化工原理-6章传热-总结

化工(huàgōng)原理

principlesofchemicalengineering

第六章传热(chuánrè)总结延安大学化学与化工学院精品资料第六章传热(chuánrè)

第一节概述第二节热传导第三节对流给热第四节沸腾(fèiténg)给热与冷凝给热第五节热辐射第六节传热过程的计算第七节换热器精品资料6.1.1传热(chuánrè)过程在化工生产中的应用第一节概述(ɡàishù)1、原料、产品的加热和冷却一、传热的目的2、设备或管道需要保温和隔热，节省能源，降低生产成本3、废热能和冷量的回收再利用二、传热过程中冷热流体的接触方式1、直接接触式传热2、间壁式传热3、蓄热式传热

冷流体热流体热流体冷流体

蓄热式换热器示意图精品资料三、载热体及其选择(xuǎnzé)载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给(gōngjǐ)或取走热量的流体对载热体要求：1.载热体的温度应易于调节2.载热体的饱和蒸汽压宜低，加热时不会分解3.载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本没有腐蚀4.载热体应价格低廉而且容易得到精品资料6.1.2传热(chuánrè)过程一、传热(chuánrè)速率1.热流量Q——表示换热器传热的快慢

单位时间内热流体通过整个换热器的传热面，传递给冷流体的热量。单位：w2.热通量q单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。单位：w/m2精品资料

三、稳态传热(chuánrè)与非稳态传热(chuánrè)稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度只随位置而变，而不随时间而变，称此过程为稳态传热过程。此时，热流量Q为常数(chángshù)。非稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理量（如Q、q等）随时间而变，称此过程为非稳态传热过程。精品资料物体中的分子或质点不发生(fāshēng)宏观位移。1、热传导二、传热(chuánrè)的基本方式流体中质点的位移和混合而引起的热量传递过程。2、对流给热仅发生在液体和气体中特点：流体中质点有相对的宏观位移3、热辐射

热辐射是以电磁波的形式发射的一种辐射能，辐射能被物体全部或部分的吸收而变为热能。精品资料一、温度场

稳态温度场：

非稳态温度场：6.2.1傅里叶(Fourier)定律(dìnglǜ)和热导率第二节热传导

二、等温面三、温度梯度法向等温面等温面、温度梯度与热流方向精品资料

四、傅里叶(Fourier)定律(dìnglǜ)——热传导的基本定律式（6-5）注：热流(rèliú)方向与温度梯度方向相反五、热导率Δ单位，

W/(m·K)或

W/(m·0C)

Δ

表示物质导热能力的强弱，是物质的一种物理性质；

Δ

λ=f（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）精品资料

6.2.2通过(tōngguò)平壁的定态导热过程t1δtxdxAt2t1>t2导体(dǎotǐ)的热阻K/W式（6-10）式（6-9）平壁内温度沿壁厚呈直线关系（λ为常数）Q一、单层平壁的稳态热传导精品资料二、多层平壁的稳态热传导t1t2δ1tδ2δ3t2t4t3稳态传热(chuánrè)式（6-19）精品资料4.2.3通过(tōngguò)圆筒壁的定态导热过程一、单层圆筒壁的热传导式（6-15）式（6-16）d2/d1≥2时，dm取对数(duìshù)平均值单层圆筒壁的导热热阻d2/d1<2时，dm取算术平均值式（6-17）精品资料二、多层圆筒壁的热传导精品资料第三节对流(duìliú)给热6.3.1对流(duìliú)给热过程分析热流体冷流体TtTwtWΦΦ

流体通过间壁的热交换

对流给热层流：导热湍流：层流底层：导热湍流主体：热对流

一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层，也是传热的主要热阻。

精品资料6.3.2对流给热过程的数学(shùxué)描述一、对流(duìliú)给热速率表达式和牛顿冷却定律——对流给热系数，单位W/(m2·K)——对流给热方程式或牛顿冷却定律Δt——壁面温度与流体主体的平均温度的差值，℃对流给热过程的热阻精品资料热流体冷流体TtTwtWΦΦ

流体通过间壁的热交换

热流体(liútǐ)与壁面间对流给热：冷流体(liútǐ)与壁面间对流给热：式（6-29）式（6-28）精品资料

可表示(biǎoshì)成或式（6-36）二、因次分析法获得的对流(duìliú)给热系数精品资料6.3.3无相变的对流给热系数(xìshù)的经验关联式一、圆形直管内强制湍流(tuānliú)的给热系数α式（6-40）——自然对流影响不计，Gr可省去流体被加热b=0.4流体被冷却b=0.3应用范围：

a.Re>104,b.0.7<Pr<160(不适用于金属流体)

c.流体是低粘度的（不大于水黏度的2倍）

d.l/d>30-40（进口段只占总长的一小部分）或式（6-41）1.低粘度流体精品资料2.高粘度液体(yètǐ)适用范围：a.Re>104,0.5<Pr<100,l/d内≥60b.定性温度：除黏度μw取壁温外，其余均取流体(liútǐ)进、出口温度的平均值当液体被加热时：当液体被冷却时：式（6-42）μw——液体在壁温下的黏度精品资料

3.短管l/d<30-40的管子(guǎnzi)，管入口处扰动大，α较大，需给式(6-41)乘以校正系数φi对α校正4.Re=2000-10000的过渡流热阻大，需给式(6-41)乘以小于1的校正(jiàozhèng)系数f式（6-43）精品资料

5.弯管由于(yóuyú)离心力的作用，扰动加剧，给热系数增加α—直管的给热系数，W/(m2·oC)d—管内径(nèijìnɡ)，mR—弯管的曲率半径，m式（6-44）精品资料6.非圆管强制(qiángzhì)湍流给热系数de—直管的给热系数，W/(m2·oC)d2—外管内径(nèijìnɡ)，md1—内管外径，m式（6-45）（1）定性尺寸按当量直径de（2）试验方法，例如套管d1d2精品资料二、流体在管外强制(qiángzhì)对流流体在圆管外垂直流过时，在管子圆周各点流动情况不同，则各点的热阻和对流给热系数也不同。故需要(xūyào)整个圆周的平均给热系数。精品资料流体在管束外横向流过的对流给热系数(xìshù)可按下式计算：其中(qízhōng)c、ε、n为常数，见下表式（6-48）精品资料依据(yījù)：热量衡算方程+总传热速率方程第六节传热(chuánrè)过程的计算——设计型，操作型6.6.1传热过程的数学描述一、热量衡算方程：对热流体：Q=qm1cP1(T1-T2)对冷流体：Q=qm2cP2(t2-t1)精品资料二、传热(chuánrè)速率方程twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ（6-115）（6-114）K——总传热系数，W/(m2·K)——各环节(huánjié)热阻，[W/(m2·K)]-1热阻较大的一侧称为：控制侧（控制步骤）精品资料（6-117）d1d2α2内表面(biǎomiàn)外表面(biǎomiàn)dm——d1和d2的对数平均值精品资料三、污垢(wūgòu)热阻污垢(wūgòu)热阻一般不可忽略。一般，污垢(wūgòu)热阻只能根据经验数据确定之。如换热器管壁两侧的污垢热阻分别用R1

和

R2表示,则传热系数可由下式计算：（6-118）精品资料以内表面(biǎomiàn)为基准以外表面(biǎomiàn)为基准精品资料四、壁温估算(ɡūsuàn)此式表明：传热面两侧温差之比等于(děngyú)两侧热阻之比,壁温Tw必接近于热阻较小或给热系数较大一侧的流体温度。（6-119）精品资料（6-132）（6-131）其中(qízhōng)——对数平均温差或者(huòzhě)对数平均推动力，单位：℃或者(huòzhě)K。——传热基本方程式6.6.2传热过程基本方程精品资料精品资料整个(zhěnggè)换热器的热量衡算为：（6-129）精品资料6.6.3换热器的设计(shèjì)型计算一、设计型计算的命题方式设计任务：将一定流量qm1的热流体自给定温度(wēndù)T1冷却至指定温度(wēndù)T2。设计条件：可供使用的冷却介质温度(wēndù),即冷流体的进口温度(wēndù)t1。计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其它有关尺寸。精品资料二、设计型问题的计算方法设计计算的大致步骤如下：1.首先由传热任务计算换热器的热流量(通常称之为热负荷)Q=qm1cP1(T1－T2)=qm2cP2(t2－t1)2.作出适当的选择(xuǎnzé)并计算平均推动力Δtm。3.计算冷、热流体与管壁的对流给热系数及总传热系数K；4.由传热基本方程Q=KAΔtm计算传热面积。精品资料三、设计型计算中参数的选择为确定所需的传热面积,必须求Δtm和K。为计算Δtm,设计者首先必须1.选择流体的流向,即决定采用逆流、并流还是其它复杂流动方式；2.选择冷却介质的出口温度。为求得传热系数K,须计算两侧的给热系数α,故设计者必须决定：1.冷、热流体各走管内(ɡuǎnnèi)还是管外；2.选择适当的流速。同时,还必须选定适当的污垢热阻。精品资料四、选择的依据选择的依据不外经济、技术两个方面。1.流向的选择逆流操作的平均推动力大于并流,在一般情况下,逆流操作总是优于并流,应尽量采用。但是,对于(duìyú)某些热敏性物料的加热过程,并流操作可避免出口温度过高而影响产品质量。另外,在某些高温换热器中,逆流操作的最高温度t2和T1集中在一端,会使该处的壁温特别高。为降低该处的壁温,可采用并流,以延长换热器的使用寿命。精品资料2.冷却介质出口温度的选择冷却介质出口温度t2越高,其用量越少,回收的能量的价值也越高,同时,输送流体的动力(dònglì)消耗即操作费用也减小。但是,t2越高,传热过程的平均推动力(dònglì)Δtm越小,所需的加热面积A也越大,设备投资费用增加。精品资料3.流速的选择一方面涉及传热系数K即所需传热面的大小,另一方面又与流体(liútǐ)通过换热面的阻力损失有关。但不管怎样,在可能的条件下,管内、外都必须尽量避免层流状态。除以上所述,还有多种选择因素,设计换热器需要全面而周全的考虑。精品资料换热器的分类：一、按用途(yòngtú)加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。二、按传热方式

第七节换热器3、蓄热式1、间壁式三、按换热器传热面的形状和结构(jiégòu)分类1、管式换热器2、板式换热器2、直接接触式精品资料6.7.1

间壁式换热器

1、套管(tàoɡuǎn)换热器一、管式换热器2、蛇管换热器①沉浸(chénjìn)式蛇管换热器②喷淋式换热器3、列管换热器——化工生产中应用最为广泛精品资料①.固定管板式——加热补偿圈/膨胀节②浮头(fútóu)式换热器③U型管式换热器精品资料1、夹套式换热器二、板式(bǎnshì)换热器2、平板式换热器3、螺旋(luóxuán)板式换热器4、板翅式换热器精品资料6.7.2列管式换热器的设计(shèjì)与选用1．流体流经管程或壳程的选择(xuǎnzé)原则2．流体流速的选择

3．流体进、出口温度的确定

4．提高管内传热系数的方法——多程

5．提高管外传热系数的方法——装置挡板

6．管子的规格和管间距列管式换热器设计或选用时应考虑的问题精品资料（1）不清洁或易结垢的流体，宜走容易清洗的一侧。对于(duìyú)直管管束易走管程；对于(duìyú)U形管束宜走壳程。（2）腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。（3）压力高的流体宜走管程，以避免制造耐高压的壳体。（4）饱和蒸汽宜走壳程，以便于排出冷凝液。（5）需要冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。（6）有毒流体宜走管程，使向环境泄漏机会减少。（7）黏度大而流量小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，流速和流向不断改变，在低Re（Re＜100）数下即可达到湍流。一、流体流经管程或壳程的选择(xuǎnzé)原则精品资料流体流速的选择涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜(shìyí)的流速，通常根据经验选取。选择流速时，应尽量避免在层流下流动。列管换热器中不同黏度液体的常用(chánɡyònɡ)流速列管换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度列管换热器中常用的流速范围二、流体流速的选择精品资料换热器内两股流体进、出口温度，常由生产过程的工艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。据一般(yībān)的经验，冷却水的温度差可取5~10℃。缺水地区可选用较大温度差，水源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。三、流体进、出口温度(wēndù)的确定精品资料当流体流量较小而所需传热面积较大，即管数多，管内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流给热系数，可采用多程，即在换热器封头内装置隔板(ɡébǎn)。但程数多时，隔板(ɡébǎn)占去了布管面积，使管板上能利用的面积少，导致管程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这些问题。列管换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。四、提高(tígāo)管内传热系数的方法——多程精品资料安装挡板的目的是为了加大壳程流体(liútǐ)的速度，使湍动程度加剧，提高壳程流体(liútǐ)的对流给热系数。五、提高管外膜系数(xìshù)的方法——装置挡板精品资料六、管子(guǎnzi)的规格和