化學(xué)工程基礎(chǔ)第2章

1、中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.1 概述溫度差是熱量傳遞的原因。熱力學(xué)：熱能傳遞要遵守能量守恒定律即熱量衡算方程。傳熱學(xué)：研究熱量傳遞的速率和傳熱機(jī)理，分析影響傳熱速率的因素，導(dǎo)出定量關(guān)系式，即傳熱速率方程。只有熱力學(xué)(熱量衡算方程)和傳熱學(xué)(傳熱速率方程)相結(jié)合，才能解決傳熱問(wèn)題，從而去強(qiáng)化傳熱或削弱傳熱。 中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞熱對(duì)流熱對(duì)流流體各部分之間存在宏觀運(yùn)動(dòng)的熱量傳遞過(guò)程熱輻射物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過(guò)程熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)通過(guò)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)及相互碰撞傳送能量的方式2.1.1 傳熱的基本方式層流的垂直方向?qū)恿鞯拇怪狈较蜃匀粚?duì)流自然

2、對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.1.2 傳熱中冷、熱流體的接觸方式(一) 直接接觸式傳熱冷熱流體直接接觸傳熱，如在真空蒸發(fā)操作中，將水蒸氣流經(jīng)混合冷凝器與冷卻水直接接觸而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝氣由真空泵抽走，保證在恒定負(fù)壓下的連續(xù)真空蒸發(fā)操作。中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.1.2 傳熱中冷、熱流體的接觸方式(二) 間壁式傳熱套管換熱器列管換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.1.2 傳熱中冷、熱流體的接觸方式(三) 蓄熱式傳熱由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)充填耐火磚等填料。它的傳熱方式是：首先將熱流體通入蓄熱室將填充物加熱，之后再通入冷流體，使

3、冷流體被已升溫的蓄熱室加熱，達(dá)到冷、熱流體之間的傳熱目的。一般這種傳熱方式只適用于氣體、且允許少量物質(zhì)參混的情況。中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.1.3 載熱體及其選擇為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給或取走熱量，此流體稱為載熱體。常用的加熱劑有：熱水和飽和水蒸氣煙道氣高溫載熱體：礦物油、聯(lián)苯-二苯醚混合物、熔鹽常用的冷卻劑有：水，空氣，冷凍鹽水中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2 熱傳導(dǎo)2.2.1 傅里葉定律（一） 溫度場(chǎng)和溫度梯度物系內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的總和稱為溫度場(chǎng)任意點(diǎn)的溫度是空間位置和時(shí)間的函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：00),(0),(),(zTyTtTxfTtTzyxfT

4、tzyxfT不穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)一維穩(wěn)態(tài)第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.1 傅里葉定律（一） 溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)組成等溫面，空間任一點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)溫度，故溫度不同的等溫面不可能相交。將兩相鄰等溫面的溫度差T與其法線方向上的距離n之比的極限稱為溫度梯度，即0limd()dnTTnnTx 穩(wěn)態(tài)一維溫度場(chǎng)中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.1 傅里葉定律（二） 傅里葉定律和熱通量通過(guò)等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比nTSQSQnTSQnTSQddKmW:m:W:dddd1 -1 -2導(dǎo)熱系數(shù)，方向的截面積，導(dǎo)熱面積，垂直于熱流導(dǎo)的熱量，導(dǎo)熱速率，

5、單位時(shí)間傳，中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.1 傅里葉定律123-2-sm:mJ:mW:d)d(d)d(dd數(shù)，導(dǎo)溫系數(shù)或熱量擴(kuò)散系熱量濃度，熱流密度或熱通量，aTcqcanTcanTccnTSQqppppp(熱流密度)= (熱量擴(kuò)散系數(shù)) (熱量濃度梯度)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、等壓熱容、密度為恒量的穩(wěn)態(tài)一維導(dǎo)熱中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 固體的導(dǎo)熱系數(shù)01a t(二) 液體的導(dǎo)熱系數(shù)ddqTn 中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(三) 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.3 平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(一) 單層平壁熱傳導(dǎo)1212121

6、2dd0,;,()tQSxxtt xb ttQS ttbtttQbRSttQtqbSR R，R：導(dǎo)熱熱阻過(guò)程的推動(dòng)力過(guò)程傳遞速率過(guò)程的阻力中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(二) 多層平壁熱傳導(dǎo)23341212312314312123iiiittttttQbbbSSSttQbbbSSStQbStqb總推動(dòng)力總熱阻 312122334123123:bbbttttttRRRSSS:：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.3 圓筒壁導(dǎo)熱1221dd2ddd2d2()lnttQSrLrrrQL trLttQrr 中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.3 圓筒壁

7、導(dǎo)熱12211212121221122121121222112()ln()()()()2()2=lnln2mmmmmmmmLttQrrS ttttQbbSSttSttQbrrSttL rrrrttttSLrrQrrbbbSL rrr (平壁)，(圓筒)R中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2.2.3 圓筒壁導(dǎo)熱123143121231,12,23,3324321,1,2,32341321432411223311111,+=2()2()2(),lnlnln2()111lnlnln1ln2mmmmmmnnniiim iitttttQbbbRRRSSSL rrL rrL rrSSSrrrrrrL tt

8、QrrrrrrttttQQbrSL 或11niiir中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞12212()lnLttQrr 中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理(一) 不同流動(dòng)狀態(tài)下的溫度分布中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理(二) 流動(dòng)邊界層和熱邊界層的相似熱邊界層：在壁面附近存在溫度梯度的流體層中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞)tbf(傳熱有效膜厚度中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3. 3 對(duì)流傳熱速率(一) 對(duì)流傳熱速率牛頓公式（牛頓冷卻定律）dd:11QT SQS TTQSS 牛頓公式：（傳熱系數(shù)）平均值：對(duì)流傳熱熱阻中國(guó)人民大學(xué)化

9、學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3. 3 對(duì)流傳熱速率(二) 傳熱系數(shù)1. 傳熱系數(shù)的物理意義1121()W mKW mKQS T單位溫差下單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率導(dǎo)熱系數(shù) ：是物性常數(shù) 傳熱系數(shù) ：不是物性常數(shù) 流體的種類和物性流體的流動(dòng)原因流體的流動(dòng)狀況傳熱面的形狀、布置和大小中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞00ddd=dyyTQSyQS TTTy 壁面，熱傳導(dǎo)流體主體對(duì)流傳熱微分方程2. 3. 3 對(duì)流傳熱速率1. 傳熱系數(shù)的物理意義中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3. 3 對(duì)流傳熱速率2. 的數(shù)值范圍中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 3. 3 對(duì)流傳熱速率膜狀冷凝滴狀冷凝蒸

10、汽冷凝冷凝相變和沸騰相變冷凝相變和沸騰相變中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4 傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式p邊界微分方程的數(shù)學(xué)解法p以量綱分析法為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法p熱量和動(dòng)量傳遞的比擬法傳熱系數(shù)的確定方法：0d=dyTTy中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4. 1 傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(一) 傳熱系數(shù)的影響因素流體的種類和物性流體的流動(dòng)原因流體的流動(dòng)狀況傳熱面的形狀、布置和大?。↙）中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4. 1 傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(二) 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立( , , , , ):Nu(Re,Pr)( , , , ,):Nu(,Pr)ppf LcuFf LcgtGr 無(wú)相變時(shí)強(qiáng)

11、制對(duì)流：通過(guò)量綱分析得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式對(duì)自然對(duì)流傳熱：通過(guò)量綱分析得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4. 1 傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(三) 流動(dòng)無(wú)相變時(shí)的關(guān)聯(lián)式流體在圓管內(nèi)呈強(qiáng)制對(duì)流流體在圓管內(nèi)呈強(qiáng)制層流流體在圓管內(nèi)呈過(guò)渡流自然對(duì)流中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4. 2 熱量和動(dòng)量傳遞的比擬法類似率熱量傳遞動(dòng)量傳遞傳遞機(jī)理、傳遞過(guò)程和傳遞的物理數(shù)學(xué)模型傳熱系數(shù)摩擦系數(shù)中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 4. 2 熱量和動(dòng)量傳遞的比擬法類似率ff2/32/3bfmm1/3mmNuSt8Re Pr1St8 1A(Pr 1)NuSt PrPrRePr8pbpbcujjcuHH雷

12、諾類似率：普朗特-泰勒類似率：柯?tīng)柋?類似率：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求的熱負(fù)荷，確定換熱器的面積校核計(jì)算：計(jì)算給定換熱器的傳熱量、流體流量和溫度2. 5 傳熱過(guò)程的計(jì)算熱力學(xué)熱力學(xué)：熱量傳遞要遵守能量守恒定律即熱量衡算方程傳熱學(xué)傳熱學(xué)：研究熱量傳遞的速率和傳熱機(jī)理，分析影響傳熱速率的因素，導(dǎo)出定量關(guān)系式，即傳熱速率方程中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5 傳熱過(guò)程的計(jì)算2. 5. 1 熱量衡算,hh,cc,hh,1h,2,cc,2c,1,h,h,c,c,h,h12,c,c21,h,c,c21ddd()()ddd()()()mmmmmpm

13、pmpmpmmpQqHqHQqHHqHHQqCTqCtQqCTTqCttQqrqCtt 間壁式換熱器，微單元的熱量衡算式：對(duì)整個(gè)換熱器：若流體無(wú)相變，比熱取平均溫度下的值：若換熱器內(nèi)流體是飽和蒸汽冷凝：若蒸汽冷凝后又降,h,hs2,c,c21()()mpmpQqrCTTqCtt溫才流出換熱器：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 2 總傳熱速率方程mmiimoommmmd()dd1/QK TtSK t SQKS ttQKSQK StK StK St總傳熱速率微分方程：整個(gè)換熱器的總傳熱速率方程：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 3 總傳熱系數(shù)(一) 總傳熱系數(shù)的計(jì)算WWW3

14、12123oiimoo123123oiimooooiimod111dddd111ddddddd11ddWTTTttttttTttQbRRRRK SSSSttttbQRRRRK SSSSSb SKSS ；中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 3 總傳熱系數(shù)iimoooiimmooiimoiomiodd11dddddd ,dd11111ooooSb SKSSSdSdSd lSdSddbdKdddddbK當(dāng)傳熱面為平壁或薄管壁時(shí)：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 3 總傳熱系數(shù)(二) 污垢熱阻ooos,is,oiiimos,is,oio11111ddbdRRKdddbRRK(三)

15、 換熱器中總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值(四) 關(guān)于提高K值的討論io111bK中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 4 傳熱平均溫度差恒定溫差-恒溫傳熱：兩側(cè)流體均處于飽和溫度下的相變過(guò)程t=Tb-tb變化溫差-變溫傳熱：間壁兩側(cè)有一側(cè)流體無(wú)相變或兩側(cè)流體均無(wú)相變中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 4 傳熱平均溫度差并流：兩流體平行而同向流動(dòng)逆流：兩流體平行而反向流動(dòng)錯(cuò)流：兩流體互相垂直流動(dòng)簡(jiǎn)單折流：一流體沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)折流復(fù)雜折流：兩流體均反復(fù)折流mQKS t整個(gè)換熱器的總傳熱速率方程：中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 逆流和并

16、流的平均溫差中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 逆流和并流的平均溫差qqccKm,hm,cp,hp,c傳熱為定態(tài)操作過(guò)程，流體流量和為常量比定壓熱容和,總傳熱系數(shù) 沿程為常量換熱器熱損失可忽略中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 逆流和并流的平均溫差m,h,hm,c,cm,h,hm,c,cd()ddd =dddppppSQK TtSK t SQqcT qctQQqcqcTt 取換熱器微單元分析：傳熱速率微分方程：d熱量衡算微分方程：ddd=常量，常量中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2121,()()ddd()ddddTtQTAQktA QkTttAA QkktQt QtttQQQK

17、 TtSK t StttK t SQ 變量 或 對(duì) 均為直線關(guān)系，故可寫(xiě)成直線方程：兩式相減：對(duì) 仍為直線關(guān)系。- 直線的斜率為：此式與聯(lián)立，得中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞21s21022112121212122111dd1ln()ln()ln22ttmmmtttSKtQtttSKtQttQKSKS ttttttttttttt在整個(gè)換熱器范圍積分總傳熱速率方程適用于并流和逆流時(shí)，中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(二) 錯(cuò)流和折流的平均溫差21111221( :)( , )mmttf P RttPTtTTRtt 溫差校正系數(shù)冷流體的溫升兩流體的最初溫差熱流體的溫降冷流體的溫升中國(guó)人民大學(xué)

18、化學(xué)系第2章 熱量傳遞2121lnmttttt100 3835 20100 3820 35(三) 不同流動(dòng)型式的比較T1T2T1T2t2t1t1t2中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 5. 5 換熱器傳熱計(jì)算舉例中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 6 換熱器2. 6. 1 間壁式換熱器(一) 管式換熱器1. 蛇管換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞2. 6 換熱器2. 6. 1 間壁式換熱器(一) 管式換熱器1. 蛇管換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 管式換熱器2. 套管換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(一) 管式換熱器3. 列管換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞(二) 板式換熱器1. 夾套換熱器2. 螺線板式換熱器(三) 翅片式換熱器中國(guó)人民大學(xué)化學(xué)系第2章 熱量傳遞