传热与传质培训

传热与传质培训课件第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热跟我们的生活密切相关传热在生活中的应用：1、做饭时，蒸、煮、炒等都是传热过程，饭菜凉了我们也要“热一热”再吃；2、冬天开暖气供暖，屋子里暖和、舒服；3、穿衣服要看天气，根据温度变化选择衣服，冬天穿棉袄，夏天穿单薄的衣服。什么是传热?第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化工生产与传热的关系尤为密切。

高温低温传热过程的推动力：温度差传热推动力第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热在生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。加热：熔盐炉、混合气预热、再沸器

聚合釜夹套升温、汽提、干燥等冷却：采用循环水、7℃水、-35℃盐水等冷却水

转化器、合成炉用热水冷却冷凝：氯气液化、混合脱水、氯乙烯单体冷凝蒸发：碱液蒸发、PVC干燥传热在生产中的应用第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热在生产中的应用2、化工设备和管道的保温（保冷），以减少热量（冷量）损失。保温：如蒸汽管道、热水管道。保冷：-35℃盐水、7℃水管道3、生产中热能的合理利用，废热回收。废热利用：氯化氢合成热用于溴化锂及采暖、转化反应热用于溴化锂机组第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五研究传热的目的1、提高传热速率强化传热，减小设备尺寸，节省费用2、降低传热速率削弱传热，减少热量损失第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热的分类传热的分类分类：按连续性按与时间的关系间歇传热连续传热非稳态传热：传热速率常数，稳态传热：传热速率=常数，第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五一、热量传递的三种基本方式根据传热的机理不同，热量传递的基本方式分为三种：导热对流热辐射第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五1、热传导（又称导热）

当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时，由于分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递。热量由高温度部分传到低温部分，或从高温物体传到与之相接触的低温物体，直到各部分温度相等为止，这种热量传递过程称为导热。第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2、对流

流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热（即对流）。

对流的形式可分为：（1）、自然对流：由于流体中各处的温度不同而引起密度的差别。轻者上浮，重者下沉，流体之间产生相对位移。（2）、强制对流：由于泵、风机或搅拌等外力的作用使得流体质点强制运动。在化工传热过程中,通常是流体流经固体壁面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程.第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、热辐射

因物体本身温度的原因激发产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。辐射传热的特点是：（1）、能量传递过程中有能量形式的转变（2）、任何物体只要在热力学温度零度以上都能发射辐射能第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第二节热传导一、热传导方程1、傅立叶定律TTT+dTT1T2dxδφx温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。负号表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度降低的方向传递.第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五傅里叶定理是研究传热过程的重要方程，在工程上主要解决三个问题：①计算传热量或热量损失；②确定面上的温度；③确定保温层的壁厚。傅立叶定律解决的问题第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2、导热系数（1）、固体的导热系数大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。

λ=λ0（1+αλt）

αλ--------温度系数（2）液体的导热系数液态金属：液态金属导热系数比一般液体高液态金属导热系数随温度升高而降低。其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数液体λ随温度升高略有减少，纯液体λ比混合液体一般要大一些。（3）气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大，随压强增大而增加。第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

二、传导传热的计算

1、单层平面热传导TT1T2δφx称为导热热阻称为导热的推动力第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2、多层平壁的热传导TT2T3T1T4δ1φxδ3δ2三层平壁的热传导速率方程:n层平壁的热传导速率方程:各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导速率方程热阻为:上式也可以写成与平壁热传导速率方程类似形式:其中对数平均面积为:对数平均半径为:当r2/r1≤2时,

T1Lr1r2T2dr第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4、多层圆筒壁的热传导三层圆筒壁的热传导速率方程n层圆筒壁的热传导速率方程Φr1r2r4r3T1T3T4T2ΔT=T1–Tn+1第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五5、保温层的临界半径r1r2t1tft1----保温层内表面温度；tf----环境温度r1、r2----分别为保温层内外壁半径；λ---为保温材料的导热系数α----为对流传热系数；L---为管长称为临界半径rcφBrcr2t2第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五对流传热过程是从流体到固体壁或从固体壁到流体的传热过程,是一个层流内层为主的导热和层流内层以外对流传热的综合过程.12第三节对流传热第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五自然对流强制对流无相变化有相变化蒸汽冷凝液体沸腾膜状冷凝滴状冷凝对流传热分类对流传热分类第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五一、对流传热分析1、层流底层，由于流体粘性的存在，靠近壁面的一薄层流体作层流流动，称为层流底层，热量传递主要是靠分子扩散运动以导热方式进行，热阻主要集中在层流底层中，造成较大的温度降。2、过渡区，在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点产生相对运动，热量传递除了以传导方式外，还有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。3、湍流主体，流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传递以对流方式为主，可以认为无热阻，温度梯度为零，各处的温度相等。12层流内层过渡区湍流主体区湍流主体区第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二、对流传热速率方程热流体侧

冷流体侧对流传热速率方程(又称牛顿冷却定律)三、传热膜系数的影响因素1、流体的流动状态2、流体的对流状况3、流体的物理性质影响较大的物性有流体的比热、导热系数、密度和粘度。4、传热表面的形状，大小和位置5、流体相变的影响12第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五对流传热膜系数α的物理意义:当壁面和流体主体温度差为1K时,单位面积的固体壁面上单位时间内以对流传热方式传递的热量。对流传热方程式以很简单的形式表达了复杂的对流传热过程的传热速率，其中的膜系数包括了所有影响对流传热过程的复杂因素。由于对流传热系数α受很多因素的影响，不可能提出一个确定α的普遍公式。α可查询相关资料取经验值。第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五四、提高传热膜系数的途径（一）无相变的对流传热：提高流体流速是强化传热的有效措施，但流体流速增大后能量损失增加。（二）冷凝传热：

（1）不凝气体蒸汽内含有不凝气体，形成气膜，使传热阻力增大，对流传热系数降低。（2）蒸汽流速和流向蒸汽与液膜流向一致，加速液膜流动，对流传热系数增大；蒸汽流速增大对流传热膜系数增大（3）蒸汽过热情况按饱和蒸汽冷凝处理（4）冷凝面的高度及布置方式冷凝液膜增厚会降低传热系数。第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2023/5/24液体沸腾

大容积沸腾

管内沸腾

沸腾曲线

当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随温度升高较慢。当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度△t随上升而增加，α急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。

（三）、沸腾传热（1）温度差温度差是控制沸腾传热的重要参数第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2023/5/24第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（2）操作压力提高压力提高饱和温度，液体黏度及表面张力下降，有利于气泡生成与脱离壁面，强化了对流传热过程。（3）流体物性表面张力小润湿能力大的液体，形成的气泡容易离开表面，对沸腾传热有利。（4）加热面壁面粗糙，发生气泡的核心多些，气泡上升运动越激烈，从而强化了传热。第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四节传热计算T1T2T2′T1′传热速率方程:φ=KA△Tm

化工生产中经常遇到物料通过管壁或容器器壁加热或冷却的传热过程。热流体以对流的方式传给固体壁面，而固体壁面内部以导热的方式把热量从一侧表面传给另一侧表面，然后再以对流的方式把热量传给冷流体，这个传热过程称为热交换。下面套管式换热器是间壁式换热器中最常用的一种。第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五一、热量衡算

工业生产中由于流体温度的变化吸收或放出热量称为热负荷。在稳态传热过程中，若忽略热损失，热量的衡算关系式为：热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。热负荷的计算，可以分为两种情况：1、无相变时的热负荷计算热流体:φ放=qmhCph(T1–T2)=qmh(H1–H2)

冷流体:φ冷=qmcCpc(T2′–T1′)=qmc(H2′–H1′)

φ放

=φ冷

qmhCph(T1–T2)=qmcCpc(T2′–T1′)

其中qmh和qmc分别为热、冷流体的质量流量，kg/s或kg/h第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二、传热速率方程

通过换热器中任一微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：dφ=K(T–T′)dA=K△TdA1、总传热速率微分方程2、恒温传热

换热器间壁两侧流体的温度都是恒定，比如：蒸发器中，一侧为饱和蒸汽；另一侧为沸腾液体，它们之间传热就是恒温传热。φ=KA△T=KA(T–T′)dATT′dφK--------总传热系数.W/(m2·℃)第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、变温传热变温传热可以分为以下几种情况：①间壁一侧流体为恒温，另一侧流体为变温。如：用恒压蒸汽加热另一种流体，蒸汽温度恒定，流体为变温；又如：用热流体加热另一种在较低温度下进行沸腾的流体，流体的沸腾温度保持恒定。②温

a、并流，换热器中冷、热流体同向平行流动

度

b、逆流，换热器中冷、热流体反向平行流动均

c、错流，换热器中冷、热流体相互垂直流动

有并流逆流交错Ⅰ

变

d、折流化多次错流ⅡⅠⅡ第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五并流、逆流时冷热流体沿传热面的温度变化情况T1T2T2′T1′T1T2T2′T1′A、并流B、逆流T1′T2′T1T2T1′T2′T1T2第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五错流和折流

对于错流和折流的平均温差计算，先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以校正系数ε△T，而校正系数ε△T是冷、热流体的温度变化P和R和函数。

将该函数绘成曲线，然后通过P、R查找ε△T

（可通过工程手册查取）错流和折流的平均温差为：第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4、流体流动方向的选择（1）、流向对传热平均温差的影响①、间壁两侧流体为恒温②、间壁一侧恒温另一侧为变温③、间壁两侧均为变温ΔTm并=ΔTm逆主要考虑设备结构以及操作上的方便①、间壁两侧流体为恒温②、间壁一侧恒温另一侧为变温③、间壁两侧均为变温∵ΔTm并＜ΔTm逆；φ=KA△Tm

当φ一定时，ΔTm增加，A减小，说明逆流时所需传热面积比并流小（2）、流向对载热体用量的影响由于ΔTm并=ΔTm逆，并流逆流时的载热体用量都相等第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

在其他条件一定时,对于两侧均为变温操作,为什么逆流操作加热介质的用量比并流小?T1′T2′T1并T2并T2逆T1逆分析:(1)、并流时，加热介质由T1并降到T2并其最低极限出口温度可以达到冷流体出口温度T2′。(2)、逆流时，加热介质由T1逆降到T2逆其最低极限出口温度可以达到冷流体进口温度T1′。∵T2′＞T1′在其他条件一定时,逆流操作加热介质的用量比并流小。A)、若换热的目的仅仅是为了加热流体,则逆流操作时就有可能使T2逆＜T2并.B)、若换热的目的是为了回收热量,逆流操作时加热介质的出口温度较并流时低,则回收的热量多一些.T1第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五对数平均温差及其计算方法T1′T2′T1T2dTdT′ΔT1ΔTΔT212dl微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程dφ=K(T–T′)dA=K△TdA对数平均温差当△T1/△T2≤2时，传热速率方程dA第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

从经济的角度看，逆流优于并流，但并不是所有情况下采用逆流好！以下情况采用并流：①、加热某些热敏性物料时，采用并流较易控制物料出口温度，从而避免因出口温度过高而影响物料的质量。②、加热高粘度物料时，采用并流可使物料进入换热器后迅速升高温度，从而降低物料粘度，提高热交换的效果。③、对于某些高温换热器，采用逆流操作时，高温集中一端，会使一端的温度过高，对设备材料的耐热性能要求较高，而采用并流则可以降低该处的温度，可以延长换热器的寿命。第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五三、总传热系数1、选取经验值根据生产实践经验总结出一套参考数据，在设计换热器时，可以根据设备型式、结构相同，雷诺数、物料的物性参数和已知K值的生产设备相同或接近时，可以参考相近设备,取相同的K值作为设计值。2、测定总传热系数对于现有的换热器，通过实验的方法以来测定，按公式计算第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、总传热系数的计算对于间壁式换热器

1）、以传热面积A1

为基准的总传热速率方程为：dA2TT′dφTW1TW2dA1第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五工程计算中，一般以管外表面积为基准计算总传热系数K2）、以传热面积A2

为基准的总传热速率方程为：第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3）、污垢热阻实际生产中，换热器运行一段时间后，传热面会产生污垢，影响传热效果，使总传热系数下降。如果间壁两侧的污垢热阻分别为R1和R2，则总传热系数为：（1）、对于传热面为平壁、或管径较大且管壁较薄的壁面,即

d1≈d2≈dm=d,则其传热系数计算式为：

由于污垢影响传热效果，在使用过程中必须减缓污垢的形成，及时清除污垢。讨论：第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五化工生产中防止和减少污垢热阻形成的途径：1、提高流体的流速，使所携带的悬浮物不致沉积下来；2、控制冷却水的加热程度，防止有水垢析出；3、对有垢层形成的设备必须定期检查除垢，以维持较高的传热速率。1、人工除垢；2、机械除垢；3、化学清洗。化工生产中常用的除垢方法：常有化学清洗剂有酸、碱、氧化剂、金属离子鳌合剂、杀虫剂等。化学清洗剂去除物体表面污垢时，化学清洗剂会与被清洗得物体发生化学反应，造成腐蚀，使用时要加入金属缓蚀剂及钝化剂等助剂。第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（2）、当污垢热阻忽略时（3）、污垢热阻忽略不计,且传热壁热阻较小，可以忽略不计。或则当α2＞＞α1时K≈α1第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五传热过程的强化传热速率方程:φ=KA△Tm一、增大传热面积增大传热面积，可以提高传热速率，但不能仅仅依靠增大设备尺寸来实现，关键是从设备的结构来考虑，提高紧凑性，单位体积内提高传热面积。改进传热面的结构，如用螺旋波纹管代替光滑管，或采用翅化管换热器，板式换热器，以及板翅式换热器，来增大传热面积。二、增大平均温度差1、热交换的两流体采用逆流操作。2、提高热流体温度或降低冷流体的温度。三、增大总的传热系数第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、提高传热膜系数α1）、当传热膜系数α1、α2相差不大，或在同一个数量级时，欲使K值增大，应同时增大α1、α22）、当传热膜系数α1、α2相差较大时，欲使K值增大，应增大α1、α2中较小的一方。2、减小热阻δ/λ值

对于间壁式换热器，管壁厚较薄，而金属材料的导热系数λ较大，热阻δ/λ较小，故对K的影响较小。提高总传热系数K，可以从以下几个方面来考虑：1、降低污垢热阻R1，R2

管内、外污垢厚度尽管很薄，但垢层的导热系数较小，因而产生的热阻较大，对K值影响较大，必须防止污垢的产生，应及时清除。方法：保持流体一定的流速冲刷管壁防止污垢的沉积，或者采用化学或机械的方法抑制污垢的产生，定时清洗。第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五A）、增大流速(增加管程数,管外增加挡板),减小管径，湍流程度的加强，可以增大传热膜系数αB）、采用粗糙管或管内装入麻花铁、螺旋圈、金属丝等添加物，可以增加流体的湍流程度，从而增大传热膜系数α，也可以增加传热面积，强化传热。2）、采用导热系数较大的流体作载热体，如：熔盐、液态金属

对流传热的热阻主要集中在传热边界层、热量以导热方式进行传递，而流体的导热系数比金属壁面小得多，往往进行强化传热，减小热阻，提高K，可采用以下途径：1)、增加湍流程度,以减小层流底层厚度3）、尽量采用有相变化的载热体，可以得到较大的对流传热系数。第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五实际生产中强化传热的途径1、增加单位体积的传热面积这个只有在技改或更新时候才更换患热面积更大的，或增加设备数量。2、提高传热温度差传热温度差是传热过程的推动力，推动力越大，过程进行得越快。为什么浓硫酸清净要改用烧碱溴化锂7度水，为什么氯乙烯厂7度水温度高，尾气排放量大，高塔压力偏高，原因就在于温度差，7度水温度越低，传热越快。3、提高总传热系数K值对换热器进行清理，如设备排污、高压清洗、化学清洗。第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五六、热辐射1、热辐射是一种以电磁波传递能量的方式，凡是温度在绝对零度（-273.15℃）以上的物体都可以发射辐射能，只有当物体发射的辐射能被另一物体吸收并转化为热能的过程，才称为热辐射。2、黑体能全部吸收辐射能的物体，称为绝对黑体，简称黑体。5、灰体大部分物体属于灰体，部分吸收辐射能，部分辐射能反射回去，这样的物体称为灰体。3、白体能够全部反射辐射能的物体，称为绝对白体，简称白体或镜体。4、透热体能够全部透过辐射能的物体，称为透热体。5、黑度物体辐射能力与同温度的黑体的辐射能力的比值，称为黑度。第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第五节热交换器一、间壁式换热器的类型：1、夹套式换热器容器或反应釜外的夹套。

特点：结构简单、传热系数不高2、沉浸式蛇管换热器蛇形盘管沉浸在容器的液体中，加热或冷却。特点：结构简单、制造方便、传热系数、传热面积较小第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3、喷淋式换热器由上至下喷淋冷却水，特点：传热效果较好，但占地面积大，放室外易结垢。4、套管式换热器由直径不同的同心套管组成特点：结构简单，制造方便，能承受高压，有较大的伸缩性，但占地面积大，接头多易泄漏，用于流量不大，传热面积不大的高压场合。第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五5、管壳式换热器（又称列管式换热器）目前应用最广的换热设备①固定管板式结构简单，成本低，由于管壳程不易清洗或检修、管外物料要求比较清洁，不易结垢。②浮头式换热器两端的管板，有一端是不与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动。特点：结构较复杂、造价高，应用在温差较大场合。③U形管式换热器较浮头式简单，可用于高温高压、但管程不易清洗，可用于清洁物料及高压气体的换热。第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二、板式换热器1、板式换热器：结构紧凑，传热系数高，检修清洗方便。2、板翅式换热器：结构紧凑，传热系数高，适应性广，不易清洗。3、螺旋板式换热器：总传热系数高，不易堵塞，适合于悬浮物及高粘度的流体，结构紧凑不易检修。第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五三、换热器的发展1、高效换热元件：螺旋形异形管翅化管多孔表面管热管2、新型换热器：螺旋挡板管壳式换热器折流杆换热器回转式换热器热管废热锅炉第五十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五管壳式换热器的设计与选用一、确定设计方案的基本原则1、满足工艺条件及其操作的要求2、材料来源广泛，施工方便，成本低3、确保生产安全，避免事故发生确定换热器流程的原则：1）、走管程2）、走壳程①、易结垢、有沉淀及含杂质的流体②、高温、高压或腐蚀性强的或有毒的流体③、与外界环境温差较大的流体④、温差小、传热膜系数值相差较大的两流体中α值大的流体①、饱和蒸汽②、与外界环境温差小的流体③、不易结垢的洁净流体第五十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二、设计内容1、工艺设计：通过物料衡算和热量衡算，确定传热系数K

传热面积A，管子长度及数量，管板的布置及流体的流向。2、结构设计：壳体壁厚的确定，管子及其与管板的连接、各流体进、出口的结构设计，温差的影响，各部位的焊接结构。三、管壳式换热器的选用1、分析了解设计任务，掌握各项参数及工艺特点①物料的进、出口温度及操作压力②物料的物性参数③物料的物理化学性质及耐腐蚀性2、确定选择换热器的型式，确定流体流动空间3、设计计算①根据物料进、出口的温度，计算对数平均温差②根据物料的物性参数，确定α1，α2，λ，R1，R2计算总传热系数K③计算热负荷④确定传热面积A，确定管