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传热过程

传热过程. CHAP 3 Heat transfer and its applications. 2008 学年第 1 学期. 引言 Introduction. Application in chemical engineering. 传热的三种基本形式 Three mechanisms 1. 热传导 Conduction 2. 对流传热 Convection 3. 热辐射 Radiation. 1 热传导 Heat transfer by conduction. Mechanism of conduction

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  1. 传热过程 CHAP 3 Heat transfer and its applications 2008学年第1学期 绍兴文理学院

  2. 引言 Introduction Application in chemical engineering • 传热的三种基本形式Three mechanisms • 1. 热传导Conduction • 2. 对流传热 Convection • 3. 热辐射 Radiation 绍兴文理学院

  3. 1 热传导 Heat transfer by conduction • Mechanism of conduction • differrence between metals, liquids or gases • Requirement:a temperature gradient • Pure conduction • Conduction of heat in liquids or gases is often influenced by flow of the fluids, and concurs with convection. 绍兴文理学院

  4. 1.1 Fourier’s law 1) 温度梯度Temperature gradient As shown in Fig. 3-1 • For one-dimensional heat transfer 2) 傅立叶定律Fourier’s law q -- rate of heat flow per unit area，W·m-2； λ—thermal conductivity，W·m-1·K-1； 绍兴文理学院

  5. 1.2 Thermal conductivity • 定义 Conductivity of ordinary matters 1) Solids Table 3-1 2) Non-metal liquidsTable 3-2 Note: water and glycerol 甘油 3) Gases have the smallest thermal conductivities, which increase with the increasing temperature and change little with pressure 绍兴文理学院

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  7. 1.3 Conduction through a flat wall • 定常态热传导Steady-state conduction 1) Conduction through a single flat layer rate of heat flow As shown in fig. 3-2 2) 多层平面壁Multi-layer flat wall As shown in fig3-3 绍兴文理学院

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  10. 1.4 Conduction through a cylinder • A of a cylinder will change with at different radius 1) One-layer cylinder As shown in fig 3-4 Am is called the logarithmic mean area 若A2/A1小于2, Am可用算术平均值代替 Development of above equations 绍兴文理学院

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  12. PROBLEM 3-1 • 在建筑砖、铜、玻璃纤维等固体材料中，导热系数由小到大的排列顺序依次为：。 • 纯粹的热传导只可能发生在体中。 • Water has the thermal conductivity among non-metal liquids, its conductivitywith the increasing temperature and change little with pressure. A、largest, increase B、largest, decrease C、smallest, increase D、smallest, decrease 绍兴文理学院

  13. Example 3-1 某燃烧炉由三层砖紧密砌成，内层为耐火砖，λ1＝1.00 W·m-1·K-1，厚度为230mm，中间为保温砖， λ2＝0.150 W·m-1·K-1，外层为普通砖， λ3＝0.900 W·m-1·K-1，厚度230mm。内壁温度为700℃，要求普通砖内壁温度不超过150℃，外壁温度不超过60℃，试求保温层的厚度及每平方米壁面损失的热量 绍兴文理学院

  14. Solution of Exp. 3-1 代入数据, 求出δ2和q 绍兴文理学院

  15. 2 对流传热 Heat transfer in liquids • 对流传热(热对流) Convection Refer to the flow of heat associated with the movement of a fluid. 仅发生在流体中, 且伴随热传导 • Natural and forced convection 化工生产中常见的是流体流过固体表面时的对流传热 绍兴文理学院

  16. 2.1 牛顿冷却定律Newton’s law of cooling • 对流时各流体层的传热情况 滞流内层、缓冲层、流体主体 • 对流传热的温度分布情况 如图3-5所示 • 牛顿冷却定律 • 流体被冷却时 流体被加热时 α–传热膜系数, Heat transfer coefficient, W·m-2·K-1 绍兴文理学院

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  18. 2.2 有效膜的概念 • 将对流传热过程简化为有效膜内的热传导过程，则 注意：传热有效膜与滞流内层的区别 绍兴文理学院

  19. 2.3 无相变时流体的传热膜系数 • 影响传热膜系数的因素： 流体的种类、性质(ρ、cp、λ、μ等)、流型、 对流种类：自然对流和强制对流，浮升力ρgβ△T 传热壁面（特征尺寸l） • 量纲分析求传热膜系数α 根据量纲一致性原则, 可得到 绍兴文理学院

  20. 2.3 无相变时流体的传热膜系数 • 四个特征数及其意义 ① 雷诺数Re：表征流体的运动状态。 ② 努塞尔数Nu： α’相当于给热过程以纯导热方式进行时的传热系数，显然，Nu反映对流使传热系数增大的倍数。 ③ 普朗特数Pr： 反映物性对给热过程的影响。气体的Pr值大都接近于1，液体Pr值则远大于1。 绍兴文理学院

  21. 2.3 无相变时流体的传热膜系数 • 四个特征数及其意义 ④格拉斯霍夫数Gr 自然对流的特征速度 显然，Gr是雷诺数的一个变形，它表征着自然对流的 流动状态。 绍兴文理学院

  22. 2.3 无相变时流体的传热膜系数 • 量纲分析求传热膜系数α 由Nu可以求出α 注意: 强制对流与自然对流时的特征数关系式 绍兴文理学院

  23. 2.4 传热膜系数的关联式 • 对于低粘度液体(不大于水粘度的2倍) 在圆形直管内作强制对流时的传热 特征尺寸l 取d，定性温度取进、出口温度平均值 适用范围：Re＞l04(稳定湍流)；Pr＝0.7~160; 管长与管径比l/d>50 (超过边界层稳定段长度) 绍兴文理学院

  24. 2.4 传热膜系数的关联式 • 热流方向对α的影响 滞流内层的温度和厚度可因热流方向不同而变化 -- 对于液体 被加热时: α增大；被冷却时: α减小 因大多数液体的Pr>>l，Pr0.4＞ Pr0.3；故 加热液体时，取n＝0.4，液体冷却时, 取n＝0.3 -- 对于气体 被加热时: α减小；被冷却时: α增大 但大多数气体的Pr＜l, Pr0.4< Pr0.3；故 加热气体时，仍取n＝0.4，气体冷却时, 取n＝0.3 绍兴文理学院

  25. 2.4 传热膜系数的关联式 • α的校正 对于Re=2000~10000的过渡流, 须乘以校正系数f 对于l/d小于30~40的短管，需乘以1.02~1.07 对于圆形弯管，需乘以(1+1.77d/R)项校正 非圆形管道中α的计算 绍兴文理学院

  26. PROBLEM 3-2 • 描述对流传热关系的特征数关系式为：，其中格拉晓夫数Gr是的变形，它表征着对传热过程的影响。 • 对流传热是指物体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递，仅发生在中，而且必然伴随现象。 • 计算对流传热膜系数α值的经验公式一般适用于长径比大于50的直管，如果是长径比小于30的短管，则需乘以的校正系数。 A、大于1 B、小于1 C、等于1 D、60% 绍兴文理学院

  27. 例3-2 某厂用一列管换热器加热苯，苯在管内流动，由20℃加热至80℃，流量为8.33 kg·s-1, 管束由38根φ25mm× 2.5 mm的无缝钢管组成，水蒸气为加热剂，在管间流动，试求管壁对苯的传热膜系数。 解：苯的定性温度Tm＝1/2(80+20℃)＝50℃ 苯在50℃的物性参数为： ρ= 860 kg·m-3 Cp= 1.80 kJ·kg -1·K-1 λ= 0.14 W·m-1·K-1 μ= 0.45×10-3Pa·s 绍兴文理学院

  28. 例3-2 • 求Re、Pr 苯为低粘度液体，被加热，故n=0.4 绍兴文理学院

  29. 4.1 Heat flow equations 4 热交换 Heat exchange 的计算 1) Process of heat exchange，As shown in fig. 3-7 2) The total heat flow equation -- Heat flow rate from hot liquid to wall -- Heat flow rate through conduction in wall 绍兴文理学院

  30. 4.1 Heat flow equations 2) The total heat flow equation -- Heat flow rate from wall to cool liquid Then the total heat flow rate The total heat resistance 绍兴文理学院

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  32. 4.1 Heat flow equations 3) Total heat flow rate through a flat wall K—— 传热系数,Heat-transfer coefficient W·m-2·K-1, same asα For a multi-layered flat wall 绍兴文理学院

  33. 4.1 Heat flow equations 4) Total flow rate through a cylinder 5) Heat resistance in the process(式3-27有误) 绍兴文理学院

  34. 4.1 Heat flow equations 6) 换热器的污垢热阻 常见流体的污垢热阻: (表3-8) 绍兴文理学院

  35. 4.2 Mean temperature difference 1) 恒温与变温传热 • Heat transfer with constant T: • Heat transfer with changable T: • --Steady state • -- Unsteady state 化工厂中使用的热交换器通常为定常态变温传热 热流量公式(3-30书中错) 绍兴文理学院

  36. 4.2 Mean temperature difference 2) 工业换热器中流体流向的四种形式 (As shown in Fig. 3-8) (a) 并流 parallel flow (b) 逆流 counterflow or countercurrent flow (c) 错流 crossflow (d) 折流： turn-flow 简单折流与复杂折流 流动形式不同，平均温度差也不相同 As shown in Fig. 3-9 绍兴文理学院

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  39. 4.2 Mean temperature difference 3) 定常态变温传热时的平均温度差 Take the countercurrent flow as example, as shown in fig 3-9a Energy balance Assume the specific heat Cp is constant 绍兴文理学院

  40. 4.2 Mean temperature difference Since T and T’ vary linearly with φ, △T does likewise (as shown in fig 3-10), and d(△T)/dφ, the slope of the graph of △T versus φ, is constant. Therefore According to the heat flow rate equation Then we give 绍兴文理学院

  41. where 4.2 Mean temperature difference The former equation can be integrated and written as The above equation defines the logarithmic mean temperature difference (LMTD). When △T1and △T2 are nearly equal, their arithmetic average can be used for △Tm 绍兴文理学院

  42. where 4.2 Mean temperature difference • The equation for LMTD also applies to the situation of parallel flow. • The countercurrent flow is more commonly used in industrial heat-exchanger than parallel flow. • Correction for turn-flow or cross-flow 绍兴文理学院

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  44. Example 3-4 在某钢制列管式换热器中，用流量30m3·h-1，温度为20℃的冷水，将某石油馏分由90℃冷却到40℃，已知该馏份的流量为9075kg·h-1，平均比定压热容为3.35 kJ·kg-1·K-1，水在列管换热器的管间与油逆流流动，由模拟实验测得α水＝l000 W·m-2·K-1, α油＝300 W·m-2·K-1，钢管的壁厚2.5mm，其导热系数λ＝49W·m-1·K-1，试求所需的换热面积为多少? 绍兴文理学院

  45. Solution to Exp. 3-4 解：(1) 换热量的计算 (2) 冷却水的出口温度 (3) 求平均温度差ΔTm 绍兴文理学院

  46. Solution to Exp. 3-4 (4) 求传热系数K: 壁厚较薄, 可简化为平壁传热 (5) 求传热面积 绍兴文理学院

  47. 5 间壁式热交换器 Heat-exchange Equipment • 根据换热的目的分类 加热器、冷却器、再沸器(蒸发器)、冷凝器等。 • 从结构分类则有： 夹套式换热器 蛇管式换热器 套管式换热器 列管式换热器 板式换热器 翅片管换热器 板翅式换热器 热管换热器，等 • 换热器选型与强化传热途径 绍兴文理学院

  48. 5.1 Jacket heat exchanger • Structure • Fig. 3-13 • Features and appln small K value limited area and mainly used in the heating or cooling of chemical reaction. 绍兴文理学院

  49. 5.4Shell-and-tube heat exchangers • Most widely used and important • Structure as shown in Fig. 3-17 • 单程与多程列管式换热器 • 单程single pass • 多程 Multi-pass：程数不宜太多，工业上多为2~4程。 绍兴文理学院

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