化工基础(张四方),传热.ppt

1、化工基础ElementaryChemicalEngineering,本章主要内容：,1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式及其应用；,2. 冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算；,3. 强化或削弱传热的途径；,4. 列管式换热器的基本结构和性能。,第2章 传 热,2-1 概 述,一.化工生产中的传热过程,传热：就是指由于温度差引起的能量转移,热量从高温处传递到低温处。是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。传热现象几乎无处不在。 绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补

2、充需要吸收的热量。,化工生产中传热主要运用于： 生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。 控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或保温。 某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的冷却。 生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。,二.传热的基本方式,根据机理的不同，传热有三种基本方式： 传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。,1.传导传热 又称热传导，是借助物质的分子或原子振动（非金属）、自由电子的热运动（金属）而与相邻粒子碰撞来传递热量的过程。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。 在静止流体内部以及在作层流

3、运动的流体层中垂直于流动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，这两类传热过程也应属于传导的范畴。 可见，固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热均属于传导传热。 传导过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点的宏观迁移。,2.对流传热 又称热对流，是流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。对流传热只发生在流体中，与流动状况密切相关。,强制对流：,自然对流：,用机械能（泵、风机等）使流体发生 对流而传热。,由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热。,3.热辐射 热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体

4、地说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。 根据赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去同时接受电磁波的能力。物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。通常物体温度大于400时，才会有明显的热辐射传递。 热辐射可在真空中传播，不需要任何介质，这是热辐射与热传导、热对流的主要区别。,换热方式,三.两流体换热的基本方式,1 直接接触式传热,在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便、有效，设

5、备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。 缺点：工艺上必须允许两种流体能够相互混合。,这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。 优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。通常只能用于气体介质。,2 蓄热式传热,在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁

6、)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。,3 间壁式传热,四.传热中的一些基本物理量和单位,热量Q：是能量的一种形式， J,传热速率 是指单位时间传递的热量，W,传热速率也称为热流量，或热负荷,热流密度q：单位面积上的传热速率，Wm-2,潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化J/kg,比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，JK-1kg-1,显热：,五.稳定传热和不稳定传热,稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一

7、定为常数。,不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。 通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。 化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。,22 传 导 传 热,一. 热传导基本方程傅立叶定律,在一个均匀（各部位化学组成物理状态相同）的物体内，如图，t1t2，热量以传导方式沿着单方向n（单向传导）通过物体。取热流方向的微分厚度为d，在d的瞬间内传递的热量为dQ。 实验证明，单位时间内的传热量与温度梯度及导热面积A成正比。,比例系数， 称为导热系数。单位：w/mk,傅立叶定律,在稳定导热时,导热量不随时间而改变,即单

8、位时间内的导热量为定值。,引入一个比例系数, 将上式变为一个等式,温度梯度,单位为.m-1,表示热流方向温度变化的强度,温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上的温度差就越大。,导热系数：,一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。,（金属） （非金属） （固体） （液体） （气体） （紧密） （疏松）,物性之一：是物质导热能力的标志，与物质种类、热力学状态（T、P）有关。 物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的越大，导热性能越好。在数值上等于单位温度梯度下的传热强度，

9、是物质的物理性质之一。,固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也随温度升高而增大。,液体的导热系数 液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。,气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同， 因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平 均值。,1）单层平壁的稳定热传导,二

10、. 平面壁的稳定热传导,R导热热阻，传导距离越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。,：壁面两侧的温度差。,对于稳定传热，导热速率q不随时间而变。,2）多层平壁的稳定热传导,假设一锅炉墙由耐火砖1、保温砖2 和青砖3 构成，层与层之间接触良好，即相接触的两表面具有相同的温度。,推广到n层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程 的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为 各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。,三.圆筒壁的稳定热传导,1）单层圆筒壁的稳定热传导,圆筒壁导热的特殊性： 1、温度沿半径方向而改变 2、导热面积（A=2rL） 随半径而变,分离变量积分，

11、,（1）,在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积Am ，或与Am对应的平均半径rm ，这样圆筒壁的导热速率就可按平壁来处理。,将（1）式分子分母同乘以（r2-r1）,式中： 为对数平均面积 ，,对数平均半径,若筒壁较薄，,，Am和rm可用算术平均值代替，误差不超过4%，在工程上是允许的。,2）多层圆筒壁的稳定热传导,多层圆筒壁的传热，可以看成是各单层壁串联进行的热量传递。,对第1层：,对1-n层：,2-3 对 流 传 热,23.1 对流传热过程分析,上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。,：传热边界层厚度 b：层流内层 f：虚拟厚度,热量从热流体通过固体传热壁面传给冷流体，这种

12、传热过程称为给热。,它分三个阶段: （1）热量自热流体传到固体壁面的一侧（2）从壁面的一侧传到另一侧；（3）从壁面的一侧传到冷流体。,该层中温差较大，即 温度梯度较大。通过实验测定：b内的温度变化占一侧流体温度变化的90%以上。所以对传热速率具有决定性的影响。 在层流内层以外的过渡区，流体质点的运动开始出现混合，但仍有温度梯度存在，是热传导和热对流共同作用的结果。 在湍流主体内，流体质点剧烈混合，可认为无传热阻力，温度梯度已消失。 由上所述，对流传热是层流内层的传导传热和层流内层以外的对流传热的总称。,在靠近壁面有一厚度为b的层流内层，层内相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热

13、对流，该方向上的热传递仅为流 体的热传导。,对流传热是一个复杂的过程,为了便于处理，把对流传热看作相当于通过厚度为的传热边界层的热传导过程（将温度梯度有显著变化的区域称为传热边界层）,这一传热边界层称为有效膜。有效膜中包括了真实的层流内层的厚度b和与层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度f 。 =bf,即把层流内层之外的热阻折合成的厚度f 。 必须指出：f是不存在的，它完全是为了处理问题的方便而假设的。即：有效膜是虚拟的，而层流内层是真实存在的。,23.2牛顿冷却定律,把流体对流传热过程看作是通过传热边界层（即有效膜）的传导传热，可以把复杂的对流传热用理论上较为成熟的热传导原理来处理。,对流传热基

14、本方程，也称牛顿冷却定律,当壁面向冷流体给热时,实际上传热边界层的厚度不能测定，因为包括虚拟的厚度f 。令=/为传热膜系数，则,当热流体对壁面传热时,的物理意义：单位时间内，单位传热面积上，温差为1k时，所能传递的热量。所以是对流给热强度的标志。，传热效果好。,流体的状态：气、液、蒸气、相变化等； 流体的物理性质：密度、比热、导热系数、粘度等； 流体的流动形态：层流或湍流； 流体的对流状况：自然对流、强制对流； 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。,1、影响因素,23.3 对流传热膜系数,牛顿冷却定律似乎简单，实际上并未减少计算上的困难，而是将难以测定的传热

15、边界层厚度等所有复杂因素概括在传热膜系数中了。 实验证明：影响的因素很多，概括起来可用下列未定方程来表示。,2、传热过程的特征数,对流给热系数的因素如此之多，要建立一个普遍适用的计算式是十分困难的。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。, 24 热交换计算,化工生产中最常用的传热操作是热流体经管壁（或器壁）向冷流体传热的过程，该过程称为热交换或换热。,24.1 总传热速率方程,热量的传递属于：对流导热对流类型 即, 热流体的热量,管外壁,管内壁,冷流体,热流体向外壁对流传热：,管壁热传导：,内壁向冷流体对流传热：,对于稳定传

16、热：,1当传热面为平壁时，A=A1=A2=Am，则：,换热器的传热总系数,K换热器的传热总系数，单位：wm-2K-1。物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。K值越大，则单位传热面积所传递的热量就越多。 当间壁为复合壁时,2当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：,对数平均面积,对数平均半径，当r2/r12时,算术平均半径,当圆筒壁厚度不大时（薄壁），r1r2rm,（平面壁）,传热总系数K表示传热壁面两侧传热温差为1K时，单位时间通过1m2传热面积传递的热量。 由 可知,24.2 传热总系数,当以外管表面积A2为基准时：,当以内管表面积A1为基准时：,以平均传热面积Am

17、为基准时：,可见，圆筒壁换热器K值与传热面积有关，K1K2Km 但 K1A1=K2A2=KmAm （t相同） 当A1=A2=Am时，换热变成平面壁换热,若传热壁面是新的，且壁面本身热阻较小，则可忽略, 在传热过程中，要提高K值，应设法提高值最小的一项，才会有显著的效果，才对传热更有利。,24.3 热负荷计算,流体温度变化所放出或吸收的热量称为热负荷。,若忽略热损失，则,1、无相变的显热换热（只有温度变化引起的热量交换）,式中：Wh、Wc为热、冷流体质量流量，kg/s Cph、Cpc为热、冷流体平均定压比热容，J/（kgK）,2、有相变的潜热换热（相变热即为潜热）,如饱和蒸气冷凝成100的水：,

18、式中：Wh为饱和蒸气的冷凝速率，kg/s r为饱和蒸气的冷凝潜热，J/kg,24.4 传热度温差,1.定态恒温传热的传热温差：,两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，间壁的一侧是饱和水蒸汽在一定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温度下沸腾，两侧流体温度沿传热面无变化，两流体的温度差亦处处相等，可表示为 tm=T-t 式中 T热流体的温度； t-冷流体的温度。,2.变温传热温度差,传热温度差随位置而改变的传热。在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定

19、的变温传热过程。,一侧变温 两侧变温,流动形式,并流 ：,逆流 ：,错流 ：,折流 ：,两流体平行而同向的流动,两流体平行而反向的流动,两流体垂直交叉的流动,一流体只沿一个方向流动，而另一流体 反复折流,对于间壁两侧都变温的传热过程，平均温度差随着换热器内流体流向的不同而不同。,变温时逆流和并流的传热温差,换热器（1）：在稳定情况下操作,内管走冷流体,温度由t1升到t2,套管环隙走热流体,温度由T1降到T2，两流体以相反方向流动。-逆流,以两个套管式换热器为例，研究t的变化,（1）,换热器（2）：内管走的冷流体温度由t1升到t2，环隙热流体温度由T1降到T2，只是两流体的流向相同。-并流,（2

20、）,我们分别求它们的平均温度差: 算术平均值: t = (t 1+t2)/2 逆流时: t 1=T1t2; t 2=T2t1; 并流时: t 1=T1t1; t 2=T2t2 ; 算术平均值只有当t 1/t22时才能适用,这时误差小于4%,(2)对数平均温度差; 当t1 /t2 2时,要用对数平均温度差,才能比较确切地反映温度变化的实际情况。其计算式为：,推导：假设热交换器没有热损失，在稳定传热时，传热速率不随温度而变化，也就是：,=常数,进口处的温差。,出口处的温差。,mc t 常数,由于在流动中，流体的质量m，和热容c均不发生改变， 所以对热流体： qm c（ ） 对于冷流体： qm” c

21、”（tt ）,上式说明传热速率与热流体及冷流体温度之间的关系是直线关系，以t t代表一截面上冷热流体的温度差，则q与t 之间也成线性关系,由于,代入上式：,整理得到：,将上式积分得到：,对数平均温度差,注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两 端温度差t中数值小的写成t2，大的写成t1 ，可以计算较为方便。,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,解 ：,热流体：,冷流体：,逆流时：,并流时：,热流体 ：,冷流体 ：,结论：在相同条件下，,3.流体流向的选择,（

22、1）从平均温度差考虑,假定，T1、T2、t1、t2、q、K均为定值,（2）从载热介质的用量考虑，达到同一传热效果（加热或冷却），逆流比并流所用载热介质要少。,由于,根据,知,换热面积小，设备就小。,在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的tm比并流的大。因此在换热器的传热量Q及总传热系数K值相 同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积。逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如， 将一定流量的冷流体从20加热到60，而热流体的进口温度为 90，出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温 度可以降至接近20，而采用并流时，则只能降至接近于60。 这样，逆流时加热

23、介质用量就较并流时的为少。由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多 采用逆流操作。但并不是说逆流处处比并流优越，并流初期传热速率大，后期小，对于粘稠冷液体的加热，若采用并流，使其在进入换热器后迅速提高温度，降低粘度，有利于提高传热效果。另外，并流容易控制加热或冷却的温度。,强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。,1）增大传热面积A。实践中换热管可加装翅片或改用螺旋翅片管 2）增大传热推动力tm 。当工艺条件确定后，tm 只能通过采用逆流操作方式来加以提高。 3）提高总传热系数K减少传热阻力 减少壁厚或使用导热系数较大的材料；防止污垢形成或经常清除污垢； 加大流速，提高湍动程度，减少层流底层的厚度等均有利于提高对流传 热系数。,强化传热途径有：,44.3 强化传热的途径,提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。,26 列管式换热器,热交换器也称换热器，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三