化工原理天大版第四章_传热2

1、第四章第四章 传热传热 4.1 4.1 化工生产传热过程及常见换热器化工生产传热过程及常见换热器 4.2 4.2 热传导热传导 4.3 4.3 对流传热对流传热 4.4 4.4 传热过程的计算传热过程的计算 4.5 4.5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化 重点：重点： 单层、多层平壁，圆筒壁热传导速率方程单层、多层平壁，圆筒壁热传导速率方程 及应用；及应用； 换热器能量衡算，总传热速率方程和总传换热器能量衡算，总传热速率方程和总传 热系数的计算；热系数的计算； 对流传热系数的影响因素；对流传热系数的影响因素； 难点：难点： 1. 1. 对流传热机理对流传热机理; ;

2、2. 2. 圆筒壁换热器的传热；圆筒壁换热器的传热； 4.1 4.1 概概 述述 4.1.1 4.1.1 传热基本方式传热基本方式 4.1.2 4.1.2 冷热流体热交换的方式冷热流体热交换的方式 4.1.3 4.1.3 典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器 4.1.4 4.1.4 传热速率和热通量传热速率和热通量 4.1.5 4.1.5 稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热 传热过程：系统内温度的差异使热量从高温传热过程：系统内温度的差异使热量从高温 向低温转移的过程。向低温转移的过程。 强化传热过程强化传热过程 削弱传热过程削弱传热过程 化工生产对传热的要求 化工生产中的传热过程 由于

3、物质的由于物质的分子、原子或电子的运动分子、原子或电子的运动，使热使热 量从物体内高温处向低温处的传递过程。量从物体内高温处向低温处的传递过程。 导热条件：导热条件：温度差温度差 特点：特点：不依靠宏观混合运动；不依靠宏观混合运动； 在气体、液体、固体中都能发生；在气体、液体、固体中都能发生； 4.1.1 传热基本方式 一、热传导（导热） 流体各部分之间发生相对位移而引起的热传递流体各部分之间发生相对位移而引起的热传递 特点：仅发生在流体中；质点的相对位移；特点：仅发生在流体中；质点的相对位移； 二、热对流（对流传热） 强制对流：强制对流：由于泵、风机等外力作用而引起的流体由于泵、风机等外力作

4、用而引起的流体 流动称为强制对流，在强制对流情况下进行热量传流动称为强制对流，在强制对流情况下进行热量传 递过程称为强制对流传热递过程称为强制对流传热 自然对流：自然对流：由于流体各部分温度的不均而形成了密由于流体各部分温度的不均而形成了密 度的差异使流体发生相对运动而传热，这种过程称度的差异使流体发生相对运动而传热，这种过程称 为自然对流传热为自然对流传热 习惯上把习惯上把流体流体与与固体壁面固体壁面间的传热，统称为对间的传热，统称为对 流传热，又称流传热，又称给热给热。 化工传热过程中的实际情况 流体流过固体表面时发生对流和热传导联合流体流过固体表面时发生对流和热传导联合 作用的传热过程作

5、用的传热过程 物体受热引起内部原子激发，将物体受热引起内部原子激发，将热能热能转变为转变为辐辐 射能射能以以电磁波形电磁波形式向周围发射，当遇到另一个式向周围发射，当遇到另一个 能吸收辐射能的物体时，辐射能部分或全部被能吸收辐射能的物体时，辐射能部分或全部被 吸收又重新变为热能。吸收又重新变为热能。 物体受热而发出物体受热而发出辐射能辐射能的过程称为的过程称为热辐射热辐射 特点：特点：热辐射不需要任何介质作媒介，即可在热辐射不需要任何介质作媒介，即可在 真空中传播。真空中传播。 三、热辐射（辐射传热） 4.1.2 冷热流体热交换的方式 1.直接接触式换热 2.蓄热式换热 3.间壁式换热 n 热

6、流体将热量传到壁面一侧热流体将热量传到壁面一侧热量通过固体壁面的热量通过固体壁面的 热传导热传导壁面另一侧将热量传给冷流体壁面另一侧将热量传给冷流体 热对流热对流-热传导热传导-热对流热对流 套管式换热器套管式换热器 4.1.3 典型的间壁式换热器 内管内管外管外管 此图为简 单的套管式换 热器。它是由 直径不同的两 根管子同心套 在一起构成的。 冷、热流体分 别流经内管和 环隙而进行热 的交换。 结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成， 安装时无需另外加工。 传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合 适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此 它的传

7、热效果好。液-液换热时,传热系数为 8701750W/（m 2）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。 套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约 为 管壳式换热器 的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。 结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体 均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数；缺点是 单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆 连接处容易造成泄漏。为增大传热面积、提高传热效果，可在内管 外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应 高粘度流体的换热。 优点和缺点 单程列管式换热器单程列管式换热器 流体流

8、经管束称为管程，流体流经管束称为管程， 该流体称为管程流体该流体称为管程流体 流体流经管间环隙称为壳程，流体流经管间环隙称为壳程， 该流体称为壳程流体该流体称为壳程流体 此图 为简单 的套管 式换热 器。它 是由直 径不同 的两根 管子同 心套在 一起构 成的。 冷、热 流体分 别流经 内管和 环隙而 进行热 的交换。 优点： （1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程； （2）介质间温差不受限制； （3）可在高温、高压下工作，一般温度小 于等于 450度，压力小于等于6.4兆帕； （4）可用于结垢比较严重的场合； （5）可用于管程易腐蚀场合。 缺点： （1）小浮头易发生内漏； （2）金属材料耗量

9、大，成本高20%； （3）结构复杂 此图为双程列管式换热器，隔板4将分配室等分为二， 管程流体只能先经一半管束，流到另一端分配室折回再流 经另一半管束，然后从接管流出换热器。由于管程流体在 管束内流经两次，故称为双程列管式换热器。若流体在管 束内来回流过多次，称为多程(例如四程、六程等)换热器。 双程列管式双程列管式换热器 S=nd L 式中 S传热面积，m2； n管数； d管径，m； L管长，m。 1一壳体 2一管束 3一挡板 4一隔板 由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壁表面积即为传 热面积。显然，传热面积愈大，传递的热量愈多。对于特定的 列管式换热器，其传热面积可按下式计算，即 的

10、接管3进入壳 体内装有数块挡 板7，使流体在 壳与管束间沿挡 板作折流流动， 而从另一端的壳 体接管流出。通 常，把流体流经 管束称为流经管 程，将该流体称 为管程(或管方) 流体；把流体流 经管间环隙称为 流经壳程，将该 流体称为壳程 (或壳方)流体。 由于管程流体在 管束内只流过一 次，故称为单程 列管换热器。 此图为单程列管式换热器。一流体由左侧封 头5的接管4进入换热器内，经封头与管板6间 的空间(分配室)分配至各管内，流过管束2后， 由另一端的接管流出。另一流体由壳体右侧 传热速率传热速率( (热流量热流量) )Q Q : :单位时间内通过传热面的热量单位时间内通过传热面的热量,W,

11、W 4.1.4 传热速率和热通量 传热推动力温度差 传热速率 传热阻力热阻 热通量热通量( (传热速度传热速度) ): :单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率,W/m,W/m2 2 d d Q q S t Q R t q R i o m S S S 4.1.5 稳态传热和非稳态传热 稳态传热：稳态传热： 传热系统中不积累能量的传热过程传热系统中不积累能量的传热过程 特点：特点：温度分布不随时间而变，传热速率常量温度分布不随时间而变，传热速率常量 非稳态传热：非稳态传热： 传热系统中，温度分布随时间而变传热过程为传热系统中，温度分布随时间而变传热过程为 非稳态传热，传热速率不为常量非稳态

12、传热，传热速率不为常量 4.1.6 载热体及其选择 加热剂（加热介质）：加热剂（加热介质）：起加热作用的载流体起加热作用的载流体 冷却剂（冷却介质）：冷却剂（冷却介质）：起冷却作用的载热体工业起冷却作用的载热体工业 中常用的加热剂和冷却剂中常用的加热剂和冷却剂 载热体：载热体：物料在换热器内被加热或冷却时，物料在换热器内被加热或冷却时， 通常需要用另一种流体供给或取走热量，此通常需要用另一种流体供给或取走热量，此 种流体称为载热体种流体称为载热体 P P221 221 对一定的传热过程，待加热或冷却物料的初始及 终了温度常由工艺条件所决定，因此需要提供或 取出的热量是一定的。热量的多少决定了传

13、热过 程的操作费用。但应指出，单位热量的价格因载 热体而异。例如，当加热时，温度要求愈高，价 格愈贵；当冷却时，温度要求愈低，价格愈贵。 因此为了提高传热过程的经济效益，必须选择适 当温位的载热体。同时选择载热体时还应考虑以 下原则： (1)载热体的温度易调节控制； (2)载热体的饱和蒸气压较低，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。 加热剂加热剂热水热水饱和蒸汽饱和蒸汽矿物油矿物油联苯混合物联苯混合物 熔盐熔盐(KNO353 ,NaNO40. NaNO37) 烟道气烟道气 适用温 度， 40100 100180180250 255380 (蒸气) 142530 1000 冷却剂冷却剂 水水(自来水、河水、自来水、河水、 井水井水) 空气空气盐水盐水氨蒸气氨蒸气 适用温度， 080 30 015 1530 表4-2