化工原理天大版第四章_传热2.ppt

第四章传热 4 1化工生产传热过程及常见换热器4 2热传导4 3对流传热4 4传热过程的计算4 5换热器的选择及传热过程的强化 重点 单层 多层平壁 圆筒壁热传导速率方程及应用 换热器能量衡算 总传热速率方程和总传热系数的计算 对流传热系数的影响因素 难点 1 对流传热机理 2 圆筒壁换热器的传热 4 1概述 4 1 1传热基本方式4 1 2冷热流体热交换的方式4 1 3典型的间壁式换热器4 1 4传热速率和热通量4 1 5稳态传热和非稳态传热 传热过程 系统内温度的差异使热量从高温向低温转移的过程 强化传热过程 削弱传热过程 化工生产对传热的要求 化工生产中的传热过程 由于物质的分子 原子或电子的运动 使热量从物体内高温处向低温处的传递过程 导热条件 温度差特点 不依靠宏观混合运动 在气体 液体 固体中都能发生 4 1 1传热基本方式 一 热传导 导热 流体各部分之间发生相对位移而引起的热传递特点 仅发生在流体中 质点的相对位移 二 热对流 对流传热 强制对流 由于泵 风机等外力作用而引起的流体流动称为强制对流 在强制对流情况下进行热量传递过程称为强制对流传热自然对流 由于流体各部分温度的不均而形成了密度的差异使流体发生相对运动而传热 这种过程称为自然对流传热 习惯上把流体与固体壁面间的传热 统称为对流传热 又称给热 化工传热过程中的实际情况 流体流过固体表面时发生对流和热传导联合作用的传热过程 物体受热引起内部原子激发 将热能转变为辐射能以电磁波形式向周围发射 当遇到另一个能吸收辐射能的物体时 辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能 物体受热而发出辐射能的过程称为热辐射特点 热辐射不需要任何介质作媒介 即可在真空中传播 三 热辐射 辐射传热 4 1 2冷热流体热交换的方式 1 直接接触式换热2 蓄热式换热3 间壁式换热 热流体将热量传到壁面一侧 热量通过固体壁面的热传导 壁面另一侧将热量传给冷流体 热对流 热传导 热对流 套管式换热器 4 1 3典型的间壁式换热器 内管 外管 单程列管式换热器 流体流经管束称为管程 该流体称为管程流体 流体流经管间环隙称为壳程 该流体称为壳程流体 双程列管式换热器 管程流体在管束内来回流过几次 就称为与次数相同程数的换热器 传热速率 热流量 Q 单位时间内通过传热面的热量 W 4 1 4传热速率和热通量 热通量 传热速度 单位传热面积的传热速率 W m2 4 1 5稳态传热和非稳态传热 稳态传热 传热系统中不积累能量的传热过程特点 温度分布不随时间而变 传热速率常量 非稳态传热 传热系统中 温度分布随时间而变传热过程为非稳态传热 传热速率不为常量 4 1 6载热体及其选择 加热剂 加热介质 起加热作用的载流体 冷却剂 冷却介质 起冷却作用的载热体 载热体 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 工业中常用的加热剂和冷却剂 P221 4 2热传导 4 2 1热传导基本概念和定律4 2 2导热系数4 2 3通过平壁的热传导4 2 4通过圆筒壁的热传导 4 2 1热传导基本概念和定律 一 温度场和温度梯度 温度场 任一瞬间物体内各点温度分布的总和 非稳态温度场 温度场内各点的温度随时间而变 稳态温度场 温度场内各点的温度不随时间而变 物体内任一点温度为该点位置与时间的函数 稳态一维温度场 稳态温度场中 物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化 等温面 同一时刻下相同温度各点所组成的面 温度不同的等温面彼此不相交 沿等温面无热量传递 沿与等温面相交的任何方向有热量传递 温度梯度 两相邻等温面的温度差与该两面的垂直距离比值的极限 稳态一维温度场 表示导热方向总是和温度梯度方向相反 导热速率与温度梯度及传热面积成正比 二 傅立叶定律 单位温度梯度下的热通量 金属 非金属固体 液体 气体 4 2 2导热系数 表征物质导热能力的大小 越大 导热越快 一 单层平壁的稳态热传导 S b cons t1 t2 不随时间变化 4 2 3通过平壁的稳态热传导 Q S const 假设条件 导热距离越大 传热面积和导热系数越小 热阻越大 例题 某平壁厚度为 m 平壁内表面温度为1 0 外表面温度为300 平壁材料导热系数与温度的关系为 若将导热系数按常量计算 试求导热热通量和平壁内的温度分布 设壁厚x处的温度为t 温度和距离呈直线关系 导热系数按常量计算 二 多层平壁的稳态热传导 第一层 第二层 第三层 t1 t2 t3 t4 b1 b2 b3 假设层与层间接触良好 相接触的两表面温度相同 n层平壁 结论 热传导中温度差与热阻成正比 4 2 4通过圆筒壁的定态热传导 一 单层圆筒壁的热传导 圆筒壁热传导速率方程式写成与平壁热传导速率方程相类似的形式 平均面积 对数平均半径 对数平均面积 二 多层圆筒壁的热传导 对于n层圆筒壁 即使导热系数为常数 圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线 S1 S2 Q相同 q不相同 多层平壁和多层圆筒壁热传导的比较 平面壁 S1 S2 Q相同 q相同 圆筒壁 可以求各层交界面上的温度 好的绝热材料应包在管的内层 2 石棉和软木互换后损失的冷量 1 每米管长上损失的冷量 4 3 1对流传热速率方程和系数4 3 2对流传热机理简介4 3 3保温层的临界厚度 4 3对流传热 对流传热问题的分类根据流体在传热过程中的状态可分为两类 1 流体无相变的对流传热流体在传热过程中不发生相变化 分为两种情况 强制对流传热 外力作用 流动 自然对流传热 温度差 密度差 流动2 流体有相变的对流传热流体在传热过程中发生相变化 分为两种情况 蒸气冷凝 气体在传热过程中冷凝为液体 液体沸腾 液体在传热过程中沸腾气化变成气体 概述 4 3 1对流传热速率方程和系数 1 对流传热速率方程 牛顿冷却定律 给热方程 局部对流传热系数 W m 2 1 对流传热热阻 工程中使用平均对流传热系数 热流体在管内流动 冷流体在管外流动 对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应 套管式换热器中对流传热速率方程表达式 温度差的平均值 2 对流传热系数 定义 单位温度差下 单位传热面积的对流传热速率 W m2 反映对流传热的快慢 不是物性 是参数 强制 自然 相变 无相变 液 气 影响因素 4 3 2对流传热机理 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率方程和总传热系数4 4 3平均温度差法和总传热速率方程4 4 4总传热速率方程的应用 传热过程的计算 设计计算 校核计算 根据生产要求的热负荷 换热器的传热量 确定换热器的传热面积 计算给定换热器的传热量 流体的流量或温度 若换热器中两种流体无相变 且cp不随温度变化时 若换热器中的热流体有相变化 如饱和蒸气冷凝时 4 4 1热量衡算 热流体放出的热量 冷流体吸收的热量 饱和蒸气的的冷凝热 1 总传热速率微分方程 T 热流体的平均温度 t 冷流体的平均温度 工程上用外表面积作为基准 Ko应用较多 4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数 单位传热面积 单位温度差下的传热速率 衡量换热器性能的重要参数 也是对换热器进行计算和评价的依据 取决于流体的物性 传热过程的操作条件及换热器的类型 2 总传热系数 W m 2 1 Q 1 总传热系数的计算 1 总传热系数的计算式 污垢系数 2 污垢热阻 总传热系数表示成热阻的形式 3 提高总传热系数的途径 传热面为平面或薄管壁时 do di dm 忽略管壁热阻和污垢热阻 讨论 当 i o 影响K的主要因素是 o 当 o i 影响K的主要因素是 i 结论 1 当两个对流传热系数相差较大时 欲提高K 关键在于提高对流传热系数较小一侧的 2 当两个对流传热系数相差不大时 欲提高K 必须同时提高两侧的 为提高K 必须减小起决定作用的热阻 3 若污垢热阻为控制因素 欲提高K 则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢 1 恒温传热的平均温度差 冷热流体温度在壁面的任何位置 任何时间都不变化 即两流体温度差沿换热面处处相等 如一侧液体恒温沸腾 另一侧饱和水蒸气冷凝 4 4 3平均温度差法和总传热速率方程 高温侧冷凝 低温侧升温 高温侧降温 低温侧沸腾 1 一侧伴有相变的平均温度差 a b 2 变温传热的平均温度差 1 逆流和并流时的平均温度差 2 两侧都没有相变的平均温度差 设温差大的一端为 t1 温差小的一端为 t2 若 t1 t2 2 若 t1 t2 2 2 错流和折流时的平均温度差 错流 折流 1 某管壳式环热器由 25 2 5mm的钢管组成 空气流经管程 冷却水在管间与空气呈逆流流动 已知管内侧空气的 i为50W m2 管外侧水的 o为1000W m2 钢的 为45W m 求基于管外表面积的总传热系数Ko及按平壁计的总传热系数 若空气侧的污垢热阻 m2 W 水侧的污垢热阻 m2 W 若管壁热阻和污垢热阻可忽略 为了提高总传热系数 在其他条件不变的情况下 分别提高不同流体的对流传热系数 即 1 将 i提高一倍 2 将 o提高一倍 试分别计算Ko值 3 在一单壳程 单管程的管壳式换热器中 热流体由90 冷却至70 冷流体由20 加热到60 试求做逆流和并流时的对数平均温度差 4 硫酸生产中SO2的转化系统 用转化气在外部列管换热器中预热SO2气体 若转化气温度由440 降到320 SO2由220 被加热到280 试求并流传热和逆流传热的平均温度差 流体流动方向对传热平均温度差的影响 变温传热 逆流操作的平均温度差大于并流 恒温传热 流体的流动方向对其无影响 流体流动方向对传热的影响 满足相同工艺换热能力要求 采用逆流传热要比并流传热相应减少传热面积或载热体使用量 流体流动方向对传热面积的影响 在传递等量的热量时 相同条件下 逆流所需的传热面积比并流的小 也就是说明采用逆流操作可以节省换热器材料 流体流动方向对载热体用量的影响 恒温传热 流向对载热体的量无影响 变温传热 假设在传热面积相等的情况下 当热流体入口端温度都是T1时 逆流所需载热体的用量比并流小 当物料是热敏性的 须采用并流 热敏性物料对出口温度是有限制的 由于并流时t2一定小于T2 采用并流容易控制 逆流时t2可能大于T2 易失控 对于粘性大的物料 须采用并流 粘度随温度 而 阻力 推动力 传热速率 并流进口温度差T1 t1可以很大 可使物料粘性降低 生产中 什么情况用并流 4 4 4总传热速率方程的应用 1 传热面积的计算 2 实验测定总传热系数 3 换热器的操作型计算 对现有的换热器 判断其对指定的传热任务是否适用 或预测在生产中某些参数变化对传热的影响 换热器的选择及传热过程的强化 1 换热器的选择 1 了解换热任务 掌握基本数据及特点 冷 热流体的流量 进出口温度 操作压力等 冷 热流体的物性参数 冷 热流体的工艺特点 腐蚀性 悬浮物含量等 2 确定选用换热器的型式 决定流体流动空间 不清洁的流体或易结垢 沉淀 结晶的流体走管程 因管程易清洗 需通过提高流速来增大对流传热系数的流体走管程 一般管程流速较高 腐蚀性流体走管程 以免对壳体和管束同时腐蚀 压力高的流体走管程 管子耐压性好 饱和蒸汽宜走管程 便于排出冷凝液 哈哈 粘度大或流量较小的流体宜走壳程 需冷却的流体一般走壳程 便于散热 2 传热过程的强化 不能靠增大换热器的尺寸来实现 从设备的结构入手 提高单位体积的传热面积 用螺旋管 波纹管代替光滑管 2 增大平均温度差 3 增大总传热系数 1 增大传热面积 工程上提高K的具体办法 尽量选择对流传热系数大的流体给热状态 尽量选择导热系数较大的载热体 防止或减缓垢层形成并及时清除 增加湍流程度 减小对流传热的热阻 a 提高流体流速 增加湍流程度 减小滞流底层厚度 b 改变流动条件 通过设计特殊传热壁面 使流体在流动过程中不断改变流动方向 提高湍流程度 间壁式换热器 一 夹套式换热器 夹套式换热器结构简单 但由于其加热面受容器壁面限制 传热面较小 且传热系数不高 热流体在管内自下而上流动 冷水由最上面淋水管流出 均匀地分布在蛇管上 二 喷淋式换热器 换热器常置于室外空气流通处 冷却水在空气中汽化亦可带走部分热量 增强冷却效果 其优点是便于检修 传热效果较好 缺点是喷淋不易均匀 三 套管式换热器 优点是构造简单 内管能耐高压 传热面积可根据需要增减 其缺点是管间接头较多 接头处易泄漏 单位换热器体积具有的传热面积较小 故适用于流量不大 传热面积要求不大但压强要求较高的场合 4 5对流传热系数关联式 4 5 1影响对流传热系数的因素4 5 2对流传热过程的量纲分析4 5 3流体无相变时的对流传热系数4 5 4流体相变时的对流传热系数 4 5 1影响对流传热系数的因素 1 流体的种类和相变化的情况 2 流体的物性 导热系数 黏度 比热容 密度3 流体温度 4 流体的流动状态 5 流体的流动原因 6 传热面的形状 位置和大小 特征数群 实验 相互联系 经验性的关联公式 各准数之间的关系 4 5 2对流传热过程的量纲分析 1 流体在管内强制对流换热 流体被加热 m