页数：150页文件大小：1.19 MB来源： 化工原理和实验ppt课件
本课件围绕传热展开，依次讲解4.1概述、4.2热传导、4.3对流传热、4.4传热过程的计算等内容，配合典型例题与工程计算示例，帮助建立从基本原理到设备选型的完整知识框架。
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
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:通过晶格结构的振动来实现的液体机理复杂
二、对流
流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
三、热辐射
物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
自然对流
强制对流
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
优点:
结构较简单
耐高温
缺点:
设备体积大
有一定程度的混合
低温流体
高温流体
三、间壁式
传热面为内管壁的表面积
套管换热器
冷流体t1
t2
热流体T1
T2
列管换热器
传热面为壳内所有管束壁的表面积
热流体T1
T2
冷流体t1
t2
4.1.4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
冷却剂:水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却温度>30℃水加热温度<180℃饱和水蒸气
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。
4.1.5间壁式换热器的传热过程
一、基本概念
非稳态传热
二、稳态与非稳态传热
稳态传热
式中A──总传热面积,m2。
三、冷热流体通过间壁的传热过程
t2
t1
T1
T2
对流
对流
导热
冷流体
Q
热流体
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;
Δtm──两流体的平均温差,℃或K。
总传热速率方程:
稳态传热:
4.2.1有关热传导的基本概念
式中t──某点的温度,℃;
x,y,z──某点的坐标;
θ──时间。
温度场:某时刻,物体或空间各点的温度分布。
(1)温度场和等温面
不稳定温度场
稳定温度场
等温面:在同一时刻,温度场中所有温度相同的点组成的面。
不同温度的等温面不相交。
t1
t2
t1>t2
等温面
Q
(2)温度梯度
t+Δt
t-Δt
t
n
Q
dA温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个向量。
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
4.2.2傅立叶定律
式中dQ──热传导速率,W或J/s;
dA──导热面积,m2;
∂t/∂n──温度梯度,℃/m或K/m;
λ──导热系数,W/(m·℃)或W/(m·K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反λ表征材料导热性能的物性参数
λ越大,导热性能越好
用热通量来表示对一维稳态热传导
在一定温度范围内:
式中λ0,λ──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↑λ↓
对大多数非金属材料a>0,t↑λ↑
1)固体
金属:λ纯金属>λ合金
非金属:同样温度下,ρ越大,λ越大。
2)液体
金属液体λ较高,非金属液体λ低,水的λ最大。
t↑λ↓(除水和甘油)
3)气体
一般来说,纯液体的大于溶液
t↑λ↑
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
假设:
(1)A大,b小;
(2)材料均匀;
(3)温度仅沿x变化,且不随时间变化。
t1
t2
b
t
x
dx
Qx
Qx+dx
取dx的薄层,作热量衡算:
对于稳定温度场
傅立叶定律:
边界条件为:
得:
设λ不随t而变
式中Q──热流量或传热速率,W或J/s;
A──平壁的面积,m2;
b──平壁的厚度,m;
λ──平壁的导热系数,W/(m·℃)或W/(m·K);
t1,t2──平壁两侧的温度,℃。
讨论:
2.分析平壁内的温度分布
上限由
1.可表示为
推动力:
热阻:
为
λ不随t变化,t~x成呈线形关系。
3.当λ随t变化时
若λ随t变化关系为:
则t~x呈抛物线关系。
如:λ1~t1,λ2~t2
二、通过多层平壁的稳定热传导
假设:
(1)A大,b小;
(2)材料均匀;
(3)温度仅沿x变化,且不随时间变化。
(4)各层接触良好,接触面两侧温度相同。
t1
t2
b1
t
x
b2
b3
t2
t4
t3
推广至n层:
三、各层的温差
思考:
厚度相同的三层平壁传热,温度分布如图所示,哪一层热阻最大,说明各层λ的大小排列。
t1
t2
t3
t4
λ3
λ1
λ2
取dr同心薄层圆筒,作热量衡算:
对于稳定温度场
傅立叶定律
边界条件
得:
设λ不随t而变
式中Q──热流量或传热速率,W或J/s;
λ──导热系数,W/(m·℃)或W/(m·K);
t1,t2──圆筒壁两侧的温度,℃;
讨论:
1.上式可以为写
对数平均面积
2.
3.圆筒壁内的温度分布
上限从
改为
t~r成对数曲线变化(假设λ不随t变化)
4.平壁:各处的Q和q均相等;
圆筒壁:不同半径r处Q相等,但q却不等。
二、通过多层圆筒壁的稳定热传导
对于n层圆筒壁:
式中q1,q2,q3分别为半径r1,r2,r3处的热通量。
例题4.2.1
内径为15mm,外径为19mm的钢管,其λ1为20W/m℃,其外包扎一层厚度为30mm,λ2为0.2W/m℃的保温材料,若钢管内表面温度为580℃,保温层外表面温度为80℃,试求:
(1)每米管长的热损失;
(2)保温层中的温度分布。
例题4.2.2
有一蒸汽管道,外径为25mm,管外包有两层保温材料,每层材料均厚25mm,外层保温材料与内层材料导热系数之比λ2/λ1=5,此时单位时间的热损失为Q;现工况将两层材料互换,且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变,则此时热损失为Q’,求Q’/Q=?
3.3.1对流传热过程分析
dA
t2
G1,T1
G2,t1
T2
δt
A2
A1
tW
t
TW
T
传热壁
冷流体
热流体
层流底层
温度梯度大,热传导方式
湍流核心
温度梯度大,对流方式
过渡区域
热传导和对流方式
流体被冷却:
式中Q──对流传热速率,W;
α──对流传热系数,W/(m2·℃);
Tw──壁温,℃;
T──流体平均温度,℃;
A──传热面积,m2。
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。
下面来推导牛顿冷却定律
建立膜模型:
流体被冷却:
T
TW
t
tW
δt
1.牛顿冷却定律是一种推论,假设Q∝Δt。
2.复杂问题简单化表示。
推动力:
阻力:
4.3.3影响对流传热系数α的因素
1.引起流动的原因
自然对流:由于流体内部密度差而引起流体的流动。
强制对流:由于外力和压差而引起的流动。
α强>α自
2.流体的物性
ρ,μ,λ,cp
5.是否发生相变
蒸汽冷凝、液体沸腾α相变>α无相变
4.传热面的形状,大小和位置
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。
3.流动形态
层流、湍流α湍>α层
4.3.4对流传热系数经验关联式的建立
一、因次分析
u——特征流速。
基本因次:长度L,时间T,质量M,温度θ
变量总数:8个
由π定律(8-4)=4,可知有4个无因次数群。
α=f(u,l,μ,λ,cp,ρ,gβΔt)
Nusselt待定准数
Reynolds,流动型态对对流传热的影响
Prandtl,流体物性对对流传热的影响
Grashof,自然对流对对流传热的影响
二、实验安排及结果整理
以强制湍流为例:Nu=CReaPrk
1.采用不同Pr的流体,固定Re
lgNu=klgPr+lgCRea
双对数坐标系得一直线,斜率为k
2.不同Pr的流体在不同的Re下
lgNu/Prk=algRe+lgC
双对数坐标系中得一直线
斜率为a,截距为C
Pr
Nu
k
Re
Nu/Prk
C
a
一、流体在管内的强制对流
适用范围:
Re>10000,0.7<Pr<160,μ<2mPa.s,l/d>60
4.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式
1.圆形直管内的湍流
特征尺寸为管内径di
流体被加热时,k=0.4;被冷却时,k=0.3。
注意事项:
定性温度取
强化措施:
u↑,α∝u0.8⇑α↑
d↓,α∝1/d0.2⇑α↑
流体物性的影响,选λ大的流体⇑α↑
以下是对上面的公式进行修正:
(1)高粘度
Re>10000,0.7<Pr<160,l/d>60
定性温度取tm;特征尺寸为di
例题4.3.1
一列管式换热器,由38根φ25×2.5mm的无缝钢管组成,苯在管内流动,由20℃加热到80℃,苯的流量为8.32kg/s,外壳中通入水蒸气进行加热,求:
(1)管壁对苯的对流传热系数;
(2)管子换为φ19×2mm,管壁对苯的对流传热系数;
(3)当苯的流量提高一倍,对流传热系数变化如何?
已知:苯的物性
特点:1)物性特别是粘度受管内温度不均匀性的
影响,导致速度分布受热流方向影响。
2)层流的对流传热系数受自然对流影响严
重使得对流传热系数提高。
3)层流要求的进口段长度长,实际进口段
小时,对流传热系数提高。
2.圆形管内强制层流
热流方向对层流速度分布的影响
适用范围:
当:
定性温度:
二、管外强制对流的对流传热系数
1.流体在管束外垂直流过
在换热器内单排管:
整个管束:
定性温度:
适用范围:
特性尺寸:管的外径do
2.流体在换热器壳程的流动
挡板形式:圆形、圆缺形
壳程流体的对流传热系数(圆缺形):
定性温度:
正方形排列:
正三角形排列:
特征尺寸:当量直径de
d0
t
t
流速u按流通截面最大处的截面计算:
D——换热器壳径,m;
do——管子的外径,m;
t——相邻两管中心距,m。
注意:换热器无折流挡板时,流体平行流过管束,对流给热系数按管内强制对流计算,但管子的内径换为当量直径。
提高壳程对流传热系数的措施:
3)加强湍动,α↑
2)
1)
三、大空间的自然对流传热
注意:c,n与传热面的形状(管或板)、放置位置(垂直、水平)有关。
定性温度:膜温
特征尺寸:垂直的管或板为高度
水平管为管外径
2.冷凝过程的热阻:液膜的厚度δ
3.蒸汽冷凝的α
1)水平管束外
r——汽化潜热(ts下),kJ/kg。
特性尺寸l:管外径do
定性温度:膜温
湍流
2)竖壁或竖管上的冷凝
层流
适用条件:Re<1800
适用条件:Re>1800
特性尺寸l:管或板高H
定性温度:膜温
4.冷凝传热的影响因素和强化措施
1)流体物性
冷凝液ρ↑μ↓δ↓,α↑;冷凝液λ↑,α↑;潜热r↑δ↓,α↑
2)温差
液膜层流流动时,Δt=ts-tW↑,δ↑,α↓
3)不凝气体
不凝气体存在,导致α↓↓,定期排放。
4)蒸汽流速与流向(u>10m/s)
同向时,δ↓α↑;反向时,δ↑α↓;u↑↑α↑
5)蒸汽过热
包括冷却和冷凝两个过程。
6)冷凝面的形状和位置
目的:减少冷凝液膜的厚度
垂直板或管:开纵向沟槽;水平管束:可采用错列
沸腾种类1)大容积沸腾
2)管内沸腾
1.汽泡产生的条件
问题:为什么汽泡只在加热面个别地方产生?
过热度:Δt=tW-ts
汽化核心:一般为粗糙加热面的细小凹缝处
汽化核心⇑生成汽泡⇑长大⇑脱离壁面⇑新汽泡形成⇑搅动液层
二、液体沸腾
4)加热面
新的、洁净的、粗糙的加热面,α大
强化措施:将表面腐蚀,烧结金属粒
4.4.1总传热系数和总传热速率方程
dA
t2
G1,T1
G2,t1
T2
热流体固体壁面一侧
固体壁面一侧另一侧
固体壁面另一侧冷流体
tw
Tw
对流
对流
导热
冷流体
热流体
t
T
Q
讨论:
1.当传热面为平面时,dA=dA1=dA2=dAm
2.以外表面为基准(dA=dA1):
dm——换热管的对数平均直径。
以壁表面为基准:
以内表面为基准:
近似用平壁计算
3.1/K值的物理意义
三、污垢热阻
4.4.2热量衡算和传热速率方程间的关系
无热损失:
热流体
G1,T1,cp1,H1
T2H2
冷流体
G2,t2,cp2,h1
t2h2
无相变时
热量衡算:
式中Q──热冷流体放出或吸收的热量,J/s;
G1,G2──热冷流体的质量流量,kg/s;
cp1,cp2──热冷流体的比热容,J/(s.℃);
h1,h2──冷流体的进出口焓,J/kg;
H1,H2──热流体的进出口焓,J/kg。
相变时
热量衡算:
式中r──热流体的汽化潜热,kJ/kg;
TS──热流体的饱和温度,℃。
传热计算的出发点和核心:
一、恒温传热
二、变温传热
Δtm与流体流向有关
4.4.3.传热平均温度差
逆流
并流
错流
折流
1、逆流和并流时的Δtm
t2
t1
T1
T2
t1
t2
T1
T2
t2
t
A
t1
T2
T1
t2
t
A
t1
T2
T1
逆流
并流
T2
t1
t2
T1
dT
dt
dA
A
t
Δt2
Δt1
T
t
1)也适用于并流
T2
t1
t2
T1
A
Δt2
Δt1
:逆流时的平均温度差
2、错流、折流时的
4.4.4壁温的计算
稳态传热
1.λ大,即b/λAm小,热阻小,tW=TW
TW接近于T,即α大热阻小侧流体的温度。
3.两侧有污垢
2.当tW=TW,得
一、传热效率
最大可能传热速率:换热器中可能发生最大温差
变化的传热速率。
理论上最大的温差:
4.4.5传热效率~传热单元数法
热容流量:mscp
由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化
最小值流体:
热容流量最小的流体为最小值流体。
二、传热单元数
传热单元数:
传热单元数的意义:热流体温度的变化相当于
平均温度差的倍数。
同理:
三、传热效率与传热单元数的关系
根据热量衡算和传热速率方程导出:
逆流:
并流:
逆流:
并流:
4.4.6传热计算示例
例题:用120℃的饱和水蒸汽将流量为36m3/h的某稀溶液在双管程列管换热器中从温度为80℃上升到95℃,每程有直径为Φ25×2.5mm管子30根,且以管外表面积为基准K=2800W/m2.℃,蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求:
(1)换热器所需的管长;
(2)操作一年后,由于污垢积累,溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.℃/W,若维持溶液原流量及进口温度,其出口温度为多少?若又保证溶液原出口温度,可采取什么措施?(定性说明)
溶液的ρ=1000kg/m3;cp=4.2kJ/kg.℃。
4.5.1基本概念
1.辐射:物体通过电磁波来传递能量的过程。
2.热辐射:物体由于热的原因以电磁波的形式向
外发射能量的过程。
特点:
能量传递的同时还伴随着能量形式的转换;
不需要任何介质。
QR
QD
QA
N
Q
能量守恒定律:
——反射率;
——穿透率。
3.热辐射对物体的作用
总能量Q;被物体吸收QA;被反射QR;穿过物体QD
黑体:
白体(镜体):
透热体:
A,R,D=f(物体性质、温度、表面、辐射波长)
灰体:指能以相同的吸收率吸收所有波长
的辐射能的物体。
固体、液体:D=0R+A=1
气体:R=0A+D=1
4.5.2物体的辐射能力
物体在一定温度下,单位表面积,单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到∞),W/m2。
物体的单色辐射能力:物体在一定温度下,发射某种波长的能力;以Eλ表示,单位W/m3。
辐射能与单色辐射能的关系:
普朗克定律
式中σ0──黑体辐射常数,=5.67×10-8W/(m2.K4);
C0──黑体辐射系数,=5.67W/(m2.K4)
斯蒂芬-波尔茨曼定律
一、黑体
四次方定律表明,热辐射对温度特别敏感。
二、实际物体
物体的黑度:
ε<1
物体的黑度ε:物体的种类、表面温度、表面状况、波长。是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。
三、灰体
四、克希霍夫定律
T1>T2
A1A2=1
对灰体:
热交换达到平衡时T1=T2,Q=0
任意物体:
E1
E0
(1-A1)E0
A1E0
I
灰体
II
黑体
克希霍夫定律
结论:
(1)任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同,且等于同温度下绝对黑体的发射能力。物体的发射能力越强,其吸收率越大。
(2)A=ε
即同温度下,物体的吸收率与黑度在数值上相等。
(3)A<1,E<E0,即在任何温度下,各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。
一、两无限大平行灰体壁面间的相互辐射
4.5.3两固体间的相互辐射
设T1>T2
E1、E2——1、2面在温度T1、T2下的发射能力;
E1’、E2’——1、2面发射的总能量。
两平面间单位面积的辐射热量:
将
代入:
——总发射系数
φ1-2——角系数(物体1发射辐射能被2拦截分率)。
两平面的面积有限时:
二、一物体被另一物体包围时的辐射
讨论:1)很大的物体2包住物体1:
2)物体2恰好包住物体1:
3)情况1和2间的情况:
A=A1
A=A1
A=A1
4.5.4高温设备及管道的热损失
对流散热:
辐射散热:
令φ=1
总热损失:
(1)空气自然对流,当tW<150℃时
平壁保温层外
(2)空气沿粗糙壁面强制对流
空气速度u<=5m/s时
管道及圆筒壁保温层外
空气速度u>5m/s时
4.6.1换热器的分类
按用途分类:
加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器
按冷热流体热量交换方式分类:
混合式、蓄热式和间壁式
主要内容:
1.根据工艺要求,选择适当的换热器类型;
2.通过计算选择合适的换热器规格。
4.6.2间壁式换热器的类型
一、夹套换热器
二、蛇管换热器
1.沉浸式
强化措施:可减少管外空间;容器内加搅拌器。
2.喷淋式
优点:结构简单;便于耐腐蚀;管内能耐高压;管外α比沉浸式大。
缺点:冷却水喷淋不均匀影响传热效果;只能安装在室外,占地面积大。
三、套管换热器
四、列管换热器
圆缺形
圆盘形
多管程:增大管内流体u,提高管内的α
加挡板:增大壳程流体的湍动,提高壳程的α
1.固定管板式
特点:结构简单;但壳程检修和清洗困难。
2.浮头式
特点:可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂
3.U型管式
特点:结构较浮头简单;但管程不易清洗。
4.6.3列管换热器的选用
1.根据工艺任务,计算热负荷
2.计算Δtm
3.依据经验选取K,估算A
4.确定冷热流体流经管程或壳程,选定u
先按单壳程多管程的计算,如果φ<0.8,应增加壳程数;
由u和V估算单管程的管子根数,由管子根数和估算的A,估算管子长度,再由系列标准选适当型号的换热器。
5.核算K
分别计算管程和壳程的α,确定垢阻,求出K,并与估算的K进行比较。如果相差较多,应重新估算。
6.计算A
根据计算的K和Δtm,计算A,并与选定的换热器A相比,应有10%~25%的裕量。
选用换热器中的有关问题:
(1)流体流经管程或壳程的选择
管程:不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体。
壳程:饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体。
原则:传热效果好,结构简单,清洗方便
(2)流体u
u↑→α↑K↑,在同Q、Δtm下A↓,节省设备费;
u↑→Hf↑↑,操作费用增加;
u选择是经济上权衡的问题,但要避免层流流动。
(3)换热器中管子的规格和排列方式
管子的规格:Φ19×2mm和Φ25×2.5mm
管长:1.5m、2.0m、3.0m、6.0m
排列方式:
正三角形
正方形直列
正方形错列
流体垂直流过管束外流动
4.6.4传热过程的强化途径
一、增大Δtm
提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度
两侧变温情况下,尽量采用逆流流动
为了增强传热效率,可采取Δtm↑、A/V↑、K↑。
二、增大A/V
直接接触传热,可增大A和湍动程度,使Q↑
采用高效新型换热器
改进传热面结构入手来增大A和湍动程度,使Q↑
(a)光直翅片(b)锯齿翅片(c)多孔翅片
三、增大K
尽可能利用有相变的热载体(α大)
用λ大的热载体,如液体金属Na等
减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻
提高α较小一侧有效
提高α的方法(无相变):
增大流速
管内加扰流元件
改变传热面形状和增加粗糙度
4.6.5新型的换热器
一、平板式换热器
优点:
传热效率高,K大
结构紧凑,操作灵活,安装检修方便
缺点:
耐温、耐压差
易渗漏,处理量小
二、螺旋板式换热器
优点:
传热效率高
不易堵塞
结构紧凑,成本较低
缺点:
压力、温度不能太高
难以维修
三、翅片管换热器
特点:增加A,增强管外流体的湍流来提高α。
重要的应用场合:空气冷却器
管外加翅片,大大改善了空气侧的传热效果
翅片管换热器
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