第二章 传热过程.ppt

1、,第二章 传热过程,1 概述,一、化工生产中的传热过程,二、工业上的换热方法,三、稳定换热和不稳定换热,四、传热的基本方式,2 传导传热,一、热传导基本方程-傅立叶定律,二、导热系数,三、传导传热计算,3 对流传热,一、对流传热机理,二、对流给热方程-牛顿冷却定律,三、对流给热系数,4 热交换的计算,一、总传热速率方程,二、热量衡算-热负荷与载热体的计算,三、传热平均温差,四、总传热系数,5 强化传热过程的途径,一、增大传热面积,二、增大传热平均温度差,三、增大传热系数,6 热交换器,一、热交换器的种类及主要类型,二、列管式热交换器,第二章 传热过程,本章要求掌握传导传热和对流传热的原理、传热

2、方程和传热强化途径，典型换热器计算的基本方法，了解重要类型换热器的性能。 1 概述 一、化工生产中的传热过程： 物质系统内由于温度不同，使热量由一处转移到另一处的过程叫做热传递，简称传热。 生产中对传热过程的基本要求： （1）尽量使传热情况良好，即要求高的传热速率减小设备尺寸； （2）尽量避免传热，及隔绝热的传递。,热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。相应地，象压强差一样，温度差为传热过程的推动力，传热速率与温度差成正比。 二、工业上的换热方法： 1、直接换热： 当冷热两种流体允许直接混合，而不致发生化学反应或其他不良影响时，常采用直接混

3、合换热的方法。 2、间壁换热： 当冷热两种流体不允许直接接触时，可以让冷热两种流体通过换热器固体壁面来达到换热之,目的。这种换热方法称为间壁换热。 3、蓄热式换热： 这是一种间歇操作的换热方法，首先让热流体通过换热器，将热量传给载热体介质，使其温度升高；然后停止通入热流体，而改通冷流体，再由载热体介质将所吸收的热量传给冷流体，使冷流体温度升高，从而达到换热之目的。这种换热方法称为蓄热式换热。 三、稳定换热和不稳定换热： 稳定换热时，传热面各点的温度和传热速率不随时间而改变。 不稳定换热时，传热面各点温度和传热速率随时间而变化。,四、传热的基本方式： 1、传导传热： 热量从物体的高温部分沿着物体

4、传到低温部分，这种传热方式称为传导传热，简称导热。 实质：由于物体较热部分的粒子（分子、原子或自由电子）的热运动。 特点：在热传导过程中，物体的粒子只是在平衡位置附近振动，而不产生宏观的相对位移。 2、对流传热： 流体依靠分子互相变动位置，把热量从空间某一处传到另一处的过程称为对流传热。 实质：由于流体内部各点温度不同而引起密度差异,的结果（这种对流称为自然对流），或是由于受外界机械作用所致（这种对流称为强制对流）。 特点：在对流传热过程中，流体的粒子产生了宏观相对位移。 3、辐射传热： 热辐射是物质的热能转变为辐射能，并以电磁波的形式向空间传播，当辐射能遇到另一物体时，则部分地或全部地被吸收

5、而重新转变为热能，这种以热辐射的方式实现热量传递的过程称为辐射传热。 实质：热射线（电磁波）的传播。 特点：在传热过程中伴随着能量形式的转化。,2 传导传热,一、热传导基本方程-傅立叶定律 当温度t1t2时。热量将以热传导方式从温度为 t1的壁面传递至温度为t2的壁面。实验证明，通过物 料传导的热量Q与传热的温度 差、传热面积A和时间成正 比，与传导的距离成反比， 其关系可以写成：,引入一比例系数，则： 式中：dt/d随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化，称为温度梯度。负号表示传 热的方向与温度升高的方向相反。上式为热传导基本方程，也称为傅立叶定律。 在稳定条件下，传递的热量不随时间而变化

6、，傅立叶定律为：,也可写成： q- 称为传热速率，单位为W(J/s)。 比例关系，称为导热系数，是物料的一种物理性质，其值因物料不同而有所不同，单位为W.m-1.K-1。 二、导热系数： 导热系数是物质导热能力的标志。 物理意义： 当物体两个面（等温面）间温度差为1K，厚度为1m时,每秒钟经过1m2传热面积所能传导的热量，焦耳。 物质的导热系数用实验测定。,各种材料中，金属具有较大的导热系数，其中以银和铜的导热系数值最大，但金属中夹有少量杂质后，其导热系数有显著的变化。绝热材料的导热系数较小，与其孔隙度有很大的关系，这是因为不发生对流的空气有很好的绝热能力，液体的导热系数不大，气体的导热系数最

7、小。 物料的导热系数随温度而变化，但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小（水和甘油除外)。气体的导热系数则随温度提高而显著增大。 三、传导传热计算： 1、单层平面壁： 单层平面壁热传导时，在稳定条件下，壁两面,的温度不随时间而变，若每个壁面各点温度相等（等温面），则由傅立叶公式，得： 积分：,A,q,t,t1,t2,得： 上式可与欧姆定律I=V/R相比较。此基本关系也普遍地存在于其它传递过程中：,2、多层平面壁： 多层物料复合的平面壁 传导传热时，各复合层的传 热面积相等，如果传热是稳 定的，各壁的传热速率均应 相等，因而： 对第一层：,对第二层： 对第三层： 因

8、q1=q2=q3=q，A1=A2=A3=A，故左右相加得：,由此可见，多层平面壁稳定热传导时，传热的推动力是内壁面和外壁面间的总温度差。传热的总热阻是各层热阻的总和（相当于导电时串联电路的总电阻）。并可推出，各层的温度降与该层的热阻成正比。 根据以上关系，也可以求得两层壁面交界处的温度，即：,反应釜的釜壁为钢板，厚5mm（=50W.m-1.K-1),粘附在内壁的污垢厚0.5mm(=0.5）。反应釜附有夹套，用饱和蒸汽加热。釜体钢板外表面（与蒸汽接触）为150，内表面为130。试求每m2面积每秒钟所传导的热量。并与没有污垢层和釜壁为不锈钢板（有污垢）、铜（有污垢）的情况比较（设壁面温度不变）。

9、解：,例,没有污垢时，解得： q /A=200kW.m-2 若材料为不锈钢（=14）并有污垢，解得： q /A=14.7kW.m-2 若材料为铜（=400）并有污垢，解得： q /A=19.8kW.m-2 计算表明：热阻主要在污垢层。即使金属材料的导热系数有几倍的变化，对热传导的影响也不起重大作用。 3、圆筒壁： A、单层圆筒壁：,化工生产中更常见的是 通过圆筒壁的传导传热。 在这种情况下，传热面 积（A=2rl）和温度都随半 径而变化。傅立叶定律应写 为： 积分：,整理，得： 上式为圆筒壁的热传导公式。也可写作：,这里=r2-r1，rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)为对数平均半径。 当

10、r2/r12时，用算术平均半径rm=(r1+r2)/2代替对数平均半径进行计算，不会引起很大的误差。 b、多层圆筒壁： 按多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式为：,或： 这里：1= r2-r1,2= r3-r2,3= r4-r3 Am1=2lrm1,Am2=2lrm2,Am3=2lrm3 圆筒壁的导热计算式比较麻烦，为简化起见，在工程计算中有时可把圆筒壁的导热计算按平面壁处理。,条件是：圆筒的壁应比较薄，管径比较大，即d外/d内2，这时按平面壁方法计算误差不超过4%。,3 对流传热,对流传热是由于流体质点变动位置并相互碰撞，能量较高的质点将热量传递给能

11、量较低的质点，从而使热量传播。 一、对流传热机理： 常见的对流传热是热量从器壁传向流体主体的传热，或者反过来热量从流体主体传向器壁的传热，这种传热常称为给热。 靠近壁面存在着滞流层。在这一层中，传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。在流体主体中，在生产中常见的湍流情况下，传热依靠流体质点的骚动、位移和混动，流体主体,中温度基本均匀，不存在显著的温度梯度。而在主体和滞流层之间存在着过渡层，这部分的传热既有传导传热，也有因流体质点位移而碰撞的传热，这层中存在一定的温度梯度。对流传热是这几部分传热的统称。 仿造流体流动中边界层的概念，在对流传热中将有

12、明显温度梯度的区域称为传热边界层。此边界层包括有滞流层的厚度和经过折算的过渡层的厚度（应当指出，实际上流体主体中也存在少量的温度梯度，为易于处理，通常将这部分折算到过渡层中）。流体流动的边界层与对流传热的边界层都表示有推动力梯度的存在，在涵义及数值上是不同的。,滞流层的热阻是对流给热的控制 因素。 二、对流给热方程-牛顿冷却定 律（牛顿给热方程） 由于传热边界层的厚度是难于测 定的（实际上也是不能测定的，因为 过渡层中包含有虚拟的热阻），因而 该热阻不能简单地用传导传热的方式 来处理。 工程上将对流传热单位面积热阻的倒数定为（给热系数），用牛顿给热方程来计算传热速率。,牛顿给热方程指出，当湍流

13、主体温度为T的流体向温度为t的壁面以对流传热时，给热速率q与流体主体和壁面间的温度差(T-t)及壁面面积A成正比，即： dq=d(Q/)=(T-t)dA 或 q=A(T-t) 式中为给热系数（也称为传热分系数）。 三、对流给热系数: 给热系数的单位为W.m-2.K-1。 物理意义： 当流体主体与壁面间温度差为1K时，单位时间（s）通过1m2壁面所传给流体（或由流体给出）的热量（J）。,1、影响对流给热系数的因数： a、流体的物理性质； 导热系数、比热、比重、膨胀系数、粘度等。 b、流体的流动型态（滞流或湍流），对流情况（自然或强制）； c、流体传热时的相态变化； d、传热的温度； e、壁面的形

14、状、排列方式和尺寸。 简言之，给热系数是下列因数的函数： = f (w,d,t, Cp,) 2、对流传热过程的准数：,多少年来，人们试图对以上函数关系建立起普遍的数学解析式，但都未能成功。通常只能根据实际经验，将影响给热系数诸因数的有关实验数据，用因次分析的方法，得到一些前面提到过的与Re相类似的无量纲参数，称为准数。（见后）,对流传热中的准数,3、给热系数的准数关联式： 有了准数后，进而通过大量实验，得到许多特定条件下给热系数的准数关联式。 准数关联式虽然应用范围较广，但属于半经验公式，要在指定的范围内才能得到可靠的数据。 (1) 无相态变化的大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体以湍流型态在

15、圆管中的给热系数： 此式称为狄丢斯公式。 当液体被加热或气体被冷却时：m = 0.4 当液体被冷却或气体被加热时：m = 0.3,上式也适用于流体在列管换热器的管间流动，这时d取当量直径。传热的当量直径de的定义为： 计算时，物性数据取流体在指定条件下（平均温度下）的值，该平均温度称为定性温度。对上式，平均温度取流体进出口的平均值。 (2) 某些粘性流体碳氢化合物、有机溶剂和某些水溶液（水除外）在圆形直管内以湍流型态流动被加热或冷却时：,为在平均温度下的流体粘度； w为在固体壁面温度下的流体粘度。 上两式的限定条件均为： Re1104；Pr=0.7-120；管路长与管内径之比l/d60；流体的

16、物性数据均在定性温度范围内的值；当流体在非圆形截面管路中流动时，式中d应为当量直径。 用蒸汽经管壁预热空气，空气以10m.s-1的流速流经252管内，进口空气为20，出口空气为40，试求管壁对空气的给热系数。 解：平均温度（定性温度）30时的空气物性为： Cp=1.005kJ.kg-1.K-1 =1.165kg.m-3,例,=19.210-6kg.m-1.s-1 =0.0279W.m-1.K-1 此外 d=0.021m w=10m.s-1 求得： Re = dw/=12740 对流传热在湍流条件下进行；并求得： 本例与书例的结果表明：虽然两者有相近的Re准数，但由于物性的差异，气体的给热系数一

17、般比液体的小得多。,4 热交换的计算,在化工生产中，热交换的计算首先是根据生产任务的工艺要求，计算所需换热器的换热面积，以此来设计新的换热器或是选择标准换热器型号。要计算所需换热面积，按总传热速率方程，应首先进行热量衡算。根据生产工艺要求计算出热负荷；再根据工艺要求计算传热平均温度差和选取或计算总传热系数。 一、总传热速率方程： 1、传热过程分析： 化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁或器壁向冷流体传热的过程，该过程称为热,交换或换热。进行热交 换的设备称为热交换器 或换热器。 热交换时，在工业 生产的温度下（500 以下），器壁两侧主要 为对流传热，通过器壁 则为传导传热，传热总 热阻

18、是热阻串联的结 果。 2、传热总方程推导：,热交换的总传热方程可根据以下关系推导： 热流体向器壁的对流传热： 或 器壁的传导传热： 或,(1),(2),器壁向冷流体的对流传热： 或 在稳定条件下，按能量守恒定律，可得： q1 = q2 = q3 = q 综合以上各式，得总传热方程：,(3),或 若令 则上式可以写成： 此式称为总传热速率方程。其中：K为总传热系数；t为传热温度差。 A1、A2、Am分别为传热壁面1的面积、传热壁面2的面积、固体壁面平均面积，为固体壁厚度。,(1) 平面壁总传热方程： 若壁面为平面壁或近似平面壁，则： A1=A2=Am=A 总传热方程为：,总传热系数K表示传热固体

19、壁面两侧的传热温度差为1K时，单位时间通过1平方米传热面积所传递的热量。其国际单位为W.m-2.K-1。 总传热系数的倒数为系统单位面积的总热阻R： 即（单位面积）总热阻为各（单位面积）分热阻串联的总和。 当固体壁面为复合壁时，传热系数为：,(2) 圆筒壁总传热方程： 当传热壁面为圆筒壁时，则A1、A2、Am各不相等。若圆筒内半径为r1，外半径为r2，平均半径为rm，圆筒轴向长为L，则： A1=2r1L A2=2r2L A3=2rmL 总传热方程为：,当r2/r12时，rm=(r1+r2)/2（算术平均温差） 多层圆筒壁：,二、热量衡算-热负荷与载热体的计算 加热或冷却物料时在单位时间内需要加

20、入或取走的热量称为热负荷。 热负荷的计算分为两种情况： 1、流体在热交换中无相态变化而只有温度变化时： q工艺=Ma .Cpa( ta2 - ta1 ) 其中： Ma-a物料的质量流量，kg.s-1； Cpa-a物料的定压比热，J.kg-1.K-1； ta2、ta1-a物料的温度，K或。 2、流体在热交换中发生相态变化时： q工艺=Ma .Ha,其中： Ma-a物料的质量流量，kg.s-1； Ha-a物料的蒸发热或冷凝热，J.kg-1。 一个能满足工艺要求的换热器，若忽略热损失，需满足下列关系： q换热器q工艺 在不发生相变的场合，若a、b两种流体进行热交换，根据能量守恒原理，热量衡算式为：

21、Ma .Cpa.(ta2-ta1)=Mb .Cpb.(tb1-tb2) 同理： Ma .Cpa.(ta2-ta1)=Mb .Hb（一侧有相态变化时） Ma .Ha=Mb .Hb（两侧都发生相态变化时）,三、传热平均温度差： 连续稳定传热有两种情况：恒温和变温。 1、恒温传热温度差： 连续稳定的恒温 传热是指两流体经传 热壁面进行热交换时， 沿壁面上两流体的温 度不仅不随时间变化， 同时也不随壁面不同 位置而变化。 由于两种流体的温度均保持不变，传热温度差可简单表示为：,式中：T、t 分别为热流体和冷流体的温度。 2、变温传热温度差： 连续稳定的变温传热时，传热壁面各点的温度不随时间而变化，但随

22、传热位置不同而不同。因此，传热面各点的传热温度差在大多数情况下也不相同。,如何计算稳定变温传热的温度差，实际上是求平均温度差（tm）的问题。由于换热器内两种流体的温度都发生变化，因此平均温度差不仅与两股流体进出口温度有关，而且还与其相对流动方向有关。 工业上常见的流动方式有四种： (1) 并流： (2) 逆流：,(3) 错流： (4) 折流： 计算平均温度差的方法有下述两种： (a) 算术平均温度差： 设换热器进口处两流体的温度差为t1，出口处两流体的温度差为t2，则算术平均温差为：,逆流时：t1 = T1-t2，t2 = T2-t1 并流时：t1 = T1-t1，t2 = T2-t2 算术平

23、均温差适用于初始传热温度差与最终传热温度差间相差不到一倍时，即t1/t22和t2/t12。其计算误差只有1-2%，最大不超过4%。 (b) 对数平均温度差： 当t1/t2之值较大（2）时，应采用对数平均温差才能较确切反映温度变化的实际情况。其计算式为：,式中：t1、t2分别为流体在换热器进、出口两端的温度差。 并流时：t1 = T1-t1，t2 = T2-t2 逆流时：t1 = T1-t2，t2 = T2-t1 上式只适用于逆流和并流的计算。 在某一化工生产流程中，换热器采用一种高温流体来预热原料液，将原料由25预热到180，而高温流体经过换热，由300降至200。试计算采用逆流操作与采用并流

24、操作时的平均温度差，并进行比较。,例,解：已知：T1 = 300，T2 = 200 t1 = 25，t2 = 180 逆流时：t1 = T1-t2 = 300-180 = 120() t2 = T2-t1 = 200-25 = 175() 并流时：t1 = T1-t1 = 300-25 = 275() t2 = T2-t2 = 200-180 = 20() 因t1/t2 = 275/202，所以：,(),若q、K相同，则： 即并流操作所需传热面积为逆流操作时的1.5倍。 3、传热过程流体流向与平均温度差的关系： a、相同条件（如相同的流体和相同的起始及最终温度）下，逆流比并流有更大的平均传热推

25、动力-温度差，相应地只要较小的换热面积。,（）,b、并流换热时，冷流体受热后的极限温度总低于或接近于热流体换热后的最终温度。逆流换热时则不受此限制，冷流体受热后的极限温度只低于或接近于热流体的初始温度；热流体换热后的极限温度只高于或接近于冷流体的初始温度，热能能较充分地利用回收，相应地只要用较少量的传热介质（加热剂或冷却剂）就可以达到要求的传热效果。 c、并流传热有初期传热速率大，后期小的特点，在某些情况下有其独特的用处。此外，并流也用于换热时防止过热或过冷的场合。 四、总传热系数： 1、选用经验数据：,在热交换计算中，可以参照工艺条件相仿、设备类型相似，使用较成熟的生产实践中的总传热系数，选择适宜的数值进行计算。然后再进行核算，检验计算结果误差大小。 工业上常用的传热系数K的大致范围,2、实验测定K值： 在核算现有的换热器生产能力或进行新型换热器设计计算时，如果没有合适的工业上常用的传热系数经验数据，可以对现有换热器或模拟相仿条件的实验装置进行实际测定。从而可以计算出总传热系数值。 根据总传热方程式q=KAtm，其中现有换热器或实验装置的传热面积A是已知的；热流体和冷流体进出换热器的温度分别为T1、T2和t1、t2及质量流量M1和M2均可以实际测定；热流体和冷流体在测定温度范围的定压比热容Cp1