化工原理第四章传热ppt课件

1,精选,第四章,传热,(heattransfer),任课教师：万惠萍,2,精选,第一节概述,1、物料的加热与冷却：,2、热量与冷量的回收利用：,3、设备与管道的保温：,一、传热过程的应用,使物料达到指定的温度,以节约能源，降低生产成本,以减少热量、冷量损失,3,精选,1、热传导（Conduction）（导热）,原因：微观粒子的热运动,二、热量传递的基本方式,特点：无宏观位移,是固体内部热量传递的主要形式,根据传热机理的不同，分为三种：,4,精选,2、对流传热（Convection）,原因：流体质点相对位移,特点：流体流动（自然、强制）,5,精选,3.辐射传热（Radiation）,原因：因热产生电磁波辐射,特点：不需要媒介，可在真空中传递；,有能量形式变化,6,精选,三、两流体通过间壁换热,1、间壁式换热器,2、两流体通过间壁的传热过程,（1）热流体以对流方式将热量传递到间壁的一侧壁面,（2）热量从间壁的一侧壁面以导热方式传递到另一侧壁面,（3）最后以对流方式将热量从壁面传给冷流体,7,精选,（J/m2s）或（W/m2）,四、传热过程,（1）热流量Q：,单位时间内通过整个换热器的传热面所传递的热量,(J/s)或W,（2）热流密度（或热通量）q：,单位时间、通过单位传热面传递的热量,二者之间的关系：,（一）传热速率,注意：对传热速率的要求是相对的，需要加热、冷却时，要强化传热；要求保温时，要降低传热速率。,可用两种方式表示：,8,精选,（二）稳态传热与非稳态传热,稳态过程：,传热过程中，参数T1、T2、t1、t2、qm1、qm2等不随时间变化，但可以是位置的函数。,非稳态过程：,传热过程中，各参数是时间的函数时，为非稳态过程。,连续生产中的传热过程多为稳态传热,开车、停车以及改变操作条件时，为非稳态传热,9,精选,一维稳定温度场内的等温面是平行或同心的圆筒面。,定态时：,（一）温度场和温度梯度,温度场：,物体内各点温度在时空中的分布。,一维稳定温度场：,等温面：,温度相同的点所组成的面。,等温面彼此不会相交。,第二节热传导,一、傅立叶定律,10,精选,温度梯度:,一维时：,梯度方向以温度增加方向为正，且垂直于等温面。,梯度方向正好与传热方向相反。,11,精选,（二）傅立叶定律,还可写成：,（4-2）,是热传导的基本定律,12,精选,式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反,傅立叶定律与牛顿粘性定律类似。,（此处的类似是指非同类过程之间的相似性）,即热量从高温传至低温,傅立叶定律指出：,热流密度正比于传热面的法向温度梯度。,13,精选,二、热导率,表征物质的导热能力，越大，导热性能越好。,影响因素：,物质种类、环境温度等,物质的物理性质之一,（1）固体导热系数,的数量级（W/m）：,金属：10102,建材：10-110,绝热材料：10-210-1,固体与温度的关系：,（W/m）,00时材料的导热系数a温度系数（金属为，非金属为+）,14,精选,（3）气体导热系数,金属合金非金属,（2）液体导热系数,水、氯化钙、甘油、乙二醇：T,其他液体：T,液态金属水其他液体,气体导热系数很小。T,总之：,固态金属固态非金属液体绝热材料气体,液体的较小，但比固体绝热材料大,15,精选,在非金属液体中，水的热导率最大,16,精选,三、平壁的稳态热传导,前提：,（4）材料密度均匀，导热系数为常数；,（2）平壁两侧温度均匀、恒定，且t1t2：,（3）壁内传热系定态一维热传导；,（1）平壁无限大，平壁长宽远大于厚度，边缘热量损失忽略。,傅立叶定律可写成：,=常数,（一）单层平壁的稳态热传导,17,精选,对傅立叶定律式积分：,（4-5）,18,精选,（4-5a）,整理得：,（4-5）式还可写成：,（4-6）,19,精选,(4-7),三层平壁如图，设层间接触良好,一维稳定导热必有：,Q1=Q2=Q3=Q,即：,（二）多层平壁的稳态热传导,依叠加原理：,20,精选,n层时：,此式说明：某层热阻大，需要的温差也大，即以较大的温差克服较大的阻力，才能达到与其他层传热速率相同。,21,精选,四、圆筒壁的稳态热传导,特点：传热面积、温度沿半径变化,设圆筒壁为无限长，目的也是按一维导热处理,（一)单层圆筒壁的稳态热传导,（1）材料密度均匀，导热系数为常数；（2）圆筒壁内外两侧温度均匀、恒定；（3）内部温度仅沿半径方向（垂直于壁面）变化；,q沿r方向各截面传热量不等；,总传热量Q沿r方向各处相等；,22,精选,依傅立叶定律：,即,（4-9）,23,精选,式(4-9)还可整理得：,（类似于平壁导热）,其中：,对数平均半径：,（4-11）,对数平均直径：,24,精选,当时，可用算术平均直径：,也可用对数平均面积：,圆筒壁热阻,由式,得,25,精选,仿多层平壁的处理方法，热阻代入圆筒的热阻。,（二）多层圆筒壁的稳态热传导,三层圆筒壁如图，设层间接触良好,一维稳定导热：,注意：q1q2q3,原因是：热射线是放射性形式，各层面积不等。,Q1=Q2=Q3=Q,26,精选,（4-12）,27,精选,1根据传热机理的不同，传热过程可分为、和三种方式。,2物质导热系数的顺序是：（）。A金属一般固体液体气体；B金属液体一般固体气体；C金属气体液体一般固体；D金属液体气体一般固体,A,3不需要任何介质的传热称为（）传热。A热传导；B对流；C辐射；D热流动。,C,练习题,4.稳定导热是指不随时间改变。,系统各点温度,热传导,对流传热,热辐射,28,精选,4、厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知各层厚度b1b2b3，热导率1,=,水的大于保温材料的，保温材料的，导致保温效果,5、一包有石棉瓦保温层的蒸汽管道，当石棉瓦受潮后，其保温效果应，主要原因是：。,6、外包绝热材料的金属蒸汽管道，当蒸汽压力增大时，绝热材料的热导率将变，而蒸汽管道的热导率将变，主要原因是。,大,小,温度升高,29,精选,主流区温度梯度很小，热阻小；近壁面处温度梯度大，热阻大。,第三节对流传热,工业上遇到的对流传热常指流体与固体壁面之间的热量交换，也称对流给热,热流体侧：,冷流体侧：,T,t,TW,tw,30,精选,对流传热的类型,流体无相变的给热：,强制对流给热,自然对流给热,流体有相变的给热：,蒸汽冷凝给热,液体沸腾给热,湍流时，热阻主要集中在层流内层。,31,精选,如图：a、b两点温差为t,则,a、b两点形成压差,自然对流,b,a,-体积膨胀系数,当t较小时,32,精选,环流速度：,上式说明，只要有温差就有环流。,为了在一定空间内获得较为均匀的加热，加热器应放置在该空间的下部；反之，为了在一定空间内获得较为均匀的冷却，冷却器应放置在该空间的上部。,33,精选,一、对流传热方程与对流传热系数,目前，对流传热的工程计算仍采用半经验方法处理。,对流传热速率=,=对流给热系数对流给热推动力,牛顿冷却定律,热流体侧：,冷流体侧：,给热系数；W/m2TW、tW壁温；T、t流体平均温度；q热通量；W/m2,34,精选,二、给热系数（）的影响因素,对流给热系数是对流传热过程研究的核心内容之一。,（1）流动形态和动力,流动形态：,层流传热膜，传热阻力，q,湍流传热膜，传热阻力，q,流动动力：,自然对流湍动，传热膜，q,强制对流湍动，传热膜，q,35,精选,确定这些物性的温度称作定性温度。,一般用流体主体的平均温度作为定性温度：,t1流体进口温度t2流体出口温度,（2）流体的（物理）性质,对影响较大的有：、cp、。,36,精选,传热表面的形状，排列，放置方式，管径，管长，板高等。其中对传热影响最大的因素称作特征尺寸，,（3）传热表面的几何因素,垂直管或板：L,圆管：d,非圆管：de,（4）流体类型和相变情况,液体，气体，水蒸气；,牛顿型流体，非牛顿型流体；,有无相变化,37,精选,准数关系式为：,三、对流传热的特征数关系式,将影响的众多因素组合为若干个无因次数群，再用实验数据确定他们之间的关系，得到不同条件下计算的经验关联式。,目的：,无因次形式：,（4-17）,38,精选,雷诺准数：,是Re的一种变形，表征自然对流的流动状态。,努塞尔准数：,普朗特准数：,格拉斯霍夫准数：,对流给热比导热增大的倍数,流体的物性参数,各无因次准数的物理意义,惯性力与粘性力之比,39,精选,（4-19）,四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,低粘度流体圆直管内强制湍流给热系数,给热系数：,流体被加热时n=0.4，被冷却时n=0.3,40,精选,Re100000.7Pr120管长与管内径之比即L/d60低粘度流体（粘度不大于水粘度的2倍，即2mPas）,应用条件：,41,精选,例:管内强制湍流时给热系数的计算图示为一列管式换热器示意图，由38根25mm2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20被加热至80，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的给热系数。又问当苯的流量提高一倍，给热系数有何变化？,42,精选,解：,（1）,0.7Pri时，,当io时，,若壁阻忽略不计，,则,传热速率,、,具有不同数量级时，,传热速率受控于热阻大（对流给热系数小的）的那一侧流体的对流给热。,，,必定Ko,必定Ki,（4-45）,67,精选,薄壁时：（可按平壁处理）,四、污垢热阻,考虑到有污垢热阻时的总传热系数,厚壁时：,（4-44）,68,精选,常见流体的污垢热阻：,69,精选,壁温TW接近于热阻较小或给热系数较大的一侧流体温度。,（4-47）,五、壁温计算,若忽略管壁内、外表面积的差异，则,金属壁热阻可忽略，即TWtW，则,传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。,70,精选,六、传热平均温度差,假设：,（1）定态传热过程；,（2）流体无相变；,（3）冷、热流体质量流量（qm）、比热(cp)、总传热系数（K）为常量,（4）热损失忽略。,1、两侧均变温传热,因冷、热流体流向不同，传热过程可分为：逆流、并流、折流及错流换热。,（一）变温传热,71,精选,逆流换热过程,并流换热过程,72,精选,传热过程的积分表达式,积分得：,（1）逆流传热,73,精选,由热量衡算知Q=qm1cp1(T1T2)=qm2cp2(t2t1),在冷流体入口端和任一截面间取控制体进行热量衡算：,qm1cp1(TT2)=qm2cp2(tt1),74,精选,A,B,(T-t)2,(T-t)1,T,t,(T-t),此式为一直线方程，如图中直线AB。,线上每一点代表换热器某一截面上冷、热流体的温度。,推动力（T-t）等于操作线与对角线间的垂直距离,C,称之为换热器的操作线。,T=t,75,精选,式两侧同时减t后得：,可见，（T-t）与t成直线关系；,求微分得：,同理（T-t）与T也成直线关系,76,精选,t1=(T-t)1=T1-t2,其中,t2=(T-t)2=T2-t1,由式得：,77,精选,将代入中，积分得：,若t1/t2tm并,（3）逆流与并流传热的比较,例：,逆流传热推动力大,81,精选,当换热器的传热量Q和总传热系数K一定时，,，逆流所需的传热面积小；,并流特点：,易于控制温度，出口温度比较恒定（t2T2）；,冷流体快速升温，使粘度下降，K升高。,逆流可将冷流体温度升得更高：t2T2可将热流体温度降得更低：T260，所以假设成立,94,精选,第六节换热器,（一）按用途分类,加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器,（二）按冷、热流体的接触方式分类,直接接触式，间壁式，蓄热式,一、换热器的分类,本节讨论：,常用换热器的结构、性能及特点；,换热器基本尺寸、传热面积的计算；,根据生产需要，选择合适的换热设备。,95,精选,二、间壁式换热器类型,（一）夹套式换热器（JacketHeatExchanger）,结构：,夹层,特点：结构简单，加热面受限，传热系数低。,96,精选,（二）沉浸式蛇管换热器（CocklePipeHeatExchanger）,特点：,置于容器内，耐高压，耐腐蚀，管外流体湍动小。,97,精选,（三）喷淋式换热器（ShowerHeatExchanger）,结构：,特点：,管内热流体，管外冷流体，湍动大，操作环境差。,98,精选,（四）套管式换热器（DoublePipeHeatExchanger）,结构：,特点：,结构简单，耐高压，流速高，可纯逆流；接头易泄漏，单位体积传热面积小。,99,精选,（五）螺旋板式换热器,结构紧凑，耗材低，传热系数高，不易结垢和堵塞，能利用低温热源，结构紧凑，单位容积传热面积大；但捍缝处易漏、操作压强和温度不宜太高，不易检修。,特点：,100,精选,（六）板式换热器（PlateHeatExchanger）,101,精选,特点：传热面积可调节，传热系数高，结构紧凑；但不耐高温、高压，处理量不大,102,精选,（七）板翅式换热器,特点：湍流程度大，轻巧牢固；易堵塞，清洗困难,103,精选,（八）翅片管换热器,要求：翅片与管表面的连接应紧密，否则接触热阻大。,104,精选,（九）管壳（列管）式换热器（Shell&TubeHeatExchanger）,、基本结构,特点：,单位体积换热面积大，管内、外流体湍动较大，结构紧凑。,105,精选,管板：,固定管束,管束：,构成传热面（外侧表面积）,管程：,隔板：,划分管程（于封头与管板间）,管内流动行程（单管程，两管程，多管程）,增加管程可提高管内流体流速，但流动阻力增大,（注意：管程数与管内流体流速的关系：,若管程数增为n管程，则流速变为原来的n倍）,纵向挡板：,划分壳程（平行于管束）,壳程：,管外流动行程（单壳程，两壳程，多壳程）,增加壳程可提高管外流体流速，但流动阻力增大,折流板：,增加管外流体的湍动，提高管外对流给热系数,106,精选,107,精选,2、主要形式与特点,（1）固定管板式,结构：,两端管板与壳体焊接，管束不可拆,特点：,结构简单，制作成本低；,冷、热流体温差大时应考虑温度补偿（膨胀节）。,清洗管内易，管外难（壳程通洁净流体）；,108,精选,（2）浮头式换热器,结构：,一端管板不与外壳相连，可沿轴向自由浮动，管束可拆。,特点：,易于清洗；无须温度补偿；结构复杂。,109,精选,（3）型管式换热器,结构：,一个管板，加热管呈型。,特点：,无须温度补偿；结构较简单；清洗管外易，管内难。,110,精选,给热系数大的流体,三、列管式换热器的设计和选用,1、流体流动通道的选择(P173),管程中：,易结垢（不易清洗）的流体（U形管例外）,有腐蚀性的流体,有毒性的流体,压力高的流体,壳程中：,饱和蒸汽,被冷却的流体,流量小或粘度大的流体,111,精选,2、流动方式的选择,逆流或并流、管程数和壳程数要适当,当流量一定时，管程或壳程越多，越大，对传热过程有利；但流体阻力损失也增大，而且阻力损失增加的更大。,注意：改变管程数后，管内流速同时发生变化。如：四管程时速度u=4单管程时速度u,管程Np0.8阻力损失Np3；Np-管程数,112,精选,3、换热器的规格和管排列方式,管排列方式：三角形和正方形,管长：1.5m、2m、3m、4.5m、5m、6m、9m,管子标准：,19mm2mm和25mm2.5mm,113,精选,目的：加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程流体的给热系数,4、折流挡板,种类：,圆缺形和盘环形,注意：挡板数增加使给热系数增加，但同时阻力损失增加得更多。,因此，在选择挡板数时，要兼顾传热与流体压降两方面的得失。,114,精选,5、管壳式换热器的选用计算,计算热负荷（热量衡算）,计算平均温度差tm,估算传热系数K估，估算传热面积A估,根据A估初选换热器（A实、DN、p）,确定垢阻，由Ri、Ro、u、i、o计算传热系数K计，计算传热面积A计,校核：A实A计1.101.25,115,精选,设计参数（参考值）,116,精选,117,精选,起冷却作用。主要有水、空气、各种冷冻剂（如冷冻盐水）,四、载热体及其选择,加热剂：,起加热作用。主要有热水、水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气,冷却剂：,选择载热体时应参考以下几个方面：,温度必须满足工艺要求；,温度应易于调节；,不会分解，毒性要小，使用安全；,价廉易得，传热性能好。,腐蚀性小，不易结垢；,118,精选,五、传热过程的强化,由Q=KAtm式可知应强化的项目,增大K：,措施：,（iobR）,K,qm,u,Re,增加管程数，壳程加挡板，增大湍流程度；,使用有相变的流体做加热剂；,使用的流体（如液态金属做加热或冷却剂）；,减小垢阻（常清洗）,强化传热过程，即提高冷、热流体间的传热速率。,119,精选,增大A：,指增大单位体积的传热面积。从结构方面考虑：,可增大小的一侧的传热面积，如加翅片、波纹管等,逆流传热温差大于并流，可选取逆流传热过程。另外，提高加热剂温度（或降低冷却剂的温度）也可提高tm。,增大tm：,120,精选,1水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的T1、T2及流量不变。若因冷却水进口温度t1增高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其结果（）。（1）K，tm不变；（2）Q不变，tm，K；（3）Q，tm；（4）Q不变，tm不定，K,一、选择题,（2）,2在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否合理。甲：传热管的壁温将接近加热蒸汽温度。乙：换热器总传热系数K将接近空气侧的对流传热系数。（）A.甲、乙均合理；B.甲、乙均不合理C.甲合理、乙不合理；D.乙合理、甲不合理,A,练习题,121,精选,3一套管换热器，环隙为120蒸汽冷凝，管内空气从20被加热到50，则管壁温度应接近于。A35；B120；C77.5；D50,B,4在设计管壳式换热器时，设置隔板以提高流速，设置折流板以提高流速，以达到强化传热的目的。管程内流体流速的选取，对一般液体取，气体取，如该换热器用蒸汽冷凝来加热原油，那么水蒸汽应在程流动。A.壳程；B.管程；C.u=0.53m/s；D.u=530m/s；E.u=30100m/s,B,A,C,D,A,122,精选,5对在蒸汽-空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的方案在工程上可行。A提高空气流速；B提高蒸汽流速；C采用过热蒸汽以提高蒸汽温度；D在蒸汽一侧管壁上加装翅片，增加冷凝面积并及时导走冷凝液。,A,C,6划分列管（管壳）式换热器管程的隔板位于换热器的。,A管内B壳体内C封头内D膨胀节上,7.下列哪一个特征数表征自然对流的流动状态。AReBPrCGrDNu,C,123,精选,1传热速率的单位为（）。,二、填空题,W,2热通量的单位为（）。,W/m2,3流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在（）。,层流底层,4、比较的大小：（）1：空气：u=10m/s2：水