化工原理第3章.ppt

第三章 传 热 传热，即热量的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热的传递。在能源、化工、动力、冶金等工业部门都涉及许多传热问题。 化工生产中对传热过程的要求有以下两种情况：一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；另一种是消弱传热过程，如对设备、管道的保温，以减少热损失。 三种类型换热器 (1) 直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 (2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。 (3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。 第一节 热传导 1-1 热传导与傅立叶定律 热传导的定义：依靠物体内部自由电子运动或分子振动，从而导致热量的传递，即热传导。 热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定律。实践证明，单位时间内的通过单位面积的传热量q与垂直于温度的梯度 成正比。 1-2 导热系数 导热系数在数值上等于单位时间内，温度梯度为1 K·m-1时，经过单位面积所传递的热量。物质的导热系数值越大，表明该物质的导热能力越强。 1-3 单层及多层平面壁的定常态热传导 单层平面壁的热传导计算 n层平壁热传导的公式为： 式中：i——壁层的序数 n——壁的层数 1-4 圆筒壁稳定热传导计算 的圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外半径为r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。 推广到n层圆筒的热流量公式为： 第二节 对流传热 对流传热的定义是，通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。 2-1 牛顿冷却定律 对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热定律。 在固体壁面存在层流层，然后是过度层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在过度层和湍流层，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δ，使得层流、过度流、湍流的全部传热阻力集中在δ内。于是可以按平壁导热处理。 α——比例系数，亦称传热膜系数，其单位是 2-2 有效膜 假设有一层厚度为δt的静止流体膜所具有的热阻，恰好等于拟考察的对流传热过程的热阻相当，则该静止流体膜称为传热的“有效膜”。 2-3 比例系数α计算 影响因素 流体的种类：气体、液体、固体 流体的性质：密度、导热系数、黏度等 流体的流型：层流、过度流、湍流等 对流的种类：自然对流和强制对流 传热壁面的形状、位置和大小 2-4 流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 低黏度流体： 当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 高黏度流体： 圆形管内过渡流时的对流传热系数为： 第三节 热辐射 3-1 基本概念 当波长为0.4-40?m的电磁波投射到另一物体上时，能够被该物体吸收变成热能，将这一范围内的电磁波称为热射线。当物体向外辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体就与外界进行了热量传递，这种传热方式称为热辐射。 能量守恒： 黑体：能全部吸收辐射能的物体。A=1 白体：能全部反射辐射能的物体。R=1 透热体：所有投射在物体上的辐射射线完全透过。D=1 灰体：能部分吸收辐射能的物体。 灰体的黑度 ： 3-2 斯蒂芬—波尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。 3- 3 实际物体间的辐射能力 一般物体温度低于400- 673K时，可忽略辐射传热的影响。在化工热交换计算中，一般都不考虑辐射传热。 3-4 实际物体间的辐射传热 高温对低温物体的辐射热流量可用下式表示： 第四节 热交换的计算 4-1 热流量方程与传热系数 热流体对壁面 间壁内传导 间壁壁面对冷流体 一、平面壁的总热流量方程式 K称为基于内表面的总传热系数，它是表示导热系数与给热系数的综合传热指标，是以内表面为传热面积的K。 K只在微分管段为常数。但工程计算中，常由某定性温度的物性来确定α1、α2，即将α看作常数，因而此处亦可将K看成常数。 二、圆筒壁的总流量方程式 Ko=1/R=R in+R w+R out 总的热阻等于两侧流体的对流传热的热阻和器壁传导热阻之和。 4-2 传热的平均温度差 恒温传热