化工原理4.ppt

第四章传热 传热过程在化工中的应用 传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程 通常来说有温度差的存在就有热的传递 也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力 在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关 但是进行传热的目的不外乎是以下三种 1 加热或冷却2 热量和冷量的回收利用3 保温可见 传热过程是普遍存在的 第一节 概述 传热的三种基本方式 根据传热的机理不同 热传递有三种基本方式 热传导 热对流和热辐射 热传导 导热 一个物体的两部分连续存在温差 热就要从高温部分向低温部分传递 直到两部分的温度相等为止 这种传热方式就称为热传导 物体各部分之间不发生相对位移时 依靠分子 原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递 热传导现象可以用傅立叶 Fourier 定律来描述 对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换 热对流是流体所特有的一种传热的方式 热对流存在气体或液体中 固体中不存在这种传热方式 据引起对流的原因不同可分为 自然对流和强制对流 热对流与流体运动状况有关 热对流还伴随有流体质点间的热传导 工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热 即包含了热传导和热对流 对流传热通常用牛顿冷却定律来描述 牛顿冷却公式表明 单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系 热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程 一切物体都能以这种方式传递能量 而不借助任何传递介质 通常在高温下热辐射才是主要方式 稳定传热和不稳定传热 稳定传热 在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变 不随时间而变 特点 通过传热表面的传热速率为常量 热通量不一定为常数 不稳定传热 若传热体系中各点的温度 既随位置的变化 又随时间变化 特点 传热速率 热通量均为变量 通常连续生产多为稳定传热 间歇操作多为不稳定传热 化工过程中连续生产是主要的 因而我们主要讨论稳定传热 传热速率方程 传热速率有两种表示方法 1 热流量 传热速率Q 单位时间内在整个传热面积上由热流体传给冷流体的热量 2 热通量 热流密度q 单位传热面积上通过的热流量 传热速率方程式 换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差 tm成正比 第二节 热传导 heatconduction 一 基本概念和傅立叶定律 Fourier slaw 二 导热系数 thermalconductivity 三 单层平壁的稳态热传导 steadystateconduction 四 多层平壁的稳态热传导 一 基本概念和傅立叶定律 1 温度场 temperaturefield 温度场 某一瞬间 空间 或物体上 各点的温度分布 温度场 稳态温度场 物体中各点温度与时间无关 非稳态温度场 物体的温度分布随时间变化 一维稳态温度场 2 等温面 isothermsurface 同一时刻 温度场中相同温度的点所组成的曲面 不同的等温面彼此不能相交 等温面上各点之间无热量传递 热传导 3 温度梯度 Temperaturegradient 与等温面相交的任何方向都有热量传递 最大的温度改变是与等温面垂直方向 法线方向 与等温面垂直 朝着温度增加的方向定义为温度梯度的方向 与热流方向相反 热传导速率怎样定量计算 傅立叶 法国数学家及物理学家 研究固体中的导热现象时发现 固体表面的导热可以能通过无穷数学级数来表示 即以他的名字命名的傅立叶级数 傅立叶的主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论被公认为导热理论的奠基人 兴趣是最好的老师 4 傅立叶定律 Fourier slaw 单位时间内的传热量Q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 热流方向 导热系数单位为W m K 意义 二 导热系数 thermalconductivity 物性参数 与物质种类 密度 热力学状态 T P 有关物理含义 代表单位温度梯度下的热通量大小故物质的 越大 导热性能越好 金属 非金属固体 液体 气体 T 金属 纯度 金属 2 液体的导热系数 1 固体 3 气体的导热系数 气体很小 不利于导热 但有利于保温气体的导热系数随温度升高而加大 纯金属 合金 建筑材料 是随温度变化的物性 金属液体 非金属液体 水的导热系数最大 纯液体 溶液 导热系数 思考1 为什么保温材料外面要加上防雨材料 思考2 为什么冬天经常被子经太阳晒过之后会暖和一些 思考3 电影 泰坦尼克号 中为什么Rose幸免遇难 而Jack被冻死了 思考4 举出生活中利用传热和阻止传热的例子 利用传热 CPU上涂导热硅脂 烙饼 金属暖气片 新产品 防寒充气式保暖衣 阻止传热 热水瓶夹层抽真空保温 空气夹层的双层玻璃 寒冷北方用的空心砖弹松的棉被工业上的保温材料具有蜂窝多空结构 矿渣棉 微孔硅酸钙和发泡塑料 无限大单层平壁一维稳态导热 无内热源 三 单层平壁的稳态热传导 c 定态导热 a 等温面为垂直于x轴的平行平面 一维单向传导 b 壁的材质均匀 三条假设 由此可知 温度分布为直线 积分 三 单层平壁的稳态热传导 左侧x 0 t t1 右侧x b t t2 经常遇到多层平壁导热的情况如用耐火砖 保温砖和青砖筑成的三层炉壁 该如何处理呢 实际过程 b2 b3 b1 1 2 3 四 多层平壁的稳态热传导 c 各等温面为垂直于x轴的平行平面d 定态导热 无热量累计 a 各层材料均匀 为一定值 b 层与层接触良好 相互接触的表面上的温度相等 三条假设 t1 t2 b1 t x b2 b3 t2 t4 t3 四 多层平壁的稳态热传导 即 平壁之间的温度t2 t3不易测得 该如何处理传热速率呢 通过每一层的Q 常数或q 常数 四 多层平壁的稳态热传导 合比定律 热阻大的保温层 分配于该层的温度差也越大 热阻与温度差成正比 思考1 气温下降 应添加衣服 应把保暖性好的衣服穿在里面好 还是穿在外面好 稳态传热的应用 夏季在维持20 室内工作 穿单衣感到舒适 而冬季保持在22 的室内工作时 为什么必须穿绒衣才觉得舒服 用两种不同的保温材料时 往往要把导热系数 小的材料放在 A 内层B 外层C 内或外层都行 引申 思考2 通过三层平壁的定态热传导 各层界面间接触均匀 第一层两侧温度为120 和80 第三层外表面温度为40 则第一层热阻R1和第二 三层热阻R2 R3的大小为 A R1 R2 R3 B R1 R2 R3 C 无法确定D R1 R2十R3 多层平壁热阻和温度差的关系 厚度不同的三种材料构成三层平壁 各层接触良好 已知b1 2 3 在稳定传热过程中 各层的热阻R1 R2 R3 各层导热速率Q1 Q2 Q3 各层的温度差 t1 t2 t3 引申 a 输送高温气体如 热蒸汽 导热油等b输送低温或超低温介质如 液氮c 高温环境下输送水 汽油等介质 问题 圆筒壁的热传导 圆筒壁的稳态热传导与平壁相比 相同处 定态热传导 Q为常量不同处 1 传热面为同心圆柱面 随r而变2 温度沿r而变设内壁半径为r1 温度为t1外壁半径为r2 温度为t2在半径r处取dr薄层 若圆筒长L则传热面积A 2rL由傅立叶方程 改写为类单层平壁的计算公式 导热速率 多层圆筒壁定态热传导 同理 对第二层 可以得到 利用数学中的合比定律得 推广到n层圆筒的传热速率公式为 注意的是 通过各层园筒壁的传热速率Q W 是相同的 但热通量Q A W m2 是不相同的 对流传热 一 对流传热方程与对流传热系数 二 影响对流传热系数的因素 四 对流传热的特征数关系式 对流给热的机理 过程分析 1 层流边界层 层流内层 内 热传导 热阻大 2 过渡区 热传导与对流传热共同起作用 3 湍流区 充满漩涡 混合很好 对流为主 热阻小 热边界层概念假设 1 在壁面附近存在一传热边界层 又称有效膜 热量以传热方式进行 在该区内集中着全部热阻 即全部温差 2 在传热边界层外 混合很好 温度梯度已消失 牛顿冷却公式 对流传热速率方程 因此 将对流传热计算改变为热传导计算按平壁导热处理 由于式中的传热边界层是难以测定的 所以仍无法进行计算 则 影响对流传热系数的因素 主要影响因数 1 流体种类及其物性 2 流体流动起因 强制对流 自然对流 3 流体流动状态 可见 湍流a 过渡流a 层流a 4 有无相态变化 有相态变化a 无相态变化a 5 传热表面形状 相对位置与尺寸 在强制对流传热问题中 对于几何相似的设备 可将给热系数的影响因素表示为u 流体速度 反映流体流动状况影响 k Cp 流体密度 粘度 导热系数和比热 反映物性影响l 传热表面的特征尺寸 反映传热面几何因素的影响 在自然对流传热中 流体流动是由浮升力引起的 故将u代以浮升力而得自然对数传热中给热系数的影响因素表示式 g t表示流体由于温差 t而产生的浮升力 称为流体的膨胀系数 对流传热的特征数关系式 列出主要影响因数 写成幂函数形式 量纲形式 应用量纲一致性原理对于质量M 1 c d e对于长度L 0 a b c d 3e 2f h对于时间T 3 a c 3d 2f 2h对于温度 1 d f 令a f h为已知 解得 d 1 fc a f 2he a 2gb a 3g 1 代人得 写成准数关联式 努赛尔准数 表示给热系数的准数 雷诺准数 表示流动状态对对流传热的影响 普朗特准数 表示流体物性对对流传热的影响 格拉斯霍夫准数 表示自然对流对对流传热的影响 应用公式注意事项 准数关联式仅是一种经验式 不能超出各系数实验测定的范围 借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式 在学习为数繁多的关联式时 应注意以下三个方面的问题 应用范围只能在实验的范围内应用 外推是不可靠的 定性温度取流体进 出口温度的算术平均值作为定性温度 高粘度流体用壁温作粘度定性温度 冷凝传热取凝液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度 特征尺寸传热面的几何因素有时是很复杂的 一般选取对传热起决定作用的几何因素作为特征尺寸 管内流动取管内径作为特征尺寸 管外的流动取管外径作为特征尺寸 等等 管内对流传热还与流体的入口效应有关 在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓 进口段 给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响 进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值 入口效应 对流传热系数关联式 式中n值与热流方向有关 当流体被加热时 n 0 4 当流体被冷却时 n 0 3 应用范围 Re 10000 0 7 Pr 120 定性温度 取流体进 出口温度的算术平均值 特征尺寸 取为管内径d1 流体无相变时的对流传热系数 1流体在管内作强制对流 园形直管强制湍流的给热系数 流体在圆形直管内作强制湍流时 对于低粘度流体 则有 A管内流动 n取不同的数值 这是为了反映热流方向对给热系数的影响 对于气体由于Pr 1 即Pr0 4 Pr0 3 气体被加热的给热系数小于被冷却给热系数 这是由于气体粘度随温度升高而增大 气体被加热时的边界层较厚的缘故 对于液体由于Pr 1 所以Pr0 4 Pr0 3 即液体被加热的给热系数大于被冷却的给热系数 这是因为 当液体被加热时 管壁处滞流底层的温度高于液体主体的平均温度 由于液体粘度随温度升高而降低 故贴壁处液体粘度较小 使滞流底层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要薄 给热系数较大 液体被加热 1 05 液体被冷却 0 95 园形直管内高粘度液体无相变传热 给热系数 应用范围 Re 10000 0 7 Pr 16700 定性温度 w取壁温作定性温度 其余各物性取液体平均温度作定性温度 特征尺寸 取为管内径d 对于l d 60的短管 管入口效应校正系数对于弯管 弯管效应校正系数 流体流过弯曲管道或螺旋管时 会引起二次环流而强化传热 给热系数应乘以一个大于1的修正系数 3流体在非圆形管中流动 d为管内径 R为弯曲半径 2流体在弯管作强制对流 特征尺寸应用当量直径de 应用范围 Re 2300 Pr 0 6 定性温度 w取壁温 其余取进 出口温度的算术平均值 特征尺寸 管内径d1 4流体在圆形管内强制滞流 5流体在圆形管内过渡流 在Re 2300 10000的过渡区 作为粗略计算 可按湍流传热的公式计算h值 然后乘以修正系数f 换热器壳程都是横掠管束流动 换热管排列分为直列和错列两种 流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的 错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动 比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈 故错列比直列传热要快 但错列的流动阻力较大 清洗不如直列容易 影响管束传热的因素除Re Pr数外 还有管子排列方式 管间距和管排数 给热系数 应用范围 特征尺寸 管外径 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速 定性温度 流体进 出口温度的算术平均值 B流体在管外作强制对流 1流体在管束外横掠流动 错列直列 各排的给热系数不同 应按下式求其平均值 列管式换热器 各排的管数不同 装有折流挡板 先是横掠管束 在绕过折流挡板时 则变为顺着管子的方向流动 由于流速和流向的不断变化 Re 100即达到湍流 换热器内装有圆缺型挡板时 壳程给热系数 1 Re 3 12 104时 2 Re 2 103 1 106时 2流体在换热器壳程的传热 C自然对流传热系数 所谓大容积自然对流 如 无搅拌时釜内液体的加热 传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热 1 蒸汽冷凝的方式膜状冷凝 冷凝液体能润湿壁面 它就在壁面上铺展成膜 膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去 此时 液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻 若凝液籍重力沿壁下流 则液膜越往下越厚 给热系数随之越小 滴状冷凝 冷凝液不能完全润湿壁面 在壁面上形成一个个小液滴 且不断成长变大 在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下 在下滚过程中 一方面会合相遇液滴 合并成更大的液滴 一方面扫清沿途所有的液滴 使壁重新暴露在蒸汽中 没有完整液膜的阻碍 热阻很小 给热系数约为膜状冷凝的5 10倍甚至更高 流体有相变化时的对流传热系数 蒸汽泠凝的对流传热 实现滴状冷凝的方法 一 在壁面上涂一层油类物质 二 在蒸汽中混入油类或脂类物质 2 蒸汽在水平管外冷凝 可采用下式计算 r 蒸汽比气化热 冷凝液的导热系数n 水平管束在直列上的管子数定性温度取膜温 特征尺寸 l取垂直管或板的高度 定性温度 r取ts下的值 其余物性取液膜平均温度下的值 k 凝液的导热系数 密度和粘度 r 冷凝潜热 t 蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差 2 膜状冷凝的传热系数 蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝当Re 1800时 膜内为滞流 若Re 1500时 膜层为湍流 垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式W 凝液质量流量 公斤 s b 浸润周边长度 m M 冷凝负荷 M W b A 膜层流通截面积 m2 de 液膜当量直径 m 冷凝系统的Re数表达式 蒸汽流速和流向 蒸汽流动会在汽 液界面上产生摩擦阻力 若蒸汽与液膜流向相同 则会加速液膜的流动 使液膜减薄 传热加快 不凝性气体 蒸汽中含有不凝性气体时 即使含量极微 也会对冷凝传热产生十分有害的影响 例如水蒸汽中含有1 的空气能使给热系数下降60 不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜 冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要 过热蒸汽 温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽 实验表明 在大气压力下 过热30 的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1 而过热540 的蒸汽的给热系数高30 所以在一定情况下不考虑过热的影响 仍按饱和蒸汽进行计算 影响冷凝传热的其它因素 液体的沸腾传热大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象 此时 液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的 强制对流沸腾是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象 此时 汽泡不能自由升浮 而是受迫随液体一起流动 形成汽 液两相流动 沿途吸热 直至全部汽化 液体的沸腾曲线液体主体达到饱和温度ts 加热壁面的温度tw 随壁面过热度 t tw ts的增加 沸腾传热表现出不同的传热规律 图表示水在一个大气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度 t的变化关系 称为沸腾曲线 自然对流沸腾区 过热度 t较小 加热壁面处的液体轻微过热 产生的汽泡在升浮过程往往尚未达到自由液面就放热终结而消失 其给热系数h和热流密度q比无相变自然对流略大 如图中AB段所示 核状沸腾区 随着 t的增大 在加热面上产生汽泡数量增加 汽泡脱离时 促进近壁液体的掺混和扰动 故给热系数h和热流密度都迅速增加 如图中BC段所示 过渡沸腾区 当 t增大至过C点后 加热面上产生的汽泡数大大增加 且汽泡的生成速率大于脱离速率 汽泡脱离壁面前连接成汽膜 由于热阻增加 给热系数h与热流密度q均下降 如图中CD所示 膜状沸腾 t继续增大 汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上 产生稳定的膜状沸腾 此时 由于膜内辐射传热的逐渐增强 给热系数h和热流密度又随Dt的增加而升高 图示出了垂直管内液体沸腾过程中出现的流动型态和传热类型 液体进入管内至开始产生汽泡的这一段为单相液体的无相变加热过程 液体开始产生汽泡时 液体主体尚未达到饱和温度 处于过冷状态 称为过冷沸腾 继续加热而至饱和温度时 即进入泡状沸腾区 形成泡状流和块状流 汽泡汇合成块 随着蒸汽含量的进一步增加 大汽块进一步合并 在管中心形成汽芯 称为环状流 环状液膜受热蒸发 逐渐变薄 直至液膜消失 称为蒸干 对湿蒸汽继续加热 最后进入干蒸汽的单相传热区 汽泡的生成依赖于两个条件 一是液体必须过热 二是加热壁面上应存在有汽化核心 传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度 氧化情况以及材质等诸多因素有关 这是一个十分复杂的问题 有些情况至今尚不清楚 目前比较一致的看法是 粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成为汽化核心 在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽 这里就成为孕育新生汽泡的胚胎 沸腾传热过程的机理 影响沸腾传热的因素 a流体物性 Cp 表面张力b温度差 在核心沸腾时c操作压力 影响液体的饱和温度 使和表面张力下降 气泡易生成与脱离壁面d加热面状态 粗糙程度 有无油污 式中 称为对流 辐射联合给热系数 为减少热损失 常在设备表面上敷设一层或若干层保温层 保温层的存在 加大了设备的导热热阻 使保温层外表面的温度tw大为降低 从而削弱热损失 联合给热系数用下列近似关系式计算 在平壁保温层外 在管道或圆筒壁保温层外 aT称为辐射给热系数 因设备被环境大气所包围 1 于是 上两式适用于tw 150 场合 由式可知 设备壁面温度越高 热损失越大 4 4 1热量衡算和传热速率方程间的关系 无热损失 对于间壁式换热器 假设换热器绝热良好 热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 即 列管式换热器 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 传热温差 参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化 热流体放出热量温度沿程降低 冷流体获得热量温度沿程升高 冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的 当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时 必须使用整个传热面积上的平均温差 平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关 流体的流动方式不同 平均传热温差不同 传热过程的计算 一 恒温传热 二 变温传热 tm与流体流向有关 4 4 2 传热平均温度差 逆流 并流 错流 折流 1 逆流和并流时的 tm 逆流 并流 假定 在传热过程中 热损失忽略不计 两流体的比热为常数 不随温度而变 总传热系数K为常数 不沿传热表面变化 一 逆流或并流时的平均温差 并流 逆流 也适用于并流 例 在套管换热器中用20 的冷却水将某溶液从100 冷却至60 溶液流量为1500kg h 溶液比热为3 5kJ 公斤 已测得水出口温度为40 试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差 若已知并流和逆流时总传热系数K 1000W m2 求并流操作和逆流操作所需的传热面积 平均温差是换热器两端温差的对数平均值 称对数平均温差 并流逆流平均温差计算式相同 两端温差的计算方法不同 通常把温差较大者作为 t1 解 逆流和并流的平均温差分别是 传热负荷为 逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是 并流时T2恒大于t2 但逆流时T2有可能低于t2 热流体的用量有可能比并流时为少 一般都采用逆流操作 但是并流也有它的特点 例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度 或被冷却的流体不得低于某一温度 采用并流较易控制 当T1 T2 t1和t2不变时 逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差 逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积 参与换热的两种流体的温度都恒定不变 例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化 换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝 冷凝温度T恒定不变 间壁另一侧液体沸腾汽化 其沸腾温度保持在沸点t不变 则并流与逆流的换热器的传热温差亦为定值 两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流 而是比较复杂的多程流动 既有折流又有错流 错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直 一种流体作折流流动 另一种流体不折流 或仅沿一个方向流动 若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流 称为复杂折流 复杂折流 错流 简单折流 二 错流和折流时的平均温差 称为温差修正系数 表示为P和R两参数的函数 式中 式 4 25 表示的温差修正曲线绘于 a b 和 c 中 错流或折流时的平均温差 通常是先按逆流求算 然后再根据流动型式加以修正 温差修正系数 1 即 tm tm 逆 换热器设计时 值不应小于0 8 否则不经济 增大 的一个方法就是改用多壳程 总传热系数K综合反映传热设备性能 流动状况和流体物性对传热过程的影响 倒数1 K称为传热过程的总热阻 冷 热两流体的温度分别为T和t 给热系数分别为a2和a1 管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw 间壁两侧面积分别为A1和A2 流体通过间壁的热交换经过 对流 传导 对流 三个串联步骤 总传热系数 冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和 这和串联电路的欧姆定律是类似 以A2传热面为基准的总传热系数 根据列管换热器标准 传热面积以换热管外表面计算 式中为管壁的对数平均直径 当间壁为平壁 或管壁很薄或管径较大时 各面积相等或近似相等 若导热热阻很小 则 若 则 若 则 管内流体对流传热控制 管外流体对流传热控制 总传热系数总是更接近数值较小的给热系数 欲提高K值 关键是提高较小的给热系数 获取K的其他途径 查取K值在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值 但应选用工艺条件接近 传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据 实验测定通过实验测定现有换热器的流量和温度 由传热基本方程计算K值 实验测定可以获得较为可靠的K值 由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大 这主要是由于计算给热系数h的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致 列管换热器总传热系数K的经验数据 污垢热阻 换热器在运行一段时间后 流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层 有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层 垢层的生成对传热产生附加热阻 使总传热系数减小 传热速率显著下降 若垢层厚度为 s 垢层导热系数为 s 则垢层热阻为Rd s s 因为垢层导热系数很小 即使厚度不大 垢层热阻也很大 往往成为主要热阻 必须给予足够重视 由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计 工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值 如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rd1和Rd2 则总热阻 用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和 则 式中K2为清洁表面的总传热系数 K2 是结垢表面的总传热系数 分别测得这两个传热系数 即可确定Rf值 当间壁为平壁 或管壁很薄或管径较大时 各面积相等或近似相等 在计算强制对流 自然对流 冷凝和沸腾传热的给热系数以及设备的热损失时 需要知道壁温 此外 在选择换热器类型和管材时 也需要壁温数据 由于换热器间壁两侧流体的温度不同 间壁两侧表面的温度也是不同的 但是金属间壁的热阻通常很小 因而忽略间壁温度的差异 若间壁两侧流体的平均温度分别为T和t 给热系数分别为a1和a2 则间壁平均温度tw满足下式 近似取 由于壁温tw未知 因而给热系数a1和a2也是未知的 因此 由式求解壁温需要试差计算 壁温的估算 方法是 先假设一壁温 据此计算两个给热系数 进而由式计算壁温 直至计算的壁温和假设的壁温相一致 假设壁温时应作粗略估计 由式知 温差与热阻成正比 也即 壁温接近给热系数较大一侧流体的温度 传热过程的强化占有十分重要的地位 设计和开发高效换热设备 可以达到节能降耗的经济目的 相反 许多场合需要力求削弱传热 隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大 已经发展成为传热学的一个重要分支 传热强化 不难看出 提高方程式右边任何一项 均可达到提高换热器传热能力的目的 但究竟哪一个环节是传热的控制步骤 需要具体问题作具体分析 只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施 才能收到预期的效果 强化传热的途径 增加传热温差 在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热 用饱和蒸气作加热介质 通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度 在水冷器中降低水温以增大温差 冷热两流体进出口温度固定不变 逆流操作增加传热温差 由总传热系数关系式 提高K值 必须设法提高冷热流体的两个给热系数 降低间壁热阻和污垢热阻 但应分清矛盾的主次 重点放在薄弱环节上 对于金属壁面 导热一般不构成主要热阻 垢层热阻随使用时间的延长而变大 往往成为控制传热速率的主要因素 防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施 当污垢也不构成影响传热的主要因素时 则间壁两侧的对流传热热阻就构成问题的主要方面 若两个a存在数量级的差别时 传热的薄弱环节处在较小a一方 应设法增加小a的数值 若两个h数值相近 应同时予以提高 提高传热系数 对流传热时 热量以导热方式通过滞流底层 对流热阻主要集中在这里 因此 强化传热的方法是 减薄滞流底层的厚度 增强边界层的湍动程度 采取的手段是 管程流速可以通过增加管程数来提高 壳程流速可以通过增加折流挡板数来提高 由于h u0 8 随着流速的增加 传热系数增大 但由于 p u2 流动阻力增加更快 强化具有局限性 通过特殊设计的传热壁面不断改变流体的流动速度和方向 增强边界层的扰动 如 将换热面加工成粗糙表面 在管内表面上加工螺纹槽 制成螺纹管或螺旋槽管 在管内安装插入物强化管内的传热 常用插入物是麻花纽带 制作和装卸都方便 提高流体速度 改变流动状态 引入机械振动 增大传热面积 使传热表面振动或流体振动 目的是加强滞流底层的湍动 关于有相变的沸腾和冷凝传热 也发展了一些强化传热的理论和技术 不过 这两种传热过程的给热系数已经相当高 强化传热的要求并不十分迫切 用螺纹管或螺旋槽管代替光管 在园管外表面上加螺旋翅片 或在管壁上加工轴向肋片 称之为扩展表面 都能有效提高传热速率 但是 扩展表面的温度低于基管的温度 传热量的增加率低于传热面积的增加率 加肋还可提高传热系数 凡能导致千安培增加的换热表面称为 强化传热面 4 6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 1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 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 以固定管板式换热器为例 清洗方便 易结垢流体走管程流体压力 高压流体走管程减少腐蚀机会 腐蚀性大的流体走管程毒性物质的泄漏 毒性大者走管程热能的合理利用 冷却时 热流体走壳程蒸汽加热的情况 蒸汽走壳程 排不凝气 冷凝液 洁净 减少热应力 流体的粘性 粘性大者走壳程 利用折流挡板增大湍动 对流传热系数 大者走壳程 减少热应力 流体流经的路径选择 换热器 辐射传热 一 基本概念 不直接接触的两物体可以不依赖其间的任何介质而传递辐射热 通常把物体发射辐射能以及辐射能的传播成为辐射 如果发射的辐射能是与物体的温度有关的热能转换的 则称为热辐射 热射线在物理本质上与光射线一样服从反射和折射定律 当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时 一部分被物体吸收 QA 一部分被反射回去