化工原理传热.ppt

1 第4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 4 1概述 第4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 概述 传热的推动力 温度差 传热的方向 高温向低温 6 4 1概述4 1 1传热的基本方式 第4章传热 7 1 热传导 又称导热 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 8 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 9 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 10 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 11 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 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 12 4 1概述 4 1 1传热的基本方式4 1 2传热过程中热 冷流体 接触 热交换的方式 13 1 直接接触式换热和混合式换热器 14 2 蓄热式换热和蓄热器 15 3 间壁式换热和间壁式换热器 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 16 4 1概述 4 1 1传热的基本方式4 1 2传热过程中热 冷流体 接触 热交换的方式4 1 3典型的间壁式换热器 17 1 套管式换热器 18 2 管壳式换热器 19 2 管壳式换热器 20 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 21 2 管壳式换热器 图4 6双程管壳式换热器1 壳体2 管束3 挡板4 隔板 动画 22 4 1概述 4 1 1传热的基本方式4 1 2传热过程中热 冷流体 接触 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 23 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 24 4 1概述 4 1 1传热的基本方式4 1 2传热过程中热 冷流体 接触 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 25 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 26 4 1概述 4 1 1传热的基本方式4 1 2传热过程中热 冷流体 接触 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4 1 6载热体及其选择 27 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 1 定义 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 28 2 载热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 29 4 2热传导 4 2 1基本概念和傅里叶定律4 2 2导热系数4 2 3通过平壁的稳态热传导4 2 4通过圆筒壁的稳态热传导 30 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 31 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 32 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 33 4 2热传导 4 2 1基本概念和傅里叶定律4 2 2导热系数4 2 3通过平壁的稳态热传导 34 1 单层平壁的热传导 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 35 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率方程式 36 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 37 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 38 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 39 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计 接触热阻 接触热阻 40 4 2热传导 4 2 1基本概念和傅里叶定律4 2 2导热系数4 2 3通过平壁的稳态热传导4 2 4通过圆筒壁的稳态热传导 41 图4 11单层圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导 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 42 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 1 单层圆筒壁的热传导 43 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 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 r1 2时 可用算术平均值代替对数平均值 44 2 多层圆筒壁的热传导 假设层与层之间接触良好 即互相接触的两表面温度相同 图4 12多层圆筒壁热传导 45 2 多层圆筒壁的热传导 Q 常数 但q 常数 推广至n层圆筒壁 多层圆筒壁的热传导速率方程式 46 练习题目 思考题 作业题 1 热量传递的三种基本方式是什么 试说明在多层壁的热传导中确定层间界面温度的实际意义 3 试写出有接触热阻存在时多层平壁热传导的计算公式 47 4 3对流传热概述 48 流体流过固体壁面 流体温度与壁面温度不同 时的传热过程称为对流传热 它在化工传热过程 如间壁式换热器 中占有重要的地位 流体无相变的对流传热 强制对流传热 自然对流传热 流体有相变的对流传热 蒸气冷凝 液体沸腾 概述 49 4 3对流传热概述 4 3 1对流传热速率方程和对流传热系数 50 1 对流传热速率方程 温度差 局部对流传热系数 微分对流传热通量 牛顿冷却定律 传热方向 T TW T TW 热流体 51 1 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 52 1 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 53 2 对流传热系数 物理意义 表示单位温度差下 单位传热面积的对流传热速率 W m2 反映对流传热的快慢 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 54 2 对流传热系数 空气中 水中 总之 油类中 的量级 55 4 3对流传热概述 4 3 1对流传热速率方程和对流传热系数4 3 2对流传热机理简介 56 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对流传热的温度分布情况 1 对流传热分析 57 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 58 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 59 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 60 因此有 上式为对流传热系数的另一定义式 该式表明 对于一定的流体和温度差 只要知道壁面附近的流体层的温度梯度 就可由该式求得 热边界层的厚薄影响层内的温度分布 因而影响温度梯度 当边界层内 外侧的温度差一定时 热边界层愈薄 则 dt dy w愈大 因而 就愈大 反之 则相反 2 热边界层 61 流体在管内流动时 热边界层的发展过程也和流动边界层相似 流体进入管口后 边界层开始沿管长而增厚 在距管入口一定距离处 于管子中心相汇合 边界层厚度即等于管子的半径 此时称为充分发展流动 流体在管内传热时 从开始加热 或冷却 到 达到基本稳定的这一段距离称为进口段 2 热边界层 62 4 3对流传热概述 4 3 1对流传热速率方程和对流传热系数4 3 2对流传热机理简介4 3 3保温层的临界直径 63 保温层的临界直径 问题 保温层越厚 保温效果越好吗 或 临界半径 临界直径 64 保温层的临界直径 图4 15保温层的临界直径 dc 故Q有极大值 65 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数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4 4 5传热单元数法 66 换热器的热负荷 传热任务 热流体 WhcphT1 冷流体 Wccpct1 冷流体 t2 热流体 T2 1 无相变时 2 有相变时 无温度变化 假设无热损失 则 热流体放出的热量 冷流体吸收的热量 67 热量衡算式 3 有温变也有相变过程 需分段计算 例 在1atm下 120 W kg s 过热蒸汽变为60 水 求单位时间放出的热量 120 蒸汽 100 蒸汽 100 水 60 水 1 2 3 68 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数 69 通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程 可以仿照对流传热速率方程写出 即 1 总传热速率微分方程 热流体 冷流体 t T 70 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应 选择的传热面积不同 总传热系数的数值也不同 总传热速率微分方程 1 总传热速率微分方程 71 显然有 管内径 管外径 平均管径 工程上大多以外表面积为基准 故后面讨论中 除非特别说明 都是基于外表面积的总传热系数 1 总传热速率微分方程 72 2 总传热系数 总传热系数K综合反映传热设备性能 流动状况和流体物性对传热过程的影响 倒数1 K称为传热过程的总热阻 取得K的途径 1 分析计算 2 实验查定 3 经验数据 73 两流体通过管壁的传热包括以下过程 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热 通过管壁的热传导 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热 2 总传热系数 1 总传热系数的计算 热流体 冷流体 tw t Tw T 74 对稳态传热过程 各串联环节的传热速率必然相等 即 或 2 总传热系数 移项后相加 得 热流体 冷流体 tw t Tw T 75 2 总传热系数 比较 76 基于管内表面积的局部总传热系数 基于平均表面积的局部总传热系数 基于管外表面积的局部总传热系数 得 2 总传热系数 77 设计中应考虑污垢热阻的影响 即 管壁外表面污垢热阻 管壁内表面污垢热阻 总传热系数计算式 某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录 2 总传热系数 污垢热阻 又称污垢系数 因为垢层导热系数很小 即使厚度不大 垢层热阻也很大 往往会成为主要热阻 必须给予足够重视 78 提高总传热系数途径的分析 总热阻 管内热阻 管内垢阻 壁阻 管外垢阻 管外热阻 壁阻 总热阻 管内热阻 管内垢阻 管外垢阻 管外热阻 2 总传热系数 79 2 总传热系数 对平壁或薄管壁 d di do dm 且管壁热阻和污垢热阻可以忽略 管壁内侧对流传热控制 若 管壁内 外侧对流传热控制 相当 若 管壁外侧对流传热控制 则 80 欲提高K值 强化传热 最有效的办法是减小控制热阻 当两侧对流传热系数相差较大时 K近似等于中小者 2 总传热系数 81 2 总传热系数 2 K的实验查定 3 总传热系数的经验值 查P229表4 6 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值 可供设计参考 82 练习题目 思考题 作业题 3 4 1 什么叫热阻 试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点 2 换热器中总的传热热阻包括哪几部分 在强化传热中 如何有效地减小热阻 83 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数4 4 3平均温度差法和总传热速率方程 84 传热为稳态操作过程 两流体的比热容均为常量 可取为换热器进 出口下的平均值 总传热系数K为常量 即K值不随换热器的管长而变化 换热器的热损失可以忽略 85 冷流体温度 热流体温度 1 恒温传热时的平均温度差 T t 蒸汽冷凝 液体沸腾 S 86 1 逆流和并流时的平均温度差 逆流 并流 2 变温传热时的平均温度差 图4 16变温传热时的温度变化 a 逆流 b 并流 87 以逆流为例 推导出计算平均温度差的通式 常量 常量 二 变温传热时的平均温度差 88 因此 及都是直线关系 可分别表示为 2 变温传热时的平均温度差 两式相减 t与Q呈直线关系 89 图4 17逆流时平均温度差的推导 2 变温传热时的平均温度差 90 由前述假定 知K为常量 故积分上式可得 总传热速率方程式 2 变温传热时的平均温度差 因此 91 对数平均温度差 上式为逆流和并流时计算平均温度差的通式 在工程计算中 当时 可用算术平均温度差 代替对数平均温度差 其误差不超过4 2 变温传热时的平均温度差 92 2 错流和折流时的平均温度差 2 变温传热时的平均温度差 图4 18错流和折流示意图 a 错流 b 折流 错流 折流 93 温差校正系数 采用安德伍德 Underwood 和鲍曼 Bowman 图算法 2 变温传热时的平均温度差 2 错流和折流时的平均温度差 按逆流计算的对数平均温差 错流和折流的平均温差 94 温度差校正系数 t值可根据P和R两因数从图4 19中的相应图中查得 2 变温传热时的平均温度差 95 温差修正曲线 P232 96 值恒小于1 这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故 通常在换热器的设计中规定 值不应小于0 8 若低于此值 则应考虑增加壳方程数 将多台换热器串联使用 使传热过程接近于逆流 2 变温传热时的平均温度差 97 2 变温传热时的平均温度差 3 流向的选择 任务 冷流体被加热 求加热剂消耗量 1 流体最终温度和载热体消耗量比较 逆流 t1 并流 t2 98 2 变温传热时的平均温度差 2 传热温差的比较 并流 逆流 99 2 变温传热时的平均温度差 总结 一般情况下 逆流优于并流 工程上 多采用逆流操作 当流体进 出口温度已经确定时 逆流操作的平均温度差比并流时大 传递相同热量Q 所需传热面积小 而且可以节省加热介质或冷却介质的用量 某些情况下 只能采用并流操作 1 热敏性物料的加热 采用并流可避免出口温度过高影响产品质量 2 高温换热器中 逆流时t2和T1集中在一端 采用并流 可降低该处壁温 延长换热器使用寿命 100 小结 LMTD法 对数平均温差法 逆 并流 其他流动情况 101 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数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 102 1 传热面积的计算 S 能否用并流 103 2 实验测定总传热系数K 例 为测定一台列管式换热器的K 将1100m3 h 标态 压缩空气经换热器从140 冷却至60 冷却介质为水 水温从28 升到38 逆流 该换热器规格为 25 2 2200mm n 91根 此换热器在此操作条件下K 0 C 100 C 查哪个温度 104 3 换热器的操作型计算 例 有一逆流操作的换热器 热流体为空气 1 100W m2 冷却水走管内 2 2000W m2 已知t1 20 t2 85 T1 100 T2 70 忽略管壁热阻和传热面积的变化 当水流量增加一倍时 试求 1 水和空气的出口温度t2 和T2 2 热流量Q 比原热量Q增加多少 比较原工况和新工况 解 对原工况 105 原工况 同样 新工况 其中 106 由热量衡算式有 2 新旧两种工况的传热速率之比 107 4 4传热过程计算 4 4 1热量衡算4 4 2总传热速率微分方程和总传热系数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4 4 5传热单元数法 108 问题 在操作型计算中 需要同时确定T2和t2 在传热速率方程式的对数项中 若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法 比较麻烦 解决方法 传热单元数 NTU 法手段 将两个出口温度用热量衡算式消去一个 概述 109 1 传热效率 换热器的传热效率 定义为 假设换热器中流体无相变化及热损失可忽略 则Q可由换热器的热量衡算式得到 110 最大可能的传热量可用下式表示 式中Wcp称为流体的热容量流率 下标min表示两流体中热容量流率较小者 并称此流体为最小值流体 换热器中可能达到的最大温差 较小者具有较大温差 1 传热效率 111 若冷流体为最小值流体 则传热效率为 如果热流体为最小值流体 则传热效率为 1 传热效率 112 2 传热单元数NTU 对冷流体 基于冷流体的传热单元数 113 对于热流体 同样可写出 基于冷流体的传热单元数 基于热流体的传热单元数 2 传热单元数NTU 114 2 传热单元数NTU 传热单元数的物理意义 传热单元长度 Hc 传热单元数 NTU c 管长 115 温度的量纲为1的函数 反映传热推动力和传热所要求的温度变化 若传热推动力愈大 所要求的温度变化愈小 则所需要的传热单元数愈少 长度量纲 是传热的热阻和流体流动状况的函数 若总传热系数愈大 即热阻愈小 则传热单元长度愈短 所需传热面积愈小 2 传热单元数NTU 传热单元数 传热单元长度 116 2 传热单元数NTU 即 什么是传热单元数 传热单元的个数就是传热单元数 以逆流为例 将整个传热面分成若干段 每段为一个传热单元 应满足 117 若冷流体为最小值流体 则 若热流体为最小值流体 则 3 传热效率与传热单元数的关系 118 对一定形式的换热器 可推导出传热效率和传热单元数的关系 3 传热效率与传热单元数的关系 单程并流换热器 119 对于单程逆流换热器 1 当两流体中任一流体发生相变时 3 传热效率与传热单元数的关系 2 当两流体的热容流率相等 即 时 120 3 传热效率与传热单元数的关系 说明 对任一流体 三者之间存在一定的关系 已知两者可求第三者 避免反复试算 对于并流 错流 折流等复杂流动 均可推导出的关系式 为便于计算 通常绘成算图 P241图4 22 4 24 以供查用 121 4 传热单元数法的应用 若热流体是最小值流体 若冷流体是最小值流体 应用传热单元数法的解题思路 判断最小值流体 122 3 传热效率和传热单元数的关系 确定待求项包含在哪个参数 求出另外两个已知参数 根据三者的关系 可查图4 22 25 也可用相应公式算 将未知参数求出 进一步求出待求项 一般说来 换热器的设计型计算宜用平均温度差法 换热器的操作型计算宜用 NTU法 123 例1 逆流操作 空气 1 100W m2 冷却水走管内 2 2000W m2 已知t1 20 t2 85 T1 100 T2 70 忽略管壁热阻和传热面积的变化 当水流量增加一倍时 试求 1 t2 和T2 2 Q Q 查p241图4 23有 冷流体为最小值流体 以冷流体作计算基准 124 125 解一 LMTD法 逆流时 以外表面为基准 126 并流时 Q t2 Ko与逆流时相同 以外表面为基准 解一 LMTD法 127 逆流时 解二 NTU法 代入式 1 得 以热流密度最小的热流体为基准计算 128 以外表面为基准 解二 NTU法 前面已求得 129 解二 NTU法 并流时 代入式 2 得 130 练习题目 思考题 作业题 7 10 14 1 对数平均温度差值与哪些因素有关 2 试分析平均推动力 tm 法和传热单元 NTU 法间的关系 3 在管壳式换热器设计中 为什么要限制温度差校正系数大于0 8 131 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流体有相变时的对流传热系数4 5 5壁温的估算 132 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 管或板是垂直放置还是水平放置 Re Re cp cp 133 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 134 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 135 1 3个无因次数群 努塞尔数 Nusseltnumber 表示对流传热系数的准数 反映物性的影响 一般 气体的Pr1 1 2 普朗特数 Prandtlnumber 136 1 3个无因次数群 3 4 雷诺数 Reynoldsnumber 表示惯性力与黏滞力之比 是表征流动状态的准数 格拉晓夫数 Grashofnumber 表示自然对流影响的准数 137 2 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 138 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 139 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 140 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 Pr 1 Pr0 4 Pr0 3 层流底层温度高于平均温度 更大 层流底层更厚 更小 Pr 1 Pr0 4 Pr0 3 141 1 流体在管内作强制对流 Why Why 因为 管内未充分发展 层流底层较薄 热阻较小 若使用条件不满足上述条件时 需修正 1 对于短管 L d 60 乘上一个大于1的校正系数 2 对过渡流 上式仍可使用 但需将d换成de 4 流体在非圆形管中作强制对流 乘上一个大于1的校正系数 式4 74 乘上一个小于1的校正系数 用式 4 73 3 流体在弯管内作强制对流 142 2 流体在管外强制对流 Why 1 流体横向流过管束 式4 76 76a 若管束排数不是10 应乘上修正系数 用表4 9 图4 26管子排列方式 a 正三角形 b 转角正三角形 c 正方形 d 转角正方形 143 2 流体在管外强制对流 2 流体在换热器的管间流动 用式4 77 4 80 加折流挡板或填充物可有效提高流体的a 144 3 自然对流 C n为经验常数 查表4 10 4 81 当n 1 3时 与l无关 自动模化 可以用小型设备测定 用在大型设备上 145 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流体有相变时的对流传热系数 146 1 蒸汽冷凝 1 蒸汽冷凝方式 Why 热阻主要集中在冷凝液膜 膜状冷凝液膜较滴状冷凝的厚 动画 147 1 蒸汽冷凝 2 膜状冷凝对流传热系数 垂直管或板外冷凝 层流 P257式4 86 4 87湍流 P257式4 88水平圆管外 水平单管 P257式4 83水平管束 P257式4 89 148 1 蒸汽冷凝 3 影响冷凝传热的因素 1 温差 液膜层流流动时 t ts tW 冷凝速率 2 流体物性冷凝液 冷凝液 潜热r 3 蒸汽流速与流向 u 10m s 同向时 反向时 u 4 不凝气体 不凝气体存在 导致 定期排放 5 冷凝壁面的影响 沿冷凝液流动方向上液膜增厚 149 1 蒸汽冷凝 4 膜状冷凝传热的强化 减薄冷凝液液膜厚度 选择正确的蒸汽流动方向 在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等 150 2 液体沸腾 产生沸腾现象的必要条件 粗糙不平的地方 151 2 液体沸腾 1 液体沸腾曲线 核状沸腾在工业上具有重要意义优点 大 tW小 动画 152 2 液体沸腾 2 沸腾传热系数的计算 见P260式4 91 4 95 3 影响沸腾传热的因素 1 液体的性质 强化措施 加表面活性剂 乙醇 丙酮等 3 操作压强 2 温差 在核状沸腾阶段温差提高 4 加热面 新的 洁净的 粗糙的加热面 大强化措施 将表面腐蚀 烧结金属粒 153 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流体有相变时的对流传热系数4 5 5壁温的估算自学 154 4 5 5壁温的估算 在计算给热系数以及设备的热损失时 需要知道壁温 此外 在选择换热器类型和管材时 也需要壁温数据 如忽略壁面厚度的影响 热阻较小 tW接近总热阻 较小一侧流体的温度 155 练习题目 思考题 1 为什么流体有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数 2 为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高 3 影响冷凝传热系数的因素有哪些 4 液体沸腾曲线分为几段 作业题 15 18 156 例 有一台现成的卧式列管冷却器 想把它改作氨冷凝器 让氨蒸汽走管间 其质量流量950kg h 冷凝温度为40 冷凝传热系数 1 7000KW m2K 冷却水走管内 其进 出口温度分别为32 和36 污垢及管壁热阻取为0 0009m2K W 以外表面计 假设管内外流动可近似视为逆流 试校核该换热器传热面积是否够用 列管式换热器基本尺寸如下 换热管规格 25 2 5mm 管长l 4m 管程数m 4 总管数N 272根 外壳直径D 700mm附 氨冷凝潜热r 1099kJ kg34 下水的物性 157 158 159 160 4 6辐射传热 4 6 1基本概念4 6 2物体的辐射能力和有关的定律4 6 3两固体间的辐射传热4 6 4对流和辐射的联合传热 161 辐射 辐射能 热辐射 热射线 物体以电磁波方式传递能量的过程 物体以电磁波方式传递的能量 因热的原因引起的电磁波辐射 概述 但具有实际意义的波长为0 4 20 m 可见光 0 4 0 8 m很高温度下才有明显作用红外线 0 8 20 m在热辐射中起决定作用 从理论上讲 热辐射的波长范围为0 162 基本概念 Q QR QA QD 吸收率 反射率 透过率 当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时 一部分被物体吸收 QA 一部分被反射 QR 一部分透过物体 QD 163 基本概念 A 1 R D 0 例如没有光泽的黑墨表面 其吸收率A 0 96 0 98 R 1 A D 0 例如表面抛光的铜 其反射率R 0 97 D 1 A R 0 例如对称双原子气体O2 N2 H2等都是透热体 黑体是一种理想化的物理 实际物体只能或多或少接近于黑体 但没有绝对的黑体 引入黑体的概念是理论研究的需要 黑体 绝对黑体 镜体 绝对白体 透热体 164 基本概念 固体和液体 D 0 A R 1气体 R 0 A D 1 一般来说 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 工业上常见的固体材料均可视为灰体 灰体是理想物体 实际物体的吸收率与波长有关 但对工业上常见固体材料 吸收率随波长变化不大 可视为灰体 灰体的吸收率A与波长无关 灰体为不透热体 A R 1 灰体 165 4 6辐射传热 4 6 1基本概念4 6 2物体的辐射能力和有关的定律 166 1 普朗克定律 单位时间 单位面积上对所有波长辐射线的辐射能量 用E表示 单位W m2 辐射能力 普朗克定律 167 2 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比 黑体的辐射能力 斯蒂芬 波尔兹曼定律 168 2 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 灰体的辐射能力 黑度e属物性 与材料性质和温度 压力 浓度等有关 一般 粗糙程度对黑度影响很大 选用时应予标注 非金属材料的黑度值很高 一般在0 85 0 95之间 可查P265表4 11 黑度 黑体的辐射能力 灰体的辐射能力 169 3 克希霍夫定律 与A的关系 可由物体的黑度知吸收率 善于辐射者必善于吸收 两者物理含义不同 A表示由其他物体发射来的辐射能被吸收的分数 e表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数 热平衡时 q 0 170 4 6辐射传热 4 6 1基本概念4 6 2物体的辐射能力和有关的定律4 6 3两固体间的辐射传热 171 1 基本计算式 图4 36平行灰体间的辐射过程 172 1 基本计算式 总辐射系数 角系数 辐射面积 净的辐射传热速率 173 S j和C1 2的计算方法 174 2 影响辐射换热的主要因素 与 T4成正比 T Q e Q 为增加电气设备的散热能力 可在其表面涂上黑度很大的油漆 需减少辐射散热时 可在表面渡以黑度很小的银 铝等 用角系数j表示 从辐射面积S发射的能量被另一物体截获的分数 如插入热屏 增大热阻 较小Q 4 介质 3 几何位置 2 表面黑度 1 温度 175 4 6辐射传热 4 6 1基本概念4 6 2物体的辐射能力和有关的定律4 6 3两固体间的辐射传热4 6 4对流和辐射的联合传热 176 高温热备的热损失 其中 aR的经验公式见P270式4 113 4 116 对流 辐射联合传热系数 177 4 7换热器 4 7 1间壁式换热器的类型4 7 2管壳式换热器的设计和选型4 7 3各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径 178 管壳式换热器是一种传统的 应用最广泛的热交换设备 由于它结构坚固 且能选用多种材料制造 故适应性极强 尤其在高温 高压和大型装置中得到普遍应用 179 1 管式换热器 1 蛇管式换热器 缺点 管外流体的给热系数小 为强化传热 可在器内安装搅拌器 喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗 对冷却水水质可以适当降低 180 1 管式换热器 2 套管式换热器 优点 结构简单 能承受较高压力 应用灵活 缺点 耗材多 占地面积大 难以构成很大的传热面积 故一般适合于流体流量不大 传热负荷较小的场合 螺旋套管换热器 181 1 管式换热器 3 管壳式换热器 使用最广泛 单位体积的传热面积 处理能力和操作弹性大 适应能力强 尤其在高温 高压和大型装置中采用更为普遍 182 思考 如何判断壁温tw Tw接近哪一个温度 T tort0 两流体温差在50 以上时 要考虑温度补偿问题 183 固定管板式 补偿圈补偿 换热器两端管板和壳体是连为一体的 其特点是结构简单 制造成本低 适用于壳体和管束温差小 管外物料比较清洁 不易结垢的场合 当壳体和管子之间的温差较大 60 70 且壳体承受压力不太高时 可采用补偿圈 又称膨胀节 184 U型管式换热器 U型管补偿 用于壳体与管子间温差大的场合 但管内清洗比较困难 管子受热受冷可以自由伸缩 而与壳体无关 这种结构比较简单 管束可以拔出清洗 但管内的机械清洗困难 因此管内必须是清洁流体 185 浮头式换热器 浮头补偿 一端管板用法兰与壳体连接固定 另一端在壳体中自由伸缩 整个管束可以由壳体中拆卸出来 适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合 186 2 板式换热器 1 夹套式换热器 结构简单 但传热面积小 传热效率低 为提高传热效果 釜内可安装搅拌器 蛇管 主要用于反应过程的加热或冷却 187 2 板式换热器 2 板式换热器 板式换热器是由一组波纹金属板组成 板上有孔 供传热的两种流体通过 金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内 并用夹紧螺栓夹紧 板式换热器作为一种新型 高效 节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用 并且有逐步取代其它类型之趋势 188 2 板式换热器 2 板式换热器 189 2 板式换热器 2 板式换热器 190 2 板式换热器 3 螺旋板式换热器 191 传热效率高传热效率为列管式换热器的1 3倍阻力小以较低的压力损失 处理大容量蒸气或气体 有自清刷能力 因其介质呈螺旋形流动 污垢不易沉积 清洗容易 可用蒸气或碱液冲洗 简单易行 适合安装清洗装置 介质走单通道 允许流速比其它换热器高 2 板式换热器 3 螺旋板式换热器 192 3 翅片式换热器 1 翅片管换热器 在管子外表面上装有径向或轴向翅片 翅片管式 横向传热面积大 传热效率高 总传热系数为光管的四至八倍 193 3 翅片式换热器 1 翅片管换热器 适用于两种流体的给热系数相差很大的场合 翅片与光管的连接应紧密无间 否则会在连接处产生很大的接触热阻 常用的连接方法有镶嵌 缠绕或高频焊接 其中焊接最为密切 但加工费用较高 194 3 翅片式换热器 1 板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果更好 结构更为紧凑的换热器 195 4 热管换热器 结构及工作原理 将一根金属管的两端密封 抽出不凝性气体 充以一定量的某种工作液体而成 当热管的一端被加热时 工作液体受热沸腾汽化 产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热 冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化 工作介质如此反复循环 热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端 1 导管2 吸液芯3 蒸汽4 吸热蒸发端5 保温层6 放热冷凝端 196 4 7换热器 4 7 1间壁式换热器的类型4 7 2列管式换热器的设计和选型 197 1 设计方法及步骤 198 1 流体流径的选择 2 管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题 199 垢层 u 阻力 其它 主要热阻 结构 允许压力降 管壳式换热器中常用的流速范围 选择流速时 应尽可能避免在层流下流动 2 管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题 2 流体流速的选择 200 3 冷却介质 或加热介质 终温的选择 以冷却介质为例 t2 WC 动力消耗 操作费用 t2 tm S 设备投资费用 设计时 tm 10 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 25 2 5mm及 19 2mm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 201 2 管子的排列和管间距 t 1 25 1 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 202 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 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600mm三种规格 浮头式 150 200 300 480和600mm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 203 7