化工第二章教案

1、第二章第二章 传热过程传热过程内容提要内容提要：本章首先介绍了传热的三种基本方式传导传热、对流传热、辐射传热，本章首先介绍了传热的三种基本方式传导传热、对流传热、辐射传热，着重讨论了传导传热和对流传热的机理及传热速率方程，并在此基础上，建立了总着重讨论了传导传热和对流传热的机理及传热速率方程，并在此基础上，建立了总传热速率方程，然后又应用这一方程解决了冷热两种流体通过固体壁面进行传热这传热速率方程，然后又应用这一方程解决了冷热两种流体通过固体壁面进行传热这一化工生产中最常见的传热过程。一化工生产中最常见的传热过程。第一节第一节 概述概述一、化工生产中的传热过程：一、化工生产中的传热过程：1.热

2、传递及其应用：热传递及其应用：(1)应用于生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝应用于生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝(2)应用于控制化学反应所需要的一定温度范围应用于控制化学反应所需要的一定温度范围(3)应用于单元操作应用于单元操作(4)应用于生产应用于生产 中热量的合理利用和废热回收，以节省热能中热量的合理利用和废热回收，以节省热能2.传热过程所需要解决的基本问题：传热过程所需要解决的基本问题：(1)载热体：加热剂和冷却剂合称为载热体。载热体：加热剂和冷却剂合称为载热体。(2)根据生产的工艺要求，进行物料衡算和能量衡算以确定载热体的用量。根据生产的工艺要求，进行物料衡算和能量衡算以确定载热体

3、的用量。(3)计算所需的传热面积，选择传热方式及换热器。计算所需的传热面积，选择传热方式及换热器。(4)对现有换热设备进行衡算，看其是否发挥了最大能力。对现有换热设备进行衡算，看其是否发挥了最大能力。二、传热的基本方式与工业上的换热方式：二、传热的基本方式与工业上的换热方式：1.传热的基本方式：传热的基本方式：(1)传导传热传导传热：在同一物体内或连接紧密的不同物体之间，由于有温度差存在，在同一物体内或连接紧密的不同物体之间，由于有温度差存在，热量会自动从高温向低温传递，这种传热方式为传导传热热量会自动从高温向低温传递，这种传热方式为传导传热(导热导热)。导热的特征导热的特征：在导热过程中物体

4、各部份或物体与物体之间不发生相对位移。对在导热过程中物体各部份或物体与物体之间不发生相对位移。对流流 体来说就是流体的质点不发生运动。体来说就是流体的质点不发生运动。导热的实质：导热的实质：流体内分子的热运动或自由电子的运动。流体内分子的热运动或自由电子的运动。(2)对流传热对流传热：流体内部由于质点相对运动而将热量由流流体内部由于质点相对运动而将热量由流体中的某一处传递到另一处的传热过程。体中的某一处传递到另一处的传热过程。 自然对流：自然对流：强制对流：强制对流：(3).辐射传热辐射传热：高温物体发射的辐射能量被低温物体吸收后，又重新转变为热高温物体发射的辐射能量被低温物体吸收后，又重新转

5、变为热能的过程。能的过程。2.工业上的换热方式：工业上的换热方式：(1)直接换热：直接换热：优点：传热效果好，设备简单；缺点：局限性大。优点：传热效果好，设备简单；缺点：局限性大。二、稳态传热与非稳态传热：二、稳态传热与非稳态传热：1.传热速率：用传热速率：用q表示，表示，q =kAtm, k-传热系数传热系数2.稳态传热：传热过程中，当与热流方向垂直稳态传热：传热过程中，当与热流方向垂直的任意截面上某一点的温度和传热速率不随时的任意截面上某一点的温度和传热速率不随时间而变化时，就为稳态传热间而变化时，就为稳态传热(定态传热、定常传热定态传热、定常传热)。(2)间壁换热：间壁换热：优点：适应范

6、围广；优点：适应范围广； 缺点：换热效率低。缺点：换热效率低。冷水直接冷却二氧化硫炉气示意图冷水直接冷却二氧化硫炉气示意图 (3)蓄热式换热：蓄热式换热：第二节第二节 传导传热传导传热一、热传导基本方程一、热传导基本方程-傅立叶定律：傅立叶定律：在一质量均匀的平板内，当在一质量均匀的平板内，当t1 t2热量以导热方式通过物体热量以导热方式通过物体,从从t1向向t2方向传递方向传递,取热流方向微分长度取热流方向微分长度d，在，在dt的瞬时传递的瞬时传递的热量为的热量为dQ，实验证明，单位时间内通过平板传，实验证明，单位时间内通过平板传导的热量导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：与温度梯度和传

7、热面积成正比，即： dQ/dAdt/d写成等式为：写成等式为： dQ/d =-Adt/d 式中式中 dQ/d -导热速率，导热速率，w; A-导热面积，导热面积，m2； dt/d -温度梯度，温度梯度，K/m； -比例系数，称为导热系数比例系数，称为导热系数(热导率热导率)，w/mK； “-”-表示热量沿温度降低的方向传递。表示热量沿温度降低的方向传递。二、导热系数：二、导热系数：导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。1.物理意义：物理意义： 在傅立叶定律中，假设在傅立叶定律中，假设A=1m2, dt/d =1K/m, 则则dQ

8、/d=- 即导热系数就是单位传热面积上，当温度梯度为即导热系数就是单位传热面积上，当温度梯度为1时的传热速率，单位为时的传热速率，单位为w/m.K。Qt1t2tddt2.影响导热系数的因素：影响导热系数的因素：物质的种类和组成、物理状态、湿度、压强等。物质的种类和组成、物理状态、湿度、压强等。三、传导传热的计算：三、传导传热的计算：1.单层平面壁单层平面壁(平壁平壁)：qt1t2t在稳定导热时，导热速率在稳定导热时，导热速率q不随时间变化，传热面积不随时间变化，传热面积A和导热和导热系数系数 也是常量，则傅立叶公式可简化为：也是常量，则傅立叶公式可简化为： = 将此式积分，当将此式积分，当x=

9、0，t=t1; x=时，时，t=t2, 积分结果为：积分结果为： Q=-A dt/d 若改写成传热速率方程的一般形式，则有：若改写成传热速率方程的一般形式，则有： t1 - t2q= / A=tRR= / A热阻热阻112233t1t2t3t4tR1R2R3 q=A(t1 t2)2.多层平面壁多层平面壁：根据傅立叶定律：根据傅立叶定律：t1 t2= 111= 1R1t2 t3= 222= 2R2t3 t4= 333= 3R3 此为稳态传热过程，则此为稳态传热过程，则 1 = 2 = 3= ，把以上三式相加，把以上三式相加， t1-t4=q(R1+ R2+ R3) =t1-t4R1+ R2+ R

10、3=tRi例题：书上例题：书上热阻热阻温差温差保温保温耐火耐火砖砖0.1607116保温保温砖砖0.767555建筑建筑砖砖0.2812043.单层圆筒壁：单层圆筒壁：QQQQ圆筒壁与平壁不同的地方是在垂直于热流的方向上，传热壁面积是不断变化圆筒壁与平壁不同的地方是在垂直于热流的方向上，传热壁面积是不断变化的，因此需要求出热流方向上的平均传热面积的，因此需要求出热流方向上的平均传热面积Am， R= / Am。设圆筒的内径为设圆筒的内径为r1，外径为，外径为 r2，则则Am r2/ r12，rm=r2 - r1r2lnr1Am=2 rmL4.多层圆筒壁：多层圆筒壁：r1r2r3第三节第三节 对流

11、传热对流传热一、对流传热过程分析：一、对流传热过程分析：1.传热边界层：沿热流方向，具有温度梯度的虚拟流体层称为传热边界层。传热边界层：沿热流方向，具有温度梯度的虚拟流体层称为传热边界层。 在传热边界层内，热量以传导传热的方式进行传递，热阻很大，其上的温在传热边界层内，热量以传导传热的方式进行传递，热阻很大，其上的温度降也很大。度降也很大。2.对流给热：工程上，把通过传热对流给热：工程上，把通过传热边界层的热传导和通过传热边界层边界层的热传导和通过传热边界层外的对流传热过程合称为对流给热外的对流传热过程合称为对流给热过程。过程。二、对流给热方程二、对流给热方程-牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：对流

12、给热是包含传导传热和对流传热的综合过程，对流传热与流体的流动状况密切对流给热是包含传导传热和对流传热的综合过程，对流传热与流体的流动状况密切相关，而流体的流动状况又是变化多端，所以对对流给热进行精确计算是十分困难相关，而流体的流动状况又是变化多端，所以对对流给热进行精确计算是十分困难的，一般就用牛顿冷却定律来作为计算基础。的，一般就用牛顿冷却定律来作为计算基础。牛顿冷却定律牛顿冷却定律热流体被冷却：热流体被冷却： =A(T tw1)冷流体被加热：冷流体被加热： =A(tw2 t)T-热流体湍流主体的平均温度；热流体湍流主体的平均温度；t-冷流体湍流主体的平均温度；冷流体湍流主体的平均温度； A

13、-传热面积；传热面积； tw1-低温固体壁面的温度；低温固体壁面的温度； tw2-高温固体壁面的温度；高温固体壁面的温度；-对流给热系数，它的值与流动边界层的厚度有关。对流给热系数，它的值与流动边界层的厚度有关。以上的参数均应为同一传热横截面积上的数值，且这一横截面应该是垂直于流动方以上的参数均应为同一传热横截面积上的数值，且这一横截面应该是垂直于流动方向的。向的。对换热器，为了简便，对换热器，为了简便，T、t、 tw1、 tw2简化为流体进出换热器的平均温度和换热器壁简化为流体进出换热器的平均温度和换热器壁面的平均温度。面的平均温度。tw1tw2Tt3.流动边界层与传热边界层的区别：前者表示

14、流体的速度分布情况，后者表示流动边界层与传热边界层的区别：前者表示流体的速度分布情况，后者表示流体的温度分布情况。通常二者的厚度也不相等。一般我们把传热边界层的厚流体的温度分布情况。通常二者的厚度也不相等。一般我们把传热边界层的厚度度t看作是滞流内层的厚度看作是滞流内层的厚度b和过渡区中虚拟的经过折算的厚度和过渡区中虚拟的经过折算的厚度f之和。之和。 2. 影响影响的因素：的因素：(1)流体的种类和性质；流体的种类和性质；(2)流体的流动类型和对流状态；流体的流动类型和对流状态；(3)流体的相态变体；流体的相态变体；(4)传热温度；传热温度；(5)传热壁面的形状、排列位置及尺寸大小；传热壁面的

15、形状、排列位置及尺寸大小； =f(、w、t、cp、l、)3.对流传热过程准数：书上对流传热过程准数：书上41页三、对流给热系数：页三、对流给热系数：1.物理意义：对流给热系数表示当物理意义：对流给热系数表示当t=1时，单位时间通过单位传热面积所传递时，单位时间通过单位传热面积所传递的热量，它的单位为的热量，它的单位为w/m2.k。 是对流传热强度的标志，是对流传热强度的标志， 越大，单位时间传越大，单位时间传递的热量就越多。递的热量就越多。 4.给热系数的准数关联式：给热系数的准数关联式：(1)没有相态变体的流体，在圆形直管内湍流流动时的关联式：没有相态变体的流体，在圆形直管内湍流流动时的关联

16、式： =0.023dRe 0.8Prm液体被加热或气体被冷却：液体被加热或气体被冷却：m=0.4液体被冷却或气体被加热：液体被冷却或气体被加热：m=0.3关联的应用范围：无相态变化，圆形直管、湍流，主要适用于大多数气体或粘关联的应用范围：无相态变化，圆形直管、湍流，主要适用于大多数气体或粘度小于水度小于水2倍的液体。倍的液体。Re10000, 0.7Pr=60式中有关参数如式中有关参数如、 cp 、 等的定性温度为等的定性温度为t=(t进进+t出出)/2适用范围：粘性流体如适用范围：粘性流体如C-H化合物、有机溶剂或某些水溶液化合物、有机溶剂或某些水溶液(水除外水除外)圆形直管，圆形直管，湍流

17、，湍流， Re10000, 0.7Pr=60对非圆形管路：对非圆形管路： de=4 x 流体流过的横截面流体流过的横截面流体润湿的周边流体润湿的周边例题例题1：例题：水以例题：水以2m/s的流速通过的流速通过55*25，长，长3m的钢管去冷却套管换热器环隙中的苯，的钢管去冷却套管换热器环隙中的苯，已知水温从已知水温从25升高到升高到55 ，试计算，试计算 ：(1)水对管壁的给热系数；水对管壁的给热系数；(2)若将水的流速提高若将水的流速提高30%，在其它条件相同的情况下，在其它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？水对管壁的给热系数又为多少？(3)若将管径缩小一半，在其它条件下同的情况

18、若将管径缩小一半，在其它条件下同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？下，水对管壁的给热系数又为多少？(2)加热或冷却某些粘性流体，在圆形直管内湍流流动的关联式：加热或冷却某些粘性流体，在圆形直管内湍流流动的关联式： =0.027dRe 0.8Pr1/3(/ w)0.14 -定性温度下流体的粘度，定性温度下流体的粘度， w-固体壁面温度下流体的粘度固体壁面温度下流体的粘度定性温度为定性温度为t=(t进进+t出出)/2，第四节第四节 热交换的计算热交换的计算一、总传热速率方程：一、总传热速率方程：1.传热过程分析：传热过程分析：间壁式热交换器，热量从热流体湍流主体传到冷间壁式热交换器，热量从热流

19、体湍流主体传到冷流体湍流主体的过程为：流体湍流主体的过程为：2.传热总方程推导：传热总方程推导：根据间壁式热交换器的传热模型，可以推出它的传热速率方程：根据间壁式热交换器的传热模型，可以推出它的传热速率方程：设热流体与高温固体壁面的对流给热方程为：设热流体与高温固体壁面的对流给热方程为： 1=1A1 (T tw1)，方程可变形为：，方程可变形为： T tw1=热流体热流体冷流体冷流体固体壁固体壁Tttw1tw2TT-tw1- tw2- t对流给热对流给热传导传热传导传热对流给热对流给热在热量从在热量从T传到传到t的过程中，温度的变化如红色曲线。的过程中，温度的变化如红色曲线。从温度降的情况可见

20、，间壁式换热器的温度降主要从温度降的情况可见，间壁式换热器的温度降主要集中在两边界层中，即它的热阻主要集中在传热边集中在两边界层中，即它的热阻主要集中在传热边界层内。界层内。 11A1热量通过壁厚为热量通过壁厚为的固体壁的传导传热方程为：的固体壁的传导传热方程为： 2= Am(tw1 tw2)方程变形为：方程变形为： tw1 tw2 = 2Am低温固体壁面与冷流体的对流给热方程为：低温固体壁面与冷流体的对流给热方程为： 3=2A2(tw2 t)方程可变形为：方程可变形为：tw2 t= 32A2此过程为稳态传热，所以此过程为稳态传热，所以 1 = 2= 3 = ，把以上三式相加则：，把以上三式相

21、加则： T t = ( + + ) 11A112A2 1Am = T t 11A112A2 1Am+=Am (T t) Am1A1Am2A2+令令k=1 Am1A1Am2A2+则则 =k Amt-间壁式热交换器的传热速率方程间壁式热交换器的传热速率方程上式中的上式中的k是换热器的总传热系数，它的物理意义是在单位时间内，当间壁两侧是换热器的总传热系数，它的物理意义是在单位时间内，当间壁两侧湍流主体的温差为湍流主体的温差为1时，通过单位传热面积所传递的热量。时，通过单位传热面积所传递的热量。 k值越大，则换热器值越大，则换热器单位传热面积传递的热量就越多，所以单位传热面积传递的热量就越多，所以K是

22、换热器传热性能的一个标志。是换热器传热性能的一个标志。至此，本章一共提到了三个标志：至此，本章一共提到了三个标志： 是物质是物质传导传热能力传导传热能力的标志；的标志； 是流体是流体对流对流给热强度给热强度的标志；的标志； K是换热器是换热器传热性能传热性能的一个标志。的一个标志。3.传热总方程的应用：传热总方程的应用：(1)平面壁总传热方程：当换热器的传热壁面为单层平面壁时，平面壁总传热方程：当换热器的传热壁面为单层平面壁时，A1 = A2= Am= A则则k=1 1112+ =k At-又是平壁的导热热阻，又是平壁的导热热阻，如果我们把如果我们把1看作是对流给热过程的热阻，而看作是对流给热

23、过程的热阻，而那么那么k就可以看作是对流给热热阻和传导传热热阻之和的倒数。就可以看作是对流给热热阻和传导传热热阻之和的倒数。当单层壁面两侧有垢层或为多层平面壁传热时，总传热系数当单层壁面两侧有垢层或为多层平面壁传热时，总传热系数k 为：为：则则k=1 1112+i i(2).圆筒壁总传热方程：圆筒壁总传热方程：r1r2设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r1 ，外半径为，外半径为r2，平均半径为，平均半径为rm,圆筒圆筒轴向长度为轴向长度为L ,则：则： A1=2 r1 L A2=2 r2 L Am=2 rm L =r2 r1 = T t 12 r1 L 1 12 r2 L 2 2 rm L +=

24、 2 L(T t) 1r1 1 1r2 2 rm +其中其中 rm r2/ r12，rm=r2 - r1r2lnr1在圆筒中，有一个特殊情况，就是化工生产中最常见的薄壁管，此时在圆筒中，有一个特殊情况，就是化工生产中最常见的薄壁管，此时r1 = r2=rm ，计算时就可按平面壁来进行，计算时就可按平面壁来进行A1 = A2 = Am=2 rm L，=r2 r1如果换热器的内外壁都没有垢层，而且传热壁本身是又薄又导热性能良好，那如果换热器的内外壁都没有垢层，而且传热壁本身是又薄又导热性能良好，那么传热壁的热阻么传热壁的热阻 就可以忽略不计，就可以忽略不计， 则则k=1 1112+=1 21 +

25、1这就是化工生产中最常见的金属薄壁管。这就是化工生产中最常见的金属薄壁管。例题：书上例题：书上二、热量衡算二、热量衡算-热负荷与载热体的计算：热负荷与载热体的计算：1.热负荷及其计算：热负荷及其计算：工艺热负荷：生产工艺上为了完成某一加热或冷却任务需要在单位时间内供给工艺热负荷：生产工艺上为了完成某一加热或冷却任务需要在单位时间内供给或取走的热量，有或取走的热量，有 l来表示，单位：来表示，单位：w。设备热负荷：换热设备所具有的能力，用设备热负荷：换热设备所具有的能力，用设备设备来表示。来表示。设备设备= l，生产条件才能完成。，生产条件才能完成。 l的计算又分为两种情况：的计算又分为两种情况

26、：(1)流体在换热过程中无相态变化而只有温度变化：流体在换热过程中无相态变化而只有温度变化： l = qma Cp(ta2 ta1 )(2)流体在热交换器中发生相变，如蒸发、冷凝等：流体在热交换器中发生相变，如蒸发、冷凝等： l = qma Ha H-相变热；相变热； qma -质量流量；质量流量； ta2 、ta1 - a的进出口温度，的进出口温度， (ta2 ta1 ) 02.热量衡算式：热量衡算式：热流体热流体a冷流体冷流体b固体壁固体壁q设备设备设热流体放出的热量为设热流体放出的热量为 a ，冷流体吸收的热量为，冷流体吸收的热量为 b ，设，设备的换热能力为备的换热能力为设备设备，那么

27、在不考虑热量损失的情况下，那么在不考虑热量损失的情况下， a= b= 设备设备 , 热量衡算可在这三者中的任意两个之间来热量衡算可在这三者中的任意两个之间来进行。进行。(1)在两个流体之间进行衡算在两个流体之间进行衡算都不发生相变：都不发生相变： q ma Cpa(ta2 ta1 )= q m b C pa(tb2 tb1 ) 一种流体发生相变：一种流体发生相变： q ma Cpa(ta2 ta1 )= q m b H b 两种都发生相变：两种都发生相变： qma Ha = qmb Hb(2)流体和设备之间进行衡算流体和设备之间进行衡算流体不发生相变：流体不发生相变： q ma Cpa(ta2

28、 ta1 )= k Amt流体发生相变：流体发生相变： q m b H b = k Amt 例例1：某酒精蒸气的冷凝器是由：某酒精蒸气的冷凝器是由19根根18*2，长，长1.2 m的钢管组成，酒精的冷凝温度的钢管组成，酒精的冷凝温度为为78 ，汽化潜热为，汽化潜热为210kcal/kg，如果冷却水的传热温差为，如果冷却水的传热温差为t =53 ，传热系数，传热系数为为600 kcal/m2.h. ，问此冷凝器能否，问此冷凝器能否350kg/h冷凝的酒精？冷凝的酒精？例例2：书上：书上三、传热平均温度差：三、传热平均温度差：恒温传热：冷热两种流体的温度均不随着流动方向而发生变化，如一侧流体是恒恒温传热：冷热两种流体的温度均不随着流动方向而发生变化，如一侧流体是恒温沸腾，一侧流体是饱和蒸汽冷凝。温沸腾，一侧流体是饱和蒸汽冷凝。变温传热：一侧或两侧的流体，温度随着流动方向而发生变化。变温传热：一侧或两侧的流体，温度随着流动方向而发生变化。1.恒温传热温度差：恒温传热温度差：Tt设横坐标为换热器壁面，纵坐标为温度，因为冷热两种流体的温设横坐标为换热器壁面，纵坐标为温度，因为冷热两种流体的温度均不发生变化，所以，传热的温度差也就始终不会发生变化，度均不发生变化，所以，传热的温度差也就始终不会发生变化，则则 t