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文檔簡介
第四章傳熱第一節(jié)概述一.傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作,進(jìn)行傳熱操作的目的主要是:1.加熱或冷卻,使物料達(dá)到指定的溫度;2.換熱,以回收利用熱量;3.保溫,以減少熱損失。二.傳熱的基本方式根據(jù)傳熱的機(jī)理區(qū)分,傳熱的基本方式有:熱傳導(dǎo):通過物質(zhì)的分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的過程。對流:在流體中,冷、熱不同部位的流體質(zhì)點(diǎn)作宏觀移動(dòng)和混合,將熱量從高溫處傳遞到低溫處的過程。熱輻射:物質(zhì)因本身的溫度而激發(fā)產(chǎn)生電磁波,向空間傳播來進(jìn)行熱量傳遞的過程。三.間壁傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中,冷、熱兩種流體的熱交換,多數(shù)情況下不允許兩種流體直接接觸;要求用固體壁隔開,即采用間壁傳熱。最常見的一種間壁傳熱設(shè)備是套管式的熱交換器。四.工藝過程的熱負(fù)荷計(jì)算無相變時(shí)的熱負(fù)荷計(jì)算如果工藝要求將質(zhì)量流率為qm1(Kg/S)
、
比熱為
Cp1(J/Kg.K)
的熱流體由溫度T1
冷卻至T2;則在單位時(shí)間內(nèi)熱流體所釋放出的熱量(放熱速率)Q1
為:
Q1=Cp1qm1(T1–T2)
單位是:W(J/S)。
熱流體所釋放的熱量必須被冷流體所帶走。若冷流體在單位時(shí)間內(nèi)的吸熱量(吸熱速率)為Q2:Q2=Cp2qm2(t2–t1)
單位是:W(J/S)。
冷、熱流體的熱量交換必須通過熱交換器來實(shí)施。若使用的熱交換器傳熱速率為:Q=KmAm
Dtm
。
則:
Q1=Q2=Q
才能滿足工藝要求。2.有相變的熱負(fù)荷計(jì)算如果熱流體是溫度為T的蒸汽,現(xiàn)要將其冷凝為溫度為T的液體;則熱流體在單位時(shí)間內(nèi)所釋放的熱量Q:Q=gqm
式中:g—熱流體在溫度為T時(shí)的汽化潛熱,KJ/Kg;qm—熱流體的質(zhì)量流量,Kg/S。五.熱量傳遞的極限熱量傳遞的極限是冷、熱流體的溫度相等。如果一個(gè)逆流操作的熱交換器,具有無窮大的換熱面積,則有:T1=t2或T2=t1
第二節(jié)熱傳導(dǎo)一.傅立葉定律單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。即:其中比例系數(shù)l,稱為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/m.K。公式中的負(fù)號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。二.導(dǎo)熱系數(shù)各類固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量極為:金屬10~100W/m.K建筑材料0.1~10W/m.K絕熱材料0.1~0.01W/m.K金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大,液體其次,氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。對于固體材料,其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度t而變,近似為直線關(guān)系:
l=l0(1+at)其中:a—溫度系數(shù)。對于大多數(shù)金屬材料a為負(fù)值;對于大多數(shù)非金屬材料a為正值。三.平板壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)若熱傳導(dǎo)僅在x方向進(jìn)行傳遞,平板壁的傳熱面積為A。
則平板壁的熱傳導(dǎo)速率為:四.多層平板壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定各板之間緊密接觸。則多層平板壁的熱傳導(dǎo)速率:式中:A—平板的傳熱面積,m2;
l1、l2、l3
—分別為板1、板2、板3的導(dǎo)熱系數(shù),W/m.K。五.圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率為:式中:當(dāng)A2/A1
<2時(shí),Am=(A2+A1)/2。其中:A1=2pr1L;A2=2pr2L;b=r2–r1六.多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定各層圓筒間緊密接觸。則多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率為:例1.一根F50×2.5mm的管子(l=49W/m.K),包以50mm厚的軟木(l=0.046W/m.K),再用50mm的石棉層(l=0.151W/m.K)保溫。測得管內(nèi)壁溫度為373K,外壁溫度為273K。求每米管道每小時(shí)的熱損失。若先包石棉后包軟木,則熱損失為多少?例2.導(dǎo)熱系數(shù)的簡易測定將需要測定導(dǎo)熱系數(shù)的材料裝入如圖所示的同心套管的間隙內(nèi),并在管內(nèi)加電熱絲。當(dāng)電熱功率為1KW時(shí),測得內(nèi)管的內(nèi)壁溫度為9000C,外管的外壁溫度為1000C,金屬管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為50W/m.K。試求:該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。已知:L=1m;r1=10mm;r2=13mm;r3=23mm;r4=27mm。第三節(jié)對流傳熱一.對流傳熱的基本概念無相變的對流傳熱自然對流(流體依賴密度差流動(dòng))強(qiáng)制對流(用機(jī)械能使微團(tuán)混合)有相變的對流傳熱蒸汽冷凝傳熱、液體沸騰傳熱。二.牛頓冷卻定律對于流體的對流傳熱過程,其傳熱速率可用牛頓冷卻公式來描述;即:式中:Q—傳熱速率,W;A—傳熱面積,m2;
Dt—對流傳熱溫度差,0C;
a—對流傳熱系數(shù)(或稱膜系數(shù)),W/m2.0C。對于熱流體Dt=T–TW;對于冷流體Dt=tW–t。其中:T—熱流體的主體溫度;TW—間壁近熱流體一側(cè)的溫度;t—冷流體的主體溫度;tW—間壁近冷流體一側(cè)的溫度。三.影響對流傳熱系數(shù)的主要因素流體的物理性質(zhì):Cp、r、m、l
流體的運(yùn)動(dòng)狀況:u
流體的對流狀況:自然對流(升力bgDt)、強(qiáng)制對流設(shè)備尺寸:l影響對流傳熱系數(shù)的各種因素,如果用函數(shù)表示,則為:四.對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式根據(jù)p定理,可得到對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式:式中:Nu=al/l稱為努塞爾數(shù)Re=lur/m稱為雷諾數(shù)Pr=Cpm/l稱為普朗特?cái)?shù)Gr=bgDtl3
r2/m2稱為格拉斯霍夫數(shù)K、a、b、c是需要通過實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。五.對流傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在不同的傳熱過程中,有不同的對流傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。例如:流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對流時(shí),實(shí)驗(yàn)得到其對流傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:
Nu=0.023Re0.8Prn使用條件:Re>104,0.7<Pr<160當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4;當(dāng)流體被冷卻時(shí)n=0.3。設(shè)備尺寸為管內(nèi)徑;定性溫度為流體主體
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