《化工原理》第4章 传热.ppt
合集下载
化工原理第四章传热过程超详细讲解
例4-12 在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时, 并→逆，求T2, t1。 解：利用并流求得有关常数： Φ=KAΔtm=-M1Cp1ΔT’=M2Cp2Δt’
设热阻集中在保温层：则
则一米管年损失的热量：
W=J/s
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： 求导，求极值:
28.356
复杂系数一元三次方程，用试差法求解：
设D=0.4 时，左=62.8≈右=63 ∴δ=D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15 m
作业：P142 （4、5）
∴ A (t1 t 2) At
R=δ/λ—热阻
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：
一层：
(1)
二层：
(2)
三层：
(3)
∵平面壁：A1=A2=A3=A ∵稳定传热Φ1=Φ2=Φ3=Φ则有：
t1-t4=Δt=
…(4)
…(5)
讨论：(1) ①+②得：
(4)潜热 Q潜 mH m nH n
(J/mol*K)
式中:ΔHm和ΔHn分别为质量和摩尔相变潜热 (单位分别为： J/kg；J/mol)
§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。
二、导热方程—付立叶定律：
故将对流传热扩展为：对流给热——流体与壁面 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：
a.湍流主体以对流方式传热，温度一致, 即忽略湍流主体的热阻。
化工原理-第四章-传热
d12
d1
4 d2 d1
入口效应修正 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较
薄，给热系数较大，对于l d1 60 的换热管，应考虑进口段对给 热系数的增加效应。故将所得α乘以修正系数：
l
1 d l
0.7
弯管修正 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强
化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：
水和甘油：T ↗ ↗ 一般液体： T ↗ ↘ 纯液体＞溶液
气体的导热系数：
T ↗ ↗ P ↗ 变化小 极高P ↗ ↗
气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空 隙充有气体。
18
三、平壁的稳态热传导
1.单层平壁的热传导
t1 t2
b
t Q t1
t2
0 bx
b：平均壁厚，m； t：温度差，oC；
4
❖ 一、传热过程的应用
物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温
❖ 二、热传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
5
1. 热传导（又称导热）
热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部 分向低温部分传递。
特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原 子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量 传递。
8
3. 热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递， 称为热辐射。
热辐射的特点：
①不需要任何介质，可以在真空中传播；
②不仅有能量的传递，而且还有能量形式 的转移；
③任何物体只要在热力学温度零度以上， 都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时， 热辐射才能成为主要的传热方式。
9
二、间壁传热与速率方程
41
化工原理 第四章 传热过程
• 传导传热的机理 • 一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分 向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止， 这种传热方式就称为传导传热（或热传导）。 • 传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而 引起的热量传递。物质的三态均可以充当热传导 介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体 为： • 固体金属：自由电子运动在晶格之间； • 液体和非金属固体：晶格结构的振动；即分子、 原子在其平衡位置的振动。 • 气体：分子的不规则运动。
第四章 传热过程 §4－1 概述 4－1.1 化工生产中的传热过程 1、传热过程在化工生产中的应用 例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等 由于化工生产过中传热过程的普遍性，使得换热 设备的费用在总投资费用中所占的比重甚高。据 统计：在一般石油化工企业中占30~40% 在炼油厂中占40~50%。因此，认识传热过程， 掌握一般换热设备运行的规律，充分利用反应热、 余热、废热，对化工生产具有十分重要的意义。
r2 t 2 t1 ln 2l r1
r2 t1 t 2 ln 2l r1 t1 t 2 2l r2 ln r1
• 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程。 • 在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积Am ， 或与Am对应的平均半径 rm ，这样圆筒壁的导 热速率就可按平壁来处理。 • 将（4）分子分母同乘以（r2-r1）
r1 2
术平均值代替，误差不超过4%，在工程上是允 许的。
r1 r2 rm 2
• 4、多层圆筒壁的导热 • 热量是由多层壁的最内壁传导到最外壁， 要依次经过各层，所以多层圆筒壁的传热， 可以看成是各单层壁串联进行的热量传递。
r2 r3
r1
• 对于稳定传热
• 对第一层
1 2 3
化工原理第四章(热传导)
棉毛
玻璃 云母 硬橡皮 锯屑 软木 玻璃棉
85%氧化镁
50 0-100 0-100
0-100 20
0-100 30 30 50 0 20 30
2020/12/8
0.17 0.15 1.28 1.04 0.12-0.21 0.69 0.047 0.050 1.09 0.43 0.15 0.052 0.043 0.041 0.070
（3）气体的导热系数 【特点】与液体和固体相比，气体的导热系数最小 ，对热传导不利，但却有利于保温、绝热。
2020/12/8
【温度的影响】 气体导热系数随温度升高而增大。
【压力的影响】 （1）在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压 强的变化很小，可以忽略不计； （2）当气体压力很高（大于2000大气压）或很低（ 低于20毫米汞柱）时，应考虑压强的影响，此时导 热系数随压强增高而增大。
银 钢(1%)
船舶用金属
青铜 不锈钢 石墨
常用固体材料的导热系数
温度, ℃
300 18 100 18 53 100 100 100 18 30
20 0
导热系数W/(m2·℃)
230 94 377 61 48 33 57 412 45 113 189 16 151
石棉板 石棉 混凝土 耐火砖 保温砖 建筑砖 绒毛毯
2020/12/8
3、导热系数的变化规律 【一般规律】导热系数数值的变化范围很大。一般 来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液 体较小，气体最小。
物质种类
λ
气体 液体
0.006～ 0.07～
0.6
0.7
非导固体 金属
绝热材料
0.2～3.0 15～420 <0.25
玻璃 云母 硬橡皮 锯屑 软木 玻璃棉
85%氧化镁
50 0-100 0-100
0-100 20
0-100 30 30 50 0 20 30
2020/12/8
0.17 0.15 1.28 1.04 0.12-0.21 0.69 0.047 0.050 1.09 0.43 0.15 0.052 0.043 0.041 0.070
（3）气体的导热系数 【特点】与液体和固体相比，气体的导热系数最小 ，对热传导不利，但却有利于保温、绝热。
2020/12/8
【温度的影响】 气体导热系数随温度升高而增大。
【压力的影响】 （1）在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压 强的变化很小，可以忽略不计； （2）当气体压力很高（大于2000大气压）或很低（ 低于20毫米汞柱）时，应考虑压强的影响，此时导 热系数随压强增高而增大。
银 钢(1%)
船舶用金属
青铜 不锈钢 石墨
常用固体材料的导热系数
温度, ℃
300 18 100 18 53 100 100 100 18 30
20 0
导热系数W/(m2·℃)
230 94 377 61 48 33 57 412 45 113 189 16 151
石棉板 石棉 混凝土 耐火砖 保温砖 建筑砖 绒毛毯
2020/12/8
3、导热系数的变化规律 【一般规律】导热系数数值的变化范围很大。一般 来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液 体较小，气体最小。
物质种类
λ
气体 液体
0.006～ 0.07～
0.6
0.7
非导固体 金属
绝热材料
0.2～3.0 15～420 <0.25
化工原理第四章传热
λ3A
因△t = t1-t4 = △t1+ △t2+ △t3
△t b1 b2 b3 + + λ1A λ2A λ3A
△t
Ｑ＝
＝
∑ Ri
i=1
3
总推动力
=
总热阻
［例4-2］已知：耐火砖 ：b1=150mm λ1=1.06 W/(m· ℃) 保温砖： b2=310mm λ2=0.15 W/(m· ℃) 建筑砖 ：b3=240mm λ3=0.69 W/(m· ℃) t1=1000℃,t2=946℃
解：（a）每米管长的热损失
q1= Q l = r2 1 ln r1 λ1 2π（t1 – t4） r3 1 ln + r2 λ2 r4 1 + ln r3 λ3
r1=0.053/2=0.0265， r2=0.0265+0.0035=0.03 r3=0.03+0.04=0.07，r4=0.07+0.02=0.09 q1=191
Q q1= =2πλ l
t1-t2 r2 ln r1
可见，当比值r2/r1一定时，q1与坐标r无关
上式也可改写为单层平壁类似形式的计 算式：
２πl（r2 - r1）λ（t1 - t2）
2πr2l （r2 - r1）ln 2πr1l （A2 - A1）λ（t1 - t2） λ = = Am（t1－t2） A2 b （r2 - r1）ln A1
＝
△t
R
传热推动力 ＝ 热阻
也可写成： Q q= A
λ (t1-t2) = b
[例4-1] 现有一厚度为240mm的砖壁，内 壁温度为600℃，外壁温度为150℃。试求 通过每平方米砖壁壁面的导热速率（热流 密度）。已知该温度范围内砖壁的平均热 导率λ＝0.6W/（m. ℃ ）。 解：
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理课件传热4-1
2、学会能源的利用（节能）
4-2 传热的基本方式
热传递的原因：物体内温度不同而引起，高 温→低温，根据传热机理的不同，将传热分 为三种：传导、对流、辐射
一、热传导（conduction）
• 1、定义：物体内部，直接触两个物体之间存 在温差，高温下分子振动剧烈，与相邻分子碰 撞，从而将热量转过去。
• 2、特点：分子之间碰撞，将能量从高→ 低，没有宏观的位置（即没有位移）
(p140) – 直接接触式换热 – 蓄热式换热 – 间壁式换热
典型的间壁式换热器(p142)
– 套管式换热器 – 单程列管式换热器 – 双程列管式换热器
热载体及其选择
– 载热体的温度易调节控制 – 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 – 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 – 价格便宜，来源容易
t2 b2
tn bn
ti
i 1 n
Ri
1s 2s
ns i1
4-2-3 平壁的热传导
二 多层平壁的热传导
o 接触热阻
Байду номын сангаас
s 根据傅立叶定律：
Q
s
s
dt
QQ0bdbxs(t1ts2t)t12d平t 壁间的热传d导x 公式
Q
t1
t2 b
t R
推动力 阻力
R b ,导热热阻,C / W s
x
s
热通量q
Q
t2
t1
t
, R
b
s b R
m2 ℃ /W
4-2-3 平壁的热传导
二 多层平壁的热传导
t1> t2> t3> t4
• 举例：管内壁、壁厚或锅炉等，楼顶隔热 砖或建筑用砖采用空心砖。
4-2 传热的基本方式
热传递的原因：物体内温度不同而引起，高 温→低温，根据传热机理的不同，将传热分 为三种：传导、对流、辐射
一、热传导（conduction）
• 1、定义：物体内部，直接触两个物体之间存 在温差，高温下分子振动剧烈，与相邻分子碰 撞，从而将热量转过去。
• 2、特点：分子之间碰撞，将能量从高→ 低，没有宏观的位置（即没有位移）
(p140) – 直接接触式换热 – 蓄热式换热 – 间壁式换热
典型的间壁式换热器(p142)
– 套管式换热器 – 单程列管式换热器 – 双程列管式换热器
热载体及其选择
– 载热体的温度易调节控制 – 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 – 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 – 价格便宜，来源容易
t2 b2
tn bn
ti
i 1 n
Ri
1s 2s
ns i1
4-2-3 平壁的热传导
二 多层平壁的热传导
o 接触热阻
Байду номын сангаас
s 根据傅立叶定律：
Q
s
s
dt
QQ0bdbxs(t1ts2t)t12d平t 壁间的热传d导x 公式
Q
t1
t2 b
t R
推动力 阻力
R b ,导热热阻,C / W s
x
s
热通量q
Q
t2
t1
t
, R
b
s b R
m2 ℃ /W
4-2-3 平壁的热传导
二 多层平壁的热传导
t1> t2> t3> t4
• 举例：管内壁、壁厚或锅炉等，楼顶隔热 砖或建筑用砖采用空心砖。
化工原理第四章 传热及传热设备..
4.2 热传导
4.2.5 圆筒壁的稳定热传导 二、多层圆筒壁
第一层
第二层
盐城工学院
第三层
Q
2L(t1 tn1 ) in 1 ln ri1
i1 i
ri
-----通式
可写成与多层平壁计算公式相仿的形式：
Q
t1 t4
b1
b2
b3
1 Am1
2 Am 2
3 Am3
Am1、 Am2 、Am3分别为各层 圆筒壁的对数平均面积。
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
解：(1)每米管长的热损失
r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m
=191. 4 W/m
第四章 传热及传热设备
(2)保温层界面温度t3
盐城工学院
解得：t3=131.2℃
第四章 传热及传热设备
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
可见，在数值上： 金属 非金属 液体 气体
第四章 传热及传热设备
盐城工学院
4.2 热传导
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于在热流方向上Q、、A均为常量，故分离变量后积分，
得
t2 dt Q
dx
t1
A 0
t2
t1
Q A
Q A(t1 t2 )
Q t1 t2 t
/ A R
通常式（4-8）也可以表示为
q Q t1 t2
A /
（4-7） （4-8）
（4-9）
12
第4章 传热
2.多层平壁稳定热传导
5
第4章 传热
1.内管 2.外管 图4-l 套管换热器中的换热
6
第4章 传热
在换热器中，热量传递的快慢可用以下指标来表示。 （1）传热速率Q(又称热流量)：指单位时间内通过传热面的 热量，单位为W。传热速率是换热器本身在一定操作条件下 的换热能力，是换热器本身的特性。 （2）热负荷Q：指换热器中单位时间内冷、热流体间所交换 的热量，单位为W。热负荷是生产要求换热器应具有的换热 能力，设计换热器时通常将传热速率与热负荷在数值上视为 相等。 （3）热通量q（又称热流密度）：指单位时间内通过单位传 热面积所传递的热量，即单位传热面积的传热速率，单位为 W／㎡。
Q A dt
(4-4)
dx
2.导热系数
导热系数在数值上等于单位温度梯度下
通过单位导热面积所传导的热量。故导
热系数是表示物质导热能力大小的一个
参数，是物质的物性。越大，导热越快。
图4-2通过壁面的热传导
10
第4章 传热
4.2.2平壁的稳定热传导
1.单层平壁导热
设有一高度和宽度很大的平壁，
厚度为。假设平壁材料均匀，导
7
第4章 传热
4.1.4 传热速率式
化工生产中经常遇到加热或冷却的传热过程。单位时间内通 过换热器传递的热量与换热面积成正比，且与冷热流体之间 的平均温度差成正比。即有
Q KAtm
（4-2）
或
q Q tm A 1/ K
（4-3）
式中 Q——传热速率，W； K——比例系数，称为传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； A——与热流方向垂直的传热面积，m2； Δtm——传热的平均温度差，℃或K； q——热通量，W/m2。
上述三种传热的基本方式，很少单独存在，传热过程往 往是这些基本传热方式的组合，例如在化工厂普遍使用的间 壁式换热器中，主要以对流和传导相结合的方式进行换热。
4
第4章 传热
4.1.3 间壁式换热器
工业中的换热方式，按原理和设备类型可分为：间壁式 换热、混合式换热和蓄热式换热。化工中普遍采用的是间壁 式换热。间壁式换热器的类型很多，最典型的是列管式换热 器，而最简单的是如图4-l(a)所示的套管换热器。在传热方向 上（图4-l(b)）热量传递过程包括三个步骤： （1）热流体以对流传热方式将热量传递到间壁的—侧； （2）热量自间壁一侧以热传导的方式传递至另一侧； （3）热量以对流传热方式从壁面传递给冷流体。
连续生产过程中所进行的传热多为稳定传热。在间歇操 作的换热设备中，或连续操作的换热设备的开、停车阶段所 进行的传热，都属于不稳定传热。本章只讨论稳定传热。
9
第4章 传热
4.2 热传导
4.2.1 热传导的基本定律
1.傅立叶定律
如图4-2所示，在一个均匀的物体内， 热量以热传导的方式沿任意方向x通过物 体。取传热方向上的微分长度dx,其温度变 化为dt。傅立叶在大量实验的基础上提出 了导热的基本定律，其数学表达式为
Q
t1 t2 1
t2 t3 2
t3 t4 3
1 A 2 A 3 A
（4-10）
图4-4 多层平壁的导热
13
第4章 传热
利用等比定理可得
3
Q
t1 t4 1 2 3 1 A 2 A 3 A
ti
i 1 3
热能由一处传递到另一处。当流体发生宏观运动时，除分 子热运动外流体质点(微团)也发生相对的随机运动，产生 碰撞与混合，由此而引起的热量传递过程称为对流传热。
3
第4章 传热
3.热辐射（又称辐射传热） 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相
等时，该物体就与外界发生了热量的传递，这种传热方式称 为热辐射。
第4章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 传热过程计算 4.述
4.1.1 传热在化工生产中的应用
传热即热量传递。依据热力学第二定律，凡是有温度差 存在的地方，就必然有热量的传递，所以传热是自然界和工 程技术领域中非常普遍的一种能量传递过程。传热在化工生 产中的应用主要有以下几个方面： （1）物料的加热、冷却、汽化、冷凝，往往需要输入或输出 能量，使物料达到指定的温度和相态，以满足过程处理、加 工、贮存等的要求。如蒸发、蒸馏、干燥等过程。 （2）热量和冷量的回收利用。 （3）化工设备与管道的保温。
以三层平壁为例，说明多层 平壁导热过程计算。如图4-4所示， 一个由三层材料组成的无限大平
壁，各层的厚度分别为1，2，3， 导热系数分别为1，2，3，且均
为常数。多层平壁两侧表面温度 均匀稳定，分别为t1和t4，设内层 两个接触面的温度分别为t2和t3， 在稳定情况下，通过各层的传热 速率是相等的，则有
热系数不随温度变化(或取其平均 值)。壁面两侧温度为t1、t2,且t1>t2， 平壁内各点温度不随时间而变，仅 沿垂直于壁面的x方向变化。如图 4-3所示，取平壁的任意垂直截面 积为传热面积A。单位时间内通过 面积A的热量为Q，由傅立叶定律 知
Q A dt
dx
图4-3 单层平壁的导热
11
第4章 传热
2
第4章 传热
4.1.2 传热的基本方式
1.热传导（又称导热） 其机理是当物体的内部或两个直接接触的物体之间存
在温度差异时，由于物体本身分子或电子的微观运动使热 量从物体温度较高的部位传递到温度较低的部位的过程称 为热传导。
2.热对流（又称对流传热） 其机理是由于流体中质点发生相对位移和混合，而将
式（4-2）称为传热速率方程式，它是传热计算的基本方程式。 传热系数、传热面积和传热平均温度差是传热过程的三要素。
8
第4章 传热
4.1.5 稳定传热和不稳定传热
若传热系统中，传热面各点的温度仅随位置不同而变， 而不随时间而变化，则此传热过程为稳定传热。
若传热系统中传热面各点的温度既随位置不同而不同， 又随时间而变化，这种传热过程称为不稳定传热。