化学工程基础第3章传热ppt课件.ppt
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1、第三章第三章 传传 热热 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。 化工中的传热化工中的传热 (1 1)化学反应在一定的温度下进行,为了达到并保)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。持一定的温度,就需向反应器输入和输出热量。 (2 2)在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中,也要输入)在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中,也要输入和输出热量。和输出热量。 (3 3)化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的)化工设备的保温、
2、热能的合理利用以及废物的回收等。回收等。2 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。1 1概述概述一、稳态与非稳态传热一、稳态与非稳态传热 传热进行时,物体各温度不随时间而变、仅随位传热进行时,物体各温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程称为稳态传热过程;若物体温度既随置变化的传热过程称为稳态传热过程;若物体温度既随位置变化、也随时间变化的传热,则称为非稳态传热过位置变化、也随时间变化的传热,则称为非稳态传热过程。程。3二二 传热的三种基本方法传热的三种基本方法 热的传递是由于热的传递是由
3、于T引起的,净的热流方向总是由引起的,净的热流方向总是由T高高T低低,根据,根据传热的机理不同,有三种形式:热传导、热对流、热辐射。传热的机理不同,有三种形式:热传导、热对流、热辐射。1 热传导(又称导热)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。导。1、在金属固体中,起因于自由电子的运动
4、。、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。、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。、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。注意:在热传导时,物体内的分子或质点不发生宏观运动。42、对流传热、对流传热 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引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,中。在化工生产中,流体流过固
5、体表面时,热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传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。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强制对流传热:用机械能使流体发生对流而传热。传热。 (2)自然对流传热:若流体原来是静止的,因受自然对流传热: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。热而有密度的局部变化,导致对流而传热的。53、辐射、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
6、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。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。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。温度差别较大时,辐射传热才成为最主要的传热方式。高温物体高温物体辐射能辐射能低温物体低温物体6几点说明:几点说明: 上述三种传
7、热方式,常常不是单独出现的,传热过上述三种传热方式,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。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。包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。7传热的基本物理量传热的基本物理量 1 热量热量Q,单位单位J,1J=1Nm 2 传热速率传热速率,也称热流量也称热流量,指单位时间传递的热量指单位时间传递的热量. =Q/,单位单位w
8、,1w=1Js-1 工程中常用传热速率单位是工程中常用传热速率单位是kcalh-1 换算换算:1cal=4.187J,1kcal=4187J 1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860 kcalh-1 3 热流密度热流密度,指单位时间单位面积传递的热量指单位时间单位面积传递的热量, q= /A=Q/A 4 比定压热容比定压热容cp是指压力恒定时单位质量物质温度是指压力恒定时单位质量物质温度升高升高1度所需热量度所需热量,单位单位Jk-1kg-1,定压摩尔热容定压摩尔热容cp,m,单位单位Jk-1mol-1三种类型换热器(1) 直接混合式将热流体与冷流体直接混合的一种传热方
9、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。2 热传导2-1 热传导与傅立叶定律 1、温度梯度 等温面。温度随距离变化率以沿等温面垂直的方向为最大。这一最大变化率的极限值为温度梯度。 dndTqdndTq12傅立叶定律傅立叶定律 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。方向相反。 热传导遵循傅立叶定律,它是一个经验性
10、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。dndTdndTqdndTq1-2 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 Km-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。 dndTq14一、固体的导热系数一、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,其值值与温度大致呈线性关系与温度大致呈线性关系: 0 (1t), 0为为0时固体的导热系数时固体的导热系数. 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,当同种金属材料在不同温度
11、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。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。有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的
12、要大。 三、气体的导热系数三、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。温隔热。 2-3 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 162、推导、推导)()
13、()(/,;,021212102121ttAAttttAdtdxAAttxttxdtdxAdtdxAdxdtAtt为定值,则有:及因为:定积分需确定边界条件,分离变量并积分:傅立叶定律可转化为:17过程阻力过程推动力过程传递的速率:传递过程的普遍关系为故可归纳到自然界中,的形式是完全类似的,相比较,可以看出它们介绍的欧姆定律与普通物理中的电学所即为推动力。()为温度差,导热热阻,RUIKtWKRRtAbtt/ )(,)/()2(21)(21TTAqA热阻力传热推动力热流强度 = T/(/A) = T/R 上式表明热流量正比于传热推动力上式表明热流量正比于传热推动力 T,反比与热阻,反比与热阻,
14、当平壁厚度越大,而平壁面积当平壁厚度越大,而平壁面积A和物质的导热系数和物质的导热系数越小越小时,导热的热阻时,导热的热阻R越大。越大。多层平壁热传导201、数学模型的四个假设、数学模型的四个假设(1)导热系数)导热系数为定值为定值(2)无限平壁)无限平壁 平壁面积与厚度之比很大,故从平壁边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。缘处的热损可以忽略。(3)一维稳定导热)一维稳定导热 平壁的温度变化仅沿垂直壁面的平壁的温度变化仅沿垂直壁面的x方方向变化。于是等温面是垂直于向变化。于是等温面是垂直于x轴的平面。轴的平面。(4)相接触的两表面温度相同(层与层接触良好)相接触的两表面温度
15、相同(层与层接触良好)t1t2t3t42、推导、推导在稳定导热中,通过各层的导热速率是否相等:在稳定导热中,通过各层的导热速率是否相等: =1=2= 3?还是?还是=1+2+3?21niiinniinnnAttRttRtRRRtttnRRRttAAAttAAAtttQAttAttAttAttAttAtt11111121213214133221141332211321334322321121334332232211211.)/()/()/()/()/()/()/()/()/()/(,)/(,)/(即:层平壁:推至根据等比定理有:223、结论与讨论、结论与讨论 多层平壁导热是一种串联的传热过程,串
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