食品工程原理第二章传热ppt课件.ppt

1 第二章传热 2 主要内容 1概述2热传导3对流传热概述4稳定传热计算5热辐射6换热器 3 重点难点 了解热传导 热对流和热辐射的基本概念 掌握导热 对流换热的基本规律及计算方法 熟悉各种热交换设备的结构和特点 掌握稳定综合传热过程的计算 了解并掌握强化传热和热绝缘的措施 4 第一节概述 传热 又称热传递 指物体之间或物体内部因温度差而引起的能量转移 传热的推动力 温度差 传热的方向 高温向低温 传热在食品工程中的应用 具体应用 1 一般的加热 冷却 冷凝过程 2 食品的杀菌和保藏 3 蒸发浓缩 干燥 结晶 通过加热去除水分 4 蒸煮 焙烤 通过加热使食品完成一定的生化反应 食品生产过程对传热的要求 强化传热 加热或冷却物料 削弱传热 设备和管道的保温 传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的 根据传热机理不同 传热的基本方式有三种 热传导 conduction 热对流 convection 热辐射 radiation 7 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 1 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 发生在 8 2 热对流 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 热对流仅发生在流体中 强制对流 因泵 或风机 或搅拌等外力所导致的对流 流动的原因不同 对流传热的规律也不同 在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流 两种方式 自然对流 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异 致使流体产生相对位移 这种对流称为自然对流 9 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 热对流与对流传热 对流传热 注意 热对流和对流传热是两个不同的概念 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 热对流 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 所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去 而不需要任何介质 可在真空中传播 任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能 但是只有在物体温度较高的时候 热辐射才能成为主要的传热形式 实际上 上述三种传热方式很少单独出现 而往往是相互伴随着出现的 11 第二节热传导 热传导的基本概念傅里叶定律通过平壁的稳态热传导通过圆筒壁的稳态热传导 12 一 热传导的基本概念 温度场等温面温度梯度 1 温度场 温度场 temperaturefield 某一瞬间空间中各点的温度分布 称为温度场 temperaturefield 一维温度场 若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化 一维温度场的温度分布表达式为 t f x 对于一维的稳定传热有 t f x 不稳定温度场 温度场内各点温度随时间而改变 相应的传热称为非定态热传导 稳定温度场 温度场内各点温度不随时间而改变 相应的传热称为稳定传热 温度场 t f x y z 食品工业中大部分情况下的连续生产均为稳定传热特点 通过某传热表面的传热速率为常量 等温面的特点 1 等温面不能相交 2 沿等温面无热量传递 等温面 温度场中同一时刻相同温度各点组成的面 对于等温面x和x x的温度分别为t x 和t x x 则两等温面之间的平均温度变化率为 t x x t x x 2 等温面 3 温度梯度 温度梯度是一个向量 方向垂直于该点所在等温面 以温度增加的方向为正 一维定态热传导 17 二 傅立叶定律 公式热通量温度梯度与傅里叶定律导热系数 傅立叶定律是热传导的基本定律 它指出 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比 即 式中Q 传热速率 单位时间传导的热量 wA 导热面积 即垂直于热流方向的表面积 m2 导热率 导热系数 W m k 式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反 1 公式 q 热通量 热流密度 W m2 对一维稳态热传导 2 热通量 根据傅里叶定律 单位时间内单位传热面积传导的热量与温度梯度也成正比 因此傅里叶定律又可表示为 3 温度梯度和傅立叶定律 表征物质导热能力的大小 是物质的物理性质之一 其值与物质的组成 结构 密度 温度及压强有关 由实验测得 一般金属 固体 的导热系数 非金属 固体 液体 气体表2 1物质导热系数的数量级 4 导热系数 单位 W m K 多数固体 与温度的关系 k0 k t单位 W m K k0 0 下的导热系数k为经验常数 对大多数金属材料 其k值为负值 对非金属材料则为正值 对于金属固体t 通过自由电子的运动 对于非金属固体t 通过靠晶格结构的振动 对于金属液体t 通过靠晶格结构的振动 对于非金属液体t 略减小 对于气体t 通过分子不规则热运动 随压力变化不大 只有当系统的压力P满足200Mpa P 3kpa时 随压力的降低而降低 达到真空时 约为0 保温瓶夹层抽真空就是此道理 三 平壁的热传导 单层平壁的热传导多层平壁的热传导 如图所示 平壁壁厚为b 壁面积为A 壁的材质均匀 导热系数 不随温度变化 视为常数 平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化 故等温面皆为垂直于x轴的平行平面 平壁侧面的温度t1及t2恒定 1 单层平壁的热传导 式中 t t1 t2为导热的推动力 drivingforce 而R b A则为导热的热阻 thermalresistance 根据傅立叶定律 分离积分变量后积分 积分边界条件 当x 0时 t t1 x b时 t t2 将上式推而广之 则传递过程的普遍关系式为 过程传递速率 过程的推动力 过程的阻力 对传热 传质 动量传递 三传 均适用 当 为常数 单层平壁内温度分布为直线 当 随温度变化时 单层平壁内温度分布为曲线 例 某平壁厚度为0 37m 内表面温度t1为1650 外表面温度为300 平壁材料的导热系数 0 815 0 0076t 式中t的单位为 的单位为W m 若将导热系数按常量 取平均导热系数 计算时 试求平壁的温度分布关系式和导热热通量 解 导热系数按照常量计算平壁的平均温度为tm t1 t2 2 1675 300 2 975 平壁材料的平均导热系数为 m 0 815 0 00076 975 1 556W m 由式可求得导热热通量为 q b t1 t2 1 556 0 37 1650 300 5677W m2 如图所示 以三层平壁为例 假定各层壁的厚度分别为b1 b2 b3 各层材质均匀 导热系数分别为 1 2 3 皆视为常数 层与层之间接触良好 相互接触的表面上温度相等 各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面 壁的面积为A 在稳定导热过程中 穿过各层的热量必相等 2 多层平壁的稳定热传导 第一层 第三层 第二层 对于稳定导热过程 Q1 Q2 Q3 Q 同理 对具有n层的平壁 穿过各层热量的一般公式为 式中i为n层平壁的壁层序号 33 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 34 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 两个名义上互相接触的固体表面 实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上 在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气 热量将以导热的方式穿过这种气隙层 这种情况与固体表面完全接触相比 增加了附加的传递阻力 称为接触热阻 例1 某冷库外壁内 外层砖壁厚均为12cm 中间夹层厚10cm 填以绝缘材料 砖墙的热导率为0 70w m k 绝缘材料的热导率为0 04w m k 墙外表面温度为10 内表面为 5 试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度 例1解 根据题意 已知t1 10 t4 5 b1 b3 0 12m b2 0 10m 1 3 0 70w m k 2 0 04w m k 按热流密度公式计算q 按温度差分配计算t2 t3 四 圆筒壁的热传导 单层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 如图所示 设圆筒的内半径为r1 内壁温度为t1 外半径为r2 外壁温度为t2 温度只沿半径方向变化 等温面为同心圆柱面 圆筒壁与平壁不同点是其面积随半径而变化 在半径r处取一厚度为dr的薄层 若圆筒的长度为L 则半径为r处的传热面积为A 2 rL 1单层圆筒壁的稳定热传导 将上式分离变量积分并整理得 根据傅立叶定律 对此薄圆筒层可写出传导的热量为 讨论 1 上式可以写为 对数平均面积 2 3 圆筒壁内的温度分布 上限从 改为 t r呈对数关系变化 4 平壁 各处的Q和q均相等 圆筒壁 不同半径r处Q相等 但q却不等 根据热量守恒定律 稳定热传导过程中通过各层的导热速率相等 如图所示 以三层圆筒壁为例 假定各层壁厚分别为b1 r2 r1 b2 r3 r2 b3 r4 r3 各层材料的导热系数 1 2 3皆视为常数 层与层之间接触良好 相互接触的表面温度相等 各等温面皆为同心圆柱面 2 多层圆筒壁的稳定热传导 多层圆筒壁的热传导计算 可参照多层平壁 对于第一 二 三层圆筒壁有 根据各层温度差之和等于总温度差的原则 整理上三式可得 同理 对于n层圆筒壁 穿过各层热量的一般公式为 注 对于圆筒壁的稳定热传导 通过各层的热传导速率都是相同的 但是热通量却不相等 例1内径为25 4mm 外径为50 8mm的不锈钢管 其热导率为21 63W m K 外包厚度为25 4mm的石棉保温层 其热导率为0 2423W m K 管的内壁面温度为538 保温层的外表面温度为37 8 计算钢管单位长度的热损失及管壁与保温层分界面的温度 例2在一 60 3 5mm的钢管外层包有两层绝热材料 里层为40mm的氧化镁粉 平均导热系数 0 07W m 外层为20mm的石棉层 其平均导热系数 0 15W m 现用热电偶测得管内壁温度为500 最外层表面温度为80 管壁的导热系数 45W m 试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度 解 每米管长的热损失 此处 r1 0 053 2 0 0265mr2 0 0265 0 0035 0 03mr3 0 03 0 04 0 07mr4 0 07 0 02 0 09m 保温层界面温度t3 解得t3 131 2 49 3 保温层的临界直径 某些情况下 如小直径管外包裹定能不好的保温材料时 热损失随保温层厚度的增加而增加 只有外半径大于某一直径时 才能使热损失减少 此直径为临界直径 基本概念对流传热机制对流传热中的因次分析无相变时的对流传热系数有相变时的对流传热系数 第三节对流传热 对流传热概念对流传热速率方程 牛顿冷却定律 对流传热系数 一 对流传热的基本概念 1 对流传热的基本概念 定义 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 对流传热 53 对流传热是一个热交换过程 一种介质以对流形式将热量传递给另一种介质 不同介质间热对流是介质自身由于温度分布造成密度分布不均匀而形成的对流现象 同种介质 对流传热和热对流的区别 式中Q 对流传热速率 W A 传热面积 m2 t 对流传热温度差 t Th Tw或 t t tw Th 热流体平均温度 Tw 与热流体接触的壁面温度 1 对流传热系数 heattransferconfficient W m2 K 或W m2 上式称为牛顿冷却定律 对流传热是指流体与固体壁面之间的传热 其传热速率由牛顿冷却定律给出 Q A Th Tw 或 2 对流传热速率方程 牛顿冷却定律 dQ dA T 55 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 3 对流传热系数 Q A T 对流传热系数在数值上等于单位温度差下热通量 反映对流传热的快慢 越大 表示对流传热越快 对流传热系数不是流体的物理性质 57 空气中 水中 总之 油类中 的量级 58 二 对流传热机制 对流传热分析传热边界层 59 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 60 为什么层流区以热传导而非热对流形式传热 热对流 不同区域的传热特性 湍流主体 对流传热温度分布均匀层流底层 导热温度梯度大壁面 导热 有温度梯度 传热边界层 温度边界层 有温度梯度较大的区域 传热的热阻即主要集中在此层中 高温流体 传热壁面 低温流体 传热过程 62 o 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 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 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 边界层内外侧温度差一定时 热边界层越薄 温度梯度越大 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 l g 相变 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 65 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 圆直管 非圆管道 弯管 湍流 过渡流 滞流 层流 影响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 影响对流传热系数的因素 无相变时 影响对流传热系数的主要因素可用下式表示 八个物理量涉及四个基本因次 质量M 长度L 时间T 温度 通过因次分析可得 在无相变时 准数关系式为 即 三 对流传热中的因次分析 准数符号及意义 68 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 特征尺寸 Nu Re等准数中的l应如何确定 特征尺寸无因次准数Nu Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸 通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸 例如 圆管内的强制对流传热 特征尺寸L为管道内径 若为非圆管 则取当量直径de de 4 流动截面积 传热周边 定性温度流体在对流传热过程中温度是变化的 确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度 一般定性温度有三种取法 进 出口流体的平均温度 tm t进 t出 2 常用 壁面平均温度 tm twm流体和壁面的平均温度 膜温 tm t tw 2 准数是一个无因次数群 其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度 70 四 无相变时的对流传热系数 圆形直管内强制对流圆形直管内强制层流管外强制对流 Nu 0 023Re0 8Prn n值 流体被加热时 n 0 4 被冷却时 n 0 3 应用范围 Re 10000 0 760 特性尺寸 取管内径定性温度 流体进 出口温度的算术平均值 1 1圆形直管内强制湍流时的对流传热系数1 1 1低粘度流体 1圆形直管内强制对流 Nu 0 027Re0 8Pr1 3 w 0 14 应用范围Re 10000 0 760 特性尺寸取管内径定性温度除 w取壁温外 均为流体进 出口温度的算术平均值 当液体被加热时 w 0 14 1 05当液体被冷却时 w 0 14 0 95对于气体 不论加热或冷却皆取1 1 1 2高粘度流体 例 常压下 空气以15m s的流速在长为4m 60 3 5mm的钢管中流动 温度由150 升到250 试求管壁对空气的对流传热系数 解 此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度t 150 250 2 200 查200 时空气的物性数据 附录 如下Cp 1 026 103J kg 0 03931W m 26 0 10 6N s m2 0 746kg m3Pr 0 68特性尺寸d 0 060 2 0 0035 0 053ml d 4 0 053 75 5 60 Re du 0 053 15 0 746 2 6 10 5 2 28 104 104 湍流 Pr cp 1 026 103 2 6 10 5 0 03931 0 68 W m2 本题中空气被加热 n 0 4代入Nu 0 023Re0 8Pr0 4 0 023 22800 0 8 0 68 0 4 60 4 75 在过渡流时 对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算 根据所得的 值再乘以校正系数 即可得到过渡流下的对流传热系数 1 1 3圆形直管内作过渡流 Nu 0 023Re0 8Prn 例 一套管换热器 套管为 89 3 5mm钢管 内管为 25 2 5mm钢管 环隙中为p 100kPa的饱和水蒸气冷凝 冷却水在内管中渡过 进口温度为15 出口为35 冷却水流速为0 4m s 试求管壁对水的对流传热系数 解 此题为水在圆形直管内流动定性温度t 15 35 2 25 查25 时水的物性数据 见附录 如下 Cp 4 179 103J kg 0 608W m 90 27 10 3N s m2 997kg m3 Re du 0 02 0 4 997 90 27 10 5 8836Re在2300 10000之间 为过渡流区 与流体流动有区别 Pr cp 4 179 103 90 27 10 5 60 8 10 2 6 2a可按式Nu 0 023Re0 8Prn进行计算 水被加热 n 0 4 校正系数f W m2 流体在弯管内流动时 由于受离心力的作用 增大了流体的湍动程度 使对流传热系数较直管内大 式中di 管径 mR 弯管轴的弯曲半径 m 1 4弯管内作强制对流 Nu 0 023Re0 8Prnf 采用上述各关联式计算 将管内径改为当量直径de即可 当量直径按下式计算 具体采用何种当量直径 根据所选用的关联式中的规定而定 或 1 1 5非圆形管内强制对流 流体在圆形直管内作强制滞流时 应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响 当Gr 25000 自然对流的影响比较小且可被忽略时 按下式计算 Nu 1 86Re1 3Pr1 3 di L 1 3 w 0 14 应用范围 Re100 特性尺寸 取管内径di定性温度 除 w取壁温外 均为流体进 出口温度的算术平均值 对于液体 加热时有 w 0 14 1 05 冷却时有 w 0 14 0 95 2圆形直管内作强制层流 当Gr 25000 自然对流的影响不能忽略时 而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异 对水平管 按下式计算 0 023Re0 8Prnf f 0 8 1 0 015Gr1 3 在错列管束外流过时Nu 0 33Re0 6Pr0 33在直列管束外流过时Nu 0 26Re0 6Pr0 33 应用范围 Re 3000定性温度 流体进 出口温度的平均值 定性尺寸 管外径 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速 管排数为10 若不为10时 计算结果应校正 3 1流体在管束外强制垂直流动 3流体在管外强制对流 上式修正系数 84 3 2流体在换热器的管间流动 加折流挡板或填充物可有效提高流体的a 换热器内装有圆缺形挡板 缺口面积为25 的壳体内截面积 时 壳方流体的对流传热系数的关联式为 1 多诺呼法Nu 0 23Re0 6Pr1 3 w 0 14 应用范围 Re 2 3 104特性尺寸 取管外径 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速 定性温度 除 w取壁温外 均为流体进 出口温度的算术平均值 2 凯恩法Nu 0 36Re0 55Pr1 3 w 0 14 注 若换热器的管间无挡板 管外流体沿管束平行流动 则仍用管内强制对流的公式计算 只须将公式中的管内径改为管间的当量直径 应用范围 Re 2 103 1 105特性尺寸 取当量直径 管子排列不同 计算公式也不同 定性温度 除 w取壁温外 均为流体进 出口温度的算术平均值 Nu c GrPr n 定性温度 取膜的平均温度 即壁面温度和流体平均温度的算术平均值 式中的c n值见表 4自然对流 蒸汽冷凝液体沸腾 五 流体有相变时的对流传热系数 膜状冷凝滴状冷凝 蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式 1 蒸汽冷凝 膜状冷凝 由于冷凝液能润湿壁面 因而能形成一层完整的膜 在整个冷凝过程中 蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行 即蒸汽冷凝时放出潜热 必须通过液膜后才能传给冷壁面 冷凝液膜是其主要热阻 若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动 所形成的液膜越往下越厚 所以壁面越高或水平放置的管径越大 使整个壁面对流传热系数越小 潜热 指物质在等温等压情况下 从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量 固 液之间的潜热称为熔解热 或凝固热 液 气之间的称为汽化热 或凝结热 而固 气之间的称为升华热 或凝华热 标准大气压下 100 水蒸汽凝结成100 液态水释放的热量为2258 4KJ Kg 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 此中冷凝称为滴状冷凝 滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝时大几倍到几十倍 在实际生产过程中 两种冷凝通常同时存在 但多为膜状冷凝过程 蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差 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 在垂直管或垂直板上作膜状冷凝 式中l 垂直板或管的高度 冷凝液的密度 导热系数 粘度 膜温查询 r 饱和蒸汽的冷凝潜热 用蒸汽饱和温度ts查询 t 蒸汽的饱和温度和壁面温度之差d 管子外径 1 膜状冷凝时对流传热系数 冷凝液膜流动为层流 Re 1800 时 冷凝液膜流动为湍流 Re 1800 时 膜温 Re为板或管最低处的值 水平管壁上作膜状冷凝 式中 冷凝液的密度 导热系数 粘度 膜温 r 饱和蒸汽的冷凝潜热 蒸汽饱和温度 t 蒸汽的饱和温度和壁面温度之差d0 管子外径n 管束在垂直面上的列数 单管 管束 2 影响冷凝传热的因素 蒸汽的流向和流速 蒸汽和液膜同向流动 液膜厚度 若逆向流动 液膜厚度 蒸汽的流速较大 液膜吹跑 冷凝液膜两侧的温度差 t 当液膜呈层流流动时 若 t加大 则蒸气冷凝速率增加 因而液膜层厚度增厚 蒸汽中不凝气体含量的影响 若蒸汽中含有不凝气体 壁面为气体 导热系数很小 所覆盖 增加了一层附加热阻 使 急剧下降 可达60 冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多 液膜增厚使传热系数下降 如对于翅片管和螺旋管 传热面积S 冷凝管的方位 对于水平管 若冷凝液从上部各排管子流下 使下部排管液膜变厚 沿垂直方向排管数目 管束改为错列 或加除液挡板 对于垂直管 尺寸 管外开槽 流体的物性 汽化热r 密度 2 1液体沸腾的基本概念液体的沸腾 当液体被加热时 液相内部产生气泡或气膜的过程 该过程既有导热过程又有对流传热过程 包括大容积沸腾 管内沸腾 2 液体沸腾 大容积沸腾 将加热壁面浸没在液体中 液体在壁面受热沸腾 池式沸腾 大容积沸腾时 液体中一方面存在着由温差引起的自然对流 另一方面又因气泡运动所导致的液体运动 管内沸腾 液体在管内流动时受热沸腾 管内沸腾时 管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动 管内造成了复杂的两相流动 这种沸腾的机理更为复杂 99 产生沸腾现象的必要条件 粗糙不平的地方 大容积沸腾 100 核状沸腾在工业上具有重要意义优点 大 tW小 5 25 100 2 液体沸腾曲线 大容积沸腾 2 2液体沸腾曲线大容积饱和液体沸腾的情况随温度差 t 壁温与液体饱和温度之差 而变 出现不同的沸腾状态 1 AB段 表面汽化 温度差 t较小时 在加热表面的液体内产生自然对流 仅在液体表面发生蒸发 没有气泡逸出 沸腾传热系数 和热通量q都较低 2 2液体沸腾曲线2 BC段 核状沸腾 当 t升高时 加热表面的局部位置产生气泡 气泡产生的速度随 t上升而增加 由于气泡的生成 脱离和上升 使液体剧烈扰动 因此 和q急剧增大 核态沸腾 3 CD段 不稳定膜状沸腾或部分核状沸腾 当 t增大到某一定数值时 加热面上产生的汽泡大大增多 此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率 这样汽泡在脱离表面前连接起来 开始形成一层不稳定的汽膜 随时可能破裂变为大汽泡离开加热面 随着 t的增大 汽泡趋于稳定 因气体的导热系数远小于液体的 所以传热系数反而下降 过渡沸腾 4 DE段 当达到D点时 传热面几乎全部为气膜所覆盖 形成稳定的气膜 随 t增大 不变 q又上升 因为壁温升高 辐射传热的影响增大 一般将CDE段称为膜状沸腾 临界点 tc和qc 从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点 临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷qc和临界温度 tc 由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大 因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾 3 影响沸腾传热的因素 温度差 t t是控制沸腾给热过程的重要参数 控制 t不大于 tc 使操作处于泡状沸腾 在 t tc时 t 操作压强 提高沸腾压强相当于提高液体的ts 使液体的表面张力 和粘度 均下降 有利于汽泡的生成和脱离 能强化沸腾传热 在相同的 t下 和q都提高 液体性质的影响液体的 和表面张力 汽化潜热r等均对沸腾传热有重要影响 一般认为 导热能力 或 自然对流 或 气泡易于脱离 加热表面加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响 表面粗糙度 气泡核心数 表面油污 4 沸腾传热系数的计算 由于沸腾传热过程复杂 计算式均为经验式 如 莫斯金斯基经验式 R为对比压强 p为操作压强 pc为临界压强 流体处于临界温度时的饱和蒸气压 对流传热计算公式有两种类型 准数关系式和纯经验公式 在应用这些方程时应注意以下几点 1 首先分析所处理的问题是属于哪一类 如 是强制对流或是自然对流 是否有相变等 2 选定相应的对流传热系数计算式 特别应注意的是所选用的公式的使用条件 3 当流体的流动类型不能确定时 采用试差法进行计算 再进行验证 4 计算公式中的各物性数据的单位 对流传热系数小结 5 冷凝传热和沸腾传热机理 影响因素 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 热辐射波长 0 4 20um 特点 能量形式的转换不需要任何介质 第四节辐射传热 3 吸收率A 反射率R和透过率D Absorption ReflectionandDiaphaneity 4 黑体 白体和透体 黑体A 1 镜体R 1 透热体D 1 单原子和对称双原子气体 黑体和镜体都是理想物体 实际上并不存在 一般固体和液体是不透热体 即D 0 气体不存在反射 即R 0 根据能量守恒定律 辐射能的吸收 反射和透射示意图 5 灰体 灰体 能吸收从0 长的所有波长范围的辐射能且吸收率相等的物体称灰体 灰体有以下特点 1 灰体的吸收率与投射辐射的波长无关 2 灰体是不透热体 即A R 1大多数工业上遇到的物体和常见的固体材料均可视为灰体 111 普朗克定律 二 物体的辐射能力 物体的辐射能力是指物体在一定温度下 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 0 黑体辐射常数 5 669 10 8W m2 K4 1 黑体 斯蒂芬 波尔茨曼定律 四次方定律表明 热辐射对温度特别敏感 热力学温度 C0 黑体辐射系数 5 669W m2 K4 黑度 又称发射率 通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度 即 意义 1 实际物体在一定温度下的辐射能力恒小于黑体在相同温度下的的辐射能力 黑度表明物体的辐射能力与黑体的接近程度 性质 黑度与物体的性质 表面温度 表面状况有关 是物质本身的特性 E Eb C0 T 100 4 克希霍夫 Kirchhoff 定律 设1 两块相距很近的平行板 一块板上的辐射能可以全部投射到另一板上 2 若板1为实际物体 灰体 其辐射能力 吸收率和表面温度分别为E1 A1 T1 3 板2为黑体 其辐射能力 吸收率和表面温度分别为E2 Eb A2 T24 T1 T2 两块板间为透热体 系统与外界绝热 以单位时间 单位面积为基准 由于板2为黑体 板1发射出的E1能被板2全部吸收 由板2发射出的Eb被板1吸收了A1Eb 余下的 1 A1 Eb被反射至板2 并被其全部吸收 对板1来说 q E1 A1Eb q为两板间辐射传热的热通量 W m2 E1 Eb AEb 1 A Eb 该定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系 克希霍夫定律表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力 即物体的吸收率愈大 其辐射能力也愈强 也就是说 善于吸收的物体必善于辐射 当两板达到热平衡 即T1 T2时 q 0 所以 E1 A1Eb 在相同温度下 物体的吸收率和黑度在数值上是相同的 116 图4 36平行灰体间的辐射过程 三 两固体间的辐射传热 117 两无限大平行面的辐射 118 总辐射系数 角系数 辐射面积 净的辐射传热速率 角系数 总能能量被拦截的分数 120 S j和C1 2的计算方法 121 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 换热器的分类 按用途分 加热器 冷却器 冷凝器 再沸器 蒸发器等 按传热方式分 间壁式 混合式 按换热器结构和传热面形式 对间壁式换热器 分类 主要包括 管式和板式两类 管式包括蛇管式 套管式 列管式 翅片管式等 板式包括螺旋板式 夹套式等 第五节换热器 换热器 实现冷 热介质热量交换的设备 123 1 结构 壳体 管束 管板 又称花板 封头 端盖 等 一 管壳式换热器 125 126 127 2 名词解释 1 管程冷 热流体两种流体在管壳式换热器内进行换热时 一种流体通过管内 其行程称为管程 2 壳程另一种流体在管外流动 其行程称为壳程 双管程单壳程 单管程单壳程 四管程双壳程 130 在两端封头内设置隔板 可实现多管程 通过提高管程流体的流速 增大对流传热系数 但能量损失增加 管程数以2 3 4 6程多见 在管外壳体内装有壳程隔板可实现多壳程 通过提高壳程流体的流速 增大湍流程度 以保持较高的传热系数 壳程数以2 3程多见 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形 管子扭弯或松脱 常采用热补偿的方法 主要有以下几种 U形管补偿 每根管子弯成U形 两端固定在同一管板上 每根管子可以自由伸缩 与其他管子和外壳无关 相当于双管程 133 134 浮头补偿 换热器两端管板之一不固定在外壳上 此端称为浮头 当管子受热或受冷时 连同浮头一起自由伸缩 而与外壳的膨胀无关 136 优点 容易制造 生产成本低 适应性强 尤其适于高压流体 维修清洗方便 缺点 结合面较多 易泄漏 对应常见的列管式换热器有 U形管换热器 浮头式换热器 固定管板式换热器 补偿圈补偿 在外壳上焊上一个补偿圈 当外壳和管子热胀冷缩时 补偿圈发生弹性形变 达到补偿的目的 138 二 板式换热器 是以板壁为换热壁的换热器 常见的有片式 螺旋板式等 1 片式换热器板片被压制成槽形或波纹形 目的是 增强刚度 不致受压变形 增强液体的湍动程度 增大传热面积 也利于流体的均匀分布 片式热交换器及板片 141 142 片式热交换器 144 145 146 147 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积 或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 现在已有超高温板式换热器 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 2 螺旋板式换热器 由两张平行的薄钢卷制而成 两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度 优点 结构紧凑 单位体积提供的传热面积大 总传热系数较大 传热效率高 不易堵塞 缺点 操作压力和温度不能太高 流体阻力大 不易检修 螺旋板式换热器 152 153 三 夹套式换热器 1 结构夹套装在容器外部 在夹套和器壁间形成密闭的空间 成为一种流体的通道 如夹层锅 夹层缸等 夹层蒸气锅 155 夹层缸 冷热缸 2 使用注意事项 1 当用蒸汽进行加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管中排出 2 用于冷却时 则冷却水由下部进入 由上部流出 3 由于夹套内部清洗困难 故一般用不易产生垢层的水蒸汽 冷却水等作为载热介质 结构简单 造价低 可当作盛装容器 但传热面积小 总传热系数不高 适于传热量不大的场合 为提高传热性能 可在容器内安装搅拌器 使器内液体作强制对流 3 特点 1 结构蛇管多以金属管子弯绕而成 制成适应容器需要的形状 沉浸在容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 五 螺旋盘管式换热器 160 优点 结构简单 便于制造 便于防腐 且能承受高压 缺点 管外液体的对流传热系数较小 从而总传热系数亦小 如增设搅拌装置 则可提高传热效果 2 特点 1 结构 两种直径不同的标准管组成同心套管 内管可用U形管连接 而外管之间也由管子连接 六 套管式换热器 163 164 注意 选择适当管径和较高流速 使内管与环隙间的流体呈湍流且逆流状态 以增大总传热系数 减少垢层形成 单位传热面的金属消耗量很大 占地较大 一般适用于流量不大 所需传热面不大及高压的场合 特点 传热系数大 结构简单 能耐高压 制造方便 应用灵便 传热面易于增减 七 其它 板翅式换热器 翅片式换热器 167 板翅式换热器 168 板翅式换热器 169 板翅式换热器 170 翅片式换热器 171 翅片式换热器 刮板式换热器 173 流体流径的选择流体流速的选择冷却介质 或加热介质 终温的选择管子的规格和管间距管程和壳程数的确定折流档板的选用外壳直径的确定换热器的流动阻力 压降 三 列管式换热器的设计和选用 流体流径的选择 不洁净和易结垢的流体宜走管程 清洗比较方便腐蚀性的流体宜走管程 以免管子和壳体同时被腐蚀 且管程便于检修与更换压力高的流体宜走管程 以免壳体受压 可节省壳体金属消耗量被冷却的流体宜走壳程 可利用壳体对外的散热作用 增强冷却效果 饱和蒸汽宜走壳程 便于及时排除冷凝液 且蒸汽较洁净 一般不需清洗 流体流径的选择 有毒易污染的流体宜走管程 减少泄漏量流量小或粘度大的流体宜走壳程 流体在有折流挡板的壳程中流动 由于流速和流向的不断改变 在低Re Re 100 下即可达到湍流 以提高传热系数 若两流体温差较大 宜使对流传热系数大的流体走壳程 壁面温度与 大的流体接近 以减小管壁与壳壁的温差 减小温差应力 流体流速的选择 冷却介质 或加热介质 终温的选择 用冷却水冷却某种热流体 水的进口温度可根据当地气候条件作出估计 而出口温度需经过经济权衡确定 为了节约用水 可使水的出口温度高些 但所需传热面积加大 为减小传热面积 则可增加水量 降低出口温度 一般来说 设计时冷却水的温度差可取5 10 缺水地区可选用较大温差 水源丰富地区可选用较小的温差 若用加热介质加热冷流体 可按同样的原则选择加热介质的出口温度 管子的规格 管径规格 25 2 5mm及19 2mm两种洁净的流体 可选择小管径 对于易结垢或不洁净的流体 可选择大管径 管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则 我国生产的标准钢管长度为6m 故系列标准中管长有1 5 2 3和6m四种 此外管长L和壳径D的比例应适当 一般L D为4 6 管间距 t 1 25 1 5do 管程和壳程数的确定 标准中管程数有1 2 4 6四种 采用多程时 通常应使每程的管子数相等 壳程数的确定当温度差校正系数 t 0 8时 应采用壳方多程 由于壳程隔板在制造 安装和检修方面都很困难 故一般不宜采用 常用的方法是将几个换热器串联使用 以代替壳方多程 折流档板的选用 折流挡板有弓形 圆盘形 分流形等形式 其中以弓形挡板应用最多 通常切去的弓形高度为外壳内径的10 40 常用的为20 和25 两种 挡板应按等间距布置 挡板最小间距应不小于壳体内径的1 5 且不小于50mm 最大间距不应大于壳体内径 系列标准中采用的板间距为 固定管板式有150 300和600mm三种 浮头式有150 200 300 480和600mm五种 外壳直径的确定 初步设计中 可参考壳体系列标准或通过估算初选外壳直径 待全部设计完成后 再用作图法画出管子的排列图 初步设计可用下式估算外壳直径 D t nc 1 2b D 壳体直径 m t 管中心距 m nc 位于管束中心线上的管数 b 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 一般取1 1 5do m nc的计算 正三角形排列 正方形排列 计算出壳内径后应圆整 壳体标准常用的有159 273 400 500 600 800 1000 1100 1200mm等 管程压降计算 p1 因直管摩擦阻力引起的压降 Pa p2 因回弯阻力引起的压降 Pa Ft 管程结垢校正系数 对 25 2 5mm的管子取1 4 对 19 2mm的管子取1 5 Ns 串联的壳程数 Np 管程数 摩擦系数 见课本P56 L 管长 m d 管内径 m 流体密度 kg m3 u 管内流速 m s 壳程流动阻力的计算 埃索计算公式 p1 流体横过管束的压降 Pa p2 流体通过折流挡板缺口的压降 Pa FS 壳程结垢校正系数 对于液体1 15 对气体或蒸汽1 0 NS 壳程数 F 管子排列方式对压降的校正系数 对正三角形排列0 5 对转角正方形排列0 4 对正方形排列0 3 fo 壳程流体的摩擦系数 当Reo 500时 fo 5 0Reo 0 228 其中Reo douo NB 折流挡板数 z 折流挡板间距 m uo 按壳程流通截面积Ao计算的流速 m s Ao z D ncdo 190 确定流体在换热器中的流动路径 根据传热任务计算传热负荷 确定流体在换热器进 出的温度 选定换热器的形式 计算定性温度 查取流体物性 计算换热器平均温差 根据温度校正系数不小于0 8的原则 确定壳程数 依据总传热系数的经验值 或按生产实际情况选定总传热系数K估值 由传热基本方程估算传热面积S估 参照系列标准选定换热器的基本尺寸 如管径 管长 管数及管子的排列等 若是选用 可在系列标准中选择适当的换热器型号 计算管程和壳程的压降 根据初选的设备规格 计算管 壳程流体的流速和压力降 检查计算结果是否合理或满足工艺要求 若压力降不符合要求 要调整流速 再确定管程数或折流挡板间距 或选择另一规格的设备 重新计算压力降直至满足要求为止 计算总传热系数 核算传热面积 计算管 壳程的给热系数 1和 2 确定污垢热阻Rs1和Rs2 计算总传热系数K计 并计算传热面积S计 比较S估和S计 若S估 S计 1 15 1 25 则初选的设备合适 否则需另设K估值 重复以上步骤 八 列管换热器的选用和设计的步骤 传热计算主要有两种类型 设计计算根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积 校核计算计算给定换热器的传热量 流体的温度或流量 第六节稳定传热的计算 一 传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为 载热体用量计算 传热面积计算 换热器的结构设计 提高换热器生产能力的途径 解决这些问题 主要依靠两个基本关系 热量衡算根据能量守恒的概念 若忽略操作过程中的热量损失 则Q热 Q冷 称为热量衡算式 由这个关系式可以算得载热体的用量 传热速率传热速率Q 热流量 指单位时间内通过传热面的热量称为传热速率 以Q表示 其单位W j s 热通量q 单位时间内通过单位传热面的热量 W m2 q Q S实践证明 传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差 tm及传热面积S成正比 即 Q KS tm 1 1 S n dL 1 2 式中 Q 传热速率 W S 传热面积 m2 tm 温度差 K 传热系数 它表明了传热设备性能的好坏 受换热器的结构性能 流体流动情况 流体的物牲等因素的影响 W m2 n 管数 d 管径 m L 管长 m 对间壁式换热器作能量恒算 在忽略热损失的情况下有 式中Q 换热器的热负荷 kJ h或wW 流体的质量流量 kg hH 单位质量流体的焓 kJ kg下标c h分别表示冷流体和热流体 下标1和2表示换热器的进口和出口 Q Wh Hh1 Hh2 Wc Hc2 Hc1 一 热量恒算 若热损失QL不能忽略 Q Wh Hh1 Hh2 Wc Hc2 Hc1 QL 若换热器中两流体无相变时 且认为流体的比热不随温度而变 则有 热量衡算式的具体变形 变形一 两流体无相变 情况二 冷凝液低于饱和温度离开换热器 Q Whr Wccpc t2 t1 变形二 热流体有相变 饱和蒸汽冷凝 情况一 冷凝液在饱和温度下离开换热器 式中Wh 饱和蒸汽 热流体 的冷凝速率 kg hr 饱和蒸汽的冷凝潜热 kJ kg 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 仿对流传热速率方程 为 上式称为总传热速率方程 二 总传热速率方程1总传热速率微分方程 199 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 热流体 冷流体 t T 二 总传热速率方程1总传热速率微分方程 200 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 式中Ki Ko Km 基于管内表面积 外表面积 内外表面平均面积的总传热系数 w m2 Si So Sm 换热器内表面积 外表面积 内外表面平均面积 m2 201 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 总传热系数K是表示换热设备性能好坏的重要参数 也是传热计算中重要的依据 K f 流体的物性 操作条件 换热器的类型等 K的来源 1 生产实际的经验数据 查手册 2 实验测定 3 分析计算 2总传热系数 203 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 1 总传热系数的计算 热流体 冷流体 tw t Tw T 204 对稳态传热过程 各串联环节的传热速率必然相等 即 或 移项后相加 得 热流体 冷流体 tw t Tw T 205 比较 206 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