傳熱-化工原理

1、第6章 傳熱Heat Transfer,3/25/2024,2,傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用,,6.1 概 述(Introduction),6.1.1 化工生產(chǎn)中的傳熱過程,蒸發(fā)、蒸餾、干燥、結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)等,傳熱過程的基本要求1.強(qiáng)化傳熱（加熱或冷卻）；2.避免傳熱（保溫）;,熱量傳遞方向：高溫傳向低溫,傳熱過程的推動力：溫度差,3/25/2024,3,冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過直接混合的方式進(jìn)行熱量交換，又稱為混合式傳熱

2、。 優(yōu)點：方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻?！∪秉c：在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。,1 直接接觸式傳熱,6.1.2 冷熱流體的接觸方式,3/25/2024,4,2 蓄熱式傳熱,冷、熱兩種流體交替通過同一蓄熱室時，即可通過填料將從熱流體來的熱量傳遞給冷流體，達(dá)到換熱的目的?！　?yōu)點：結(jié)構(gòu)較簡單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用?！　∪秉c：由于填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較

3、大，且兩種流體交替時難免會有一定程度的混合。,3/25/2024,5,3 間壁式傳熱,在多數(shù)情況下，化工工藝上不允許冷熱流體直接接觸，故直接接觸式傳熱和蓄熱式傳熱在工業(yè)上并不很多，工業(yè)上應(yīng)用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁)隔開，以便使兩種流體在不相混合的情況下進(jìn)行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式換熱器和列管式換熱器為典型設(shè)備。,3/25/2024,6,,6.1.3

4、 載熱體及其選擇,加熱劑： 水及水蒸氣（40-180℃）,聯(lián)苯混合物（道生油）（255-380 ℃ ）,載熱體,熔鹽（142-530 ℃ ）,冷卻劑：水，空氣，冷凍劑（無機(jī)鹽水溶液、乙二醇、液氨）,礦物油（180-250 ℃ ）,煙道氣（500-1000 ℃ ）,選擇原則： 溫度易于調(diào)節(jié) 飽和蒸汽壓低 無毒、無腐蝕

5、 價格低廉,易得,3/25/2024,7,,6.1.4 傳熱中的基本概念,熱流密度（熱通量）q：單位面積上的傳熱速率，W·m-2,潛熱：物質(zhì)在發(fā)生相變化時伴隨的熱量變化，J,傳熱速率Q是指單位時間傳遞的熱量，W。傳熱速率也稱為熱負(fù)荷,顯熱：由于溫差而傳遞的熱量,傳熱速率指的是由于傳熱面與介質(zhì)間有溫度差而使熱量由高溫處向低溫處流動的速率,定壓比熱容cp：壓力恒定時，單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K時所需的熱量，

6、J·kg-1·K-1,q=Q/A,3/25/2024,8,定態(tài)傳熱：在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變．特點：通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。,非定態(tài)傳熱：若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點：傳熱速率、熱通量均為變量。 通常連續(xù)生產(chǎn)多為定態(tài)傳熱，間歇操作多為非定態(tài)傳熱?；み^程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而本章主要討論定態(tài)傳熱。,6

7、.1.5 定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱,3/25/2024,9,6.1.6 溫度場和溫度梯度,,t ── 某點的溫度，℃； x,y,z ── 某點的坐標(biāo)； ?── 時間。,溫度場：某時刻物體在空間各點的溫度分布。,1 溫度場和等溫面,3/25/2024,10,定態(tài)溫度場,,非定態(tài)溫度場,,等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。,不同溫度的等溫面不相交。,3/25/2024,11,2 溫度梯度,溫度梯度是

8、一個向量。 方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增加的方向為正方向。,一維定態(tài)傳熱,3/25/2024,12,6.1.7 傳熱的基本方式（傳熱機(jī)理）,發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部或靜止（或?qū)恿鳎┝黧w內(nèi)，無物質(zhì)的宏觀位移,發(fā)生在流體內(nèi)，物質(zhì)發(fā)生宏觀位移,依靠電磁波傳熱,3/25/2024,13,6.1.8 本章要解決的問題,傳熱規(guī)律,毛衣外穿合理嗎？加熱器（致冷器）應(yīng)裝在房間的什么地方？開水壺底有凹槽，為什么？,傳熱面積計算,換熱器的結(jié)構(gòu),3

9、/25/2024,14,6.2 熱傳導(dǎo)（Heat Conduct）,熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱。是指熱量從物體的高溫部分向同一物體的低溫部分、或者從一個高溫物體向一個與它直接接觸的低溫物體傳熱的過程。導(dǎo)熱不依靠物質(zhì)的宏觀位移，起因于物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動的一種傳熱方式。,3/25/2024,15,6.2.1 傅立葉定律(Fourier’s Law),,隨傳熱距離而引起的溫度變化，稱為溫度梯度,3/25/2024,16,物性之一：是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的

10、標(biāo)志,與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)（T、P）有關(guān)。 物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，即：當(dāng)物體兩個面（等溫面）間溫差為1K，厚度為1m時，每秒經(jīng)過1m2傳熱面積所能傳導(dǎo)的熱量。故物質(zhì)的?越大，導(dǎo)熱性能越好。 通常：導(dǎo)電固體>非導(dǎo)電固體，液體>氣體 T升高，氣體、水的?升高，其它液體的?降低 ? ?。,導(dǎo)熱系數(shù),數(shù)

11、據(jù)來源：物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過實驗測定，也可以查資料、計算,,3/25/2024,17,若?為常數(shù)，則：,當(dāng)x=0時，t=t1，當(dāng)x=?時， t=t2積分上式：,6.2.2 平面壁的一維定態(tài)熱傳導(dǎo),1.單層平面壁的熱傳導(dǎo),,,熱阻,顯然，Q =常數(shù)且q =常數(shù),3/25/2024,18,2. 多層平壁的一維定態(tài)熱傳導(dǎo),顯然，通過每一層Q =常數(shù)，q =常數(shù),3/25/2024,19,兩層壁交界處的溫度,,3/25/2024,20,

12、例6-1某工業(yè)鍋爐的爐壁由耐火磚（?1=1.3W/m.K）、保溫磚（?2=0.20W/m.K）普通磚（?3=0.95W/m.K）組成，爐膛內(nèi)壁溫度為1000 ℃ ，普通磚層厚12 cm，其外表面溫度為50℃，通過爐壁的熱損失為1200W/m2, 絕熱材料的耐熱溫度為900 ℃ ，求耐火磚的最小厚度及此時絕熱層的厚度及其外壁溫度。,耐火磚,解得?1＝10.83cm,解得t3=201.6 ℃,解得?2＝11.64cm,普通磚,保溫磚,3/2

13、5/2024,21,1. 單層圓筒壁定態(tài)導(dǎo)熱,若?為常數(shù)，則：,--------可見溫度分布 為對數(shù)關(guān)系,6.2.3 圓筒壁的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)（無內(nèi)熱源）,3/25/2024,22,3/25/2024,23,2. 多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,3/25/2024,24,例6-2 外徑為 426mm的蒸汽管道，其外包扎一層厚度為 426mm的保溫層，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.615 W/(m·℃)。若蒸汽管道外表面溫度為 177 ℃

14、，保溫層的外表面溫度為 38℃，試求每米管長的熱損失以及保溫層中的溫度分布。,解：,由：,保溫層的外表面的半徑 r3＝0.213＋0.426=0.639m,溫度 t3=38℃,蒸汽導(dǎo)管外表面的半徑 r2＝0.426/2=0.213m, 溫度 t2=177℃,3/25/2024,25,可得每米管道的熱損失為：,設(shè)保溫層內(nèi)半徑 r 處的溫度為 t，代入上式：,將已知數(shù)據(jù)代入，整理得溫度t與半徑的關(guān)系式為：,t = -126.6 ln r –

15、18.64,筒壁內(nèi)的溫度分布不是直線，而是曲線。,3/25/2024,26,3/25/2024,27,例6-3 有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比?2/?1=5，此時單位時間的熱損失為Q；若將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度t1、t3不變，則此時熱損失為Q’，求Q’/Q=？,導(dǎo)熱系數(shù)小的材料應(yīng)包在內(nèi)層,解：,3/25/2024,28,,保溫層的臨界厚度

16、,3/25/2024,29,影響因素：接觸材料的種類及硬度，接觸面的粗糙程度，接觸面的壓緊力，空隙內(nèi)的流體性質(zhì),6.2.4 接觸熱阻,接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計,3/25/2024,30,6.3 對流傳熱(Heat Convection),熱對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞過程。熱對流僅發(fā)生在流體中。,3/25/2024,31,1 對流傳熱過程分析,（1）層流邊界層（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱

17、 傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過渡區(qū)：熱傳導(dǎo)與對流傳熱共同 起作用；（3）湍流區(qū)：充滿漩渦，混合較好， 對流為主，熱阻小。,6.3.1 對流傳熱速率——牛頓冷卻定律,3/25/2024,32,2 對流傳熱速率——牛頓冷卻定律,流體被加熱：,,,Q ── 對流傳熱速率，W； ? ── 對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)； Tw，tW ── 熱、冷流體側(cè)壁溫，℃； T ，t──熱、冷流體

18、平均溫度，℃； A ──傳熱面積，m2。,流體被冷卻：,3/25/2024,33,6.3.2 對流傳熱系數(shù)?,（1）引起流動的原因自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強(qiáng)制對流：由于外力和壓差而引起的流動。 ?強(qiáng) > ?自,,（2）流體的物性?，?，?，cp,1.影響因素,3/25/2024,34,（5）是否發(fā)生相變 蒸汽冷凝、液體沸騰 ?相變 > ?無相

19、變,（4）傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。,（3）流動型態(tài) 層流、湍流 ?湍 > ?層,3/25/2024,35,2 對流傳熱系數(shù)的因次分析,影響對流給熱的因素有：,式中 l——特性尺寸； u——特征流速。通過因次分析，上述8個變量可用4個無因次數(shù)群表示。,? ＝f(u，l，?，?，cp

20、，?，g??t),,3/25/2024,36,,Nusselt Number ：待定準(zhǔn)數(shù),Reynolds Number :流動型態(tài)對 對流傳熱的影響,Prandtl Number :流體物性對 對流傳熱的影響,Grashof Number :自然對流對

21、 對流傳熱的影響,Nu=f ( Re, Pr, Gr ),3/25/2024,37,適用范圍： Re>10000，0.760,6.3.3 無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,1．圓形管內(nèi)的強(qiáng)制湍流,流體被加熱時，n＝0.4流體被冷卻時，n＝0.3,定性溫度:,特征尺寸為管內(nèi)徑di,3/25/2024,38,強(qiáng)化措施： u, ??u0.8? ? ? d, ? ?? d-0.2 ? ? ? 流

22、體物性的影響：?，?，cp,3/25/2024,39,(1)高粘度流體（?>2mPa.s）,Re>10000，0.760定性溫度取tm；特征尺寸為di,3/25/2024,40,(2) l/d<60，乘以校正因子f,(3) 過渡流（2000<Re<10000)，乘以校正因子f ? ? ? ?,,(4) 彎曲管內(nèi) ，乘以校正因子f ?? ??,3/25/2024,41,2. 圓形管內(nèi)強(qiáng)制

23、層流特點：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的 影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。 2）層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴(yán) 重，使得對流傳熱系數(shù)提高。 3）層流要求的進(jìn)口段長度長，實際進(jìn)口段 小時，對流傳熱系數(shù)提高。,3/25/2024,42,適用范圍：,當(dāng)：,定性溫度：,圓形管內(nèi)強(qiáng)制層

24、流的計算式,3/25/2024,43,3. 管外強(qiáng)制對流 （1）. 流體在管束外垂直流過,3/25/2024,44,流體垂直流過管束,3/25/2024,45,影響因素為 Re，Pr，管子排列方式，管間距和管排數(shù)等。,對第一排管子(相對于來流方向)，不論錯列或是直列，C、 ? 和 n 都相同，? 值相同；從第二排起，錯列的 ? 值較大， ? 也較大；在第三排以后，直列和錯列的? 值均不再變化。,3/25/2024,46,整個管束：,

25、定性溫度：,適用范圍：,特性尺寸：管的外徑do,3/25/2024,47,（2）．流體在有擋板換熱器管間流動,擋板形式：圓形、圓缺形,(a) 圓盤形(b) 分流形(c) 弓形(圓缺形),3/25/2024,48,殼程流體的對流傳熱系數(shù)（圓缺形）：,定性溫度：,正方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸：當(dāng)量直徑de,3/25/2024,49,流速u按流通截面最大處的截面計算：,,式中 h——兩塊折流擋板間距離，m；

26、 D——換熱器殼徑，m； do——管子的外徑，m； t——相鄰兩管中心距，m。,3/25/2024,50,4. 大空間的自然對流,注意： c,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫，壁溫和流體主體溫度的算術(shù)平均值特征尺寸：垂直的管或板為高度 水平管為管外徑,,3/25/2024,51,沸騰種類

27、1）大容積沸騰 2）管內(nèi)沸騰 1. 汽泡產(chǎn)生的條件注意：汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生過熱度：?t=tW－ts 汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化過程：汽化核心?生成汽泡?長大?脫離壁面?新汽泡形成?攪動液層,6.4.1 液體沸騰,6.4 沸騰給熱和冷凝給熱,3/25/2024,52,2 沸騰曲線,3/25/2024,53,6.4.2 沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施,強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、

28、丙酮等）,2 溫差 在核狀沸騰階段溫差提高，??,1 液體的性質(zhì),3 操作壓強(qiáng),3/25/2024,54,4 加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，?大 強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒 加入添加劑（改變表面張力，提高熱負(fù)荷,3/25/2024,55,6.4.3 蒸汽冷凝,1 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝,?滴>?膜,3/25/2024,56,2 蒸汽冷

29、凝的??,（1） 水平管束外,式中 n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。,特性尺寸l：管外徑do,定性溫度：膜溫,3/25/2024,57,湍流,（2） 豎壁或豎管上的冷凝,層流,適用條件：Re<1800,適用條件：Re>1800,特性尺寸l：管或板高H,定性溫度：膜溫,3/25/2024,58,6.4.4 冷凝給熱的影響因素和強(qiáng)化措施1 流體物性 冷

30、凝液?，? ；冷凝液?，cp；潛熱r ??2 溫差 液膜層流流動時，t=ts－tW，溫差越大，?越大??3 不凝氣體 不凝氣體存在，導(dǎo)致?減小，定期排放。,3/25/2024,59,4 蒸汽流速與流向 （u>10m/s ） 同向時，???? ；反向時， ? ?? ? ? ? ??5 過熱蒸汽 包括冷卻和冷凝兩個過程，仍按飽和蒸汽計算。6 冷凝面的形狀和位置 目的：減少冷凝液膜的

31、厚度 垂直板或管：開縱向溝槽； 水平管束：可采用錯列,3/25/2024,60,對流傳熱系數(shù)小結(jié),3/25/2024,61,?的量級,空氣中,水中,總之：,油類中,3/25/2024,62,6.5 熱輻射(Heat Radiation)6.5.1 基本概念,,1. 輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。,2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向 外發(fā)射能量的過程。,特

32、點： 能量傳遞的同時還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換； 不需要任何介質(zhì)。,3/25/2024,63,熱射線在本質(zhì)上與光射線一樣，所不同的是波長范圍。從理論上講，熱輻射的波長范圍為 0~?，但具有實際意義的波長為 0.4~20 ?m。可見光： 0.4~0.8 ?m 很高溫度下才有明顯作用紅外線： 0.8~20 ?m 在熱輻射中起決定作用,3/25/2024,64,能量守恒定律：,式中 ——吸收率；

33、 ——反射率； ——透射率。,3. 熱輻射對物體的作用總能量Q；被物體吸收Qa ；被反射Qr ；透過物體Qd,3/25/2024,65,黑體：能全部吸收輻射能的物體 a=1；無光澤的黑漆表面 a=0.96~0.98 雪霜a=0.985, 近似黑體。 鏡體（絕對白體）：能全部反射輻射能的物體 r=1；銅r=0.97。黑白之分不據(jù)顏色。 透熱體：能全部

34、透過輻射能的物體 d=1。例如He 、N2 、H2 、O2等氣體。 　 上面定義的物體多是理想物體，自然界中并不存在，只是作為一種比較標(biāo)準(zhǔn)而建立。實際物體，象一般的固體都能部分吸收所有波長范圍的輻射能。 灰體：能以相同的吸收率a吸收全部（0~∝μm）波長輻射能的物體。特點：①其吸收率不隨輻射波長而變，②是不透熱體，d=0, a+r=1,大多數(shù)工程材料可視為灰體。 　　工業(yè)上遇到的多數(shù)物體，能部分吸收所有波長的輻射能，但a不相

35、同，相差不多，可近似視為灰體。,4. 黑體、鏡體、透熱體和灰體,3/25/2024,66,6.5.2 物體的輻射能力,輻射能E：物體在一定溫度下，單位表面積，單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到∞?），W/m2。,物體的單色輻射能E0：物體在一定溫度下，發(fā)射某種波長的能力，單位W/m3。,輻射能與單色輻射能的關(guān)系：,普朗克定律,,3/25/2024,67,??0──黑體輻射常數(shù)，5.67× 10-8W/(m2 .K4)；

36、 C0──黑體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2 .K4),斯蒂芬-波爾茨曼定律,1. 黑體,,3/25/2024,68,物體的黑度是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度（常見材料的黑度值見下表）。,2. 灰體,輻射能力E：,C——灰體的輻射系數(shù)，C=0-5.67W/(m2.K4),3/25/2024,69,某些工業(yè)材料的黑度,3/25/2024,70,任何物體的輻射能力與吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，即E/

37、a=Eb=f(T)所以，同一溫度下 a=?。任何物體的吸收率a可用黑度?的數(shù)值， ?可測。 —Kirchhoff定律,克希霍夫定律,3/25/2024,71,結(jié)論：（1）任何物體的輻射能力與吸收率的比值均相同，且等于同溫度下絕對黑體的輻射能力。物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大。（2）a= ?? 即同溫度下，物體的吸收率與黑度在數(shù)值上相等。

38、（３）a＜１，Ｅ＜Ｅb，即在任何溫度下，各種物體中以絕對黑體的輻射能力為最大。,3/25/2024,72,藍(lán)貝特 (Lambert) 定律,1 兩黑體間的輻射傳熱和角系數(shù),,6.5.3 兩固體間的相互輻射傳熱,?：角系數(shù),3/25/2024,73,2 兩灰體間的輻射傳熱,,E1, r1, T1,E2, r2, T2,E2,,,板1(灰體),板2(灰體),T1 > T2,,,,E2r1,E2r1r2,E2r12r2,E2r12r22

39、,,E1, r1, T1,E2, r2, T2,E1,,,板1(灰體),板2(灰體),T1 > T2,,,,E1r2,E1r1r2,E1r12r22,E1r1r22,輻射能可被多次被吸收和反射,3/25/2024,74,對于定常輻射過程 (溫度不變)：,可將灰體理解為對投入輻射全部吸收而輻射能力為 Eout 的“黑體”,Ein,一般情況下：,處于任何相對位置的兩灰體間交換的凈輻射能為：,3/25/2024,75,對于封閉系統(tǒng)：,?

40、s —— 系統(tǒng)黑度C1-2 —— 總輻射系數(shù),注意有：,3/25/2024,76,A， ?和 C1-2 的計算方法,3/25/2024,77,3. 影響輻射傳熱的因素,(1). 溫度的影響 Ｑ?T4 ， 低溫時可忽略，高溫時可能成為主要方式(2). 幾何位置的影響(3). 表面黑度的影響 Ｑ? ?，可通過改變黑度的大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱。(4). 輻射表面間介質(zhì)的影響 減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小

41、的熱屏）。,3/25/2024,78,6.5.4 高溫設(shè)備及管道的熱損失,對流散熱：,輻射散熱：,,總熱損失：,式中??T——對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)。,3/25/2024,79,空氣自然對流，當(dāng)tW<1500C時平壁保溫層外,(2) 空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對流空氣速度u<=5m/s時,管道及圓筒壁保溫層外,空氣速度u>5m/s時,3/25/2024,80,1 熱量衡算,,無熱損失：,6.6 傳熱過程

42、計算,6.6.1 傳熱過程數(shù)學(xué)描述,3/25/2024,81,（1）.無相變,式中 Q ──熱冷流體放出或吸收的熱量，J/s； qm1, qm2──熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s； cp1,cp2 ──熱、冷流體的比熱容， J/(s. ℃) ；,3/25/2024,82,（2）.相變,式中 r ──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg； TS ──

43、熱流體的飽和溫度，℃。,冷凝傳熱,（3）冷凝變溫傳熱,3/25/2024,83,熱流體—間壁側(cè)：熱對流： 間壁—間壁：熱傳導(dǎo)：間壁—冷流體：熱對流：,2 總傳熱速率方程,三個串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)：,3/25/2024,84,,,,3/25/2024,85,對于圓形管道：當(dāng)A以外徑做基準(zhǔn)時，即：,1 總傳熱系數(shù),6.6.2 總傳熱系數(shù)和傳熱溫度差,3/25/2024,86,,,,若導(dǎo)熱熱阻很小,,總傳熱系數(shù)總是更接近數(shù)值較小

44、的給熱系數(shù)，欲提高K值，關(guān)鍵是提高較小的給熱系數(shù)。,若α1>>α2,當(dāng)管壁較薄時，d1=d2=dm, A1=A2=Am,3/25/2024,87,獲取K的途徑,⑴ 查取K值 在有關(guān)傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經(jīng)驗數(shù)值，但應(yīng)選用工藝條件接近、傳熱設(shè)備類似的較為成熟的經(jīng)驗K值作為設(shè)計依據(jù)，下表列出了一些條件下經(jīng)驗K值的大致范圍，供設(shè)計時參考。,⑵ 實驗測定 通過實驗測定現(xiàn)有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：,

45、實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大，這主要是由于計算給熱系數(shù)α的關(guān)聯(lián)式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準(zhǔn)確等原因所致，因此，使用計算的K值時應(yīng)慎重，最好與另外兩種方法作對照，以確定合理的K值。,3/25/2024,88,,列管換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗數(shù)據(jù),3/25/2024,89,(1) 恒溫傳熱,（2） 變溫傳熱,??t與流體流向有關(guān),2 傳熱溫度差,逆流,并流,錯流,折流,3/25/20

46、24,90,1) 逆流和并流,逆流,并流,3/25/2024,91,假設(shè)： 1）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動，qm1、 qm2一定,2）cp1、cp2為常數(shù)，為進(jìn)出口平均溫度下的平均值,3）K沿管長不變化。,4）熱損失忽略不計。,,逆流,并流,3/25/2024,92,沿傳熱面的局部溫度差（T-t）是變化的，所以在計算傳熱速率時必須用積分的方法求出整個傳熱面上的平均溫度差?tm。,如圖所示，熱流體的質(zhì)量流量qm1，比熱容cp1，進(jìn)出口溫度

47、為T1、T2；冷流體的質(zhì)量流量qm2，比熱容cp2，進(jìn)出口溫度為t1、t2。,現(xiàn)取換熱器中一微元段為研究對象，其傳熱面積為dA，在dA內(nèi)熱流體因放出熱量溫度下降dT，冷流體因吸收熱量溫度升高dt，傳熱量為dQ。,以逆流為例的?tm的推導(dǎo)*,3/25/2024,93,dA段熱量衡算的微分式：,dA段傳熱速率方程的微分式：,,逆流：,邊界條件：,,A=0時，A=A時，,3/25/2024,94,,,對整個換熱器做熱量衡算：,,得：,3/

48、25/2024,95,,,即：,,——對數(shù)平均溫差,——進(jìn)口處的溫差。,——出口處的溫差。,3/25/2024,96,例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進(jìn)口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。,3/25/2024,97,解 ：,逆流時：,熱流體：,冷流體：,并流時：,熱流體 ：,冷流體 ：,3/25/2024,98,例6-4 在套管式油冷卻器

49、里，熱油在Φ25×2.5mm的金屬管內(nèi)流動，冷卻水在套管環(huán)隙內(nèi)流動，油和水的質(zhì)量流量皆為216kg/h，油的進(jìn)、出口溫度分別為150℃和80℃，水的進(jìn)口溫度為20℃。油側(cè)對流傳熱系數(shù)為1.5kw /(㎡ ·K) ，水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為3.5kw /(㎡ ·K) ，油的比熱為2.0kJ /(kg ·K) ，試分別計算逆流和并流操作所需要的管長。忽略污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻。,,,,3/25/2024,

50、99,,解,,,逆流時（以外表面計算）,3/25/2024,100,并流時：Q、t2、K與逆流時相同,3/25/2024,101,2) 錯流和折流,查圖求解,3/25/2024,102,,溫差修正系數(shù)?＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，換熱器設(shè)計時?值不應(yīng)小于0.8，否則不經(jīng)濟(jì)。增大ψ的一個方法就是改用多殼程。,3/25/2024,103,6.6.3 壁溫的計算,,,,,（1）?大，熱阻小，tW=TW,,3/25/2024,104,,,TW

51、接近于T，即熱阻小側(cè)流體的溫度。,（3）兩側(cè)有污垢,,（2）當(dāng)tW=TW，得,3/25/2024,105,設(shè)計型計算：在給定的工藝條件下，設(shè)計一臺新的換熱器。 設(shè)計原則：技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。,例：熱流體的冷卻已知：qm1、T1、T2、t1 及物性 求：A?tm：需要選定 t2。t2?， qm2 ?，操作費用?，但 ?tm?，A? ，設(shè)備費用?。一般按 ?tm 不小于10℃來確定 t2。K： 與流體

52、的流動方式和流速有關(guān)。速度? ，K值?，傳熱面積?，但流動阻力?，動力消耗??；驹瓌t：湍流、逆流。對列管換熱器的復(fù)雜流動，流向和流動空間的安排以溫差修正系數(shù) ? 不低于 0.8 為宜。 A：,6.6.4 傳熱過程計算,3/25/2024,106,操作型計算 ：核算已有換熱器在非設(shè)計工況下的傳熱性能,(1) 產(chǎn)量改變造成工藝流體流量的變化，要求預(yù)測現(xiàn)有換熱器在冷流體流量和進(jìn)口溫度不變的條件下，工藝流體的出口溫度 T2。(2) 上游設(shè)

53、備工況改變而引起工藝流體的進(jìn)口溫度發(fā)生變化，需預(yù)測出口參數(shù)的變化。(3) 冷卻劑水的進(jìn)口溫度受季節(jié)和氣候影響，從而會使工藝流體的出口參數(shù)產(chǎn)生波動，需預(yù)測出口溫度的波動值。(4) 新?lián)Q熱器剛投入使用時，垢層尚未形成，其總傳熱量系數(shù) K 遠(yuǎn)大于考慮了污垢熱阻的設(shè)計值，需要預(yù)測 K 的這種變化對傳熱的影響。,3/25/2024,107,1 對數(shù)平均溫差法,（逆、并流）,（其他流動情況）,,3/25/2024,108,例6-5 在雙管程列管

54、式換熱器中用0.3MPa (表壓)的飽和蒸汽將流量為2000kg/h的某溶液從20℃加熱至80℃，溶液走管程，蒸汽走殼程，冷凝水于飽和溫度下排出，換熱器內(nèi)裝有46根?25×2.5mm的管子，已知溶液的比熱為2.8kJ/(kg·K)，密度?=850kg/m3，總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·K), 傳熱溫差近似取為蒸汽的飽和溫度與溶液的平均溫度之差，溶液的平均溫度取為進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。忽略換熱器的熱

55、損失，試確定： ⑴ 溶液在管內(nèi)的流速； ⑵ 蒸汽的消耗量； ⑶ 換熱管的長度。,3/25/2024,109,解：⑴ 溶液的體積流量：,管程流通截面積：,管內(nèi)平均流速：,⑵ 查得表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝潛熱r=2140kJ/kg, 蒸汽消耗量,3/25/2024,110,⑶ 表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝溫度ts=142.9℃, 傳熱溫差：,根據(jù)傳熱速率方程,換熱管長度：,3/25/2024,111,例

56、6-6 有一臺現(xiàn)成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質(zhì)量流量950kg/h，冷凝溫度為40℃，冷凝傳熱系數(shù)?1=7000W/m2K。冷卻水走管內(nèi)，其進(jìn)、出口溫度分別為32℃和36℃，污垢及管壁熱阻取為0.0009 m2K/W（以外表面計）。假設(shè)管內(nèi)外流動可近似視為逆流。試校核該換熱器傳熱面積是否夠用。 列管式換熱器基本尺寸如下： 換熱管規(guī)格 ?25?2.5mm 管長 l

57、=4m 管程數(shù) m=4 總管數(shù) N=272根 外殼直徑 D=700mm附：氨冷凝潛熱 r=1099kJ/kg34℃下水的物性：,3/25/2024,112,,,3/25/2024,113,3/25/2024,114,,3/25/2024,115,（1）傳熱效率,最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差

58、 變化的傳熱速率。,理論上最大的溫差：,2 傳熱單元數(shù)法,3/25/2024,116,熱容流量：qmcp,當(dāng)熱流體為最小值流體(qm1cp1< qm2cp2),3/25/2024,117,（2）傳熱單元數(shù),當(dāng)冷流體為最小值流體(qm1cp1>qm2cp2),3/25/2024,118,傳熱單元數(shù)：,傳熱單元數(shù)的意義：熱流體溫度的變化相當(dāng)于

59、 平均溫度差的倍數(shù)。,同理：,3/25/2024,119,（3）傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系,逆流：,并流：,當(dāng)冷流體為最小值流體，令：,3/25/2024,120,逆流：,并流：,當(dāng)熱流體為最小值流體，令：,3/25/2024,121,6.6.4 強(qiáng)化傳熱的途徑,傳熱過程的強(qiáng)化占有十分重要的地位，設(shè)計和開發(fā)高效換熱設(shè)備, 可以達(dá)到節(jié)能降耗的經(jīng)濟(jì)目的。 相反，許多場合需要力求削弱傳熱，隔熱保溫技術(shù)在高溫和低溫工程

60、中對提高經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系重大，已經(jīng)發(fā)展成為傳熱學(xué)的一個重要分支。,不難看出，提高方程式右邊任何一項，均可達(dá)到提高換熱器傳熱能力的目的，但究竟哪一個環(huán)節(jié)是傳熱的控制步驟，則需要具體問題作具體分析，只有針對傳熱過程的薄弱環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施，才能收到預(yù)期的效果。,3/25/2024,122,(1) 增加傳熱溫差,用飽和蒸氣作加熱介質(zhì)，通過增加蒸汽壓力來提高蒸汽溫度；在水冷器中降低水溫以增大溫差；冷熱兩流體進(jìn)出口溫度固定不變，逆流操作增加傳熱溫差.,

61、(2)提高傳熱系數(shù),提高K值，必須設(shè)法提高冷熱流體的兩個給熱系數(shù)，降低間壁熱阻和污垢熱阻，但應(yīng)分清矛盾的主次，重點放在薄弱環(huán)節(jié)上。 對于金屬壁面，導(dǎo)熱一般不構(gòu)成主要熱阻，垢層熱阻隨使用時間的延長而變大，往往成為控制傳熱速率的主要因素，防止結(jié)垢和除垢是保證換熱器正常工作的重要措施。,3/25/2024,123,(3)增大傳熱面積,用螺紋管或螺旋槽管代替光管，在圓管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工軸向肋片，稱之為擴(kuò)展表面，都能有效

62、提高傳熱速率。但是，擴(kuò)展表面的溫度低于基管的溫度，傳熱量的增加率低于傳熱面積的增加率。,3/25/2024,124,6.7 換熱器,換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位?；どa(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三類，即間壁式、直接混合式、蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多，以下

63、主要討論此類換熱器。,3/25/2024,125,6.7.1 間壁式換熱器,3/25/2024,126,沉浸蛇管式,3/25/2024,127,3/25/2024,128,夾套式,3/25/2024,129,3/25/2024,130,列管式換熱器（管殼式換熱器）,列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用。主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在

64、管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。,優(yōu)點：單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。,3/25/2024,131,3/25/2024,132,3/25/2024,133,固定管板式,特

65、點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。,3/25/2024,134,殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C0，加補(bǔ)償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束之間有溫差時，依靠補(bǔ)償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。,3/25/2024,135,3/25/2024,136,U型管式,把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點：結(jié)構(gòu)較簡單，管程

66、不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱,浮頭式 兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。 特點：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。,3/25/2024,137,3/25/2024,138,3/25/2024,139,6.7.2 列管式換熱器的設(shè)計和選用,3/25

67、/2024,140,⑴ 確定流動路徑，根據(jù)任務(wù)計算傳熱負(fù)荷，確定流體進(jìn)、出的溫度，選定換熱器形式，計算定性溫度，查取物性，計算平均溫差，根據(jù)溫度校正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)。,⑵ 依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際選定總傳熱系數(shù)K估值，估算傳熱面積A估。選定換熱器的基本尺寸，如管徑、管長、管數(shù)及排列等；若選用，在標(biāo)準(zhǔn)中選擇換熱器型號。,⑶ 計算管程和殼程的壓降，根據(jù)初選設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程流體壓降，檢查結(jié)果是否滿足工藝要

68、求，若壓降不合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或擋板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計算壓降至滿足要求。,2 列管換熱器的選用和設(shè)計的步驟,⑷ 計算總傳熱系數(shù)，核算傳熱面積，計算管、殼程的給熱系數(shù)cp1和cp2，確定污垢熱阻R1和R2, 計算總傳熱系數(shù)K計，并計算傳熱面積A計，比較A估和A計，若A估/A計=1.15～1.25，則初選的設(shè)備合適，否則需另設(shè)K估值，重復(fù)以上步驟。,3/25/2024,141,,,,,,,,,上述設(shè)計方法及步

69、驟可用方框圖表示如下：,3/25/2024,142,6.7.3 其它熱交換器,1、板式換熱器2、板翅式換熱器3、熱管4、蓄熱池5、空氣冷卻塔,3/25/2024,143,3/25/2024,144,3/25/2024,145,螺旋板式換熱器,▲傳熱效率高　　傳熱效率為列管式換熱器的1~3倍▲阻力小　　以較低的壓力損失，處理大容量蒸氣或氣體；有自清刷能力，因其介質(zhì)呈螺旋形流動，污垢不易沉積；清洗容易，可用蒸氣或堿液沖洗，