化工原理-第四章-传热ppt课件

1 第四章传热 2 要求 1 掌握热传导的基本原理 傅里叶定律 平壁与圆筒壁的稳定热传导计算 2 掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律 3 掌握运用传热速率方程式 热量衡算式 平均温度差 总传热系数进行传热计算 3 4 理解对流传热系数的影响因素 关联式及应用条件 5 了解间壁换热器的结构特点 应用及强化途径 重点 对数平均温度差 总传热系数的计算 换热器的计算 4 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 第一节概述 传热的推动力 温度差 传热的方向 高温向低温 5 一 传热过程的应用物料的加热与冷却热量与冷量的回收利用设备与管路的保温二 热传递的三种基本方式热传导热对流热辐射 6 1 热传导 又称导热 热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部分向低温部分传递 特点 物体各部分不发生相对位移 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 条件 系统两部分之间存在温度差 7 2 对流有温差的流体 或内部 作宏观移动和混合 将热量从高温物体传向低温物体的现象 称对流传热 特点 流体各部分间有相对位移 热对流仅发生在流体中 自然对流 温度 密度不同引起 强制对流 外力引起 8 说明 同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对流 化工过程中 流体流过固体表面时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程 称对流传热 对流传热与流体流动状况密切相关 9 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 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 10 二 间壁传热与速率方程1 间壁式换热器化工生产中冷热流体间的传热多为间壁对流传热 套管式换热器列管式换热器 冷流体 热流体 间壁 对流传导对流 11 2 传热速率热流密度传热速率Q 单位时间内通过传热面的热量W 热流密度q 单位时间单位面积传递的热量 W m2 3 稳态传热与非稳态传热物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热 反之则非稳态传热 稳态传热的传热速率为常数 工业生产上一般接近稳态传热 4 两流体通过间壁的传热过程对流 热传导 对流以对流方式为主 通常又称对流传热或给热 12 5 传热速率方程 经验表明 在稳态传热过程中 传热速率与传热面积A和两流体的温度差成正比 总传热系数 传热面积 推动力是传热过程三大要素 将热阻记为R 则Q tm R下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算 13 第二节热传导 一 傅立叶定律 1 温度场和温度梯度1 温度场某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和 14 2 等温面 温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面 等温面不能相交 3 温度梯度 两相邻等温面的温度差与两面间的垂直距离之比 即等温面上某点法线方向上的温度变化 15 温度梯度 稳态一维温度梯度 16 导热系数 w m oC Q 导热速率 w A 导热面积 m2 2 傅立叶定律通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比 即 17 二 导热系数 导热系数的物理意义 单位距离单位传热面积和单位传热温差时的传热速率 固体导热系数 固体 液体 气体 金属的导热系数最大 是热的良导体 温度 纯度 非金属导热系数较小 温度 纯度 对大多数固体 0 1 at 0 a t0 C时的导热系数温度系数 18 液体的导热系数 液态金属 与固态金属性质差不多 非金属液体 水的导热系数最大水和甘油 T 一般液体 T 纯液体 溶液 气体的导热系数 T P 变化小极高P 气体导热系数小 保温材料之所以保温一般是材料中空隙充有气体 19 三 平壁的稳态热传导 1 单层平壁的热传导 b 平均壁厚 m t 温度差 oC 20 设材质均匀 不随温度变化 温度也只沿传热方向变化 讨论稳定传热的情况 稳态的一维平壁热传导 x 0 t t1 x b t t2对上式积分可得 21 R 导热热阻 m2 oC w R 导热热阻 oC w 22 23 2 多层平壁的热传导 24 以三层平壁为例 25 多层平壁 多层平壁传热的推动力为总温度差 传热阻力由各层热阻之和 并且有 t1 t2 t3 t R1 R2 R3 Ri 例4 2P125 26 四 圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导 稳态 27 上式积分可得 28 面积的对数平均值 半径的对数平均值 注 当r2 r1 2时 可用算术平均值代替对数平均值 29 2 多层圆筒壁的热传导 稳态 30 以三层圆筒壁为例 31 对多层圆筒壁 例4 4P128 32 第三节对流传热 对流传热的分析 33 一 对流传热方程与对流传热系数热流体壁冷流体由于层流内层的存在 传热方式实际上是 对流 热传导 热传导 壁 热传导 对流湍流时 热阻主要集中在层流内层 34 对流传热的膜理论模型某一截面上 热流体一侧的推动力 热流体湍流层内最高温度 壁温 但实际上湍流层内温度相差不大 以平均温度代替 由于温度相差不大 热阻也不大 近似设传热热阻全部集中在层流内层这一膜内 改变层流内层的有效膜厚度就可以改变传热效果 传热速率肯定与推动力成正比 与传热面积成正比 但由于膜厚实际上难于测定 就把各种其它因素和膜厚的影响归纳为一个参数 某一侧的传热速率可写为该式也称牛顿冷却公式 对流传热系数 35 热流体在管内流动 冷流体在管间流动 则对流传热速率方程可表示为 Ai Ao 换热器管内侧和外侧表面积 m2 i o 内侧和外侧流体对流传热系数 w m2 oC 例4 5P129 36 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 37 二 影响对流传热系数的因素 1 流体的物理性质 Cp 2 流体对流起因强制对流自然对流升力 1 2 g 2g t强制对流速度大 大 3 流体流动状态4 流体相态变化5 传热面的形状 相对位置及尺寸 特征尺寸 38 对流传热过程的分类及准数关联 由于对流传热的多样性 有必要将问题分类加以研究 39 三 对流传热中的量纲分析对流传热系数一般难于用理论建立公式 通过量纲分析再加实验是确定它的关系的重要途径 流体无相变时 通常有下列物理量影响 u l Cp g t设可写为幂函数形式将各物理量量纲代入上式 用一些参数a f h表示其它参数得d 1 fc a f 2he a 2hb a 3h 1代入原函数得 40 努塞尔准数 待求准数 包括待求的给热系数 雷诺准数 反映对流强度对传热的影响 普兰特准数 反映流体物性的影响 格拉晓夫准数 反映自然对流的影响 借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式 Nu K Re a Pr b Gr c 41 在学习为数繁多的关联式时 应注意以下三个方面的问题 应用范围只能在实验的范围内应用 外推是不可靠的 定性温度取流体进 出口温度的算术平均值作为定性温度 高粘度流体用壁温作粘度定性温度 冷凝传热取凝液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度 特征尺寸传热面的几何因素有时是很复杂的 一般选取对传热起决定作用的几何因素作为特征尺寸 管内流动取管内径作为特征尺寸 管外的流动取管外径作为特征尺寸 等等 管内对流传热还与流体的入口效应有关 在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓 进口段 给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响 进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值 入口效应 42 式中n值与热流方向有关 当流体被加热时 n 0 4 当流体被冷却时 n 0 3 应用范围 Re 10000 0 7 Pr 120 定性温度 取流体进 出口温度的算术平均值 特征尺寸 取为管内径d1 一 流体在管内作强制对流 1 圆形直管强制湍流的给热系数 流体在圆形直管内作强制湍流时 对于低粘度流体 则有 四 流体无相变时对流传热系数的经验关联式 n取不同的数值 这是为了反映热流方向对给热系数的影响 43 液体被加热 1 05 液体被冷却 0 95 园形直管内高粘度液体无相变传热 给热系数 应用范围 Re 10000 0 7 Pr 16700 定性温度 w取壁温作定性温度 其余各物性取液体平均温度作定性温度 特征尺寸 取为管内径 44 几点讨论非圆管道特征尺寸应用当量直径de 例如内管外径为d1 外管内径为d2的同心套管环状通道 当量直径入口效应修正在管进口段 流动尚未充分发展 传热边界层较薄 给热系数较大 对于的换热管 应考虑进口段对给热系数的增加效应 故将所得 乘以修正系数 弯管修正流体流过弯曲管道或螺旋管时 会引起二次环流而强化传热 给热系数应乘以一个大于1的修正系数 d为管内径 R为弯曲半径 45 管内过渡区在Re 2300 10000的过渡区 作为粗略计算 可按湍流传热的公式计算 值 然后乘以修正系数f 管内强制滞流应用范围 Re 2300 Pr 0 6 定性温度 w取壁温 其余取进 出口温度的算术平均值 特征尺寸 管内径d1 46 换热器壳程都是横掠管束流动 换热管排列分为直列和错列两种 流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的 错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动 比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈 故错列比直列传热要快 但错列的流动阻力较大 清洗不如直列容易 影响管束传热的因素除Re Pr数外 还有管子排列方式 管间距和管排数 给热系数 应用范围 特征尺寸 管外径 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速 定性温度 流体进 出口温度的算术平均值 管外强制对流 流体在管束外横掠流动 47 48 各排的给热系数不同 应按下式求其平均值 49 自然对流传热系数 所谓大容积自然对流 如 无搅拌时釜内液体的加热 传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热 式中系数C n及应用范围见表4 4 P136 例4 9P136 50 五 流体有相变时的对流传热系数 1 蒸气冷凝1 蒸气冷凝方式 1 膜状冷凝传热面为冷凝液膜面 故膜状冷凝的热阻主要集中在冷凝液膜内 51 2 滴状冷凝传热面主要为固体壁面 故滴状冷凝传热系数比膜状冷凝大得多 几倍甚至几十倍 但工业上遇到的大多是膜状冷凝 52 53 2 膜状冷凝对流传热系数努塞尔特 Nusselt 理论公式及实验结果 54 3 影响冷凝传热的因素 1 冷凝液膜两侧的温度差液膜滞流时 温度差加大 冷凝传热系数降低 2 流体物性液膜的密度 粘度 导热系数 蒸汽的冷凝潜热 3 蒸气的流速和流向 4 蒸气中不凝性气体的含量 5 冷凝壁面 55 2 液体的沸腾工业上液体沸腾方式 大容积沸腾 管内沸腾 大容积沸腾 加热壁面浸没在液体中 液体在壁面受热沸腾 管内沸腾 液体在管内流动时受热沸腾 56 1 液体沸腾曲线 57 由图可知 1 t 50C时 和q较低 原因是液体内部产生自然对流 液体表面发生蒸发 2 t 5 250C 和q急剧增大 原因是壁面不断有气泡产生 脱离和上升 使液体受到剧烈的扰动 此段称泡核沸腾或泡状沸腾 3 t 250C 和q急剧下降 然后稳定 原因是气泡数急剧增加 在壁面形成一层气膜 此段称膜状沸腾 58 2 沸腾传热系数的计算3 影响沸腾传热的因素 1 液体的性质 液体的导热系数 密度 粘度和表面张力 2 温度差 3 操作压强 压强提高 增加 4 加热壁面 材料 粗糙度 59 六 选用 关联式的注意事项 1 针对具体问题选择适当关联式 2 注意公式应用范围 特性尺寸和定性温度的确定 3 正确使用物理量的单位 4 分析各变量对 的影响 5 通常 的使用范围如下表 60 表4 3 值的范围 61 第四节传热计算Calculationofheattransfer 一 热量衡算设热流体 冷流体进出口温度分别为T1 T2和t1 t2 热流体 冷流体的定压热容和质量流量分别为cp1 cp2和qm1 qm2 忽略热损失 两流体均无相变化 则Q qm1cp1 T1 T2 qm2cp2 t2 t1 62 若热流体为饱和蒸汽冷凝 冷流体无相变 则Q qm1r qm2cp2 t2 t1 蒸汽的汽化潜热 若换热器中热流体发生相变 且发生冷却 63 参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化 热流体放出热量温度沿程降低 冷流体获得热量温度流程升高 冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的 当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时 必须使用整个传热面积上的平均温差 平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关 流体的流动方式不同 平均传热温差不同 二 传热平均温度差 64 参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况 例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热 或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾 并流与逆流的对数平均温差相等 1 恒温传热时的平均温度差 65 参与换热的两种流体的温度都恒定不变 例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化 换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝 冷凝温度T恒定不变 间壁另一侧液体沸腾汽化 其沸腾温度保持在沸点t不变 则换热器的传热温差亦为定值 66 逆流 并流 2 变温传热 67 假定 在传热过程中 热损失忽略不计 两流体的比热为常数 不随温度而变 总传热系数K为常数 不沿传热表面变化 逆流或并流时的平均温差 68 并流 逆流 平均温差是换热器两端温差的对数平均值 称对数平均温差 并流逆流平均温差计算式相同 两端温差的计算方法不同 工程计算中 当 t1 t2 2时 可用算术平均温度差代替对数平均温度差 69 例 在套管换热器中用20 的冷却水将某溶液从100 冷却至60 溶液流量为1500kg h 溶液比热为3 5kJ kg 已测得水出口温度为40 试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差 若已知并流和逆流时总传热系数K 1000W m2 求并流操作和逆流操作所需的传热面积 70 解 逆流和并流的平均温差分别是 传热负荷为 逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是 71 采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量 以物料的加热为例 加热剂的用量 当T1 T2 t1和t2不变时 逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差 逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积 72 并流时T2恒大于t2 但逆流时T2有可能低于t2 逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少 一般都采用逆流操作 但是并流也有它的特点 例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度 或被冷却的流体不得低于某一温度 采用并流较易控制 73 3 错流和折流时的平均温差 两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流 而是比较复杂的多程流动 既有折流又有错流 错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直 一种流体作折流流动 另一种流体不折流 或仅沿一个方向流动 若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流 称为复杂折流 复杂折流 错流 简单折流 74 称为温差修正系数 表示为P和R两参数的函数 式中 错流或折流时的平均温差 通常是先按逆流求算 然后再根据流动型式加以修正 75 温差修正系数 1 即 tm tm 逆 换热器设计时 值不应小于0 8 否则不经济 增大 的一个方法就是改用多壳程 76 三 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 冷 热两流体的温度分别为T和t 给热系数分别为 2和 1 管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw 间壁两侧面积分别为A1和A2 流体通过间壁的热交换经过 对流 传导 对流 三个串联步骤 77 冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和 这和串联电路的欧姆定律是类似 78 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 2 总传热系数 79 根据列管换热器标准 传热面积以换热管外表面计算 式中为管壁的对数平均直径 当间壁为平壁 或管壁很薄或管径较大时 各面积相等或近似相等 80 若导热热阻很小 则 若 则 若 则 管内流体对流传热控制 管外流体对流传热控制 总传热系数总是更接近数值较小的给热系数 欲提高K值 关键是提高较小的给热系数 81 获取K的其他途径 查取K值在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值 但应选用工艺条件接近 传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据 表4 7列出了一些条件下经验K值的大致范围 供设计时参考 P152 实验测定通过实验测定现有换热器的流量和温度 由传热基本方程计算K值 82 列管换热器总传热系数K的经验数据 83 污垢热阻 换热器在运行一段时间后 流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层 有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层 垢层的生成对传热产生附加热阻 使总传热系数减小 传热速率显著下降 若污垢系数为 d 则垢层热阻为Rd 1 d 因为垢层导热系数很小 即使厚度不大 垢层热阻也很大 往往成为主要热阻 必须给予足够重视 84 由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计 工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值 如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rd1和Rd2 则总热阻 85 污垢热阻的大致数值 P149 86 例4 14P149 总传热系数总是更接近数值较小的给热系数 欲提高K值 关键是提高较小的给热系数 例4 16P152 87 四 壁温计算 传热计算或换热器设计中往往需要壁温数据 但壁温难测 且随位置而变 所以通常用下列近似计算方法估算 冷热流体温度和壁温都以平均温度表示时考虑污垢热阻时有 88 例4 17P153 管壁温度接近热阻小的那侧流体的温度 89 五 传热计算示例 例4 18P153 90 例1重油和原油在套管换热器内并流流动 两种油的初温分别为243 C和128 C 终温为167 C和157 C 若维持两种油的初温和流量不变 而将流体改为逆流 试求此时流体的平均温度差 假设在两种情况下 物性和总传热系数均不变 换热器的热损失不计 91 例2在逆流换热器中 用初温为20 C的水将1 25kg s的液体 Cp 1 9kJ kg C 850kg m3 由80 C冷却到30 C 换热器的列管直径为 25 2 5mm 水走管内 水侧和油侧的对流传热系数分别为0 85和1 70kw m2 C 忽略污垢热阻 若水的出口温度不高于50 C 计算传热面积 92 例3 在一传热面积为15 8m2的逆流套管换热器中 用油加热冷水 油的流量为2 85kg s 进口温度为1100C 水的流量为0 66785kg s 进口温度为350C 油和水的平均比热分别为1 9及4 18kJ kg 0C 换热器的总传热系数为320W m2 0C 试求水的出口温度及传热量 93 解法 解得t2 89 80C Q 160 3kw 94 第五节热辐射 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 理论上 热辐射的电磁波波长可以从零到无穷大 实际上 波长在0 4 20 m有实际意义 且大部分能量位于红外线区段 0 8 20 m 热辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动 进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量 接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能 一 基本概念 95 2辐射能的吸收 反射和透过 根据能量守恒定律 吸收率反射率透射率 96 灰体 凡能以相同的吸收率且部分地吸收由零到无穷大所有波长范围的辐射能的物体 灰体的特点 1 灰体的吸收率不随辐射线的波长而变 2 灰体是不透热体 1 能全部吸收辐射能 即吸收率 1的物体 称为黑体能全部反射辐射能 即反射率 1的物体 称为白体 能透过全部辐射能 即透过率 1的物体 称为透热体 一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热体 一般来说 固体和液体都是不透热体 即 0 1 气体则不同 其反射率 0 1 工业上 多数物体都可近似视为灰体 相差不大 97 二 物体的辐射能力 1 黑体的辐射能力黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比 Cb 5 669W m2 K 黑体的辐射系数 2 实际物体的辐射能力实际物体的辐射能力小于黑体的辐射能力 定义黑度 E Eb影响黑度的因素 物种 表面温度 表面状况 波长等 由实验测定 98 灰体 对各种波长具有相同吸收率的物体 大多数工程材料可看成灰体 灰体辐射能力同样用黑度表示 一些材料的黑度见表4 8 材料温度 C黑度红砖200 93耐火砖 0 8 0 9钢板 氧化的 200 6000 8钢板 磨光的 940 11000 53 0 61铝 磨光的 225 5750 039 0 057 99 三 克希霍夫定律 设 A 灰体B 黑体A发射辐射能全部被B吸收 B发射辐射能 部分被A吸收 部分被A反射 热平衡时 对灰体而言 100 说明 对任何物体 辐射能力和吸收率比值为常数 且等于同温度下 黑体的辐射能力 说明 同温度下 任一物体吸收率等于黑度 101 四 两固体间的相互辐射 在两极大的平行平板间进行的热辐射可用右图所示过程推导 但对于一般物体间的辐射则保留公式形式 只在前面加一系数 通过实验确定该系数值再应用于实际 102 角系数 总能量被壁面拦截分率 f 两壁面形状 大小 相对位置 距离等 103 104 第六节换热器Heatexchanger 一 按用途分类加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器 二 按冷 热流体的传热方式分类两流体直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器 105 一 间壁式换热器 热水 溶液 夹套式套管 106 一 夹套式换热器 为了提高传热效果 可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环 优点 结构简单 加工方便 缺点 传热面积A小 传热效率低 用途 广泛用于反应器的加热和冷却 结构 夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却 是在容器外壁安装夹套制成 107 二 沉浸式蛇管换热器 为了强化传热 容器内加搅拌 优点 结构简单 便于防腐 能承受高压 缺点 传热面积不大 蛇管外对流传热系数小 结构 这种换热器多以金属管子绕成 或制成各种与容器相适应的情况 并沉浸在容器内的液体中 108 三 喷淋式换热器 109 结构 多用于冷却管内的热流体 将蛇管成排地固定于钢架上 被冷却的流体在管内流动 冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下 故又称喷淋式冷却器 优点 传热推动力大 传热效果好 便于检修和清洗 缺点 喷淋不易均匀 安装在室外 用途 用于冷却或冷凝管内液体 110 四 套管式换热器 逆流 111 结构 将两种直径大小不同的直管装成同心套管 可用U形肘管把管段串联起来 每一段直管称作一程 优点 进行热交换时使一种流体在内管流过 另一种则在套管间的环隙中通过 流速高 表面传热系数大 逆流流动 平均温差最大 结构简单 能承受高压 应用方便 缺点 金属消耗量大 管间接头较多 易发生泄漏 单位长度具有的传热面积小 用途 广泛用于超高压生产过程 用于所需传热面积不多的场合 112 五 螺旋板式换热器 优点 结构紧凑 传热效率高 不易堵塞 结构紧凑A V大 成本较低 缺点 操作压力 温度不能太高 螺旋板难以维修 流体阻力较大 113 六 板式换热器 优点 传热效率高 总传热系数大 结构紧凑 操作灵活 安装检修方便 缺点 耐温 耐压性较差 易渗漏 处理量小 114 2 板式换热器 115 116 七 板翅式换热器 优点 结构高度紧凑 传热效率高 允许较高的操作压力 缺点 制造工艺复杂 检修清洗困难 117