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时间:2020-10-04
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1、第二章传热过程本章重点:传导传热,对流传热,热交换器的计算,强化传热的途径。难点:传导传热、对流传热机理和基本方程。在化工生产和科学实验中,随时会遇到热量传递的问题。例如,为了保证化学反应在一定的温度下进行,对于吸热反应,就需要外界供给热量,而对于放热反应,则要及时取走热量;在分离、提纯的操作中,如精馏、蒸发、干燥等操作中,都发生物相的变化,物质发生了相变,就要吸收或放出热量,也需要及时供给或取出热量;在预热或冷却过程中,又需要供给或取走物料在温度变化时所吸收或放出的“显热”;这些热量传递的过程简称传热。在化工生产中的加热炉和各种管道需要保温
2、和阻止热量传递,这一类也属于传热的问题。热量的传递有三种基本方式:传导、对流、辐射。实现传热过程的设备类型(传热中冷热流体的接触方式):直接混和式传热(直接接触式传热),间壁式传热、蓄热式传热。直接混和式传热(直接接触式传热),冷热流体直接接触传热,如在真空蒸发操作中,将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝,冷水由液封管流走,只有不凝气由真空泵抽走,保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。间壁式传热,主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下工艺上不允许冷热流体直接接触,在热交换器中冷热流体分别流过间壁两侧,热量自热流体传给冷流体。蓄
3、热式传热,主要通过传导、对流、辐射三种方式来传递热量。蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成,室内填充耐火砖等填料,它的传热方式是,首先将热流体通入蓄热室将填充物加热,之后再通入冷流体,使冷流体被已加温的蓄热室加热,达到冷热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体,且允许少量物质参混的情况。化工生产中,间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中换热器约占设置重量的40%左右,因此必须对传热机理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、换热设备的传热面积计算,以及主要几种热交换器的基本结构和性能有所了
4、解。§1传导传热1-1传导传热传导传热也称热传导,是依靠物体内自由分子的运动或分子的振动来传递热量的。物体较热部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞,并将其动能的一部分传给后者,借此,热能从物体的一部分传至另一部分。此种作用继续进行,直到整个物体中温度达到完全相同。在一个均匀(各部分化学组成、物理状态相同)的物体内(图2-1),热量以传导方式沿着方向n通过物体。取热流方向的微分长度为,在瞬间内的热传量为。实践证明,单位时间内的传热量与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度成正比,即:(2-1)或写成:(2-2)上式为导热基本方程,或称为傅立叶(
5、Fourier)定律。图2-1通过壁面的热传导在稳定导热时,因导热量Q不随时间而改变,即单位时间内的导热量为定值,故上式可写成:(2-3)式中:q-单位时间内传导的热量,也称导热速率[J/s]或[W];A-导热面积[m2];-比例系数,称为导热系数[W/m·K];-温度梯度[K/m],表示热流方向温度变化的强度。温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上的温差也越大。式(2-1)、(2-2)、(2-3)等号右边的负号表示热流方向与温度梯度方向相反,即热量沿着温度降低的方向传递(温度升高,温度梯度为正)。导热系数系温度梯度为1[K/m],导热面积为
6、1[m2]情况下,单位时间内传递的热量。物质的导热系数数值越大,说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导热能力的标志,为物质的物理性质之一。通常,需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料;反之,要降低导热速率时,应选用导热系数小的材料。影响导热系数λ值的主要因素:物质的化学组成;物理状态(固态的导热系数大,气态的小);湿度(湿材料的比干材料的要大);压强(对气体有影响);温度。各种物质的导热系数都可用实验方法测得,在常温常压下一些物质的导热系数大致如下:从右表数据可以看出,金属的值最大,气体的值最小,一些保温材料值之所以很小,就是因为保
7、温材料内有很大部分空间是空气的缘故。物质导热系数λ[W/m·K]金属5建筑材料0.5~2绝热材料0.01~0.4水0.6其他液体0.09~0.7气体0.007~0.17物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小(水和甘油除外)。气体的导热系数随温度的升高而加大。在相当大的压力范围内,气体的导热系数和压力的关系不是很大,只有在压力大于2000[大气压]或是小于20[毫米汞柱]时,导热系数才随着压力的增加而加大。工程计算上较常涉及的混和气体或溶液的导热系数,一般应由实验测定比较可靠,若缺乏
8、实验条件,也可以按纯物质的数据进行估算。液体混合物的导热系数,可按质量加和法进行估算:式中:、-混合液和各组分的导热系数[W/m·K];-各组分的质量分数;K-常数
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