化工原理 第四章 传热ppt课件

精选,1,第四章传热,精选,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；,精选,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。,精选,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,精选,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,精选,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。,精选,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。,精选,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。,精选,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。,精选,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,精选,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。,精选,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。,精选,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。,精选,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,精选,15,温度梯度：,稳态一维温度梯度：,精选,16,：导热系数，w/(moC)；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：,精选,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+at0C时的导热系数温度系数,精选,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：TP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。,精选,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；,精选,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：,精选,21,R：导热热阻，m2oC/w。,R：导热热阻，oC/w。,精选,22,精选,23,2.多层平壁的热传导,精选,24,以三层平壁为例：,精选,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,精选,26,四、圆筒壁的热传导,1.单层圆筒壁的热传导（稳态）,精选,27,上式积分可得：,精选,28,面积的对数平均值,半径的对数平均值,注：当r2/r1250C：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。,精选,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。,精选,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：,精选,60,表4-3值的范围,精选,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),精选,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：,精选,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,精选,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,精选,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。,精选,66,逆流,并流,2.变温传热,精选,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,精选,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/t22时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。,精选,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。,精选,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：,精选,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。,精选,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。,精选,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,精选,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,精选,75,温差修正系数1，即tmtm，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。,精选,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。,精选,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。,精选,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,精选,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,精选,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。,精选,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：,精选,82,列管换热器总传热系数K的经验数据,精选,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。,精选,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,精选,85,污垢热阻的大致数值,P149,精选,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,精选,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,精选,88,例4-17P153,管壁温度接近热阻小的那侧流体的温度,精选,89,五、传热计算示例,例4-18P153,精选,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243C和128C，终温为167C和157C。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。,精选,91,例2在逆流换热器中，用初温为20C的水将1.25kg/s的液体（Cp=1.9kJ/kgC，=850kg/m3）由80C冷却到30C。换热器的列管直径为252.5mm，水走管内，水侧和油侧的对流传热系数分别为0.85和1.70kw/m2C，忽略污垢热阻，若水的出口温度不高于50C，计算传热面积。,精选,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/(kg0C)。换热器的总传热系数为320W/(m20C)。试求水的出口温度及传热量。,精选,93,解法：,解得t2=89.80C，Q=160.3kw,精选,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0.420m有实际意义，且大部分能量位于红外线区段（0.820m).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,精选,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,精选,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)。,精选,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。,精选,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0.80.9钢板(氧化的)2006000.8钢板(磨光的)94011000.530.61铝(磨光的)2255750.0390.057,精选,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：,精选,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。,精选,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。,精选,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）,精选,103,精选,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,精选,105,一、间壁式换热器,热水,溶液,夹套式套管,精选,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。,精选,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。,精选,108,（三）喷淋式换热器,精选,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。,精选,110,（四）套管式换热器（逆流）,精选,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。,精选,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。,精选,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。,精选,114,2）板式换热器,精选,115,精选,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。,精选,117,（八）热管换热器（1）由传热管、壳体、隔板构成。（2）通过工作液的沸腾气化、蒸气流动、蒸气冷凝实现传热。（3）特别适用低温差的传热。,精选,118,精选,119,（九）管壳式换热器（列管式）（1）固定管板式优点：结构简单,成本低；缺点：壳程不易机械清洗,可能产生较大的热应力；使用场合:壳程流体不易结垢或容易化学清洗,壳体与传热管壁温度之差小于50度，否则加膨胀节(低于6070度,压力低于600kPa)。,精选,120,精选,121,精选,122,图4-5单程管壳式换热器1-外壳2-管束3、4-接管5-封头6-管板