项目一：酒精回收生产中的预热器的选用 PPT

1、化工生产过程,物理变化,化学变化,三传一反,动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等） 热量传递（加热、冷却、蒸发、冷凝等） 质量传递（蒸馏、吸收、萃取等）,三传一反,化学反应过程,化工传热过程与控制,化学工程学院 韩文婧,1本课程的性质、内容、学习方法、考核等,11本课程的性质：化工技术类专业的重要专业核心课之一。 12本课程的主要内容：主要研究化工生产过程中与传热相关的单元操作的基本规律及运行控制。将化工单元操作过程中的传热部分与对应的化工设备、化工仪表及自动化的相关内容进行整合，同时与化工企业生产进行对接，设计：酒精回收生产中的预热器的选用、聚氯乙烯的干燥、硝酸钾的产品结晶等三大项目

2、，每个项目下面又分设子项目。 13学习方法：自主学习；任务驱动法；问题引导法；实践导向法；头脑风暴法等 14参考资料：化学工程手册系列；各种版本的化工原理教材；化工过程单元操作网络精品课程等；,项目学习内容,项目一 酒精回收生产中的预热器的选用 子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用 子项目二：预热器的工艺参数的确定 子项目三：酒精回收生产中的预热器的操作 子项目四：酒精回收生产中的预热器的选用及工艺尺寸的计算 子项目五：酒精回收生产中的DCS控制传热 项目二 聚氯乙烯的干燥 子项目一：聚氯乙烯的干燥工艺 子项目二：聚氯乙烯的干燥设备的选用 子项目三：聚氯乙烯的干燥操作 项目三 硝酸钾的产品

3、结晶,评价（考核）方法,（1）过程性考核的内容与要求 表1 过程性考核评分表,评价（考核）方法,（2）成绩评定 表2 学生成绩总评表,2项目学习情景,21产品的生产背景： 酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。主要用于食品、化工、军工、医药等领域。例如药用酒精(乙醇)是医疗单位和家庭药箱的必备药品，值得注意的是，不同的用途要求不同的浓度。95的酒精医疗单位常用于酒精灯、酒精炉； 7075的酒精可用于灭菌消毒；4050的酒精用于预防褥疮；2550的酒精用于物理退热。 2012年1-12月，中国酒精制造行业实现累计工业总产值25,656,601千元，比上年同期增长了52.48%；实现累

4、计产品销售收入24,727,596千元，比上年同期增长了55.67%，；实现累计利润总额1,222,718千元，比上年同期增长了100.82%。 2013年1-11月，中国酒精制造行业实现累计工业总产值33,921,257千元，比上年同期增长了38.41%；实现累计产品销售收入29,550,616千元，比上年同期增长了26.49%；实现累计利润总额1,132,282千元，比上年同期增长了25.44%。,2项目学习情景,22某化工集团介绍 某化工集团，下设化工厂、氯碱厂、树脂厂、制药厂四个生产厂家，分别生产如下产品：醋酸、甲基丙烯酸甲酯、苯酐、浓碱、PVC树脂、苹果酸、卡托普利、强力霉素等产品。

5、 化工厂需要用酒精作为溶剂，现有一套现存的酒精精馏装置，为了达到综合利用的目的，将用剩下的浓度较低的酒精回收来获得所需要的酒精溶液。年生产能力为30万t/a。 由于集团紧急上马，使得集团人手不够，委托化工1401、1402车间负责酒精回收生产过程。,3生产委托合同,由该化工集团与下属生产单位（化工1401、1402车间）签定酒精回收项目的委托协议书。 由化工1401、1402车间主任向完成各具体项目（或任务）的工段长分配任务，由工段长组织人员完成具体项目（或任务）。 老师作为化工1401、1402车间主任，化工1401、1402车间的学生作为车间工人（含技术员）。,4项目组织实施,对课内项目，

6、将围绕项目工作过程，每一工作小组需完成十几项工作任务，由小组长组织实施，最后对完成的结果要写出完整的操作规程和项目总结报告等。 项目实施过程中，培养同学们以“工作方案的制定”、“工艺条件的确定”、“操作规程的编制”、“安全正确地操作”、“工作效果的评估”等为工作过程导向的职业能力，培养劳动保护意识、团队协作意识、经济意识和节能环保意识，学习查阅图书与网络资料、学会资料整理等，注重自主学习能力的培养。,项目一 酒精回收生产中的预热器的选用,化工传热过程与控制,知识目标： 1、掌握传热操作的基本知识、基本理论与工艺计算；掌握传热过程的操作要领、常见事故及其处理方法；掌握热电阻、热电偶等常用温度测量

7、仪表的使用方法。 2、理解间壁传热的热阻构成、强化传热的方法与途径，设备与管道的热损失及其保温措施；理解列管式换热器的选型方法。 3、了解工业换热器的类型、结构、特点、操作原理及其适用范围，新型换热器的发展；了解工业上常用测温仪表的分类、结构、工作原理适用范围及安装维护；了解换热器的自动控制方案及其选用方法。,项目一 酒精回收生产中的预热器的选用,能力目标： 1、能根据生产任务对列管换热器、套管换热器、板式换热器等常用换热器实施基本操作，能正确使用各类常见的温度测量仪表和对换热器实施自动控制，并能根据生产工艺与设备特点制定传热过程的安全操作规程。 2、能运用传热基本理论与工程技术观点分析和解决

8、传热操作中诸如传热效率下降、振动、工艺介质控制参数不达标等常见故障。 3、能根据工艺过程需要正确查阅和使用一些常用的工程计算图表、手册、资料等，并进行必要的换热计算，如传热量的计算、载热体用量计算、平均传热温差计算、换热面积计算、对流传热系数与总传热系数的计算及列管换热器的选型计算。,项目一 酒精回收生产中的预热器的选用,素质目标： 1、帮助学生逐步建立工程技术观念，培养学生追求知识、严谨治学、勇于创新的科学态度和理论联系实际的思维方式； 2、培养学生逐步形成安全生产、节能环保的职业意识和敬业爱岗、严格遵守操作规程的职业操守； 3、培养学生团结协作、积极进取的团队合作精神。,项目一 酒精回收生

9、产中的预热器的选用,项目一 酒精回收生产中的预热器的选用,化工传热过程与控制,子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用,一、 传热在化工生产中的应用 热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。,传热方向： 传热极限： 传热推动力：,高温低温,温度相等,温度差,子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用,一、 传热在化工生产中的应用,传热在化工生产中的应用 为化学反应创造必要的条件（氨的合成反应（479 ） 为单元操作创造必要的条件（蒸发、干燥等） 提高热能的综合利用和余热的回收 减少设备热量（冷量）的损失,能量回收：节能减排、资源回用！ 同时，是化工厂提高经济效益

10、的一个重要措施！ 余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。,例如：钢铁行业烟气余热回收对比,余热没有回收,热交换器进行余热回收,一、 传热在化工生产中的应用,一、 传热在化工生产中的应用,传热的目的： 加热或冷却 换热/能量回用 保温,强化传热过程 削弱传热过程,1、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 固体的主要传热方式，分子无规则热运动，使相邻分子间传热，传热速率相对较慢。 特点：没有物质的宏观位移,气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格

11、结构的振动来实现的 液体 机理复杂,二、传热的基本方式,2、对流传热（热对流） 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。流体的主要传热方式；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。,3、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流 强制对流,能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 EaT4,三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，同时出现。,二、传热的基本方式,二、传热的基本方式,1、传热的几个概念,（1）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 特点：系统中不积累热量（输入输出）； 在传热方向上，传热速率为常数。 非稳态传热：各点

12、温度随时间而变,说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热,三、 工业换热方法,载热体的选用原则： 载热体应能满足所要求达到的温度； 载热体的温度调节应方便； 载热体的比热或潜热应大； 载热应具有化学稳定性，不会分解； 载热体必须操作毒性小、不易燃、不易爆、对设备腐蚀性小； 价格便宜，来源充分,1、传热的几个概念,（2）载热体及其选择,三、 工业换热方法,加热剂：热水、饱和水蒸汽 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热,1、传热的几个概念,（2）载热体及其选择,三、 工业换热方法,冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等,1、传热的几个概念,（2）载热体及其选择,三、 工业换热方法,套管式换热器,

13、冷溶液进,冷溶液出,热溶液进,热溶液出,工业生产中，用于热量交换的设备称为热量交换器，简称换热器。,2、换热方法类型,（1）间壁式换热,液体在间壁两侧流过，借助壁面的导热作用实现热量交换间壁式换热（间壁式换热器或表面式换热器或间接式换热器）。 特点：两流体不发生混合。,三、 工业换热方法,套管式换热器,2、换热方法类型,（1）间壁式换热,三、 工业换热方法,固定管板式列管式换热器,2、换热方法类型,（1）间壁式换热,三、 工业换热方法,冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。 特点：两流体直接接触，传热速率快，其传热面积大，设备简单。伴有传质。如凉水塔、热水塔。,2、换热方法类型,（2）

14、直接混合换热,三、 工业换热方法,冷热流体交替流过蓄热室的壁面，达到传热目的。 传热分三步：热流体壁冷流体 特点：设备结构简单，耐高温；设备体积庞大，热效率低，且不能完全避免两流体的混合。 用于高温气体热量的回收或冷却。,2、换热方法类型,（3）蓄热式换热,三、 工业换热方法,蓄热式换热器 1、2蓄热器；3蓄热体,该类换热器使用的最多,（一）换热器的分类,四、换热器结构与性能特点,管板、管束、封头、壳体,1、管式换热器,四、换热器结构与性能特点,（1）列管式换热器,（二）常用间壁式换热设备,单程列管式换热器 1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板,1、管式换热器,（1）列管式换热

15、器,双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,1、管式换热器,（1）列管式换热器,固定管板式换热器,适用场合: 壳方清洁,温差不大（70 ），压力不高（600kPa）,缺点: 壳程难洗,结构: 管板均固定焊接在壳体两端，管束两端固定在两管板上；常备膨胀节,1、管式换热器,优点: 成本低,（1）列管式换热器,浮头式换热器,适用场合:壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合。,优点: 热补偿好,易洗易修,缺点: 成本高,结构: 一管板自由,（1）列管式换热器,1、管式换热器,U形管式换热器,1、管式换热器,（1）列管式换热器,U形管式换热器,用途: 管方清洁,优点: 适高温高压,缺点:

16、管程难洗,管板利用率低,结构: 管子成U型,1、管式换热器,（1）列管式换热器,适用场合:管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管方清洁的场合； 高温高压气体换热。,沉浸式蛇管换热器,1、管式换热器,(2) 蛇管换热器,沉浸式蛇管换热器,强化措施：容器内加搅拌器，提高K传热系数,优点： 结构简单 管内能耐高压 缺点： 管外对流传热系数小,1、管式换热器,(2) 蛇管换热器,喷淋式蛇管换热器,优点： 结构简单 管内能耐高压 管外 比沉浸式大,缺点： 喷淋不易均匀 占地面积大,1、管式换热器,(2) 蛇管换热器,(3)套管式换热器,优点： 结构简单 能耐高压 K或tm大,缺点： 结构不紧凑S/V小 接

17、头多，易漏,1、管式换热器,适用场合:高温、高压及流量较小的场合。,(4)翅片管式换热器,增加S，增强管外流体的湍动来提高,1、管式换热器,(1)夹套式换热器,优点： 结构简单 缺点： S小 釜内小 强化措施： 釜内加搅拌 釜内加蛇管 外循环,用途: 反应过程的传热,结构: 壁外设夹套,2、板式换热器,(2)平板式换热器,2、板式换热器,优点： 结构紧凑 操作灵活 K大,缺点： 耐温、耐压差, 易漏 处理量小,(2)平板式换热器,2、板式换热器,适用场合： 需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑； 操作压力较低（一般低于1.5MPa）； 温度（-35200）,(3)螺旋板式换热器,优点： 结构紧凑

18、 不易结垢, 堵塞 K大 保持逆流, tm大,缺点： 压力, 温度不能太高 难以维修,2、板式换热器,(4)板翅式换热器,优点： 流体湍动程度高，K大； 结构紧凑，单位体积的S较大；,缺点： 易堵塞，清洗困难； 构造复杂,2、板式换热器,适用场合:低温和超低温的场合。可用于各种情况下的热交换， 也可用于蒸发或冷凝。,特点：,传热高效且稳定；,结构简单；,应用范围广,3、热管式换热器,原理： 管子的内表面覆盖一层具有毛细结构材料做成的芯网，由于毛细管力的作用，液体可渗透到芯网中去。当加热段吸收热流体的热量受热时，管内工作液体受热沸腾，产生的蒸气沿管子轴向流动，流至冷却段时向冷流体放出潜热而冷凝，

19、冷凝液沿着吸液芯网回流至加热段再次受热沸腾。如此反复循环，热量则不断由热流体传给冷流体。 适用场合：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠等。,3、热管式换热器,GB 1511999钢制管壳式（即列管式）换热器,五、管壳式换热器的标准,公称直径（DN） 卷制圆筒：内径 （mm） 钢管制圆筒：外径 （mm） 公称传热面积（A）：经圆整后的计算传热面积。 以传热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和（m2）。 公称长度（LN）：传热管长度。（m） 直管：LN直管长度 U形管：LNU形管直管段长度,列管换热器型号表示方法,五、管壳式换热器的标准,项目一 酒精回

20、收生产中的预热器的选用,化工传热过程与控制,子项目二： 预热器的工艺参数的确定,稳态传热：,两流体通过间壁的传热过程,间壁,任务1：热负荷和加热蒸汽量的计算,子项目二： 预热器的工艺参数的确定,式中 K 总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q 传热速率，W或J/s； S 总传热面积，m2； tm 两流体的平均温差，或K。,传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热管长度不同位置的温度差不同，通常在传热计算时使用平均温度差，以 表示。经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积S和两流体的温度差 成正比。即得总传热速率方程（传热基本方程）为：,一、总传热速率方程,任务1：热负荷和加热

21、蒸汽量的计算,传热过程的基本问题,1、载热体用量的确定 2、设计新的换热器 3、核算现有换热器的传热性能 4、强化或削弱传热的方法,解决这些问题需要 两个基本关系式,热量衡算式,传热速率关系,Q吸=Q放，忽略过程热损失,一、总传热速率方程,1、传热速率与热负荷 （1）热负荷Q：当生产上需要加热或冷却某物料时，要求换热器在单位时间 内向该物料输入或输出一定的热量，这是生产对换热器换热 能力的要求，称为该换热器的热负荷。 热负荷：生产上要求换热器必须完成的生产任务。 （2）传热速率：换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力， 由换热器自身决定； 关系：传热速率热负荷 换热器未选定，传热速率

22、无法确定，可先由生产任务求得热负荷，代替传热速率，再考虑一定的安全裕量。,二、热量衡算,二、热量衡算,（1）热量衡算：,2、热量衡算与热负荷的确定,（2）热负荷的确定： 、无热损失： 、存在热损失：,二、热量衡算,2、热量衡算与热负荷的确定,（3）传热量的计算：,其中 Wmh，Wmc 热、冷流体的质量流量， kg/s或kg/h； cph，cpc 热、冷流体的定压比热容， kJ/（kg K）据换热前后液体的平均温度查取或计算； rh，rc 热、冷流体的汽化潜热， kJ/kg （手册中查取）； H1 ， H2 热流体进、出状态时的比焓，kJ/kg（手册中查取或计算）；（或用 Ih1，Ih2 表示）

23、 h1 ， h2 冷流体进、出状态时的比焓，kJ/kg；（或用Ic1，Ic2 表示）,显热法（比热法）：无相变，仅温度变,二、热量衡算,2、热量衡算与热负荷的确定,（3）传热量的计算：,潜热法（相变）：无温度变，仅相变,焓差法：不需考虑是否有相变,二、热量衡算,2、热量衡算与热负荷的确定,（3）传热量的计算：,传热量为两者之和：,两步法：既有温度变，又有相变,其中 T饱 冷凝液的饱和温度，K,二、热量衡算,3、载热体用量的计算,方法：Wmh或Wmc的计算，可先据其中一载热体计算出Q，再利用热量衡算式计算另一载热体的流量。,作业：P102 二、1、2,例1：现将1000kg/h,比热容为3.86

24、kJ/(kg.k)的豆芽汁通过一换热器,从600C冷却到320C,已知冷却水的初温为250C,终温不超过300C.若Q损可忽略,试求该换热器的热负荷及冷却水的用量。,解:热负荷Q,因Q损忽略,则Q=Q热=Q冷,冷却水用量： 因Q损忽略,则Q热=Q冷=WmCCCP（t2-t1),二、热量衡算,3、载热体用量的计算,例2：某换热器用120kPa的饱和水蒸气加热糖液，糖液走管内,蒸汽在管外冷凝为饱和温度下的液体，150Bx的糖液流量为20000kg/h，比热容为3.894kJ/(kgk)，550C被加热至850C。若设备的热损失估计为Q冷的5%，求热负荷及加热蒸汽的耗用量。,解：(1)热负荷Q 依题

25、意知，Q=Q管内=QC, 150Bx糖液的Cpc=3.894kJ/(kg.k)。 则,(2)蒸汽耗量Wh 由题意知:Qh=Qc+QL=Qc+0.05Qc =1.05Qc,饱和水蒸汽在换热过程中仅发生相变化,即放出汽化潜热.由附录查得120kPa的饱和水蒸气的汽化潜热 rh=2246.8kJ/kg. 则W m hrh=1.05Qc, 故饱和水蒸气消耗量为:,二、热量衡算,3、载热体用量的计算,任务2：预热器的温度和流动方向的确定,一、流体的流动方式,二、流体流入空间的选择,1、管程流体,(1) 不洁净或易结垢的流体宜走管内，因为管子清洗较方便。 (2) 腐蚀性流体宜走管内，以免管子和壳体同时被腐

26、蚀。 (3) 压力高的流体宜走管内，以免壳体受压，且可节省壳体金属消耗量。 (4) 有毒有害的流体宜走管内，易防止或减少泄漏。 (5) 高温加热剂与低温冷却剂宜走管内，以减少设备的热量或冷量的损失。 (6) 需要提高流速以增大膜系数的流体宜走管内，可采用多管程来增大流速。,二、流体流入空间的选择,2、壳程流体,(1) 饱和蒸汽宜走管间，以便及时排除冷凝水。蒸汽冷凝的膜系数很大，可使管和壳的温度都接近蒸汽的温度，这样能减小管壳间的温差应力；且能提高冷凝传热膜系数。 (2) 被冷却的流体宜走管间，便于散热，增强冷却效果。 (3) 粘度大的液体宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程中流动，流速与流向不断

27、改变，在低Re(Re100)的情况下即可达到湍流，以提高传热效果。,任务单： A1-2-1、 A1-2-2,任务3：传热温度差的计算和传热系数K的初选,一、传热温度差的计算,1、恒温传热,并、逆流,逆流,并流,2、变温传热,tm与流体流向有关,一、传热温度差的计算,以冷、热流体均无相变、逆流流动为例推导tm ：,假设：（1）稳态流动，qm1、 qm2为常数； （2）cp1、cp2为常数； （3）K沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。,对于微元：,并、逆流,2、变温传热,对数平均温度差,讨论：,换热器两端热、冷流体的温度差,(2)若,(3) 也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况,一、传热温度差

28、的计算,对数平均值：,算术平均值：,几何平均值：,逆流,并流,并、逆流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,间壁一侧流体有相变,并、逆流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,错、折流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,错、折流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,错、折流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,对数平均温度差校正系数,错流时温度差校正系数值,错、折流,2、变温传热,一、传热温度差的计算,例： P32 例1-4,3、不同流向传热温度差对比,一、传热温度差的计算,（1）参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某

29、液体沸腾等。tm的大小与流向无关，即： tm 并 tm 逆 tm 错、折， t1.0,（2）逆流 两侧变温： tm 逆tm 错、折tm 并 当换热器的传热量及总传热系数一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。 因为逆流时T2 可以低于t2，所以与并流比较，可以节省加热介质或冷却介质用量。若工艺上无特殊要求，应尽量采用逆流操作。,一、传热温度差的计算,3、不同流向传热温度差对比,（3）并流 如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。,（4）错流、折流 能使换热器结构比较紧凑合理。 一般， t0.8，当小于0.8时，可采用多壳程或多台换热器

30、串联,套管和列管式换热器，传热面积：,传热面积计算：,二、传热面积,三、总传热系数K的获取方法,1、取经验值 在进行换热器的传热计算中，常需要估算总传热系数。在不能进行理论计算时，常根据经验来选取经验值。,表 列管式换热器中的传热系数经验值,三、总传热系数K的获取方法,2、实验测定 已经在生产操作的换热设备，通过测定其传热温度差、热负荷、传热面积，计算出传热系数。实验测定可以获得较为可靠的K值。,3、公式计算,任务单： A1-2-3 作业：P102 6、9,1、有关热传导的基本概念,式中 t某点的温度，； x,y,z某点的坐标； 时间。,温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,(1)温度场

31、和等温面,一、传热基本理论,任务4：传热理论的理解和传热面积的计算,（一）热传导（导热）,不稳定温度场,稳定温度场,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,等温面互不相交 等温面上没有热量传递,1、有关热传导的基本概念,（一）热传导（导热）,(1)温度场和等温面,(2)温度梯度 相邻两等温面之间的温度差t与这两个等温面之间的距离n的比值的极限。,温度梯度是一个点的概念。 温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，它的正方向是温度增加的方向，与导热方向刚好相反。,1、有关热传导的基本概念,（一）热传导（导热）,（一）热传导（导热）,2、传导基本定律傅立叶定律,式中 dQ 热

32、传导速率，W或J/s； dS 导热面积，垂直于热流方向 的截面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 热导率或导热系数， W/(m)或W/(mK)。,负号：表示传热方向与温度梯度方向相反,表征材料导热性能的物性参数。 越大，导热性能越好,用热通量来表示：,对一维稳态热传导：,t / ,6,4,3,2,1,7,8,l / m,i时间,导热过程示意图,是分子微观运动的宏观表现,为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义) 物质的越大，导热性能越好, = f (结构,组成,密度,温度,压力）,来源： 实验方法测定 ，工业上常见物质的导热系数可从有关手册中查得,在热传导过程中，因物质各处温度不同，

33、也就不同，所以在计算时应取最高温度t1下的1与最低温度t2下的2的算术平均值，或由平均温度t=(t1+t2)/2求出值。,3、热导率,（一）热传导（导热）,固体、液体、气体的导热系数,物质种类 导热系数 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 0.0050.5,3、热导率,（一）热传导（导热）,金属固体 非金属固体 液体 气体,（1）固体热导率,金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料 10-210-1 W/(mK),在一定温度范围内（对多数匀质固

34、体）：,对大多数金属材料：温度系数a 0 ， t ， （冰例外）,3、热导率,（一）热传导（导热）,金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下，越大， 越大。,式中 0、 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。,0.090.6 W/(mK),金属液体较高，非金属液体低； 一般来说，纯液体的大于溶液 非金属液体水的最大； 水和甘油：t ， 其它液体：t ，,t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。,0.0060.4 W/(mK),（2）液体热导率,3、热导率,（一）热传导（导热）,（3）气体热导率,(1)单层平壁的稳态热传导,假设： 材料均匀，为常数；

35、 一维温度场，t 仅沿x 变化； S/ 很大，忽略端损失。,边界条件： x=0时，t=t1; x=时，t=t2 且t1t2,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,由假设可知：为稳态一维热传导，根据傅里叶定律,分离变量后积分,得导热速率方程式,或,(1)单层平壁的稳态热传导,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,例1有一单层平壁S=20m2，=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC，材料导热系数=0.815+0.00076t (t：oC，:W/(moC)。试求平壁Q和q。,解:,(1)单层平壁的稳态热传导,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,(2)多层平壁的稳态热传

36、导,假设： (1)S/很大，忽略端效应； (2)材料均匀； (3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。 (4)各层接触良好，接触面两侧温度相同。,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,推广至n层：,延伸：各层的温差之比,(2)多层平壁的稳态热传导,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,思考： 厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。,4、平壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,例有一燃烧炉，炉壁由耐火砖、保温砖、建筑砖3种材料组成，相邻材料之间接触密切。已知耐火砖1=150mm，1=1.64W/(m.k)；保温砖：2=310mm，2=0.15W/(

37、m.k)； 建筑砖：3=240mm, 3=0.75 w/(m.k)。今测得耐火砖的内壁温度tw1=875,建筑砖外壁温度tW4为88。求：（1）单位面积的热损失；（2）各层材料接触面上的温度；（3）各层温度差和热阻的关系。,解：（1）单位面积的热损失。,（2）各层材料接触面上的温度,（3）各层温度差和热阻的关系 耐火砖层：,保温砖层：,建筑砖层：,计算结果列表如下：,从表中可以看出，在稳定导热过程中，某一层的热阻越大分配于该层的温度差越大，即温度差与热阻成正比。,例锅炉钢板壁厚 1 =20mm,导热系数 1 =58W/（mK);若粘附在锅炉内壁的垢厚 2 =1mm,水垢的导热系2=1.16W/

38、(mK)。已知锅炉钢板外表面温度为 tW1 =2500C，水垢的内表面温度为 tW3=2000C，求锅炉每平方米表面积的导热速率及钢板与水垢相接触一面的温度 tW2 。,解：,因,则,水垢所产生的热阻在总热阻中占比例为,可见，水垢厚度虽然很薄，但因其导热系数很小，所产生的热阻在总热阻中占比例却很大。所以，在实际操作中，要设法清除锅中水垢，以提高传热速率。,特点： 传热面积随半径变化 S=2rl (2) 一维温度场，t 沿r 变化。,(1)单层圆筒壁的稳态热传导,5、圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,dt,傅立叶定律：,边界条件：,得：,设不随t 而变,(1)单层圆筒壁的稳态热传导,（一

39、）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,补充：在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r 无关，但热流密度q，却随坐标r 变化。,工程上为了计算方便，常按单位圆筒壁长度计算导热速率，记为ql,(1)单层圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,写成与单层平壁类似形式的计算式：,对数平均值：,算术平均值：,几何平均值：,(1)单层圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,例有外径为426mm的水蒸气管路，管外覆盖一层厚为400mm的保温层。保温层材料的热导率=0. 5 W/(mK)。水蒸气管路外表面温度为150oC, 保温层外表面温度为40oC。试计

40、算该管路每米长的散热量。,解:r10.426/20.213m， r20.213+0.40.613m， t1150，t240， =0. 5 W/(mK),(1)单层圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,(2)多层圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,例在一 的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热率为=0.07W/(moC)，外层为20mm的石棉层，平均导热率为=0.15W/(moC)。测得管内壁温度为500oC, 最外层表面温度为80oC，管壁的热导率=45W/(moC) 。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。

41、,解: (1) 每米管长的热损失,此处，r1=0.03-0.0035=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m,(2)多层圆筒壁的稳态热传导,（一）热传导（导热）,5、圆筒壁的稳态热传导,(2) 保温层界面温度t3,（一）热传导（导热）,（1）现象,湍流状态下，流体主体中的质点能快速的混合，但靠近壁面处存在着一层作层流流动的层流底层，象薄膜一样盖住管壁。 层流内层和湍流主体间存在着缓冲层（过渡区）。,（二）对流传热,1、对流传热过程,S1,S2,传热壁面,热流体,冷流体,Q,温度,传热方向,主体,过

42、渡区,过渡区,主体,层 流,（二）对流传热,1、对流传热过程,t,tW,TW,T,（2）各层传热方式,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,层 流,（二）对流传热,牛顿冷却定律,2、对流传热基本方程牛顿冷却定律,（二）对流传热,假设：流体有一厚度为膜的虚拟膜层，此膜层集中了流体与壁面间的全部传热温度差，并以热传导的方式进行传热。则由傅立叶定律得：,或,式中： Q 对流传热速率，W； 对流传热系数， W/(m2K)； 物理意义：当流体与壁面温度差为1k的时候，单位时间，单位面积以给热方式传递的热量； t 流体与壁面间的平均温度差，K

43、或。,式中： 1、2 热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； S1、S2 热、冷流体端的对流传热面积，m2； T 、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及平均壁温，。,冷流体：,热流体：,牛顿冷却定律,2、对流传热基本方程牛顿冷却定律,（二）对流传热,牛顿冷却定律可用于传热壁面温度的估算：,当S1S2，Twtw时，由上两式可得,传热壁面温度总是接近膜系数较大侧流体温度。,影响对流传热系数的因素,流动状态 湍流 层流,引起流动的原因,强制 自然,3、对流传热系数,（二）对流传热,它反映了对流传热的强度。，对流传热强度，对流传热热阻。,流体的物性 ，cp，,是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾

44、相变 无相变,传热面的形状，大小和位置 形状：如管、板、管束等； 大小：如管径和管长等； 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）； 管或板是垂直放置还是水平放置。,3、对流传热系数,（二）对流传热,影响对流传热系数的因素,获得给热系数的方法 (1)解析法 对所考察的流场建立动量传递、热量传递的衡算方程和速率方程，在少数简单的情况下可以联立求解流场的温度分布和壁面热流密度，然后将所得结果改写成牛顿冷却定律的形式，获得给热系数的理论计算式。这是对流给热过程的解析法。(比如：管内强制层流) (2)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。

45、(比如：蒸汽管外冷凝) (3)因次分析法 将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，在对流给热中广为使用。 (常用) (4)实验法 对少数复杂的对流给热过程适用 。(比如：沸腾给热),4、对流传热的特征数关系式,（二）对流传热,4、对流传热的特征数关系式,无相变化的对流传热过程，影响此过程的因素有： 流体的物理性质： ，cp 固体表面的特征尺寸：l 强制对流的流速：u 自然对流的特征速度：,（二）对流传热,变量总数：8个 基本因次4个：长度l，时间T，质量M，温度 根据定律，无量纲特征数（8-4）=4,定律,对于u个基本单位给出的q 个物理量，它

46、们之间的关系可以通过 qu 个无量纲单位组合数组成一个函数式来进行表达。,4、对流传热的特征数关系式,（二）对流传热,或,努塞尔(Nusselt)数,雷诺数(Reynolds)数,普朗特(Prandtl)数,格拉斯霍夫(Grashof)数,采用无因次化方法可将上式转化成无因次形式：（有量纲无量纲）,4、对流传热的特征数关系式,（二）对流传热,Reynolds，流动型态对对流传热的影响,Grashof，自然对流对对流传热的影响,4、对流传热的特征数关系式,（二）对流传热,注：因次分析的结果无法得到最终的表达式，只能用实验的方法得到参数的具体值，也称为半理论、半经验的方法。,一般形式：Nu=f (

47、Re, Pr, Gr) 简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr),使用准数关联式时注意：,一般定性温度的取法：,（2）特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。 管内强制对流传热， 平壁：l，圆管：d，非圆管：当量直径de,（3）准数关联式的适用范围：能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。,（1）定性温度：确定物性参数数值的温度。,4、对流传热的特征数关系式,（二）对流传热,高粘度流体：用壁温作粘度定性温度 冷凝传热：,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热,（1）流体在管内强制对流传热 圆形直管强制对流时的对流传热系数,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热,a 、低黏度流

48、体强制湍流：, 、特征尺寸：管内径di, 、定性温度：,强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响：选大的流体 , 、n的取值：,流体被加热：,流体被冷却：,注意事项： 、适用范围：Re104，0.760,（二）对流传热,a 、低黏度流体强制湍流：,注意事项： 、适用范围： Re10000，0.760 、定性温度：tm 、特征尺寸：di,b、高黏度流体强制湍流：,（1）流体在管内强制对流传,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热, 、,（2000Re10000) ,c、强制过渡流：,圆形直管强制对流时的对流传热系数,l/d60 , ,（1）流体在管内强制对流传热,5、流体

49、无相变时的对流传热,（二）对流传热,弯管强制对流时的对流传热系数,短管强制对流时的对流传热系数,（1）流体在管内强制对流传热,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热,非圆形直管强制对流时的对流传热系数,b、根据实验确定经验式： 例如：套管环隙,a、代入当量直径de（准确性较差）,例常压下，空气在管长为4m，管径为 的钢管中流动，流速为15m/s，温度由150oC升至250oC。试求管壁对空气的对流传热系数。,解: 定性温度t=(150+250)/2=200oC，可查得该温度下空气的 物性数据：,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热,所以，可用圆形直管强制湍流时的对流传热系数公式计算，

50、本题中空气被加热，n=0.4,5、流体无相变时的对流传热,（二）对流传热,（2）流体在管外强制对流传热*,蒸汽冷凝方式,a、膜状冷凝,b、滴状冷凝,滴 膜,冷凝过程的热阻冷凝液膜,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,蒸汽冷凝方式,a、膜状冷凝,b、滴状冷凝,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,膜状冷凝时的对流传热系数,a、水平管束外,定性温度：tSr，其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数 r比汽化热,特征尺寸：管外径do,t = ts-tw，饱和温度与壁面温度之差,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（

51、二）对流传热,b、蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,膜状冷凝时的对流传热系数,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,de当量直径 S冷凝液流的流通面积 b冷凝液的润湿周边 wm冷凝液的质量流量 冷凝负荷。单位时间、单位润湿周边上渡过的冷凝液量。kg/（ms） b冷凝液的润湿周边,b、蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,层流,Re2000,Re2000,湍流,膜状冷凝时的对流传热系数,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,a 、流体物性：， ， r b、不凝气体 ：不凝气体存在，导致 ，需定期排放。,c、蒸汽流速与流向 （u10m

52、/s ） 同向时，t， ；反向时， t， ； u ， d、蒸汽过热： r=r+cp(tv-ts) 影响较小,影响因素和强化措施,（1）蒸汽冷凝时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,e、冷凝壁面的形状和位置。 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。,沸腾,管内沸腾 大容器内沸腾,沸腾必要条件： 过热度 t =（tts）0 存在汽化核心,大容器饱和沸腾现象,推动力 （twts） 沸腾三个阶段： 自然对流、核状沸腾、 膜状沸腾,（2）液体沸腾时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热

53、,E,a、,液体轻微过热自然对流无气泡 很小,AB段 自然对流,b、,局部产生气泡气泡上升 液体扰动,BC段 核状沸腾,气泡增多 气泡产生速度脱离表面的速度 不稳定的气膜 ,c、,CD段 膜状沸腾 C点：临界点,工业上采用核状沸腾：大，tW小,大容器饱和沸腾现象,（2）液体沸腾时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,E,大容器饱和沸腾现象,（2）液体沸腾时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,a、液体的性质：,b、温度差：核状沸腾阶段: t2.5， t c、操作压力：,d、加热面：新的、洁净的、粗糙的加热面，大,强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；

54、 加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,影响因素及强化措施,（2）液体沸腾时的对流传热,6、流体有相变时的对流传热,（二）对流传热,（1）无相变时的对流传热,7、提高对流传热系数的措施,（二）对流传热,强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 另： 流体流向不断改变 如：光滑变不光滑、填料、加档板、改变管程或壳程数,（2）有相变时的对流传热,（二）对流传热,强化措施： 液体沸腾传热：使加热表面粗糙化，或加入乙醇等添加剂 蒸气冷凝传热：及时排除冷凝液和不凝性气体，或在管壁上开纵向沟槽或装金属网（阻止液膜的形成）,7、提高对流传热系数的措施,二、总传热系数的理论计算,K的三

55、种获取方法： 1、取经验值 2、实验测定 3、公式计算,（一）传热系数K计算式,1.传热面为平壁,S=Si=Sm=So,2.传热面为圆筒壁 （管内径为di，外径为do）,（一）传热系数K计算式,（1）以间壁（平均传热面积）为基准,(3)以圆筒外表面为基准,(4) 工程上习惯以外表面为基准，Ko=K 对于薄管壁或筒径较大：,(2)以圆筒内表面为基准,（一）传热系数K计算式,2.传热面为圆筒壁,平壁,1.圆筒壁：,2. 平壁或薄的圆筒：,3.间壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污垢热阻也可忽略。,内侧为控制热阻,外侧为控制热阻,（二）污垢热阻,(1)对于圆筒外壁,(2)对于圆筒内壁,例1： 某列管换

56、热器由 的钢管组成，热空气走管程，冷却水走壳程，和空气呈逆流流动。已知管内空气侧的 管外水侧的 , 钢的 试求（1）基于管外表面积的传热系数 K0； （2）按平壁计的传热系数K。,解：（1）求K0 参考表16，取空气侧的污垢热阻 水侧的污垢热阻,（2）按平壁计算K,以上计算结果表明，在本题条件下，由于管径较小，若按平壁计算传热系数K，误差较大，其误差为：,例2： 某加热器的管壁厚3mm，管材是钢制，可取为 45w/(m.k) ，已知管内流体的ai=2500w/(m2K) 管外流体 a0 =10000w/(m2k) ；长久使用发现管内壁覆盖有一层污垢，其热阻查表知Ri=0.27810-3m2k/

57、w。试以平壁计算污垢热阻生成后对K值的影响,（3）污垢生成后K值下降,可见，在计算K值时一般不能忽略污垢热阻。,解：（1）按平壁计算，当污垢未生成时,（2）污垢生成后,由 ，要增大热量Q，可通过提高K，S，,1、增大传热平均温度差,（1）两侧变温情况下，尽量采用逆流流动 （2）提高加热剂T1的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）；降低冷却剂t1的温度。 （3）增加壳程数。,三、强化传热的措施,（1）尽可能利用有相变的热载体（大） （2）用大的热载体，如液体金属Na等 （3）减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻； （4）提高较小一侧有效 提高的方法： 无相变传热： a.增大流速，增加流体的扰动，以减薄滞流底层； b.管内加扰流元件； c.改变传热面形状和增加粗糙度。,三、强化传热的措施,2、增大K,光直翅片,锯齿翅片,多孔翅片,三、强化传热的措施,3、增大传热面积S （1）直接接触传热：可增大S 和湍动程度，使Q； （2）采用高效新型换热器 几种强化传热管和板翅式换热器的翅片 ：