化工原理第四节课件

1、第四章 传热14.1 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24.1.1 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 34.1.2 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，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

2、结构的振动来实现的液体 机理复杂4 二、对流流体内部质点发生相对位移所引起的热传递过程。 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 54.1.3 冷热流体的接触方式一、直接接触式板式塔6 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7三、间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T28列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t294.1.4 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

3、载热体。选择载热体时必须考虑以下原则：载热体的温度易调节控制；载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解；载热体的毒性小、不易燃、易爆，不易腐蚀设备；价格便宜，来源容易；10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11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)

4、或W/m2。4.1.5 间壁式换热器的传热过程一、基本概念12非稳态传热 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 式中 A总传热面积，m2。13三、冷热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体14式中 K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； 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。 总传热速率方程：稳态传热：154.2 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164.2.1 有关热传导的基本概念式中

5、t 某点的温度，； x,y,z 某点的坐标； 时间。温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布总和。 (1)温度场和等温面17不稳定温度场 稳定温度场 等温面：在同一时刻下，温度场中相同温度各点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。不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q18(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+tt-ttnQdA 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194.2.2 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

6、正比。即：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/(mK)。20 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好 用热通量来表示 对一维稳态热传导 21(2) 是分子微观运动的宏观表现。4.2.3 导热系数 (1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 = f(结构,组成,密度,温度,压力）(3) 各种物质的导热系数金属固体 非金属固体 液体 气体 22在一定温度范围内：式中 0, 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。 对大多数金属材料a 0 ， t 1)固体

7、金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下，越大， 越大。232)液体 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。 t （除水和甘油）3)气体 一般来说，纯液体的大于溶液 t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。24 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。t1t2btxdxQxQx+dx25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： 26得： 设不随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； 平壁的导热系数，W/(m

8、)或W/(mK)； t1,t2 平壁两侧的温度，。27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28 不随t变化， tx成呈线形关系。3当随t变化时若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。 如：1t1，2t229例题41 平壁厚度b为500mm，内表面温度t1=900，外表面温度t2=250，导热系数=1.0(1+0.001t)W/(m.)。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。30 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

9、侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t331推广至n层： 32三、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，说明各层的大小排列。t1t2t3t431233例题4-2 有一燃烧平壁炉，壁炉由三种材料组成。最内层为耐火砖，其厚度为150mm，导热系数可取为1.05W/(m. )；中间层为保温砖，厚度为290mm，导热系数为0.15 W/(m. ) ；最外层为普通砖，其厚度为228mm，导热系数为0.81W/(m. ) 。现测得炉内外壁表面温度分别为1016和34 ，试求单位面积的热损失和各层间接触界面的温度。假设各层接触良好。34 4.2.5 通过圆筒壁

10、的稳定热传导 一、 通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定：(1) 稳定温度场；(2) 一维温度场。35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 36边界条件 得：设不随t而变 式中Q 热流量或传热速率，W或J/s； 导热系数，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 圆筒壁两侧的温度，； r1,r2 圆筒壁内外半径，m。37讨论：1上式可以为写 对数平均面积382 3圆筒壁内的温度分布上限从改为tr成对数曲线变化(假设不随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。39例题4-3 外径为120mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为400mm的保温层，保

11、温层材料的导热系数取为0.6W/(m. ) 。若蒸汽管道的外表面温度为180，保温层的外表面温度为40，试求每米管长的热损失及保温层中的温度分布关系式。40 二、通过多层圆筒壁的稳定热传导41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。42 例题4-4 内径为15mm，外径为19mm的钢管，其1 为20 W/m ，其外包扎一层厚度为30mm，2为0.2 W/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。43例题4-5 有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料

12、均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比2/1=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=？444.3 对流传热4.3.1 对流传热过程分析4.3.2 对流传热速率4.3.3 影响对流传热系数的因素4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式453.3.1 对流传热过程分析dA t2G1，T1G2，t1 T2463.3.2 对流传热速率牛顿冷却定律流体被冷却：式中 Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，W/(m2)； A

13、 传热面积，m2。47式中 t总有效膜厚度； e湍流区虚拟膜厚度； 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：TTWttWt481. 牛顿冷却定律是一种推论，假设Qt。 2. 复杂问题简单化表示。 推动力：阻力：494.3.3 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。 强 自 2.流体的物性 ，cp 505. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 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

14、垂直放置还是水平放置。3.流动形态 层流、湍流 湍 层 514.3.4 对流传热系数经验关联式的建立一、量纲分析 式中 l特性尺寸； u特征流速。基本量纲：长度L，时间 ，质量M，温度T变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。f(u，l，cp，gt)52 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53二、实验安排及结果整理以强制湍流为例：NuCReaPrk1采用不同Pr的流体，固定Re lgNuklgPrlgCRea双对数坐标系得一直线，斜率为k2不同Pr的流体在不同的Re下

15、 lgNu/PrkalgRelgC双对数坐标系中得一直线 斜率为a，截距为CPrNukReNu/PrkCa54定性温度的取法：三、定性温度、特性尺寸的确定2特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。3准数关联式的适用范围。1确定物性参数数值的温度称为定性温度。55一、流体在管内的强制对流适用范围： Re10000，0.7Pr120，604.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式1圆形直管内的湍流低黏度（大约低于2倍常温水的黏度）可应用迪特斯和贝尔特关联式56 特征尺寸为管内径di 流体被加热时，k0.4；被冷却时，k0.3。注意事项： 定性温度取57强化措施： u,u0.8 d, 1

16、/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 58以下是对上面的公式进行修正： 高粘度 西德尔和塔特关联式 Re10000，0.7Pr60定性温度取tm；特征尺寸为di59(2) l/d60 (3) 过渡流（2000Re10000) (4) 弯曲管内 604-6 常压下空气在管长为4m、管径为60mm3.5mm的钢管中流动，流速为15m/s，温度由150升至250 。试求管壁对空气的对流传热系数。61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

17、系数提高。 2. 圆形管内强制层流62热流方向对层流速度分布的影响63适用范围：当：定性温度：644-7 机油在内径为10mm、长度为7.7m的管内流动，流速为0.31m/s，油的温度从90 冷却到70 ，管内壁面温度为20 ，试求流体与管壁之间的对流传热系数。653 直管内过渡流时的对流传热系数 当Re=230010000时为过渡流，用湍流公式计算出值后，再乘以校正系数f。 664 非圆形管内强制湍流1) 当量直径法2) 直接实验法套管环隙 : 水-空气系统适用范围： 12000Re膜 77膜状冷凝： 一旦形成液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面上进行，即蒸汽冷凝时放出的潜热，必须通过液膜后才能

18、传给冷壁面。所以冷凝膜成为膜状冷凝的主要热阻。滴状冷凝： 在滴状冷凝时，壁面大部分的面积暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。由于没有液膜阻碍热流，其传热系数比膜状冷凝可高几倍或十几倍。782. 冷凝过程的热阻：液膜的厚度3. 蒸汽冷凝的1）水平管束外式中 n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），J/kg。特性尺寸l：管外径do定性温度：膜温 79湍流2）竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温 804冷凝传热的影响因素和强化措施1) 流体物性 冷凝液 , ；冷凝液,；潜热r , 2) 温差 液膜层流流动时，t=tstW，,3) 不凝气体 不凝气体存

19、在，导致 ，定期排放。4）蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时， ；反向时， ； u 815) 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82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：t=tWts 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832. 沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 25C t工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾 250C t25C 优点：大，

20、tW小843、沸腾传热的影响因素及强化措施1）液体的性质 强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2）温差 在核状沸腾阶段温差提高， 3）操作压强854）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒86 例题4.3.1 一套管式换热器，由内管为252.5mm的无缝钢管，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192mm，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874.4 传热过程的计算4.4.1 总传热系数和总传热速率4.4.2

21、 热量衡算和传热速率方程间的关系4.4.3 传热平均温度差4.4.4 壁温的计算4.4.5 传热效率传热单元数法4.4.6 传热计算示例884.4.1 总传热系数和总传热速率方程dA t2q1，T1q2，t1 T289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twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ90（3）管内对流（1）管外对流（2）管壁热传导对于稳定传热 91式中 K总传热系数，W/(m2K)。92讨论：1当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm2以外表面为基准(dA=dA1): 93式中 K1以换热管的外表面为基准的总传热系数； dm换热管的对数平均直径。以壁表面

22、为基准：以内表面为基准：近似用平壁计算9431/K值的物理意义 95例题4-9 一空气冷却器，空气在管外横向流过，0=80W/(m2.K)，冷却水在管内流过， 1=5000W/(m2.K)，冷却管为252.5（mm）的钢管，其=45W/(m.K)。求（1） 该状况下的传热系数。（2）若将管外对流传热系数0提高一倍，其它条件不变，传热系数有何变化？（3）若将1提高一倍，其它条件同（1），传热系数又如何变化？96 二、总传热速率方程式中 K平均总传热系数； tm平均温度差。 总传热速率方程（1）求K平均值。（2）热量衡算式与传热速率方程间的关系。（3）tm的求解。97三、污垢热阻 式中 R1、R2

23、传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。984.4.2 热量衡算和传热速率方程间的关系无热损失：热流体q1, T1,cp1,H1q2,T2, cp2, H2冷流体q2, t1,cp2,h1t2 h299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； q1,q2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 。100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：101例题4-10（课本P155） 试

24、计算压力为150kPa，流量为1500kg/h的饱和水蒸气冷凝后并降温到50时放出的热量。102一、恒温传热二、变温传热tm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1031、逆流和并流时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1 t2tAt1T2T1逆流并流104以逆流为例推导假设：1）定态传热、定态流动，q1、 q2一定 2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的3）K沿管长不变化。4）热损失忽略不计。105dA t2q1，T1q2，t1 T2106T2t1t2T1dTdtdQQtt2t1Tt1071）也适用于并流 T2t1t2T1At2t11082）

25、较大温差记为t1，较小温差记为t2；3）当t1/t22，则可用算术平均值代替4）当t1t2109例题4-11 在一单壳程单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水把热流体由100冷却到40 ，冷却水进口温度为15 ，出口温度为30 ，试求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温差。110：逆流时的平均温度差2、错流、折流时的111例题4-12（课本P159） 换热器壳程的热流体进、出口温度分别是120和75 ，管程冷流体进、出口温度为20 和50 。试求单壳程、双管程的列管式换热器的平均温度差。1124.4.4 壁温的计算稳态传热 1大，即b/Am小，热阻小，tW=TW113TW接近于T，即大热

26、阻小一侧流体的温度。 3两侧有污垢 2当tW=TW，得 114例题（课本P166）115一、传热效率4.4.5 传热效率传热单元数法传热效率只是说明流体可用热量被利用的程度和计算传热的一种手段，不能说明换热器在经济上的优劣。116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：热容流量：qcp117 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。118若已知换热器的传热效率，就可以根据两流体的进出口温度确定换热器的传热量，119二、传热单元数120传热单元数：传热单元数：热流体温度的变化相当于 平均温度差的倍数。同理：121

27、传热单元数的意义：对于已知的换热器和用它处理的物料而言，它表示该换热器的换热能力的大小，K与A大，表示换热器的换热能力大。对于已知流体的换热要求而言，它表示换热要求的高低与换热的难易程度。换热要求高，即流体的进出口温差大。传热的推动力小，则换热需要的传热单元数大。122三、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：123逆流：并流：124例题4-13 一生产过程中需要冷却水将油从100 冷却到70 ，油的流量为8000kg/h，水的初温为20 ，流量为2000kg/h。现有一传热面积为12m2的套管式换热器，问 在下列两种流动型式下（1）两流体呈逆流流动；（2）两流

28、体呈并流流动。该换热器能否满足要求，并说明油的实际出口温度和冷却水的出口温度为多少？（假设：换热器的传热系数在两种情况下相同，K=300W/（m2.K）,热损失忽略不计。）125总 结换热器传热计算的4个关系式：传热基本方程：热量衡算方程：传热平均温差计算式：传热系数计算式：1264.5 换热器4.5.1 换热器的分类4.5.2 间壁式换热器的类型4.5.3 列管换热器的选用4.5.4 传热的强化措施4.5.5 新型的换热设备1274.5.1 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

29、的换热器类型；2. 通过计算选择合适的换热器规格。1284.5.2 间壁式换热器的类型一、夹套换热器129一、管式换热器1、蛇管换热器（1）. 沉浸式优点：结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。缺点：管外流体的较小。强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。130（2）. 喷淋式131 优点：结构简单；便于防腐蚀；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。 1322、套管式换热器优点：构造简单，能耐高压；传热面积可以自由增减；能达到严格逆流。缺点：管间接头多，易发生泄漏。单位长度传热面积较小。1333、列管换热器134圆缺形圆盘形多

30、管程：增大管内流体u，提高管内的加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的1354、管壳式换热器特点：单位体积的传热面积较大，传热效果较好。结构简单，制造材料范围广泛，操作弹性大。由于流体温度不同，管束和壳体的温度也不同，热膨胀程度也有差别。136（1）. 固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。壳内流体应是较清洁，不易结垢的物料。137（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138（3）. U型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。1394.5.3 列管换热器的选用1. 根据工艺任务，计算热负荷2. 计算tm3. 依据经验选取K，估算A4. 确定冷热流体流经

31、管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程的计算，如果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。1405. 核算K 分别计算管程和壳程的，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tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。141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uuK，在同Q、tm下A，节省

32、设备费；uHf ，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 。142(3) 换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：192mm和252.5mm 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1434.5.4 传热过程的强化途径一、增大tm 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tm、A/V、K。二、增大A/V 直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q144 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145三、增大K尽可能利用有相变的热载体（大）用大的热载体，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较小一侧有效 提高的方法(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1464.5.5 新型的换热器一、平板式换热器147148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，