第4章传热过程报告.ppt

第4章传热过程及换热器,4.1化工生产中的传热过程及常见换热器,4.2传导传热,4.3对流传热,4.4间壁式热交换的计算,4.5换热器的选择及传热过程的强化,4.1化工生产中的传热过程及常见换热器,4.1.1化工生产中的传热过程,化学反应过程中热量的供给与移出；单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温。,系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。,传热过程的应用,加热原料：如原油加热到270左右进入常压炉；冷却产品：如汽、煤、柴油等产品的冷却；余热回收：如烟道气的余热回收，废热锅炉的应用等；设备保温：,抑制传热,强化传热,工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。,直接接触式在某些传热过程中，热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦简单。,间壁式在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合。往往是冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热。,蓄热式使热流体流过换热器，将器内固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，如此周而复始。,三种传热方式应用举例,化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。,传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。工业生产中的连续换热操作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时多属于后者。定态传热时，传热速率不随时间而变化。,4.1.2热量传递的基本方式,传导：热传导、导热,由于分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递过程称为导热，也称为热传导。,机理：分子热运动,固体：相邻分子的碰撞液体：气体：分子不规则的热运动,热传导演示实验,特点：,发生在物体内部或相互接触的物体之间；物体中粒子不发生宏观的相对位移。,对流：对流传热、热对流,机理：,流体质点发生相对的位移和混合，将热量由一处传递到另一处,特点：,分类：,自然对流：流体内部各处冷、热流体的密度差异所致强制对流：借助外加机械能,仅发生在流体中，有相对的宏观位移,辐射：热辐射,机理：,高温物体因热的原因而产生的电磁波在空间传递而被低温物体所吸收并转化为热能的过程。,特点：,任何物体，只要T0K，均存在辐射传热；不需要任何中介；传热过程中伴随能量形式的转换。,三种传热方式的比较：,传导,对流,辐射,注：三种传热方式往往共存,4.1.3间壁式换热器,间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热量通过固体壁面的热传导；壁面的另一侧将热量传给冷流体。,管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。,换热器的外形,换热器的外形和管束如下图所示.,换热器的管束,图41套管式换热器,把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。,管程，管程流体壳程，壳程流体,列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的，故平均管壁总面积即为它的传热面积。换热器传热的快慢用热流量来表示。热流量是指单位时间通过传热面的流量，其单位为W或kW.换热器性能的优劣一般用面积热流量q来评价。面积热流量亦称热流密度，指单位传热面积的热流量，单位为W.m-2.,4.2传导传热,1.热传导基本方程傅里叶定律,当均匀物体两侧有温度差(t1-t2)时，热量以传导的方式,由高温向低温传递。单位时间物体的导热量dQ/d(:热流量)与导热面积A和温度梯度dt/d呈正比：,(4-1),定态传热时：,=,dtd温度梯度，Km-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度；A导热面积，m2；比例系数，热导率，也称为导热系数，Wm-1K-1。,热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。,(4-2),通常：金属非金属固体及液体气体导热系数,(4-2),固体的导热系数：,纯金属：T，纯度合金纯金属：普通碳钢：=45W/(mK)不锈钢：=16W/(mK)非金属：T，,液体的导热系数：,10-1W/(mK)；金属液体非金属液体，后者中以水的为最大；纯液体溶液；T（水和甘油除外：T）；,气体的导热系数：,10-2W/(mK)；常压下：T；一般情况下，气体导热系数与压强无关；气体不利于导热，利于保温，当0.2W/(mK)时，可用作隔热材料，如保温棉、玻璃棉等；,2间壁式换热器壁面的热传导,特点：沿传热方向导热面积A不发生变化。,如图4-5所示的单层平面壁，在定态传热条件下，其热流量不随时间发生变化，传热面的温度沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。,（1）平面壁的定态热传导,依据：过程速率=过程推动力/过程阻力，单层平面壁的热流量也可写为：,=t/R,=,=,式中/A称为热阻，记作R,单位：KW-1,圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。,（2）圆筒壁的定态热传导,按傅里叶定律分离变量，并积分：,(4-3),(4-4),=,如图所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由傅里叶定律得：,分离变量并积分：,整理得：,(4-5),又可改写为：,式中,为圆筒壁厚，,为半径的对数平均值；,为面积的对数平均值。,当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即r2/r12可以用算术平均值代替对数平均值计算圆筒壁的rm和Am。,(4-6),比较式(4-4)、(4-5)、(4-6)可知，圆筒壁面的热阻为：,如图所示为三层不同材料组成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：,（3）多层壁面的定态热传导,第一层,(a),第二层,第三层,(b),(c),因A1=A2=A3=A,定态热传导时,上三式加和后得,(4-7),过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和。由过程分析还可得到：,多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。,由式(4-5)和(4-6),按同样方法可推得多层圆筒壁的热流量式为：,对多层壁面的定态热传导，无论多层平面壁还是多层圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。对多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的面积热流量不相同。,或,(4-8),各层交界面上的温度求取：,或,或,对多层平壁因各层的传热面积相等，A1,A2,A3可消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度各层面积：,例41硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖,，保温砖,石棉板,钢壳,t1,t5,t3,t2,t4,23cm,23cm,5cm,10cm,2,1,3,4,900C,80C,解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：,求耐火砖与保温砖的交界面温度t2,=806.8,求保温砖与石棉板的交界面温度t3,=317.5,保温砖与石棉板的交界面温度t3,=317.5,石棉板与钢壳的交界面温度t4,=81.1,计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。,例4-2A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板(),粘附内壁的污垢层厚lmm(,釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸汽(t1105)进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变)作比较。,解：,=7579Wm-2,无污垢层时：,=48000Wm-2,计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。,例4-3某工厂用规格为57mm3.5mm的无缝钢管(=45W.m-1K-1)输送水蒸汽，水蒸汽管外包有绝热层。第一层是50mm厚的玻璃棉毡(=0.046W.m-1K-1)，第二层是20mm厚的石棉板(=0.046W.m-1K-1)，已知管内壁面温度为120，石棉板外表面温度为30，试求每平方米水蒸汽管长的热损失率。若两种绝热材料的用量及密度不变，将石棉板作内层，玻璃棉作外层，该水蒸汽管的热损失如何？试对两种情况作比较。,解：由题意知，该题是多层圆筒壁面热传导的计算，已知：r1=0.025m,r2=0.0285m,r3=0.0785m,r4=0.0985m,1=45W.m-1.K-1,2=0.046W.m-1.K-1,3=0.046W.m-1.K-1,t1=120，t2=30,热传导基本方程傅里叶定律,平面壁的定态热传导,圆筒壁的定态热传导,=t/Rm,多层壁面的定态热传导,多层圆筒壁面的定态热传导,4.3对流传热,对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，因此，对流传热只发生在流体中。,工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。,由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，层内流体平行移动，垂直于流动方向的热量以热传导方式进行。由于流体的热导率很小，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。,工程上将湍流主体和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为t的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.,式中流体的热导率，,t传热边界层厚度，m；,t对流传热温度差，,或,实际上对流传热过程中传热边界层厚度难以确定，以1/h代替t/：,该式称为牛顿（Newton）冷却定律或给热方程，h为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为,将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程,(4-11),(4-12),2.对流传热系数的影响因素及其求取,影响h的因素很多，主要有以下几个方面：,影响h的主要因素可用下式表示：,流体的种类和性质液体、气体、蒸气，其密度、比热容、粘度等不同，其表面传热系数也不同。,流体的流动形态滞流、过渡流或湍流时h各不相同。流速u增加，t减小即热阻降低，则h增大。,传热壁面的形状、排列方式和尺寸,流体的对流状态强制对流较自然对流时h为大。,(4-13),工程上采用量纲分析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲为一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。,（1）流体无相变过程表面传热系数的求取,描述对流传热过程的特征数关系为：,各特征数的含义如下表4-1所示。,(4-14),式中，l为定性长度，对圆管为直径d。为流体体积膨胀系数，单位为1/K。,体积膨胀系数表,水银110-4煤油9.010-4酒精1.110-3汽油1.2410-3氢气3.6610-.8210-4纯水2.083氧气3.6710-3氨气3.8010-3空气3.67610-3二氧化碳3.74110-3一切气体1/273,当物体温度改变1摄氏度时，其体积的变化和它在0时体积之比，叫做“体积膨胀系数”。,（1）强制对流可用下列准数关系式描述：,（2）自然对流可用下列准数关系式描述：,当流体被加热时，m0.4；当流体被冷却时，m0.3。,长径比Ld50，适用于低粘度流体,且过程中无相变化。,适用范围：,化工生产中液体在间壁式换热器圆形管内进行对流换热时，h的关联式为,(4-15),(4-16),化工生产中有求取各种情况下h的特征数关联式，供选择使用。但要注意各特征数关联式的适用范围，还要注意定性温度和定性尺寸的选取。定性温度是确定特征数中流体物性参数的温度。特性尺寸指换热器中对传热过程，起主要影响的几何结构尺寸，它决定了特征数中用d或用L，d和L分别代表哪一个尺寸。,例4-4在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从20加热到80,管束为38mm3mm,蒸汽走壳程,空气走管程,其流速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数.,解:空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50,查50下空气的物性数据,Cp=1017Jkg-1K-1,=1.9610-5Pas,=1093kgm-3,=2.8310-2Wm-1K-1,d=0.032m,u=14ms-1,得,计算结果表明:空气在管内流动Re10000,160Pr0.6,必然符合下式的条件,液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化。,（2）流体有相变过程的表面传热系数,化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸汽的冷凝。,液体的沸腾,当温差较小时(t2,并流传热时,对数平均值,算术平均值,，只能采用对数平均值。,误差较大为,说明,逆流传热,t1=T1-t2=160,t2=T2-t1=100,t1/t2=1.6L.通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积等。,（1）热负荷,热负荷的计算根据工艺特点有两种情况：流体在传热中只有相变的场合,式中qm流体的质量流量，kgs-1；L流体的相变热kJkg-1,流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合,式中：cp流体的定压比热容，kJkg-1K-1；t1,t2流体传热前后的温度，K；,(4-25),(4-26),若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热容不随温度变化或可取平均温度下的比定压热容时：,式中L换热器的热负荷，kJs-1；,分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1；,分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，K。,（2）热量衡算,(4-27),换热器中冷、热流体进行热交换，若忽略热损失，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，称之为热量恒算式。热量恒算式和传热总方程是换热器计算的两个基本公式。,若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸汽的冷凝时：,(4-28),例49在列管换热器中，水以0.8ms-1的流速流过内径为25mm，长为5m的管束。若管内壁面平均温度为50，水的进口温度为20，试求水的出口温度。设管壁对水的平均表面传热系数为1850Wm-2K-1，热损失可以忽略。,d,qm,L,tw,t2,h=1850Wm-2K-1Cp,t1,d,解：设水的出口温度为t2，密度取=1000kgm-3，比定压热容取cp=4.187kJkg-1K-1,换热器的一根管子传热面积Ai和流通面积Si；分别为：,根据热量衡算和对流热流量方程有：,由,即上二式相等，代入已知数据求解可得：水的出口温度t230.9。,例4-10某精馏塔顶气体的全凝器采用的是列管式换热器，其管束是由直径较大、厚度为3mm的钢管（49Wm-1K-1）组成的，换热器中是用水（管程）以逆流方式将塔顶出来的有机物蒸气（壳程）全部冷凝下来。有机物蒸气是以丙酮为主要组分的混合物，温度为75，其被冷凝的表面传热系数可取h1=1300Wm-2K-1，有机物蒸气全部冷凝下来的热流量为422.2kw；冷却水的质量流量为41.5x103kg-1h-1，其进口温度t进=30，水的比定压热容取Cp=4.18kJkg-1K-1，水侧的表面传热系数h2=1000Wm-2K-1。试计算该全凝器需要多大的传热面积才能满足换热要求？,d,tw,水30,有机蒸汽,75,h1,=422.2kW,qm=41.5kg.h-1,h2,当,用算术平均值,解：求冷却水的出口温度t出根据热量平衡L=qm,hL=qm,ccp(t出-t进)即,求得t出39,求平均温度差tm若换热器取单程，逆流换热方式，则t1=75一3045t2=75一3936；,因为t1/t2=1.252，可用算术平均值：,求传热系数K因传热面为直径较大、管壁较薄的钢管，可按平面壁计，则,求传热面积A根据式(4一18)中=KAtm代入已知数据计算有A=19m2计算表明：在题设条件下，冷凝器需要有19m2的换热面积才能使精馏塔顶的蒸气全部冷凝下来。,4.5换热器的选择及传热过程的强化,1换热器的选择,冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；冷、热流体的物性参数；冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。,换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器类型和规格的过程。,换热器的选择首先要考虑以下事项。,（1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。,2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。,不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程；腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束；压力高的流体走管程，管子耐压性好；饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低Re（Re100）达到湍流；需冷却的流体一般选壳程，便于散热。,流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据；由传热任务计算热负荷；作出适当选择，并计算对数平均温度差；选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当型号的换热器；核算总传热系数，分别计算管程、壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，求出K值并与估算的K值比较；估算传热面积。,在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：,2传热过程的强化,传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小体积的换热器完成一定的传热任务。依据总传热方程强化传热过程的主要途径有三条。,（1）增大传热面积A,增大间壁式换热器传热面积A，可提高过程的传热速率。但增大A，设备投资费用增大。改进传热面结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热面积增大的效果。,当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获得较大的tm，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器实现tm的增大。,提高h和、降低都能使K值增大。提高K值的具体办法，可以从以下几个方面考虑。,（2）增大平均温度差tm,增大传热系数K是强化传热过程最有效的途径。,（3）增大传热系数K,提高、降低.a尽量选择较大的载热体；b换热器金属壁面一般值较大，热阻小；但污垢层热阻很大，应防止或减缓垢层形成并及时清除之。,增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高h值。,a提高流体流速、增加湍流程度、减小滞流底层厚度，可有效地提高无相变流体的h值。b改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍流程度。,尽量选择h大的流体给热状态