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第三章 传热 第一节 概述 PowerPoint Presentation
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第三章 传热 第一节 概述

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第三章 传热 第一节 概述. 研究传热速率的方法 : 1 、根据因次分析或相似理论进行实验研究。 2 、建立数学模型以求得分析解或数值解,然后用实验加以修正,得出经验公式 。. 一、热量传递的三种基本方式 根据传热的机理不同,热量传递的基本方式分为三种: 导热、对流和辐射。. 1 、热传导(导热)

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第三章 传热 第一节 概述


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    Presentation Transcript
    1. 第三章 传热第一节 概述 研究传热速率的方法: 1、根据因次分析或相似理论进行实验研究。 2、建立数学模型以求得分析解或数值解,然后用实验加以修正,得出经验公式。 一、热量传递的三种基本方式 根据传热的机理不同,热量传递的基本方式分为三种: 导热、对流和辐射。 1、热传导(导热) 当物体内部或相邻两物体存在着温差时,由于分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递。热量由高温度的部分传到低温部分,或从高温物体传到与之相接触的低温物体,直到各部分温度相等为止,这种热量传递过程称为导热。

    2. 2、对流 当流体流经固体壁面时,由于流体与固体壁面之间相对运动而引起两者之间的热量传递的过程称对流传热(即对流)。 对流的形式可分为: (1)、自然对流:由于流体中各处的温度不同而引起密度的差别。轻者上浮,重者下沉,流体之间产生相对位移。 (2)、强制对流:由于泵、风机或搅拌等外力的作用使得流体质点强制运动。 3、热辐射 因物体本身的温度而产生的电磁场波在空间的传递,称为热辐射。 辐射传热的特点是: (1)、能量传递过程中有能量形式的转变 (2)、任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能

    3. 二、传热在化工生产中的应用 在化工生产中传热问题可以归为以下几类: 1、为了使物料满足生产规定的操作温度需要加热或冷却; 2、物料在输送或处理过程中有热量损失时需要保温; 3、由于节能的需要,对冷(热)量要回收利用。

    4. T φ T1 T+dT T T2 dx x δ 第二节 热传导 一、热传导方程 1、傅立叶定律 温度梯度,表示热流方向温度变化的强度,温度梯度越大,说明热流方向单位长度上的温差越大。 负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递.

    5. 2、导热系数 (1)、固体的导热系数 大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 λ=λ0(1+αλt) αλ--------温度系数 (2)液体的导热系数 液态金属:液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。 其他液体:水的导热系数最大,除水和甘油外,λ随温度升高略有减少,纯液体λ比其它液体的要大。 (3)气体的导热系数 气体的导热系数随温度升高而增大,随压强增大而增加。

    6. T φ T1 T2 x δ 二、传导传热的计算1、单层平面热传导 称为导热热阻 称为导热的推动力

    7. T φ T1 T2 T3 T4 x δ2 δ3 δ1 2、多层平壁的热传导 三层平壁的热传导速率方程: n层平壁的热传导速率方程: 各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。

    8. dr r1 T2 T1 r2 L 3、单层圆筒壁的热传导 单层圆筒壁的热传导速率方程 热阻为: 上式也可以写成与平壁热传导速率方程类似形式: 其中对数平均面积为: 对数平均半径为: 当r2/r1≤2时,

    9. Φ r2 r1 r3 T1 r4 T2 T3 T4 4、多层圆筒壁的热传导 三层圆筒壁的热传导速率方程 n层圆筒壁的热传导速率方程 ΔT=T1 –Tn+1

    10. 例:φ38×2.5的蒸汽管,导热系数λ1=50W·m-1·K-1,外包40mm厚的石棉绒,导热系数λ2=0.29W·m-1·K-1,若管内壁温度为140℃,石棉外壁温度为30℃,试求每米管长的热损失.若保持温度不变,使热损失减少60%,在石棉绒外再包一层保温灰,导热系数λ3=0.07W·m-1·K-1,计算保温灰的厚度为多少?例:φ38×2.5的蒸汽管,导热系数λ1=50W·m-1·K-1,外包40mm厚的石棉绒,导热系数λ2=0.29W·m-1·K-1,若管内壁温度为140℃,石棉外壁温度为30℃,试求每米管长的热损失.若保持温度不变,使热损失减少60%,在石棉绒外再包一层保温灰,导热系数λ3=0.07W·m-1·K-1,计算保温灰的厚度为多少?

    11. 第三节 对流传热 一、对流传热分析 1、层流底层,靠近壁面的流体,由于流体粘度作用,形成一薄层作层流流动膜 ,称为层流底层,热量传递主要是靠分子扩散运动以层流的方式进行,热阻主要集中在层流底层中,造成较大的温度降。 2、过渡区,在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区,该区的流体由于漩涡运动,而造成流体质点产生相对运动,热量传递除了以传导方式外,还有对流方式存在,故温度梯度逐渐变小。 3、湍流主体,流体质点的剧烈碰撞与混合,热量传递以对流方式为主,可以认为无热阻,温度梯度为零,各处的温度相等。

    12. 二、对流传热速率方程 热流体侧 冷流体侧 对流传热速率方程(又称牛顿冷却定律) 三、传热膜系数的影响因素 1、流体的流动状态 2、流体的对流状况 3、流体的物理性质 影响较大的物性有流体的比热、导热系数、密度和粘度。 4、传热表面的形状,大小和位置 5、流体相变的影响

    13. 四、流体在管内强制对流的传热膜系数 1、流体在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数1)、低粘度流体 迪图斯—贝尔特推荐的公式: 其中 当液体被加热(或气体被冷却):m=0.4 当液体被冷却(或气体被加热): m=0.3 传热膜系数计算公式 该式的适用条件: ①、Re > 104流体充分湍流 ②、Pr = 0.7 ~ 160 ③、μ<2×10-3Pa·s ④、l / d ≥ 50 对于l/d<50的短管,因管内流动尚未充分发展,层流底层较薄,热阻小,计算的α较小,要乘以[1+(d/l)0.7]加以校正.

    14. 使用关联式注意事项: (1)、定性温度:取流体进、出口温度的算术平均值,用来查取各物性参数。 (2)、特征尺寸d 分析: (1)、u增大,α增大,对强化传热有利。 (2)、当流量一定时,d减小,u增大,α增大,对强化传热有利。 对于流体在非圆形管道内流动和在列管式换热器内管间流动时α值的计算,其管内径以当量直径表示:

    15. 2)、高粘度流体 经验关联式: 当液体被加热时,取 当液体被冷却时,取 对于气体,不论是加热还是冷却,均取 定性温度:除粘度μW取壁温外,其余取流体进、出口温度的算术平均值。 适用范围:Re>104, Pr=0.5~100除液态金属以外的 各种液体

    16. d R 2、流体在圆形直管内作强制层流时的传热膜系数 当管径较小,流体与壁面间的温差较小,μ/ρ值较大时,自然对流对强制层流的传热影响可忽略,对流传热系数可用下列关联式计算: 应用范围:Re<2300,0.6<Pr<6700, 3、流体在圆形直管内呈过渡流时的传热膜系数 α′= f α 修正系数 4、弯管内呈强制对流时的传热膜系数

    17. 五、流体在管外强制对流的传热膜系数 Nu = CεRen Pr0.4 流体垂直流过管束外时 应用范围:Re=5×103~7×104,x1/d=1.2~5,x2/d=1.2~5 特征尺寸d为管外径,定性温度为Tm=(T进+T出)/2

    18. 六、自然对流的传热膜系数 特征数关联式为: Nu = C(Gr·Pr)n 注意事项: ①C和n见表3-3 ②特征尺寸:对于竖板或竖管取垂直高度L,水平管取外径d ③定性温度Tm:壁温和流体平均温度的算术平均值。 ④ β=1/ Tm ⑤ ΔT=Tw - T 格拉晓夫数

    19. T2′ T2 T1 T1′ 第四节 传热计算 化工生产中经常遇到物料通过管壁或容器器壁加热或冷却的传热过程。热流体以对流的方式传给固体壁面,而固体壁面内部以导热的方式把热量从一侧表面传给另一侧表面,然后再以对流的方式把热量传给冷流体,这个传热过程称为热交换。下面套管式换热器是间壁式换热器中最常用的一种。 传热速率方程: φ = K A △Tm

    20. 一、热量衡算 工业生产中要求流体温度的变化而吸收或放出热量称为热负荷。在稳定传热过程中,若忽略热损失,热量的衡算关系式为:热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。 热负荷的计算,可以分为两种情况: 1、无相变时的热负荷计算 热流体: φ放 = qmhCph ( T1 – T2) = qmh ( H1 – H2) 冷流体: φ冷 = qmcCpc ( T2′– T1′) = qmc ( H2′ – H1′) φ放= φ冷 qmhCph ( T1 – T2) = qmcCpc ( T2′– T1′) 其中qmh和qmc分别为热、冷流体的质量流量,kg/s或kg/h

    21. 2、有相变时的热负荷计算 饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体所放出的热量称为冷凝潜热 液体沸腾汽化为同温度下的饱和蒸汽所吸收的热量称为汽化潜热 φ = qm·r 其中r—气化潜热(或冷凝潜热)KJ / kg 若冷凝液的温度低于饱和温度时 φ = qm·[ r +cp(Ts – T2 ) ] Ts---冷凝液的饱和温度

    22. dA T dφ T′ 二、传热速率方程 1、总传热速率微分方程 通过换热器中任一微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程,可以仿照对流传热速率方程写出: dφ = K ( T – T′) dA = K △T dA 2、恒温传热 换热器间壁两侧流体的温度都是恒定,比如:蒸发器中,一侧为饱和蒸汽;另一侧为沸腾液体,它们之间传热就是恒温传热。 φ = K A △T = K A ( T – T′)

    23. 变温传热可以分为以下几种情况: ①间壁一侧流体为恒温,另一侧流体为变温。 如:用恒压蒸汽加热另一种流体,蒸汽温度恒定,流体为变温; 又如:用热流体加热另一种在较低温度下进行沸腾的流体,流体的沸腾温度保持恒定。 ②温a、并流,换热器中冷、热流体同向平行流动 度 b、逆流,换热器中冷、热流体反向平行流动 均c、错流,换热器中冷、热流体相互垂直流动 有 并流逆流交错Ⅰ 变d、折流 化 多次错流Ⅱ Ⅰ Ⅱ 3、变温传热

    24. T1 T1 T2 T2 T2′ T2′ T1′ T1′ T1 T2 T1′ T2′ T1′ T2′ T2 T1 并流、逆流时冷热流体沿传热面的温度变化情况 A、并流 B、逆流

    25. T1 dT T2 ΔT1 ΔT ΔT2 T2′ dT′ T1′ 1 2 dA 平均温差及其计算方法 微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程 dφ = K ( T – T′) dA = K △T dA 传热速率方程 对数平均温差 当△T1 / △T2 ≤ 2时,

    26. T1 T1 T2 T2′ T2 T1′ T1′ T1 T2 T1′ T2′ T1′ T2′ T2 T1 例:某油品通过一套管加热器,蒸汽的进口温度为100℃。出口温度为88℃,油品进口温度为30℃,出口温度为70℃,试比较并流、逆流时所需换热器面积的大小。 T2′ A、并流 B、逆流

    27. 错流和折流 对于错流和折流的平均温差计算,先按逆流时计算对数平均温度差,再乘以校正系数 ε△T,而校正系数ε△T是冷、热流体的温度变化P和R和函数。 将该函数绘成曲线,然后通过P、R查找 ε△T(可通过工程手册查起) 图3-15--------图3-18 错流和折流的平均温差为:

    28. 4、流体流动方向的选择 (1)、流向对传热平均温差的影响 ①、间壁两侧流体为恒温 ②、间壁一侧恒温另一侧为变温 ③、间壁两侧均为变温 ΔTm并=ΔTm逆主要考虑设备结构以及操作上的方便 ∵ ΔTm并<ΔTm逆; φ = K A △Tm 当φ一定时,ΔTm增加,A减小,说明逆流时所需传热面积比并流小 (2)、流向对载热体用量的影响 ①、间壁两侧流体为恒温 ②、间壁一侧恒温另一侧为变温 ③、间壁两侧均为变温 由于ΔTm并=ΔTm逆,并流逆流时的载热体用量都相等

    29. T1逆 T1并 T2并 T2′ T2逆 T1′ 在其他条件一定时,对于两侧均为变温操作,为什么逆流操作加热介质的用量比并流小? 分析: (1)、并流时,加热介质由T1并降到T2并 其最低极限出口温度可以达到冷流体出口温度T2′。 (2)、逆流时,加热介质由T1逆降到T2逆 其最低极限出口温度可以达到冷流体进口 温度T1′。 ∵ T2′>T1′ A)、若换热的目的仅仅是为了加热流体,则逆流操作时就有可能使T2逆< T2并. qmh并Cph(T1并– T2并) = qmh逆Cph(T1逆– T2逆)=qmCCpc(T2′ - T1′) ∵ T1并=T1逆 ∴ qmh并 > qmh逆 在其他条件一定时, 逆流操作加热介质的用量比并流小。 B)、若换热的目的是为了回收热量,逆流操作时加热介质的出口温度较并流时低,则回收的热量多一些.

    30. 从经济的角度看,逆流优于并流,但并不是所有情况下采用逆流好!从经济的角度看,逆流优于并流,但并不是所有情况下采用逆流好! 以下情况采用并流: ①、加热某些热敏性物料时,采用并流较易控制物料出口温度,从而避免因出口温度过高而影响物料的质量。 ②、加热高粘度物料时,采用并流可使物料进入换热器后迅速升高温度,从而降低物料粘度,提高热交换的效果。 ③、对于某些高温换热器,采用逆流操作时,高温集中一端,会使一端的温度过高,对设备材料的耐热性能要求较高,而采用并流则可以降低该处的温度,可以延长换热器的寿命。

    31. 三、总传热系数 1、经验法 根据生产实践经验总结出一套参考数据,在设计换热器时,可以根据设备型式、结构相同,雷诺数、物料的物性参数和已知K值的生产设备相同或接近时,可以参考相近设备,取相同的K值作为设计值。如表3—4,P89 2、测量法 对于现有的换热器,通过实验的方法以来测量,按公式计算

    32. T φ Tw1 Tw2 T′ 3、计算法 对于间壁式换热器 讨论: (1)、工程计算中,一般以管外表面积A2为基准计算传热系数K,即A=A2 或

    33. (2)、当管壁较薄或管径较大(如夹套式反应釜),或传热面为平壁时,前两者传热也可以近似认为平壁传热。(2)、当管壁较薄或管径较大(如夹套式反应釜),或传热面为平壁时,前两者传热也可以近似认为平壁传热。 即 A1=A2=Am=A (3)、对于薄壁,且壁材质导热性能好,则热阻δ/λ较1/α1和1/α2小得多,其热阻δ/λ可以忽略 或 则

    34. 4、 换热器使用一段时间后,传热壁两侧会有污垢,它会阻止传热,有一定的热阻,设传热面两侧污垢热阻分别为R1和R2 对于平壁或薄壁,其传热系数计算式为: 由于污垢影响传热效果,在使用过程中必须减缓污垢的 形成,及时清除污垢。

    35. 四、传热效率和传热单元数 传热的计算主要涉及两类问题: 一类是设计型计算:根据生产要求的热负荷和工艺条件,来确定所需要的换热面积,进而设计或选用合适的换热器; 二类是操作型计算:给定换热器的结构参数及冷、热流体进入换热器的初始条件,通过计算确定传热的结果,来判断设备是否满足传热量的要求,此类问题为操作型的传热计算问题。 对于这类问题首先要确定流体的出口温度。由于出口温度未知,必须利用对数平均温差通过热量衡算进行计算,要进行反复试算,计算非常麻烦。若采用传热效率—传热单元数法则较为简单。

    36. 1、基本概念: 1)、换热器的传热效率:表示热流体的温度差(T1-T2)与热冷流体进口最大温差(T1-T1′)之比。 2)、热容流量比:热流体温度每降低1℃所放出的热量与冷流体温度每升高1℃所吸收的热量之比。 3)、换热器的传热单元数:在数值上等于单位传热推动力引起流体温度变化的大小,表明了换热器的传热能力。

    37. 2、单程换热器------逆流 3、单程换热器------并流 或 解决的问题: 若已知R1和NTU1,则可求出ε1 由 可求出T2 由 qm1Cp1(T1 – T2)=qm2Cp2(T2′ - T1′) 可求出T2′

    38. 4、对于壳侧流程为1,管侧流程为2的倍数和壳侧流程为2,管侧流程为4的倍数的管壳式换热器的热效率可分别按下面算式计算:4、对于壳侧流程为1,管侧流程为2的倍数和壳侧流程为2,管侧流程为4的倍数的管壳式换热器的热效率可分别按下面算式计算:

    39. 第五节 热交换器 一、间壁式换热器的类型: 1、夹套式换热器 容器或反应釜外的夹套。 特点:结构简单、传热系数不高 2、沉浸式蛇管换热器 蛇形盘管沉浸在容器的液体中,加热或冷却。 特点:结构简单、制造方便、传热系数、传热面积较小

    40. 3、喷淋式换热器 由上至下喷淋冷却水, 特点:传热效果较好,但占地面积大,放室外易结垢。 4、套管式换热器 由直径不同的同心套管组成 特点:结构简单,制造方便,能承受高压,有较大的伸缩性,但占地面积大,接头多易泄漏,用于流量不大,传热面积不大的高压场合。

    41. 5、管壳式换热器(又称列管式换热器) 目前应用最广的换热设备 ①固定管板式 结构简单,成本低,由于管壳程不易清洗或检修、管外物料要求比较清洁,不易结垢。 ②浮头式 换热器两端的管板,有一端是不与壳体相连,可以沿管长方向自由浮动。 特点:结构较复杂、造价高,应用在温差较大场合。 ③U形管式换热器 较浮头式简单,可用于高温高压、但管程不易清洗,可用于清洁物料及高压气体的换热。

    42. 二、板式换热器 1、板式换热器:结构紧凑,传热系数高,检修清洗方便。 2、板翅式换热器:结构紧凑,传热系数高,适应性广,不易清洗。 3、螺旋板式换热器:总传热系数高,不易堵塞,适合于悬浮物及高粘度的流体,结构紧凑不易检修。

    43. 三、换热器的发展 1、高效换热元件: 螺旋形异形管 翅化管 多孔表面管 热管 2、新型换热器: 螺旋挡板管壳式换热器 折流杆换热器 回转式换热器 热管废热锅炉

    44. 第六章 传热过程的强化 传热速率方程: φ = K A △Tm 一、增大传热面积 增大传热面积,可以提高传热速率,但不能仅仅依靠增大设备尺寸来实现,关键是从设备的结构来考虑,提高紧凑性,单位体积内提高传热面积。改进传热面的结构,如用螺旋波纹管代替光滑管,或采用翅化管换热器,板式换热器,以及板翅式换热器,来增大传热面积。 二、增大平均温度差 1、热交换的两流体采用逆流操作。 2、提高热流体温度或降低冷流体的温度。 三、增大总的传热系数

    45. 提高总传热系数K,可以从以下几个方面来考虑:提高总传热系数K,可以从以下几个方面来考虑: 1、降低污垢热阻R1,R2 管内、外污垢厚度尽管很薄,但垢层的导热系数较小,因而产生的热阻较大,对K值影响较大,必须防止污垢的产生,应及时清除。方法:保持流体一定的流速冲刷管壁防止污垢的沉积,或者采用化学或机械的方法抑制污垢的产生,定时清洗。 2、减小热阻δ/λ值 对于间壁式换热器,管壁厚较薄,而金属材料的导热系数λ较大,热阻δ/λ较小,故对K的影响较小。 3、提高传热膜系数α 1)、当传热膜系数α1、α2相差不大,或在同一个数量级时,欲使K值增大,应同时增大α1、α2 2)、当传热膜系数α1、α2相差较大时,欲使K值增大,应增大α1、α2中较小的一方。

    46. 对流传热的热阻主要集中在传热边界层、热量以导热方式进行传递,而流体的导热系数比金属壁面小得多,往往进行强化传热,减小热阻,提高K,可采用以下途径:对流传热的热阻主要集中在传热边界层、热量以导热方式进行传递,而流体的导热系数比金属壁面小得多,往往进行强化传热,减小热阻,提高K,可采用以下途径: 1)、增加湍流程度,以减小层流底层厚度 A)、增大流速,减小管径,湍流程度的程度加强,可以增大传热膜系数α B)、采用粗糙管或管内装入麻花铁、螺旋圈、金属丝等添加物,可以增加流体的湍流程度,从而增大传热膜系数α,也可以增加传热面积,强化传热。 2)、采用导热系数较大的流体作载热体,如:熔盐、液态金属 3)、尽量采用有相变化的载热体,可以得到较大的对流传热系数。

    47. 第七节 管壳式换热器的设计与选用 一、确定设计方案的基本原则 1、满足工艺条件及其操作的要求 2、材料来源广泛,施工方便,成本低 3、确保生产安全,避免事故发生 确定换热器流程的原则: 1)、走管程 ①、易结垢、有沉淀及含杂质的流体 ②、高温、高压或腐蚀性强的或有毒的流体 ③、与外界环境温差较大的流体 ④、温差小、传热膜系数值相差较大的两流体中α值大的流体 2)、走壳程 ①、饱和蒸汽 ②、与外界环境温差小的流体 ③、不易结垢的洁净流体

    48. 二、设计内容 1、工艺设计:通过物料衡算和热量衡算,确定传热系数K 传热面积A,管子长度及数量,管板的布置及流体的流向 。 2、结构设计:壳体壁厚的确定,管子及其与管板的连接、各流体进、出口的结构设计,温差的影响,各部位的焊接结构。 三、管壳式换热器的选用 1、分析了解设计任务,掌握各项参数及工艺特点 ①物料的进、出口温度及操作压力 ②物料的物性参数 ③物料的物理化学性质及耐腐蚀性 2、确定选择换热器的型式,确定流体流动空间 3、设计计算 ①根据物料进、出口的温度,计算对数平均温差 ②根据物料的物性参数,确定α1,α2,λ,R1,R2 计算总传热系数K ③计算热负荷 ④确定传热面积A,确定管径管数