化工原理---传热

1、1,第3章 传热,2,主要内容,4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 对流传热系数关联式 4.5 传热过程计算 4.6 辐射传热 4.7 换热器,3,基本要求,了解热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算； 了解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件及注意事项； 了解辐射传热的基本概念及基本定律； 熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径； 了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。,4,第三

2、章 传 热,5,传热,热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。,一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。,化工生产中对传热过程的要求,第一节 概述,传热的推动力,温度差,传热的方向,高温向低温,6,一、传热的基本方式,若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。,相互接触的物质之间 静止的物质内部 层流流动的物质内部,热传导(导热),发生在,7,1.热传导（又称导热）,热传导的机理,在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动； 在不良导体的固体中和大部

3、分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的； 在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。,8,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。 热对流仅发生在流体中。 依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：,对流,2.热对流（对流）,自然对流,强制对流,9,流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。,2.热对流（对流）,对流传热,注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。,10,3.热辐射,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是：,热辐射

4、,不需要任何介质，可以在真空中传播； 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移； 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。,11,二、间壁式换热器中的传热过程,热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热,三个串联传热环节,图4-3 间壁两侧流体间传热,对流传热,导热,对流传热,12,1. 套管式换热器,13,2. 管壳式换热器,14,2. 管壳式换热器,15,图4-5 单程管壳式换热器 1-外壳 2-管束 3、4-接管 5-封头 6-管板 7-挡板 8-泄水池,2. 管壳式换热器,动画,16,2. 管壳式换热器,图4-6

5、 双程管壳式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,动画,17,q，单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。,Q，单位时间内通过传热面的热量，J/s，W。,基本概念,传热速率,热通量,整个传热面的热阻,单位传热面积的热阻,传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻,18,稳态传热和非稳态传热,如不加说明一般都指稳态传热过程。,物理量不随时间而变,物理量不随时间变化,稳态传热,非稳态传热,19,在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。,起加热作用,起冷却作用,载热体,高温载热体（加热剂）,低温载热体（冷却剂）,基本概念,20,载热

6、体的选择及常用载热体,载热体的温度易调节控制； 载热体的饱和蒸气压较低,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。,载热体的选择要求,21,第二节 热传导,3.2.1 热传导的基本概念 3.2.2 通过平壁的稳态热传导 3.2.3 通过圆筒壁的稳态热传导,22,3.2.1.1. 温度场和温度梯度,温度的分布状况。,沿等温面法线方向的温度的变化率。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正，与热量传递的方向相反。,温度场,温度梯度,等温面和等温线,23,3.2.1.2 傅里叶（Fourier）定律,傅立叶定律表明导热速率与温度梯度及传热

7、面积成正比，而热流方向却与温度梯度相反。,温度梯度,导热系数,微分导热速率,Q与温度梯度方向相反,24,3.2.1.3 导热系数, 是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。, 在数值上等于单位温度梯度下的热通量，故物质的越大，导热性能越好。, 与物质的种类、热力学状态（T、P）有关。,金属固体 非金属固体 液体 气体,T ， 气体， 水，其它液体的 。,25,3.2.2平壁热传导,假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失。,图4-8 单层平壁热传导,1.单层平壁的热传导,26,对平壁一维稳态热传导,积分并整理得,1.单层平壁的热传导,导热热阻,单层平壁的热传导速

8、率方程式,27,2.多层平壁的热传导,图4-9 三层平壁热传导,假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失； 没有接触热阻。,28,2. 多层平壁的热传导,显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数,推广至n层平壁，,多层平壁的热传导速率方程式,29,2. 多层平壁的热传导,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。,温差与热阻的关系：,各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。,30,2. 多层平壁的热传导,影响因素： 接触材料的种类及硬度 接触面的粗糙程度 接触面的压紧力 空隙内的流体性质,接触热阻一般通过实验测定或凭经验估

9、计,接触热阻,接触热阻,31,图4-11 单层圆筒壁的热传导,3.2.3 圆筒壁的热传导,假设：一维稳态温度场。,Q为常数，但传热面积S和热通量q均随半径而变。,32,通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为,积分并整理得,微分式,积分式,3.2.3.1单层圆筒壁的热传导,33,可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式,其中:,圆筒壁的对数平均面积,3.2.3.1单层圆筒壁的热传导,或,单层圆筒壁的热传导速率方程式,圆筒壁的对数平均半径,注：当 r2/r1TW,T,TW,热流体,38,对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。,对流传热,图4-13 对流传热的温

10、度分布情况,1.对流传热分析,39,层流内层 缓冲层 湍流核心,湍流边界层,传热方式 热传导 热传导和对流 对流,1. 对流传热分析,温度梯度 较大 居中 较小,热阻 较大 居中 较小,对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,40,2. 热边界层,靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。,热边界层,图 4-14 平板上的热边界层,o,41,若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即,紧靠壁面处薄层流体的

11、温度梯度,2. 热边界层,根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为,换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温,换热器任一截面上热流体的平均温度,42,对流传热速率方程,对热流体而言：,对冷流体而言：,若热流体走管内，冷流体走管外：,具体表达式：,热流体,冷流体,tw,Tw,t,T,43,对流传热速率方程,采用平均传热系数表示：,流体与壁面温差的平均值,平均对流传热系数,对流传热热阻,牛顿冷却定律,思考：写出图示的冷、热流体牛顿冷却定律的具体表达式？,牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律。,44,3.3.2 对流传热系数,物理意义：表示单位温度差下，单位传

12、热面积的对流传热速率，W/(m2)；,反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快；,不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。,45,3.3.2 对流传热系数,空气中,水中,总之：,油类中,的量级,46,a的影响因素,1.流体的种类和相变化情况: 2.流体的特性: 3.流体的温度 4.流体的流动状态: 5.流体流动的原因： 6.传热面的形状、位置和大小,al ag， a相变 a非相变,a湍流 a层流,a强制对流 a自然对流,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）；管或板是垂直放置

13、还是水平放置。,Re;Re ; ;cpcp ； ,3.3.2 对流传热系数,47,3.3.3 对流传热系数关联式,3.3.1 影响对流传热系数的因素 3.3.2 流体无相变时的对流传热系数 3.3.3 流体有相变时的对流传热系数 3.3.4 壁温的估算,48,对流传热分类 :(从大类小类具体情况),对流传热,有相变传热,无相变传热,冷凝传热,沸腾传热,自然对流,强制对流,管外 对流,管内对流,圆形直管,非圆管道,弯管,湍流,过渡流,滞流(层流),对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。,影响对流传热系

14、数的因素,49,1.准数关联式,强制对流（无相变） 传热时的准数关联式,自然对流（无相变） 传热时的准数关联式,具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意以下问题。,定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。 特性尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。,50,1. 流体在管内作强制对流,思考： 与u、d有何比例关系？,（4-70）,1）流体在圆形管内作强制湍流,51,被冷却情况怎样？,思考：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？,层流底层温度高于平均温度, 减小,层流底层变薄, 变大。Pr1; Pr0.4Pr0.3,层流底层温度高于平均温度, 更大,层流底层更厚, 更小。Pr1; Pr0

15、.410,4）管子的规格、管子的排列和管间距,(1)管子规格,对于单根管,洁净流体取小管径；不洁净或易结垢流体取较大管径。 一般采用252.5mm 及192mm两种,标准钢管长为6m,一般l取为1.5、2、3和6m,2.管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题,176,(2)管子的排列和管间距,t=1.251.5d0,5）管程和壳程数的确定,管壳式换热器系列标准中管程数有1、2 、4 、6四种,通常每程的管数相等。当S大,l又不能太大,为了提高流速,采用多管程。当0.8时,应采用多壳程,但一般采用串联使用。,177,6）折流挡板的选用 ：,挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。挡板的间距过大

16、，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外给热系数下降；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。,作用：提高管外的给热系数；,形状：园缺型、园盘型、 分流型等；,178,7)外壳直径的确定:,初步设计可用下式估算外壳直径:,D 壳体直径,m; t 管中心距,m; nc 位于管束中心线上的管数; b 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁距离,一 般取b =(11.5)d0 ,m。,8)流体流经换热器的阻力(压降)计算 ：,(1)管程流体阻力,式

17、中：p1流体流经直管的压力降，N/m2；,p2流体流经回弯管时的压力降，N/m2；,Ft结垢修正系数，对于252.5mm的管子， 取为1.4，对于 192mm的管子，取为1.5； Ns串联的壳程数； Np管程数。,179,直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算； 回弯管中的压力降 p2 由下面的经验公式估算：,(2)壳程流体阻力,壳程流体阻力的计算公式很多，但由于壳程流体的流动状况十分复杂，由不同的公式计算的结果相差较大。 埃索法计算壳程压降 p0 的公式：,式中： p1/ 流体横过管束的压力降，N/m2； p2 / 流体通过折流板园缺时的压力降，N/m2； Fs 壳程压力降的结垢修

18、正系数，对于液体取1.5, 对于气体或可凝蒸汽取1.0。,180,(2)壳程流体阻力,式中：F 管子排列方法对压力降的修正系数，对于正三角形排列 F = 0.5，对于正方形排列 F = 0.3，对于正方形斜转 45 度 F = 0.4； f0 壳程流体的摩擦系数； nC 横过管束中心线的管子数； NB 折流挡板数； h 折流板间距； u0 按壳程流通截面积计算的流速，而 A0=h(D-nCd0), 或由系列标准中查得，m/s。,通常,液体流经换热器的压力降为0.11atm,气体为0.010.1atm, 设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。,

19、181, 确定流体在换热器中的流动路径，根据传热任务计算传热负荷，确定流体在换热器进、出的温度，选定换热器的形式，计算定性温度，查取流体物性，计算换热器平均温差，根据温度校正系数不小于 0.8 的原则，确定壳程数。 依据总传热系数的经验值，或按生产实际情况选定总传热系数K估值，由传热基本方程估算传热面积S估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在系列标准中选择适当的换热器型号。 计算管程和壳程的压降，根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求，若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压力降直至满足要求为止。 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数1和2，确定污垢热阻Rs1和Rs2, 计算总传热系数K计，并计算传热面积S计，比较S估和S计，若S估/S计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。,3.列管换热器的选用和设计的步骤 自学),182,