化工原理传热PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,传 热,4.1,概述,传热在化工生产中的,应用,1.,传热的三类应用实例,（,1,）强化传热过程：流体的升温或冷却，产品的分离,(,蒸 发，蒸馏和干燥等,),。,（,2,）削弱传热过程：管道，设备的保温或保冷。,（,3,）热能回收利用：废热回收,2.,伴随传热的流体作用,过程,：,(1),化学过程：吸放热反应；,(2),物理过程：耗能，干燥，蒸发等,3.,传热在化工生产中的,重要性,：,石化产业：传热设备重量占总设备规模的,30-40%,；传热设备投资占总设备投资的,10-20%,4.1.1,传热的基本方式,1.,热力学第二定律,：当无外加功时，系统中热量总是自发地从温度较高的物体（部分）传递到温度较低的物体（部分）,可见：热传递产生的原因是由于物体内部或物体之间温度差的存在,注：有外加功时，可以相反，如制冷机工作原理，,本章主要讨论的自发过程,。,2,.,传热的基本方式,（,1,）,传导,（导热）：物体内部分子通过碰撞或振动将热量以,分子动能,形式传递给相邻分子，但分子本身不产生宏观位移的一种传热方式。,固体的传热,穿过流体层流内层的传热（热边界层）,现象,气体，流体：分子布朗运动时碰撞传热,导电固体：自由电子在晶格中运动传热,非导电固体（流体）：晶格中原子，分子在其平衡位置的振动传热,机理,（,2,）,对流,：流体中质点（微团）产生,相对位移,引起的热传递。,对流传热只发生在流体中,对流传热的强弱与流体流动状况密切相关,特点,自然对流：流体中各点温度不同引起流体密度差异，使轻者上浮，重者下沉。,强制对流：流体因机械搅拌等外加功加入引起的对流,对流传热的,形式,注意点,自然对流与强制对流常在流体中同时发生,化工生产中，强制对流的应用比自然对流更普遍和重要,关于对流传热的计算：,牛顿冷却定律,：,Q=,A,（,T,高,-t,低,）,对流传热膜系数（,w/,o,Cm,2,）,(3),辐射,：热能转变为电磁波在空间的传递,热辐射不需任何介质,热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移,理论上，只要物体温度,T0K,，,均可产生辐射,实际上，只有当物体之间温差较大时，辐射传热现象才较突出，一般来说，当物体的温度超过,500K,时，辐射热能才予以考虑。,特点,1,、直接接触式换热和混合式换热器,4.1.2,传热中冷、热流体热交换的方式,2,、蓄热式换热器和蓄热器,3,、间壁式换热和间壁式换热器,4.1.3,典型间壁式换热器,冷流体,t,1,t,2,热流体,T,1,T,2,（一）间壁式换热器,夹套式换热器,图,4-5,单程管壳式换热器,1-,外壳,2-,管束,3,、,4-,接管,5-,封头,6-,管板,7-,挡板,8-,泄水池,图,4-6,双程管壳式换热器,1,壳体,2,管束,3,挡板,4,隔板,传热速率,Q,（,热流量）,：,单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位,J/s,或,W,。,热流密度,q,（,热通量）,：,单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位,J/(s.m,2,),或,W/m,2,。,4.1.4,传热速率与热通量,非稳态传热,4.1.5,稳态与非稳态传热,稳态传热,在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂,(,或加热介质,);,起冷却,(,或冷凝,),作用的载热体称为冷却剂,(,或冷却介质,),。,4.1.6,载热体,载热体的温度易调节控制；,载热体的饱和蒸气压较低，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。,工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。,选择载热体的原则,4.2.1,基本概念和傅立叶定律,温度场,：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,1.,温度场和等温面,非,稳,态温度场,稳态温度场,等温面,：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,4.2,热传导,不同温度的等温面不相交,。,2.,温度梯度,方向：法线方向，以温度增加的方向为正。,n,n,x,t+,t,t,x,Q,3,傅立叶定律,式中,d,Q,热传导速率，,W,或,J/s,；,dS,导热面积，,m,2,；,t/,n,温度梯度，,/m,或,K/m,；,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,4.2.2,导热系数,在数值上等于单位温度梯度下的热通量,=,f,(,结构,组成,密度,温度,压力）,金属固体,非金属固体,液体,气体,表征材料导热性能的,物性,参数,1.,固体导热系数,金属材料,10,10,2,W/(m,K),建筑材料,10,-1,10 W/(mK),绝热材料,10,-2,10,-1,W/(mK),在一定温度范围内：,对大多数金属材料,a 0,，,t,2.,液体热导率,金属液体,较高，非金属液体,低；,非金属液体水的,最大；,水和甘油：,t,，,其它液体：,t,，,0.09,0.6,W/(mK),式中：,X,wi,i,组分质量分率,0.9 ,有机液体的水溶液混合物,1.0 ,纯有机流体混合物,混合流体导热系数可按下式计算：,3.,气体热导率,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。,温度越高，压强越大，气体导热系数越大,分子动能增大,密度增大，分子碰撞频率增加,混合气体导热系数计算：,y,i,气体组分摩尔（体积）分率,M,i,i,组分气体分子量,各种情况及各种物质的导热系数均可查阅手册而得,t,1,t,2,b,t,x,dx,Q,4.2.3,平壁的稳态热传导,1,单层平壁热传导,假设：,材料均匀，,为常数；,一维温度场，,t,沿,x,变化；,S/b,很大，忽略端损失。,积分：,2,多层平壁热传导,假设：,各层接触良好，接触面两侧温度相同。,t,1,t,2,b,1,t,x,b,2,b,3,t,2,t,4,t,3,结论：,多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；,各层温差与热阻成正比。,推广至,n,层：,各层的温差,接触热阻,由于表面粗糙不平，不同材料构成的界面之间可能出现明显的温度降低而产生接触热阻。,因两个接触面间有空穴，而空穴内又充满空气，因此，传热过程包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热传导,(,高温时还有辐射传热,),。一般来说，因气体的导热系数很小，接触热阻主要由空穴造成。,接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压强等因素有关，主要依靠实验测定。,某燃烧炉的平壁是由一层耐火砖（其,1,=1.047 W/(,mk,),）与一层普通砖（其,2,=0.814 W/(,mk,),）砌成，两层厚度均为,100mm,，操作达到稳定后，测得炉壁的内表面温度是,700,，外表面温度为,130,。为了减少热量损失，在普通砖外表面上增加一层厚度为,40mm,的保温材料（含,85,的氧化镁，,3,=1.047 W/(,mk,),）。待操作达到稳定后，又测得壁的内表面温度为,740,，外表面（即保温层表面）温度为,90,。试计算加保温层前后，每小时每平方米的壁面各损失热量多少？,多层平壁传热：,1,=1.047 W/(,mk,),，,b,1,=100mm,；,2,=0.814 W/(,mk,),，,b,2,=100mm,；,3,=0.07 W/(,mk,),，,b,3,=40mm,加保温层前：,t,1,=700,，,t,3,=130,所以,加保温层后：,t,1,=740,，,t,4,=90,所以,4.2.4,圆筒壁的稳态热传导,1,单层圆筒壁,的热传导,假定：（,1,）圆筒很长 （,2,）稳定（,3,）各向同性，密度均匀，同平壁,在半径,r,处取,d,r,同心薄层圆筒,积分,讨论：,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,一般 时，,当,r ,时，计算公式类似于平壁公式。,2,多层圆筒壁的热传导,三层：,n,层圆筒壁：,注：（,1,）在多层平壁传热中：,（,2,）在多层圆筒壁中：,由于,故,对多层球罐壁导热,球罐壁,的传导传热,式中,可证明,例：有一过热蒸汽输送管，管外径,d,0,=320mm,，壁温,tw,0,=510,，外包两层保温层，内层为粉煤灰及熟料泡沫混凝土，其,1,=0.097 W/(,mk,),，,1,=22mm,；外层为石棉硅藻土，其,2,=,（,0.1622,0.000169tm,）,W/(,mk,),。若每米长的管子热损失为,1395.6 W/m,，最外层壁温为,50,。试求两层保温层交界处的壁温和外层厚度。,解：,求两层保温层交界处的壁温,对通过多层圆筒壁的传热：,其中，,所以,两层保温层交界处的壁温,t,w1,=215,2,）求外层厚度,保温层外层：,所以,由,得：,r,2,=0.209 m,所以外层壁厚,2,=r,2,-r,1,=0.027 m=27 mm,4.3,对流传热,1.,基本概念,流体流过固体壁面,(,流体温度与壁面温度不同,),时的传热过程称为对流传热。它在化工传热过程,(,如间壁式换热器,),中占有重要的地位。,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,蒸气冷凝,液体沸腾,对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。,对流传热速率,=,对流传热推动力,/,对流传热阻力,=,系数,推动力,对流传热速率可由牛顿冷却定律描述,换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间,(,环隙,),流动，则对流传热速率方程式可分别表示为,牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即,对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为,W/(m,2,),。它反映了对流传热的快慢，,愈大表示对流传热愈快。表,4-5,列出了几种对流传热情况下,的数值范围。,o,靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。,热边界层,保温层的临界厚度,1.,问题的提出：,对于圆筒壁的传热存在着相互制约的一对矛盾：,一方面，保温层越厚,外层的温度越接近于环境温度，则根据牛顿冷却定律,，,温差小，热量损失小。,另一方面,保温层越厚，,S,越大热量损失,Q,越大,结 论：必然存在一个最佳保温层厚度,c,，,使得保温效果最佳。,2.,假设,：（,1,）空气传热膜系数,基本不变,（,2,）传热达到稳定,则：,又：,即有：,令：,得：,于是：,（,r,0,中心至圆筒内壁半径）或,应用举例：金属电线的散热问题，解决方法是将其外层包扎一层塑料，这样既可增强散热效果，又可防止电线在环境中腐蚀和漏电，双重作用,对球罐壁的导热及热对流时临界保温层厚度，同理可得,或,如图，设,A,流体温度,T B,流体温度,t,（,1,）,A,流体在平壁上的流动状态,主体湍流区 过渡流区 层流内层区 平壁,A,侧,B,流体在平壁上的流动状态,平壁,B,侧 层流内层区 过渡区 主体湍流区,（,2,）传热及温度情况,传热方向：因,T t,故,热量,Q,从,A,传向,B,温度降低方向,T t,换热分析,a.,湍流区中的传热及温度分布：,湍流区中传热方式主要是强制对流（自然对流作用不显著）且由于湍流时，流体质点微团充分混合，故湍流区温度趋于均匀,b.,过渡流区的传热与温度情况,过渡流区中既有对流（强制和自然对流）传热，又有导热，所占比重视具体情况变化。温度沿与流动相垂直方向的变化程度与过渡区厚度成正比,c.,层流内层区中传热温度情况,在层流区中传热方式是导热，流体质点间无混合。液体（气体）的导热系数较小，故该层中的温度变化较大，且与层流内层厚度成正比,d.,平壁中的传热及温度变化,导热，温度基本呈直线变化,（,3,）实际情况简化处理,因过渡区及层流内层区厚度无法测定,故常将,湍流区中为对流给热，层流区及平壁中为传导传热。,过渡区合并在湍流区,层流区合并在平壁区,整个过程简化为,：,温度,湍流主体过渡层层流内层平壁层流内层过渡层湍流主体,流体,热量,A,|c|,B,Q|,T,a,t,传热系数,热阻,总热阻,对流给热系数,A,（,湍流及过渡）,导热系数,c,（,层流及平壁）,对流给热系数,B,（,湍流及过渡流）,K,总传热系数,即：,（平壁型总传热系数,K,计算公式）,假设换热器的热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。,对于换热器的微元面积,d,S,，其热量衡算式可表示为,对于整个换热器，其热量衡算式为,4.4,传热过程计算,4.4.1,热量恒算,若换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时,若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝时,当冷凝液的温度低于饱和温度时,通过换热器中任一微元面积,d,S,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，即,一、总传热速率微分方程,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。,总传热速率微分方程,显然有,管内径,管外径,平均管径,工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。,二、总传热系数,1.,总传热系数的计算,总传热系数,(,简称传热系数,),K,是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。,K,的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此,K,值的变动范围较大。,K,值的来源：,K,值的计算；,实验查定；经验数据。,两流体通过管壁的传热包括以下过程,:,热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热；,通过管壁的热传导；,管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。,对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即,或,移项后相加，得,上式两边均除以,，并利用,，得,比较,基于管内表面积的,局部总传热系数,基于平均表面积的,局部总传热系数,基于管外表面积的,局部总传热系数,得,设计中应考虑污垢热阻的影响，即,管壁外表面污垢热阻,管壁内表面污垢热阻,总传热系数计算式,某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。,污垢热阻(又称污垢系数,),提高总传热系数途径的分析,总热阻,=,管内热阻,+,管内垢阻,+,壁阻,+,管外垢阻,+,管外热阻,壁阻,总热阻,管内热阻,管内垢阻,管外垢阻,管外热阻,若传热面为平壁或薄管壁，则,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时,若,管壁外侧对流传热控制,，则,管壁内侧对流传热控制,若,管壁内、外侧对流传热控制,相当,若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大,污垢热阻控制,若,，则,欲提高,K,值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。,K,值总是接近且永远小于 中的小者。,当两侧对流传热系数相差较大时，,K,近似等于 中小者。,2.,K,的实验,测定,对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到,K,值。,实测的,K,值不仅可以为换热器的设计提供依据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。,3,.,总传热系数的经验值,某些情况下管壳式换热器的总传热系数,K,的经验值列于表,4-6,。,从表,4-6,可看出，通常经验值的范围较大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若为降低操作费，可选较小的,K,值；若为降低设备费，可选较大的,K,值。,2.,关于总传热系数及强化传热速率的基本手段的讨论,（,1,）垢阻的影响,管内外结垢，传热阻增大，总传热系数下降，传热量亦下降,（,2,）强化传热操作的方法,根据式,可知，使,Q,增大可采取下列三种方法,（,1,）增大传热面积,A.,从设备结构着手，如减小管径，增加管数。但存在二个问题，即：流动阻力增大，制造和运行费上升,（,2,）增大,t,m,如采用逆流操作；当 一方为蒸汽换热时，增大蒸汽压强，使其温度提高。,（,3,）增大,K,值,减小垢阻和降低管壁热阻（勤清洗）,当垢阻和管壁热阻可忽视时，,则：,K,1,，,即在此情况下，,K,值取决于对流给热系数较小的流体，故应使,1,增大，效果才显著,（瓶颈效应）,，关于提高,值的措施，以后章节有详细讨论。,变温差传热的几类情况,平均温度差的计算,1.,在恒温差传热时：,2.,在变温差传热时：,（,1,）逆流,（,2,）并流,（,3,）一侧发生相变时,平壁两侧流体,A,、,B,主体湍流区，温度分别为,T,、,t,且不随位置而变化，即如图（,2,）所示。如：两侧同时相变过程或均为全混合状态。,对于有流动情况下的平壁与圆筒壁，当二侧无相变时，尽管与流动相垂直的某一截面（,T-t,）,不随时间变化，但会随位置变化（,T,t,）（,T,t,）,如图（,3,）所示。,3.,平均温度差,问题的提出,问题：,式（,a,）,的基本前提是：,此时如何用,若令：,则：,或：,表示,即：,解决方法：,采用平均方法（,算术、对数、几何？,）解决,表达,假定：,（,1,）传热达到稳定，换热器与外界无热交换（热损失为零）,（,2,）冷、热流体流量为常数，比热均不随温度改变,（,3,）传热总系数为常数（或变化时有具体函数关系式表示）,4.,平均温差公式的推导,于是：在微元传热面积,dA,上所传递的热量,从,换热器的微元传热面积考虑,故,冷热流体的温度差,又：,从,冷热流体的传热情况分析,故：,或：,即：,积分整理：,t,m,为对数平均温差。注意与对数平均半径的类似性,同理，当,t,1,/t,2,2,时，,t,m,可用算术平均值法代替，误差,4%,。,另：当,t,1,t,2,时，利用极限可证明,讨论,：（,1,）此式既适用于逆流，又适用于并流（有相变亦可）,（,2,）对于错、折流，先按逆流处理计算,t,m,，再引入校正函数,t,，,（,3,）对于,K,不等于常数，时，而 不难导出：,3.,流向的选择,(1),逆流,当换热器的传热量,Q,及总传热系数,K,一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。,若传热面积一定，则可节省加热介质或冷却介质的用量。因而换热器应尽可能采用逆流操作。,(2),并流,若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。,采用折流或其他流动形式的原因，除了为满足换热器的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均温度差较逆流时的低。在选择流向时应综合考虑，,t,值不宜过低，一般设计时应取,t,0.9,，至少不能低于,0.8,，否则应另选其他流动形式。,关于逆流操作的,优点,平均温差大（当二流体进，出口温度一定时）,节省冷却剂或加热剂用量,并流优势,控制出口端冷流体的温度。,高粘度流体的加热，使温度迅速升高，增强流动性。,思考题：,1,、在全混釜夹套中,t,m,如何计算，（与相变过程相同）；,2,、有化学反应的过程,（化学反应）,总结,4.4.5,传热单元数法,1.,定义：传热效率,若,以,热流体的基准,则,因,T,1,一定，故若使（,T,1,-T,2,）,最大，则需使,T,2,=T,2min,对于逆流：,对于并流：,则：,即 热流体出口温度的极限值是等于冷流体的进口温度,若以冷流体为基准，则：,因,冷流体出口温度,t,2,的极限是热流体的进口温度,T,1,即：,故：,（逆流，以冷流体为基准）,或：,又,故,（并流，以冷流体为基准）,于是：,理由：根据热平衡，当一侧流体取得最大温差时，在传热量不变（一定）时,，其,m,s,C,p,必最小，否则，则要求另一侧流体有更大温差，出现假定上的矛盾。,即：,现要求,又,根据热平衡,于是：,与,假设,矛盾。,2.,的,计算,NTU,法,由于,故,定义：传热单元数,又,可以推得：,单程逆流时：,单程并流时：,式中：,热容流量比,特别地：,i),当,C,R,=1,时，,ii),当,C,R,0,时，,（类似于相变过程）,3.,引入,的意义,对于稳定传热的换热过程：,以,逆流为例：,又：,（,1,）,（,2,）,（,3,）,当,C,pT,和,C,pt,已知时，上述,3,个方程中共有,9,个变量,（,1,）若,T,1,T,2,t,1,t,2,已知及,K,m,sT,或,m,st,已知，则直接可以设计计算换热器,A,，,Q,m,st,或,m,sT,，,设计型计算,引入,意义：,若,已知（通过,-NTU,图查取），则可直接计算,T,1,或,t,1,（,2,）若,T1,（,T2,）,t1,（,t2,）,中任意二个已知，则需用试差法求解,Q,t,和,T,及,K,A,m,sT,m,st,，,操作型计算,4.,应用,NTU,法,优点,不需计算对数平均温差,t,m,，,亦不用试算,对串联换热器，则按下列计算：,5.,关于引入,NTU,的,意义：,又：,故：,H,0,传热单元高度（,m,）,可见：,当,H,0,=1m,时，换热器的长度,L=NTU,引入,NTU,和,H,0,概念后，换热器传热面积的计算可简单表示为换热器长度的计算，当,H,0,一定时，设计所要求的,NTU,越大,（换热要求越高），,则,L,越大,。,H,0,只与换热器的,K,值和结构（,n,、,d,）,及流体的,性质状态有关,，而与换热（温度变化）,程度无关,（,K,、,C,p,不随温度变化时）,由,得,4.5.1,影响,对流传热系数的,因素,2.,引起流动的原因,自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。,强制对流：由于外力和压差而引起的流动。,强制,自然,4.5,对流传热系数关联式,1.,流动状态,湍流,层流,自然对流的产生：,设 热处：,t,2,，,2,；,冷处,：,t,1,，,1,体积膨胀系数，,1/C.,或,而,得：,或,由,温度差而产生的单位体积的升力：,加热板,冷却板,5.,是否发生相变,相变,无相变,4.,传热面的形状，大小和位置,形状,管、板、管束等；,大小,管径、管长、板厚等；,位置,管子的排列方式，垂直或水平放置。,3.,流体的物性,，,，,，,c,p,4.5.2,对流传热过程的量纲分析,变量数,8,个,基本因次,4,个：长度,L,，,时间,T,，,质量,M,，,温度,无量纲特征数,（,8-4,）,=4,无相变时,1.,努塞尔特,（,Nusselt,）数,表示对流传热系数的特征数,2.,雷诺,（,Reynolds,）数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,3.,普兰特,（,Prandtl,）数,反映流体的物性对对流传热的影响,4.,格拉斯霍夫,（,Grashof,）,准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式：,Nu=,f,(Re,Pr,Gr,),简化：强制对流,Nu=,f,(Re,Pr),自然对流,Nu=,f,(Pr,Gr,),使用准数关联式时,注意,：,1.,应用范围,2.,特征尺寸,3.,定性温度,强制对流,自然对流,无相变,有,相变,蒸汽冷凝,液体沸腾,（一）流体在管内作强制对流,1.,圆形直管内的强制湍流,流体被加热,n=0.4,流体被冷却,n=0.3,（,1,）应用范围：,Re 10,4,Pr=0.7160,L/d 60,气体或低粘度的液体（,2,水,）,（,2,）定性温度：流体进出口的算术平均 值,（,3,）特征尺寸：管内径,4.5.3,流体无相变时对流传热系数,讨论：,（,1,）加热与冷却的差别：,液体,气体,物性一定时：,（,2,）影响因素：,公式修正：,（,1,）当,L/d,2,水,）,工程处理：,加热：,冷却：,（,3,）弯管,（,4,）非圆形管道,用,当量直径计算。,2.,圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300 Re 10,4,3.,圆形直管内强制层流,（,1,）随热流方向不同，速度分布情况不同；,（,2,）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。,对于液体,自然对流可以忽略：,Gr,25000,乘校正因子：,适用范围,：,定性温度：,特征尺寸：管内径,（二）流体在管外强制对流传热,1.,流体在管束外垂直流过,应用范围：,Re=500070000;x,1,/d=1.25;,x,2,/d=1.25,特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处,定性温度：进、出口温度平均值,Nu=C,Re,n,Pr,0.4,平均对流传热系数：,2,流体在换热器管间的流动,折流挡板形式：圆缺形、圆环形,设置,折流挡板目的,：,增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的,。,圆缺形折流挡板,：,定性温度：,应用范围：,Re=210,3,10,6,正方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸,：（,1,）,当量直径,d,e,d,0,t,t,（,2,）流速,u,按流通截面,最大处,的截面计算：,式中,h,两块折流挡板间距离，,m,；,D,换热器壳径，,m,；,（三）自然对流时的对流传热系数,定性温度：膜温,（,t,m,+t,w,）,/2,特征尺寸：垂直的管或板为高度,H,水平管为管外径,d,0,各种情况下的,C,、,n,值及特征尺寸不同。,1.,蒸汽冷凝方式,4.5.4,流体有相变时的对流传热,滴,膜,（,1,）膜状冷凝,（,2,）滴状冷凝,冷凝过程的热阻,冷凝液膜,（一）蒸汽冷凝时的对流传热,（,1,）努塞尔,(,Nusselt,),理论公式,膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以下假设：,冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导,;,蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力,;,蒸气冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变,;,冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。,2.,膜状冷凝时的对流传热系数,对蒸气在垂直管外或垂直平板侧的冷凝,蒸汽的饱和温度与壁面温度之差,饱和蒸汽的冷凝潜热,水平管束外,定性温度：,t,S,r,，,其它,膜温,n,水平管束在垂直列上的管数,r,比汽化热,（,2,）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,q,m,冷凝液量，,kg/s,M,冷凝负荷，,kg/s,.,m,层流,Re,1800,湍流,特性尺寸,：管或板高,H,定性温度：膜温,3.,影响因素和强化措施,(1),液体物性,，,，,r,(2),不凝气体,不凝气体,存在，导致，需定期排放。,(3),蒸汽流速与流向,（,u10m/s,）,同向时，,t,，；,反向时，,t,，；,u,，,(4),蒸汽过热,r,=,r+c,p,(t,v,-t,s,),影响较小,(6),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。,(5),冷凝壁面的影响,：,冷凝壁面安放,冷凝壁面表面,（二）液体沸腾时的对流传热,大容积沸腾,管内沸腾,1.,沸腾现象,在粗糙加热面的细小凹缝处：,汽化核心,生成汽泡,长大,脱离壁面,新汽泡形成,搅动液层,沸腾必要条件,：,过热度,t=,（,t,t,s,）,0,存在汽化核心,推动力（,t,w,t,s,）,沸腾三个阶段：,自然对流、核状沸腾、膜状沸腾,工业上采用,核状沸腾,大，,t,W,小,图,4-32,水的沸腾曲线,临界点,2.,影响因素及强化措施,（,1,）液体的性质,（,2,）温度差,核状沸腾阶段,:,t,2.5,，,，,t,（,3,）,操作压力,（,4,）加热面,新的、洁净的、粗糙的加热面，,大,（,5,）强化措施,表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；,加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,三、壁温的计算,稳态传热,（,1,）,大，,b,/,A,m,小（壁阻小）,t,W,T,W,T,W,接近于,T,，,即,大,(,热阻小,),侧流体的温度,（,3,）两侧有污垢,（,2,）当,t,W,=,T,W,四、,传热计算,总传热速率方程,热量衡算式,(,热负荷,),无相变,有相变,应用条件：,定态流动，,q,m,为常数；,c,P,为常数；,K,为常数；,忽略热损失。,1.,设计型计算,已知：,q,m1,、,T,1,、,T,2,（,生产任务），,t,1,、,q,m2,等,求：传热面积,A,或校核换热器是否合适,步骤,:,（,1,）计算热负荷；,（,2,）计算,t,m,；,（,3,）,计算,1,、,2,及,K,；,（,4,）,计算,A,若,A,实,A,计,或,Q,换,Q,需要,，换热器合适。,二、操作型计算,（,1,）已知：换热器,A,，,q,m1,、,T,1,，,q,m2,、,t,1,求：出口,T,2,、,t,2,（,2,）已知：换热器,A,，,q,m1,、,T,1,，,T,2,、,t,1,求：,q,m2,、,t,2,注意：列管式换热器中,流通面积,传热面积,一、,基本概念,1.,辐射：物体通过,电磁波来传递能量,的过程。,2.,热辐射：物体由于,热的原因,以电磁波的形式向,外发射能量的过程。,特点：,能量形式的转换,不需要任何介质,4.6,辐射传热,Q,Q,Q,N,Q,能量守恒定律：,吸收率,反射率,穿透率,3.,物体对热辐射的作用,总能量,Q,；,被物体吸收,Q,A,；,被反射,Q,R,；,穿过物体,Q,D,黑体：,白体,(,镜体,),：,透热体：,灰体：,以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,特点：,灰体的吸收率,A,不随辐射线的波长而变；,灰体是不透热体，即,A+R=1,。,固体、液体：,D,=0,A,+,R,=1,气体：,R,=0,A,+,D,=1,辐射能力,辐射能力,E,物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。,单位为,W/m,2,单色辐射能力,单位为,W/m,3,在相同条件下，物体发射特定波长的能力。,二、物体的辐射能力,对黑体，辐射能力和单色辐射能力之间满足,黑体辐射能力,黑体单色辐射能力,，,普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力随波长和温度变化的函数关系。,，,图,4-34,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,图,4-34,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,斯蒂芬,玻耳兹曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系。,黑体的辐射常数,斯蒂芬（,Stefan,）玻耳兹曼（,Boltzmann,）定律,四次方,定律表明，热辐射对温度特别敏感,C,0,黑体辐射,系数,，,5.669W/(m,2,.K,4,),（二）实际物体,黑度：,T,2,A,1,+,A,2,=1,E,1,E,b,（,1-,A,1,）,E,b,A,1,E,b,灰体,黑体,克希霍夫定律,结论：,（,1,）物体的辐射能力越强，其吸收率越大,（,2,）,A,=,同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等,（,3,）,A,，,E,E,b,在任何温度下、各种物体中以,黑体,的辐射能力为最大,（一）辐射传热速率,四、,两固体间的相互辐射,两面积无限大的平行平板,两平面有限大的平行平板,一物体被另一物体包围,若外围为黑体，,1,=1,或,A,2,A,1,，,则,C,1-2,=,C,1,=,C,b,1,1.,温度的影响,T,4,；,低温可忽略，高温可能成为主要方式,2.,几何位置的影响,3.,表面黑度的影响,，可通过改变,大小强化或减小辐射传热,4.,辐射表面间介质的影响,减小辐射散热，在两换热面加遮热板（,小热屏）,（二）影响辐射传热的主要因素,五、高温设备及管道的热损失,对流：,辐射：,令,=1,总热损失：,T,对流,-,辐射联合传热系数，,W/(m,2,.K),（,1,）空气自然对流，,t,W,5m/s,平壁保温层外,空气速度,u,50,时，需考虑,温度热补偿,。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：,2.,浮头式,特点：,可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂,3.U,型管式,特点：,结构较浮头简单；但管程不易清洗。,三、列管换热器的选用,1.,根据工艺任务，计算热负荷,2.,计算,t,m,3.,依据经验选取,K,，,估算,A,4.,确定冷热流体流经管程或壳程，选定,u,先按单壳程多管程计算，如果,0.8,，,应增加壳程数；,由,u,和,q,m,估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的,A,，,估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,5.,核算,K,分别计算管程和壳程的,，确定垢阻，求出,K,，,并与估算的,K,进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6.,计算,A,根据计算的,K,和,t,m,，,计算,A,，,并与选定的换热器,A,相比，应有,10%25%,的裕量。,(1),流体流程选择,管程,：,不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体,壳程：,饱和蒸汽,、,需要冷却、粘度大或流量小的流体,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便,(2),流体流速的选择,u,选择是经济权衡，要避免层流流动,u,K,，,在同,Q,、,t,m,下,A,，,节省设备费,u,H,f,，,操作费用增加,(3),换热器中管子的规格和排列方式,管子的规格：,192mm,和,252.5mm,管,长：,1.5m,、,2.0m,、,3.0m,、,6.0m,排列方式：,正三角形,正方形直列,正方形错列,圆缺形,圆盘形,多管程：,管内流体,u,加挡板：,增大壳程流体的湍动,壳程,四、传热过程的强化途径,1.,增大,t,m,加热剂,T,1,或冷却剂,t,1,两侧变温，尽量采用逆流,强化传热，可,t,m,、,A,/,V,、,K,2.,增大,A,/,V,直接接触传热，可增大,A,和湍动程度,3.,增大,K,减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻,提高,较,小一侧有效,提高,的方法,(,无相变,),：,增大流速,多管程,加扰流元件,壳程加挡板,改变传热面形状和增加粗糙度,五、新型的换热器,（一）平板式换热器,增加刚性；提高湍动程度；增加,A,；,易于液体均匀分布,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,（二）螺旋板式换热器,优点：,结构紧凑,不易结垢,堵塞,K,大,保持逆流,t,m,大,缺点：,压力,温度不能太高,难以维修,（三）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,A,较大；,缺点：,易堵塞，清洗困难；,构造复杂,（四）翅片管换热器,增加,A,，,增强管外流体的湍动来提高,