化工原理 傳熱 完整ppt課件

精選,1,傳熱,精選,2,第一節(jié)概述,一、傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用,加熱或冷卻換熱/能量回用保溫,強(qiáng)化傳熱過程削弱傳熱過程,精選,3,能量回收：節(jié)能減排、資源回用！同時，是化工廠提高經(jīng)濟(jì)效益的一個重要措施！余熱資源被認(rèn)為是繼煤、石油、天然氣和水力之后的又一常規(guī)能源。,例如：鋼鐵行業(yè)煙氣余熱回收對比,余熱沒有回收,熱交換器進(jìn)行余熱回收,精選,4,二、傳熱的三種基本方式,1、熱傳導(dǎo)熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移,氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果固體導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運動非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的液體機(jī)理復(fù)雜,精選,5,2、對流流體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。,3、熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。,自然對流強(qiáng)制對流,能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介EaT4,三種傳熱方式一般不單獨存在，往往相互伴隨，同時出現(xiàn)。,精選,6,精選,7,三、兩流體通過間壁換熱與傳熱速率方程式,1、間壁式換熱器,外傳熱面積：,內(nèi)傳熱面積：,平均傳熱面積：,精選,8,精選,9,2、熱載體及其選擇,加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等用電加熱,直接熱源,間接熱源,加熱劑,煙道氣,電加熱,溫度高、經(jīng)濟(jì)、溫度不易控制、加熱不均勻、帶有明火及灰塵,溫度高、加熱均勻、易控制、清潔衛(wèi)生、成本高,高溫載熱體,熔鹽混合物,水蒸汽,最廣的熱源、加熱均勻、溫度高時壓力過大、不安全,精選,10,冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等,空氣、水,鹽水溶液,常用冷卻劑,冷卻溫度5oC,NaCl、CaCl2等；冷卻溫度0-45oC,有機(jī)物,乙醇、乙二醇、丙醇等；冷卻溫度要求更低,精選,11,3、傳熱速率與熱流密度,傳熱速率Q：熱流量，單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W熱流密度q：熱通量，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2,式中，A總傳熱面積，m2。,4、穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,非穩(wěn)態(tài)傳熱,穩(wěn)態(tài)傳熱,精選,12,5、兩流體通過間壁的傳熱過程,間壁,穩(wěn)態(tài)傳熱：,流體與壁面之間的熱量傳遞以對流方式為主，并伴有流體分子熱運動引起的熱傳導(dǎo)，通常把這一傳熱過程稱為對流傳熱。,精選,13,精選,14,6、傳熱速率方程式,傳熱過程的推動力是兩流體的溫度差，因沿傳熱管長度不同位置的溫度差不同，通常在傳熱計算時使用平均溫度差，以表示。經(jīng)驗指出，在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，傳熱速率Q與傳熱面積A和兩流體的溫度差成正比。即得傳熱速率方程式為：,式中K總傳熱系數(shù)，W/(m2)或W/(m2K)；Q傳熱速率，W或J/s；A總傳熱面積，m2；tm兩流體的平均溫差，或K。,精選,15,第二節(jié)熱傳導(dǎo),1、有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念,式中t某點的溫度，；x,y,z某點的坐標(biāo)；時間。,溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。,(1)溫度場和等溫面,精選,16,不穩(wěn)定溫度場,穩(wěn)定溫度場,等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。,等溫面互不相交等溫面上沒有熱量傳遞,精選,17,(2)溫度梯度,溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo),精選,18,2、傅立葉定律,式中Q熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；A導(dǎo)熱面積，垂直于熱流方向的截面積，m2；dt/dx為沿x方向的溫度梯度，/m或K/m；熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，W/(m)或W/(mK)。,精選,19,3、熱導(dǎo)率,(2)是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn),(1)為單位溫度梯度下的熱通量大小(物理意義)物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好,=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）,(3)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),金屬固體非金屬固體液體氣體,在熱傳導(dǎo)過程中，因物質(zhì)各處溫度不同，也就不同，所以在計算時應(yīng)取最高溫度t1下的1與最低溫度t2下的2的算術(shù)平均值，或由平均溫度t=(t1+t2)/2求出值。,精選,20,1、固體熱導(dǎo)率,金屬材料10102W/(mK)建筑材料10-110W/(mK)絕熱材料10-210-1W/(mK),在一定溫度范圍內(nèi)：,對大多數(shù)金屬材料a0，t,精選,21,2、液體熱導(dǎo)率,0.090.6W/(mK),金屬液體較高，非金屬液體低；非金屬液體水的最大；水和甘油：t，其它液體：t，,3、氣體熱導(dǎo)率,t，一般情況下，隨p的變化可忽略；氣體不利于導(dǎo)熱，有利于保溫或隔熱。,0.0060.4W/(mK),精選,22,4、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),(1)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),假設(shè)：材料均勻，為常數(shù)；一維溫度場，t沿x變化；A/b很大，忽略端損失。,邊界條件：x=0時，t=t1;x=b時，t=t2,精選,23,由假設(shè)可知：為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，根據(jù)傅里葉定律,分離變量后積分,得導(dǎo)熱速率方程式,或,精選,24,例:平壁A=20m2，b=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC，材料導(dǎo)熱系數(shù)=0.815+0.00076t(t:oC，:W/(moC)。試求平壁Q和q。,解:,精選,25,(2)多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),假設(shè)：(1)A/b很大，忽略端效應(yīng)；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。(4)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。,精選,26,推廣至n層：,各層的溫差：,精選,27,例：燃燒爐最內(nèi)層耐火磚b1=150mm,中間層絕熱磚b2=290mm,最外層普通磚b3=228mm。已知t1=1016oC,t4=34oC，求t2和t3。設(shè)各層接觸良好。,1=1.05W/(moC),2=0.15W/(moC),3=0.81W/(moC),解:,精選,28,熱阻大的絕熱層(保溫層)，分配于該層的溫差亦大，即溫度差與熱阻成正比。,精選,29,5、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),特點：傳熱面積隨半徑變化A=2rl(2)一維溫度場，t沿r變化。,(1)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),精選,30,傅立葉定律,邊界條件,得：,設(shè)不隨t而變,精選,31,注：在穩(wěn)態(tài)下通過圓筒壁的導(dǎo)熱速率Q與坐標(biāo)r無關(guān)，但熱流密度q,卻隨坐標(biāo)r變化，因此，工程上為了計算方便，按單位圓筒壁長度計算導(dǎo)熱速率，記為ql,精選,32,與單層平壁類似形式的計算式：,對數(shù)平均值：,算術(shù)平均值：,幾何平均值：,精選,33,例：有外徑為426mm的水蒸氣管路，管外覆蓋一層厚為400mm的保溫層。保溫層材料的熱導(dǎo)率=0.5+0.0009tW/(mK)。水蒸氣管路外表面溫度為150oC,保溫層外表面溫度為40oC。試計算該管路每米長的散熱量。,解:,精選,34,(2)多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),精選,35,例：在一的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱率為=0.07W/(moC)，外層為20mm的石棉層，平均導(dǎo)熱率為=0.15W/(moC)。測得管內(nèi)壁溫度為500oC,最外層表面溫度為80oC，管壁的熱導(dǎo)率=45W/(moC)。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。,解:(1)每米管廠的熱損失,此處，r1=0.03-0.0035=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m,精選,36,(2)保溫層界面溫度t3,精選,37,第三節(jié)對流傳熱,1、對流傳熱過程與對流傳熱系數(shù),各層傳熱方式,湍流主體溫度梯度小，熱對流為主,層流內(nèi)層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主,過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)、熱對流均起作用,精選,38,精選,39,式中Q對流傳熱速率，W；1、2熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2K)；T、TW、t、tW熱、冷流體的平均溫度及平均壁溫，。,冷流體：,熱流體：,牛頓冷卻定律,精選,40,2、影響對流傳熱系數(shù)的因素,(1)流動狀態(tài)湍流層流,(2)引起流動的原因自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強(qiáng)制對流：由于外力和壓差而引起的流動。,強(qiáng)制自然,精選,41,自然對流的產(chǎn)生：,設(shè)熱處：t2，2；冷處：t1，1,體積膨脹系數(shù)，1/C。,或,而,得：,或,由溫度差而產(chǎn)生的單位體積的浮升力：,精選,42,(3)流體的物性，cp，,(5)是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變無相變,(4)傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。,精選,43,3、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式,固體表面與不發(fā)生相變化的流體間的對流傳熱過程，影響此過程的因素有：液體的物理性質(zhì)：，cp固體表面的特征尺寸：l強(qiáng)制對流的流速：u自然對流的特征速度：,在對流傳熱中，獲得傳熱系數(shù)的最常用的方法是用因次分析將影響對流傳熱的因素?zé)o因次化，通過實驗決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系。,精選,44,變量總數(shù)：8個基本因次4個：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度根據(jù)定律，無量綱特征數(shù)（8-4）=4,無相變時,定律,對于u個基本單位給出的q個物理量，它們之間的關(guān)系可以通過qu個無量綱單位組合數(shù)組成一個函數(shù)式來進(jìn)行表達(dá)。,精選,45,Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱的影響,Grashof，自然對流對對流傳熱的影響,精選,46,一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)簡化：強(qiáng)制對流Nu=f(Re,Pr),使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時注意：,定性溫度的取法：,2特性尺寸取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱，如為圓管，特征尺寸取管徑d；如非圓形管，通常取當(dāng)量直徑dede=4(流動截面)/潤濕周邊,3準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。,1確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。,精選,47,精選,48,4.無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,(1)流體在管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱圓形直管強(qiáng)制湍流時的對流傳熱系數(shù),適用范圍：Re104，0.760,精選,49,特征尺寸為管內(nèi)徑di流體被加熱時，n0.4；被冷卻時，n0.3。,注意事項：定性溫度取,強(qiáng)化措施：u,u0.8d,1/d0.2流體物性的影響，選大的流體,精選,50,以下是對上面的公式進(jìn)行修正：高粘度,Re10000，0.760定性溫度取tm；特征尺寸為di,精選,51,l/d60,過渡流（200010m/s）同向時，t，；反向時，t，；u，(4)蒸汽過熱r=r+cp(tv-ts)影響較小,精選,59,(5)強(qiáng)化措施：目的：減少冷凝液膜的厚度水平管束：減少垂直方向上管數(shù)，采用錯列；垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。,精選,60,液體沸騰時的對流傳熱,沸騰,管內(nèi)沸騰大容器內(nèi)沸騰,沸騰必要條件：過熱度t=（tts）0存在汽化核心,1、大容器飽和沸騰現(xiàn)象,推動力（twts）沸騰三個階段：自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰,精選,61,液體輕微過熱自然對流無氣泡很小,AB段自然對流,局部產(chǎn)生氣泡氣泡上升液體擾動,BC段核狀沸騰,氣泡增多氣泡產(chǎn)生速度脫離表面的速度不穩(wěn)定的氣膜,CD段膜狀沸騰C點：臨界點,工業(yè)上采用核狀沸騰：大，tW小,精選,62,精選,63,2.影響因素及強(qiáng)化措施（1）液體的性質(zhì),（2）溫度差核狀沸騰階段:t2.5，t（3）操作壓力,（4）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大,（5）強(qiáng)化措施表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒；加表面活性劑（乙醇、丙酮等）,精選,64,第四節(jié)兩流體間傳熱過程的計算,總傳熱速率方程,式中Q傳熱速率，W；tm兩流體的平均溫度差，；A傳熱面積，m2；K總傳熱系數(shù)，W/(m2)。,精選,65,1、熱量衡算熱負(fù)荷Q：單位時間冷、熱流體間交換的熱量。,無熱損失：,精選,66,無相變時,熱量衡算：比熱法和熱焓法,式中Q熱冷流體放出或吸收的熱量，J/s；qm1,qm2熱冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；cp1,cp2熱冷流體的比熱容，J/(kg.)；h1,h2冷流體的進(jìn)出口焓，J/kg；H1,H2熱流體的進(jìn)出口焓，J/kg。,比熱法,熱焓法,精選,67,相變時,熱量衡算：,式中r熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；TS熱流體的飽和溫度，。,傳熱計算的出發(fā)點和核心：,相變熱/潛熱,顯熱變化,精選,68,2、傳熱平均溫度差(tm)的計算,(1)恒溫傳熱,(2)變溫傳熱,tm與流體流向有關(guān),逆流,并流,錯流,折流,精選,69,逆流與并流,逆流,并流,精選,70,以冷、熱流體均無相變、逆流流動為例推導(dǎo)tm：,假設(shè)：（1）穩(wěn)態(tài)流動，qm1、qm2為常數(shù)；（2）cp1、cp2為常數(shù)；（3）K沿管長不變化；（4）熱損失忽略不計。,對于微元：,精選,71,精選,72,對數(shù)平均溫度差,精選,73,討論：,(2),同一端處冷熱流體的溫度差,(1)并流：,亦適用,(3)若,(4)也適用于間壁一側(cè)恒溫，一側(cè)變溫的情況,精選,74,逆流：,并流：,精選,75,折流與錯流的平均溫度差,精選,76,流向的選擇：逆流與并流的比較,(1)所需傳熱面積,逆流優(yōu)于并流。,精選,77,(2)載熱體消耗量,加熱任務(wù)：t1t2,(T2并)min=t2,(T2逆)min=t1,逆流優(yōu)于并流。,精選,78,(3)溫度差分布,逆流時的溫度差分布更均勻。,(4)并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱，或生產(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場合。,精選,79,3、總傳熱K的計算,冷流體,熱流體,間壁,Q,熱流體一側(cè)的對流傳熱速率,間壁的熱導(dǎo)速率,冷流體一側(cè)的對流傳熱速率,精選,80,穩(wěn)態(tài)傳熱,精選,81,(1)若傳熱面為平壁,討論：,dA=dA1=dA2=dAm,(2)若傳熱面為圓筒壁，管內(nèi)徑為d1，外徑為d2,以圓筒內(nèi)表面為基準(zhǔn)：,精選,82,以圓筒外表面為基準(zhǔn)：,以間壁為基準(zhǔn)：,(3)工程上習(xí)慣以外表面為基準(zhǔn)，K2=K對于薄管壁：,精選,83,(4)污垢熱阻的影響：,(5)當(dāng)傳熱壁為平壁或薄的圓筒時：,(6)當(dāng)間壁熱阻很小，可忽略，且流體清潔，污垢熱阻也可忽略。,內(nèi)側(cè)為控制熱阻,外側(cè)為控制熱阻,精選,84,4、壁溫計算,金屬壁的熱阻通常可以忽略，即：,可見：傳熱面兩側(cè)溫差之比等于兩側(cè)熱阻之比，壁溫Tw必接近于熱阻較小或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)較大一側(cè)的流體溫度。,精選,85,5、傳熱計算舉例,例、在一由252.5mm鋼管構(gòu)成的廢熱鍋爐中，管內(nèi)通入高溫氣體，進(jìn)口500,出口400。管外為p=1000kN/m2壓力（絕壓）的水沸騰。已知高溫氣體對流傳熱系數(shù)a1=250W/m2，水沸騰的對流傳熱系數(shù)a2=10000W/m2，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/m。忽略污垢熱阻。試求管內(nèi)壁平均溫度Tw及管外壁平均tw。,精選,86,解：,(1)總傳熱系數(shù)K，以管子內(nèi)表面積A1為基準(zhǔn),d1=20mm,d2=25mm,dm=22.5mm,b=2.5mm,(2)平均溫度差tm的計算,p=1MPa時，水的飽和溫度為t=180oC,T1=500oC,T2=400oCt1=T1-t=500-180=320oC,t2=T2-t=400-180=220oC,(3)計算單位面積傳熱量,精選,87,(4)管壁溫度,熱流體的平均溫度T=(500+400)/2=450oC,管內(nèi)壁溫度,管外壁溫度,精選,88,第六節(jié)換熱器,1、換熱器的分類,該類換熱器使用的最多,精選,89,精選,90,精選,91,2、間壁式換熱器,(1)夾套式換熱器,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：A小釜內(nèi)小強(qiáng)化措施：釜內(nèi)加攪拌釜內(nèi)加蛇管外循環(huán),用途:反應(yīng)過程的傳熱,結(jié)構(gòu):壁外設(shè)夾套,精選,92,精選,93,(2)沉浸式蛇管換熱器,強(qiáng)化措施：容器內(nèi)加攪拌器，提高K,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單管內(nèi)能耐高壓缺點：管外小,精選,94,(3)噴淋式蛇管換熱器,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單管內(nèi)能耐高壓管外比沉浸式大,缺點：噴淋不易均勻占地面積大,精選,95,精選,96,(4)套管式換熱器,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單能耐高壓K或tm大,缺點：結(jié)構(gòu)不緊湊A/V小接頭多，易漏,精選,97,精選,98,(5)螺旋板式換熱器,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊不易結(jié)垢,堵塞K大保持逆流,tm大,缺點：壓力,溫度不能太高難以維修,精選,99,精選,100,(6)板式換熱器,精選,101,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊操作靈活K大,缺點：耐溫、耐壓差,易漏處理量小,精選,102,精選,103,(7)板翅式換熱器,優(yōu)點：流體湍動程度高，K大；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的A較大；,缺點：易堵塞，清洗困難；構(gòu)造復(fù)雜,精選,104,(8)翅片式換熱器,增加A，增強(qiáng)管外流體的湍動來提高,精選,105,(9)熱管式換熱器,特點：,傳熱高效且穩(wěn)定；,結(jié)構(gòu)簡單；,應(yīng)用范圍廣。,精選,106,(10)列管式換熱器,管板、管束、封頭、殼體,精選,107,(10)列管式換熱器固定管板式換熱器,用途:殼方清潔,壓力不高,優(yōu)點:成本低,缺點:殼程難洗,結(jié)構(gòu):常備膨脹節(jié),限制,精選,108,(10)列管式換熱器浮頭式換熱器,用途:較廣泛,優(yōu)點:熱補(bǔ)償好,易洗易修,缺點:成本高,結(jié)構(gòu):一管板自由,精選,109,(10)列管式換熱器U形管式換熱器,用途:管方清潔,優(yōu)點:適高溫高壓,缺點:管程難洗,管板利用率低,結(jié)構(gòu):管子成U型,精選,110,精選,111,3、列管式換熱器選用計算中有關(guān)問題,管程：不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體；,殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體。,原則：傳熱效