化工基础第四章 传热ppt课件

第一节概述 第四章传热 一 传热过程的应用 1 物料的加热或冷却 2 热量与冷量的回收利用 3 设备与管路的保温 二 传热的基本方式 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 二 热对流 三 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 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 能量转移 能量形式的转化不需要任何物质作媒介 特点 流动介质中的传热 流体作宏观运动 三种类型换热器 1 直接混合式 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式 很多人看过电影 洗澡 吧 老式澡堂中水池的水 是将水蒸汽直接通人冷水中 使冷水加热 此即直接混合式 如图所示 北方许多工厂的澡堂 仍然采用这种办法 2 蓄热式 先将热流体的热量储存在热载体上 然后由热载体将热量传递给冷流体 此即蓄热式换热器 如图所示 炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热 3 间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体 化工中应用极为广泛 有夹套式热交换器 蛇形式热交换器 套管式热交换器 列管式热交换器 板式热交换器 如图所示 夹套式换热器 套管式换热器 1 内管2 外管 单程列管式换热器1 外壳2 管束3 4 接管5 封头6 管板7 挡板 双程列管式换热器1 壳体2 管束3 挡板4 隔板 三 两流体通过间壁换热过程 一 间壁式换热器 夹套式换热器 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 非稳态传热 三 稳态与非稳态传热 稳态传热 稳定传热 在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变 不随时间而变 特点 通过传热表面的传热速率为常量 热通量不一定为常数 不稳定传热 若传热体系中各点的温度 既随位置的变化 又随时间变化 特点 传热速率 热通量均为变量 通常连续生产多为稳定传热 间歇操作多为不稳定传热 化工过程中连续生产是主要的 因而我们主要讨论稳定传热 四 两流体通过间壁的传热过程 稳态传热 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 一 傅立叶定律 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 第二节热传导 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 三 傅立叶定律 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 二 热导率 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 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 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 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 三 平壁的稳态热传导 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 积分 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 各层的温差 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 四 圆筒壁的稳态热传导 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 在半径r处取dr同心薄层圆筒 积分 讨论 对数平均面积 热阻 令 对数平均半径 一般时 二 多层圆筒壁的热传导 三层 n层圆筒壁 例 一套管换热器的内管为 25 2 5mm的钢管 钢的导热系数为45W m K 该换热器在使用一段时间以后 在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0 5mm厚的污垢 垢层的导热系数分别为1 0W m K 和0 5W m K 已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160 和120 试求此换热器单位管长的传热量 解 换热器的热流密度 W m 代入数据得 例4 2 一套管换热器的内管为 25 2 5mm的钢管 钢的导热系数为45W m K 该换热器在使用一段时间以后 在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0 5mm厚的污垢 垢层的导热系数分别为1 0W m K 和0 5W m K 已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160 和120 试求此换热器单位管长的传热量 解 换热器的热流密度 W m 代入数据得 例4 3 工业炉的炉壁 由下列三层组成 耐火砖k1 1 4W m K b1 225mm保温砖k2 0 15W m K b2 115mm保温砖k3 0 8W m K b3 225mm今测得其内壁温度为930 外壁温度为55 求单位面积的热损失 解 由串联热阻的概念 W m2 一 对流传热过程 第三节对流传热 传热边界层 thermalboundarylayer 温度边界层 有温度梯度较大的区域 传热的热阻即主要几种在此层中 传热边界层 thermalboundarylayer 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 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 一 影响因素 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 二 对流传热系数的影响因素 1 流动状态 湍流 层流 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升力 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 三 对流传热的特征数关系式 变量数8个基本因次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 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 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 使用准数关联式时注意 1 应用范围2 特征尺寸3 定性温度 四 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 讨论 1 加热与冷却的差别 液体 气体 物性一定时 2 影响因素 公式修正 1 当L d2 水 工程处理 加热 冷却 3 弯管 4 非圆形管道 用当量直径计算 2 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 2300 Re 104 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 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 二 流体在管外强制对流传热 1 流体在管束外垂直流过 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 2 流体在换热器管间的流动 折流挡板形式 圆缺形 圆环形 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 正方形排列 正三角形排列 特征尺寸 1 当量直径de 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 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 1 蒸汽冷凝方式 五 流体有相变时的对流传热 滴 膜 1 膜状冷凝 2 滴状冷凝 冷凝过程的热阻 冷凝液膜 一 蒸汽冷凝时的对流传热 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 2 蒸汽在垂直管外 或垂直板上 冷凝 qm 冷凝液量 kg sM 冷凝负荷 kg s m 层流 Re 1800 Re 1800 湍流 影响冷凝传热的因素 蒸汽的流速和流向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当液膜呈滞流流动时 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 蒸汽中含1 空气 则 下降60 冷凝壁面的影响如对于翅片管和螺旋管 s 冷凝管的方位 对于水平管 对于垂直管 流体的物性 r 潜热 2液体沸腾时的对流传热系数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 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 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 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 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 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 2 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 使操作处于核状沸腾 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 2 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 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 第四节传热过程计算 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 传热平衡方程 以某换热器为衡算对象 列出稳定传热时的热量衡算方程 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 1 逆流与并流 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 而 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 例现用一列管式换热器加热原油 原油在管外流动 进口温度为100 出口温度为160 某反应物在管内流动 进口温度为250 出口温度为180 试分别计算并流与逆流时的平均温度差 解 并流 逆流 逆流操作时 因 t2 t1 2 则可用算术平均值 由上例可知 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 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下 采用逆流操作 可以节省传热面积 而且可以节省加热介质或冷却介质的用量 Why 在生产中的换热器多采用逆流操作 只是对热敏性物料加热时 物料的出口温度有限制时才采用并流操作 流体流动方向的选择 1 tm 逆流 tm 并流 图3 19逆流和并流温度差的计算 Q KS tm当Q K一定时 tm S 设备费下降2 逆流可以节约冷却水的用量 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 例 1在一双管程列管换热器中 壳方通入饱和水蒸气加热管内的空气 110 的饱和水蒸气冷凝成同温度的水 将空气由20 加热至80 试计算 1 换热器第一管程出口空气的温度 2 第一管程内的传热量占总传热量的百分数 解 1 对双管程传热 则 第一管程传热 2 第一管程内传热量 总传热量 例2 在一单程列管换热器中 用饱和蒸汽加热原料油 温度为160 的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水 原料油在管程湍流流动 并由20 加热到106 列管换热器的管长为4m 内有 19mm 2mm的列管25根 若换热器的热负荷为125kw 蒸汽冷凝传热系数为7000w m2 油侧垢层热阻为0 0005 m2 w 管壁热阻和蒸汽侧垢热阻可忽略 试求 1 管内油侧对流传热系数 2 油的流速增加一倍 保持饱和蒸汽温度及油入口温度不变 假设油的物性不变 求油的出口温度 3 油的流速增加一倍 保持油进 出口温度不变 求饱和蒸汽的温度 解 解得T 185 5 三 流向的选择 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 二 总传热系数 K 总传热系数 W m2 K 一 总传热系数计算 管内对流 管外对流 管壁热传导 稳态传热 1 平壁dA dA1 dA2 dAm 讨论 2 以外表面为基准 dA dA1 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 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 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 三 壁温的计算 稳态传热 1 大 b Am小 壁阻小 tW TW 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 例3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 981kN m2压力 绝压 的水沸腾 已知高温气体对流传热系数 1 250W m2 水沸腾的对流传热系数 2 10000W m2 忽略管壁的污垢热阻 试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw 解 a 总传热系数以管子内表面积S1为基准 c 计算单位面积传热量 d 管壁温度 Q S1 K1 tm 242 271 65580W m2 T 热流体的平均温度 取进 出口温度的平均值T 500 400 2 450 管内壁温度 b 平均温度差在p 981kN m2 水的饱和温度为179 管外壁温度 由此题计算结果可知 由于水沸腾对流传热系数很大 热阻很小 则壁温接近于水的温度 即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度 又因管壁热阻很小 所以管壁两的温度比较接近 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 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 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 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 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 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 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 四 列管换热器 管板 管束 封头 壳体 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 2 浮头式 特点 可完全消除热应力 便