第04章 热量传递过程

过程系统原理,第四章热量传递过程,主讲人：程明,南京工业大学本科系列课程,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,2,教学内容,对流传热过程,热传导过程,热量传递过程概述,辐射传热过程,传热过程计算,传热设备（换热器）,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,3,热量传递过程概述,热量传递的目的,（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度。,（2）换热，以回收利用热量或冷量。,（3）保温，以减少热量或冷量的损失。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,4,热量传递过程概述,热量传递的方式,（2）对流传热。,（3）辐射传热。,（1）热传导。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,5,热量传递过程概述,冷、热流体的接触方式,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,6,热量传递过程概述,载热体及其选择,（1）载热体：,起加热作用的载热体称为加热剂；起冷却作用的载热体称为冷却剂。,载热体：供给冷流体热量或将热流体的热量带走的流体。,（2）载热体的选择：,加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。冷却剂：水、空气和各种冷冻剂。,载热体的选择要求：加热时，温位越高，价值越大；冷却时，温位越低，价值越大。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,7,热量传递过程概述,载热体及其选择,其它要求：,载热体的温度应易于调节；载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解；载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；载热体应价格低廉而且容易得到。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,8,热量传递过程概述,传热速率,（1）热流量Q：,单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量W。,单位时间、通过单位传热面积的热量W/m2。,（2）热流密度（或热通量）q：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,9,热量传递过程概述,稳态传热与非稳态传热,（1）稳态传热：,特点：传热系统中，温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。,连续生产过程中的传热多是稳态传热。,（2）非稳态传热：,特点：传热系统中，温度分布随时间而变。,间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。,在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。,在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,10,热传导过程,热传导规律,热传导（或导热）：物体各部分之间不发生相对位移，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。,1、热传导概念,2、热传导规律,（1）傅立叶（Fourier）定律：,式中：q-热流密度，w/m2；-法向温度梯度，/m；-比例系数，称为导热系数，w/(m),2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,11,热传导过程,热传导规律,（2）导热系数,例：金属10102w/(m)建筑材料10-110w/(m)绝热材料10-210-1w/(m),表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。,实验测得导热系数与温度t的关系：,式中：-固体在温度t的导热系数，w/(m)；0-固体在温度0的导热系数，w/(m)；a-温度系数，1/，；对大多数金属材料为负值，对大多数非金属材料为正值。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,12,热传导过程,热传导的应用,1、通过平壁的热传导过程：,图4-5平壁的热传导,平壁的热传导的温度分布见图4-5所示。,由傅立叶（Fourier）定律可知：,对上式积分得：,又可写为：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,13,热传导过程,热传导的应用,2、通过圆筒壁的热传导过程：,图4-6圆筒壁的热传导,圆筒壁的热传导的温度分布见图4-6所示。,在圆筒壁内取同心薄层圆筒并对其作热量衡算：,对于定态热传导：,则：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,14,热传导过程,热传导的应用,又：,所以：,对上式进行积分得：,式中：r-圆筒任一径向半径；l-圆筒管长。,边界条件：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,15,热传导过程,热传导的应用,将边界条件带入上式，得：,式子可以改写为：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,16,热传导过程,热传导的应用,若,圆筒壁热阻为：,3、多层平壁的热传导过程：,图4-7多层平壁的热传导,圆筒壁的热传导的温度分布见图4-7所示。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,17,热传导过程,热传导的应用,推动力和阻力的加和性,各层的温差,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,18,热传导过程,热传导的应用,结论：对多层圆筒壁同样适合。即：,例：界面温度的求取。某炉壁由下列三种材料组成：（见图3-7所示）耐火砖1=1.4w/(m)，1=225mm保温砖2=0.15w/(m)，2=125mm建筑砖3=0.8w/(m)，3=225mm,已测得内、外表面温度分别为930和55，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,19,热传导过程,热传导的应用,解：（1）单位面积的热损失为：,（2）温差及界面温度：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,20,对流传热过程,对流传热过程的概念,流体各部分（或与固体表面）之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热。,对流分为自然对流和强制对流。,自然对流：流体中各处的温度不同而引起的密度差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移。,强制对流：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,21,对流传热过程,对流传热过程分析,传热过程流动截面的温度分析：,图4-8流体流过平壁时的温度分布,参见图4-8所示。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,22,对流传热过程,对流传热过程分析,三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：,结论：对流传热是流体流动载热与热传导联合作用的结果，流体对壁面的热流密度因流动而增大。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,23,对流传热过程,对流传热过程数学描述,1、牛顿冷却定律：,式中：Tw，tw-热或冷壁的温度，；T，t-热或冷流体的温度，；-给热系数，w/(m),流体加热时：流体冷却时：,2、给热系数：,三种获得给热系数的方法：,理论分析法：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,24,对流传热过程,对流传热过程数学描述,方程，联立求解流场的温度分布和壁面热流密度，然后写成牛顿冷却定律的形式，从而获得的理论计算式。,数学模型法：对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。,因次分析法：对影响给热过程的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。,3、给热系数的影响因素及无因次化：,影响因素：,液体的物理性质：、Cp、；固体表面的特征参数：l；,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,25,对流传热过程,对流传热过程数学描述,强制对流的流速：u；自然对流的特征速度：gt。,于是：,无因次化：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,26,对流传热过程,对流传热过程数学描述,式中：,-努塞尔（Nusselt）准数,于是，描述给热过程的准数关系式为,-雷诺（Reynolds）准数,-普朗特（Prandtl）准数,-格拉斯霍夫（Grashof）准数,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,27,对流传热过程,对流传热过程数学描述,讨论：各无因次数群的物理意义,*-给热过程以纯导热方式进行时的给热系数。Nu反映对流给热系数增大的倍数。,Nu准数：,Re准数：是流体所受的惯性力与粘性力之比，用以表征流体的运动状态。,Pr准数：流体物性对给热过程的影响。,对于气体，Pr1，对于液体，Pr1。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,28,对流传热过程,对流传热过程数学描述,Gr准数：,则Gr是Re的一种变形，表征自然对流的流动状态。,4、关于定性温度和特征尺寸：,定性温度：,根据定性温度，确定物性数据。一般选用壁温tw和流体主体温度t的算术平均值作为定性温度，并称之为平均膜温。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,29,对流传热过程,对流传热过程数学描述,指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。,特征尺寸：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,30,对流传热过程,无相变的对流给热系数,1、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：,当.Re104,.0.7Pr104，0.5Pr2时，K=2；12时，K=1。,内表面：外表面：,当内、外表面积不同时，,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,53,传热过程计算,传热过程数学描述,若为圆管，内、外径为d1、d2：,关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为R1、R2）则,式中：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,54,传热过程计算,传热过程数学描述,3、壁温的计算：,若Tw=tw，则：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,55,传热过程计算,传热过程基本方程,1、换热器的热量的衡算：,图4-14热量衡算,总的热量衡算：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,56,传热过程计算,传热过程基本方程,式中：Wh、Wc-热、冷流体的质量流量；Cph、Cpc-热、冷流体的比热；,2、传热基本方程式：,已知：,又：,上式积分，可得：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,57,传热过程计算,传热过程基本方程,式中：tm-对数平均温度。传热过程的推动力。,3、传热过程的推动力：,图4-16传热温差,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,58,传热过程计算,传热过程基本方程,例：并流和逆流对数平均温差的比较。,在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h，热水进口温度为T1=80，冷水进口温度为t1=10。如果要求将冷水加热到t2=30，试求并流和逆流对数平均温差。,解：题目条件下，Cph=Cpc=4.2kJ/（kg）,所以：,求得：T2=50,由于：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,59,传热过程计算,传热过程基本方程,则：并流时t1=80-10=70t2=50-30=20,则：逆流时t1=80-30=50t2=50-10=40,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,60,传热过程计算,传热过程计算,1、设计型计算,计算热负荷：,设计任务：将流量为G1的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2。,设计条件：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度t1。,计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。,计算方法：,适当选择并计算平均推动力：tm。,即使冷、热流体的对流给热系数及总K。,由传热方程计算传热面积。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,61,传热过程计算,传热过程计算,参数选择：,流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；,选择冷却介质的出口温度；,冷、热流体流动线路（管程、壳程）；,流体的流速；,污垢热阻。,2、操作型计算,第一类命题：,给定条件：换热器传热面积及相关尺寸，冷、热流体的物性数据，冷、热流体的流量、进口温度、流动方式。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,62,传热过程计算,传热过程计算,计算目的：冷、热流体的出口温度。,给定条件：换热器传热面积及相关尺寸，冷、热流体的物性数据，热流体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。,第二类命题：,计算目的：冷流体的流量及出口温度。,计算方法：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,63,传热过程计算,传热过程计算,例：第一类命题的操作型计算。,在一逆流操作的换热器，热流体为空气，1100W/(m2)，冷却水走管内，22000W/(m2)。已测得热、冷流体进、出口温度为T1=100，T2=70，t1=20，t2=85，管壁热阻可以忽略。当水流量增加一倍时，试求：,（1）空气和水的出口温度T2，t2?,（2）热流量Q比原热流量Q增加多少?,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,64,传热过程计算,传热过程计算,解：（1）原工况：,式中：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,65,传热过程计算,传热过程计算,新工况：,（a）、（b）两式相除：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,66,传热过程计算,传热过程计算,或：,热量衡算：,联立求解（c）、（d）两式，得：,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,67,传热过程计算,传热过程计算,（2）新、旧工况的热量之比：,即，热量增加了34。,讨论：从计算结果中可以得出什么结论？,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,68,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。,1、夹套换热器,图4-17夹套换热器,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。,为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,69,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,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，为了强化传热，容器内加搅拌。,2、沉浸式蛇管换热器,结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。,图4-18沉浸式蛇管换热器,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,70,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,3、喷淋式换热器,结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。,图4-19喷淋式换热器(1),2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,71,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。,图4-20喷淋式换热器(2),2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,72,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,4、套管式换热器,结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。,优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。,缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。,图4-21套管式换热器,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,73,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,5、列管式换热器（管壳式换热器）,主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。,图4-22列管式换热器,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,74,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。,为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。,图4-23列管式换热器折流挡板,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,75,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。,（1）固定管板式,根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。,壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,76,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。,图4-24固定管板式（有膨胀节）换热器,（2）浮头式,两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,77,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。,图4-25内浮头式换热器,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,78,传热设备（换热器）,间壁式换热器的类型,固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。,（3）U型管式,图4-26U型管式换热器,特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,79,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,1、选用步骤,（1）根据工艺任务，计算热负荷；,（2）计算平均温度差；,先按单壳程多管程的计算，如果校正系数0.8，应增加壳程数；,（3）依据经验选取总传热系数，估算传热面积；,（4）确定冷热流体流经管程或壳程，选定流体流速；,由流速和流量估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,（5）核算总传热系数；,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,80,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,分别计算管程和壳程的对流传热系数，确定垢阻，求出总传热系数，并与估算的总传热系数进行比较。如果相差较多，应重新估算。,（6）计算传热面积。,根据计算的总传热系数和平均温度差，计算传热面积，并与选定的换热器传热面积相比，应有10%25%的裕量。,2、选用换热器中的有关问题,（1）流体流经管程或壳程的选择原则,原则：传热效果好；结构简单；清洗方便。,不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,81,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,（2）流体的流速,流体的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。,压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出。流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,82,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,流动方式的选择：,除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,83,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,（3）换热器中管子的规格和排列方式,当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。,管子的规格192mm和252.5mm管长：1.5、2.0、3.0、6.0和9.0m等；排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列。,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,84,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,（4）折流挡板,安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。,对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。,图4-27管子排列方式,2020年6月13日星期六,ProcessSystemprinciple,85,传热设备（换热器）,管壳式换热器的设计与选用,弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。,挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太