化工原理(天大版）（上册）第四章 传热.ppt

1、第四章 传热,4.1 概述,热传递的三种基本方式 热传导 热对流 热辐射 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 直接接触式换热 蓄热式换热 间壁式换热,4.1 概述,典型的间壁式换热器 套管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器,4.1 概述,热载体及其选择 载热体的温度易调节控制 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 价格便宜，来源容易,4.2 热传导,4-2-1 基本概念及傅立叶定律,一 温度场和温度梯度 温度场,非定态温度场：,定态温度场：,定态的一维温度场,等温面,任何温度不同的等温面彼此不相交,在等温面上的任何点之间无热量传递,

2、不同温度的等温面之间有热传递,温度梯度 t和t+t两等温面间的垂直距离n,温度梯度是向量，其正方向垂直于等温面为温度升高的方向,二 傅立叶定律 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面成正比,Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，W,S：等温面的面积，m2, ：导热系数，W/（m ）,4-2-2 导热系数,导热系数的物理意义,热通量, ：单位温度梯度下的热通量,金属 非金属 液体 气体,为物质的物理性质,4-2-2 导热系数,固体导热系数 金属 纯度：纯度越高越大 T： T 非金属 ： T：T 大多数固体： = o（1+t） 对于金属， 0 液体导热系数 气体导热系数 T： T

3、P： P ,4-2-3 通过平壁的稳态热传导,单层平壁的热传导,假设：,为常数或取壁面范围内的平均值,平壁面积与厚度相比无限大,根据傅立叶定律：,平壁间的热传导公式,m2 /W,4-2-3 通过平壁的稳态热传导,多层平壁的热传导,t1 t2 t3 t4,定态导热时，Q=Q1=Q2=Q3,4-2-3 通过平壁的稳态热传导,多层平壁的热传导 接触热阻,4-2-4 圆筒壁的热传导,单层圆筒壁的热传导,温度仅沿半径方向有变化，且为定态的一维热传导,取半径为r，厚度dr，温度差dt的微圆筒,传热面积：2rl,根据傅立叶定律：,单层圆筒壁的热传导公式,4-2-4 圆筒壁的热传导,把单层圆筒壁的热传导写成平

4、壁热传导形式,rm为圆筒的平均半径,rm：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径,4-2-4 圆筒壁的热传导,Sm的另一种表示方式,圆筒壁热阻的另一种表示方式,对数平均值,x1/x2比值越大时，（对数平均值/算术平均值）越大,当x1/x2 =2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为4%,当x1/x2 2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于4%,当x1/x2 2时，可用算术平均值代替对数平均值,4-2-4 圆筒壁的热传导,多层圆筒壁的热传导,b1=r2-r1， b2=r3-r2， b3=r4-r3,说明,Q1=Q2=Q3=Q4,Q=2r1Lq1= 2r2Lq2= 2r3

5、Lq3,r1q1=r2q2=r3q3,q1q2 q3,4.3 对流传热概述,对流传热 流体与流体间传热 流体与固体壁面间的传热 对流传热的分类 流体无相变的对流传热 强制对流传热 自然对流传热 流体有相变的对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾,4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数,对流传热速率方程,牛顿冷却定律, ：平均对流传热系数，W/（m2）,Q：对流传热速率，W,4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数,对流传热系数的物理意义,单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率,影响对流传热系数的因素：,流体有无相变,流体流动的原因,流体流动状态,流体的物性,传热壁面的情况,4-3-2 对流传热机

6、理,对流传热分析,4-3-2 对流传热机理,热边界层,tw-t=0.99（tw-t）,边界层后度：t,流动边界层 热边界层t,4-3-3 保温层的临界直径,传热过程：保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流传热,4-3-3 保温层的临界直径,当ri不变、保温层厚度增加时：,ro ，R1 ,ro ，有可能使R1+ R2 ,dc：临界直径,当dodc时，保温层的厚度do ，热损失,当do dc时，保温层的厚度do ，热损失,结论：对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，需核算是否do dc,第四节 传热过程计算,化工计算中的两种衡算方程 热量衡算方程 传热速率方程,总传热速率方程,总推动力：T-t

7、,总阻力：R1+R2+R3,Q热流体放出= Q冷流体吸收+ Q损失,4-4-1 能量衡算,对间壁式换热器能量衡算,换热器中冷热流体都没有相变化,换热器中流体有相变,换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,总传热速率微分方程,总传热速率微分式,总传热热阻,冷流体与间壁的对流传热热阻,管壁的热传导热阻,热流体与间壁的对流传热热阻,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,用管壁的内外或平均传热面积表示的总传热速率方程,工程上常用管壁的外传热面积为基准进行计算,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,总传热系数 总传热系数的计算方法 假设热流

8、体走管程，冷流体走壳程,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,污垢热阻,管壁内外侧表面上的污垢热阻分别为Rsi和Rso,污垢系数,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,提高总传热系数途径的分析 当传热面为平面或管壁很薄时，di、do、dm相等或相近,当管壁的热阻和污垢热阻相对于对流热阻可忽略时,4-4-2 总传热速率微分方程和总传热系数,如果 i o,提高对流传热系数小的一侧的,如果 i与o 相差不大，必须同时提高两侧的,如果Rso与Rsi为总热阻中的控制因素，则必须减慢污垢的形 成速度或及时清理污垢,4-4-2 总传热速率微分方程和总传

9、热系数,总传热速率与热衡算式的关系 对总传热速率的微分式积分得Q=KS t,4-4-3 平均温度差法,恒温传热时的平均温度差 当换热器的管程和壳程都有相变化时 t=T-t Q=KS t 变温传热时的平均温度差,4-4-3 平均温度差法,逆流时的平均温度差 换热器的热量衡算微分式,Q-T、Q-t为直线关系,T=mQ +k，t=mQ+k ,两式相减得：,t= T- t =（m -m ） Q+（k-k ）,4-4-3 平均温度差法,又Q=KS tm,4-4-3 平均温度差法,并流时的平均温度差,4-4-3 平均温度差法,错流和折流时的平均温度差,Underwood和Bowman图算法,先按逆流时计算

10、对数平均温度差， 再乘以考虑流动方向的校正系数,tm= t tm,tm ：按逆流时计算的对数平均温度差, t：校正系数, t=f（P，R）,图4-19、图4-20,单壳程换热器,两壳程换热器,四壳程换热器,三壳程换热器, t1,流向的选择 两流体都为变温传热时,4-4-3 平均温度差法,Q=KS tm,逆流时的所需换热器的面积最小,逆流时可节省冷热介质的用量,逆流时，热流体出口温度T2可降至接近冷流体的进口温度t1，温降为（T1-t1）,并流时，热流体出口温度T2只能降至接近冷流体的出口温度t2，温降为（T1-t2）,4-4-3 平均温度差法,某特殊情况采用并流,当需提高总传热系数时，可采用折

11、流或错流等复杂流型,当两流体都为恒温传热时,流型的选择不会影响温差的大小,流型的选择可考虑K的大小而定,4-4-5 传热单元数法,设计计算 校核计算,Q=KS tm,试差法得Q、 T2、t2,已知T1、T2、t1、t2、Wh、Wc,Q=KS tm,S,设计计算,传热单元数法（NTU）,传热效率-传热单元数法（-NTU）,4-4-5 传热单元数法,传热效率 定义：,热流体最大温降： T1-t1,冷流体最大温升： T1-t1,热流体最大温降： T1-t2,冷流体最大温升： T2- t1,换热器内可能达到的最大温差为冷热流体的进口温差T1-t1,4-4-5 传热单元数法,最小值流体,若热流体为最小值

12、流体：,若冷流体为最小值流体：,4-4-5 传热单元数法,传热单元数(NTU) 定义,对于冷流体：,基于冷流体的传热单元数,基于热流体的传热单元数,4-4-5 传热单元数法,物理意义,当K为常数，推动力用tm表示时,KS： （Q/tm）换热器每1平均温度差的传热速率,WcCpc： Q/(t2-t1） 单位时间内冷流体每升高1所吸收的热量,每1平均温度差的传热速率为单位时间冷流体每升高 1所吸收热量的倍数,冷流体的温度变化相当于平均温度差的倍数,4-4-5 传热单元数法,传热单元数的另一种形式,HC的物理意义：,K越大，传热单元长度越短,一个单元长度可看作是换热器的一段,4-4-5传热单元数法,

13、（NTU）c=1,传热单元内冷流体的温度变化正好等于平均温度差,传热单元数的物理意义：,整个传热过程中，冷流体的温度变化为整个过程的平均温度差的多少倍,4-4-5 传热单元数法,传热效率和传热单元数的关系,单程并流的一定型式的换热器为例：,Q=KS tm,4-4-5 传热单元数法,若冷流体为最小值流体,写成的表达式,4-4-5 传热单元数法,4-4-5传热单元数法,若最小值流体为热流体，仍可推出与上相同的-（NTU）min 同样，逆流时的-（NTU）,当两流体之一有相变化时-（NTU）min,当流体的WCp相等时，两流体的进出口温差也相等-（NTU）min 可简化为,4-4-5传热单元数法,4

14、-4-5 传热单元数法,4-4-5 传热单元数法,4.5 对流传热系数关联式,流体的种类和相变化情况 流体的特性 导热系数 粘度 比热容和密度Cp 体积膨胀系数 流体的温度 流体的流动状态 流体流动的原因 传热面的形状、位置和大小,4-5-1 影响对流传热系数的因素,4-5-2 对流传热过程的因次分析,流体无相变时的强制对流传热过程 首先列出影响该传热过程的物理量 =f（l， ，Cp，u） 确定无因次准数的数目 定理：该过程的无因次准数的数目i 等于变量数n与基本因次数m之差。 变量数n=7， 基本因次数m=4（M、L、T） 准数数目i=n-m=7-4=3，用1 、2、 3 1 =（2、 3

15、） 确定准数的形式,4-5-2 对流传热过程的因次分析,列出物理量的因次,选择m个（基本因次的数目）物理量作为i个无因次准数 的共同物理量,m=4，i=3,不能包括待求物理量,不能选用因次相同的物理量,选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次,从7个物理量中选4个物理量，这4个物理量中必须包括L、M、 、T,本例中选l、 、u作为3个无因次准数的共同物理量,4-5-2 对流传热过程的因次分析,因次分析（将共同物理量与剩余的物理量分别组成无因次准数）,对1整理其因次,表示对传热系数的准数,确定流动状态的准数,表示物性影响的准数,1 =（2、 3 ）,4-5-2 对流传热过程的因次分析,自然

16、对流传热过程 自然对流传热引起流动的原因：单位体积流体的升力，gt =f（l， ，Cp，gt） 1 =（2、 3 ）,表示自然对流影响的准数,4-5-2 对流传热过程的因次分析,应用准数关联式应注意的问题 定性温度 取流体平均温度t=（t1+t2）/2 取壁面温度tw 取流体和壁面平均温度tm=（tw+t）/2 特征尺寸 传热当量直径,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,流体在管内作强制对流 流体在圆形管内作强制湍流 低粘度（大约低于2倍常温下水的粘度）液体，用迪特斯（Dittus）和贝尔特（Boelter）关系式,说明：,n的取值，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3,应用范

17、围：Re1x104，0.760,特征尺寸：di,定性温度： t=（t1+t2）/2,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,讨论（1）中n的取值 对于大多数液体，Pr1 被加热时， Pr0.4 Pr0.3，n=0.4 被冷却时， Pr0.3 Pr0.4 ，n=0.3,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,高粘度流体，用西德尔（sieder）和塔特（Tate）关联式,说明：,应用范围：Re1x104，0.760,特征尺寸：di,定性温度：w取壁温， 其余取t=（t1+t2）/2,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,流体在管外强制对流,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,流体在管束外强制

18、垂直流动（垂直于管束流动） 管束的排列方式 直列 错列 正方形 等边三角形,流体在错列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：,流体在直列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,说明 应用范围：Re 3000 特征尺寸：管外径do，流速u取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度 管束排数为10：若不是10，上述计算式需乘以表4-1所列系数,4-5-3 流体无相变时的对流传热系数,流体在换热器的管间流动,4-5-4 流体有相变时的对流传热系数,一、蒸汽冷凝,蒸汽冷凝方式 膜状冷凝 滴状冷凝,一、蒸汽冷凝,影响冷凝传热因素 冷凝液膜两侧的温度差t t，蒸汽冷

19、凝速率增加，液膜厚度， 流体物性：、 ，单位体积受力，流动快，膜厚， 膜厚， （通过膜导热） 若传热量一定，r，冷凝量，膜厚， 蒸汽的流速和流向 若同流，摩擦力使液膜加速，膜厚， 若逆流， 当摩擦力超过膜重力，液膜被蒸汽吹离壁面，此时气速， 不凝气含量的影响: 冷凝壁面的影响 壁面粗糙不平或有氧化层，使液膜厚， 管束的排列的影响,二 液体的沸腾,工业液体沸腾的方式 大容器沸腾：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾 管内沸腾 沸腾时的传热 随t（tw-ts）的不同而不同 当t5 ，自然对流 当t=525 ，泡核沸腾或泡状沸腾 当t25，膜状沸腾,4-5-5 壁温的计算,在间壁两侧流体的ti和to间设壁温tw 由于管壁一般都为热良导体，故可认为管壁内外温度相同 计算i和o 计算