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1、第四章传热过程第一页，本课件共有42页T1T2t1t2热流体T1T2冷流体t1t2第二页，本课件共有42页三、传热方式分类稳定的恒温传热，传热面上的温度不随位置变化Tf(x)稳定的变温传热，传热面上的温度随位置变化Tf(x)1 据冷热流体是否接触分为混合式：冷热流体混合，煤气洗涤塔间壁式：冷热间壁、冷凝管蓄热式:热流体贮热,冷流体吸热,热风炉炼铁 2.在间壁式传热中,据传热面上传热面上的温度分布分为：稳定传热：T不随时间变化 对于一定的传热设备，热阻一定，当T不随时间变化,T亦不随时间而变，故传热速率不随时间变化，所以，稳定传热传热速率不随时间变化。稳定传热非稳定传热第三页，本课件共有42页3
2、、据传热机理不同，分为四、几个基本概念：(2)传热速度：=Q/单位(3)比热Cp:显热：显=MCpt(Cp定压比热容-kJ/kg*K)(kJ/mol*K)(4)潜热：质量和摩尔相变潜热 (单位分别为：kJ/kg；kJ/mol)式中:Hm;Hn分别为(1)传热量:Q第四页，本课件共有42页2传导传热（热传导，导热）一、定义一、定义：传导传热发生在固体、静止或滞流流体中，因分子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。二、导热方程二、导热方程付立叶定律：付立叶定律：1、导热方程如图：若t1t2，热量将自动的以导热方式从内壁向外壁传递。实验证明：通过该壁传递的热量与壁两侧的温差成正比，与传热面积和传热
3、时间成正比，与传导距离成反比，即：dQ=-付立叶方程对于稳定的热传导：dt不随时间d变化，故积分为：温度梯度速度梯度比较第五页，本课件共有42页2.导热系数（类似于粘度）意义：材料导热能力大小的标志，是A1m2，=1m,t=1k时的传热速率。在相同的条件下，材料不同，其传热速率不同，故是材料本身的性质。大小：a.实验测定或查附表二、三、六、七可得。b.随温度的变化对金属：0即t,，原子振动加剧，电子运受阻非金属：0,t,分子振动加剧，传热能力增加 液体：0,t,t,液体膨胀,分子距离分子距离加大碰撞 气体：0,t,t,分子能量分子能量 碰撞。c.金属金属非金属非金属，固固液液汽汽，结构紧密结构
4、紧密结构松散结构松散单位：541-11第六页，本课件共有42页三、平面壁的三、平面壁的稳定稳定热传导速率热传导速率 平壁平壁2 多层平面壁,如耐火砖绝热砖建筑砖组成三层复合壁，对各层分别应用单层导热公式有：恒大于0，R=/热阻热阻1 单层平面壁，如P105面图一层：二层：三层：(1)(2)(3)第七页，本课件共有42页平面壁平面壁：A1=A2=A3=A稳定传热1=2=3=则有：t1-t4=t=讨论：(1)+得：(4)(5)+得：(2)t1/t2=R1/R2=即各层的温降与其热阻成正比。可见:传热速率式中的分母是分子温度区间内的热阻之和分母是分子温度区间内的热阻之和。第八页，本课件共有42页(4
5、)在不知A时,可求单位传热面积的传热速率-传热强度传热强度q q=/A=t/(/)例：4-1P107 热阻越大，温度降越大例：4-2P108 垢层的热阻很大，应勤除垢层作业：作业：P142 （3,4,5）(3)可求夹层间的温度。第九页，本课件共有42页四、圆筒壁的稳定热传导速率四、圆筒壁的稳定热传导速率 如图：据付立叶定律：1 多层圆简壁对数平均半径。当对数平均半径。当r2/r1104、Pr=0.7-120 的气体和2水的液体：实验知：液体被加热时m=0.4 （411）液体一冷却时m=0.3 （412）2、有相变时的值 相变时放出大量的潜热，故值查表查表(取取一中间值值)1-10;4-11,3
6、11 2-10541-12第十八页，本课件共有42页四、传热总速率的方程四、传热总速率的方程 从给热方程中消去tw1,tw2，求1=T2=t第十九页，本课件共有42页注意：由于1=2=3=所以有：五五.总传热系数总传热系数K 第二十页，本课件共有42页多层圆简壁一般不用=KA(T-t)m的形式,而直接使用下式。单层第二十一页，本课件共有42页例4-7：高温流体为水蒸汽,放出冷凝潜热,T不变，釜内反应物温度不变(吸热)t=80，t 不随时间和位置变化稳定的恒温传热，釜内径 d1=0.8m外径d2=0.822m，故釜壁可视为平面壁，则有：热阻主要集中在垢层(很小)和给热系数较小的一侧，金属管壁的热
7、阻很小，在液一液热交换过程中通常忽略。第二十二页，本课件共有42页流体(原油)流速很大，温度升高较小，视作恒温传热第二十三页，本课件共有42页b.据4.总传热系数总传热系数K的获得途径：的获得途径：实测。541-13第二十四页，本课件共有42页例例4-10 用160饱和蒸气加热粘性溶液15140，黏性溶液的黏度随温度升高而显著下降，使总传热系数K-t 变化，属不稳定传热，取一时间微元d,在d内传递的热量为 dQ，则对冷流体有：没有K=f(t)关系，只有K-t数据，只能采用辛普森数据积分(自变量间隔相等)公式积分：n为积分区间所分的等分数，这里有6组数据(K-t)，可求得 6 个y值，即：第二十
8、五页，本课件共有42页分别计算出y0,y1,y2y5 代入公式求得：=8.57*105(25/3)(5.75+4(2.78+2.51)+2(2.34+3.37)+6.94)10-5=3230 s=54 min 六：传热温度差六：传热温度差 传热过程中温差一般是变化的，需取平均值计算。1、稳定的恒温传热温差稳定的恒温传热温差 如图的传热过程：341-12第二十六页，本课件共有42页2、稳定的变温传热温差、稳定的变温传热温差逆流(相向逆流)并流(同向并流)注意：同一流体终同一流体终-始态的温差用始态的温差用T 或或 t表示表示。换热换热器同一端高低温流体的温差用器同一端高低温流体的温差用t1 或或
9、t2 表示表示。即：冷热流体的温差随传热面积而变化。141-13第二十七页，本课件共有42页3、平均温差公式 以并流为例推导平均温差公式：因为(T-t)-A有关，故须找(T-t)m=t m,则需找dAd(T-t)关系,故取一微元面积dA,在dA 内视(T-t)为常数,在dA内应用传热速率方程式有：对冷热流体进行热量衡算有：可找到dAd(T-t)关系，积分就可得(T-t)m=tm 即：经过dA后换热器换热：T流体放热：t流体吸热：(2)-(3)得：第二十八页，本课件共有42页设法变为：代入(6)式整理得：第二十九页，本课件共有42页对数平均温差同理逆流换热亦可推导出：当算术平均温差注意：计算时，
10、先作出TA方框图，注明温度,找出t1 和t2 后再计算 tm。541-13第三十页，本课件共有42页七、并流与逆流的比较七、并流与逆流的比较 并流传热的温差t前大后小，逆流传热温差t始终较大，故一般有tm逆tm并。1、逆流的优点：=KAtm 进出口温度相同时，tm逆tm并，故在 A、K一定时:逆/并=tm逆/tm并 1 即：逆 并 冷热流体的出口温度互不受影响，冷流体出口温度t1可能高于热流体出口温度T2，换热彻底。在、K相同时所需A小，在A相同时逆流传热的速率大。312例4-11tm逆=54.9 tm并=39.1 tm逆/tm并=54.9/39.1=1.404在,K相同时：A并/A逆=tm逆
11、/tm并=1.404 A并A逆4-12在A,K相同时：逆/并=tm逆/tm并=1.404 逆并据=MCpt(在传热速率相同的情况下),可减少热载体的用量,即M逆M并即逆流传热，可使逆流传热，可使 or A or M.第三十一页，本课件共有42页2.并流的优点:t2t2，适用于某些连续操作的管式反应器中进行的放热反应的热量的移出。如图：并流能正常操作，逆流不能正常操作。1-11八、强化传热的途径和措施八、强化传热的途径和措施 =KAtm 1.增大A:增大较小一侧的A值，如气体和小的液体走管外；采用翅片管、螺纹管作换热管。当两种流体能接触时，尽量增加其分散度(A大)。如喷啉冷却时将液体雾化。2.提
12、高tm：尽量采用逆流换热。温差的增大受气候条件和输送费用的限制，但仍可采用凉水塔给冷却水降温。第三十二页，本课件共有42页3.提高K值K值取决于较小的值和很小的垢层的厚度，采用大的流体作热载体；据：增大流速可提高值；勤除垢层,减小热阻/。为满足强化传热的措施，给传热提出了一系列操作条件。九、常用公式九、常用公式：如图：第三十三页，本课件共有42页圆筒壁第三十四页，本课件共有42页例例4-12 在其他条件在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时不变时,并并逆，求逆，求T2,t1。利用并流求得有关常数：利用并流求得有关常数：=KAtm=-M1Cp1T=M2CptT=-50 t=40 =50MCp1
13、=40M2Cp2 M1Cp1/M2Cp2=0.8(常数常数)(1)=KAtm并=-MCp1T=50MCp1 tm并=t1-t2/lnt1/t2=39.1KA/M1Cp1=-T/tm=50/39.1=1.28.(2)改逆流后改逆流后:-T=120-T2 t=t1-20第三十五页，本课件共有42页例4-13 求在逆流换热中面积增大一倍时的出口温度。同理有：M1Cp1/M2Cp2=0.8=(t1-20)/(120-T2)t1=116-0.8T2 KA/M1Cp1=1.28 K(2A)/M1Cp1=2*1.28=-T/tm逆 tm逆=(100-t1+T2)/2=(120-T2)*2/(100-t1+T
14、2)=2.56T2=42.5 t1=82 第三十六页，本课件共有42页4-5 热交换器一、列管式换热器列管式换热器，如图4-14，P129管程管程：换热器的管内通道换热器的管内通道管程数管程数：走管程的流体在换热器的两端之间运行的次数。走管程的流体在换热器的两端之间运行的次数。壳程壳程：换热器的外壳与管束之间的通道换热器的外壳与管束之间的通道壳程数：壳程数：走壳程的流体在换热器的两侧之间运行的次数。走壳程的流体在换热器的两侧之间运行的次数。二、夹套式加热器：图4-18三、蛇管式热交换器：4-19四、螺旋板式热交换器：4-20五、板式热交换器：4-21 作业16,21,25141-14第三十七页
15、，本课件共有42页习题习题14解：=2ltm/(0.045+0.0026+0.0953+0.0053)=2ltm/0.1532=6.53*2ltm 2/1=6.53/18.75=0.3482 2 35%=2ltm/(0.0454+0.0026+0.0053)=2ltm/0.05334=18.75*2ltm结垢后：结垢前：第三十八页，本课件共有42页15解=KAtm=-M1Cp1T=-qV11Cp1T=v*d21Cp1T=*0.785*0.022*1200*3000*(90-60)=644328 W A=n*l*dm=38*4*3.14*0.0225=10.73 m2 tm=(50-40)/ln
16、5/4=44.815K=/Atm=644328/10.73*44.815=1340 W/m2*K=M2Cp2t=M2*3000*(40-20)=644823 M2=10.74 kg/s习题习题16解：121饱和蒸汽通入溶液，起始时溶液温度T较低，溶液溶液的的得热速率得热速率1较大，而桶桶的的散热速率散热速率2较小，随着溶液温度T升高，1变小而2变大，当溶液的得热速率1等于桶的散热速率2时，溶液的温度稳定不变，即为溶液所能加热到的温度T：1=KA1(121-T)=2=A2(T-20)T=117第三十九页，本课件共有42页习题习题21解：lA,可用A比代表 l 比，即视为平面壁作近似计算。=KAtm=-M1Cp1T=M2Cp2t 加长前：t1=25 T1=-50M1Cp1/M2Cp2=t1/-T1=25/50=0.5tm1=(t1+t2)/2=(110+85)/2=97.5A第四十页，本课件共有42页习题习题25：A=/Ktm，而冷凝区与冷却区的K和平均温差tm不同，故须分开计算。要求各区温差，如图，必须先求出冷流体的中间温度t2需对冷流体作热量衡算M2 求M2：总=M1(H+Cp1T)第四十一页，本课件共有42页 cp341-14第四十二页，本课件共有42页