化工基础传热PPT课件

1、2022-2-7第四章 传热过程1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、化工生产中的化学反应要控制适宜的温度范围：、化工生产中的化学反应要控制适宜的温度范围：（1 1）放热反应的热量要通过换热移除。）放热反应的热量要通过换热移除。（2 2）吸热反应需提供足够的热量。）吸热反应需提供足够的热量。（3 3）反应原料要预热，产物要冷却。）反应原料要预热，产物要冷却。2、很多化工单元操作是在换热条件下进行的：、很多化工单元操作是在换热条件下进行的：蒸发、结晶、干燥、精馏等。蒸发、结晶、干燥、精馏等。3、节约能源，合理使用能源：、节约能源，合理使用能源：（1 1）热流

2、体保温、低温条件的保持。）热流体保温、低温条件的保持。（2 2）生产中余热、废热的有效利用。）生产中余热、废热的有效利用。第1页/共71页2022-2-7第四章 传热过程2二、传热的基本方式二、传热的基本方式1、传导传热：、传导传热：物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻分子碰物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻分子碰撞，而将能量传递给相邻分子，顺序地将热量从高撞，而将能量传递给相邻分子，顺序地将热量从高温向低温部分传递。温向低温部分传递。u 特点：没有分子的宏观相对位移。特点：没有分子的宏观相对位移。2、对流传热：、对流传热：由于流体质点变动位置并相互碰撞，能量较大的质由于流体质点变动位置

3、并相互碰撞，能量较大的质点与能量较低的质点相互混合，使热量从高温向低点与能量较低的质点相互混合，使热量从高温向低温传递。温传递。u 自然对流：温度差，密度差，自然移动。自然对流：温度差，密度差，自然移动。u 强制对流：外力强制对流：外力( (搅拌等搅拌等) )使流体质点相对位移。使流体质点相对位移。第2页/共71页2022-2-7第四章 传热过程33、辐射传热：、辐射传热：热物体以波的形式向四周散发辐射能，辐射遇到另热物体以波的形式向四周散发辐射能，辐射遇到另外的物体时，被全部或部分地吸收并重新转变成热外的物体时，被全部或部分地吸收并重新转变成热能的传热方式。能的传热方式。u 温度越高，辐射出

4、去的热能越大。温度越高，辐射出去的热能越大。u 不用任何介质作媒介。不用任何介质作媒介。实际生产中的传热，并非单独以某种方式进行，实际生产中的传热，并非单独以某种方式进行，往往是多种方式同时进行。往往是多种方式同时进行。第3页/共71页2022-2-7第四章 传热过程4三、传热中的一些基本物理量和单位三、传热中的一些基本物理量和单位1、热量、热量Q：单位：单位：kgm2s-2，Nm，J，cal，kcal1cal=4.186 J2、传热速率、传热速率 ( (热流量热流量：单位时间内传递的热量。：单位时间内传递的热量。单位：单位：W，kcal h-11kcal h-1 =1.163WQ3、传热强度

5、、传热强度q：单位：单位：W m-2 ， kgs-3QqA单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。第4页/共71页2022-2-7第四章 传热过程56、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在发生发生相变相变时时 伴随的热量变化。伴随的热量变化。单位：单位： J kg-1， J moj-1汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等计算：计算：Q=H m 或或 Q=Hm n4、恒压比热容、恒压比热容cp、cpm：单位量物质恒压下升温：单位量物质恒压下升温1K所需热量。所需热量。单位

6、：单位： cp J kg-1 K-1 cpm J mol-1 K-1 5、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时变温变温伴伴 随的热量变化。随的热量变化。单位：单位： J计算：计算：Q=m cp t 或或 Q=n cpm t 潜热和显热的区别：相变，温变潜热和显热的区别：相变，温变第5页/共71页2022-2-7第四章 传热过程6四、定态传热和非定态传热四、定态传热和非定态传热1、定态传热：、定态传热：传热面上各点的温度不随时间改变的传热。传热面上各点的温度不随时间改变的传热。u只考虑传热面上某一点的情况，各点温度可不同。只考虑传热面上某一点的情

7、况，各点温度可不同。u定态传热时，单位时间的传热量定态传热时，单位时间的传热量不变。不变。u连续稳定的操作时大多是定态传热。连续稳定的操作时大多是定态传热。2、非定态传热：、非定态传热：传热面上各点的温度随时间而改变的传热。传热面上各点的温度随时间而改变的传热。u非定态传热时，不同的单位时间的传热量不同。非定态传热时，不同的单位时间的传热量不同。u间歇操作时大多是非定态传热。间歇操作时大多是非定态传热。第6页/共71页2022-2-7第四章 传热过程7第二节第二节 传导传热传导传热一、热传导基本方程式一、热传导基本方程式-傅立叶定律傅立叶定律 1、傅立叶定律傅立叶定律 ：tQA dtdQAdd

8、 对于微元：对于微元：dtdQAdd 引入比例系数：引入比例系数：u 负号是因为热量传递方向与温度升高方向相反。负号是因为热量传递方向与温度升高方向相反。u 比例系数比例系数为导热系数，单位：为导热系数，单位：W Wm m-1-1k k-1-1, , J Jm m-1-1k k-1-1s s-1-1u dt/ddt/d：温度梯度，：温度梯度，K/mK/m；第7页/共71页2022-2-7第四章 传热过程8导热系数导热系数: :是物质导热性能的标志，是物理性质之一。是物质导热性能的标志，是物理性质之一。一般来说：一般来说： 金属金属非金属固体非金属固体液体液体 气体气体.导热系数导热系数的值越大

9、，表示其导热性能越好的值越大，表示其导热性能越好的物理意义为：的物理意义为：当温度梯度为当温度梯度为1K/m1K/m时，每秒钟通过时，每秒钟通过1m1m2 2的导热面积而传导的热量，的导热面积而传导的热量，其单位为其单位为W/mW/mK K或或W/mW/m。金属金属 2.32.3420 w/m420 w/mK K 建筑材料建筑材料 0.250.253 w/m3 w/mK K 液体液体 0.090.090.6 w/m0.6 w/mK K 气体气体 0.0060.0060.4 w/m0.4 w/mK K 2 2、导热系数：、导热系数：数值的大小与物质的组成、结构、密度等有关。数值的大小与物质的组成

10、、结构、密度等有关。数值的大小也与外界条件温度、压力等有关。数值的大小也与外界条件温度、压力等有关。第8页/共71页2022-2-7第四章 传热过程9质地均匀的固体质地均匀的固体: = 0(1+at)0为为00C时固体的导热系数时固体的导热系数,a为温度系数为温度系数.液体混和物液体混和物: =k(1w1+ 2w2+ )w w 1 1, w, w2 2,-,-各组分的质量分数各组分的质量分数1 1 , ,2 2,-,-各组分的导热系数各组分的导热系数K-K-常数常数, ,对一般混和物或溶液为对一般混和物或溶液为1.0,1.0,对有机物的水溶液为对有机物的水溶液为0.90.9气体混和物气体混和物

11、: :=1x1M11/3+2x2M21/3+.x1M11/3+x2M21/3+.x x1 1 ,x ,x2 2各组分的摩尔分数各组分的摩尔分数M1 ,MM1 ,M2 2各组分的相对分子量各组分的相对分子量第9页/共71页2022-2-7第四章 传热过程10二、平面壁的定态热传导二、平面壁的定态热传导1 1、单层平面壁的热传导、单层平面壁的热传导: :在定态的条件下在定态的条件下, ,传热量不变，且两壁面的温度不随时间而变传热量不变，且两壁面的温度不随时间而变. .dtdQAdd dtQAd QdtAd 移项：移项：ddt 积分：积分：210ttddt 12tt 12tttRAtq u t t：

12、温差，传热推动力，：温差，传热推动力，K Ku R=/(A) R=/(A) ： 传热阻力，热阻，传热阻力，热阻，K/WK/W第10页/共71页2022-2-7第四章 传热过程11213A厚度厚度t3t2t1t3t1t2t42 2、多层平面壁的热传导、多层平面壁的热传导: :对于定态传热，各层传热速率相等，各层传热面积相等。对于定态传热，各层传热速率相等，各层传热面积相等。第一层：第一层：12111()ttA111211tttA第二层：第二层：222322tttA第三层：第三层：333433tttA第11页/共71页2022-2-7第四章 传热过程12对定态传热：对定态传热：A1=A2=A3=A

13、，1=2=3=上面三式相加：上面三式相加：31214123tttA 143121231ttttRAA312123123:tttt 多层平面壁的传热速率多层平面壁的传热速率等于总推动力等于总推动力t除总热阻除总热阻R。 多层平面壁的总热阻多层平面壁的总热阻R为各层热阻之和（相当于串联）。为各层热阻之和（相当于串联）。 各层的温度降与该层的热阻成正比。各层的温度降与该层的热阻成正比。312123iittq第12页/共71页2022-2-7第四章 传热过程13例例解：解：根据题意根据题意若炉灶的炉壁顺序地由厚若炉灶的炉壁顺序地由厚24cm24cm的耐火砖的耐火砖(=0(=0.90W90W.m m-1

14、-1.k k-1-1) )、12cm12cm的绝热砖的绝热砖(=0(=0.20W20W.m m-1-1.k k-1-1) )和和24cm24cm的建筑砖的建筑砖(=0(=0.63W63W.m m-1-1.k k-1-1) )砌成，传热稳定后，耐火砖的内壁温度砌成，传热稳定后，耐火砖的内壁温度为为940940 ，普通砖的外壁面温度为，普通砖的外壁面温度为5050试求每秒钟试求每秒钟每平方每平方米米壁面传导传热所散失的热量，并求各砖层交界面的温度。壁面传导传热所散失的热量，并求各砖层交界面的温度。1 1=24cm=24cm， 2 2=12cm=12cm，3 3=24cm=24cm，t t1 1=9

15、40 =940 t t4 4=50 =50 1 1=0=0.90W90W.m m-1-1.k k-1-1 2 2=0=0.20W20W.m m-1-1.k k-1 -1 3 3=0=0.63W63W.m m-1-1.k k-1-1求：求：q=?q=?，t t2 2，t t3 3第13页/共71页2022-2-7第四章 传热过程14294050890713.40.240.120.241.2480.90.20.63iitqW m由由1iiiittq 得得12110.24940713.4749.80.90ttq 23220.12749.8713.4321.80.20ttq 1940749.8190.

16、2t 2749.8321.8428t 3321.850271.8t 1230.240.120.240.900.200.63tt190.2428271.8 绝热砖层最薄，温差最大，导热系数小，热阻最大。绝热砖层最薄，温差最大，导热系数小，热阻最大。第14页/共71页2022-2-7第四章 传热过程151 1、单层圆筒壁的传导传热、单层圆筒壁的传导传热圆筒壁传热面积和温度都随圆筒壁圆筒壁传热面积和温度都随圆筒壁的半径而变化的半径而变化. .傅立叶定律应写为傅立叶定律应写为: :移项积分移项积分: :三、圆筒壁的传导传热三、圆筒壁的传导传热rr1r2lt1.t2dttdrdtAd 2dtrldr 2

17、2112rtrtdrldtr 21212lnrlttr 12212lnlttrr 2121lnl trr2121lnl tdd第15页/共71页2022-2-7第四章 传热过程162121lnl trr21221121lnl trrrrrr 2ml t r mt A mtAtR122121lnl ttrr1mtAu =r2-r1为圆筒壁厚度。为圆筒壁厚度。u r rm m为圆筒壁的对数平均半径：为圆筒壁的对数平均半径：2121lnmrrrr r当当r r2 2/r/r1 12时可用算术平均半径代替：时可用算术平均半径代替：r rm m=(r=(r1 1+r+r2 2) )/2/2u A Am

18、m为圆筒壁的平均传热面积：为圆筒壁的平均传热面积： A Am m =2rml第16页/共71页2022-2-7第四章 传热过程172 2、多层圆筒壁的传导传热、多层圆筒壁的传导传热122121lnl ttrr根据：根据：第一层第一层211211ln2rtttlr 322322ln2rtttlr 第二层第二层433433ln2rtttlr 第三层第三层三式相加三式相加32414112233111lnlnln2rrrtttlrrr 第17页/共71页2022-2-7第四章 传热过程183241122332111lnlnlnl trrrrrr整理：整理：121lnnnnl trr121lnnnnl

19、tdd同样令：同样令：1nnnrr11lnnnmnnnrrrrr2mnmnAlr1nmnntrAtR传热速率与推动力成正比，与热阻成反比。传热速率与推动力成正比，与热阻成反比。注意各层直径或半径的取值。注意各层直径或半径的取值。第18页/共71页2022-2-7第四章 传热过程19例例 38382.5mm2.5mm的水蒸气管（钢的的水蒸气管（钢的=50W.m=50W.m-1-1.k.k-1-1 ）包有隔）包有隔热层。第一层是热层。第一层是40 mm40 mm厚的矿渣棉厚的矿渣棉-1-1.k.k-1-1) )，第二层是，第二层是20 mm20 mm厚厚的石棉泥（的石棉泥（ -1-1.k.k-1-

20、1 ）。若管内壁温度为）。若管内壁温度为140140 ，石棉泥外，石棉泥外壁温度为壁温度为3030 。试求每米管长的热损失速率。若以同量的。试求每米管长的热损失速率。若以同量的石棉作内层，矿渣棉作外层时（即同样厚度），情况如何？石棉作内层，矿渣棉作外层时（即同样厚度），情况如何？试作比较。试作比较。解：解：由题意得：由题意得：r1=0.0165 m r2=0.019 m r3=0.059 m r4=0.079 m1=50 2= 0.07 3=0.15t1=140 t4=30 r1r2r3r4第19页/共71页2022-2-7第四章 传热过程20若以同量石棉作内层，矿渣棉作外层，得：若以同量石棉

21、作内层，矿渣棉作外层，得：11 .38059. 0079. 0ln15. 01019. 0059. 0ln07. 010165. 0019. 0ln501)30140(14. 321ln12mWnrnrtlr1=0.0165 m r2=0.019 m r3=0.059 m r4=0.079 m1=50 2= 0.15 3=0.07t1=140 t4=30 第20页/共71页2022-2-7第四章 传热过程21第一层第一层第二层第二层第三层第三层/l交换前交换前0.0028216.191.94638.1交换后交换后0.002827.554.1758.9u 金属管的热阻很小，可以忽略。金属管的热阻

22、很小，可以忽略。19 .58059. 0079. 0ln07. 01019. 0059. 0ln15. 010165. 0019. 0ln501)30140(14. 321ln12mWnrnrtl第21页/共71页2022-2-7第四章 传热过程22作业：作业：P142起起3、5、7第22页/共71页2022-2-7第四章 传热过程23第三节第三节 对流传热对流传热因流体质点变动而形成的对流还有两种因流体质点变动而形成的对流还有两种:对流传热对流传热: :是在流体流动进程中发生的热量传递现象是在流体流动进程中发生的热量传递现象,它它是依靠流体质点的移动进行热量传递的是依靠流体质点的移动进行热量

23、传递的,与流与流体的流动情况密切相关体的流动情况密切相关.自然对流自然对流: :因流体本身各质点温度不同因流体本身各质点温度不同,引起密度差异而形引起密度差异而形成的流体质点移动成的流体质点移动.强制对流强制对流: : 借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动质点移动.第23页/共71页2022-2-7第四章 传热过程24一、对流传热的机理一、对流传热的机理: :1 1、机理、机理靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层，温温度梯度较大度梯度较大。过渡层中，温度发生了缓慢的变化。过渡层中，温度发生了缓慢的变化。湍流主体中湍流主体中

24、，各处的温度基本相同。各处的温度基本相同。对于湍流流体：对于湍流流体：传热边界层：靠近壁面，有明显的温度梯传热边界层：靠近壁面，有明显的温度梯度的流体层度的流体层，包括滞流内层和过渡层。包括滞流内层和过渡层。一般把热量由湍流主体传向器壁或一般把热量由湍流主体传向器壁或相反的传热过程叫做对流传热。相反的传热过程叫做对流传热。第24页/共71页2022-2-7第四章 传热过程252 2、牛顿传热方程、牛顿传热方程当湍流主体的温度为当湍流主体的温度为t t1 1的流体向温度为的流体向温度为t t2 2的壁面对流传的壁面对流传热时热时, ,传热速率传热速率与流体主体和壁面间的温差与流体主体和壁面间的温

25、差(t(t1 1-t-t2 2) )及及壁面面积壁面面积A A成正比成正比, ,即即：传热膜系数，也叫传热分系数、给热系数。传热膜系数，也叫传热分系数、给热系数。对稳定传热过程对稳定传热过程: :12dttdA12dttdA12ttAA t的单位：的单位：W.mW.m-2-2.k.k-1-1 或或 J/(mJ/(m2 2.k.s).k.s)的物理意义：流体主体与壁面度差为的物理意义：流体主体与壁面度差为1K1K时时, ,每秒通每秒通 过过1m1m2 2壁面所传给流体壁面所传给流体( (或由流体给或由流体给 出出) )的热量。的热量。第25页/共71页2022-2-7第四章 传热过程26二、对流

26、传热膜系数二、对流传热膜系数: :1、影响传热膜系数的因素、影响传热膜系数的因素:(2) 流体的流动形态和对流情况；流体的流动形态和对流情况；(4) 传热的温度和温度差；传热的温度和温度差；(5) 流体传热的相变化；流体传热的相变化；(6) 壁面的形状、排列方式和尺寸。壁面的形状、排列方式和尺寸。(3) 流体的性质：流体的性质：、c c、等物理性质；等物理性质；(1) 流体的种类：液体、气体、蒸汽；流体的种类：液体、气体、蒸汽；第26页/共71页2022-2-7第四章 传热过程272、传热过程的几个相关特征数：、传热过程的几个相关特征数：格拉晓夫数：自然对流对换热的影响。Gr普朗特数：流体的物

27、理性质对换热的影响。Pr雷诺数：流体流动状态对换热的影响。Re努塞尔数：流体的导热系数与换热器壁几何尺寸对换热的影响。Nu特征数的物理意义特征数形式特征数l dvRe c 322glt Nu 、Re 、Pr应用于对流传热。应用于对流传热。 Gr应用于受热引起的自然对流传热。应用于受热引起的自然对流传热。第27页/共71页2022-2-7第四章 传热过程283、传热膜系数的特征关系式：、传热膜系数的特征关系式：（1）狄丢斯式：）狄丢斯式：(适用于圆管内强制湍流适用于圆管内强制湍流)当流体被冷却时：当流体被冷却时：当流体被加热时：当流体被加热时：通过量纲分析，可获得传热膜系数的一些特征数关系式：通

28、过量纲分析，可获得传热膜系数的一些特征数关系式：适用于大多数气体和粘度小于适用于大多数气体和粘度小于2 2倍水粘度的液体。倍水粘度的液体。0.80.40.023RePrd0.80.30.023RePrd适用于圆管内强制湍流适用于圆管内强制湍流。适用于列管间的流体，计算时适用于列管间的流体，计算时d d 取取d de e：4de 流流体体流流道道横横截截面面积积横横截截面面上上被被流流体体湿湿润润周周边边第28页/共71页2022-2-7第四章 传热过程29定性温度：可用对数平均或算术平均值。定性温度：可用对数平均或算术平均值。液体被加热时，液体被加热时，t,。气体被加热时，气体被加热时，t,。

29、对于高粘性的流体，加入校正因子对于高粘性的流体，加入校正因子c:0.80.330.027cRePrd 加热时：加热时：c=1.05冷却时：冷却时：c=0.95如：如：20的有机液体的有机液体Pr ：220； 20的水的水Pr ：7.01Pr1，指数大，指数大，大。大。第29页/共71页2022-2-7第四章 传热过程30（2）自然对流传热）自然对流传热(蛇管或器壁蛇管或器壁)G Gr rP Pr r500(500(滞流滞流) )G Gr rP Pr r 2 210107 7( (湍流湍流) )500500G Gr rP Pr r2 210107 7( (过渡流过渡流) )u 计算时，定性温度取

30、壁面与流体温度的平均值。计算时，定性温度取壁面与流体温度的平均值。1 31.18Gr Prd1 30.135Gr Prd1 40.54Gr Prd（3）带搅拌的反应釜）带搅拌的反应釜1 320.36RePrDu D D为反应釜的内径。为反应釜的内径。u 2d nRed d：搅拌桨的直径，搅拌桨的直径，n n：搅拌转数。搅拌转数。第30页/共71页2022-2-7第四章 传热过程31例例 列管式冷凝器中，用水冷凝有机物蒸汽，水以列管式冷凝器中，用水冷凝有机物蒸汽，水以0.5m0.5ms s-1-1 的速率在的速率在25252mm2mm的管内流动，进水温度为的管内流动，进水温度为20,20,出水出

31、水 温度为温度为4040。试求水对管壁的传热膜系数。试求水对管壁的传热膜系数。解：解：用进出口的平均温度用进出口的平均温度3030作为定性温度：作为定性温度：c c =4183 J=4183 JK K-1-1kgkg-1-1，=996 =996 kg/mkg/m3 3=8.01=8.011010-4 -4 PaPas s，=0.618 W=0.618 Wm m-1-1K K-1-1题设：题设：=0.5 m=0.5 ms s-1-1， d=0.021 md=0.021 m0.021130564000dvRe41835.42cPr0.80.40.023RePrd0.023212611W mK212

32、.611kW mK第31页/共71页2022-2-7第四章 传热过程324、沸腾和冷凝时的传热膜系数：、沸腾和冷凝时的传热膜系数：（1）沸腾传热）沸腾传热 由传热面与液体间的温差不同分为：由传热面与液体间的温差不同分为：泡核沸腾泡核沸腾强烈的泡核沸腾强烈的泡核沸腾膜状沸腾膜状沸腾前面讨论的是无相变时的前面讨论的是无相变时的, ,沸腾和冷凝是相变过程。沸腾和冷凝是相变过程。 沸腾传热时，沸腾传热时，值总是较大。值总是较大。 对汽泡产生有影响的因素都对汽泡产生有影响的因素都 对对有影响。有影响。 对对值的影响因素很多，难以计算，一般都有采用值的影响因素很多，难以计算，一般都有采用 实验值、经验值。

33、实验值、经验值。 水水沸腾传热的沸腾传热的值值：1000100030000 W30000 Wm m-2-2K K-1-1第32页/共71页2022-2-7第四章 传热过程33（2）冷凝传热：）冷凝传热：滴状冷凝：冷凝液不润湿壁面，而是在壁面上形成滴状冷凝：冷凝液不润湿壁面，而是在壁面上形成 杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁 面落下，这种过程称为滴状冷凝。面落下，这种过程称为滴状冷凝。 膜状冷凝：冷凝液润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜状冷凝：冷凝液润湿壁面而形成平滑的液膜，液 膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝 称为膜状冷凝。称

34、为膜状冷凝。 u 冷凝传热的传热膜系数比沸腾传热还要大。冷凝传热的传热膜系数比沸腾传热还要大。u 发生相变时的发生相变时的值很大，热阻很小，往往可以忽略。值很大，热阻很小，往往可以忽略。u 蒸汽冷凝时，不凝性气体的存在会使蒸汽冷凝时，不凝性气体的存在会使值减小。值减小。膜状冷凝值：515 kWm-2K-1滴状冷凝值：40120 kWm-2K-1第33页/共71页2022-2-7第四章 传热过程34三、常用的传热膜系数三、常用的传热膜系数: :值由大到小的顺序值由大到小的顺序水蒸汽水蒸汽冷凝冷凝水水沸腾沸腾水加热水加热或冷却或冷却油加热油加热或冷却或冷却气体加热气体加热或冷却或冷却第34页/共7

35、1页2022-2-7第四章 传热过程35第四节第四节 热交换的计算热交换的计算一、总传热方程：一、总传热方程：化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁向冷流体传热的过程。管壁是传导传热，两侧是对流传热。第35页/共71页2022-2-7第四章 传热过程36在定态条件下，在定态条件下，1=2=,上面三式相加可得：上面三式相加可得：1212tttAAA 1212tttRAAA热流体一侧：热流体一侧：1、总传热方程：、总传热方程：1111A tt11111tttA间壁：间壁：冷流体一侧：冷流体一侧：12A tt12tttA 2222A tt22222tttA第36页/共71页2022-2-7第四章

36、 传热过程37对于平面壁，对于平面壁，A A1 1= A= A2 2 = A= A2 2、平面壁的总传热方程：、平面壁的总传热方程：1A tttKA tRKA 其中：其中：1KWm-2K-1RKAA对复合传热壁：对复合传热壁：A t第37页/共71页2022-2-7第四章 传热过程38例例 夹套反应釜的内径为夹套反应釜的内径为80cm，釜壁钢板，釜壁钢板(=50Wm-1k-1)板板厚厚8 mm，衬搪瓷厚，衬搪瓷厚3 mm(=1.0Wm-1k-1)夹套通饱和水蒸汽夹套通饱和水蒸汽(=10000 Wm-1k-1 )加热，水蒸汽温度为加热，水蒸汽温度为120，釜内为有，釜内为有机物机物(=250 W

37、m-1k-1 )，温度为，温度为80。试求该条件下单位面。试求该条件下单位面积传热速率和各热阻占总热阻的百分数。积传热速率和各热阻占总热阻的百分数。解解：反应釜内径反应釜内径0.8m外径外径0.822m，可近似地按平面壁公，可近似地按平面壁公 式进行计算：式进行计算：由题设条件知：由题设条件知： 1=0.008m，1= 50Wm-1k-11=10000Wm-1k-1，2= 250Wm-1k-12=0.003m, 2= 1.0Wm-1k-1t1=120，t2=8012t1t2第38页/共71页2022-2-7第四章 传热过程39K t1211t1208010.0080.003110000501.

38、02504440101.6 1034 407.2625510W m各层热阻所占比例各层热阻所占比例蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：1.38%釜壁：釜壁：2.20%搪瓷层：搪瓷层：41.32%有机物侧：有机物侧：55.10%由计算可见：由计算可见：蒸汽冷凝的传热膜系数很大，热阻很小。蒸汽冷凝的传热膜系数很大，热阻很小。金属壁的导热系数很大，热阻很小。金属壁的导热系数很大，热阻很小。热阻主要在搪瓷层和有机物侧。热阻主要在搪瓷层和有机物侧。第39页/共71页2022-2-7第四章 传热过程403 3、园筒壁的总传热方程：、园筒壁的总传热方程：若传热间壁为园筒壁，则：若传热间壁为园筒壁，则：热流体热流体11111

39、1112A ttrltt11112ttrl间壁：间壁：1222112211lnlnl ttl trrrr21211ln2rttlr冷流体冷流体222222222A ttrltt22222ttr l三式相加得：三式相加得：2121 112 2111ln2rttlrrr第40页/共71页2022-2-7第四章 传热过程411221 112 22111lnl ttrrrr121 12 2211ml ttrrr 其中其中21rr2121lnmrrrr r 若若1 12 2相差较大，可选相差较大，可选较小的一侧较小的一侧r r作作r rm m。 若园筒壁是复合壁，则若园筒壁是复合壁，则mr为为mr或或1

40、1lniiirr 一般的传热壁都较薄，此时一般的传热壁都较薄，此时r r1 1rr2 2rrm m, ,则则1212211mr l tt121211mAttmKAt这也就是平面壁的计算公式。这也就是平面壁的计算公式。第41页/共71页2022-2-7第四章 传热过程42二、传热系数的大致范围二、传热系数的大致范围相对大小：相对大小：气气、气液气气、气液液液液液一侧相变一侧相变两侧相变两侧相变第42页/共71页2022-2-7第四章 传热过程43例例 用用134的饱和水蒸气（的饱和水蒸气（304kPa）通入夹套，使沸腾）通入夹套，使沸腾的甲苯气化成甲苯蒸气送往反应器，甲苯沸点为的甲苯气化成甲苯蒸

41、气送往反应器，甲苯沸点为110.6 (气化热气化热-1),加热面为加热面为1m2，每小时气化，每小时气化200kg甲苯。试求传甲苯。试求传热系数。若保温后尚有热系数。若保温后尚有10%热损失，试求水蒸气每小时热损失，试求水蒸气每小时消耗量消耗量解：热流量根据需要的热量确定：解：热流量根据需要的热量确定：m200 363.5qH20.19kJ/s3600汽化2120.16863KW mKt 水蒸汽的凝结热为水蒸汽的凝结热为2.16103kJ/kg, 水蒸汽消耗量为：水蒸汽消耗量为：200137.4/0.9kg h第43页/共71页2022-2-7第四章 传热过程44三、传热温差三、传热温差1、定

42、态恒温传热和定态变温传热：、定态恒温传热和定态变温传热：（1）定态的恒温传热）定态的恒温传热传热壁上的温度不随时间变化，也不随位置变化。传热壁上的温度不随时间变化，也不随位置变化。 两侧都有相变的传热，一侧冷凝，一侧汽化。两侧都有相变的传热，一侧冷凝，一侧汽化。（2）定态的变温传热）定态的变温传热传热壁上的温度不随时间变化，但随位置而变化。传热壁上的温度不随时间变化，但随位置而变化。 只有一侧有相变，另一侧无相变。只有一侧有相变，另一侧无相变。 两侧都无相变。两侧都无相变。 各点的传热温度差相同，各点的传热温度差相同，t=T-tt=T-t 。由于温度由于温度随位置而变化，随位置而变化，各点的传

43、热温度差不同。各点的传热温度差不同。第44页/共71页2022-2-7第四章 传热过程452、并流和逆流：、并流和逆流：（2 2）逆流：传热面两侧的逆流：传热面两侧的冷热冷热流体的流动方向相反。流体的流动方向相反。（1 1）并流：传热面两侧的冷热流体流动方向相同。）并流：传热面两侧的冷热流体流动方向相同。 冷流体的出口温度总是低于热流体出口温度。冷流体的出口温度总是低于热流体出口温度。 冷流体的出口温度可能高于热流体的出口温度。冷流体的出口温度可能高于热流体的出口温度。 换热推动力都较大、均匀、总强度大。换热推动力都较大、均匀、总强度大。 换热推动力前大后小，换热速率前快后慢。换热推动力前大后

44、小，换热速率前快后慢。 利用热量更充分。利用热量更充分。T1t1T2t2t1t2温度温度传热面积传热面积并流传热并流传热T1t1T2t2t1t2温度温度传热面积传热面积T1t1T2t2t1t2温度温度传热面积传热面积逆流换热（逆流换热（t1t2）逆流换热（逆流换热（t1t2）第45页/共71页2022-2-7第四章 传热过程463、传热的平均温度差的计算、传热的平均温度差的计算（1 1）恒温传热）恒温传热tTt （2 2）定态的变温传热）定态的变温传热111tTt222tTtT1t1T2t2t1t2传热面积传热面积dAdTdt1212lnmttttt 取传热微元，进行两流体的热量取传热微元，进

45、行两流体的热量衡算和传热量计算，可得：衡算和传热量计算，可得： 这就是这就是对数平均传热温度差。对数平均传热温度差。 用对数平均传热温度差的传热计算。用对数平均传热温度差的传热计算。mKA t第46页/共71页2022-2-7第四章 传热过程47lnmttttt大小大小 为便于计算，可改写为下式：为便于计算，可改写为下式： 当当t大大2 2t小小时，时，可用算术平均值代替。可用算术平均值代替。4、区别传热温度差和流体温度变化、区别传热温度差和流体温度变化传热温度差传热温度差流体温度变化流体温度变化t，tmt， t“两种流体间，平均值两种流体间，平均值同种流体同种流体传热推动力传热推动力换热前后

46、温度变化换热前后温度变化=KAt=KAtm m=mc=mct第47页/共71页2022-2-7第四章 传热过程48例例 在套管换热器中，用一定量的热流体将一定量的冷流在套管换热器中，用一定量的热流体将一定量的冷流体加热，热流体温度由体加热，热流体温度由120降到降到70 ，冷流体由，冷流体由20升升到到60试比较并流与逆流的传热温差，如下图所示。试比较并流与逆流的传热温差，如下图所示。T11200Ct1200Ct2600CT2700C(A)并流并流T11200Ct2600Ct1200CT2700C（B）逆流）逆流解：解： 并流传热时：并流传热时：热流体热流体 12012070 70 冷流体冷流

47、体 202060 60 tt大大=100 t=100 t小小=10 =10 lnmttttt大小大小100 10ln 100 1039.1 第48页/共71页2022-2-7第四章 传热过程49逆流传热时：逆流传热时：热流体热流体 12012070 70 冷流体冷流体 606020 20 tt大大=60 t=60 t小小=50 =50 lnmttttt大小大小6050ln 60 5054.8 逆流传热的传热推动力比并流时大。逆流传热的传热推动力比并流时大。 逆逆流时的流时的tm与算术平均值与算术平均值55相对误差相对误差0.36%0.36%。 在相同的传热条件下，完成相同的传热量，则：在相同的

48、传热条件下，完成相同的传热量，则：mmKAtKAt并并逆逆39.10.7154.8mmtAAt并逆并逆逆流所需的传热面积比并流时小。逆流所需的传热面积比并流时小。第49页/共71页2022-2-7第四章 传热过程50在列管换热器中以流量为在列管换热器中以流量为1kg/s，温度为，温度为20 C的冷却水使的冷却水使流量为流量为2.1kg/s的空气从的空气从130 C冷却到冷却到70 C。水在管内，空。水在管内，空气在管间，逆流流动，忽略垢层及管壁热阻。已知：气在管间，逆流流动，忽略垢层及管壁热阻。已知： 水水2500W/(m2K)， 空空=50W/(m2K)，Cp水水=4.2kJ/(kg.K).

49、K)，Cp空空=1kJ/(kgK)K)。求换热器的传热面积。求换热器的传热面积。例：例：解：解： 换热速率为换热速率为 2112121212500 5049.0211250050KW m K 设换热后的水温为设换热后的水温为x x C C，则有，则有：=qm水Cp水t水=1 4.2 （t-20)=126t=126/4.2+20=50 C=qm空气Cp空气t空气=2.11(130-70)=126kW第50页/共71页2022-2-7第四章 传热过程51逆流传热：逆流传热： 热流体热流体 13013070 70 冷流体冷流体 505020 20 tt大大=80 t=80 t小小=50 =50 80

50、5063.83ln 80 50lnmtttKtt大小大小mKA t 由 得得2126 100040.349.02 63.83mAmK t即换热器的换热面积应为即换热器的换热面积应为40.3m2第51页/共71页2022-2-7第四章 传热过程525、并流与逆流传热的比较：、并流与逆流传热的比较：（1）逆流换热的优点：）逆流换热的优点：（2）并流换热的优点：）并流换热的优点： 传热推动力大，传热强度高。传热推动力大，传热强度高。 冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度。冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度。 热量利用率高，节约传热介质。热量利用率高，节约传热介质。 前期前期tm大大，后期后期t

51、m小，适合于如放热反小，适合于如放热反 应的热量转移等一些特殊场合。应的热量转移等一些特殊场合。 并流的并流的冷流体的出口温度总是低于热流体的出口冷流体的出口温度总是低于热流体的出口 温度，可用于控制某一流体的过热或过冷。温度，可用于控制某一流体的过热或过冷。第52页/共71页2022-2-7第四章 传热过程53四、强化传热过程的途径：四、强化传热过程的途径：（1） 增大传热面积增大传热面积（2） 提高传热温差提高传热温差（3） 提高传热系数提高传热系数三个方面三个方面mKA t第53页/共71页2022-2-7第四章 传热过程541、用螺纹管或螺旋槽管用螺纹管或螺旋槽管传热量的增加率低于传热

52、面积的增加率。传热量的增加率低于传热面积的增加率。增加传热面积一般是指增大单位体积内的传热面积。增加传热面积一般是指增大单位体积内的传热面积。园管外表面上加螺旋翅片园管外表面上加螺旋翅片反应釜内加浸没式蛇管。反应釜内加浸没式蛇管。多孔物质结构多孔物质结构采用小直径管采用小直径管第54页/共71页2022-2-7第四章 传热过程552、（1）采用逆流操作；）采用逆流操作；（2）增加热流体的温度；）增加热流体的温度； 增加水蒸汽的压力；增加水蒸汽的压力； 采用其它热介质如：油、熔盐等；采用其它热介质如：油、熔盐等；（3）降低冷流体的温度；）降低冷流体的温度； 增加冷却水的用量，或降低冷却水的温度；

53、增加冷却水的用量，或降低冷却水的温度； 降低氨的蒸发压强及温度；降低氨的蒸发压强及温度；（4）要综合考虑；）要综合考虑； 蒸汽压力高，对设备要求也高。蒸汽压力高，对设备要求也高。 冷却水温受气温限制，增加流，运行费用会增加。冷却水温受气温限制，增加流，运行费用会增加。第55页/共71页2022-2-7第四章 传热过程56第56页/共71页2022-2-7第四章 传热过程573、1K一般金属壁较薄，导热系数大，热阻小，可忽略，则一般金属壁较薄，导热系数大，热阻小，可忽略，则1K1212 若若1211121K 12K若若121212K 若两个若两个相差较大时，相差较大时，K小于且接近于较小的一个。

54、小于且接近于较小的一个。要提高总传热系数，关键是要增加较小的一个。要提高总传热系数，关键是要增加较小的一个。第57页/共71页2022-2-7第四章 传热过程58(1) 提高提高1 12 2 ，特别是较小的那个，特别是较小的那个 值；值；(2) 减小垢层热阻。减小垢层热阻。 增加流速增加流速v ，增大流体的湍动程度；，增大流体的湍动程度； 反应釜中加搅拌；反应釜中加搅拌； 改变流体流动方向，壳程加挡板等；改变流体流动方向，壳程加挡板等；0.80.40.30.023dvcd0.60.7 采用导热系数大的流体。采用导热系数大的流体。 采用大的流速等条件防止垢层生成。采用大的流速等条件防止垢层生成。

55、 定时除垢。定时除垢。(3) 有相变时，控制为滴状冷凝和泡核沸腾。有相变时，控制为滴状冷凝和泡核沸腾。 控制温度差在泡核沸腾的范围。控制温度差在泡核沸腾的范围。 蒸汽中加入有机物等。蒸汽中加入有机物等。第58页/共71页2022-2-7第四章 传热过程5910、12、16、18、21、25作业：作业：第59页/共71页2022-2-7第四章 传热过程60第五节第五节 热交换器热交换器按用途分为：按用途分为：加热器加热器冷却器冷却器冷凝器冷凝器按结构分为：按结构分为：管式换热器：列管式、蛇管、套管管式换热器：列管式、蛇管、套管板式换热器：波纹板式、螺旋板式板式换热器：波纹板式、螺旋板式夹套式：夹套反应釜夹套式：夹套反应釜第60页/共71页2022-2-7第四章 传热过程61一、列管式热交换器一、列管式热交换器1、（1）园形壳体，长）园形壳体，长/径径=610；（2）平行管束；）平行管束；第61页/共71页2022-2-7第四章 传热过程62（4）封头，用法兰连接；）封头，用法兰连接；（5）折流板，园缺形；）折流板，园缺形；（3）花板，布管方式；）花板，布管方式；第62页/共71页2022-2-7第四章 传热过程632、热膨胀的补偿措施热膨胀的补偿措施（1）膨胀圈：壳体上滚压而成。）膨胀圈：壳体上