传热及传热设备

1、第三章 传热及传热设备主讲：毕成良.本章重点掌握三种传热方式的根本定律和计算方法。重点掌握对流传热及其计算。了解换热器的类型、构造。掌握列管式换热器的构造、设计及选用。了解新型换热器的构造及原理。掌握强化传热的途径。.本章主要内容第一节 概述第二节 热传导第三节 对流传热第四节 传热计算第五章 辐射传热第六章 换热器小结、习题课.第三章 传热及传热设备第一节 概述 化工消费需求大规模地改动物质的化学性质和物理性质，这些性质的变化都涉及热能的传送。 化学反响：向反响器提供热量或从反响器移走热量；蒸发、蒸馏、枯燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用

2、和废热回收。化工消费的传热问题.一、热量传送的方式热传导：依托物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；热对流：流体质点微团发生宏观相对位移而引起的传热景象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热外表与接触流体的传热也称为对流传热；热辐射：高温物体以电磁波的方式进展的一种传热景象热辐射不需求任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 第三章 传热及传热设备第一节 概述. 一热传导 气体 分子做不规那么热运动时相互碰撞的结果； 固体 导电体：自在电子在晶格间的运动； 非导电体：经过晶格构造的振动实现； 液体 机理复杂。 特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移。第三章 传热及传热设备

3、第一节 概述.二热对流自然对流：由于流体内温度不同呵斥的浮升力引起的流动。强迫对流：流体受外力作用而引起的流动。特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。三热辐射物体因热的缘由发出辐射能的过程称为热辐射。能量转移、能量方式的转化。不需求任何物质作媒介 。第三章 传热及传热设备第一节 概述.二、典型的换热设备 直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进展热交换。不常用，如凉水塔。 间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下经过固体间壁进展热量的交换。套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进热溶液出第三章 传热及传热设备第一节 概述.列管式换热

4、器 单程列管式换热器 双程列管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 445 7二典型的换热设备第三章 传热及传热设备第一节 概述.传热过程的根本问题 载热体用量确实定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或减弱传热的方法。 处理这些问题需求两个根本关系式热量恒算式 假设忽略过程热损失传热速率关系 传热速率(热流量) Q ：单位时间内所交换的热量(W)传热通量(热流密度) q：单位时间单位传热面积上传送的热量(W/m2)第三章 传热及传热设备第一节 概述.第三章 传热及传热设备第一节 概述一间壁式换热器三、流体经过间壁换热过程冷流体t1t2热流体T1T2夹套式换热器.传热速率Q热

5、流量：单位时间内经过换热器的整个传热面传送的热量，单位 J/s或W。热流密度q 热通量 ：单位时间内经过单位传热面积传送的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。二传热速率与热流密度第三章 传热及传热设备第一节 概述.三稳态与非稳态传热 非稳态传热 稳态传热 第三章 传热及传热设备第一节 概述.四两流体经过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流传导冷流体Q热流体稳态传热：第三章 传热及传热设备第一节 概述.式中 tm两流体的平均温度差，或K； A传热面积，m2； K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)。五总传热速率方程第三章 传热及传热设备第一节 概述.第三章 传热及传热设备第二节 热传

6、导一、热传导根本概念温度场：某时辰，物体或空间各点的温度分布。 一温度场和等温面非稳态温度场 稳态温度场 等温面：在同一时辰，温度场中一切温度一样的点 组成的面。 不同温度的等温面不相交。.二温度梯度 nnxt+ttxQ 方向：法线方向，以温度添加的方向为正。第三章 传热及传热设备第二节 热传导温度梯度：两等温面的温度差与其间的法线间隔之比称为温度梯度，即:.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； 导热系数，W/(m)或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反第三章 传热及传热设备第二节 热传导单位时间经过单位面积的热流量与其温

7、度梯度成正比，即:二、傅里叶定律Fourier.第三章 传热及传热设备第二节 热传导三、热导率/热传导系数热导率：表示物质导热才干的物理量，称为热导率。热导率的大小与物质的组成、构造、密度、压力和温度有关固体的热导率：金属的热导率较大，且随温度升高而略有下降；非金属的热导率较小，且普通随温升而增。在不是特别准确的计算时，我们可以为固体的热导率是常数。液体的热导率：非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油外，热导率随温升而降。气体的热导率：气体的热导率很小，不利于传热而有利于保温。故普通的保温资料都是多孔的。. 在数值上等于单位温度梯度下的热通量 = f(构造, 组成, 密度, 温度, 压力 金属

8、固体 非金属固体 液体 气体 表征资料导热性能的物性参数三、热传导系数第三章 传热及传热设备第二节 热传导.1.固体热传导系数/热导率 金属资料 10102 W/(mK) 建筑资料 10-110 W/(mK) 绝热资料 10-210-1 W/(mK)在一定温度范围内：对大多数金属资料a 0 ， t 第三章 传热及传热设备第二节 热传导.2.液体热传导系数/热导率 金属液体较高，非金属液体低； 非金属液体水的最大； 水和甘油：t ， 其它液体：t ，0.090.6 W/(mK)第三章 传热及传热设备第二节 热传导.3.气体热传导系数/热导率 t ， 普通情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热

9、，有利于保温或隔热。0.0060.4 W/(mK)第三章 传热及传热设备第二节 热传导.第三章 传热及传热设备第二节 热传导4.热传导系数与温度的关系二者根本上呈直线关系，金属和体液的热传导系数随温度添加而减少(水例外)，气体与非金属热传导系数随温度添加而添加。5.热传导系数与压强关系固体和液体的热传导系数与压强根本无关，气体在压强很高(大于200MPa) 或很低(小于2700Pa)时热传导系数随压强添加而增大或随压强降低而减小。.t1t2btxdxQ 一单层平壁热传导 假设：资料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化； A/b很大，忽略端损失。第三章 传热及传热设备第二节 热传导四、平壁的稳态

10、热传导.积分：第三章 传热及传热设备第二节 热传导. 二多层平壁热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度一样。t1t2b1txb2b3t2t4t3第三章 传热及传热设备第二节 热传导.各层的温差第三章 传热及传热设备第二节 热传导.结论： 多层平壁热传导，总推进力为各层推进力之和，总热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。推行至n层： 第三章 传热及传热设备第二节 热传导. 一单层圆筒壁的热传导 特点：传热面积随半径变化， A=2rl(2) 一维温度场，t沿r变化。第三章 传热及传热设备第二节 热传导五、圆筒壁的稳态热传导.在半径r处取dr同心薄层圆筒积分第三章 传热及传热设备第二节 热传

11、导.讨论：对数平均面积热阻令对数平均半径第三章 传热及传热设备第二节 热传导又普通 时，. 二多层圆筒壁的热传导第三章 传热及传热设备第二节 热传导.三层：n层圆筒壁： 第三章 传热及传热设备第二节 热传导.1.对流传热过程dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T2第三章 传热及传热设备第三节 对流传热一、对流传热及其类型流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时的热交换过程在工程上称为对流传热或“传热过程。.ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt 湍流主体温度梯度小，热对流为主 层流内层温度梯度大，热传导为主 过渡区域热传导、热对流均起作用第三章 传热及传热设备第三节 对流传

12、热.第三章 传热及传热设备第三节 对流传热对流传热过程大致可分四种根本类型(1) 流体强迫对流传热 假设由于水泵、风机或其它外力作用引起流体运动，那么称为强迫对流。 (2) 流体自然对流传热 假设由于运动是因流体内部各处温度不同引起部分密度差别所致，那么称为自然对流。 2.对流传热的类型.第三章 传热及传热设备第三节 对流传热(3) 蒸汽冷凝传热蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽放热并凝成液体，冷凝液在重力作用下沿壁面流下，这种传热类型叫蒸汽冷凝传热。(4) 液体沸腾传热液体从固体壁面获得热量而沸腾，在液体内部产生气泡，气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热类型叫液体沸腾传热。

13、(1)(2)类型的传热为液体无相变的传热，(3)(4)类型的传热为流体有相变的传热。2.对流传热的类型.第三章 传热及传热设备第三节 对流传热二、对流传热速率与对流外表传热系数式中 Q 对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及平均壁温，。 冷流体：热流体：牛顿冷却定律.三、对流外表传热系数的影响要素第三章 传热及传热设备第三节 对流传热1.流体的流动形状湍流 层流2.引起流动的缘由自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强迫对流：由于外力和压差而引起的流动。强迫 自然 .自然对流的产生：设 热处：t2，2；

14、 冷处：t1，1体积膨胀系数，1/C.或而得：或第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.5. 能否发生相变相变 无相变4. 传热面的外形，大小和位置 外形管、板、管束等； 大小管径、管长、板厚等； 位置管子的陈列方式，垂直或程度放置。3.流体的物性 cp-单位体积流体所具有的热容量，-粘度，-热传导系数，-体积膨胀系数。第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.第三章 传热及传热设备第三节 对流传热6.流体的温度温度升高，附加的自然对流强度增大。7.温度边境层假定以流体温度t满足tw-t=0.99(tw-t )的

15、等温面为分界面，在此分界面与壁面间的流动层称为温度边境层，通常对流外表传热系数等于流体热传导系数与有效层流膜厚度之商，但有效层流膜厚度难以确定，因此要靠实验测得。.四、对流传热的特征数及特征数关联式确实定方法1. 用量纲分析法确定有关特征数变量数目： 8个根本量纲 4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数8-4=4无相变时第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.1. 努塞尔特Nusselt 数表示对流传热系数的特征数2. 雷诺Reynolds数反映流体的流动形状对对流传热的影响第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.3. 普兰特Prandtl数反映流体的物性对对流传热的影响4. 格拉斯霍

16、夫Grashof准数表示自然对流对对流传热的影响普通方式：Nu=f (Re, Pr, Gr)简化：强迫对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.运用特征数关联式时应留意：1. 定性温度：流体进出口的平均温度、壁面的平均温度、流体和壁面的平均温度。2. 定型尺寸：传热面几何特征的长度。3. 特征速度：流体的速度。4. 热流方向对外表传热系数的影响 要阐明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的，还需求指明热流方向。第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.五、无相变时对流传热系数的阅历关联式一流体在管内作强迫对流1. 圆形直管内的强迫

17、湍流1运用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体2 水2定性温度：流体进出口的算术平均 值3特征尺寸：管内径流体被加热 n=0.4流体被冷却 n=0.3第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.讨论：1加热与冷却的差别：液体气体第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.物性一定时：2影响要素：第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.公式修正：1当L/d 2 水工程处置：加热：冷却：第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.3 弯管4非圆形管道用当量直径计算。第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.2. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 2300 Re

18、104第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.3. 圆形直管内强迫层流1随热流方向不同，速度分布情况不同；2自然对流呵斥了径向流动，强化了对流传热过程。对于液体第三章 传热及传热设备第三节 对流传热. 自然对流可以忽略： Gr 25000乘校正因子： 适用范围：定性温度：特征尺寸：管内径第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.二流体在管外强迫对流传热1. 流体在管束外垂直流过第三章 传热及传热设备第三节 对流传热. 运用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值Nu=C Ren Pr0.4平均

19、对流传热系数：第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.2流体在换热器管间的流动折流挡板方式：圆缺形、圆环形第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.设置折流挡板目的：添加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。圆缺形折流挡板： 定性温度：运用范围：Re=2103106第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.正方形陈列：正三角形陈列：特征尺寸：1当量直径ded0tt第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.2流速u按流通截面最大处的截面计算：式中 h两块折流挡板间间隔，m； D换热器壳径，m；第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.三自然对流时的对流传热系数定性温度：膜温tm+tw/2特征尺寸：垂直的管

20、或板为高度H 程度管为管外径d0各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。 第三章 传热及传热设备第三节 对流传热.总传热速率方程式中 Q传热速率，W； tm两流体的平均温度差，； A传热面积，m2； K总传热系数，W/(m2) 。第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.一恒温传热二变温传热tm与流体流向有关一、传热平均温度差逆流并流错流折流第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.1. 逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流 t2tAt1T2T1并流第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.以逆流为例推导tm假设：1稳态流动，qm1、 qm2为常数； 2cp1

21、、cp2为常数； 3K沿管长不变化； 4热损失忽略不计。AT2t1t2T1dTdtdAt2t1t=T-t对于微元：第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.T1T2t2t1Q而第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算. 逆流、并流均适用； 当t2/t12，那么可用算术平均值。对数平均温度差第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.2. 错流与折流查图 1 tm 0.9假设 0.8，温差损失大，传热不稳定；应改动流型第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.三流向的选择1. 所需传热面积 逆流优于并流。第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.2. 载热体耗费量t1t2T1T1T2并T

22、2逆加热义务：t1t2T2并min=t2T2逆min=t1 逆流优于并流。第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.3. 温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4. 并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热， 或消费工艺要求温度不能过高或过低的场所。第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.二、总传热系数K总传热系数，W/(m2K)twTw管内对流管外对流导热冷流体热流体tTdQdQ1dQ3dQ2一总传热系数计算第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.管内对流 管外对流 管壁热传导稳态传热 第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.1平壁 dA

23、=dA1=dA2=dAm讨论：2以外外表为基准 (dA=dA1) 第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.K1以外外表为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，m以内外表为基准：d1/d2A计 或 Q换 Q需求， 换热器适宜。 第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.二、操作型计算1知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t22知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：qm2、 t2留意：列管式换热器中流通面积传热面积第三章 传热及传热设备第四节 传热过程计算.一、根本概念1. 辐射：物体经过电磁波来传送能量的过程。2. 热辐射：物体由于热的缘

24、由以电磁波的方式向 外发射能量的过程。 特点： 能量方式的转换 不需求任何介质第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.QQQNQ能量守恒定律： 吸收率 反射率 穿透率 3. 物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q ；被反射Q ；穿过物体Q 第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热. 黑体：白体(镜体)：透热体：灰体：以一样的吸收率吸收一切波长辐射能的物体固体、液体： =0 + =1 气体： =0 + =1第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.二、物体的辐射才干 物体在一定温度下，单位外表积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到), E表示, W/m2黑体辐射常数, 5.669 10-8W

25、/(m2 .K4)一黑体斯蒂芬-波尔茨曼定律四次方定律阐明，热辐射对温度特别敏感Cb黑体辐射系数, 5.669W/(m2 .K4)第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热. 二实践物体黑度： T21 2=1E1Eb1-1Eb1Eb 灰体 黑体 克希霍夫定律第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热. 结论：1物体的辐射才干越强，其吸收率越大2= 同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等3 ，E Eb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射才干为最大第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.一辐射传热速率三、两固体间的相互辐射两面积无限大的平行平板两平面有限大的平行平板第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.

26、 一物体被另一物体包围假设外围为黑体， 1=1 或 A2 A1，那么 C1-2=C1=Cb1第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热. 1. 温度的影响 T4；低温可忽略，高温能够成为主要方式 2. 几何位置的影响 3. 外表黑度的影响 ，可经过改动大小强化或减小辐射传热 4. 辐射外表间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板 小热屏二影响辐射传热的主要要素第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.四、高温设备及管道的热损失对流： 辐射： 令=1 总热损失： T对流-辐射结合传热系数，W/(m2.K) 第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.1空气自然对流，tW5m/s 平壁保温层外空气速度

27、u 50 时，需思索温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.2. 浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 构造复杂第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.3. U型管式特点：构造较浮头简单；但管程不易清洗。第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.三、列管换热器的选用1. 根据工艺义务，计算热负荷2. 计算tm3. 根据阅历选取K，估算A4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程计算，假设0.8，应添加壳程数； 由u和qm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，再由系列规范选适当型号的换热器。第三章 传热及传热设备第五节 辐射传热.5. 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进展比较。假设相差较多，应重新估算。6. 计算A