《化工单元操作》传热与传热设备课件.ppt
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1、化工单元操作传热与传热设备4.1 概述(1)传热原理热力学第二定律:只要存在温度差,热量会自发从高温 传递向低温,直至温度相等。传热方向:传热极限:传热推动力:高温低温温度相等温度差传热应用:科研、生产、生活(2)传热的基本方式热传导:对流:辐射:实际传热过程:固体的主要传热方式分子无规则热运动,使相邻分子间传热传热速率相对较慢单纯的导热,物体各部分之间无宏观运动流体主要传热方式流动中,流体质点相互碰撞,传热传热速率与流动状态密切相关物体发射电磁波,在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质,两物体不需接触物体温度,热辐射能力。三种方式同时存在 传热的目的:1)加热或冷却,使物料达到指定的温
2、度;2)通过换热,回收利用热量;3)保温,以减少热损失。典型换热设备:间壁式换热器(冷,热流体间换热)(4)传热在工业的应用(3)稳态传热和非稳态传热 稳态传热:各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热:各点温度随位置和时间而变列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热 对流传热Q导热图4-2 间壁换热(5)本章研究的主要问题1)三种传热机理(计算热流量)2)换热器计算(设计、校核)3)换热设备简介热传导机理 气体:温度不同的相邻分子相互碰撞,造成热量传递。液体:分子间作用力较强,由相邻分子振动导致热传递。固体:相邻分子的碰撞或电子的迁移。4.2 热传导(导热)4.2.1 基本概念和傅立叶定律(1
3、)温度场 指:所研究的具有一定温度分布的空间范围。稳态温度场:非稳态温度场:稳态传热:稳态温度场中的传热 各点热流量不随时间变化(2)描述温度场特性的几个参数 等温面 指:具有相同温度的点组成的面 特点:等温面不会相交 温度梯度 指:沿等温面法线方向的温度变化率方向:沿温度增高方向为正,且与等温面垂直(3)热流量:,w(J/s)热流密度:(4)傅立叶定律:热导率,w/mK,w/m A:传热面积,m2 垂直于热流方向的面积-:与 方向相反(热流量从高温低温)付立叶定律表明:4.2.2 热导率说明:物性参数,标志物质导热性能(书P239-240)影响因素:=f(材料,结构,温度,湿度,压强)定义式
4、:一般规律:气体-液体-固体-t1 t24.2.3 平壁的稳态导热(1)单层平壁稳态导热 条件:平壁、一维稳态导热(x方向)内容:热流量计算、温度分布 对平壁做热量衡算:对稳态传热:热导率为常数平壁内的温度分布:即:沿壁厚方向,温度分布为一直线.热导率和温度有关 方法一方法二:按=const公式做,把 m即:=f(t)时,沿壁厚方向,温度分布为非线性平壁内的温度分布:(2)多层平壁的稳态导热 条件:多层平壁 一维稳态导热(x方向)则:2、各层厚度相同时,哪层温差大 问题:1、多层平壁温度分布()L与平壁稳态导热的异同点相同点:一维稳态导热,=常数不同点:热流方向(径向)传热面积沿径向不同4.2
5、.4 长圆筒壁的稳态导热(1)计算热流量 单层圆筒壁 沿径向取一小薄层,由傅立叶定律:多层圆筒壁(2)圆筒壁内温度分布 可由傅立叶定律得出:即:沿半径方向,温度分布为非线性.4.2.5 圆球壁的稳态导热(自学)热流量:温度分布:非线性稳态导热时,平板上两层保温材料的温度分布如图,(A、B两层厚度相等),则:A层的热导率 B层的热导率;大于A Bxt提出问题?解:换位置:一蒸汽管外壁温为160,管外径为100,采用石棉及85%氧化镁粉保温,保温层厚度均为5cm,石棉保温层在内侧,设环境温度为40。(1)试求单位管长的热损失,(2)将保温层位置交换,热损失有何变化?r1r2r3小结:1.概述 传热
6、的基本方式:热传导、对流、辐射 稳态传热与非稳态传热2.热传导 基本概念:温度场、等温面、温度梯度、傅立叶定律:热导率:实验方法测定 热传导计算热流量计算:温度分布平壁:每层为线性分布,层间斜率不同圆筒壁:沿径向非线性分布(1)机理:流动中,流体质点碰撞、混合,传递热量。是流体的主要传热方式。对流传热与流体流动状况密切相关 湍动程度越高,对流的传热速率越大。层流流体:热传导;湍流流体:对流传热为主,包括热传导。分类:自然对流:温差引起密度差,造成流体流动。强制对流:流体靠外加动力流动,造成对流。(2)对流传热 工程上,指流体和固体壁面间的传热过程 包括对流传热和热传导4.3 对流传热流体主体热
7、边界层内4.3.1 热边界层的概念(1)热边界层 近壁处,流体温度显著变化的区域。(2)热边界层的厚度(3)热边界层内(近壁处)认为:集中全部的温差和热阻 热边界层外(流体主体)认为:等温区,无温差和热阻(4)热边界层同样有一个发展过程 圆管内,(5)热边界层与流动边界层关系 区别:本质不同;厚度不一定相等。联系:研究问题方法相似;两者密切相关:分析湍流流动的传热边界层湍流区:缓冲层:层流内层:质点通过相互混合传热,温度变化小;质点混合、分子运动共同作用传热,温度变化平缓。流体层流,质点不相混合,热传导为主,热阻大,温差大。结论:流动边界层对传热边界层影响显著,改善流动状况,特别是减薄层流内层
8、厚度,可使传热速率大大提高。热流体冷流体对流传热 对流传热Q导热图4-2 间壁换热th1th2tc1tc2th,wtc,w4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数(1)牛顿冷却定律说明:实验定律;对壁两侧流体(冷、热)均适用 热流体:冷流体:h是计算关键,一般由实验测定;(2)对流传热过程的简化模型 真实模型 流体主体过渡层 层流内层 对流 对流,导热 导热 研究方法:计算各层的热流量简化模型 有效膜(虚拟膜):集中全部温差,以热传导方式传热。优点:把对流传热问题 导热问题(1)流动状态 湍动,代价:湍动,动力消耗。4.4 表面传热系数的经验关联4.4.1 影响表面传热系数的因素(2)流动原
9、因 强制对流,外部机械作功,一般流速较大,h也较大。自然对流,由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小,h也较小。(3)流体的物性:CP:问题:查取物性的温度 定性温度:计算表面传热系数的特征温度 一般,(4)传热面条件的影响 壁面的形状,尺寸,位置、管排列方式等,造成边界层分离,增加湍动,使h增大。(5)相变化的影响 有相变传热:蒸汽冷凝、液体沸腾 无相变传热:强制对流、自然对流 一般的,有相变时表面传热系数较大。例:水 强制对流,蒸汽冷凝,4.4.2 无相变时对流传热过程的量纲分析(1)量纲分析优点:依据:步骤:减少实验次数物理方程各项量纲一致(2)描述对流传热的四个重要无量纲数(3)无量
10、纲准数的物理意义 努赛尔数 反映对流传热的强弱,包含表面传热系数 努赛尔数恒大于1 雷诺数 反映流动状态对h 的影响。l:特征尺寸,平板-流动方向的板长 管-管径或当量直径 普朗特数 反映热扩散和动量扩散的相对大小;反映流动边界层和热边界层的相对厚度 反映流体物性对传热的影响使用时注意:*查取定性温度下的物性;*计算所用单位物理意义:反映自然对流的强弱程度 格拉晓夫数(浮升力特征数)强制对流:自然对流:混合对流:4.4.3 无相变时对流传热无相变对流传热:其中,(1)无相变管内强制对流 一般关系式:流动状态不同,则 c,m,n 不同。其规律见图4.4.1传热流动状态划分(区别于流体流动时规律)
11、层流 湍流 过渡流 流体被加热,n=0.4 流体被冷却,n=0.3 原因:书P257 自学 园形直管内湍流流体的表面传热系数 a)一般流体定性温度:tm=(t1+t2)/2 特征尺寸:管内径di说明:保证流体达到传热湍流;适用条件:原因:避开传热进口段,保证稳态传热。传热进口段:传热正在发展,h不稳定(随管长增加h减小)动画传热进口段长度:进口到传热边界层汇合点间的长度 层流 湍流 经验公式,有一定误差保证流体低粘度近似取:液体被加热 液体被冷却适用条件:b)粘度较大流体定性温度:tm=(t1+t2)/2 特征尺寸:管内径dic)流体流过短管(l/d50)影响:处于传热进口段,表面传热系数较大
12、。计算:采用以上各式,并加以校正 d)圆形直管内过渡流时表面传热系数 过渡流:计算:采用湍流公式,但需加以校正。说明:设计换热器时,一般避免过渡流。e)圆形直管内强制层流 特点:1)传热进口段的管长所占比例较大 2)热流方向不同,也会影响。3)自然对流的影响,有时不可忽略 计算:适用条件:定性温度:tm=(t1+t2)/2 特征尺寸:管内径di f)圆形弯管内的强制对流 特点:离心力使径向压力不均,产生二次环流 后果:流体湍动程度增加,使h增加;同时,流动阻力损失增加。计算:g)非圆形管内强制对流方法 1、采用圆形管内相应的公式计算 但特征尺寸采用当量直径2、最好采用专用、经验公式。如:套管环
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