1、第四章传热过程 1概述一 化工生产中的传热过程 传热的应用1 供给或取走反应热 相变潜热 2 回收利用余热 废热 变换气的降温 以利用热能3 隔绝热量传递 避免热量损失 保温瓶 保温蒸汽管二 要解决的问题1 进行热量衡算 确定热载体的用量2 计算完成一定生产 传热 任务所需的传热面积3 寻找强化传热途径 提高传热速率 三 传热方式分类 稳定的恒温传热 传热面上的温度不随位置变化T f x 稳定的变温传热 传热面上的温度随位置变化T f x 1据冷热流体是否接触分为 混合式 冷热流体混合 煤气洗涤塔间壁式 冷热 间壁 冷凝管蓄热式 热流体贮热 冷流体吸热 热风炉炼铁 2 在间壁式传热中 据传热面
2、上的温度分布 分为 稳定传热 T不随时间变化 对于一定的传热设备 热阻一定 当T不随时间变化 T亦不随时间而变 故传热速率不随时间变化 所以 稳定传热 传热速率不随时间变化 稳定传热非稳定传热 241 9 3 据传热机理不同 分为 四 几个基本概念 2 传热速度 Q 单位 3 比热Cp 显热 Q显 MCp t Cp 定压比热容 kJ kg K kJ mol K 4 潜热 质量和摩尔相变潜热 单位分别为 kJ kg kJ mol 1 8 式中 Hm Hn分别为 1 传热量 Q 2传导传热 热传导 导热 一 定义 传导传热 发生在固体 静止或滞流流体中 因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式
3、 二 导热方程 付立叶定律 1 导热方程 如图 若t1 t2 热量将自动的以导热方式从内壁向外壁传递 实验证明 通过该壁传递的热量与壁两侧的温差成正比 与传热面积和传热时间成正比 与传导距离成反比 即 dQ 付立叶方程 对于稳定的热传导 dt不随时间d 变化 故积分为 温度梯度 速度梯度 比较 2 导热系数 类似于粘度 意义 材料导热能力大小的标志 是A 1m2 1m t 1k时的传热速率 在相同的条件下 材料不同 其传热速率不同 故是材料本身的性质 大小 a 实验测定或查附表二 三 六 七可得 b 随温度的变化 对金属 0即t 原子振动加剧 电子运受阻非金属 0 t 分子振动加剧 传热能力增
4、加液体 0 t t 液体膨胀 分子距离加大碰撞 气体 0 t t 分子能量 碰撞 c 金属 非金属 固 液 汽 结构紧密 结构松散 541 10 单位 三 平面壁的稳定热传导 特点 2多层平面壁 如耐火砖 绝热砖 建筑砖组成三层复合壁 对各层分别应用单层导热公式有 恒大于0 R 热阻 1单层平面壁 如P105面图 一层 二层 三层 1 2 3 341 10 平面壁 A1 A2 A3 A 稳定传热 1 2 3 则有 t1 t4 t 讨论 1 得 4 5 得 2 t1 t2 R1 R2 即各层的温降与其热阻成正比 可见 传热速率式中分母是分子温度区间内的热阻之和 4 在不知A时 可求单位传热面积的
5、传热速率 传热强度qq A t 例 4 1P107热阻越大 温度降越大例 4 2P108垢层的热阻很大 应勤除垢层作业 P142 3 4 3 可求夹层间的温度 331 6 四 圆筒壁的稳定热传导如图 据付立叶定律 1多层圆简壁 对数平均半径 当r2 r1 1 2时 可用算术平均半径rm r2 r1 2代替 dr 筒 1 9 2多层圆简壁 如图 各层都相当于单层圆筒壁 仿多层平面壁推导有 传热速率式中 分母是分子温度区间内的热阻之和 541 10 341 10 例4 3P109解 注意 1 弄清r1 r2 r3 r4或d1 d2 d3 d4的数值不可混淆 2 钢铁的导热系数 50W m K 要记
6、住 3 矿渣棉的 最小 0 07W K 小于石棉泥0 15W K 4 选保温材料时 只要能耐热 小的应包在内层 5 金属管的热阻远小于绝热层的热阻 即可忽略 例4 4P109计算1米长的保温管道在一年 生产300天 内因散热引起的费用与包裹保温材料折旧引起的费用之和为最小值时的保温层厚度 经济厚度 解 散热Q 26 109元 J 费用M1 元 J 保温材料的敷装 维修及材料费 500元 5年m3 100元 年m3 费用M2 541 11 如图 D M1 但材料体积V M2 费用最少的厚度 经济厚度 D 0 1 2 为简化计算 用Dm计算Am Dm D 0 1 2 则 Am Dml l D 0
7、1 2 设热阻集中在保温层 则 W J s 则一米管年损失的热量 年损失的价值 一米管道耗保温材料体积 V 年折旧费用 总费用 复杂系数一元三次方程 用试差法求解 在 时 M有极值且为极小值 设D 0 4时 左 62 8 右 63 D 0 1 2 0 4 0 1 2 0 15m 对流传热 发生在湍流流体中因冷热流体团的相对运动而传热的方式 因为流体内部的对流传热不能稳定持续进行 对流 混合 温度相等 传热停止 要使对流传热稳定持续地进行 流体的边缘必须有供给或取走热量的壁面 而工业上常见的传热是指冷热流体通过间壁的传热 所以将流体边缘的壁面包括进来一起讨论 故将对流传热扩展为 对流给热 流体与
8、壁面之间的传热 由于壁面附近的流体为滞流 因此 对流给热包括湍流主体的对流传热和壁附近滞流层的热传导 为描述此复杂的给热过程的速率 特提出对流给热机理 模型 其要点为 3对流传热一 对流传热机理 a 湍流主体以对流方式传热 T一致 即忽略湍流主体的热阻 b 壁面附近存在传热边界层 滞流和过渡层 此层中流体以热传导方式传热 是传热过程的阻力所在 对流给热模型的实质 把复杂的对流给热过程视为通过滞流内层的热传导过程 对流给热模型将间壁传热分解为两个给热和一个导热过程 T主体 过度 滞流层 内壁 外壁 滞流 过度层 t主体对流传热传导传热传导传热传导传热对流传热 1 2 3 给热 T流体 壁 传导传
9、热 给热 壁 t流体 二 牛顿给热方程既然将对流给热视为通过滞流内层的热传导 则对 式中 T是流体以导热方式传热 传热边界层 的厚度 是虚拟的 难测定 故令 T T T 给热系数则有 式中 T tw1 tw2 t T t均应是流体流动方向上某一截面上的数值 三 给热系数 传热膜系数 1意义 流体主体与壁面间温差为 t 1K A 1m2时 单位时间内传递的热量 单位 J sm2K W m2K 数值 1 无相变时给热的 值 努塞特给热准数 雷诺流型准数 普兰德物性准数 格拉斯霍夫自然对流准数对于流体在圆管内作强制对流 Re 104 Pr 0 7 120的气体和 2 水的液体 实验知 液体被加热时m
10、 0 4 4 11 液体一冷却时m 0 3 4 12 2 有相变时的 值相变时放出大量的潜热 故 值查表 取一中间值 541 11 341 11 四 传热总速率的方程 从给热方程中消去tw1 tw2 求 1 T 注意 由于 1 2 3 所以有 五 总传热系数K 多层圆简壁一般不用 KA T t m的形式 而直接使用下式 单层 331 6 例4 7 高温流体为水蒸汽 放出冷凝潜热 T不变 釜内反应物温度不变 吸热 t 80 t不随时间和位置变化 稳定的恒温传热 釜内径d1 0 8m 外径d2 0 822m 故釜壁可视为平面壁 则有 热阻主要集中在垢层 很小 和给热系数较小的一侧 金属管壁的热阻很
11、小 在液一液热交换过程中通常忽略 流体 原油 流速很大 温度升高较小 视作恒温传热 b 据 4 总传热系数K的获得途径 实测 541 12 例4 10用160 饱和蒸气加热粘性溶液15 140 黏性溶液的黏度随温度升高而显著下降 使总传热系数K t变化 属不稳定传热 取一时间微元d 在d 内传递的热量为dQ 则对冷流体有 没有K f t 关系 只有K t数据 只能采用辛普森数据积分 自变量间隔相等 公式积分 n为积分区间所分的等分数 这里有6组数据 K t 可求得6个y值 即 分别计算出y0 y1 y2 y5代入公式求得 8 57 105 25 3 5 75 4 2 78 2 51 2 2 3
12、4 3 37 6 94 10 5 3230s 54min 六 传热温度差传热过程中温差一般是变化的 需取平均值计算 1 稳定的恒温传热温差如图的传热过程 341 12 2 稳定的变温传热温差 逆流 相向逆流 并流 同向并流 注意 同一流体终 始态的温差用 T 或 t 表示 换热器同一端高低温流体的温差用 t1或 t2表示 即 冷热流体的温差随传热面积而变化 3 平均温差公式以并流为例推导平均温差公式 因为 T t A有关 故须找 T t m tm 则需找dA d T t 关系 故取一微元面积dA 在dA内视 T t 为常数 在dA内应用传热速率方程式有 对冷热流体进行热量衡算有 可找到dA d
13、 T t 关系 积分就可得 T t m tm 即 经过dA后换热器换热 T流体放热 t流体吸热 2 3 得 设法变为 代入 6 式整理得 对数平均温差 同理逆流换热亦可推导出 当 算术平均温差 注意 计算时 先作出T A方框图 注明温度 找出 t1和 t2后再计算 tm 541 13 七 并流与逆流的比较并流传热的温差 t前大后小 逆流传热温差 t始终较大 故一般有 tm逆 tm并 1 逆流的优点 KA tm 进出口温度相同时 tm逆 tm并 故在A K一定时 逆 并 tm逆 tm并 1即 逆 并 冷热流体的出口温度互不受影响 冷流体出口温度t1可能高于热流体出口温度T2 换热彻底 在 K相同
14、时所需A小 在A相同时逆流传热的速率大 例4 11 tm逆 54 9 tm并 39 1 tm逆 tm并 54 9 39 1 1 404在 K相同时 A并 A逆 tm逆 tm并 1 404A并 A逆在A K相同时 逆 并 tm逆 tm并 1 404 逆 并据 MCp t 在传热速率相同的情况下 可减少热载体的用量 即M逆 M并即逆流传热 可使 orA orM 2 并流的优点 t2 T2 流体终点温度易控制 对于易气化 分解 反应和冷凝而必须控温的流体的换热较适合 t1 t2 适用于某些连续操作的管式反应器中进行的放热反应的热量的移出 如图 并流能正常操作 逆流不能正常操作 八 强化传热的途径和措
15、施 KA tm1 增大A 设法增大 较小一侧的A值 如气体和 小的液体走管外 采用翅片管 螺纹管作换热管 当两种流体能接触时 尽量增加其分散度 A大 如喷啉冷却时将液体雾化 2 提高 tm 尽量采用逆流换热 温差的增大受气候条件和输送费用的限制 但仍可采用凉水塔给冷却水降温 3 提高K值 K值取决于较小的 值和 很小的垢层的厚度 据 增大流速可提高 值 采用 大的流体作热载体 勤除垢层 减小热阻 为满足强化传热的措施 就给传热提出了一系列操作条件 九 常用公式 如图 圆筒壁 例4 12在其他条件 K Cp M1 M2 不变时 并 逆 求T2 t1 利用并流求得有关常数 KA tm M1Cp1
16、T M2Cp t T 50 t 40 50MCp1 40M2Cp2M1Cp1 M2Cp2 0 8 常数 1 KA tm并 MCp1 T 50MCp1 tm并 t1 t2 ln t1 t2 39 1 KA M1Cp1 T tm 50 39 1 1 28 2 改逆流后 T 120 T2 t t1 20 例4 13求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度 同理有 M1Cp1 M2Cp2 0 8 t 1 20 120 T 2 t 1 116 0 8T 2 t m逆 100 t 1 T 2 2K 2A M1Cp1 2 1 28 T t m逆 120 T 2 2 100 t 1 T 2 2 56T 2 42
17、 5 t 1 82 4 5热交换器一 列管式换热器 如图4 14 P129管程 换热器的管内通道管程数 流体在管程中从一端到另一端运行的次数 壳程 换热器的外壳与管束之间的通道壳程数 流体在壳程中从一侧到另一侧运行的次数 二 夹套式加热器 图4 18三 蛇管式热交换器 4 19四 螺旋板式热交换器 4 20五 板式热交换器 4 21 14541 9 习题14解 2 l tm 0 045 0 0026 0 0953 0 0053 2 l tm 0 1532 6 53 2 l tm 2 1 6 53 18 75 0 34822 35 2 l tm 0 0454 0 0026 0 0053 2 l
18、tm 0 05334 18 75 2 l tm 结垢后 结垢前 习题15解 KA tm M1Cp1 T qV1 1Cp1 T 0 785 0 022 1200 3000 90 60 644328WA n l dm 38 4 3 14 0 0225 10 73m2 tm 50 40 ln5 4 44 815 K A tm 644328 10 73 44 815 1340W m2 K M2Cp2 t M2 3000 40 20 644823M2 10 74kg s 习题16解 121 饱和蒸汽通入溶液 起始时溶液温度T较低 溶液的得热速率 1较大 而桶的散热速率 2较小 随着溶液温度T升高 1变小
19、而 2变大 当溶液的得热速率 1等于桶的散热速率 2时 溶液的温度稳定不变 即为溶液所能加热到的温度T 1 KA1 121 T 2 A2 T 20 T 117 习题21解 l A 可用A比代表l比 即视为平面壁作近似计算 KA tm M1Cp1 T M2Cp2 t 加长前 t1 25 T1 50M1Cp1 M2Cp2 t1 T1 25 50 0 5 tm1 t1 t2 2 110 85 2 97 5 习题25 A K tm 而冷凝区与冷却区的K和平均温差 tm不同 故须分开计算 要求各区温差 如图 必须先求出冷流体的中间温度t2 需对冷流体作热量衡算 M2 求M2 总 M1 H Cp1 T cp 341 14
