设备管理_传热及传热设备概论

第三章传热及传热设备 主讲 毕成良 本章重点 掌握三种传热方式的基本定律和计算方法 重点掌握对流传热及其计算 了解换热器的类型 结构 掌握列管式换热器的结构 设计及选用 了解新型换热器的结构及原理 掌握强化传热的途径 本章主要内容 第一节概述第二节热传导第三节对流传热第四节传热计算第五章辐射传热第六章换热器小结 习题课 第三章传热及传热设备第一节概述 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质 这些性质的变化都涉及热能的传递 化学反应 向反应器提供热量或从反应器移走热量 蒸发 蒸馏 干燥 按一定的速率向这些设备输入热量 高温或低温设备 隔热保温 减少热损失 热能的合理利用和废热回收 化工生产的传热问题 一 热量传递的方式 热传导 依靠物体中微观粒子的热运动 如固体中的传热 热对流 流体质点 微团 发生宏观相对位移而引起的传热现象 对流传热只能发生在流体中 通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热 热辐射 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介 在高温情况下 辐射传热成为主要传热方式 第三章传热及传热设备第一节概述 一 热传导气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体导电体 自由电子在晶格间的运动 非导电体 通过晶格结构的振动实现 液体机理复杂 特点 静止介质中的传热 没有物质的宏观位移 第三章传热及传热设备第一节概述 二 热对流自然对流 由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动 强制对流 流体受外力作用而引起的流动 特点 流动介质中的传热 流体作宏观运动 三 热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 能量转移 能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 第三章传热及传热设备第一节概述 二 典型的换热设备 直接混合式传热 冷热两种流体直接接触 在混合过程中进行热交换 不常用 如凉水塔 间壁式换热 参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧 冷 热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换 套管式换热器 第三章传热及传热设备第一节概述 列管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器 二典型的换热设备 第三章传热及传热设备第一节概述 传热过程的基本问题 载热体用量的确定 设计新的换热器 核算现有换热器的传热性能 强化或削弱传热的方法 解决这些问题需要两个基本关系式 热量恒算式 若忽略过程热损失 传热速率关系 传热速率 热流量 Q 单位时间内所交换的热量 W 传热通量 热流密度 q 单位时间单位传热面积上传递的热量 W m2 第三章传热及传热设备第一节概述 第三章传热及传热设备第一节概述 一 间壁式换热器 三 流体通过间壁换热过程 传热速率Q 热流量 单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量 单位J s或W 热流密度q 热通量 单位时间内通过单位传热面积传递的热量 单位J s m2 或W m2 二 传热速率与热流密度 第三章传热及传热设备第一节概述 三 稳态与非稳态传热 第三章传热及传热设备第一节概述 四 两流体通过间壁的传热过程 稳态传热 第三章传热及传热设备第一节概述 式中 tm 两流体的平均温度差 或K A 传热面积 m2 K 总传热系数 W m2 或W m2 K 五 总传热速率方程 第三章传热及传热设备第一节概述 第三章传热及传热设备第二节热传导 一 热传导基本概念 温度场 某时刻 物体或空间各点的温度分布 一 温度场和等温面 非稳态温度场 稳态温度场 等温面 在同一时刻 温度场中所有温度相同的点组成的面 不同温度的等温面不相交 二 温度梯度 方向 法线方向 以温度增加的方向为正 第三章传热及传热设备第二节热传导 温度梯度 两等温面的温度差与其间的法线距离之比称为温度梯度 即 式中dQ 热传导速率 W或J s dA 导热面积 m2 t n 温度梯度 m或K m 导热系数 W m 或W m K 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 第三章传热及传热设备第二节热传导 单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比 即 二 傅里叶定律Fourier 第三章传热及传热设备第二节热传导 三 热导率 热传导系数 热导率 表示物质导热能力的物理量 称为热导率 热导率的大小与物质的组成 结构 密度 压力和温度有关固体的热导率 金属的热导率较大 且随温度升高而略有下降 非金属的热导率较小 且一般随温升而增 在不是特别精确的计算时 我们可认为固体的热导率是常数 液体的热导率 非金属液体中水的热导率最大 除水和甘油外 热导率随温升而降 气体的热导率 气体的热导率很小 不利于传热而有利于保温 故一般的保温材料都是多孔的 在数值上等于单位温度梯度下的热通量 f 结构 组成 密度 温度 压力 金属固体 非金属固体 液体 气体 表征材料导热性能的物性参数 三 热传导系数 第三章传热及传热设备第二节热传导 1 固体热传导系数 热导率 金属材料10 102W m K 建筑材料10 1 10W m K 绝热材料10 2 10 1W m K 在一定温度范围内 对大多数金属材料a0 t 第三章传热及传热设备第二节热传导 2 液体热传导系数 热导率 金属液体 较高 非金属液体 低 非金属液体水的 最大 水和甘油 t 其它液体 t 0 09 0 6W m K 第三章传热及传热设备第二节热传导 3 气体热传导系数 热导率 t 一般情况下 随p的变化可忽略 气体不利于导热 有利于保温或隔热 0 006 0 4W m K 第三章传热及传热设备第二节热传导 第三章传热及传热设备第二节热传导 4 热传导系数与温度的关系二者基本上呈直线关系 金属和体液的热传导系数随温度增加而减少 水例外 气体与非金属热传导系数随温度增加而增加 5 热传导系数与压强关系固体和液体的热传导系数与压强基本无关 气体在压强很高 大于200MPa 或很低 小于2700Pa 时热传导系数随压强增加而增大或随压强降低而减小 一 单层平壁热传导 假设 材料均匀 为常数 一维温度场 t沿x变化 A b很大 忽略端损失 第三章传热及传热设备第二节热传导 四 平壁的稳态热传导 积分 第三章传热及传热设备第二节热传导 二 多层平壁热传导 假设 各层接触良好 接触面两侧温度相同 t1 t2 b1 t x b2 b3 t2 t4 t3 第三章传热及传热设备第二节热传导 各层的温差 第三章传热及传热设备第二节热传导 结论 多层平壁热传导 总推动力为各层推动力之和 总热阻为各层热阻之和 各层温差与热阻成正比 推广至n层 第三章传热及传热设备第二节热传导 一 单层圆筒壁的热传导 特点 传热面积随半径变化 A 2 rl 2 一维温度场 t沿r变化 第三章传热及传热设备第二节热传导 五 圆筒壁的稳态热传导 在半径r处取dr同心薄层圆筒 积分 第三章传热及传热设备第二节热传导 讨论 对数平均面积 热阻 令 对数平均半径 第三章传热及传热设备第二节热传导 又 一般时 二 多层圆筒壁的热传导 第三章传热及传热设备第二节热传导 三层 n层圆筒壁 第三章传热及传热设备第二节热传导 1 对流传热过程 第三章传热及传热设备第三节对流传热 一 对流传热及其类型 流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时的热交换过程在工程上称为对流传热或 传热 过程 湍流主体温度梯度小 热对流为主 层流内层温度梯度大 热传导为主 过渡区域热传导 热对流均起作用 第三章传热及传热设备第三节对流传热 第三章传热及传热设备第三节对流传热 对流传热过程大致可分四种基本类型 1 流体强制对流传热若由于水泵 风机或其它外力作用引起流体运动 则称为强制对流 2 流体自然对流传热若由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密度差异所致 则称为自然对流 2 对流传热的类型 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 蒸汽冷凝传热蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时 蒸汽放热并凝成液体 冷凝液在重力作用下沿壁面流下 这种传热类型叫蒸汽冷凝传热 4 液体沸腾传热液体从固体壁面取得热量而沸腾 在液体内部产生气泡 气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热类型叫液体沸腾传热 1 2 类型的传热为液体无相变的传热 3 4 类型的传热为流体有相变的传热 2 对流传热的类型 第三章传热及传热设备第三节对流传热 二 对流传热速率与对流表面传热系数 式中Q 对流传热速率 W 1 2 热 冷流体的对流传热系数 W m2 K T TW t tW 热 冷流体的平均温度及平均壁温 冷流体 热流体 牛顿冷却定律 三 对流表面传热系数 的影响因素 第三章传热及传热设备第三节对流传热 1 流体的流动状态 湍流 层流2 引起流动的原因自然对流 由于流体内部密度差而引起流体的流动 强制对流 由于外力和压差而引起的流动 强制 自然 自然对流的产生 设热处 t2 2 冷处 t1 1 体积膨胀系数 1 C 或 而 得 或 第三章传热及传热设备第三节对流传热 由温度差而产生的单位体积的升力 第三章传热及传热设备第三节对流传热 5 是否发生相变 相变 无相变 4 传热面的形状 大小和位置形状 管 板 管束等 大小 管径 管长 板厚等 位置 管子的排列方式 垂直或水平放置 3 流体的物性 cp 单位体积流体所具有的热容量 粘度 热传导系数 体积膨胀系数 第三章传热及传热设备第三节对流传热 第三章传热及传热设备第三节对流传热 6 流体的温度温度升高 附加的自然对流强度增大 7 温度边界层假定以流体温度t满足tw t 0 99 tw t 的等温面为分界面 在此分界面与壁面间的流动层称为温度边界层 通常对流表面传热系数等于流体热传导系数与有效层流膜厚度之商 但有效层流膜厚度难以确定 因此要靠实验测得 四 对流传热的特征数及特征数关联式的确定方法1 用量纲分析法确定有关特征数 变量数目 8个基本量纲4个 长度L 时间T 质量M 温度 无量纲特征数 8 4 4 无相变时 第三章传热及传热设备第三节对流传热 1 努塞尔特 Nusselt 数 表示对流传热系数的特征数 2 雷诺 Reynolds 数 反映流体的流动状态对对流传热的影响 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 普兰特 Prandtl 数 反映流体的物性对对流传热的影响 4 格拉斯霍夫 Grashof 准数 表示自然对流对对流传热的影响 一般形式 Nu f Re Pr Gr 简化 强制对流Nu f Re Pr 自然对流Nu f Pr Gr 第三章传热及传热设备第三节对流传热 使用特征数关联式时应注意 1 定性温度 流体进出口的平均温度 壁面的平均温度 流体和壁面的平均温度 2 定型尺寸 传热面几何特征的长度 3 特征速度 流体的速度 4 热流方向对表面传热系数 的影响要表明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的 还需要指明热流方向 第三章传热及传热设备第三节对流传热 五 无相变时对流传热系数的经验关联式 一 流体在管内作强制对流1 圆形直管内的强制湍流 1 应用范围 Re 104 Pr 0 7 160 L d 60 气体或低粘度的液体 2 水 2 定性温度 流体进出口的算术平均值 3 特征尺寸 管内径 第三章传热及传热设备第三节对流传热 讨论 1 加热与冷却的差别 液体 气体 第三章传热及传热设备第三节对流传热 物性一定时 2 影响因素 第三章传热及传热设备第三节对流传热 公式修正 1 当L d2 水 工程处理 加热 冷却 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 弯管 4 非圆形管道 用当量直径计算 第三章传热及传热设备第三节对流传热 2 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 2300 Re 104 第三章传热及传热设备第三节对流传热 3 圆形直管内强制层流 1 随热流方向不同 速度分布情况不同 2 自然对流造成了径向流动 强化了对流传热过程 对于液体 第三章传热及传热设备第三节对流传热 自然对流可以忽略 Gr 25000 自然对流不能忽略 Gr 25000乘校正因子 适用范围 定性温度 特征尺寸 管内径 第三章传热及传热设备第三节对流传热 二 流体在管外强制对流传热 1 流体在管束外垂直流过 第三章传热及传热设备第三节对流传热 应用范围 Re 5000 70000 x1 d 1 2 5 x2 d 1 2 5特征尺寸 管外径 流速取各排最窄通道处定性温度 进 出口温度平均值 Nu C RenPr0 4 平均对流传热系数 第三章传热及传热设备第三节对流传热 2 流体在换热器管间的流动 折流挡板形式 圆缺形 圆环形 第三章传热及传热设备第三节对流传热 设置折流挡板目的 增加壳程流体的湍动程度 进而提高壳程的 圆缺形折流挡板 定性温度 应用范围 Re 2 103 106 第三章传热及传热设备第三节对流传热 正方形排列 正三角形排列 特征尺寸 1 当量直径de 第三章传热及传热设备第三节对流传热 2 流速u按流通截面最大处的截面计算 式中h 两块折流挡板间距离 m D 换热器壳径 m 第三章传热及传热设备第三节对流传热 三 自然对流时的对流传热系数 定性温度 膜温 tm tw 2特征尺寸 垂直的管或板为高度H水平管为管外径d0 各种情况下的C n值及特征尺寸不同 第三章传热及传热设备第三节对流传热 总传热速率方程 式中Q 传热速率 W tm 两流体的平均温度差 A 传热面积 m2 K 总传热系数 W m2 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 一 恒温传热 二 变温传热 tm与流体流向有关 一 传热平均温度差 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 1 逆流与并流 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 以逆流为例推导 tm 假设 1 稳态流动 qm1 qm2为常数 2 cp1 cp2为常数 3 K沿管长不变化 4 热损失忽略不计 对于微元 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 而 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 逆流 并流均适用 当 t2 t1 2 则可用算术平均值 对数平均温度差 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 2 错流与折流 1 tm tm逆 0 9 若 0 8 温差损失大 传热不稳定 应改变流型 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 三 流向的选择 1 所需传热面积 逆流优于并流 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 2 载热体消耗量 加热任务 t1 t2 T2并 min t2 T2逆 min t1 逆流优于并流 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 3 温度差分布 逆流时的温度差分布更均匀 4 并流操作适用于热敏性物料 粘稠物料等的加热 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 二 总传热系数 K 总传热系数 W m2 K 一 总传热系数计算 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 管内对流 管外对流 管壁热传导 稳态传热 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 1 平壁dA dA1 dA2 dAm 讨论 2 以外表面为基准 dA dA1 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 K1 以外表面为基准的总传热系数 W m2 K dm 对数平均直径 m 以内表面为基准 d1 d2 2可用算术平均值 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 二 污垢热阻 Rd1 Rd2 传热面两侧的污垢热阻 m2 K W 三 提高K值的讨论 设法减小控制热阻 1 减小污垢热阻 防结垢 及时清洗 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 2 若污垢热阻与壁阻可忽略时 有 或 若 则 当 1 2相差较大时 若 应提高较小 进而提高K 当 1 2相差不大时 二者应同时提高 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 三 壁温的计算 稳态传热 1 大 b Am小 壁阻小 tW TW 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 TW接近于T 即 大 热阻小 侧流体的温度 3 两侧有污垢 2 当tW TW 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 四 传热计算 总传热速率方程 热量衡算式 热负荷 无相变 有相变 应用条件 定态流动 qm为常数 cP为常数 K为常数 忽略热损失 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 1 设计型计算已知 qm1 T1 T2 生产任务 t1 qm2等求 传热面积A或校核换热器是否合适 步骤 1 计算热负荷 2 计算 tm 3 计算 1 2及K 4 计算A 若A实 A计或Q换 Q需要 换热器合适 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 二 操作型计算 1 已知 换热器A qm1 T1 qm2 t1求 出口T2 t2 2 已知 换热器A qm1 T1 T2 t1求 qm2 t2 注意 列管式换热器中 流通面积 传热面积 第三章传热及传热设备第四节传热过程计算 一 基本概念 1 辐射 物体通过电磁波来传递能量的过程 2 热辐射 物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程 特点 能量形式的转换不需要任何介质 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 能量守恒定律 吸收率 反射率 穿透率 3 物体对热辐射的作用总能量Q 被物体吸收Q 被反射Q 穿过物体Q 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 黑体 白体 镜体 透热体 灰体 以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 固体 液体 0 1气体 0 1 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 二 物体的辐射能力 物体在一定温度下 单位表面积 单位时间内所发射的全部辐射能 波长从0到 E表示 W m2 黑体辐射常数 5 669 10 8W m2 K4 一 黑体 四次方定律表明 热辐射对温度特别敏感 Cb 黑体辐射系数 5 669W m2 K4 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 二 实际物体 黑度 1 f 物体的种类 表面温度 表面状况 C 灰体的辐射系数 C Cb 是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度 实验测定 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 三 克希霍夫定律 对灰体 热交换达到平衡时T1 T2 q 0 任意物体 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 结论 1 物体的辐射能力越强 其吸收率越大 2 同温度下 物体的吸收率与黑度数值上相等 3 E Eb在任何温度下 各种物体中以黑体的辐射能力为最大 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 一 辐射传热速率 三 两固体间的相互辐射 两面积无限大的平行平板 两平面有限大的平行平板 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 一物体被另一物体包围 若外围为黑体 1 1或A2 A1 则C1 2 C1 Cb 1 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 1 温度的影响 T4 低温可忽略 高温可能成为主要方式2 几何位置的影响3 表面黑度的影响 可通过改变 大小强化或减小辐射传热4 辐射表面间介质的影响减小辐射散热 在两换热面加遮热板 小热屏 二 影响辐射传热的主要因素 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 四 高温设备及管道的热损失 对流 辐射 令 1 总热损失 T 对流 辐射联合传热系数 W m2 K 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 1 空气自然对流 tW 150 C 2 空气沿粗糙壁面强制对流 管道及圆筒壁保温层外 空气速度u 5m s 平壁保温层外 空气速度u 5m s 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 一 换热器的分类 按用途分类加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器 再沸器 按冷 热流体热量交换方式分类 混合式 蓄热式 间壁式 第三章传热及传热设备第六节换热器 二 间壁式换热器的类型 一 夹套换热器 优点 结构简单缺点 A小 釜内 小强化措施 釜内加搅拌 釜内加蛇管外循环 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 二 蛇管换热器 1 沉浸式 强化措施 容器内加搅拌器 提高K 优点 结构简单管内能耐高压缺点 管外 小 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 2 喷淋式 优点 结构简单管内能耐高压管外 比沉浸式大 缺点 喷淋不易均匀占地面积大 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 三 套管换热器 优点 结构简单能耐高压 K 或 tm大 缺点 结构不紧凑A V小接头多 易漏 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 四 列管换热器 管板 管束 封头 壳体 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 1 固定管板式 特点 结构简单 但壳程检修和清洗困难 加热补偿圈 膨胀节 当管内外流体温差 t 50 时 需考虑温度热补偿 根据热补偿方式不同 列管式换热器分为 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 2 浮头式 特点 可完全消除热应力 便于清洗和检修 结构复杂 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 3 U型管式 特点 结构较浮头简单 但管程不易清洗 第三章传热及传热设备第五节辐射传热 三 列管换热器的选用 1 根据工艺任务 计算热负荷 2 计算 tm 3 依据经验选取K 估算A 4 确定冷热流体流经管程或壳程 选定u 先按单壳程多管程计算 如果 0 8 应增加壳程数 由u和qm估算单管程的管子根数