化工原理第四章.ppt
合集下载
化工原理第四章第三节讲稿.ppt
如果用 T 表示贴壁处流体的温度梯度，
n n0
则 dQ dS T 与牛顿冷却定律 dQ dST联立：
n n0
2020/12/9
T
T n n0
——理论上计算对流传热系数的基础
表明：对一定的流体，当流体与壁面的温度差一定时，对 流传热系数之取决于紧靠壁面流体的温度梯度。
热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯度 。当边界层内、外的温度差一定时，热边界层越薄，温度梯 度越大，因而α也就上升。因此通过改善流动状况，使层流 底层厚度减小，是强化传热的主要途径之一。
第四章 传热
第三节 对流传热
一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传 热速率 三、热边界层
2020/12/9
一、对流传热的分析
滞流内层 流体分层运动，相邻层间没有流体的
宏观运动。在垂直于流动方向上不存
在热对流，该方向上的热传递仅为流
流体沿固体 壁面的流动
体的热传导。该层中温度差较大，即 温度梯度较大。 缓冲层 热对流和热传导作用大致相同，在该层
2020/12/9
律可以表示为：Q St
2、对流传热系数
对流传热系数a定义式： Q
St
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2020/12/9
三、热边界层与换热微分方程式
热边界层（温度边界层） ：
壁面附近因换热而使流体温度发生了变化的区域 。
对流传热速率
对流体间的温度差
阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。
对流传热速率方程可以表示为：
Q T Tw 1
dS
2020/12/9
n n0
则 dQ dS T 与牛顿冷却定律 dQ dST联立：
n n0
2020/12/9
T
T n n0
——理论上计算对流传热系数的基础
表明：对一定的流体，当流体与壁面的温度差一定时，对 流传热系数之取决于紧靠壁面流体的温度梯度。
热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯度 。当边界层内、外的温度差一定时，热边界层越薄，温度梯 度越大，因而α也就上升。因此通过改善流动状况，使层流 底层厚度减小，是强化传热的主要途径之一。
第四章 传热
第三节 对流传热
一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传 热速率 三、热边界层
2020/12/9
一、对流传热的分析
滞流内层 流体分层运动，相邻层间没有流体的
宏观运动。在垂直于流动方向上不存
在热对流，该方向上的热传递仅为流
流体沿固体 壁面的流动
体的热传导。该层中温度差较大，即 温度梯度较大。 缓冲层 热对流和热传导作用大致相同，在该层
2020/12/9
律可以表示为：Q St
2、对流传热系数
对流传热系数a定义式： Q
St
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2020/12/9
三、热边界层与换热微分方程式
热边界层（温度边界层） ：
壁面附近因换热而使流体温度发生了变化的区域 。
对流传热速率
对流体间的温度差
阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。
对流传热速率方程可以表示为：
Q T Tw 1
dS
2020/12/9
化工原理教学课件第四章(吸收)第二节
p pi kL c ci kG
当已知两相组成的平衡关系，如 求出
p* f (c) 和上式联立便可
pi , ci
2014-11-2
p pi
A
I
c
ci
2014-11-2
4、总吸收系数及相应的吸收速率方程式
1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以△p为推动力的吸收速率方程
N A k x ( xi x)
k x —以 x 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
当液相组成以摩尔比浓度表示时
NA kX (Xi X )
k X —以 X 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
2014-11-2
3、界面浓度
N A kG ( p pi ) k L (ci c)
2014-11-2
五、吸收机理——双膜理论
1、双膜理论 •相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传 质阻力，气液两相处于平衡状态。 •界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气
膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞
流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。
•膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度
p B 2 p A1 p A2 DP NA ln ( ) zRT p B1 p B 2 p B1
D P ( p A1 p A2 ) RTz pBm
P ——漂流因数，无因次。反映总体流动对传质速率的 p Bm
影响。
因P＞pBm，所以漂流因数
2014-11-2
P 1 pBm
D C NA (C A1 C A2 ) Z CBm
DP dpB NA RT pB dz
当已知两相组成的平衡关系，如 求出
p* f (c) 和上式联立便可
pi , ci
2014-11-2
p pi
A
I
c
ci
2014-11-2
4、总吸收系数及相应的吸收速率方程式
1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以△p为推动力的吸收速率方程
N A k x ( xi x)
k x —以 x 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
当液相组成以摩尔比浓度表示时
NA kX (Xi X )
k X —以 X 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
2014-11-2
3、界面浓度
N A kG ( p pi ) k L (ci c)
2014-11-2
五、吸收机理——双膜理论
1、双膜理论 •相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传 质阻力，气液两相处于平衡状态。 •界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气
膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞
流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。
•膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度
p B 2 p A1 p A2 DP NA ln ( ) zRT p B1 p B 2 p B1
D P ( p A1 p A2 ) RTz pBm
P ——漂流因数，无因次。反映总体流动对传质速率的 p Bm
影响。
因P＞pBm，所以漂流因数
2014-11-2
P 1 pBm
D C NA (C A1 C A2 ) Z CBm
DP dpB NA RT pB dz
化工原理第四章第四节讲稿PPT课件
t2 R2
tw t 1
t3 R3
i dS i
2020/11/12
利用串联热阻叠加原则：
dQ T t1 t2 t3
R
R1 R2 R3
K1d 0 S01 d0Sdbm Si1 diS
若以外表面为基准
11bd0S dS0 dS ddl
K 0 dSm idSi
dS0dSmd0dm
,d
S0 d
若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器
Q W h r c p T s h T 2 W c c p t 2 c t 1
2020/11/12
二、总传热速率方程
通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速 率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：
d Q K (Tt)d SK tdS
•两侧的α相差不大时，则必须同时提高两侧的α，才能提高K
值。
•污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及
时清除污垢。
2020/11/12
例：有一列管换热器，由φ25×2.5的钢管组成。CO2在管内 流动，冷却水在管外流动。已知管外的α1=2500W/m2·K，管 内的α2= 50W/m2·K 。 （1）试求传热系数K； （2）若α1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大 的百分率； （3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增 大的百分率。
1 0 .5 1 8 3 0 0 .0 0 2 2 5 0 .5 5 1 3 2 0 5 1 25 250045 2 .5 2 25 02 00
2020/11/12
0 .0 0 0 .0 0 0 0 4 .0 00 5 0 .0 0 80 0 0 .0 0 62 6 2
0.02m 627K/W K3.5 7W/m 2K
化工原理教学课件第四章(吸收)第0节
是变化的。如用水吸收混于空气中氨的过程，氨作
为溶质可溶于水中，而空气与水不能互溶（称为惰
性组分）。随着吸收过程的进行，混合气体及混合
液体的摩尔数是变化的，而混合气体及混合液体中 的惰性组分的摩尔数是不变的。此时，若用摩尔分 率表示气、液相组成，计算很不方便。为此引入以 惰性组分为基准的摩尔比来表示气、液相的组成。
度的大小，m 值越大，则表明该气体的溶解度越小；反之，
则溶解度越大。
若系统总压为P，由理想气体分压定律可知
同理
p=Py
将上式代入式2-1可得
将此式与式2-5比较可得： (2-6) 将式2-6代入式2-4，即可得H～m的关系为： (2-7)
(4) Y ～X关系
式2-5是以摩尔分率表
示的亨利定律。在吸收过程中，混合物的总摩尔数
摩尔比的定义如下：
X＝(液相中溶质的摩尔数)/(液相中溶剂的摩尔数)＝ Y＝(气相中溶质的摩尔数)/(气相中惰性组分的摩尔数)＝ (2-8)
上述二式也可变换为:
(2-10) (2-11)
(2-9)
将式2-10和2-11代入式2-5可得：
整理得 (2-12) 当溶液组成很低时， <<1，则式2-12可简化为 (2-13)
的饱和组成。
气体在液体中的溶解度可通过实验测定。由实验结果 绘成的曲线称为溶解度曲线，某些气体在液体中的溶解度 曲线可从有关书籍、手册中查得。
图片2-3、图片2-4和图片2-5分别为总压不很高时氨、 二氧化硫和氧在水中的溶解度曲线。从图分析可知： （1）在同一溶剂（水）中，相同的温度和溶质分压下， 不同气体的溶解度差别很大，其中氨在水中的溶解度最大 ，氧在水中的溶解度最小。这表明氨易溶于水，氧难溶于 水，而二氧化硫则居中。 （2）对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度 的升高而减小。 （3）对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压 的升高而增大。
化工原理课件第4章：过滤
单位体积颗粒床层中空隙的体积为床层的空隙率ε ，即：
ε反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分 布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 球形：0.26～0.48 乱堆：0.47～0.7
壁效应
化工原理——流体通过颗粒层的流动
ε的测量方法：
充水法： 称量法：
V水
V
V G
p
V
不适于多孔性颗粒
K 2P1s
r0
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 1. 恒速过滤方程
若Ve＝0，则？ K虽为变量，但应为τ时刻的过滤常数值。
化工原理——流体通过颗粒层的流动
2. 恒压过滤方程
若Ve＝0，则？
若V=Ve ？ qe2 K e
q qe 2 K e
求Ve，τe
(1
- 3
)a
ρu 2
P' L
'
(1- )a 3
u2
单位床层高度的压降， Pa
模型参数
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.3.3 模型的检验和模型参数的估计
1. 康采尼（Kozeny）方程
在流速较低， Re'＜2时（层流），
'
K' Re'
其中：
Re'
deu1
u a(1 )
实验测得
K ' 5.0
p
p (1)
化工原理——流体通过颗粒层的流动
流入的量＝流出的量＋累积量
总量衡算： V悬＝V LA
固体量衡算： V悬 LA(1 ) 由上两式可得： L q
1
一般，＜＜， L q 1
ε反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分 布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 球形：0.26～0.48 乱堆：0.47～0.7
壁效应
化工原理——流体通过颗粒层的流动
ε的测量方法：
充水法： 称量法：
V水
V
V G
p
V
不适于多孔性颗粒
K 2P1s
r0
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 1. 恒速过滤方程
若Ve＝0，则？ K虽为变量，但应为τ时刻的过滤常数值。
化工原理——流体通过颗粒层的流动
2. 恒压过滤方程
若Ve＝0，则？
若V=Ve ？ qe2 K e
q qe 2 K e
求Ve，τe
(1
- 3
)a
ρu 2
P' L
'
(1- )a 3
u2
单位床层高度的压降， Pa
模型参数
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.3.3 模型的检验和模型参数的估计
1. 康采尼（Kozeny）方程
在流速较低， Re'＜2时（层流），
'
K' Re'
其中：
Re'
deu1
u a(1 )
实验测得
K ' 5.0
p
p (1)
化工原理——流体通过颗粒层的流动
流入的量＝流出的量＋累积量
总量衡算： V悬＝V LA
固体量衡算： V悬 LA(1 ) 由上两式可得： L q
1
一般，＜＜， L q 1
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理第四章 传热及传热设备..
4.2 热传导
4.2.5 圆筒壁的稳定热传导 二、多层圆筒壁
第一层
第二层
盐城工学院
第三层
Q
2L(t1 tn1 ) in 1 ln ri1
i1 i
ri
-----通式
可写成与多层平壁计算公式相仿的形式：
Q
t1 t4
b1
b2
b3
1 Am1
2 Am 2
3 Am3
Am1、 Am2 、Am3分别为各层 圆筒壁的对数平均面积。
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
解：(1)每米管长的热损失
r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m
=191. 4 W/m
第四章 传热及传热设备
(2)保温层界面温度t3
盐城工学院
解得：t3=131.2℃
第四章 传热及传热设备
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
可见，在数值上： 金属 非金属 液体 气体
第四章 传热及传热设备
盐城工学院
4.2 热传导
天津大学版化工原理第四章热传导ppt 课件
3
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
化工原理第四章讲稿PPT课件
2020/9/30
17
3、间壁式换热
间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁 的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。 传热过程可分为三步： •热流体将热量传给固体壁面（对流传热） •热量从壁的热侧传到冷侧（热传导） •热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热） 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。
q t1 t3
b1
1
r0
b2
2
接触热阻与接触面的材料，表面 粗糙度及接触面上压强等因素有 关。
2020/9/30
42
2020/9/30
39
2、多层平壁的稳定热传导
Q
1S
t1
t2 b1
t1 b1
1S
t1 R1
2S
t2 b2
t3
t2 b2
t2 R2
2S
3S
t3
t4 b3
t3 b3
t3 R3
3S
2020/9/30
40
t1 QR1,t2Q2R,t3 QR3
Qt1t2 t3 R1R2 R3
b1
SdLn
d——管径可分别用管内径di,管外径d0或平均直径dm来表示。 则对应的传热面积分别为管内侧面积Si，外侧面积S0或平均面 积Sm
2020/9/30
25
六、传热速率与热通量
传热速率（热流量 ）Q :
单位时间内通过传热面的热量，单位为w。
热通量（又称为热流密度或传热速度）q :
单位传热面积的传热速率。单位为w/m2
35
2、固体的导系数
纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也随温度升高而增大。
化工原理课件第四章第三节优秀课件
5. 是否发生相变
主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。
发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大 于温度变化的显热（r远大于cp）。
一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，机理各不相同，复杂。
相变 > 无相
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立
由于对流传热本身是一个非常复杂的物理 问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题用简单 形式表示，把复杂问题转到计算对流传热系数 上面。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点 充分混合，温度趋于一致（热阻 小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也 不像层流底层变化明显，传热以热传 导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用，温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集 中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻 存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进 行。
该膜既不是热边界层，也非流动边界层， 而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热 的虚拟膜。
由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。
建立膜模型：
t e
4-16
式中 ：
δt ──总有效膜厚度； δe ──湍流区虚拟膜厚度； δ──层流底层膜厚度。
湍 > 层
4. 传热面的形状，大小和位置
不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成 边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
•形状：如管、板、管束等； •大小：如管径和管长等；
•位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和 三角形排列）；管或板是垂直放置还是 水平放置。
对于一种类型的传热面常用一个对对流传热 系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。
化工原理第四章第二三节第14次课.ppt
3、应用特征数关联式应注意的问题
1）应用范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值
范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据 实验确定，使用时不能超出该范围。
2）特征尺寸：Nu、Re、Gr数中l应如何选定。
3）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。
2020/4/2
五、流体无相变时的对流传热系数的经 验关联式
2020/4/2
4、流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。
（二）流体在管外作强制对流传热
流体在管外垂直流过
单管 管束
2020/4/2
1、流体在管束外强制垂直流动
直列
错列
第一排管子的流动情况相同，错列α>直列α 。
2020/4/2
上次课内容复习
1、传热的三种基本方式： 热传导、对流传热、热辐射。
2、冷热两流体热交换的三种方式： 直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。
3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：
Q q
A
4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数 （Q1=Q2=Q3=……Qn）。
2020/4/2
上次课内容复习
P129 例4-5 2、对流传热系数
对流传热系数α定义式： Q At
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2020/4/2
三、对流传热系数α的影响因素
1、流体的物性
1）导热系数 λ 层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率 ，对流
传热系数α 。 2）黏度 μ
流体的黏度μ ，流动阻力越大，对流传热系数α 。 3）比热容 CP和密度 ρ（ CP 单位 J/kg·K）
1）应用范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值
范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据 实验确定，使用时不能超出该范围。
2）特征尺寸：Nu、Re、Gr数中l应如何选定。
3）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。
2020/4/2
五、流体无相变时的对流传热系数的经 验关联式
2020/4/2
4、流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。
（二）流体在管外作强制对流传热
流体在管外垂直流过
单管 管束
2020/4/2
1、流体在管束外强制垂直流动
直列
错列
第一排管子的流动情况相同，错列α>直列α 。
2020/4/2
上次课内容复习
1、传热的三种基本方式： 热传导、对流传热、热辐射。
2、冷热两流体热交换的三种方式： 直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。
3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：
Q q
A
4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数 （Q1=Q2=Q3=……Qn）。
2020/4/2
上次课内容复习
P129 例4-5 2、对流传热系数
对流传热系数α定义式： Q At
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2020/4/2
三、对流传热系数α的影响因素
1、流体的物性
1）导热系数 λ 层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率 ，对流
传热系数α 。 2）黏度 μ
流体的黏度μ ，流动阻力越大，对流传热系数α 。 3）比热容 CP和密度 ρ（ CP 单位 J/kg·K）
化工原理第四章传热
对于一维温度场，等温面x及(x+Δx)的温度分别为t(x,τ)及
t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：
t(x x,)t(x,)
t-t t
x
t+t
Q
温度梯度:
dA
gr la it( x m d x ,t) t( x ,) t n
x 0
x
x
温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加 的方向为正。
实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴 随着出现的。
冷热流体的接触方式
一、直接接触式
板式塔
二、间壁式 套管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为内管壁的表面积
列管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为壳内所有管束壁的表面积
热载体及其选择
加热剂：热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热
r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；
➢各层材料的导热系数λ1，λ2，
λ3皆视为常数；
➢层与层之间接触良好，相互
接触的表面温度相等，各等温 面皆为同心圆柱面。
r1 r2 r3 r4
t2t1 t3 t4
多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。 对于第一、 二、三层圆筒壁有
Q2L1
t1 t2 lnr2
解： 根据题意，已知t1=10℃ ，t4=-5℃ ，b1=b3=0.12m， b2=0.10m，λ1= λ3= 0.70w/m•k， λ2= 0.04w/m•k。
按热流密度公式计算q
：q Q t 1 t 4 1 ( 0 5 ) 5 . 2 w / 7 m 2
化工原理第四章第四节PPT课件
例：有一列管式换热器，用冷却水使流量为
2000kg·h-1的硝基苯从82℃冷却至27℃，冷却 水由15℃升至35℃，试求冷却水用量。已知硝 基苯的平均定压比热cp1=1.58kJ·kg-1·℃-1， 水 的 平 均 定 压 比 热 cp2=4.179kJ·kg-1·℃-1 。
设备热损失可忽略。
2020/5/1
3 6 0 0
3 6 0 0
1.035106W
2020/5/1
.
12
二、总传热速率方程
经推导：
QKAtm
K——换热器的平均总传热系数，W·m-2·℃-1。
也可写成： Q t m 1
KA
1 ——总传热热阻
KA
2020/5/1
.
13
注意：其中K必须和所选择的传热面积A相 对应。
若间壁为圆筒壁，则以不同传热面积为基准的 总传热速率方程为：
cp1——热流体的平均定压比热，J·kg-1·℃-1 。
2020/5/1
.
6
冷流体单位时间内吸收的热量为：
Q2qm2cp2(t2t1)
qm2——冷流体的质量流量，kg·s-1。
cp2——冷流体的平均定压比热，J·kg-1·℃-1 。
工程上，以定性温度下的定压比热代替平均 定压比热进行计算。
2020/5/1
为 150kPa 时 的 温 度 为 TS=111℃ ， 冷 凝 潜 热 为
rh=2229kJ·kg-1。
蒸汽冷凝时，要放出潜热，又要放出显热。
依题意知，冷凝水由TS=111℃降温至50℃，则
定性温度为 T1115080.5oC
2020/5/1
2.
11
由附录3查得水在80.5℃时的定压比热为
2000kg·h-1的硝基苯从82℃冷却至27℃，冷却 水由15℃升至35℃，试求冷却水用量。已知硝 基苯的平均定压比热cp1=1.58kJ·kg-1·℃-1， 水 的 平 均 定 压 比 热 cp2=4.179kJ·kg-1·℃-1 。
设备热损失可忽略。
2020/5/1
3 6 0 0
3 6 0 0
1.035106W
2020/5/1
.
12
二、总传热速率方程
经推导：
QKAtm
K——换热器的平均总传热系数，W·m-2·℃-1。
也可写成： Q t m 1
KA
1 ——总传热热阻
KA
2020/5/1
.
13
注意：其中K必须和所选择的传热面积A相 对应。
若间壁为圆筒壁，则以不同传热面积为基准的 总传热速率方程为：
cp1——热流体的平均定压比热，J·kg-1·℃-1 。
2020/5/1
.
6
冷流体单位时间内吸收的热量为：
Q2qm2cp2(t2t1)
qm2——冷流体的质量流量，kg·s-1。
cp2——冷流体的平均定压比热，J·kg-1·℃-1 。
工程上，以定性温度下的定压比热代替平均 定压比热进行计算。
2020/5/1
为 150kPa 时 的 温 度 为 TS=111℃ ， 冷 凝 潜 热 为
rh=2229kJ·kg-1。
蒸汽冷凝时，要放出潜热，又要放出显热。
依题意知，冷凝水由TS=111℃降温至50℃，则
定性温度为 T1115080.5oC
2020/5/1
2.
11
由附录3查得水在80.5℃时的定压比热为
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
所组成的面积为等温面。等温面上温度处处相等，无
热量传递。
等温面
t1 t2
不同温度的等温面不相交。
Q
t1>t2
(2)温度梯度
将与t相邻等温面之间的温差t，与两面间的垂直距离 x之比值的极限称为温度梯度。
t t
gradt lim
x0 x x
t-t
t
t+t
Q
温度梯度是一个点的概念。 温度梯度是一个向量。
2)液体 • 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。
• 一般来说，纯液体的大于溶液 • t （除水和甘油） 3)气体
• t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。
4.2.4 通过平壁的稳定热传导
一、 通过单层平壁的稳定热传导
b
t
t1
Qx
t Qx+dx
2
dx
假设： (1) A大，b小； (2) 材料均匀； (3)温度仅沿x变化，且
第四章 传热
4.1 概述
4.1.1 传热过程在化工生产中的应用 4.1.2 传热的三种基本方式 4.1.3 冷热流体的接触方式 4.1.4 热载体及其选择 4.1.5 间壁式换热器的传热过程
4.1.1 传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却 换热 保温
强化传热过程 削弱传热过程
4.1.2 传热的三种基本方式
• 加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低 熔混合物、烟道气等 若所需的加热温度很高则需采用电加热 冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等
冷却温度30C 水 加热温度180C 饱和水蒸气
4.1.5 间壁式换热器的传热过程
一、基本概念
热负荷Q’：工艺要求，同种流体需要温升或温降 时，吸收或放出的热量，单位 J/s或W。 传热速率Q：热流量，单位时间内通过换热器的整 个传热面传递的热量，单位 J/s或W。 热流密度q：热通量，单位时间内通过单位传热面 积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
4.2.1 有关热传导的基本概念
(1)温度场和等温面
温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布总和。
t f x, y, z,
式中 t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标； ── 时间。
不稳定温度场 t f x, y, z,
稳定温度场 t f x, y, z
t 0
等温面：在同一时刻下，温度场中相同温度各点
不随时间变化。
x
取dx的薄层，作热量衡算：
Qx
Qxdx
dx
A
cp
t
对于稳定温度场 t 0
Qx Qxdx Q const
傅立叶定律： Q A dt
dx
边界条件为：
x 0时，t t1 x b时，t t2
得：
b
t2
Qdx Adt
0
t1
设不随t而变
dA n
方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正
一维稳定热传导 dt / dx
4.2.2 傅立叶定律
表示通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热 面积成正比。即：
dQ dA t
x
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s；
dA ── 导热面积，m2；
t/x ── 温度梯度，℃/m或K/m；
── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
稳态传热： Q1 Q2 Q3 Q
总传热速率方程：
Q
KAtm
tm 1/ KA
总传热推动力 总热阻
式中 K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q──传热速率，W或J/s； A──总传热面积，m2；
tm──两流体的平均温差，℃或K。
4.2 热传导
4.2.1 有关热传导的基本概念 4.2.2 傅立叶定律 4.2.3 导热系数 4.2.4 通过平壁的稳定热传导 4.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导
式中
q Q A
A──总传热面积，m2。
二、稳态与非稳态传热
稳态传热：输入能量等于输出能量的传热过程
Q,q, t f x, y, z t 0
非稳态传热
Q,q, t f x, y, z,
三、冷热流体通过间壁的传热过程
T1
t2
Q 对流 导热 对流
热
流 体
T2
冷
t1
流 体
(1)热流体 Q1(对流)管壁内侧 (2)管壁内侧 Q2 (热传导)管壁外侧 (3)管壁外侧 Q3(对 流)冷流体
(3) 各种物质的导热系数 金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
1)固体
• 金属：纯金属&温度范围内： 0 (1 at)
式中 0, ── 0℃, t℃时的导热系数，W/(m·K)； a ── 温度系数。
对大多数金属材料a < 0 ，t 对大多数非金属材料a > 0 ， t
二、对流 流体内部质点发生相对位移所引起的热传递过 程。 • 自然对流 • 强制对流 三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
• 能量转移、能量形式的转化 • 不需要任何物质作媒介
4.1.3 冷热流体的接触方式
一、直接接触式
板式塔
二、蓄热式
低温流体
优点： •结构较简单 •耐高温
高温流体
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
用热通量来表示 q dQ t
dA x
对一维稳态热传导 dQ dA dt
dx
表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好
4.2.3 导热系数
q t / x
(1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量。
(2) 是分子微观运动的宏观表现。 = f(结构,组成,密度,温度,压力）
一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或 传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 特点：没有物质的宏观位移，仅借分子、原子和自由电子等 微观粒子的热运动。
气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动
非导电体：原子或分子通过晶格结构的振动来实现的 液体 机理复杂
缺点： •设备体积大 •有一定程度的混合
三、间壁式 套管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为内管壁的表面积
列管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为壳内所有管束壁的表面积
4.1.4 热载体及其选择 物料在换热器内加热或冷却时，通常需要另一
种流体供给或取走热量，这种流体称作载热体。 选择载热体时必须考虑以下原则： ①载热体的温度易调节控制； ②载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解； ③载热体的毒性小、不易燃、易爆，不易腐蚀设 备； ④价格便宜，来源容易；