化学工艺与原理

1、第第3章传章传 热热 3.1概述概述 传热过程的应用传热过程的应用 用途广泛：能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑、用途广泛：能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑、农业、环保等农业、环保等 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 1、化学反应，、化学反应，2、设备保温，、设备保温，3、热能回收、热能回收 两类两类1）要求传热量增大）要求传热量增大强化传热强化传热 2）要求传热量减小）要求传热量减小削弱传热削弱传热 本章讨论范围：传热基本原理及其在化工中的应用本章讨论范围：传热基本原理及其在化工中的应用 热量从高温向低温稳定、自发地进行热量从高温向低温稳定、自发地进行太原工

2、业学院电子课件太原工业学院电子课件 根据传热机理分类根据传热机理分类 1、热传导（导热）、热传导（导热）物体内各部分质点不发生相对位物体内各部分质点不发生相对位移，仅靠分子、原子、自由电子在自己位置上振动（热运移，仅靠分子、原子、自由电子在自己位置上振动（热运动）进行传热。动）进行传热。 发生在：固体、流体中发生在：固体、流体中 2、热对流（对流传热）、热对流（对流传热）流体内各部分质点发生相对流体内各部分质点发生相对位移而引起的传热。位移而引起的传热。 发生在：流体中发生在：流体中 相对位移：温差引起相对位移：温差引起自然对流自然对流 受外力作用受外力作用强制对流强制对流 3、热辐射、热辐射

3、因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体都能产生热辐射。任何物体都能产生热辐射。 特点：特点：1）不需任何介质）不需任何介质 2）过程伴随有能量形式的转换）过程伴随有能量形式的转换 实际中，传热方式常以两种或三种方式同时存在，只是在实际中，传热方式常以两种或三种方式同时存在，只是在不同的条件下，某种方式的传热占主要地位。不同的条件下，某种方式的传热占主要地位。3.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换方式传热过程中热、冷流体（接触）热交换方式 一、直接接触式换热和混合式换热器一、直接接触式换热和混合式换热器 冷、热流体直接接触，实现设备冷、热流体直

4、接接触，实现设备混合式换热器。图混合式换热器。图3-1 优点：传热效果好，设备结构简单。优点：传热效果好，设备结构简单。 二、蓄热式换热和蓄热器二、蓄热式换热和蓄热器 冷、热流体交替流过蓄热器，实现设备冷、热流体交替流过蓄热器，实现设备蓄热式换热器蓄热式换热器。图图3-2 三、间壁式换热和间壁式换热器三、间壁式换热和间壁式换热器 冷、热流体被固体壁面隔开，冷、热流体被固体壁面隔开， 热需通过固体壁面传递热需通过固体壁面传递 实现设备实现设备间壁式换热器间壁式换热器太原工业学院电子课件冷流体冷流体t1t2热流体热流体T1T2套管式换热器套管式换热器太原工业学院电子课件3.1.3传热过程传热过程1

5、. 传热速率和热通量传热速率和热通量传热速率传热速率Q 单位时间内通过单位时间内通过 传热面的热量传热面的热量, W 热通量热通量q单位面积的传热速率，单位面积的传热速率，W/传热热阻传热热阻温度差温度差传热推动力传热推动力传热速率传热速率)( dSdqQ RqRQ tt 或或太原工业学院电子课件 2.稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热 稳态传热稳态传热系统中各点的温度仅随位置变，不随时系统中各点的温度仅随位置变，不随时间变。任一时刻传热速率（单位时间传递的热量）为间变。任一时刻传热速率（单位时间传递的热量）为常数。连续操作过程。常数。连续操作过程。 输入能输出能输入能输出能 非稳态传热

6、非稳态传热系统中各点的温度不仅随位置变，也系统中各点的温度不仅随位置变，也随时间变。随时间变。 间断操作过程。间断操作过程。太原工业学院电子课件3. 载热体及其选择载热体及其选择 物料在换热器内被加热或冷却时，由另一种物料在换热器内被加热或冷却时，由另一种流体流体供给或取供给或取走热量走热量 载热体加热剂（加热介质）载热体加热剂（加热介质）起加热作用的载热体起加热作用的载热体 冷却剂（冷却介质）冷却剂（冷却介质）起冷却作用的载热体起冷却作用的载热体 工业常用加热剂工业常用加热剂热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等物、熔盐及烟道气等 工业常用冷却剂工

7、业常用冷却剂水、空气和各种冷冻剂。水、空气和各种冷冻剂。太原工业学院电子课件载热体载热体3.2 传热过程计算传热过程计算 3-2-1热量衡算热量衡算 间壁式换热器，假设：换热器绝热良好，热损失可以忽略间壁式换热器，假设：换热器绝热良好，热损失可以忽略 有衡算式输入能输出能有衡算式输入能输出能 即放热吸热即放热吸热 对整个换热器对整个换热器 无相变焓衡算无相变焓衡算 QWh(Ih1Ih2）Wc（Ic2Ic1） 比热法比热法 QWh cph(T1T2） Wc cpc（t2t1） 式中式中 W流体的质量流量，流体的质量流量，kgh或或kgs； I流体的焓，流体的焓，kJkg； Q换热器的热负荷，换热

8、器的热负荷，kJh或或kW；下标下标1和和2分别表示换热器的进口和出口分别表示换热器的进口和出口 有相变有相变 QWh r Wc cpc（t2t1） QWh r+ cph(TsT2） Wc cpc（t2t1）Wh饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率，饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率，kg/s r饱和蒸气的冷凝潜热，饱和蒸气的冷凝潜热， kJ/kg。 cph冷凝液的比热容，冷凝液的比热容，kJ/(kg) Ts 冷凝液的饱和温度，冷凝液的饱和温度，。 上式应用条件上式应用条件 1）定态流动即）定态流动即Wh、Wc为常数为常数,kg/h 2）cp 取为常数或平均值，取为常数或平均值，kJ/(kg. C) 小

9、小 结结 二 、热负荷计算 无相变 QWh(Ih1Ih2）Wc（Ic2Ic1） QWh cph(T1T2） Wc cpc（t2t1）， 有相变QWh r Wc cpc（t2t1） QWh r+ cph(TsT2)Wc cpc (t2t1） 3-2-2 总传热速率方程和总传热系数总传热速率方程和总传热系数 一、总传热速率方程一、总传热速率方程 从热流体到冷流体的传热过程从热流体到冷流体的传热过程 ，包括对流、热传导、对流，包括对流、热传导、对流三个过程三个过程 ，整个过程热量，整个过程热量 的传递，服从总传热速率方程式的传递，服从总传热速率方程式 速率方程，仿照牛顿速率方程，仿照牛顿 冷却定律冷

10、却定律 有有 Q K tmdS (3-25) 上式为总传热速率方程式上式为总传热速率方程式 K总传热系数，总传热系数，W/(m2. )， 与传热面积对应与传热面积对应3-2-3平均温度差法平均温度差法 简化假定简化假定 1）传热为定态操作过程）传热为定态操作过程 2）两流体的比热容均为常量（取换热器进、出口下的）两流体的比热容均为常量（取换热器进、出口下的平均值）平均值） 3）K为常量为常量 4）换热器的热损失可忽略）换热器的热损失可忽略 一、恒温传热时的平均温度差 随换热器管长不同，两侧流体温差处处相等t = Tt 二、变温传热时的平均温度差 两种流体流向 逆流并流错流折流 1、两侧变温、两

11、侧变温 1）逆流与并流）逆流与并流 以逆流为例以逆流为例 放热放热dQ =Wh cph dT 吸热吸热 dQ = W C cpcdt contcWdTdQphhcontcWdtdQpcc有T = mQ +k两式相减Tt = t =(m m/)Q + (kk/) 所以 t Q关系也为直线 t = m/ Q + k/直线斜率QttdQtd12)( QtttKdStd12 )(SttdSQttttdK012211)()454(ln1212 tttttm对数平均温度差mtKSttttKSQ 1212ln 一、总传热速率方程式 QKS tm热负荷与传热速率的区别 二、总传热系数K000011 miidb

12、dddK0111 iK接近小的时，当K0i小小 结结 一、传热平均温差tm恒温传热 tm Tt变温传热1212lntttttm 注意注意（1）当）当 t 2 2 t1 时时 tm可用算术平均值代可用算术平均值代 （2）换热器两端温差大者为）换热器两端温差大者为 t2 （3）并流时的）并流时的 tm同式（同式（3-25） 2）错流与折流）错流与折流 tm t tm逆逆 2、一侧变温另一侧不变温、一侧变温另一侧不变温 tm逆逆？ tm并并 3、流向的选择、流向的选择 （1）在相同进出口温度下，）在相同进出口温度下， tm逆逆 tm折折 tm并并， QKS tm，当，当Q、K一定，一定， tm越大，

13、越大，S越小越小 （2）逆流并流）逆流并流 T2接近 t 1 T2接近 t 2 ， （ T1 T2)逆 （ T1 T2)并 Q一定 Wh 逆 Wh ua Wh cph 一定 Wh cph(T1T2）逆Wh cph(T1T2）并 Q逆 Q并 （3）如对某流体出口温度有限制，应采用并流）如对某流体出口温度有限制，应采用并流 （4）设计时，）设计时， t 0.8 三、总传热系数三、总传热系数K不为常数时的传热计算不为常数时的传热计算 K随温度呈线性变化时随温度呈线性变化时 K随温度不呈线性变化时，换热器分段计算随温度不呈线性变化时，换热器分段计算)484(ln12211221 tKtKtKtKSQ2

14、121)(S)(SK)(:)(0011ttpccSTTphhSnjjmjjnjjjjmjjtTKdtcWdStTKdTcWdStKQSjnQQStKQ或算的微分形式得传热速率方程和热量衡随温度变化较大时，由为任一段的序号分段数，下标小小 结结 一、传热平均温差tm恒温传热 tm Tt变温传热二、流向选择 Wh cph 一定， Q逆 Q并Q一定，Wh 逆 t2 t 随随 r 变变 S=2 r L 稳态一维温度场稳态一维温度场 =constdrdtrLdrdtSQ 221212ttrrdtLrdrQ 1221ln)(2rrttLQ 写成单层平壁的形式写成单层平壁的形式122121)()(rrttSbttSQmm 3-14与与3-15等效，等效，LrrrrrLSmm 2ln)(21212 太原工业学院电子课件 二、多层圆筒壁二、多层圆筒壁 应用串联热阻的概念，应用串联热阻的概念，得得由由12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ n层圆筒壁层圆筒壁 niiiinrrLttQ1111ln21 1212ln)(rrrrrm 对对数数平平均均半半径径12121212SSln)SS(L2L2ln)(L2S 对对数数平平均均面面积积rrrrm 太原工业学院电子课件小小