教学课件少数几张我拷来的时候就化工原理上第六章总汇

第六章传热1概述1.1传热目的①加热、冷却物料②回收热量或冷量设法促进传热③保温，减少热量或冷量损失设法阻止传热传热还用于其它单元操作如蒸发，精馏1.2传热机理①传导—分子热运动(自由电子迁移)接触②对流—流体宏观迁移引起载热接触③辐射—电磁波不接触热水瓶为什么能保温？1.3冷热流体接触方式①蓄热式②直接接触式③间壁式

1.4化工常用载热体加热最常用水蒸汽

(锅炉房)常用工业锅炉p<0.8MPa(表)(175℃)

道生油、熔盐、电加热冷却常用河水、井水、自来水盐水、冷冻剂1.5基本概念①热流量Q,

(W=J/s)

单位时间，热流体通过整个传热面传递给冷流体的热量。②热流密度q,（W/m2）单位时间、单位面积所传递的热量。显然，热流量③定态与非定态定态：非定态：从0~τ时刻累积传热量QT,2热传导2.1傅立叶定律热流密度与温度梯度成正比λ：W/m·℃=W/m·Kλ量级：金属10~102W/m·℃

绝热材料10-2~10-1W/m·℃

液体10-1W/m·℃

气体10-2W/m·℃1．λ金属>λ液体>λ气体2．温度升高时，λ液下降(水例外)，λ气上升，

λ金属下降，大多λ非金属上升2.2单层平壁导热解决：①温度分布②热流量条件：①定态②一维(横向导热不计)分析：①取控制体②作热量衡算：进=出+累积定态：累积=0，Q1=Q③结合特征方程解析解

λ=常数时积分温度分布线性,或工程处理方法多层平壁导热条件：定态一维串联过程，速率一致结果：温差按热阻大小分配例1已知：两层平壁λ1=1.4W/m·℃,δ1=100mm,λ2=0.14W/m·℃,δ2=200mm,t1=650℃,t3=50℃。求：两壁接触处的温度t2。解：先定性分析，哪个斜率大热流密度由得℃2.3圆筒壁导热分析：①取控制体②作热量衡算定态：Q入=Q出即：Q=qA=q’A’一维传热：写成通式：其中：2.4球壳导热通式2.5多层壁传热含义：条件：无接触热阻接触热阻：因接触界面不可能理想光滑而造成的额外热阻影响因素：界面粗糙度，压紧力，空隙中的气压计算上有困难，数据少，但概念很重要多层圆筒壁导热思考题：温度分布？例2在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料

λ1<λ2,应将哪层包在里面？解：,

两种情况传热量不同，比较Q1与Q2，取小的。比较分母∵λ1<λ2,∴∵∴∵所以Q1<Q2,λ小的材料应包在里面3对流给热研究范围：3.1过程分析热流体向冷壁面传热对小方块作热量衡算热量衡算静止流体,水平方向无载热流动流体,水平方向有载热对流的物理本质—流动流体的载热由可知温度分布，由可得

qW流动>qW静止3.2两种对流形式自然对流与强制对流

1.自然对流:流体温度差,引起密度差,导致宏观流动加热面t↑,ρ↓热流体上升

Δp=ΔρgL,Δρ=ρβΔt,

β膨胀系数

,u∝自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置2．强制对流在外力或Δp作用下引起流动3.3对流给热过程的数学描述1．牛顿冷却定律其中：TW:壁温；T:流体主体温度；

α：给热系数W/m2℃工程处理方法—分离变量法①便于分解组合传热系数K②将总过程(K的确定)

分解成几个子过程例如：确定K的过程中,冷热流体各有10种情况,K有100种③为强化传热提供依据强化传热应从哪一侧着手存在问题:①α中仍有ΔT影响②α仍要实验解决2．α的影响因素①物性：ρ,μ,Cp,λ②设备因素(定性尺寸)：l③流动因素：强制对流：u

自然对流：βgΔt

α=f(ρ,μ,λ,l,u,βgΔt,Cp)基本量纲4个(M,L,T,θ)，变量8个，无量纲准数=8-4=4，即

Nu=f(Re,Pr,Gr)强制对流Nu=f(Re,Pr);自然对流Nu=f(Gr,Pr)物理意义：

—表征与纯导热相比,对流给热系数增大的倍数

Gr—由u∝得表征自然对流的流动状况

Pr—反映物性对给热过程的影响3.定性温度两种：①膜温较本质，但使用不便②主体平均温度使用方便4.定性尺寸管内强制流动d管外自然对流水平放d

垂直放L如何实验测定αdQ=qdA=α(tW-t)πddL=qmCpdt积分得Q=αΔtmπdL=qmCp(t2-t1)测量tW1,tW2,t1,t2,qm可求得α3.4无相变对流α经验关联式1.圆形直管内强制湍流αNu=0.023Re0.8Prbb=0.4流体被加热,b=0.3流体被冷却或1)经验关联式应用时要注意：①适用范围:Re>104,0.7<Pr<160,μ<2μ水，

L/d>30~40②定性温度：主体平均温度或③特性尺寸:管径d影响因素分析：

α∝∝而hf∝∝

空气Pr=0.7b↑Prb↓

水Pr=7b↑Prb↑2)应用范围的拓宽a.高粘度修正工程处理加热,冷却b．2000<Re<104过渡区

α过=fα湍校正系数

α过<α湍c．弯管

,R:弯管的曲率半径c．非圆形管

2．大容积自然对流α

Nu=A(GrPr)b应用注意：①定性温度：膜温②定性尺寸：垂直方向③A,b值又与(GrPr)有关。自动模化区—α与L大小无关讨论题：①春天的温度分布曲线？②加一保温层后的温度分布？讨论题：①春天的温度分布曲线？②加一保温层后的温度分布？例1用饱和水蒸气加热空气,内壁温度tW=140℃,内管内径60mm,流量qm=0.129kg/s。求：①传热面积A;②若空气流量加倍,t2仍为原要求,则A’=?解：①在100℃下,查得

μ=0.022mPas,Cp=1.01kJ/kg℃,λ=0.0321W/m℃

与0.7相差不多

=122W/m2℃

Δt1=60℃,Δt2=20℃,Δtm=36.4℃②当q’m=2qmA’=1.35m24.1沸腾给热1.大容积饱和沸腾过程特点：汽液两相共存有利：气泡搅动液体，液体冲刷表面不利：有可能气泡连成气膜,将液体与加热面隔开2.沸腾条件①过热度(t-tS)—气泡存在之必须作力平衡分析

σ2πr=(pV-pl)πr2pV与pl的大小关系与界面曲率有关

pV>pl

pV=pl

pV<pl因pl=f(ts),pV=f(t)单调上升,气泡存在pV>pl,t>ts液体温度要大于液体压强下的饱和温度Δp引起多少Δt，克莱普龙方程可算②汽化核心—气泡生成之必须同一粗糙表面,过热度越大,汽化核心数越多沸石作用：提供汽化核心，防止暴沸2．沸腾曲线3．安全问题恒q设备，qcr特别重要如电加热炉，喷油量一定的锅炉4．沸腾过程的强化表面粗糙化，加入添加剂4.2冷凝给热1.膜状冷凝与滴状冷凝α滴状约为α膜状的10倍工业上滴状不能持久，安全起见，按α膜状计2.垂直壁液膜层流的平均α冷凝

WM:单位宽度冷凝量热衡算Q=WMBr=αLB(tS-tW)力平衡取,即实验测定：C’,3.水平圆管外液膜层流的α冷凝：影响因素分析：①物性是蒸汽的还是凝液的②Δt对α有什么影响？r,μ,L的影响？应用注意：①Re<2000,Re的确定

,,垂直平壁Π=B,垂直圆管外Π=πd0水平圆管外Π=管长L②L指从0开始的高度α1,α可以套用公式计算而α2不能直接套用由衡算αAΔt=α1A1Δt+α2A2Δt得③定性温度：④特性尺寸：垂直管外L

水平管外d0

水平管束外为nd0讨论：①为什么蒸汽流速不计

Q=qm1r=qm2Cp2(t2-t1)通常r>>CpΔt,qm1<<qm2蒸汽入口安排在上部,是有利的②为什么不凝性气体要排除膜附近pV降低,

有惰性气体层,

蒸汽扩散通过,

热阻变大③过热蒸汽怎么计算如pV=101.3kPa,TV=120℃(TS=100℃)当TW>TS无相变对流当TW<TS冷凝,

如TW=90℃,膜温差仍为Δt=TS-TWr用r+Cp汽(TV-TS)代④管外冷凝,管子水平放还是垂直放好：当L/d>5.9时,α水平>α垂直管排斜放更好避免通常α的大小顺序：

W/m2℃α气,自然对流5~10α气,强制对流10~100α液,自然对流50~1000α液,强制对流500~104

α蒸汽冷凝103~3×104

α液体沸腾103~6×104例1若传热温差推动力增加一倍，试求下列条件下传热速率是原来的多少倍？①圆管内强制湍流；②大容积自然对流；③大容积饱和核状沸腾；④蒸汽膜状冷凝(层流)解：①

α与Δt无关，②α∝

，③α∝Δt2.5，④α∝

，5热辐射过程特点：①T>0K的物体都辐射，温度越高越重要②无须传递介质工业背景：①热电偶测温误差TW<Tg时,有测温误差Tg对流→T,T辐射→TW,T<Tg采取什么措施？②管道热损失管道外除了对流热损失还有热辐射损失,怎么计？5.1物体辐射能力和吸收能力

Q入=Q反+Q吸+Q透

1=r+a+d

反射率吸收率穿透率工业所遇温度范围内，热辐射波长在0.38~1000μm,大部分能量在0.76~20μm固体、液体d=0,r+a=1气体r=0，a+d=1黑体—吸收率a=1的物体,

是一种理想化物体空腔近似于黑体黑体,白体,透体黑、白之分不据于颜色雪霜a=0.985近似黑体黑光金属r=0.97近似白体玻璃对可见光是透体，而对红外线近似于黑体1.黑体的辐射能力斯蒂芬-波尔兹曼定律

C0=5.67W/m2K4即Eb∝(绝对温度)4，称四次方定律表明辐射传热对温度十分敏感2.实际物体辐射能力黑度ε影响因素：表面温度，物体种类，表面状况3.灰体实际物体：吸收率a与波长λ有关灰体—吸收率与波长无关的理想物体,a(λ)=常数实际物体视作灰体：需要:a与λ无关,便于数学处理可能:工业上大多λ=0.76~20μm

工程材料在此区a变化不大当Ta=Tb时,无净传热

E=εEb(1-a)Eb+E=Eb克希荷夫定律a=ε结论：同温度下，灰体的吸收率等于黑度。善辐射者善吸收。注意：太阳辐射、气体辐射不成立5.2两黑体间辐射1.角系数黑体1发射给黑体2占总发射量的分率由兰贝特定律纯几何因素,与表面性质无关。实际是一种覆盖率同样结论：2．两黑体净热交换5.3两灰体间辐射使用有效辐射概念将灰体理解为对投入辐射全部吸收而辐射能力等于有效辐射的“黑体”

当系统只由两灰体组成时得或系统黑度实用：①两大近距离平板：相互全遮盖了②小物体1被大物体2包围而则简化为例1在两大近距离平板中间加一块遮热板，表面黑度均相同，则辐射传热为原来的多少？解：

例2热电偶测温稳定时误差如何减小误差,可采取的措施：①α↑,②ε1↓,③TW↑

④加罩子5.4辐射的主要影响因素1.绝对温度四次方同样温差2.几何位置3.表面黑度镀银、铝等4.辐射表面的介质思考：1。是否颜色越黑，黑度就越大；2。为什么冬天一般穿深色衣服，夏天穿淡色衣服6传热过程计算定态条件下，Q热,放=Q冷,吸+Q损失Q损失不计时，qm1Cp1(T1-T2)=qm2Cp2(t2-t1)过程特征方程假定条件：①定态,Q损失不计②qm1Cp1,qm2Cp2,K沿传热面不变③冷、热流体无相变化④轴向导热可忽略6.1传热速率和传热系数注意：推动力、系数、面积的配套以内壁面为基准以外壁面为基准(较常用)只有平壁才有K1=K2注意：实际考虑污垢：圆管6.2传热阻力控制问题新管子,或除垢后,R1=R2=0,λ金属大壁δ薄,如λ钢=45W/m·K,取δ=1.5mmλ/δ=3×104W/m2·K,δ/λ≈0，则：①K比α1、α2中较小的一个α还小②当α1>>α2，则K≈α2

强化传热须从α小的一侧入手③壁温计算：∵δ/λ≈0，∴TW=tW结论：壁温总是接近α值大的一边流体温度例1α值对K的影响无污垢时,

α1α2KK/K原

2050019.2α1加倍4050037.01.93α2加倍20100019.61.02例2壶底温度为什么空壶时要烧坏？

T=1000℃,t=100℃tW(TW=tW)靠近哪个温度(T、t)问题：为什么会滴水？1。露点3。传热阻力控制步骤2。壁温锅炉

锅炉中的热能利用的技术问题：

1。低温腐蚀(酸露点)

解决办法：

1。水热媒技术例3用蒸汽加热冷物料,物料进口温度为20℃,出口温度为50℃,蒸汽温度为140℃,物料一侧给热系数=1000W/m2℃,蒸汽一侧=104W/m2℃。求：平均壁温(金属壁热阻可忽略)。解法1：物料进口处壁温tW1,出口处壁温tW2,由得tW1=129.1℃,由得tW2=131.8℃,平均壁温tW=130.5℃解法2：物料平均温度为℃由，得tW=130.5℃6.3传热过程基本方程式对微元体作衡算结合过程特征方程积分：dA从0→A，d(T-t)从T2-t1→T1-t2逆流总热量衡算：传热基本方程式6.4T,t的沿程变化规律和操作线①冷热流体均有相变化②一侧有相变,一侧无相变t~A曲线弯向的判别温差大斜率大③两侧均无相变化操作线—表示同一截面T与t关系换热器段热量衡算的结果操作线是直线,斜率并流时,6.5保温层的临界半径问题：保温层是否无论λ大小都是增加热阻的？平壁：δ越厚,热阻越大圆管壁外：δ↑,d3↑,↑,↓可能出现Rmin

得λ小的材料包上去总是增加热阻的λ大的材料包上去可能会减小热阻,增加热损失圆球壁外呢？有类似的问题dcr=?例1某套管换热器用水冷却油，水流量qm2=4000kg/h，进口温度t1=25℃，出口温度t2=40℃，油进口温度T1=110℃，出口温度T2=75℃，逆流操作，传热面积A=5m2。求：传热系数K解：

Δt1=T1-t2=110-40=70℃Δt2=T2-t1=75-25=50℃℃强化传热的途径①加大面积A②提高流速,增强湍动,提高α③提高温差推动力Δtm例2热水空冷

α2A2↑,KA↑关于Δtm思考：①Δt1=Δt2时,Δtm=？②当Δt1为有限值，Δt2→0时，Δtm→？③T1,T2,t1,t2一定时,是按并流方式操作的Δtm大还是逆流的Δtm大？当Δt1+Δt2=C时,两者越接近,平均值越大④Δtm受小的一端温差影响大些例6Δtm值的比较

Δt1Δt2ΔtmΔtm-Δtm原

55019.5Δt1加165020.81.3Δt2加155119.80.36.6换热器的计算热量衡算式传热基本方程式变量：Q,qm1,qm2,K,A,T1,T2,t1,t29个变量,3个等式,以热物料冷却为例设计型计算：已知：qm1,T1,T2,t1,选t2,K

求：qm2,Q,A操作型计算：①已知：A,qm1,qm2,T1,t1,K

求：T2,t2,②已知：A,qm1,T1,T2,t1,K

求：qm2,t2,(试差)极限问题讨论：逆流时,A→∞,一定,T2=?,t2=?T2=t1?,t2=T1?qmCp为有限值,Q为有限值

Q=KAΔtm,只能Δtm→0当,t2max=T1当,T2min=t1当时呢？并流时,A→∞,一定,T2=?,t2=?Q=KAΔtm,只能Δtm→0T2=t2换热器设计计算复杂流动时的Δtm,如：单壳程,双管程工程上处理

Δtm=ψΔtm逆

ψ修正系数设计时ψ<0.8,可认为流型不合适230页设计计算中的选择

----依据：技术上可行,经济上优化1.评价换热器好坏的主要指标：Δp,K2.冷却水出口温度选择：

t2选大了,易结垢,Δtm小,A↑,设备费用大；

t2选小了,qm2用量大,操作费用大。经济上权衡定t2。一般Δtm≮10℃。3.t1的确定,如用水,冬天t1低,夏天t1高,取哪个？4.选流向：逆流：Δtm大,qm2用量小,温度范围宽；并流：壁温较均匀,出口温度t2不会过高,适合于热敏性物料、高粘性液体5.选流速：K和Δp的权衡.

例：单管程改双管程,

管程、壳程都尽量达到湍流6.选结构：固定管板式—温差较小时用;温差<50℃温差大时考虑热胀冷缩:膨胀节,浮头式,U形管式7.选通道：易结垢的、腐蚀性的、高压的流体走管程；蒸汽冷凝走壳程，流量小粘度大的走壳程管壳式换热器通常,换热器已有标准设计,定型产品成本低,只要适当选型即可管壳式换热器选型：已知：T1,T2,qm1,t1及介质热负荷：Q=qm1Cp1(T1-T2)

选t2,求按流体种类由K值大致范围(231页)选K估选型号,算Re>2000K计算，ΔP计算是否ΔP计算<ΔP允许是否结束化工原理(上册)课程设计课题：管壳式换热器选型工艺要求：热流体：有机物T1,T2

处理量qm1

冷流体：水,t1流程要求：设计要求：1.选用一台合适的换热器2.合理安排管路(阀门、弯头等)3.选用一台合适的离心泵(用于输送冷却水)设计报告所含内容：1．设计任务书2．初选换热器的尺寸规格①选t2(参见215页)②查冷、热流体物性(附录)③选流动方式(逆、并、复杂流)④初估K值(参见231页)⑤计算热负荷Q,Δtm逆,ψ,Δtm,A估⑥按换热器标准初选型号(参见298页)

查定管径、长度、排列等参数,列成表格⑦确定管、壳程通道(参见225页)3．计算管程的压降和给热系数①根据管程流通面积算流速,并对照表6-9,10(可调节管程数),计Re②计管程压降(式6-151,152)③算管程给热系数(式6-41)4．计算壳程压降和给热系数①根据壳程流通面积算流速,并对照表6-9,10(可调节折流板间距)壳程②计算壳程压降(式6-154,155,156)③算壳程给热系数(式6-146)5．核算传热系数、传热面积①选择适当的垢层热阻R(见210页)②计算K计值③算④换热器实际面积⑤校核6.管路安排管、阀件的确定,He泵,qV泵7.合适离心泵的选定8.设计参数一览表重要的数据，设备型号换热器设计参考：陈英南、刘玉兰编《常用化工单元设备的设计》华东理工大学出版社2005年统一报告本，12月23日交6.7换热器操作型问题设计时，主要变动A

操作时，主要变动K,Δtm1.操作调节可调节t1,qm2Cp2①qm2↑,t2

,T2

,K

,Q