热 方式进进行，热热阻 主要集中在层层流底层层中，造成较较大的 温度降。 2 2、过过过过渡区渡区，在层层流底层层与湍流主体 之间间存在着一个过过渡区，该该区的流体 由于漩涡涡运动动，而造成流体质质点产产生 相对对运动动，热热量传递传递 除了以传导传导 方式 外，还还有对对流方式存在，故温度梯度 逐渐变渐变 小。 3 3、湍流主体、湍流主体，流体质质点的剧剧烈碰撞 与混合，热热量传递传递 以对对流方式为为主， 可以认为认为 无热热阻，温度梯度为为零，各 处处的温度相等。

11、12层流内 层过渡区湍 流 主 体 区湍 流 主 体 区二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程热热流体侧侧 冷流体侧侧对流传热速率方程对流传热速率方程( (又称牛顿冷却定律又称牛顿冷却定律) )三、传热膜系数的影响因素三、传热膜系数的影响因素1、流体的流动动状态态 2、流体的对对流状况 3、流体的物理性质质 影响较较大的物性有流体的比热热、导导 热热系数、密度和粘度。 4、传热传热 表面的形状，大小和位置 5、流体相变变的影响12对流传热 膜系数的物理意义: 当壁面和流体主体温度 差为1K时,单位面积的固体壁面上单位时间 内以对流 传热 方式传递 的热量。对流传热 方程式以很简单 的形式表达

12、了复杂的对流 传热过 程的传热 速率，其中的膜系数包括了所有影响 对流传热过 程的复杂因素。由于对流传热 系数受很 多因素的影响，不可能提出一个确定的普遍公式。可查询 相关资料取经验值 。四、提高传热传热 膜系数的途径（一）无相变的对流传热：提高流体流速是强化传热 的有效措施，但流体流速增大后能量损失增 加。 （二）冷凝传热：（1）不凝气体 蒸汽内含有不凝气体，形成气膜，使传热 阻力增大， 对流传热 系数降低。 （2）蒸汽流速和流向 蒸汽与液膜流向一致，加速液膜流动，对流传 热系数增大；蒸汽流速增大对流传热 膜系数增大 （3）蒸汽过热 情况 按饱和蒸汽冷凝处理 （4）冷凝面的高度及布置方式 冷

13、凝液膜增厚会降低传热 系数。*液体沸腾 大容积沸腾 管内沸腾 沸腾腾曲线线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核 心。气泡产生的速度t随上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾 。 （三）、沸腾传热（1）温度差 温度差是控制沸腾传热 的重要参数*（2）操作压力 提高压力提高饱和温度，液体黏度及表面张力下降， 有利于气泡生成与脱离壁面，强化了对流传热过 程。 （3）流体物性 表面张力小 润湿能力大的液体，形成的气泡容易离 开表面，对沸腾传热 有利。（4）加热面 壁面粗糙，发生气泡的核心多些，气泡上升运

14、动越激烈 ，从而强化了传热 。第四第四节节节节 传热计传热计传热计传热计 算算T1T2T2T1传热传热传热传热 速率方程速率方程: : = K A Tm化工生产产中经经常遇到物料通过过管壁或容器器壁加热热或 冷却的传热过传热过 程。热热流体以对对流的方式传给传给 固体壁面， 而固体壁面内部以导热导热 的方式把热热量从一侧侧表面传给传给 另 一侧侧表面，然后再以对对流的方式把热热量传给传给 冷流体，这这 个传热过传热过 程称为热为热 交换换。下面套管式换热换热 器是间间壁式换换 热热器中最常用的一种。一、一、热热热热量衡算量衡算工业业生产产中由于流体温度的变变化吸收或放出热热量称为为 热负热负热

15、负热负 荷荷。在稳态传热过稳态传热过 程中，若忽略热损热损 失，热热量的 衡算关系式为为：热热流体放出的热热量=冷流体吸收的热热量 。 热负热负 荷的计计算，可以分为为两种情况： 1 1、无相、无相变时变时变时变时 的的热负热负热负热负 荷荷计计计计算算热热流体: 放 = qmhCph ( T1 T2) = qmh ( H1 H2) 冷流体: 冷 = qmcCpc ( T2 T1) = qmc ( H2 H1) 放 = 冷 qmhCph ( T1 T2) = qmcCpc ( T2 T1) 其中qmh和qmc分别为热别为热 、冷流体的质质量流量，kg/s或kg/h二、二、传热传热传热传热 速率方程速率方程通过换热过换热 器中任一微元面积积dA的间间 壁两侧侧流体的传热传热 速率方程，可以仿照 对对流传热传热 速率方程写出：d = K ( T T) dA = K T dA1、总传热总传热 速率微分方程2、恒温传热传热换热换热 器间间壁两侧侧流体的温度都是恒定，比如：蒸发发 器中，一侧为饱侧为饱 和蒸汽；另一侧为侧为 沸腾腾液体，它们们之间间 传热传热 就是恒温传热传热 。 = K A T = K A ( T T) dATTdK-总传热总传