化学工程基础第2章

1、中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递2.1 概述温度差是热量传递的原因。热力学：热能传递要遵守能量守恒定律即热量衡算方程。传热学：研究热量传递的速率和传热机理，分析影响传热速率的因素，导出定量关系式，即传热速率方程。只有热力学(热量衡算方程)和传热学(传热速率方程)相结合，才能解决传热问题，从而去强化传热或削弱传热。 中国人民大学化学系第2章 热量传递热对流热对流流体各部分之间存在宏观运动的热量传递过程热辐射物体由于热的原因而发出辐射能的过程热传导热传导通过微观粒子的热运动及相互碰撞传送能量的方式2.1.1 传热的基本方式层流的垂直方向层流的垂直方向自然对流自然

2、对流强制对流强制对流中国人民大学化学系第2章 热量传递2.1.2 传热中冷、热流体的接触方式(一) 直接接触式传热冷热流体直接接触传热，如在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。中国人民大学化学系第2章 热量传递2.1.2 传热中冷、热流体的接触方式(二) 间壁式传热套管换热器列管换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递2.1.2 传热中冷、热流体的接触方式(三) 蓄热式传热由热容量较大的蓄热室构成，室内充填耐火砖等填料。它的传热方式是：首先将热流体通入蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使

3、冷流体被已升温的蓄热室加热，达到冷、热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体、且允许少量物质参混的情况。中国人民大学化学系第2章 热量传递2.1.3 载热体及其选择为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。常用的加热剂有：热水和饱和水蒸气烟道气高温载热体：矿物油、联苯-二苯醚混合物、熔盐常用的冷却剂有：水，空气，冷冻盐水中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2 热传导2.2.1 傅里叶定律（一） 温度场和温度梯度物系内各点温度分布的总和称为温度场任意点的温度是空间位置和时间的函数数学表达式为：00),(0),(),(zTyTtTxfTtTzyxfT

4、tzyxfT不稳态稳态一维稳态第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.1 傅里叶定律（一） 温度场和温度梯度温度场中温度相同的点组成等温面，空间任一点不可能同时有两个温度，故温度不同的等温面不可能相交。将两相邻等温面的温度差T与其法线方向上的距离n之比的极限称为温度梯度，即0limd()dnTTnnTx 稳态一维温度场中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.1 傅里叶定律（二） 傅里叶定律和热通量通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比nTSQSQnTSQnTSQddKmW:m:W:dddd1 -1 -2导热系数，方向的截面积，导热面积，垂直于热流导的热量，导热速率，

5、单位时间传，中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.1 傅里叶定律123-2-sm:mJ:mW:d)d(d)d(dd数，导温系数或热量扩散系热量浓度，热流密度或热通量，aTcqcanTcanTccnTSQqppppp(热流密度)= (热量扩散系数) (热量浓度梯度)对导热系数、等压热容、密度为恒量的稳态一维导热中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 固体的导热系数01a t(二) 液体的导热系数ddqTn 中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递(三) 气体的导热系数中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.3 平壁稳定热传导(一) 单层平壁热传导1212121

6、2dd0,;,()tQSxxtt xb ttQS ttbtttQbRSttQtqbSR R，R：导热热阻过程的推动力过程传递速率过程的阻力中国人民大学化学系第2章 热量传递(二) 多层平壁热传导23341212312314312123iiiittttttQbbbSSSttQbbbSSStQbStqb总推动力总热阻 312122334123123:bbbttttttRRRSSS:：中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.3 圆筒壁导热1221dd2ddd2d2()lnttQSrLrrrQL trLttQrr 中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.3 圆筒壁

7、导热12211212121221122121121222112()ln()()()()2()2=lnln2mmmmmmmmLttQrrS ttttQbbSSttSttQbrrSttL rrrrttttSLrrQrrbbbSL rrr (平壁)，(圆筒)R中国人民大学化学系第2章 热量传递2.2.3 圆筒壁导热123143121231,12,23,3324321,1,2,32341321432411223311111,+=2()2()2(),lnlnln2()111lnlnln1ln2mmmmmmnnniiim iitttttQbbbRRRSSSL rrL rrL rrSSSrrrrrrL tt

8、QrrrrrrttttQQbrSL 或11niiir中国人民大学化学系第2章 热量传递12212()lnLttQrr 中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 3.1 对流传热机理(一) 不同流动状态下的温度分布中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 3.1 对流传热机理(二) 流动边界层和热边界层的相似热边界层：在壁面附近存在温度梯度的流体层中国人民大学化学系第2章 热量传递)tbf(传热有效膜厚度中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 3. 3 对流传热速率(一) 对流传热速率牛顿公式（牛顿冷却定律）dd:11QT SQS TTQSS 牛顿公式：（传热系数）平均值：对流传热热阻中国人民大学化

9、学系第2章 热量传递2. 3. 3 对流传热速率(二) 传热系数1. 传热系数的物理意义1121()W mKW mKQS T单位温差下单位传热面积的对流传热速率导热系数 ：是物性常数 传热系数 ：不是物性常数 流体的种类和物性流体的流动原因流体的流动状况传热面的形状、布置和大小中国人民大学化学系第2章 热量传递00ddd=dyyTQSyQS TTTy 壁面，热传导流体主体对流传热微分方程2. 3. 3 对流传热速率1. 传热系数的物理意义中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 3. 3 对流传热速率2. 的数值范围中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 3. 3 对流传热速率膜状冷凝滴状冷凝蒸

10、汽冷凝冷凝相变和沸腾相变冷凝相变和沸腾相变中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4 传热系数经验关联式p边界微分方程的数学解法p以量纲分析法为基础的实验方法p热量和动量传递的比拟法传热系数的确定方法：0d=dyTTy中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4. 1 传热系数经验关联式(一) 传热系数的影响因素流体的种类和物性流体的流动原因流体的流动状况传热面的形状、布置和大小（L）中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4. 1 传热系数经验关联式(二) 准数关联式的建立( , , , , ):Nu(Re,Pr)( , , , ,):Nu(,Pr)ppf LcuFf LcgtGr 无相变时强

11、制对流：通过量纲分析得准数关系式对自然对流传热：通过量纲分析得准数关系式中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4. 1 传热系数经验关联式(三) 流动无相变时的关联式流体在圆管内呈强制对流流体在圆管内呈强制层流流体在圆管内呈过渡流自然对流中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4. 2 热量和动量传递的比拟法类似率热量传递动量传递传递机理、传递过程和传递的物理数学模型传热系数摩擦系数中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 4. 2 热量和动量传递的比拟法类似率ff2/32/3bfmm1/3mmNuSt8Re Pr1St8 1A(Pr 1)NuSt PrPrRePr8pbpbcujjcuHH雷

12、诺类似率：普朗特-泰勒类似率：柯尔本 类似率：中国人民大学化学系第2章 热量传递传热计算传热计算设计计算：根据生产任务要求的热负荷，确定换热器的面积校核计算：计算给定换热器的传热量、流体流量和温度2. 5 传热过程的计算热力学热力学：热量传递要遵守能量守恒定律即热量衡算方程传热学传热学：研究热量传递的速率和传热机理，分析影响传热速率的因素，导出定量关系式，即传热速率方程中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5 传热过程的计算2. 5. 1 热量衡算,hh,cc,hh,1h,2,cc,2c,1,h,h,c,c,h,h12,c,c21,h,c,c21ddd()()ddd()()()mmmmmpm

13、pmpmpmmpQqHqHQqHHqHHQqCTqCtQqCTTqCttQqrqCtt 间壁式换热器，微单元的热量衡算式：对整个换热器：若流体无相变，比热取平均温度下的值：若换热器内流体是饱和蒸汽冷凝：若蒸汽冷凝后又降,h,hs2,c,c21()()mpmpQqrCTTqCtt温才流出换热器：中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 2 总传热速率方程mmiimoommmmd()dd1/QK TtSK t SQKS ttQKSQK StK StK St总传热速率微分方程：整个换热器的总传热速率方程：中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 3 总传热系数(一) 总传热系数的计算WWW3

14、12123oiimoo123123oiimooooiimod111dddd111ddddddd11ddWTTTttttttTttQbRRRRK SSSSttttbQRRRRK SSSSSb SKSS ；中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 3 总传热系数iimoooiimmooiimoiomiodd11dddddd ,dd11111ooooSb SKSSSdSdSd lSdSddbdKdddddbK当传热面为平壁或薄管壁时：中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 3 总传热系数(二) 污垢热阻ooos,is,oiiimos,is,oio11111ddbdRRKdddbRRK(三)

15、 换热器中总传热系数的经验值(四) 关于提高K值的讨论io111bK中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 4 传热平均温度差恒定温差-恒温传热：两侧流体均处于饱和温度下的相变过程t=Tb-tb变化温差-变温传热：间壁两侧有一侧流体无相变或两侧流体均无相变中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 4 传热平均温度差并流：两流体平行而同向流动逆流：两流体平行而反向流动错流：两流体互相垂直流动简单折流：一流体沿一个方向流动，另一流体反复折流复杂折流：两流体均反复折流mQKS t整个换热器的总传热速率方程：中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 逆流和并

16、流的平均温差中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 逆流和并流的平均温差qqccKm,hm,cp,hp,c传热为定态操作过程，流体流量和为常量比定压热容和,总传热系数 沿程为常量换热器热损失可忽略中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 逆流和并流的平均温差m,h,hm,c,cm,h,hm,c,cd()ddd =dddppppSQK TtSK t SQqcT qctQQqcqcTt 取换热器微单元分析：传热速率微分方程：d热量衡算微分方程：ddd=常量，常量中国人民大学化学系第2章 热量传递2121,()()ddd()ddddTtQTAQktA QkTttAA QkktQt QtttQQQK

17、 TtSK t StttK t SQ 变量 或 对 均为直线关系，故可写成直线方程：两式相减：对 仍为直线关系。- 直线的斜率为：此式与联立，得中国人民大学化学系第2章 热量传递21s21022112121212122111dd1ln()ln()ln22ttmmmtttSKtQtttSKtQttQKSKS ttttttttttttt在整个换热器范围积分总传热速率方程适用于并流和逆流时，中国人民大学化学系第2章 热量传递(二) 错流和折流的平均温差21111221( :)( , )mmttf P RttPTtTTRtt 温差校正系数冷流体的温升两流体的最初温差热流体的温降冷流体的温升中国人民大学

18、化学系第2章 热量传递2121lnmttttt100 3835 20100 3820 35(三) 不同流动型式的比较T1T2T1T2t2t1t1t2中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 5. 5 换热器传热计算举例中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 6 换热器2. 6. 1 间壁式换热器(一) 管式换热器1. 蛇管换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递2. 6 换热器2. 6. 1 间壁式换热器(一) 管式换热器1. 蛇管换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 管式换热器2. 套管换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递(一) 管式换热器3. 列管换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递(二) 板式换热器1. 夹套换热器2. 螺线板式换热器(三) 翅片式换热器中国人民大学化学系第2章 热量传递