单元三 传热单元操作与设备

单元三传热单元操作与设备

化学工业出版社第一节传热的基本方式与类型一、传热在化工生产中的应用传热的动力：温度差。传热的应用：◆为化学反应创造必要的条件；◆为单元操作创造必要的条件；◆提高热量的综合利用；◆减少设备的热损失；强化传热1.传热问题的要求削弱传热设计传热设备2.传热计算问题的应用计算传热量减少热损失3.稳态传热和非稳态传热稳态传热：传热系统中各点温度仅随位置的不同而不同，不随时间变化。非稳态传热：传热系统中各点温度不仅随时间变化，而且随位置的不同而不同。二、传热的基本方式1.热传导传热机理：通过分子的热振动传递热量；特点：分子不发生宏观的位移；2.热对流传热机理：通过流体质点的相对位移传递热量；特点：流体质点互相混合、碰撞；

对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。

自然对流：由于温度不同导致密度差异而引起的移动；方式强制对流：由于外力引起的移动；

3.热辐射传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量；特点：传热过程不需要介质；注：实际传热过程中三种方式结合进行。三、工业换热器的类型◆换热器：用于热量交换的设备。◆载热体：参与换热的两种流体。热载热体（热流体）：加热剂（水蒸载热体汽）冷载热体（冷流体）：冷却剂（水、冷冻盐水、空气）

1.间壁式：冷热流体通过间壁传递热量；特点：两种流体不直接混合，保持原状态；2.混合式：冷热两种流体直接混合；特点：传热速度快；适用于：废热回收；3.蓄热式4.中间载热体式换热器：热管；第二节传传热基本本方程一、典型间间壁式换热热器及其传传热过程1.典型间间壁式换热热器套管式、列列管式等2.间壁式式换热器传传热过程简简述（1）热流流体对对流流间间壁；（2）间壁壁一侧传传导间间壁壁另一侧；；（3）间壁壁另一侧对对流流冷冷流体体；二、传热基基本方程1.传热速速率（热流流量）Q与与热通量q单位时间内内通过传热热面的热量量，单位为为：W。。单位时间内内通过单位位面积所传传递的热量量，为热通通量，单位位是W/m2。2.传热基基本方程传热问题：：操作型和和设计型；；对于设计型型问题：给给定传热任任务，确定定换热器所所需的换热热面积。第三节传传热速率率与热负荷荷一、热负荷荷：生产要求换热器单位位时间传递的热量量。二、热负荷荷与传热速速率传热速率：：换热器单单位时间传传递的热量量，是换热器的生产产能力。热负荷：生产要求换热器单位位时间传递递的热量，是生生产任务。。生产上，为为保证完成成任务，要要求换热器器的传热速速率大于或或等于热负荷。三、热量衡衡算与热负负荷的确定定1.热量衡衡算（1）焓差差法热流体：冷流体：（2）显热热法热流体：冷流体：（3）潜热热法如热流体原原色热的过过程中既有有温度的降降低，也有有相变化，，则：2.热负荷荷的确定考虑热损失失对于间壁式式换热器：：如果热流体体走管程：：如果冷流体体走管程：：例：略第四节传传热平平均温度差差流体的流流动方向向：并流逆逆流流错流折折流流恒温传热热：冷热热流体在在换热过过程温度度不变。。变温传热热：冷热热流体只只要有一一种流体体的温度度发生变化。。1212221121.恒温温传热2.变温温传热：：（1）一一类：Δt1=T-t1Δt2=T-t2（2）二二类：考考虑流动动方向并流：Δt1=T1-t1Δt2=T2-t2TtTtTt1Tt2T1t1T2t2逆流Δt1=T2-t1Δt2=T1-t2错流、折折流：校正系数数可根据据R、P值查图图：T2t1T1t2思考题：：对于同同样的进进出口温温度，选选择什什么样的的流型更更好？结论：逆逆流好。。原因：1.传质质推动力力大；2.所需需传热介介质少；；生产上，，常采用用错流或或折流，，原因是是这两种种流型可可有效的的降低热热阻。第五节热热传传导一、傅立立叶定律律1.温度度场与温温度梯度度温度场：：物体或或体系内内部温度度在空间间和时间间上的分布。。稳态导热热：温度度场内各各点温度度不随时时间变化化。非稳态导导热：温温度场内内各点温温度随时时间变化化。温度梯度度：两相邻等等温面的的温度差差与其垂垂直距离离之比的的极限。。温度梯度度是向量量，方向向垂直于于等温面面，温度度增加的的方向为为下方向向，与导导热的方方向相反反。2.傅立立叶定律律其中：λ称为热热导率，，w/(m．℃℃);二、热导导率w/(m．℃);是表示物物质导热能力力大小的指指标，是是物质的的物性。。（1）气气体的热热导率λ液>λ气T升高，，气体的的导热系系数增加加。（2）液液体的热热导率λ固>λ液T升高，，液体的的导热系系数略有有减小；；（3）固固体的热热导率λ金属固体体>λ非金属固固体金属：T升高，，导热系系数下降降；非金属：：T升升高，导导热系数数增加；；三、平壁壁导热1.单层层平壁其中：热热阻（（与导热热系数成成反比））热通量：：w/m2;例题：见见P84。2.多层层平壁(1)公公式推导导化简后:(2)温温差与热热阻成正正比,热热阻大,则温差差也大。。例题：P85页页。四、圆筒筒壁的定定常热传传导1.单层层圆筒壁壁导热（1）特特点：传传热面积积随半径径而变化化。（2）公公式推导导：分变量积积分并整整理：变形：其中：说明：Q不随半半径而变变，但热热通量q随r的的增大而而减小。2.多层层圆筒壁导导热（以以三层圆圆筒壁为为例）同样的方方法可推推导出：：同样，各各层热阻阻越大，，温差就越大大。例题：P86页页。第六节对对流传热热一、对流流传热分分析1.在流流动截面面上存在温度度分布；；2.温度度差主要要集中在层流内内层中。。二、对流流传热基基本方程程牛顿冷却却定律对热流体体：对冷流体体：其中：反反映对对流传热热程度的的大小。。δt：代代表层流流内层的的厚度，，mm；；注：传热热膜系数数与温差差、传热热面积相相对应；；三、对流流传热膜膜系数1.影响响对流传传热膜系系数的因因素（1）流流体的种种类及相相态变化化；（2）流流体的物物性：如如导热系系数λ、密度度ρ、粘粘度μ和比比热容cp；（3）流流动型态态；（4）流流体流动动的原因因：自然然对流、、强制对对流；（5）传传热面的的形状特特征与相相对位置置；2.对流流传热膜膜系数总总准数关关联式（1）无无相变化化时，对对流传热热系数的的特征关关联式（2）通通过量纲纲分析的的无量纲纲数为：：努塞尔准准数雷雷诺数数普普兰特准准数格格拉斯霍霍夫准数数3.流体体无相变化化时的对对流传热热系数关关联式（1）圆圆形直管管内强制制对流其中：当当流体被被加热时时，n=0.4;当流体被被冷却时时，n=0.3;注：经验验公式在在使用时时注意应应用范围围、应用用条件等问题题。（2）管管外强制制对流四、流体体有相变变化时的的对流传传热系数数膜状冷凝凝1.蒸汽汽冷凝滴状冷凝凝自然沸腾腾2.液体体沸腾核核状沸腾腾膜状沸腾腾第七节传传热热系数其中：K：传传热系数数，w/(m2.℃)A：传热热面积，，m2；A=nπdl传热面积积可以是是Ai、Am、A0。一、传热热系数的的计算1.基本本公式（1）热热流体的的对流传传热：（2）管管壁的热热传导：：（3）冷冷流体的的对流传传热：化简后得得：又因为：：所以：其中：S可以取取S0、Sm、Si。常取：基基于外表表面积下下的传热热系数K0。考虑污垢垢热阻：：管外壁污污垢热阻阻管管内内壁污垢垢热阻2.几点点说明（1）当当传热面面为平壁壁时：（2）当当忽略管管壁热阻阻和污垢垢热阻时时：（3）提提高K的的方法：：设法减减小起决定性性作用的热阻。。（4）K值也可可以选取取经验数数据或进进行实验验测定。。二、污垢垢热阻的的影响污垢热阻阻不可忽忽略，选选用经验验值。三、强化化传热途途径1.增大大传热面面积2.增大大传热温温度差3.增大大传热系系数四、传热热计算举举例（（P98）1.设计计型计算算：根据据已定的的生产要要求，确确定所需需换热面面积。2.操作作型计算算：判断断已有换换热器的的面积能能否完成成指定的的生产任任务。3.壁温温的估算算壁温接近近于热阻阻较小的的一侧流流体的温温度。五、工业业热源与与冷源1.热源源：电热、饱饱和水蒸蒸汽、热水、、烟道气气等。2.冷源源：冷水水、空气气、冷却却剂（低低温盐水水、液氨氨、液氮氮）附加内容容热热辐射一、热辐辐射的基基本概念念1.热辐辐射:以以电磁场场波的形形式传递递能量的的方式。。波长范围围：0.76~20μm。2.辐射射能：Q；吸收能：：QA；吸收率率：反射能：：QR；反射率率：透过能：：QD；透过率率：A+R+D=1注：：不同的的物体A、R、、D的值值不同。。固体和液液体：D≈0；；单原子和和由双原原子气体体：D≈≈1；；3.黑体体的辐射射能力——斯蒂芬芬-波尔尔兹曼定定律(1)黑黑体：A=1；；(2)黑黑体的辐辐射能力力：E0；W/m2;σ0-辐射常常数，σ0=5.67×10-8W/(m2.K4)。。也可可写写成成：：C0：黑黑体体辐辐射射系系数数，，为为5.67W/(m2.K4)。。3.实实际际物物体体的的辐辐射射能能力力(1)黑黑度度：：ε(2)实实际际物物体体的的辐辐射射能能力力：：常用用工工业业材材料料的的黑黑度度值值见见P164。。4.灰灰体体的的辐辐射射能能力力和和吸吸收收能能力力---克克希希荷荷夫夫定定律律(1)灰灰体体：：对对各各种种波波长长具具有有相相同同吸吸收收率率的的理理想想化化物物体体。。A=ε(2)辐辐射射能能：：二、、两两固固体体间间的的热热辐辐射射总辐辐射射系系数数，，W/(m2.K4)角角系系数数（（见见P165表表4-11））三、、辐辐射射对对流流联联合合传传热热1.对对流流传传热热：：辐射射传传热热：：统一一形形式式：：壁面面散散失失的的总总热热量量为为：：2.辐辐射射对对流流联联合合传传热热系系数数（1））空空气气自自然然对对流流，，TW<423K，，在平平壁壁保保温温层层外外：：在管管道道及及圆圆筒筒壁壁外外：：（2））空空气气沿沿粗粗糙糙表表面面强强制制对对流流空气气速速度度≤≤5m/s时时：：空气气速速度度>5m/s时时：：第八八节节换换热热器器一、、换换热热器器的的分分类类直接接接接触触式式1.换换热热器器间间壁壁式式蓄热热式式按用用途途分分：：加加热热器器、、预预热热器器、、过过热热器器、、蒸蒸发发器器、、再沸沸器器、、冷冷却却器器、、冷冷凝凝器器；；按传传热热面面形形状状和和结结构构分分：：1.管管式式：：列列管管式式、、套套管管式式、、蛇蛇管管式式、、翅翅片片管管式式；；2.板板式式：：平平板板式式、、螺螺旋旋板板式式、、板板翅翅式式；；3.特特殊殊形形式式：：回回转转式式、、热热管管等等二、、间间壁壁式式换换热热器器1.管管式式（（1））列列管管式式：：◆固固定定管管板板式式结构构：：壳壳体体、、列列管管、、管管板板、、封封头头；；优点点：：结结构构简简单单、、设设备备紧紧凑凑、、管管内内易易清清洗洗；；缺点点：：壳壳程程不不易易清清洗洗，，不不能能承承受受温温差差应应力力；；优点点：：管管板板一一侧侧不不与与壳壳体体相相联联，，可可自自由由伸伸缩缩，，即有有浮浮头头，，不不会会产产生生温温差差应应力力，，便便于于清清洗洗。。缺点点：：结结构构复复杂杂，，造造价价高高。。◆U型型管管式式◆浮浮头头式式优点点：：管管板板一一侧侧不不与与壳壳体体相相联联，，可可自自由由伸伸缩缩，，即有有浮浮头头，，不不会会产产生生温温差差应应力力，，便便于于清清洗洗。。缺点点：：结结构构复复杂杂，，造造价价高高。。◆U型型管管式式优点点：：结结构构简简单单，，密密封封面面少少，，造造价价低低。。缺点点：：管管内内清清洗洗困困难难，，可可排排管管子子少少。。◆填填料料函函式式◆釜釜式式（2））套套管管式式换换热热器器优点点：：结结构构简简单单，，耐耐高高压压传传热热面面积积可可随随时时增增减减。。缺点点：：占占地地面面积积、、金金属属耗耗量量大大，，清清洗洗不不方方便便。。（3））蛇蛇管管式式换换热热器器种类类：：沉沉浸浸式式、、喷喷淋淋式式。。◆沉浸浸式式：：金金属属弯弯管管优点点：：结结构构简简单单、、价价格格低低廉廉，，便便于于防防腐腐，，耐耐高压压。。缺点点：：管管外外传传热热系系数数小小，，需需加加搅搅拌拌装装置置。。◆喷淋淋式式：：主主要要用用于于冷冷却却管管内内液液体体。。优点点：：清清洗洗方方便便，，传传热热效效果果较较好好。。缺点点：：体体积积庞庞大大，，冷冷水水耗耗量量大大，，喷喷淋淋不不均均匀匀。。（4））翅翅片片管管式式换换热热器器（（管管翅翅式式））特点点：：传传热热管管的的内内外外表表面面装装有有翅翅片片，，加加大大传传热热面面积和和流流体体的的湍湍动动程程度