导热系数的综合关系.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 传 热,Heat Transfer,第一节 概述,一、传热,即热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程，由热力学第二定律知：凡是有温度差存在的地方就会有热的传递，故在能源、化工、冶金、机械等工业部门都涉及到传热的问题。,二、化工中的传热,（,1,）化学反应在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需向反应器输入和输出热量。,（,2,）在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也要输入和输出热量。,（,3,）化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的回收等。,三、两种传热情况,（,1,）强化传热，如各种换热设备中的传热。,（,2,）削弱传热，对设备和管道的保温，以减少热损失。,四 传热的三种基本方法,热的传递是由于,T,引起的，净的热流方向总是由,T,高,T,低,，根据传热的机理不同，有三种形式：传导、对流、辐射。,一、热传导（又称导热）,若物体上的两部分间连续存在着温度差，则热将从高温部分自动流向低温部分，直至整个物体的各部分温度相等为止，此种传热方式称为热传导，又称导热。固体中热的传递是典型的热传导。,1,、在金属固体中，起因于自由电子的运动。,2,、在不良导体的固体和部分液体中，起因于个别电子的动量传递。,3,、在气体中，热传导是由分子不规则运动而引起的。,注意：在热传导时，物体内的分子或质点不发生宏观运动。,二、对流传热,对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换过程，因而对流只能发生在流体中。在化工生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。,1,、强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。,2,、自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。,三、辐射,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。,1,、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体,2,、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。,3,、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。,高温物体,辐射能,低温物体,几点说明：,上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过程往往是两种或三种基本传热方式的组合。,例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。,传热的基本物理量,1,热量,Q,单位,J,1J=1N,m,2,传热速率,也称热流量,指单位时间传递的热量,.,=Q/,单位,w,1w=1J,s,-1,工程中常用,传热速率单位是,kcal,h,-1,换算,:1cal=4.187J,1kcal=4187J,1w=,1J,/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860,kcal,h,-1,3,热流密度,指单位时间单位面积传递的热量,q=,/A=Q/A,4,比定压热容,c,p,是指压力恒定时单位质量物质温度升高,1,度所需热量,单位,J,k,-1,kg,-1,定压摩尔热容,c,p,m,单位,J,k,-1,mol,-1,显热和潜热,m,c,p,t,在工程上称为显热,当物质释放出显热时,物质温度显著降低,.,单位质量物质在发生相变时伴随的热量变化称为潜热,其值取决于物质的本性,包括物质的气化热,凝结热,升华热,溶,(,熔,),解热,结晶热,稀释热等,其单位均为,J,kg,-1,.,摩尔,相变,热的,单位,J,mol,-1,第二节 传导传热,温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面称为等温面。因为空间任一点不能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。等温面无热量传递,而沿与等温面相交的任何方向移动，温度都发生变化，即有热量传递。这种温度随距离的变化率以沿等温面垂直的方向最大。,两等温面间的温度差,t,与其间的垂直距离,n,之比在,n,趋于零时的极限，称为温度梯度，即：,温度梯度是矢量，既有大小，又有方向（正法线方向，即指向温度增加的方向）,三、,傅立叶定律,Fouriers Law,物体内热流的产生是由于存在温度梯度的结果，且热流的方向永远与温度降低的方向一致，即与温度梯度方向相反。,1822,年，法国数学家,Fourier,对导热数据和实践经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比,。傅立叶定律对定态传热和非定态传热都适用,.,2.4,导热系数,由傅立叶定律可知,：,在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率,单位,w,m,-1,k,-1,。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，,通常用实验测定。,金属的,值最大,非金属次之,液体的,较小，气体的,最小，常见的,值可从手册中查得。,一、固体的导热系数,固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其,值与温度大致呈线性关系,:,0,(1,t,),0,为,0,时固体的导热系数,.,同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值,。,二、液体的导热系数,液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。,三、气体的导热系数,气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。,2.5,平面壁的定态热传导,导热在稳定的温度场中进行,则物体内各点温度,t,只是位置的函数,不随时间而变,.,对材料均匀的平壁,经过任意一个微元,dA,单位时间传递的热量为,d,则,d,/,dA,为定值，记为,/A,，于是傅立叶定律为：,在本节里，我们将讨论傅立叶定律在单层平壁和多层平壁中的稳定热传导。,一、单层平壁的稳定热传导,1,、数学模型的三个假设,（,1,）导热系数,为定值,（,2,）无限平壁 平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。,（,3,）一维稳定导热 平壁的温度变化仅沿垂直壁面的,x,方向变化。于是等温面是垂直于,x,轴的平面。,即：,2,、推导,3,、讨论,二、多层平壁的稳定热传导,在许多化工过程中，遇到的是多层平壁的热传导问题，如炉壁由三层组成：耐火砖、保温砖、建筑砖，如下图所示。,1,、数学模型的四个假设,（,1,）、（,2,）、（,3,）与单层平壁的假设相同。,（,4,）相接触的两表面温度相同（层与层接触良好）,t,1,t,2,t,3,t,4,2,、推导,在稳定导热中，通过各层的导热速率是否相等：,=,1,=,2,=,3,？还是,=,1,+,2,+,3,？,3,、结论与讨论,（,1,）多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和,串联热阻叠加原则，它和物理学中串联电阻的欧姆定律相似。稳定的串联传热过程的温差与热阻成正比，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻,。,（,2,）图示法,5,6,圆筒壁的稳定热传导,圆筒壁与平壁的热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径而变。,如右图所示，设圆筒的内半径为,r,1,，外半径为,r,2,，长度为,L,，圆筒内，外壁面的温度分别为,t,1,和,t,2,，且,t,1,t,2,。,推导,现讨论在半径为,r,，厚度为,dr,的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁圆筒温差为,dt,，则沿半径方向的导热速率,3,、讨论,（,1,）在化工中经常用到对数平均值，若,当 ，可用算术平均半径,代替对数平均半径,两者相差小于,4%,。,（,2,）与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以分析通过多层圆筒壁的热传导。,对于三层圆筒壁，如右图示，假定层与层之间接触良好，各层的导热系数分别为,1,、,2,、,3,均为常数，根据串联的热阻叠加、推动力叠加原理，通过三层圆筒壁热传导的热流量为：,同理，对第二层，可以得到：,利用数学中的合比定律得,推广到,n,层圆筒的传热速率公式为,（,3,）稳定传热时，,为定值，,q,是否为定值？,显然，通过各层的,相同，但,圆筒壁导热计算举例,【,例,2-1】,在一,603.5mm,的钢管外包有两层绝热材料,里层为,40mm,的氧化镁粉,平均导热系数,=0.07W.m,-1,K,-1,外层为,20mm,的石棉层,其平均导热系数,=0.15 W.m,-1,K,-1,.,现用热电偶测得管内壁的温度为,500,最外层表面温度为,80,管壁的导热系数,=45 W.m,-1,K,-1,.,试求每米管长的热损失及保温层界面的温度,.(,类似,P,109,:,例,4-3),第三节 对流传热,我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。,对流给热的定义是，通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。,对流给热的机理,如图,2-9,所示。固体壁面温度为,tw,（高温端），流体湍流主体的温度为,t,。,在固体壁面存在层流层，然后是过渡层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递，在过渡层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一个传热边界层,，使得层流、过渡流、湍流的全部传热阻力集中在,内。于是可以按平壁导热处理得：,由于上式中的传热边界层,是难以测定的，所以仍无法进行计算。于是令,则上式为：,即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的给热传热速率,与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差成正比,比例系数，亦称传热膜系数，其单位是,:,传热膜系数,计算,与许多因素有关，所以不是物质特有性质,(,与,不同,).,的求取十分复杂，目前主要通过因次分析法，在大量实验的基础上，得到一些经验的应用范围受限制的准数关联式。,例如圆管内湍流给热系数,用,Dittus,公式：,低粘度流体：,当流体被加热时，,n=0.4,，流体被冷却时，,n=0.3,高粘度流体：,式中，若流体为气体，则,若流体被加热，则,若流体被冷却，则,值的大致范围,一般情况下，,值的大致范围如下：,空气自然对流，,525,；,空气强制对流，,30300,；,水蒸汽冷凝，,10008000,；,水沸腾，,150030000,；,problem,P142:,Exercises no.3,no.4,第四节 总传热方程,确切的讲是导热与给热的联合传热速率方程。我们以简单的并流套管式换热器为例，导出综合传热速率方程。,在此种间壁式换热器中，热量传递要经历下列三个阶段：热流体对管内壁对流给热；管壁面间的导热；管外壁对冷流体的对流给热。单一的导热定律与对流给热定律，无法解决这个问题。另外，冷、热流体的温度差，沿轴向变化着，但对任一管截面，冷热流体的温度差不随时间而变，所以仍然是稳定传热过程，称为稳定的变温传热。此时，热推动力（温度差）和传热系数如何表达呢？,取内管一微元管段,B,，其传热过程如图,2-11,所示。管段,B,传热面积为,dAm,2,；此截面处热、冷流体的温度为,T,和,tK,；管壁温度分别为,tw,1,和,tw,2,K,；通过该微元段的传热速率为,d,Js,-1,；下面列出该微元管段的传热速率方程。管壁内外的对流传热系数分别为,1,和,2,Wm,-2,K,-1,；管内径、外径分别为,d1,、,dm,、,d2m,；管壁厚度为,bm,。,热流体对内管壁的对流给热速率为：,管壁面间的导热速率为：,管外壁对冷流体的给热速率为：,稳定传热，即，根据比例定律中的合比定律得，,若为平壁，即 ，则：,K,称为总传热系数，它是表示导热系数与给热系数的综合传热指标,.,当间壁为复合壁时,圆筒壁传热速率方程,若为圆筒壁,传热平均温度差,根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况,1,、恒温传热若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之差,:t,m,=T-t,这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。,2,、变温传热 间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。变温传热时，两流体的温度差,t,也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差,t,m,，,t,m,是指整个传热壁面的温度差的平均值。,t,m,计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图,3-16,所示。,（,1,）并流 参与热交换的两流体流向相同，如图,3-16,（,A),所示。（,2,）逆流 参与热交换的两流体流向相反，如图,3-16,（,B),所示。（,3,）错流 参与热交换的两流体流向相互垂直如图,3-16,（,C),所示。（,4,）折流 分简单折流和复杂折流两种情况。在热交换器中，一种流体沿一个方向流动，另一种流体先以同向或反射流动，然后折回,180,度流动，也可以反复多次折回流动，这是简单折流，如图,3-16,（,D),所示。若两流体均作折回流动，则称复杂折流。在折流过程中，两流体既并流，又逆流。错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，仅讨论并流和逆流传热平均温度差的计算。,套管式热交换器，内管走冷流体，温度由,t,1,升至,t,2,套管环隙走热流体，与冷流体呈逆流，温度由,T,1,降至,T,2,图,3-17,（,2,）也是套管式热交换器，不同的是冷热流体呈并流流动。假设热交换器没有热损失，则传热总系数,K,是一个常数。若将热平衡方程写成微分式得：,d,=-,mcdT,=,mcdt,若以,t=T-t,代表某一截面上热、冷流体之间的温度差（如图,3-18,所示）,.,t=T-t,由于,d,=,KdAt,代入上式得,代入边界条件，将上式积分得,d,=-,mcdT,=,mcdt,与总传热方程（,3-20,）比较，得：,称为对数平均温差,和 分别为进口温差和出口温差,在,t,m,的计算中，取热交换器两端,t,数值较大的作为,t,1,，较小的作为,t,2,，可使计算较为简便。当,t,1,/t,2,2,时，用算术平均值（,t,1,+t,2,）,/2,来计算,t,m,所引起的误差,4%,，这在工程计算中是允许的。,例,在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从,120,降到,70,，冷流体温度由,20,升到,60,，试比较并流与逆流的传热平均温度差。,解：并流传热时：,t,1,=120-20=100120-70 t,2,=70-60=1020-,60,tm=(10010)/ln(100/10)=39.1,逆流传热时：,120-70 t,1,=120-60=6060-20 t,2,=70-20=50 t,m,=(60-50)/ln(60/50)=54.9,计算结果表明，采用逆流换热比并流换热时的传热平均温度差要大。故工厂在条件允许的情况下尽量采用逆流换热。,第五节 强化传热的途径,所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率,Q,。提高,K,，,A,，,tm,中的任何一个，都可以传热强化。,1.,增大传热面积,A,，意味着提高设备费。但是换热器内部结构的改革，增大,A,，亦不失为强化传热途径之一。,2.,增大传热温差,t,m,，一般是改变流体流向，逆流操作比并流操作的,t,m,大。,提高总传热系数,K,，主要是提高 等，若忽略导热项，且不考虑基于内、外表面则,这说明，为了提高,K,，就要提高 ，也就是增加传热系数较小一侧的 。,由于搅拌器中污垢的导热系数较小,使 增大，就降低了,K,值。所以清理污垢，也能大大提高,K,值。,在一单壳程、四管程换热器中，用水冷却热油。用冷水管内流动，进口温度为,15,，出口温度为,32,。热油在壳方流动，进口温度为,120,，出口温度为,40,。热油的流量为,.25kg/s,平均比热为,1.9kJ/,（,kg.,）。若换热器的总传热系数为,470 W/,（,m,2,），试求换热器的传热面积。,换热器传热面积可根据总传热速率方程求得，即：,换热器的传热量为：,1-4,型列管换热器的对数平均温度差，先按逆流计算，即：,故,S=Q/K,T=190,10,3,/470,50=8.1(m,2,),例,4-7,在传热外表面积,S,0,为,300m,2,的单程列管换热器中，,300,的某种气体流过壳方并被加热到,430,。另一种,560,的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为,110,4,kg/h,平均比热均为,1.05kJ/(kg.),。试求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的,10%,。,解：对给定的换热器，其总传热系数可由总传热速率求得，即：,换热器的传热量为：,热气体的出口温度由热量衡算求得，即：,解得,流体的对数平均温度差为：,所以,故,例,4-16,在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为,170,和,135,；管内、外流体的对流传热系数分别为,12000W/(m2),及,1100 W/(m,2,),，管内、外侧污垢热阻分别为,0.0002,及,0.0005 m,2,/W,。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。,解：管壁的平均温度可由下式计算，即：,解得：,计算结果表明，管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。,第六节 热交换器,problem,P,143,:,Exercises no.9,no.16 and no.17,