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江西理工大學 化工設備原理課件 傳熱.ppt

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傳熱1?本章的重點和難點掌握通過平壁及圓筒壁的熱傳導計算;了解牛頓冷卻定律及影響對流傳熱系數的因素; 掌握傳熱速率方程及運用平均溫差法進行傳熱過程的計算;  了解輻射傳熱的基本概念及基本定律;掌握列管式換熱器的選型、設計、計算*;了解換熱器的分類、各類換熱器的特點,掌握強化傳熱的途徑; 第四章 傳熱傳熱23.1 概述溫度對化學反應有重要的影響,許多的單元操作過程都與傳熱有關,傳熱過程普遍存在。在生產中對傳熱的要求主要有兩個:一是強化傳熱,另一個是熱絕緣,二者目的不同但傳熱的機理和設備相同。傳熱的幾個基本概念傳熱推動力和熱量傳遞方向 溫差是熱量傳遞的推動力,只要有溫度差的存在就有熱量的傳遞現象,且熱量是從高溫向低溫傳遞。傳熱速率 熱流量Q和熱流密度q傳熱3穩態傳熱過程 系統中各點的溫度和傳熱速率不隨時間而變。不加說明一般都指穩態傳熱過程。傳熱方式熱傳導:也叫導熱,依靠物體內部自由電子的熱運動或分子的原位振動進行熱量的傳遞,特點是物體內部的質點沒有宏觀位移。一般發生在固體或層流流體中。熱對流:對流傳熱,流體內部各部分之間發生相對位移進行的熱量傳遞。僅發生在流體中。根據流體對流的原因又分為自然對流和強制對流(熱量傳遞的效果更好)。(熱)輻射 :輻射傳熱,依靠電磁波的形式傳遞熱量,絕對溫度不為零的任何物體均能向外界輻射傳熱,且無需任何介質。傳熱4傳熱過程中流體的接觸方式直接接觸式間壁式畜熱式傳熱53.2 熱傳導幾個基本概念溫度場 任一時間,物體(或空間)各點處溫度的分布狀況。等溫面和等溫線 空間任一點在某一瞬間不能同時有兩個不同的溫度存在,即等溫線不能相交(類似于磁場中的磁力線)。溫度梯度 一個向量,與熱流方向恰好相反。沿等溫面將無熱量傳遞;與等溫面相交的任何方向都有熱量的傳遞與等溫面垂直方向的溫度梯度最大。傳熱6 溫度梯度是向量,其方向垂直于等溫面,并以溫度增加的方向為正。對于一維溫度場,等溫面x及(x+Δx)的溫度分別為t(x,τ)及t(x+Δx,τ),則兩等溫面之間的平均溫度變化率為: Q?t/?xt+△ttt-△t傳熱7傅立葉定律 上式即為導熱基本方程式,也稱為傅立葉定律,它表示熱流密度與傳熱面的法向溫度梯度成正比,但導熱方向卻與溫度梯度的方向相反。 其中λ是比例系數,稱導熱系數。傳熱8導熱系數λ 導熱系數在數值上等于單位溫度梯度時的熱流密度, 即q=λ。 λ是表征物體導熱能力的物理量,數值越大導熱能力越強。 λ的數值與物質的組成、結構、密度、溫度和濕度等因素都有關,一般有λ金屬>λ非金屬>λ液體>λ氣體,具體的數值查有關手冊。溫度升高 λ金屬減?。兘饘俚谋群辖鸬膶嵯禂荡蟮枚啵?、 λ非金屬增大 λ液體略有減?。ǔ透视屯?,且非金屬液體中水的最大)、 λ氣體增大(絕對值很小,常用來保溫)傳熱9平壁的一維穩態導熱單層平壁根據傅立葉定律:若平壁的導熱系數不隨溫度而變化,則: 上式經積分可得: 傳熱10多層平壁傳熱11 對于一維穩態導熱,在平壁內部沒有熱量積聚,所以通過各層平壁的熱流量應相等,即Q1=Q2=Q3=Q由數學加合性可得: 多層平壁的穩態導熱是一個串聯導熱過程,其總推動力等于各層推動力之和,總熱阻等于各層熱阻之和 。傳熱12單層圓筒壁Qt2 t1 r1 rr2 drL傳熱13對數平均傳熱面積傳熱14注意: 1、在工程計算中,當S2/S1≤2時,Sm可用算術平均值代替,其誤差<4%。在一般工程計算中是允許的。 2、在穩定導熱時,通過圓筒壁的熱流量Q沿途不變,而熱流密度q則隨著r的增大減少。 傳熱15r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 多層圓筒壁 對于圓筒壁的穩定熱傳導,通過各層的熱傳導速率都是相同的,但是熱流密度卻不相等。傳熱16傳熱17傳熱18傳熱19傳熱20傳熱213.3 對流傳熱對流傳熱的機理流體與壁面的給熱包括流體的對流和導熱對流傳熱的熱阻主要集中在流體靠近壁面的層流底層流體的主體因渦流存在質點的混合使溫度趨于一致傳熱22溫度距離TTw tw t熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體湍流主體傳熱壁面層流底層層流底層傳熱方向傳熱過程高溫流體 湍流主體 壁面兩側 層流底層 湍流主體 低溫流體不同區域的 傳熱特性:傳熱邊界層:溫度邊界層。溫度梯度較大的區域。傳熱的熱阻主要在傳熱邊界層內的層流底層中。對流傳熱示意圖湍流主體 對流傳熱 溫度分布均勻 層流底層 導熱 溫度梯度大 壁面 導熱(導熱系數較流體大) 有溫度梯度 傳熱23牛頓冷卻定律仿照傅立葉定律,對流傳熱速率也可寫成推動力與阻力的比值對熱流體而言:對冷流體而言:上兩式也稱為牛頓冷卻定律傳熱241、流體的狀態:是否有相變。有相變時對流傳熱系數比無相變化時大的多; 2、流體的物理性質:密度р、比熱cp、導熱系數λ、粘度μ等; 3、流體的運動狀況:層流、過渡流或湍流; 4、流體對流的狀況:自然對流,強制對流; 5、傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻?、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。 影響對流傳熱系數的主要因素傳熱25對流給熱系數關聯式兩個概念:定性溫度:確定關聯式中各物性參數的溫度值,注意區別流體平均溫度、壁溫和膜溫;特征尺寸:關聯式中各準數包含的傳熱面的計算標準。 對流給熱系數的因素非常多,工程上采用因次分析和實驗的方法確定不同影響因素之間的具體關系,所有這些關系式統稱為對流給熱系數的經驗關聯式。傳熱26例 4-4在流體無相變的強制對流傳熱過程中,已知影響對流傳熱系數α的因素主要有:傳熱設備的特征尺寸l、流體的密度ρ、粘度μ、比熱容cp、導熱系數λ與流體流速u,試用因次分析法確定有關α的準數關聯式。傳熱27傳熱28 應用范圍 特性尺寸 定性溫度 準數是一個無因次數群,其中涉及到的物理量必須用統一的單位制度。在應用關聯式時應注意以下幾點傳熱29流體無相變化時的對流給熱系數 傳熱30圓形管內湍流對流給熱系數α條件: 特征尺寸取管內徑di,定性溫度除粘度μw取壁溫外,均取流體進、出口溫度的算術平均值。傳熱31條件:1、低粘度流體在直管內強制對流;2、特征尺寸為直管內徑di,定性溫度取流體進出直管的算術平均溫度;3、Re>104,0.7<Pr604、當流體被加熱時n=0.4,被冷卻時n=0.3圓形直管內完全湍流對流給熱系數α傳熱32傳熱33圓管內層流對流給熱系數α條件:特征尺寸 管內徑di;定性溫度除Prw取壁溫外,其它均取流體進出口溫度的算術平均值。適用范圍 Re≤2300,Gr=100~106。Gr ——格拉斯霍夫(Grashof)準數,是表示自然對流影響的無因次準數運動粘度傳熱34強制對流傳熱系數準數符號及意義準數名稱符 號意 義努塞爾特準數(Nusselt)Nu=αdi/λ 表示對流傳熱系數的準數雷諾準數 (Reynolds)Re=diuρ/μ 確定流動狀態的準數普蘭特準數 (Prandtl)Pr=cpμ/λ 表示物性影。省略部分。 的總傳熱系數, w/(m2·℃ ) Si、So、Sm——換熱器內表面積、外表面積、外表面平均面積,m2 工程大多以換熱管的外表面積為基準。 傳熱82傳熱平均溫度差的計算變溫傳熱:(掌握逆流和并流時的平均溫度差的計算)恒溫傳熱: Δt = T-t 逆流T1t1T2t2Δt1Δt2并流T1t2T2t1Δt1Δt2若Δt 1= Δt 2, Δt m=Δt 1傳熱83逆流951540326325并流95324015808以教材P183 例4-13為例9532154095324015Δtm=41.1℃Δtm=31.3℃Δt1Δt1Δt2Δt2傳熱84當流體進、出口溫度已經確定時,逆流操作的平均溫度差比并流時大。在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數K值相同的條件下,采用逆流操作,可以節省傳熱面積,而且可以節省加熱介質或冷卻介質的用量。工程上,換熱器多采用逆流操作,只有對流體的出口溫度有限制時才采用并流操作。逆流操作和并流操作傳熱85錯流和折流的平均溫差注意:φ值必須大于0.8,否則必須改變換熱器的結構使該條件得以滿足。 實際換熱器中流體流動既有錯流也有折流。傳熱86總傳熱系數的確定及影響因素選取經驗參數法;實驗測定法:由Q=KSΔtm,當S一定時,測定Wh 或Wc 及兩側流體的進出口溫度(6個參數), 通過熱量衡算就可求得某操作條件下的K值;理論計算法:若忽略輻射傳熱的影響時,也可通過 理論計算得出換熱器的K值 (如換熱器的選型設計)確定K值的方法:傳熱87影響K值的主要因素:污垢熱阻——R流體的對流給熱系數α——一般是指不同的流體的流速 對K值的影響。掌握——管內強制湍流條件時有明確——K與α的關系:改變較小的α值對K值的影響較大。傳熱883.7 換熱設備換熱器的結構形式重點掌握間壁式換熱器中典型列管換熱器的結構及特性。了解“(多)管程與(多)殼程的概念”、“流體溫差對換熱器結構的影響”及“固定管板式、U型管式和浮頭式列管換熱器的結構和特點”等傳熱89傳熱902管程單殼程傳熱91帶補償圈的固定管板式換熱器1—折流檔板 2—補償圈 3—放氣口(不凝性氣體)4管程單殼程傳熱92U型管換熱器 1—U形管 2—殼程隔板 3—管程隔板 2管程雙殼程傳熱934管程雙殼程浮頭式換熱器4管程雙殼程傳熱94強化傳熱的目的是以最小的傳熱設備獲得最大的生產能力。傳熱的強化增大傳熱面積S 實踐中換熱管可加裝翅片或改用螺旋翅片管。 增大傳熱推動力Δtm 當工藝條件確定后,Δtm 只能通過采用逆流操作方式來加以提高。提高總傳熱系數K——減少傳熱阻力 減少壁厚或使用導熱系數較大的材料; 防止污垢形成或經常清除污垢; 加大流速,提高湍動程度,減少層流底層的厚度均有利于提高對流傳熱系數。強化傳熱途徑有:傳熱95蒸汽中含不凝氣,壁附近形成一層氣膜,傳熱阻力加大,膜系數急劇下降。自然對流; 膜狀沸騰; 核狀沸騰; 核狀沸騰。增加冷卻水的流量或降低冷卻水的進口溫度外側空氣αo<內側水αi,Ai/Ao<1,則加裝翅片使傳熱阻力減少,而外側的傳熱面積增大,有利于傳熱。外傳熱96ABACDA傳熱97ACA傳熱98√×√×傳熱99答:因為蒸汽管道內的蒸汽溫度一般大大高于環境的溫度,容易因輻射傳熱而損失大量的熱能,因此必須包裹保溫層,而將保溫層外表面涂成白色,降低保溫層的黑度,進而可以進一步降低蒸汽對外的輻射傳熱。答:核狀傳熱系數比膜狀傳熱系數大,因為核狀傳熱過程中流體的擾動劇烈湍流程度比膜狀強;一般將設備的表面做得粗糙,使得大面積沸騰傳熱控制在核狀沸騰。1、工廠的車間里將蒸汽管外保溫層外表涂成白色,為什么?這樣做有何好處?2、由加熱管壁傳熱使液體沸騰,有核狀沸騰和膜狀沸騰兩種方式,哪一種傳熱系數大?為什么?可采取什么措施實現高效的傳熱方式?傳熱1001、某一φ60mm×3mm的鋁復合管,其導熱系數為45 w/(m·K),外包一層厚30mm石棉后,又包一層30mm軟木。石棉和軟木的導熱系數分別為0.16 w/(m·K)和0.04 w/(m·K)。試求:(1)如已知管內壁溫度為-105℃,軟木外側溫度為5℃,則每米管長上損失的冷量為多少?(2)若將兩層保溫材料互換,互換后假設石棉外側的溫度仍為5℃,則每米管長上損失的冷量為多少?(3)以(1)為前提,兩層保溫材料互換后,石棉外側的實際溫度為多少?此時損失的冷量又如何?設互換前后空氣與保溫材料之間的對流傳熱系數不變,并設大氣溫度為20℃。傳熱101傳熱102傳熱103傳熱1042、欲在直立式單程列管換熱器的殼方將流量為0.8kg/s,溫度為80℃的苯蒸氣冷凝并冷卻至30℃,苯的冷凝潛熱為394kJ/kg,液苯的比熱容為1.8kJ/(kg·℃)。換熱器由38根Φ25×2.5mm,長2m的無縫鋼管組成。苯蒸氣在管內冷凝傳熱系數為α0,1=1.4 kw/(m2·℃),液苯在管外的對流傳熱系數為α0,2=1.2 kw/ (m2·℃),冷卻水與液苯呈逆流流動,溫度由20℃升至30℃,試計算:1)冷卻水的用量;2)該換熱器能否滿足要求。計算時可忽略熱損失及污垢熱阻。 已知冷卻水的物性數據為ρ=997 kg/m3,μ=0.894 m Pa·S,Cp=4.18 kJ/(kg·℃),λ=0.608 w/ (m2·℃),換熱管的導熱系數λm=45 w/ (m2·℃)。傳熱105要點: 換熱器是否滿足要求,即是校核換熱器能否滿足生產工藝的條件,在此是校核該換熱器提供的換熱面積是否足夠。另外,當一側流體在換熱過程中既有潛熱的釋放,也有顯熱的傳遞時,由于對流傳熱系數的差異,應采用分段處理的方法分別計算所需的換熱面積,再與換熱器提供的總換熱面積對照,看是否滿足。 傳熱106Q冷卻Q冷凝S冷卻S冷凝熱流體T2tiT1t1t2T1冷流體冷卻段冷凝段傳熱107傳熱108傳熱109傳熱1103、某列管式換熱器按內表面積計算的傳熱面積為A1=50m2,流量為5200m3/h(標準狀態)的常壓空氣,在管內從20℃加熱到90℃,溫度為120℃的飽和水蒸氣在殼程冷凝放熱。已知空氣在標準狀態下的密度ρ0=1.293kg/m2,比熱容Cp=1.005×103J/(kg·K),且假設空氣在管內呈湍流流動,水蒸氣冷凝側熱阻和管壁熱阻均忽略不計。試求:1)總傳傳熱系數;2)當空氣流量增加25%,其出口溫度變為多少?3)若空氣出口溫度不變,則飽和水蒸氣的溫度需為多少?4)若空氣和水蒸氣的溫度均不變,改變管長,則管長為原來的多少倍? 傳熱111傳熱112傳熱113傳熱114解:1)鹽水的出口溫度2)換熱管的段數 每段管子提供的傳熱面積為:S1=πd0L=0.716m2, 所需的總傳熱面積為S0=Q/K0Δtm,n=S0/S
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