化工基础第四章 传热

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/(m2K)。,（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/(mK)。,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10102W/(mK)建筑材料10-110W/(mK)绝热材料10-210-1W/(mK),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，,0.090.6W/(mK),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。,0.0060.4W/(mK),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=2rl(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252.5mm的钢管，钢的导热系数为45W/(mK)，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/(mK)和0.5W/(mK)，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252.5mm的钢管，钢的导热系数为45W/(mK)，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/(mK)和0.5W/(mK)，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/(mK),b1=225mm保温砖k2=0.15W/(mK),b2=115mm保温砖k3=0.8W/(mK),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/(m2K)；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：Re104,Pr=0.7160,L/d60,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,2300Re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：tSr，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,Re1800,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ttc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/t12，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/t1tm(并流),图3-19逆流和并流温度差的计算,Q=KStm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,1tm0.9,若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t50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,便于清洗和检修,结构复杂,3.U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,三、列管换热器的选用,1.根据工艺任务，计算热负荷,2.计算tm,3.依据经验选取K，估算A,4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热