化工原理传热

1、第4章 传 热,4.1 概述 4.1.1 传热在化工生产中的应用,1）加热或冷却，使物料达到指定的温度； 2）通过换热，回收利用热量； 3）保温，以减少热损失。,1,4.1.2 传热的基本方式,热传导： 固体的主要传热方式,分子无规则热运动.,对流： 流体主要传热方式 流动中，流体质点相互碰撞，传热。 传热速率与流动状态密切相关。,辐射： 物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。 不需传播介质，两物体不需接触。,4.1.3 稳态传热和非稳态传热 稳态传热：各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热：各点温度随位置和时间而变,2,4.2.1 基本概念和傅立叶定律 （1）温度场 所研究的具有一

2、定温度分布的空间范围。,4.2 热传导,稳态温度场：,非稳态温度场：,3,（2）描述温度场特性的几个参数 等温面 具有相同温度的点组成的面 特点：等温面上各点温度相等， 等温面不会相交。 温度梯度 沿等温面法线方向的温度变化率。,方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直。,4,（3）热流量(传热速率) 单位时间内所传导的热量， w。,（4）傅立叶定律,：热导率，w/（mK），w/（m ）； 负号：与 方向相反(热流量从高温向低温)。,热流密度：,表明：,5,4.2.2 热导率,说明： 物性参数，标志物质导热性能； 影响因素：=f(材料，温度)； 来源：实验方法测定 ，工业上常见物质的热导率可

3、从有关手册中查得。,定义式:,6,几种气体的热导率：,7,几种液体的热导率：,8,物质热导率的大致范围 物质种类 热导率 纯金属 1001400 金属合金 50500 液态金属 30300 非金属固体 0.05 50 非金属液体 0.55 绝热材料 0.051 气体 0.0050.5,9,不同物质随温度变化的一般规律,固体：,10,4.2.3 平壁的稳态热传导 (1) 单层平壁的稳态热传导 热量衡算：,热导率为常数,热流量：,11,平壁内的温度分布：,沿壁厚方向，温度分布为一直线。,12, 热导率和温度有关,即：=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性。,13,14,(2) 多层平壁的稳态热

4、传导 条件：多层平壁一维稳态导热(x方向)。,15,(3) 圆筒壁,单层圆筒壁,16, 多层圆筒壁,17,4.3 对流传热,（1）概述 流体质点碰撞、混合，传递热量 包括对流传热和热传导 对流传热与流动状况密切相关 湍动程度越高，传热速率越大。,（2）分类 自然对流：温差引起密度差，使流体流动。 强制对流：流体靠外加动力流动，形成对流。,18,4.3.1 热边界层的概念 （1）热边界层 近壁处，流体温度显著变化的区域。,19,（2）热边界层的厚度,（3）热边界层的特点 层内（近壁处）：集中全部的温差和热阻,层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻,（4）热边界层发展过程,圆管内,20,流动边界层

5、对热边界层的影响： 湍流区：质点相互混合交换热量， 温差小。 层流内层：导热为主，热阻大、温差大。,说明：流动边界层对传热边界层影响显著， 改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度， 可使传热速率大大提高。,21,4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数,（1）牛顿冷却定律,22,热流体： 冷流体：, h是计算关键，一般由实验测定。,（2）对流传热过程的简化模型 真实模型 流体主体过渡层 层流内层 对流 对流,导热 导热,23,简化模型 有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。,对流传热问题 导热问题,24,4.4 表面传热系数的经验关联 4.4.1 影响表面传热系数的因素,（2）流体

6、流动原因 强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， h也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般流速较小，h也较小。,（1）流体流动状态,25,（3）流体的物理性质,定性温度：计算表面传热系数的特征温度,26,（4）传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使h增大。,27,（5）相变化的影响 有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， 无相变传热：强制对流、自然对流， 一般地，有相变时表面传热系数较大。 例：水 强制对流， 蒸汽冷凝，,28,（a）确定相关因素,（b）构造函数形式,（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ）,4.4.2

7、 无相变化时对流传热过程的量纲分析 （1）量纲分析过程,M：1=c+d+e+i ：-1=-d-f T：-3=-a-c-3d-2f-2i L：0=a+b-c+d-3e+2f-2i,29,（d）规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式,（e）整理特征数方程形式,指定其中a、f、i为 已知数，则： b=a+3i-1；c=f-a-2i ；d=1-f；e=a+i,30,努赛尔数,说明： 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数；,说明： 反映流动状态对 h 的影响。,（2）特征数的物理意义,雷诺数,31,普朗特数,说明： 反映流体物性对传热的影响 反映动量扩散和热扩散的相对大小,32,说明： 反映自然对流的

8、强弱程度。, 格拉晓夫数（浮升力特征数）,33,4.4.3 无相变化的对流传热,（1）管内强制对流传热, 流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数,a) 一般流体,34,流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，n= 0.3,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径di,适用条件：,说明：,35,b)粘度较大流体,近似取：,适用条件：,(2水),36,c)流体流过短管（l/d50）,影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。 计算：采用以上各式计算 h，并加以校正。,d) 圆形直管内过渡流时表面传热系数,37,e) 圆形直管内强制层流,定性温度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管内径

9、di。,适用条件：,38,f ) 圆形弯管内的强制对流 特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流；,g ) 非圆形管内强制对流,套管环隙,39, 管外强制对流 a) 流体横向流过单管,40,沿整个管周的平均表面传热系数：,特征尺寸：管外径,41, 管束的排列方式 直列（正方形）、 错列（正三角形）,b) 流体横向流过管束的表面传热系数,直列管束中管子的排列,42,43,直列,第一排管 直接冲刷 ； 第二排管 不直接冲刷；扰动减弱 第二排管以后基本恒定。,错列,第一排管 错列和直列基本相同； 第二排管 阻挡减弱，冲刷增强； 第三排管以后基本恒定。,44,传热系数的计算,C、n 取决于管排列方式和

10、管排数。,45,适用范围：,特征尺寸：管外径,整个管束平均：,46,c) 流体在列管换热器管壳间的传热,47,折流挡板 ： 壳程流体的流动方向不断改变， 较小Re（Re=100），即可达到湍流。,缺点：流动阻力，壳程压降,作用： 提高湍动程度，h，强化传热； 加固、支撑壳体。,48,有折流挡板时壳程流体表面传热系数：,49,特征尺寸：流道的当量直径。,也可采用关联式：,50,流速的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。,说明： 无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。,51,(1) 蒸汽冷凝方式 膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力） 热量：蒸汽相液膜表面

11、固体壁面。 滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力） 有裸露壁面，直接传递相变热。 比较两种冷凝方式的表面传热系数 h滴状冷凝h膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作上，多为膜状冷凝。,4.4.4 有相变化的对流传热,52,(2) 膜状冷凝传热膜系数的经验关联 垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜层流,（b）液膜湍流,注意：壁温未知时，计算应采用试差法。,53, 水平管冷凝表面传热系数 （a）水平单管外冷凝 理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。,层流时，,54,水平管外膜状冷凝,55,（b）水平管束外冷凝,水平管束的排列通常有直排和错排两种 ：,第一排管子：冷凝情况与单根水

12、平管相同。 其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的 影响，表面传热系数依次下降。,56,管排数不同时: 采用平均管排数：,57,(4) 影响冷凝传热的因素, 冷凝液膜两侧的温度差：, 流体物性的影响：, 不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。, 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。, 蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，h增大； 流速较大时，且与液膜反向，h减小。,58,沸腾分类： 按设备尺寸和形状不同 池内沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相

13、流）。 按液体主体温度不同 过冷沸腾：液体主体温度t ts， 气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝。,（5）液体沸腾传热,59, 必须有汽化核心,b） 汽泡产生的条件 液体必须过热 提供必须的汽化热量,汽化核心：体积很小的孔穴或 固体颗粒，气泡能 附着在其周围生长。,60,气泡的产生过程,61,实验条件: 大容积、饱和沸腾。,2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得：,62,AB段 ：无相变自然对流，无汽泡产生，h 缓慢增加 BC段 ：核状沸腾 一方面，,另一方面，汽膜覆盖，又使h； 当两者作用相抵消，出现转折点临界点（C点）。 临界值：t、q、Q CD段 ：核状

14、、膜状共存，膜覆盖为主，t，h； DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖， t，h； 而后辐射作用加强， t，h。,沸腾曲线意义:,说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。,63,3) 影响的因素,加热壁面的影响： 粗糙壁面, h，光滑的壁面, h； 被油脂污染的壁面, h，清洁表面, h； 水平管束沸腾传热，上排管 h 。,64,4 ) 沸腾传热膜系数 参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。 （a）水在105 4105Pa 压力下的核状沸腾,（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾,n、cwl常数,65,计算基础：热量衡算方程和传热速率方程 。 4.6.1 热流量衡算方程 冷流体吸收热量 = 热

15、流体放出热量,4.6 传热过程的计算,计算类型 ：,设计型计算：已知th1，th2，tc1 ，qmc，qmh，K 求 传热面积A；,操作型计算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、。,66,(2) 有相变传热,(1) 无相变传热,67,4.6.2 总传热速率方程 间壁传热过程：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,管壁导热：,管外侧流体：,68,对稳态传热:,69,式中，K 总传热系数，W/m2K。 注意： K 与 A 对应，选Ai、Am 或 A0,故稳态传热时，,70,4.6.3传热系数和传热面积,K 传热系数，表示换热设备性能的重要参数。,(1) K的计算

16、在实际生产中以外表面积A0作为传热面积。,K的来源： 实验测定； 取生产实际的经验数据； 计算求得。,71,实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：,72,(2) 污垢热阻 Rdi和 Rdo,污垢热阻影响：使h，热流量。,污垢热阻取值： 经验数据。 (3) 壁温计算 忽略污垢热阻，稳态传热时：,结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。,73,4.6.4 平均温度差 (1) 恒温传热 两侧流体温度恒定：,(2) 变温传热 一侧有温度变化,74,沿管长某截面取微元传热面积dA，,两侧流体均有温度变化,传热速率方程：,热量衡算方程：,75,当qmhcph、 qmccpc=常数时， -th、 -tc为线

17、性关系， 所以， -(th- tc)也为线性关系。,76,说明：,并流：, 逆流：,进、出口条件相同时，,工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。,77,一侧流体温度有变化，另一侧恒温时,错流、折流时平均温差 图算法,78,c）当t值小于0.8时，则传热效率低， 经济上不合理， 操作不稳定。,a）校正系数t可根据R和P两参数从相应的图中查得。,b）温差校正系数t恒小于1。,原因: 换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。 避免措施: 采用多个换热器串联或采用多壳程结构,说明：,79,4.6.5 传热效率和传热单元数法 设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。 设计型计算,总之，对于设计型计算

18、冷、热流股的温度都已知，或者可以通过热流量衡算达到已知，无须试差。,80, 操作型计算 已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体，,81,逆流：,(1) 传热效率和传热单元数, 传热效率,或,82,并流：,83,传热单元数NTU (The Number of Transfer Units ),传热单元数物理意义：单位传热推动力引起的温度变化；,84, 传热效率和传热单元数的关系,85,86, 应用已知R和NTU，可求得， 进而求th2 和tc2 ， 可避免试差计算。,87,为便于工程计算，将、NTU、R之间关系绘制成曲线,88,89,4.7 换热器的传热强化途径,强化方法：提高K、A或tm

19、目的：传热面积 ，使设备费用降低。 （1）提高K值,降低污垢热阻； 提高表面传热系数 * 若hih0，提高h小(hi)的一侧； * 两侧h相近，应同时提高两侧流体的h 。,90,提高表面传热系数h的方法 无相变传热 a）提高管内流速,代价：流动阻力，动力消耗，操作费用。,经济优化：选择适宜流速，使总费用最低。,优点：总传热系数，传热面积，设备投资费,91,流速,非工艺物流：流量,工艺物流：流通截面积,壳程：折流挡板数目,管程：单管程双(多)管程,b）制造人工粗造表面 促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。 c）加设扰流元件 管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片； 增强湍动，破坏层流底层。,92,

20、 有相变传热 冷凝 ：1）采用滴状冷凝， 2）及时排放不凝气体， 3）气、液流向一致 ， 4）合理布置冷凝面， 5）利用表面张力 （沟槽 ，金属丝）。 沸腾： 1）保持核状沸腾， 2）制造人工表面，增加汽化核心数。,（2）提高传热推动力,限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动。,适用：一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时， 其进口温度可调。,93,例：提高冷却水用量 tc2， tm 提高加热蒸气压力 P ，ts ， tm 蒸发、闪蒸P ，ts ， tm,（3）增加传热面积 改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。 如采用：,不同异形管 ； 开槽及加翅片 ； 折流形式； 多孔、高效传热

21、面。,94,95,纵向翅片管,横向翅片管,螺旋槽纹管,缩放管,96,97,分类: 按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。 按传热特征 直接接触式：冷、热直接混合。 蓄热式：,4.8 换热器,间壁式：冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触，,98,4.8.1 间壁式换热器的类型,(1) 夹套式换热器, 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。 优点：结构简单。 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。,99,(2) 沉浸式蛇管换热器, 结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成

22、各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。,100,(3) 喷淋式换热器, 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。,101,（5）列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，

23、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。 结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 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。 重点介绍：固定管板式 浮头式 U型管式。,102,103, 列管式换热器的结构,结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 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。,管束结构,结构示意,104,流通截面积：,传热面积：,说明：管程数，流通截面积，管内流速，hi ，强化传热。,105,单管程换热器管、壳程流体流动,106,双管程换热

24、器内的流体流动,107,常用形式：弓形，圆盘形。,折流挡板,作用：提高壳程流体湍动程度(Re100 湍流),h0，强化传热。 冲刷沉积物，减小污垢热阻； 对壳体起支撑作用。,代价：壳体阻力，系统动力消耗。,108,弓形,圆盘形,109,管板,折流板,单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图,110,111,112,113,114,115, 分类及特点,原因：管、壳温度不同，产生热应力， 结果：t50时，管弯曲、断裂或管板变形,固定管板式 安装膨胀节； 浮头式 本身具有补偿能力； U形管式 本身具有补偿能力。,分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：,为此，采用各种补偿办法，消除

25、或减小热应力。,116,a）固定管板式换热器,特点： * 结构简单，成本低； * 可能产生较大的热应力； * 壳程不易机械清洗； 适用： * 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50C，否则加膨胀节。,117,118,b）浮头式换热器,结构:,119,特点：消除了温差应力、便于清洗和检修； 结构复杂、成本高； 适用：应用广泛。,120,c）U形管式换热器,特点：具有温度补偿作用； 管程不易清清洗。 适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。,结构:,121,U型管换热器内的流体流动,122,4.8.2 列管式换热器的设计和选用 要求：根据生产任务设计或

26、选择合适的换热器 (计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等） （1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (a)选择流程 一般原则：不洁净或易结垢的液体 腐蚀性流体 压力高的流体,管程,饱和蒸汽 流量小而粘度大的流体 表面传热系数大的流体 需要冷却的流体,壳程,123,(b) 流速的选择 流速影响表面传热系数和污垢的大小。 流速 流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路； 流速 流体阻力增大。 (c) 流动方式的选择 对于同样的进、出口条件，传热量相同， A逆A并； 管程 或壳程，表面传热系数，但同时流动阻力， tm ，应权衡确定。 (d) 换热管规格和排列的选择 换热管规格：,管子长度：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m,124,(e) 折流挡板,管子在管板上的排列：,挡板间距：一般取壳体内径的0.21.0倍,挡板切除对流动的影响,125,（2）流体通过换热器时阻力的计算, 管程阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。,126, 壳程阻力 对于壳程阻