《化工单元操作》课件-项目3：传热

02KNOWLEDGEOF

HEATCONDUCTIONPROCESSAND

ITSAPPLICATION导热过程知识及其应用传热导热过程知识及其应用三、

圆筒壁稳态热传导过程及计算二、

平壁稳态热传导过程及计算一、

傅立叶定律及热导率式中：

dQ──热传导速率

，W或J/s；dA──导热面积，

m2；dt/dx──温度梯度

，℃/m或K/m；λ──导热系数

，W/(m·℃)或W/(m·K)。负号表示传热方向与温度梯度方向相反dQ

=

−λdA一、傅立叶定律及热导率

傅立叶定律导热过程知识及其应用t+ΔttndtdxQ

温度场某时刻，物体或空间各点的温度分布。非稳态温度场：t

=f(x,

y,

z,θ)稳态温度场

：

t

=f(x,

y,

z)一、傅立叶定律及热导率导热过程知识及其应用xΔxΔnt+ΔttndtdxQ

温度场等温面：某时刻，物体或空间各点的温度分布。在同一时刻，

温度场中所有温度相同的点组成的面。方向：法线方向，以温度增加的方向为正。不同温度的等温面不相交。温度梯度

=

lim

Δt

=

dt

Δx→

0

Δx

dx一、傅立叶定律及热导率导热过程知识及其应用xΔxΔndQ

/dA

dq

λ

=

=

•

λ在数值上等于单位温度梯度下的热通量•λ

表征材料导热性能的物性参数λ

=

f

(结构,组成,密度,温度,压力）λ金属固体

>

λ非金属固体

>

λ液体

>

λ气体一、傅立叶定律及热导率导热过程知识及其应用

热导率dt/dxdt/dx固体热导率金属材料10～102

W/(m•K)建筑材料10-1～10W/(m•K)绝热材料

10-2～10-1

W/(m•K)一、傅立叶定律及热导率导热过程知识及其应用

热导率硅酸铝耐火组件01聚氨酯板

热导率01固体热导率一定温度范围内：λ

=

λ0

(1

+

at)对大多数金属材料a

<0

，t

个

λ

对大多数非金属材料a

>0

，

t

个

λ

个一、傅立叶定律及热导率导热过程知识及其应用气体热导率0.006～0.4W/(m·K)t个

，λ个一般情况下

，λ随p的变化可忽略；气体不利于导热

，有利于保温或隔热。20160.09～0.6W/(m·K)金属液体λ较高，非金属液体λ低；非金属液体水的λ最大；水和甘油：

t

个

，λ个;其它液体：

t

个

，λ

一、傅立叶定律及热导率液体热导率导热过程知识及其应用热导率tdx假设：•材料均匀，

λ为常数；•一维温度场，

t沿x变化；•

A/b很大，忽略端损失。二、平壁稳态热传导过程及计算

单层平壁热传导导热过程知识及其应用t1t2λxQb

单层平壁热传导dtQ

=

−λA

Qdx

=

−

t

λAdt21t二、平壁稳态热传导过程及计算t1

−

t2

Δt

推动力b

λA

R

热阻Q

=

(t1

−

t2

)导热过程知识及其应用Q

=

=

=

dx某平壁厚度为0.35m,一侧壁面温度为1100℃

,另一侧壁面温度为400℃,平壁材料的热导率与温度关系为λ=0.815(1+0.00093t)，式中的单位为℃

,λ的单位为W/(m•℃)。试求：

导热热通量；

平壁内的温度分布。导热过程知识及其应用例某平壁厚度为0.35m,一侧壁面温度为1100℃,另一侧壁面温度为400℃,平壁材料的热导率与温度关系为λ=0.815(1+0.00093t)，式中的单位为℃

,λ的单位为W/(m•℃)。试求：

导热热通量；

平壁内的温度分布。①导热热通量。平壁面的热导率按两壁面的平均温度计算11tm

=

2

(t1

+

t2

)

=2(1100

+

400)=750oC则平均热导率为

λm

=0.815(1

+0.00093

750)

=1.383W

/(m.C

)导热热通量可按下式计算

q=(t1

−

t

2

)=(1100

−

400)

=2766(W/m2

)例导热过程知识及其应用某平壁厚度为0.35m,一侧壁面温度为1100℃,另一侧壁面温度为400℃,平壁材料的热导率与温度关系为λ=0.815(1+0.00093t)，式中的单位为℃

,λ的单位为W/(m•℃)。试求：

导热热通量；

平壁内的温度分布。②平壁内的温度分布。设以x表示沿壁面方向的距离，在x处壁面的温度为t，则导热热通量为：q=

(t1

−

t)t

=t1

−=1100

−x=1100

−

2000x由以上分析知，平壁传热壁面内温度与壁厚的关系是直线关系。38376612λmqx例导热过程知识及其应用假设：•

各层接触良好，接触面两侧温度相同。3λ3t3二、平壁稳态热传导过程及计算

多层平壁热传导λ1导热过程知识及其应用λ2t2tt1b2

bxt4b1各层的温差：(t1

−

t2

):

(t2

−

t3

):

(t3

−

t4

)=

:

:

=

R1

:

R2

:

R3Q

=

=

=

=

=

=

总热阻总推动力二、平壁稳态热传导过程及计算

多层平壁热传导导热过程知识及其应用结论：•

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。二、平壁稳态热传导过程及计算推广至n层：Q

＝

ni

=1

i

多层平壁热传导导热过程知识及其应用

Σ

Δt

Σ

n

bi

i

=1

λi

At1

−

tn+1Σ=

单层圆筒壁的热传导特点：01

传热面积随半径变化，A=2πrl。02

一维温度场，

t沿r变化。三、圆筒壁稳态热传导过程及计算导热过程知识及其应用三、圆筒壁稳态热传导过程及计算Q=

−λA

=

−λ.

2rl

rtddrtdd

单层圆筒壁的热传导Q

=

ln

导热过程知识及其应用

t2r2Qdr=

−

λ.

2

.

rldtr1

t1在半径r处取dr同心薄层圆筒2

λl(t1

−

t2

)三、圆筒壁稳态热传导过程及计算ln

=

1

2

1

=

2πλl

r2

−

r1

λAmAm

=

2πrml

=

112An2lArm

=

r2r

r

−

r

b导热过程知识及其应用t1

−

t2ln

2πλl单层圆筒壁的热传导Q

=

b

λAr

r1

+

r2m0——对数平均面积——对数平均半径r2

<

2r1b

=

r2

−

r1热阻

Rt1

−

t2t1

−

t2时，一般Q

=R2m=三、圆筒壁稳态热传导过程及计算2πl(t1

−

tn+1)

=

t1

−

tn+1

ln

多层圆筒壁的热传导Q

＝

=

ln

导热过程知识及其应用

2πl(t1

−

t4)

ln

2πl(t2−

t3

)

ln

2πl(t3−

t4)

ln

λ3

r3Q

＝

n

nn层圆筒壁：=

t1

−

tn+1n2πl(t1

−

t2

)三层：Ri=11

r4Σ==i在直径为ϕ140×

5mm的蒸汽管道外包扎保温层，

保温层厚度为0.07m，热导率为0.15W/(m•℃)。若蒸汽管

道内壁面温度为180℃,保温层外表面温度为40℃

,试求每米管长的热损失及蒸汽管道和保温层的界面温度。管壁材料热导率为45W/(m•℃)。导热过程知识及其应用例例在直径为ϕ140×

5mm的蒸汽管道外包扎保温层，

保温层厚度为0.07m，热导率为0.15W/(m•℃)。若蒸汽管道内壁面温度为180℃,保温层外表面温度为40℃

,试求每米管长的热损失及蒸汽管道和保温层的界面温度。管壁材料热导率为45W/(m•℃)。解：

由管内至管外，r1

=

0.13=0.065m,

r2

=0.07m,

r3

=0.07+

0.07=0.14m.两层圆筒壁热传导速率方程为Q=L

2

(t1−

t3)

ln

+

ln

λ1

r1

λ2

r2=

2

(180

−

40)

1

0.07

1

0.14

ln

+

ln

45

0.065

0.15

0.07=

190.2W/m设蒸汽管道和保温层界面温度为，单层圆筒壁热传导速率方程为Q=L2

(t1

−

t2)

ln

λ1

r1=2

(180

−

t2)

1

ln

0.07

45

0.065=

190.2t2

=

179.95

C导热过程知识及其应用1

r2

1r31

r2傅立叶定律及热导率傅立叶定律dQ

=

−λdA

热导率λ=

=平壁稳态热传导过程及计算单层平壁热传导

Q

=

(t1

−

t2

)

多层平壁热传导圆筒壁稳态热传导过程及计算Q

=

t1

−

t2

单层圆筒壁的热传导

b

λAm多层平壁热传导

Q

＝

=

＝传热导热过程知识及其应用重难点Q

=

i

=1

i=t1

−

tn+1

bi

i

=1

λi

An

dq

dt/dxΣ

bi

Σ

ln

i+i

=1

λi

riΣ

λARi=1i

=1

λi

Ami1

r

1ΣΣi03KNOWLEDGEOFCONVECTIVE

HEATTRANSFERAND

ITSAPPLICATION对流传热知识及其应用传热对流传热知识及其应用三、

对流传热系数的影响因素四、

对流传热系数的获取一、

对流传热过程分析二、

对流传热速率方程一、对流传热过程分析强制对流传热自然对流传热对流传热知识及其应用蒸汽冷凝液体沸腾流体有相

变的传热流体无相

变的传热热流体T1冷流体t1T2t2

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、热对流均起作用一、对流传热过程分析对流传热知识及其应用式中：

Q──对流传热速率，

W；

1

、

2

──热、冷流体的对流传热系数，

W/(m2·K)；T

、

TW、t、tW

──热、冷流体的平均温度及平均壁温，

℃。热流体：

Q

=

1A1

(T

−

TW

)冷流体：Q

=

2

A2

(tW

−

t)}

牛顿冷却定律二、对流传热速率方程对流传热知识及其应用

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。a强制

>

a自然三、对流传热系数的影响因素

流动状态

a湍流

>

a层流对流传热知识及其应用•

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。

流体的物性p，

μ

,

λ

,

cp

传热面的形状，大小和位置三、对流传热系数的影响因素

是否发生相变

a相变

>

a无相变对流传热知识及其应用在一列管式换热器中，水在内直径为20mm、长度为3m的管束内流过。管内壁的平均温度为60℃

,

水的平均温度为20℃,若管壁对水的对流传热系数

为4000w/（m2

℃),

试求：

水与管壁的对流传热速

率。对流传热知识及其应用例在一列管式换热器中，水在内直径为20mm、长度为3m的管束内流过。管内壁的平均温度为60℃,水的平均温度为20℃,若管壁对水的对流传热系数为4000w/（m2

℃),

试求：

水与管壁的对流传热速率。解：

计算对流传热速率所用到的物理量有：a

（已知）

=4000w/（m2

℃)A（可求，管的内侧面积）=πdl

=0.1884m2水在管束内流动的过程中，由于管壁的温度高于水的温度，

所以管壁就会以对流传热的方式向水传热。tw(已知)=60℃,t（已知）

=20℃Q

=

aA(tw

−

t)例对流传热知识及其应用反映流体的流动状态对对流传热的影响普兰特（Prandtl）数Pr

=

反映流体的物性对对流传热的影响四、对流传热系数的获取努塞尔特（Nusselt）数表示对流传热系数的特征数

对流传热系数特征数关系式雷诺（Reynolds）数

Re

=

对流传热知识及其应用aLλNu=010203

对流传热系数特征数关系式04

格拉斯霍夫（Grashof）准数

Gr

=

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)四、对流传热系数的获取对流传热知识及其应用使用准数关联式时注意：•

应用范围•

特征尺寸•

定性温度

无相变强制对流自然对流

有相变

蒸汽冷凝液体沸腾四、对流传热系数的获取

对流传热系数特征数关系式对流传热知识及其应用•

应用范围：

Re>104,Pr=0.7~160,L/d>60,气体或低粘度的液体(μ<2μ水）•

定性温度：流体进出口的算术平均值•

特征尺寸：管内径

无相变时对流传热系数的经验关联式01

流体在圆形直管内的强制湍流四、对流传热系数的获取Nu

=

CRem

PrnNu

=

0.023

Re0.8

Pr

n流体被加热流体被冷却对流传热知识及其应用n=0.4n=0.3

无相变时对流传热系数的经验关联式公式修正：

（1）当L/d<

60，乘校正系数

ε1

=

1

+

；（2）高粘度液体(μ>2

μ水）Nu=0.027

Re0.8

Pr0.33

(

)

0.140.7四、对流传热系数的获取(

)

=

1.05μW(

)0.14

=

0.95对流传热知识及其应用加热：冷却：工程处理：μ

0.1402

流体在管外强制对流传热Nu=Cε

RenPr0.4应用范围：Re=5000~70000;x1/d=1.2~5;x2/d=1.2~5特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处定性温度：

进、

出口温度平均值平均对流传热系数：

“m

=

无相变时对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的获取对流传热知识及其应用

无相变时对流传热系数的经验关联式03

流体在换热器管间的流动•

设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的a。•

折流挡板形式：圆缺形、圆环形四、对流传热系数的获取对流传热知识及其应用应用范围：

Re=2

×

103～106定性温度：

tm

=

无相变时对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的获取Nu=

0.36

Re0.55

Pr

1/

30.14对流传热知识及其应用圆缺形折流挡板：特征尺寸：当量直径de正方形排列：

d=

正三角形排列：

de

=

无相变时对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的获取任务3对流传热知识及其应用4(t2

−

0.785d02

)e

πd0流速u按流通截面最大处的截面计算：S

=

hD(1−

)式中h——两块折流挡板间距离，m；D——换热器壳径，

m；

无相变时对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的获取对流传热知识及其应用01

蒸汽冷凝膜状冷凝滴状冷凝冷凝过程的热阻——冷凝液膜四、对流传热系数的获取

流体有相变时的对流传热对流传热知识及其应用a滴

>

a膜蒸汽冷凝强化措施目的：减少冷凝液膜的厚度水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。2016

蒸汽冷凝时影响因素

液体物性：p个，

μ专，λ个，

r个→a个不凝气体

：不凝气体存在，导致a专，需定期排放。蒸汽流速与流向（u>10m/s）：同向时，

δt专

，a个；反向时，

δ

t个

，a

专；

u

个

，a个四、对流传热系数的获取

流体有相变时的对流传热对流传热知识及其应用沸腾现象：

在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层四、对流传热系数的获取

流体有相变时的对流传热液体沸腾{大容积沸腾管内沸腾对流传热知识及其应用02

流体有相变时的对流传热沸腾必要条件：•

过热度Δt=（t－ts

）

>0•

存在汽化核心•

推动力（tw－ts）•沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、膜状沸腾•

工业上采用核状沸腾a大，

tW小水沸腾曲线四、对流传热系数的获取对流传热知识及其应用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）

液体沸腾时影响因素

液体的性质：

λ

个,

p,

个,

μ

专,σ

专牵a个温度差：核状沸腾阶段:a

父Δt2.5

，，

Δt

个

→a个操作压力：p

个牵ts

个牵μ

专

σ

专牵a个加热面：

新的、洁净的、粗糙的加

热面，

a大四、对流传热系数的获取

流体有相变时的对流传热对流传热知识及其应用2016

对流传热过程分析

对流传热速率方程

对流传热系数的影响因素

对流传热系数的获取传热对流传热知识及其应用重难点04ANALYSISANDCALCULATIONOF

HEATTRANSFER

PROCESSOF

INTERMEDIATEWALL间壁换热过程分析及计算（下）传热间壁换热过程分析及计算(下）六、

传热过程的强化途径四、

传热系数的获取五、

污垢热阻流体种类总传热系数KW/(m2·K)水—气体12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有机溶剂280~850气体—气体12~35饱和水蒸气—水1400~4700饱和水蒸气—气体30~300饱和水蒸气—油60~350饱和水蒸气—沸腾油290~870四、传热系数的获取间壁换热过程分析及计算(下）取传热系数的经验值对于已有的换热器，可以测定有关数据，设备的尺寸、流体的流量、进出口温度等，由传热方程计算K。四、传热系数的获取

现场测定传热系数间壁换热过程分析及计算(下）

传热系数的计算01

平壁的传热系数计算1K

=

+

+

四、传热系数的获取间壁换热过程分析及计算(下）

传热系数的计算02圆筒壁的传热系数计算K1——以外表面为基准的总传热系数

，W/(m2.K)dm——对数平均直径

，m四、传热系数的获取

1

1

d2=K2

C1

d1+b

d2

λ

dm+

间壁换热过程分析及计算(下）

1

=

1

+

K1

C1d1/d2<2可用算术平均值dm

=

(d1

−

d2

)/ln以内表面为基准：A=

πdlλ

dmC2

d2d1d21

d1b

d1+Rd1、Rd2——传热面两侧的污垢热阻

，(m2·K)/W。为了减少冷热流体壁面两侧的污垢热阻

，换热器应定期清洗。11

b

d1

d1

1

d1

=

+

Rd1

+

+

Rd

2

+

K

a1

λ

dm

d2

a2

d2五、污垢热阻间壁换热过程分析及计算(下）流体种类污垢热阻m2

·℃/W流体种类污垢热阻

m2

·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)蒸气海水0.0001有机蒸汽0.0002河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体未处理的凉水塔用水0.00058空气0.0003经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004多泥沙的水0.0006天然气0.002盐水0.0004焦炉气0.002间壁换热过程分析及计算(下）•两侧变温，尽量采用逆流•加热剂T1个或冷却剂t1

六、传热过程的强化途径间壁换热过程分析及计算(下）强化传热，可Δtm个、A个、K个

增大Δtm直接接触传热，可增大A。改进换热器的结构，采用高效新型换热器。（单位体积换热器的传热面积大）例如：用螺纹管代替光滑管、用螺旋板代替光滑板。六、传热过程的强化途径间壁换热过程分析及计算(下）

增大传热面积A01

提高流体的对流传热膜系数•增加流速，改变流向，增大流体的湍流程度（如：设置折流挡板）。•采用热导率较大的载热体。•采用有相变的载热体。

关键提高较小的传热系数。六、传热过程的强化途径间壁换热过程分析及计算(下）

增大传热系数K

增大传热系数K02

抑制污垢的生成或及时除垢•增加流速，改变流向，增大流体的湍流程度，

减少污垢的沉积。•控制冷却水的出口温度，加强水质处理，尽量采用软化水。•加阻垢剂；及时除垢清洗设备。六、传热过程的强化途径间壁换热过程分析及计算(下）在某传热面积为的管壳式换热器中，壳程通入饱和水蒸气以加热管内的空气。

150℃的饱和水蒸气冷凝为同温度下的水排出。空气质量流量为2.8kg/s，其进口温度为30℃,比热容可以取为1kJ/(kg•℃)，空气对流传热系数为87W/(m2•℃)，换热器热损失可忽略，试计算空气的出口温度。间壁换热过程分析及计算(下）例例在某传热面积为的管壳式换热器中，壳程通入饱和水蒸气以加热管内的空气。

150℃的饱和水蒸气冷凝为同温度下的水排出。空气质量流量为2.8kg/s

，其进口温度为30℃

,比热容可以取为1kJ/(kg•℃)，空气对流传热系数为87W/(m2•℃)，换热器热损失可忽略，试计算空气的出口温度。解：一侧恒温传热，且α蒸汽

>>α空气

，故K≈α空气。空气的出口温度可由热量衡算与总传热速率方程解得。Q=

KAΔtm

=Wc

Cpc

(t2

−

t1

)Δt1

=150

C−

30

C

=120

C

Δt2

=150

C−

t2Δt

=

Δt1−

Δt2ln

Δt2K~

C

=87W/(m2

•

C)87

15

=

2.8

1000

(t2

−

30)t2

=74.7

C间壁换热过程分析及计算(下）m

Δt1空气传热间壁换热过程分析及计算(下）

传热系数的获取

污垢热阻

=

+

Rd1

+

+

Rd

2+

传热过程的强化途径

强化传热，可Δtm个、A个、

K个221dda121ddm1dda11K1重难点列管式换热器的工艺设计和选用公称换热面积S公称直径DN公称压力PN换热管长度L管子数量n管程数N一、列管换热器的型号列管换热器的基本参数化工单元操作换热器代号公称直径管程数公称压力公称换热面积一、列管换热器的型号列管换热器的型号组成化工单元操作表4-13

BES-

600-

1

.

6-

90-

6/25-4I型浮头式换热器主要参数外壳直径D/mm600管程数N,4公称面积/m²90管数NT188公称压强/MPa1.6管子排列方式正方形错列管子尺寸/mmΦ

25×2.5管中心距/mm32管长/m6计算换热面积/m²86.9化工单元操作(1)换热管为φ19

mm的换热器基本参数(Dɴ=159～1800

mm)公称直径Dn(

mm)公称压力Pn(

MPa)管程数N管子根数n中心

排管数管程流通面积(

m²

)计算换热面积(m²)换热管长度，

L(mm)1500200030004500600090001591.6011550.00271.31.72.6一一一2192.508370.00582.83.75.7一一一2734.0016590.01155.47.411.317.122.9一25680.00494.76.49.714.719.7一3256.40199110.01758.311.217.126.034.9一288100.00787.410.015.223.131.0一468110.00305.77.711.817.923.9一4000.601174140.030714.519.730.145.761.3一2164150.014513.718.628.443.157.8一4146140.006512.216.625.338.351.4一4501.001237170.041919.826.941.062.283.5一2220160.019418.425.038.157.877.5一4200160.008816.722.734.652.570.4一热交换器系列标准(摘录)化工单元操作1.固定管板式(一)冷、热流体通道的选择01

不清洁易结垢的物料流过易于清洗的一侧管内易于清洗；02

需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管程，因为管内截面积通常

都比壳程截面积小，多管程也易于实现；03

腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；04

压力高的流体