化工原理 传热 .ppt

传热 第一节概述 一 传热过程在化工生产中的应用 加热或冷却换热 能量回用保温 强化传热过程削弱传热过程 能量回收 节能减排 资源回用 同时 是化工厂提高经济效益的一个重要措施 余热资源被认为是继煤 石油 天然气和水力之后的又一常规能源 例如 钢铁行业烟气余热回收对比 余热没有回收 热交换器进行余热回收 二 传热的三种基本方式 1 热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分 或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导 又称导热 特点 没有物质的宏观位移 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来实现的液体机理复杂 2 对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程 3 热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 自然对流强制对流 能量转移 能量形式的转化不需要任何物质作媒介Ea T4 三种传热方式一般不单独存在 往往相互伴随 同时出现 三 两流体通过间壁换热与传热速率方程式 1 间壁式换热器 外传热面积 内传热面积 平均传热面积 2 热载体及其选择 加热剂 热水 饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物 烟道气等用电加热 直接热源 间接热源 加热剂 烟道气 电加热 温度高 经济 温度不易控制 加热不均匀 带有明火及灰尘 温度高 加热均匀 易控制 清洁卫生 成本高 高温载热体 熔盐混合物 水蒸汽 最广的热源 加热均匀 温度高时压力过大 不安全 冷却剂 水 空气 冷冻盐水 液氨等 空气 水 盐水溶液 常用冷却剂 冷却温度 5oC NaCl CaCl2等 冷却温度0 45oC 有机物 乙醇 乙二醇 丙醇等 冷却温度要求更低 3 传热速率与热流密度 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 式中 A 总传热面积 m2 4 稳态传热与非稳态传热 非稳态传热 稳态传热 5 两流体通过间壁的传热过程 间壁 稳态传热 流体与壁面之间的热量传递以对流方式为主 并伴有流体分子热运动引起的热传导 通常把这一传热过程称为对流传热 6 传热速率方程式 传热过程的推动力是两流体的温度差 因沿传热管长度不同位置的温度差不同 通常在传热计算时使用平均温度差 以表示 经验指出 在稳态传热过程中 传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差成正比 即得传热速率方程式为 式中K 总传热系数 W m2 或W m2 K Q 传热速率 W或J s A 总传热面积 m2 tm 两流体的平均温差 或K 第二节热传导 1 有关热传导的基本概念 式中t 某点的温度 x y z 某点的坐标 时间 温度场 某时刻 物体或空间各点的温度分布 1 温度场和等温面 不稳定温度场 稳定温度场 等温面 在同一时刻 温度场中所有温度相同的点组成的面 等温面互不相交等温面上没有热量传递 2 温度梯度 温度梯度是一个点的概念 温度梯度是一个向量 方向垂直于该点所在等温面 以温度增的方向为正一维稳定热传导 2 傅立叶定律 式中Q 热传导速率 W或J s A 导热面积 垂直于热流方向的截面积 m2 dt dx 为沿x方向的温度梯度 m或K m 热导率或导热系数 W m 或W m K 3 热导率 2 是分子微观运动的宏观表现 1 为单位温度梯度下的热通量大小 物理意义 物质的 越大 导热性能越好 f 结构 组成 密度 温度 压力 3 各种物质的导热系数 金属固体 非金属固体 液体 气体 在热传导过程中 因物质各处温度不同 也就不同 所以在计算时应取最高温度t1下的 1与最低温度t2下的 2的算术平均值 或由平均温度t t1 t2 2求出 值 1 固体热导率 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 2 液体热导率 0 09 0 6W m K 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 3 气体热导率 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 4 平壁的稳态热传导 1 单层平壁的稳态热传导 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 边界条件 x 0时 t t1 x b时 t t2 由假设可知 为稳态一维热传导 根据傅里叶定律 分离变量后积分 得导热速率方程式 或 例 平壁A 20m2 b 0 37m t1 1650oC t2 300oC 材料导热系数 0 815 0 00076t t oC W m oC 试求平壁Q和q 解 2 多层平壁的稳态热传导 假设 1 A b很大 忽略端效应 2 材料均匀 3 温度仅沿x变化 且不随时间变化 4 各层接触良好 接触面两侧温度相同 推广至n层 各层的温差 例 燃烧炉最内层耐火砖b1 150mm 中间层绝热砖b2 290mm 最外层普通砖b3 228mm 已知t1 1016oC t4 34oC 求t2和t3 设各层接触良好 1 1 05W m oC 2 0 15W m oC 3 0 81W m oC 解 热阻大的绝热层 保温层 分配于该层的温差亦大 即温度差与热阻成正比 5 圆筒壁的稳态热传导 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 1 单层圆筒壁的稳态热传导 傅立叶定律 边界条件 得 设 不随t而变 注 在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r无关 但热流密度q 却随坐标r变化 因此 工程上为了计算方便 按单位圆筒壁长度计算导热速率 记为ql 与单层平壁类似形式的计算式 对数平均值 算术平均值 几何平均值 例 有外径为426mm的水蒸气管路 管外覆盖一层厚为400mm的保温层 保温层材料的热导率 0 5 0 0009tW m K 水蒸气管路外表面温度为150oC 保温层外表面温度为40oC 试计算该管路每米长的散热量 解 2 多层圆筒壁的稳态热传导 例 在一的钢管外包有两层绝热材料 里层为40mm的氧化镁粉 平均导热率为 0 07W m oC 外层为20mm的石棉层 平均导热率为 0 15W m oC 测得管内壁温度为500oC 最外层表面温度为80oC 管壁的热导率 45W m oC 试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度 解 1 每米管厂的热损失 此处 r1 0 03 0 0035 0 0265mr2 0 0265 0 0035 0 03mr3 0 03 0 04 0 07mr4 0 07 0 02 0 09m 2 保温层界面温度t3 第三节对流传热 1 对流传热过程与对流传热系数 各层传热方式 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 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 2 影响对流传热系数 的因素 1 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 由温度差而产生的单位体积的浮升力 3 流体的物性 cp 5 是否发生相变蒸汽冷凝 液体沸腾 相变 无相变 4 传热面的形状 大小和位置形状 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 3 对流传热的特征数关系式 固体表面与不发生相变化的流体间的对流传热过程 影响此过程的因素有 液体的物理性质 cp固体表面的特征尺寸 l强制对流的流速 u自然对流的特征速度 在对流传热中 获得传热系数的最常用的方法是用因次分析将影响对流传热的因素无因次化 通过实验决定无因次准数之间的关系 变量总数 8个基本因次4个 长度L 时间T 质量M 温度 根据 定律 无量纲特征数 8 4 4 无相变时 定律 对于u个基本单位给出的q个物理量 它们之间的关系可以通过q u个无量纲单位组合数组成一个函数式来进行表达 Reynolds 流动型态对对流传热的影响 Grashof 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 使用准数关联式时注意 定性温度的取法 2 特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸 管内强制对流传热 如为圆管 特征尺寸取管径d 如非圆形管 通常取当量直径dede 4 流动截面 润湿周边 3 准数关联式的适用范围 1 确定物性参数数值的温度称为定性温度 4 无相变时对流传热系数的经验关联式 1 流体在管内强制对流传热圆形直管强制湍流时的对流传热系数 适用范围 Re 104 0 760 特征尺寸为管内径di流体被加热时 n 0 4 被冷却时 n 0 3 注意事项 定性温度取 强化措施 u u0 8 d 1 d0 2 流体物性的影响 选 大的流体 以下是对上面的公式进行修正 高粘度 Re 10000 0 760定性温度取tm 特征尺寸为di l d 60 过渡流 2000 Re 10000 弯曲管内 例 常压下 空气在管长为4m 管径为的钢管中流动 流速为15m s 温度由150oC升至250oC 试求管壁对空气的对流传热系数 解 定性温度t 150 250 2 200oC 可查得该温度下空气的物性数据 所以 可用圆形直管强制湍流时的对流传热系数公式计算 本题中空气被加热 n 0 4 2 其它对流传热方式 5 流体有相变时的对流传热 蒸气冷凝时的对流传热 1 蒸汽冷凝方式 1 膜状冷凝 2 滴状冷凝 滴 膜 冷凝过程的热阻 冷凝液膜 2 膜状冷凝时的对流传热系数 1 水平管束外 定性温度 tS r 其它膜温 n 水平管束在垂直列上的管数r 比汽化热 特征尺寸 取管外径do t ts tw 饱和温度与壁面温度之差 2 蒸汽在垂直管外 或垂直板上 冷凝 层流 Re 1800 Re 1800 湍流 3 影响因素和强化措施 1 液体物性 r 2 不凝气体不凝气体存在 导致 需定期排放 3 蒸汽流速与流向 u 10m s 同向时 t 反向时 t u 4 蒸汽过热r r cp tv ts 影响较小 5 强化措施 目的 减少冷凝液膜的厚度水平管束 减少垂直方向上管数 采用错列 垂直板或管 开纵向沟槽 或在壁外装金属丝 液体沸腾时的对流传热 沸腾 管内沸腾大容器内沸腾 沸腾必要条件 过热度 t t ts 0存在汽化核心 1 大容器饱和沸腾现象 推动力 tw ts 沸腾三个阶段 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾 液体轻微过热 自然对流 无气泡 很小 AB段自然对流 局部产生气泡 气泡上升 液体扰动 BC段核状沸腾 气泡增多 气泡产生速度 脱离表面的速度 不稳定的气膜 CD段膜状沸腾C点 临界点 工业上采用核状沸腾 大 tW小 2 影响因素及强化措施 1 液体的性质 2 温度差核状沸腾阶段 t2 5 t 3 操作压力 4 加热面新的 洁净的 粗糙的加热面 大 5 强化措施表面粗糙化 将表面腐蚀 烧结金属粒 加表面活性剂 乙醇 丙酮等 第四节两流体间传热过程的计算 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 1 热量衡算热负荷Q 单位时间冷 热流体间交换的热量 无热损失 无相变时 热量衡算 比热法和热焓法 式中Q 热冷流体放出或吸收的热量 J s qm1 qm2 热冷流体的质量流量 kg s cp1 cp2 热冷流体的比热容 J kg h1 h2 冷流体的进出口焓 J kg H1 H2 热流体的进出口焓 J kg 比热法 热焓法 相变时 热量衡算 式中r 热流体的汽化潜热 kJ kg TS 热流体的饱和温度 传热计算的出发点和核心 相变热 潜热 显热变化 2 传热平均温度差 tm 的计算 1 恒温传热 2 变温传热 tm与流体流向有关 逆流 并流 错流 折流 逆流与并流 逆流 并流 以冷 热流体均无相变 逆流流动为例推导 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 对数平均温度差 讨论 2 同一端处冷热流体的温度差 1 并流 亦适用 3 若 4 也适用于间壁一侧恒温 一侧变温的情况 逆流 并流 折流与错流的平均温度差 流向的选择 逆流与并流的比较 1 所需传热面积 逆流优于并流 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 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 3 总传热K的计算 冷流体 热流体 间壁 Q 热流体一侧的对流传热速率 间壁的热导速率 冷流体一侧的对流传热速率 稳态传热 1 若传热面为平壁 讨论 dA dA1 dA2 dAm 2 若传热面为圆筒壁 管内径为d1 外径为d2 以圆筒内表面为基准 以圆筒外表面为基准 以间壁为基准 3 工程上习惯以外表面为基准 K2 K对于薄管壁 4 污垢热阻的影响 5 当传热壁为平壁或薄的圆筒时 6 当间壁热阻很小 可忽略 且流体清洁 污垢热阻也可忽略 内侧为控制热阻 外侧为控制热阻 4 壁温计算 金属壁的热阻通常可以忽略 即 可见 传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比 壁温Tw必接近于热阻较小或对流传热系数较大一侧的流体温度 5 传热计算举例 例 在一由 25 2 5mm钢管构成的废热锅炉中 管内通入高温气体 进口500 出口400 管外为p 1000kN m2压力 绝压 的水沸腾 已知高温气体对流传热系数a1 250W m2 水沸腾的对流传热系数a2 10000W m2 碳钢的导热系数 45W m 忽略污垢热阻 试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw 解 1 总传热系数K 以管子内表面积A1为基准 d1 20mm d2 25mm dm 22 5mm b 2 5mm 2 平均温度差 tm的计算 p 1MPa时 水的饱和温度为t 180oC T1 500oC T2 400oC t1 T1 t 500 180 320oC t2 T2 t 400 180 220oC 3 计算单位面积传热量 4 管壁温度 热流体的平均温度T 500 400 2 450oC 管内壁温度 管外壁温度 第六节换热器 1 换热器的分类 该类换热器使用的最多 2 间壁式换热器 1 夹套式换热器 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 用途 反应过程的传热 结构 壁外设夹套 2 沉浸式蛇管换热器 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 3 喷淋式蛇管换热器 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 4 套管式换热器 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 5 螺旋板式换热器 优点 结构紧凑不易结垢 堵塞K大保持逆流 tm大 缺点 压力 温度不能太高难以维修 6 板式换热器 优点 结构紧凑操作灵活K大 缺点 耐温 耐压差 易漏处理量小 7 板翅式换热器 优点 流体湍动程度高 K大 结构紧凑 单位体积的A较大 缺点 易堵塞 清洗困难 构造复杂 8 翅片式换热器 增加A 增强管外流体的湍动来提高 9 热管式换热器 特点 传热高效且稳定 结构简单 应用范围广 10 列管式换热器 管板 管束 封头 壳体 10 列管式换热器固定管板式换热器 用途 壳方清洁 压力不高 优点 成本低 缺点 壳程难洗 结构 常备膨胀节 限制 10 列管式换热器浮头式换热器 用途 较广泛 优点 热补偿好 易洗易修 缺点 成本高 结构 一管板自由 10 列管式换热器U形管式换热器 用途 管方清洁 优点 适高温高压 缺点 管程难洗 管板利用率低 结构 管子成U型 3 列管式换热器选用计算中有关问题 管程 不清洁或易结垢 腐蚀性 压力高的流体 壳程 饱和蒸汽 需要