任务三传热.ppt
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1、第五章 传热,本章的基本要求,了解传热过程的基本原理、影响传热速率的因素及控制传热速率的一般规律,以便根据生产要求来强化热量传递,选择适宜的传热设备及列管式换热器的设计、选型。 (1)了解热传导的基本原理、掌握平壁、圆筒壁的热传导计算; (2)了解对流传热的基本原理,掌握对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项; (3)熟练掌握传热过程的计算,传热速率方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算;了解强化传热过程的途径; (5)了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点;掌握列管式换热器的设计、选型。,本章重点,1、热传导的基本原理、平壁、圆筒壁的热传导计算; 2、
2、对流传热的基本原理、及影响对流传热的因素,对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项; 3、间壁壁两侧流体热交换传热过程的计算; 4、强化传热过程的途径。,本章难点,1、对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项; 2、间壁壁两侧流体热交换传热过程的计算;,第一节 概述,热是能量的一种形式,热能广泛存在于自然界中,传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种传递过程,凡是有温度差存在的地方就有热量传递。与传热有关的基础知识对于从事化工生产的人员是极其重要的。,一、传热在化工生产过程中的应用,1、提供反应所需的热量或移走反应产生多于的热量。 2、化工生产
3、设备的保温保冷。 3、生产过程中热量的合理使用以及废热的回收利用。 4、某些单元操作如蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等与传热过程密切相关,二、传热的基本方式,1、热传导依靠物体内自由电子运动或分子原位振动,从而导致热量传递的过程 2、对流传热对流传热是依靠流体的宏观位移,将热量由一处带到另一处的传递现象。 3、辐射传热 又称为热辐射,是指因热的原因而产生的电磁波在空间传递,当遇到另一物体时,又被全部或部分地吸收而变为热能的过程。 辐射传热与其他两种传热方式的最大区别是其传热不需要任何媒介。,三、工业生产上的换热方法,1、直接接触式换热 适用于用水来冷凝水蒸气等允许两股流体直接接触的场合; 2、蓄
4、热式换热 间歇操作,化工生产中使用不多; 3、间壁式换热 两股流体需要换热又不允许直接接触的场合,四、间壁式换热器简介,1、套管式换热器 由直径不同的两根管子同心套在一起组成。冷热流体流过管芯与环隙,通过管壁传热。 2、列管式换热器 由壳体、管板、管束、封头组成。一种流体流经管程、一种流体流经壳程。,五、稳定传热和不稳定传热,在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程;稳态传热时各点的热流量不随时间而变,连续生产过程中的传热多为稳态传热。 本章只讨论稳定传热。,第二节 传热计算,一、传热速率方程 传热速率:单位时间内传递的热量。 用“Q”表示,单位:J/s=w 传热速率与传热面积有关,
5、与冷、热二流体的温度差有关, 且成正比Q Atm,引入比例系数K,即Q = KAtm K= Q/A tm,二、热负荷和载热体用量的计算,1、热负荷与传热速率的关系 热负荷:要求换热器在单位时间内传递的热量。 传热速率:换热器单位时间内传递的热量。 热负荷是换热器的生产任务,是由工艺条件决定的,是对换热器提出的要求。 传热速率是换热器本身的换热能力,是设备的特性,也可以说换热器的生产能力。,1、热负荷的三种计算方法,焓差法: Q = qm热(H1-H2) Q = qm冷(h2-h1) 式中:H、h热、冷流体的焓值,kJ/kg 1、2-进出口,显热法,流体在换热过程中仅温度发生变化。 Q = qm
6、热 c热 (T1-T2) Q = qm冷c冷(t2-t1) 式中: c热、 c冷在定性温度下流体的比热,KJ/Kg。k T、t 冷、热流本进出口温度,K。,潜热法,流体在换热过程中发生相变。 Q = qm热r热 Qc = qm冷r冷 式中: qm热、 qm冷冷热流体的质量流量,kg/h r热、r冷冷热流体的汽化潜热,kJ/kg,2、载热体的选用,1、载热体温度必须满足工艺要求 2、载热体的温度调节方便 3、载热体具有化学稳定性,不分解 4、载热体的毒性小、腐蚀性小 5、载热体不易燃、不易爆 6、载热体价廉易得,三、平均温度差,由于换热器中沿程流体的温度、物性是变化的,速率方程式中的传热温差(T
7、-t)和传热系数K一般也就会变动,在工程计算中通常用平均传热温差代替,于是得到总的传热速率方程的表达式: Q=KAtm 间壁两侧流体平均温度差的计算方法与换热器中两流体的相互流动方向有关,而两流体的温度变化情况,可分为恒温传热和变温传热。,(1) 恒温传热时的平均温度差,换热器的间壁两侧流体均有相变化时,例如在蒸发器中,间壁的一侧,液体保持在恒定的沸腾温度t下蒸发,间壁的另一侧,加热用的饱和蒸气在一定的冷凝温度T下进行冷凝,属恒温传热,此时传热温度差(T-t)不变,即: tm=T-t,(2) 变温传热时的平均温度差,变温传热时,两流体相互流动的方向不同,则对温度差的影响不同,分述如下: 逆流和
8、并流时的平均温度差。 在换热器中,冷、热两流体平行而同向流动,称为并流;两者平行而反向的流动,称为逆流。,逆流、并流时温度变化示意图,经推导得,错流和折流时的平均温度差,在大多数的列管换热器中,两流体并非简单的逆流或并流,因为传热的好坏,除考虑温度差的大小外,还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流向,是比较复杂的多程流动,或是相互垂直的交叉流动。,错流、折流示意图,平均温度差计算方法,先按逆流计算对数平均温度差再乘以修正系数,即tm折 =tm逆 值可以根据R、P值查图获得。,P、R图,传热系数的测定和经验值,1、现场实测 根据传热速率方程可知,只需
9、从现场测得换热器的传热面积A平均温度差tm,传热系数K很容易测得。 制成新型换热器后,为了检验其传热性能,要通过试验测得。,2、采用经验数据,进行换热器传热计算时常需先估计传热系数。列管式换热器的K值范围如表,3、计算法,两流体通过间壁的传热过程包括以下过程: 1、热流体以对流传热方式将热传给间壁 2、间壁热传导 3、间壁又以对流方式将热传给冷流体。 传热过程总阻力为两个对流传热阻力与一个热传导阻力之和。 K值为总阻力的倒数,第三节 热传导,1、导热基本方程和热导率 实验表明:物体的导热速率与传热过程的温度差、传热面积成正比,与传导的距离成反比,其关系可用数学式子表示为: Q A/(t1-t2
10、) 改写为比例式则Q = A/(t1-t2),热导率,比例系数为热导率 = Q/A(t1-t2) 单位: W/(m) 的物理意义:导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量,是表征物质导热能力的一个物性参数,导热越快。导热系数的大小与物质的组成、结构、温度和压强有关。, 固体的导热系数,金属的导热系数:纯度增加,金属的导热系数, 温度金属的导热系数 非金属的导热系数温度非金属的导热系数;密度,非金属的导热系数。, 液体的导热系数 非金属液体: 水最大; 纯液体 混合液体 温度, 金属液体。 气体的导热系数 随压强的变化较小,可以忽略不计。气体的导热系数很小,对导热不利,但有利于绝热、保温。,二
11、、通过平壁的稳定热传导,1、单层平壁的热传导 公式即为:= Q/A(t1-t2) 整理为: Q/A= (t1-t2)/(/) =tm/R导 R导= (/)即为单层平壁的导热热阻,2、多层平壁的热传导,工业上常用到多种不同材料组成的平壁,各层的传热速率相等,对于三层平壁,下列关系成立:,三、通过圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的稳定热传导 圆筒壁的稳定热传导也可仿照平壁的热传导来处理,不过传热面积A应用A均 代替,即 : Q= A均(t1-t2)/ A均= 2rl Q= 2rl (t1-t2)/ (r1-r2) r1、r2、 rm圆筒内、外壁、平均半径,m;,2、单层圆筒壁的稳定热传导,以三层
12、圆筒壁为例:假设各层间接触良好,各层的导热系数分别为1 、2 和3 。仿照多层平面壁的方法,可写出三层圆筒壁的热传导速率方程式为:,第四节 对流传热,对流传热是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。对流传热仅发生在流体中,与流体的流动状况相关。在对流传热的同时伴有流体间的导热现象,通常对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程。,一、对流传热分析,间壁两侧流体沿壁面呈湍流流动时,邻近壁面处总有一层作滞流流动的流体薄层,称为滞流内层。在滞流内层和湍流主体之间有缓冲层。 湍流主体:在远离壁面的湍流主体中,流体质点剧烈运动,充分混合,热量传递主要以对流方式进行。质点相互混合传递热量,热阻较小,
13、温度趋于一致。 缓冲层:热传导和热对流同时起作用,流体的温度发生缓慢的变化。 滞流内层:流体质点仅有平行,对流传热温度分布示意图,2、对流传热方程,在单位时间内,以对流传热过程传递的热量与固体壁面的大小、壁面温度和流体主体平均温度二者间的差成正比。即 QA(t壁-t) 式中:Q单位时间内以对流传热方式传递的热量,W A固体壁面积, m2 t壁壁面的温度, t 流体主体的平均温度,引入比例系数,则上式为:,Q= A(t壁-t) 称为对流传热系数单位, w/(m2. ) 在单位时间内,当壁面与流体主体的温差为1K时,每1 m2固体壁面与流体之间所传递热量的数值与其相当。(即当A=1 m2,t=1K
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