項目三傳熱任務一認識傳熱課件

1、項目三 傳熱 項目三 傳熱 1.掌握傳熱的基本概念與基本理論；2.理解傳熱原理及傳熱的過程；3.熟悉傳熱設備結構；4.熟悉傳熱裝置流程及儀表；5.掌握傳熱的計算；6.掌握傳熱裝置的仿真操作和實際運行操作技能；7.掌握常見異常現象的判別及處理方法。知識目標與技能目標1.掌握傳熱的基本概念與基本理論；知識目標與技能目標任務一 認識傳熱任務一 認識傳熱任務導入某工廠為避免鍋爐低溫硫腐蝕，需用高溫水蒸汽加熱冷空氣，提高空氣預熱器入口的空氣溫度至50。要求設計一個方案滿足上述要求。任務導入冷空氣的溫度要升高，需從高溫水蒸汽中吸收熱量，即發(fā)生熱量傳遞過程。在傳熱的過程中依據什么原理，采用什么設備及通過怎樣

2、的流程升溫從而完成傳熱的任務呢？因此我們必須掌握相關的傳熱原理、傳熱的方法、傳熱的相關設備及工藝流程等相關知識。任務分析冷空氣的溫度要升高，需從高溫水蒸汽中吸收熱量，即發(fā)生熱量傳遞一、傳熱基礎知識 熱量傳遞總是自高溫處至低溫處傳遞。傳熱的方式有熱傳導、對流傳熱、熱輻射三種。知識鏈接一、傳熱基礎知識 熱量傳遞總是自高溫處至低溫處傳遞。傳加熱或冷卻換熱 保溫1.傳熱在化工中的應用 傳熱設備在化工廠設備投資中可占到40%左右。 加熱或冷卻1.傳熱在化工中的應用 傳熱設備在化工廠設備投資中削弱傳熱過程 2.化工生產過程對傳熱過程的要求 強化傳熱過程削弱傳熱過程 2.化工生產過程對傳熱過程的要求 強化傳

3、熱過3.傳熱過程冷熱流體的接觸方式（1）直接接觸式(混合式傳熱)液體氣體3.傳熱過程冷熱流體的接觸方式（1）直接接觸式(混合式傳熱)（2）蓄熱式結構較簡單耐高溫低溫流體高溫流體設備體積大有一定程度的混合缺點：優(yōu)點：（2）蓄熱式結構較簡單低溫流體高溫流體設備體積大缺點：優(yōu)點：（3）間壁式 傳熱面為內管壁的表面積 套管換熱器（3）間壁式 傳熱面為內管壁的表面積 套管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流體t1t2列管換熱器傳熱面為殼內所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流間壁式傳熱的3步驟： a .熱流體靠對流傳熱將熱量Q傳給金屬壁一側給熱； b.熱量自管壁一側以熱傳導

4、的形式傳至另一側導熱； c. 熱量以對流傳熱形式從壁面?zhèn)鹘o冷流體給熱。間壁式傳熱的3步驟： a .熱流體靠對流傳熱將熱量4.熱載體及其選擇 加熱劑：熱水、飽和水蒸氣 礦物油或聯苯等低熔混合物、煙道氣等 用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等 冷卻溫度30C 水 加熱溫度180C 飽和水蒸氣4.熱載體及其選擇 加熱劑：熱水、飽和水蒸氣冷卻劑：水、空氣熱傳導機理：又稱導熱，借助物質的分子、原子或自由電子的運動將熱量從物體溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位的過程。熱傳導可發(fā)生在物體內部或直接接觸的物體之間。熱傳導過程中，沒有物質的宏觀位移。熱傳導不僅發(fā)生在固體中，也是流體內的一種傳熱方式。二、傳

5、熱機理（一）熱傳導熱傳導機理：二、傳熱機理（一）熱傳導1傅立葉定律傅里葉定律是導熱的基本定律，表達式式中 Q導熱速率，J/s或W； 導熱系數，W/（mK）； A垂直于導熱方向的導熱面積，m2； dt/dx溫度梯度，是導熱方向上溫度的變化率。 由于導熱方向為溫度下降的方向，故右端加一負號。1傅立葉定律傅里葉定律是導熱的基本定律，表達式式中 2導熱系數 導熱系數是表征物質導熱性能的一個物性參數，越大，導熱性能越好。導熱性能的大小與物質的組成、結構、密度、溫度及壓力等有關。 物質的導熱系數通常由實驗測定。各種物質的導熱系數數值差別極大，一般而言，金屬的導熱系數最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最

6、小。工程上常見物質的導熱系數可從有關手冊中查得。2導熱系數 導熱系數是表征物質導熱性能的一個物性3傅立葉定律的工業(yè)應用 工業(yè)生產中的導熱問題大多是圓筒壁中的導熱問題。設圓筒壁的內、外半徑分別為r1和r2，長度為l，圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變。若圓筒壁內、外表面溫度分別為tw1和tw2，且tw1tw2。若在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的薄層圓筒，其傳熱面積可視為常量，等于2rl；同時通過該薄層的溫度變化為dt根據傅立葉定律通過該薄層的導熱速率可表示為3傅立葉定律的工業(yè)應用 工業(yè)生產中的導熱問題大多是圓筒壁中分離變量積分并整理得單層圓筒壁的導熱速率公式 :導熱速率可表示為傳熱推動力與傳熱

7、阻力之比:則圓筒壁的導熱熱阻R為令圓筒壁平均面積Am為:rm圓筒壁的對數平均半徑，m；分離變量積分并整理得單層圓筒壁的導熱速率公式 :導熱速率可表整理可得式中 圓筒壁的厚度，m； R= 單層圓筒壁導熱熱阻，K/W。 整理可得式中 圓筒壁的厚度，m；（二）對流傳熱1.對流 對流，又稱給熱，是指利用流體質點在傳熱方向上的相對運動來實現熱量傳遞的過程。 根據引起流體質點相對運動的原因不同，又可分為強制對流和自然對流。 強制對流：流體質點的相對運動是由外力作用（如泵、風機、攪拌器等）而引起的； 自然對流：流體質點的相對運動是由流體內部各部分溫度的不同而產生密度的差異而引起的。 流體在發(fā)生強制對流時，往

8、往伴隨著自然對流，但一般強制對流的強度比自然對流的強度大得多。（二）對流傳熱1.對流2.對流傳熱的分析2.對流傳熱的分析湍流主體:流體質點湍動劇烈，傳熱溫度差極小，各處的溫度基本相同，傳熱方式主要為對流，其熱阻很小，傳熱速度極快。層流底層:在傳熱方向上沒有質點位移，傳熱方式主要為熱傳導，傳熱溫度差大，熱阻大。過渡層：傳熱方式既有對流又有熱傳導，有一定的溫度差及熱阻。 對流傳熱熱阻主要集中在層流內層中，因此，減薄層流內層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。湍流主體:流體質點湍動劇烈，傳熱溫度差極小，各處的溫度基本相3.對流傳熱基本方程牛頓冷卻定律 式中 Q 對流傳熱速率，W； 對流傳熱膜系數，W（m

9、2K）; A對流傳熱面積，m2； t流體與壁面間溫度差的平均值，K; R1/（ ）對流傳熱熱阻，K/W；3.對流傳熱基本方程牛頓冷卻定律 式中 Q 4.對流傳熱膜系數 對流傳熱膜系數反映了對流傳熱的強度，越大，說明對流強度越大，對流傳熱熱阻越小。氣體的 值最小，液體的 值次之,載熱體發(fā)生相變時的 值最大。 4.對流傳熱膜系數 對流傳熱膜系數反映了對流傳熱的（1）對流的形成原因 影響對流傳熱膜系數的因素有以下方面：（2）流體的性質 （3）相變情況（4）流體的運動狀態(tài)（5）傳熱壁面的形狀、位置及長短等（1）對流的形成原因 影響對流傳熱膜系數的因素有以下方面：（1）無相變時對流傳熱膜系數的關聯式由于

10、影響 的因素很多，要建立一個通式求各種條件下的 是不可能的。通常是采用實驗關聯法獲得各種條件下 的關聯式。流體無相變傳熱時的對流傳熱膜系數的 關聯式為 Nu=ARemPrnGrh 使用關聯式時應注意以下幾個方面:應用范圍特征尺寸定性溫度（1）無相變時對流傳熱膜系數的關聯式由于影響 的因素很多，特征數的名稱及意義 特征數的名稱及意義 無相變流體在圓直管內作強制湍流時的關聯式: A.低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度） 或 式中n的取值方法是：當流體被加熱時，n0.4；當流體被冷卻時，n0.3。 無相變流體在圓直管內作強制湍流時的關聯式: A.低粘度流體（應用范圍：Re10000，0.7Pr120；

11、管長與管徑之比l/di60。若l/di60，將由式（2-10a）算得的乘以1（di/ l）0.7加以修正。特征尺寸l：取管內徑di。 定性溫度： 取流體進、出口溫度的算術平均值。 應用范圍：B.高粘度液體 應用范圍、特征尺寸及定性溫度與上式相同。 為粘度校正系數，當液體被加熱時， 1.05；當流體被冷卻時， 0.95。 B.高粘度液體 應用范圍、特征尺寸及定性溫度與上式相同。 當飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸時，蒸汽將釋放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體，發(fā)生在蒸汽冷凝和壁面之間的傳熱稱為冷凝傳熱。 定義:方式: 膜狀冷凝:冷凝液能夠潤濕壁面，在壁面上形成一層液膜；滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，在壁

12、面上形成許多小液滴。 （2）流體有相變化時的對流傳熱 A.蒸汽的冷凝當飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸時，蒸汽將釋放出潛熱，并在壁面A.沸騰給熱 概念:液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產生汽泡的過程稱為沸騰。 工業(yè)應用:再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐A.沸騰給熱 概念:液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產生汽泡設備的尺寸與形狀 大容積沸騰 管內沸騰(強制對流沸騰） 管內液流的主體溫度是否達到相應壓力下的飽和溫度 過冷沸騰：若液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱表面上有氣泡產生，稱為過冷沸騰 熱量的傳遞: 通過汽化冷凝過程實現 飽和沸騰：當液流主體溫度達到飽和溫度，則離開加熱面的氣泡不再重新凝結。這種沸騰稱為飽

13、和沸騰。 液體在加熱面上沸騰的分類: 設備的尺寸與形狀 大容積沸騰 管內沸騰(強制對流沸騰） 管內氣泡形成的條件: 過熱度：t=tWts 汽化核心：一般為粗糙加熱面的細小凹縫處汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層 沸騰給熱時，氣泡的生成和脫離對該薄層液體產生強烈擾動，使熱阻大為降低。 沸騰給熱的熱阻集中于緊貼加熱表面的液體薄層內。氣泡形成的條件: 過熱度：t=tWts 汽化核心生成汽大容積飽和沸騰曲線 AB段表面汽化階段 BC段核狀沸騰階段 2.2 C t55C CD段不穩(wěn)定膜狀沸騰階段 DE段穩(wěn)定膜狀沸騰階段 t250C t2.2C 55 C t250C 工業(yè)上：核狀沸騰優(yōu)點：大，

14、tW小大容積飽和沸騰曲線 AB段表面汽化階段 BC段沸騰傳熱的影響因素及強化措施:強化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）在核狀沸騰階段溫差提高， 液體的性質溫差操作壓強新的、潔凈的、粗糙的加熱面加熱面強化措施：將表面腐蝕，燒結金屬粒沸騰傳熱的影響因素及強化措施:強化措施：加表面活性劑（乙醇、B. 冷凝給熱 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝B. 冷凝給熱 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝冷凝過程的熱阻:蒸汽冷凝的水平管束外式中 n水平管束在垂直列上的管子數； r汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：定性溫度：膜溫t=(t+tw)/2 管外徑do液膜的厚度冷凝過程的熱阻:蒸汽冷凝的水平管束外式中 n

15、水平湍流豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re1800特性尺寸l：定性溫度：膜溫 管外徑或板高H湍流豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re10m/s ）冷凝液,；潛熱r , 同向時， ；反向時， ； u 蒸汽過熱 冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列 包括冷卻和冷凝兩個過程。蒸汽過熱 冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂比較:膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，蒸汽的冷凝在液膜的表面進行，冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。在滴狀冷凝過程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于沒有液膜阻礙熱流，故其 很大，是膜狀冷凝的十倍左右。工程上要保持滴狀冷凝是很

16、困難的。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經過一段時間后，由于液珠的聚集，大部分都要變成膜狀冷凝。為了保持滴狀冷凝可采用各種不同的壁面涂層和蒸汽添加劑，但這些方法還處于研究和實驗中。故在進行冷凝計算時，為安全起見一般按膜狀冷凝來處理。 比較:膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，蒸汽的冷凝在液膜的表面進行，輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。 特點： 能量傳遞的同時還伴隨著能量形式的轉換； 不需要任何介質。（三） 固體輻射1.基本概念輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。熱輻射：物體由于熱的原能量守恒定律：2.能量守恒定律的應用 穿透率反射率吸收率能量

17、守恒定律：2.能量守恒定律的應用 穿透率反射率吸收率 黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d = f(物體性質、溫度、表面、輻射波長）固體、液體：氣體：r=0 a+d=1d=0 r+a=1a=1r=1d=1 黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d = f(物體性質、3.物體的輻射能力 物體在一定溫度下，單位表面積，單位時間內所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到），W/m2。 物體的單色輻射能力：物體在一定溫度下，發(fā)射某種波長的能力；以E表示，單位W/m3。輻射能與單色輻射能的關系：普朗克定律3.物體的輻射能力 物體在一定溫度下，單位表面0黑體輻射常數，=5.67 10-8W/(m2 .K4)；C0黑

18、體輻射系數，=5.67W/(m2 .K4)斯蒂芬-波爾茨曼定律(1)輻射能力 四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感。4.黑體的輻射能力與吸收能力(2)吸收能力 a=1 0黑體輻射常數，=5.67 10-8W/(m2 .K5.實際物體的輻射能力與吸收能力(1).輻射能力物體的黑度： 1 說明： 黑度表示實際物體接近黑體的程度 影響物體黑度的因素 物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長 物體的黑度是物體的一種性質，只與物體本身的情況有關，與外界因素無關，其值可用實驗測定. 物體的黑度不單純是顏色的概念 以黑度表征5.實際物體的輻射能力與吸收能力(1).輻射能力物體的黑度：(2)吸收能力 特點 a.

19、部分吸收 a1 b. 對不同波長的輻射能吸收的程度不同 c. 影響因素：物體本身的情況(物體種類，表面溫度，表面頭部等)，輻射物體的情況（即所輻射的波長） 結論：實際物體的吸收率a比黑度更復雜。(2)吸收能力 特點 a. 部分吸收 a1 b. 對不6.灰體的輻射能力和吸收能力 (1)灰體 以相同的吸收率吸收所有波長的輻射能的物體。 灰體的吸收率不隨輻射線的波長而變。 灰體為不透熱體，即a+r=1 (2)灰體的特點(3) 灰體的吸收能力吸收率a克?；舴蚨?4)灰體輻射能力表征黑度6.灰體的輻射能力和吸收能力 (1)灰體 以相同的吸收7.兩固體間的相互輻射 任意放置的灰體1和2，其面積分別為A1和A2，表面溫度分別為T1和T2不變。兩灰體表面的輻射能力和吸收率分別為E1、E2和a1、a2 。系統(tǒng)黑度 7.兩固體間的相互輻射 任意放置的灰體1和2，式中Q12高溫物體1向低溫物體2傳遞的熱量，W； 1-2幾何因子或角系數； A輻射面積，m2； T1高溫物體的溫度，K