化工基础之传热过程及换热器.ppt

第四章传热过程及换热器 一 概述二 传导传热三 对流传热四 传热过程的强化五 热交换器 概述 1 生活中的传热过程2 化工生产中传热过程物料的加热与冷却热量和冷量的回收利用设备与管路的保温3 传热中的一些基本方式 1 传导传热2 对流传热3 辐射传热4 工业上的传热方式 热传导 可以在存在温差的一个物体内部或两个直接接触的物体之间进行 靠质点在平衡位置附近的振动完成热传导的过程 不发生宏观位移 热传导是固体进行热传递的一种典型方式 但在气体和液体中同样存在热传导 热传导一定要有介质才能进行 对流传热 靠传热质点发生宏观位移和混合 完成热量的传递自然对流强制对流有外力作用强制对流的效果较自然对流好 热辐射 热量以电磁波的形式传递 不需要任何传热介质 可以在真空中传递任何物体 只要温度在绝对零度以上 就会辐射能量 只有温度较高时 热辐射才能成为主要的热传递方式大多数的热传递过程是两种或三种传热方式同时进行的 传导传热 1 fourier定律2 化工生产中间壁式换热器的传热面有平面壁和圆筒壁两种结构形式之分平面壁定态传热圆筒壁的传导传热 定态传热 稳态传热 物体中各点温度不随时间发生变化的热量传递过程 也就是说在定态传热系统中 不存在热量积累 输入热量 输出热量 定点温度不随时间变化 即同一热流方向上的传热速率为常量 傅立叶定律 热传导基本方程 如图 物体均匀 两侧存在温差 热传递方式 传导实验证明 单位时间物体的导热量与导热面积A和温度梯度成正比 负号的说明 傅立叶定律 定态传热时 即为传热速率 单位时间通过传热面的热量 热导率的大小与物质的组成 结构 状态 温度 湿度 压强 等因素有关 主要取决于物质种类 固 液 气 和温度 热导率是表征物质导热能力的一个参数 为物质性质之一 热导率越大 物质的导热能力越强 比例系数 是热导率 2 间壁式换热器壁面的热传导 化工生产中间壁式换热器的传热面有平面壁和圆筒壁两种结构形式之分 同时也有单层和多层之别 1 平面壁的定态热传导单层平壁 多层平壁热传导 工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁 例如工业用的窑炉 其炉壁通常由耐火砖 保温砖以及普通建筑砖由里向外构成 其中的导热则称为多层平壁导热 下面以三层平壁导热计算为例 介绍多层平壁导热的计算方法 在稳态传热时 通过上述串联平壁的导热速率都是相等的 即 根据等比定律则有 化简得若由三层平壁导热向n层平壁推广 其导热速率方程式则为 式中下标i为平壁的序号 C 2 圆筒壁的定态热传导 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题 例如 管式换热器 蒸汽及液氨导管壁面中的传热过程等均属于此类 它与平壁导热的不同之处在于 温度随半径而变 此时傅立叶定律应改写为圆筒壁的导热面积随半径而变 A 2 rL 如图所示 设圆筒壁的内 外半径分别为r1和r2长度为L 内 外表面温度分别为t1和t2 且t1 t2 管材导热系数为 则由傅立叶定律有 因稳定过程导热体的导热速率为常数 导热体的导热系数可视为常数或可取平均值 则上式中仅包含温度t和半径r两个变量 将上式分离变量 并根据r r1 t t1 r r2 t t2的边界条件积分 即 积分得 式中即为圆筒壁的导热热阻 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式 该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式 由上式中 为圆筒壁的厚度 m 若令上式中的 称为圆筒壁的对数平均半径 又根据圆筒壁的导热面积计算式 可令 称为圆筒壁的平均导热面积 故上式可改写为 跟传热平均温度差计算相类似地 当r2 r1 2时 上式中的对数平均半径也可用算术平均值代替 在工程上 多层圆筒壁的导热情况比较常见 例如 在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温材料 以减少热量 或冷量 损失 在反应器或其他容器内衬以工程塑料或其他材料 以减小腐蚀 在换热器内换热管的内 外表面形成污垢等等 对于多层圆筒壁 其导热速率方程可以表示为 2 多层圆筒壁导热计算 对流传热 对流传热过程分析对流传热速率影响对流传热速率系数的因素对流传热吸收经验关联式的建立无相变时对流传热有相变时对流传热 对流传热 湍流主体 温差 很大 热阻 很大 传热方式 热传导 层流底层 温差 较小 热阻 较层流底层小很多 传热方式 热传导和热对流 缓冲层 温差 很小 热阻 很小 传热方式 热对流 膜模型的建立 工程计算上常常假设把传热过程的热阻全部叠加到边界层的热阻中 假设靠近壁面处有一流体膜 厚度为 t 膜内为层流 膜外为湍流 将所以热阻全部集中到膜内 膜内传热方式 热传导 t e 总有效膜厚度 t e 湍流区虚拟膜厚度 层流底层膜厚度 对流传热速率方程 牛顿冷却定律 仿照平壁热传导速率方程 得到对流传热速率方程 实际上 膜的厚度很难测定 所以引入一个系数h 使该系数中既包括热阻系数 又包含膜的厚度 对流传热速率方程为 牛顿冷却定律 hA t A 传热面积 t 温差 对热流体 t T Tw 对冷流体 t tw t 注 由于传热过程的进行 间壁两侧流体的温度是变化的 计算时流体的温度T和t均采用平均温度进行计算 hA t 对流传热系数h的影响因素 牛顿冷却定律实际上是将所以复杂因素全部都集中在对流传热系数中 如何确定各种条件下的对流传热系数成为对流传热的中心问题 影响流体对流传热系数的因素 1 流体的流动状态2 流体流动产生的原因3 流体的物理性质4 传热表面的情况 流动状态对对流传热的影响 层流无质点径向脉动 径向传热方式为热传导湍流湍流主体和过渡层有质点脉动 以对流传热为主 层流底层的传热方式为热传导湍流程度越大 对流传热速率越大 流动产生的原因 强制对流 自然对流 流体在外界作用下产生的宏观流动传热速率主要取决于流动状态 流体主体与层流底层 工程上采取相应手段对该传热过程进行强化如搅拌 换热器中加入干扰元件等方法 由于冷热部分密度不同引起的流体流动温差存在于壁面与流体主体之间的整个范围传热速率远小于强制对流 流体的性质 主要影响热传导和自然对流中的环流速度粘度如石油加工过程中对高温重油热能的回收密度比热容流体有无相变化发生热导率原子能工业采用低沸点液态金属作为加热剂 传热面情况 传热面形状 传热面摆放方式 流道尺寸 传热面形状直接影响流体湍流程度做成波纹状 翅片状及其他异型表面在流道中加入添加物 截面较小流道更有利于传热短的流道更有利于传热 传热面摆放方式不同会影响环流速度 从而影响自然对流效果 经验关联式的建立 因次分析 f u l CP g t 式中 l 特性尺寸u 特征流速基本因次 长度L 时间T 质量M 温度 变量总数 8个有 定律 8 4 4 可知4个无因次数群 Nu CRemPrnGri 对流传热系数的一般关联式 努塞尔准数Nu l 待定准数雷诺准数Re du 流动形态对对流传热的影响普兰特准数Pr Cp 流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫准数Gr g tl3 2 2自然对流的影响 Nu CRemPrnGri 液体有相变时的对流传热系数 1 蒸气冷凝膜状冷凝 若冷凝液能够润湿壁面 则在壁面上形成一层完整的液膜 故称为膜状冷凝 滴状冷凝 若冷凝液不能润湿壁面 由于表面张力的作用 冷凝液在壁面上形成许多液滴 并沿壁面落下 此种冷凝称为滴状冷凝 工业上遇到的大多是膜状冷凝 因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理 下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 间壁式热交换的计算 间壁式热交换包括三个过程 热流体 间壁一侧壁面对流一侧壁面 另一侧壁面传导另一侧壁面 冷流体对流 在连续化的工业生产中 换热器内进行的大都是定态传热过程 这时 则有 传热基本方程 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性 令 则传热总方程为 式中K 传热系数称总传热系数 传热系数K 由传热基本方程和传热总方程进行对照 对于平面壁 A1 A2 A 对于单层圆筒壁 以A1为基准 以A2为基准 若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存时 传热系数为 传热系数K的获得除可用公式计算外 还可通过查取相关手册选用经验K值 对已有换热器 还可通过实验测定 1 2 A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A2 传热过程热阻分析 若其中一项值远大于其他项 在该项为控制热阻 通过实验可测出控制热阻如果管程流体流量的变化能使总热阻显著变化 而壳程流体流量对总热阻影响很小 则管程流体热阻为控制热阻若两流体流量变化均对总热阻有显著影响 则两热阻均对传热过程控制若两流体流量变化均对总热阻无显著影响 则 污垢热阻为控制热阻 传热过程的平均温度差 流体在管道中流动时 壁面两侧流体的温度均沿传热面而变化 过程推动力 温度差 相应地也发生变化 传热过程的平均温度差 恒温传热间壁两侧冷热流体温度不随其在换热器中的位置而变 温差处处相等 均为T t如间壁一侧为饱和蒸汽冷凝 冷凝温度恒为T 另一侧为液体沸腾 沸腾温度恒为t 变温传热采用对数平均值的方法来求平均温差1 并流2 逆流 例 热流体温度由250 冷却到180 冷流体温度由100 加热到160 分别计算两流体作并流和逆流时的平均温差 在相同情况下 K及工艺热负荷相同 逆流传热的平均温度差大于并流传热的平均温度差即满足相同工艺换热能力要求 采用逆流要比并流相应减少传热面积或载热体使用量 工艺上对冷流体或热流体有温度控制要求时 宜采用并流 如热量回收 宜采用逆流 有一流体发生相变 则无所谓逆流 并流因此时并流 逆流 进出口温度相同 平均温差相等 热负荷及热量衡算 这里主要介绍化工计算中常见的通过换热器进行热交换的计算方法 以列管式换热器为例 冷流体走管外 热流体走管内 冷热流体通过管壁进行热交换 Q冷 Q热 热量衡算式 Q 换热器的工艺热负荷 又称传热量 热负荷的大小由传热任务的要求决定 传热速率 设备特性 传热速率 热负荷 注意 是否存在相变 无相变 有相变 换热例题 有一碳钢制造的套管换热器 其内径为 89mm 3 5mm 流量为2000kg h的苯在内管从80 冷却到50 冷却水在环隙从15 升到35 苯的对流传热系数为330W m2 K 水的对流传热系数为290W m2 K 忽略污垢热阻 试求 1 冷却水用量2 并流和逆流操作时所需传热面积 热交换过程的强化措施 KA Tm 要增大热流量 可通过提高K 增大A 增大 Tm来实现 1 增大总传热系数K 1 防止结垢和及时清垢 2 提高对流传热系数h或 尽可能利用有相变的热载体 h或 大 无相变传热 增大湍流程度 1 增大流速 2 管内加扰流元件 3 改变传热面形状和增加粗糙度方法 尤其从h或 小的一侧考虑 3 选 大的热载体 例题 拟用150 饱和水蒸气将流量为90000kg h的某溶液产品由25 升温到35 现有一台单管程列管式换热器 换热管规格为 25mm 2 5mm 传热面积为15m2 已知蒸气在其壳程冷凝 传热系数为12000W m2 K 溶液走管程 其对流传热系数估计为330W m2 K 比热容为1 9kJ kg K 壳程污垢热阻和管壁热阻忽略不计 管程污垢热阻估计为0 0001m2 K W 试问这台换热器是否能够满足上述换热要求 如不能 采用加隔板的方式将该换热器变为双管程换热器 问能否满足换热要求 由于粘度较大 溶液在管程流动为层流 故其对流传热系数与流速1 3次方成正比 增加管程数 使管程流速增加 使对流传热系数增加不利影响 1 对数平均推动力减小 两侧流体均无相变时 2 流动阻力大大增加 2 增大单位体积的传热面积 1 采用小直径管 用波纹管 螺旋管代替光滑管 采用翅片式换热器等 2 采用高效 紧凑式换热器 如各种板状换热表面 板式换热器 优点 传热系数K大结构紧凑操作灵活性大安装检修方便 优点 传热系数K大结构紧凑操作灵活性大安装检修方便 板式换热器 工程案例分析KA值 换热器工作能力的综合反映 3 增大传热平均温度差 Tm 两侧无相变时 尽量采用逆流流动或接近逆流的流动排布形式 提高加热剂T1的温度 如用蒸汽加热 可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的 降低冷却剂的温度 注 1 利用提高 Tm来强化传热是有限的 2 强化传热应权衡利弊 在采用强化传热时 对设备结构 制造费用 动力消耗 检修操作等方面作综合考虑 以便获得经济而合理的强化传热方案 换热器类别 化工生产中 根据用途可将换热器分 为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和再沸器等 根据冷 热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类 混合式 蓄热式 间壁式 直接接触 混合 式换热器 在这类换热器中 冷热两种流体通过直接混合进行热量交换直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝 如化工厂常用的凉水塔 喷洒式冷却塔 混合冷凝器等 蓄热式换热器 蓄热式换热器又称为蓄热器 常见于化工生产中的各种蓄热炉 当冷 热两种流体交替地通过同一蓄热室时 即可通过填料达到热交换的目的 常用于气体的余热及其冷量的利用 其缺点是设备体积较大 间壁式换热器 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用金属壁 或石墨等导热性好的非金属 隔开 使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换 化工生产中间壁式换热器应用最多 间壁式换热器 夹套式换热器沉浸式蛇管换热器套管式换热器列管式换热器 又称管壳式换热器 夹套式换热器 载热体通道 夹套与容器壁之间形成的环形空间 载热体流向 用蒸汽加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管排出 作为冷却器时 冷却介质 如冷却水 从下部接管进入 由上部接管排出 优点 结构简单 加工方便 缺点 传热面积A小 传热效率低 用途 广泛用于反应器的