化工单元操作模块二 传热

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1、化工单元操作教学课件制作：模块二 传热 任务一 了解传热过程及其应用一、传热在化工生产中的应用 根据热力学第二定律可知，热量总是自动地从温度 较高的物体传给温度较低的物体。 为化学反应创造必要的条件 为单元操作创造必要的条件 提高热能的综合利用率 隔热与节能 二、传热过程的类型化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一 是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率 快，传热效果好。另一种是削弱传热，如设备和管道的 保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失 。化工传热过程既可连续进行也可间歇进行。若传热系统（例如换热器）中的温度仅与位置有关而 与时间无关，此种传热称为稳态传热，其特

2、点是系统中 不积累能量（即输入的热量等于输出的热量），传热速 率（单位时间传递的热量）为常数。若传热系统中各点 的温度既与位置有关又与时间有关，此种传热称为非稳 态传热，间歇生产过程中的传热和连续生产过程中的开 、停车阶段的传热一般属于不稳定传热。化工生产中的 传热大多可视为稳态传热，因此，本模块只讨论稳态传 热。 三、载热体及其选择三、载热体及其选择参与换热的流体称为载热体参与换热的流体称为载热体 。 热流体热流体 -冷流体冷流体 ；加热剂；加热剂 、冷却剂（或冷凝剂）、冷却剂（或冷凝剂） 1. 1. 载热体的选用原则载热体的选用原则 载热体应能满足所要求达到的温度。载热体应能满足所要求达到

3、的温度。 载热体的温度调节应方便。载热体的温度调节应方便。 载热体的比热容或潜热应较大。载热体的比热容或潜热应较大。 载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变 质。质。 为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易 燃易爆，对设备腐蚀性小。燃易爆，对设备腐蚀性小。 价格低廉，来源广泛。价格低廉，来源广泛。2. 常用加热剂和冷却剂 工业中常用的加热剂有热水（40100）、饱和 水蒸气（100180）、矿物油（180250）、导 生油（联苯或二苯醚的混合物）（255380）、熔盐 （142530）、

4、烟道气（5001000）等，除此 外还可用电来加热。 当要求温度小于180时，常用饱和水蒸汽作加热 剂。其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节 其压强就可以控制加热温度，使用方便；饱和水蒸汽冷 凝放出潜热，潜热远大于显热，因此所需的蒸汽量小； 蒸汽冷凝时的膜系数很大，对流传热的阻力小；价廉、 无毒、无失火危险。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达 到的温度受压强的限制，不能太高（一般tm错，折tm并。生产中为提高传热推动力，应尽量采用生产中为提高传热推动力，应尽量采用逆流逆流。但出于。但出于 某些其他方面的考虑时，也采用其他流向。采用错流或折某些其他方面的考虑时，也采用其他流向。采用错流或折

5、流可以有效地降低传热热阻，降低热阻往往比提高传热推流可以有效地降低传热热阻，降低热阻往往比提高传热推 动力更为有利，所以工程上多采用动力更为有利，所以工程上多采用错流或折流错流或折流。【例2-5】 在一传热面积S为50m2的列管换热器中，采 用并流操作，用冷却水将热油从110冷却至80，热 油放出的热量为400KW，冷却水的进、出口温度分别为 30和50。忽略热损。计算并流时冷却水用量和传 热平均温度差；如果采用逆流，仍然维持油的流量和 进、出口温度不变，冷却水进口温度不变，试求冷却水 的用量和出口温度。（假设两种情况下换热器的传热系 数K不变）解：解：并流并流时时从附录中查得从附录中查得(3

6、0+50)/2=40(30+50)/2=40下，水的比热容为下，水的比热容为 4.174kJ/(kgK)4.174kJ/(kgK)，则冷却水用量为：，则冷却水用量为：采用逆流在此题中，采用逆流后，换热器的传热面积S、传热 系数K及热负荷Q均不变，则其传热平均温度差也和并流 时相同，故有：tm51假设此时t1/t22，则可用算术平均值，即：解得：解得： t t2 25858 则则 t t1 111011058585252， t t2 2808030305050， t t1 1/t t2 252/5010m/s;u10m/s;同向同向 蒸汽中不凝气体的含量蒸汽中不凝气体的含量 若空气中含有空气或其

7、他不凝性气体，由于气体的导热若空气中含有空气或其他不凝性气体，由于气体的导热 系数小，气体聚集成薄膜附着在壁面后，将大大降低传热效系数小，气体聚集成薄膜附着在壁面后，将大大降低传热效 果。研究表明，果。研究表明，当蒸汽中含有当蒸汽中含有1%1%的不凝性气体时，对流传的不凝性气体时，对流传 热系数将下降热系数将下降6060。 流体的物性流体的物性 冷凝液密度冷凝液密度 大、粘度大、粘度 低、低、 大；蒸汽的冷凝潜热大；蒸汽的冷凝潜热r r高高 冷凝壁面的形状和位置冷凝壁面的形状和位置 (2)(2)液体沸腾过程的对流传热液体沸腾过程的对流传热6. 6. 对流辐射联合传热系数对流辐射联合传热系数 式

8、中式中 T T对对对对流流辐辐辐辐射射联联联联合合传热传热传热传热 系数，系数，W/(mW/(m2 2 K)K)；S SW W设备设备设备设备 或管道的外壁面或管道的外壁面积积积积，m m2 2；t tW W、tt设备设备设备设备 或管道的外壁温度和周或管道的外壁温度和周围环围环围环围环 境温度，境温度，K K。 对对对对流流辐辐辐辐射射联联联联合系数合系数 T T可用如下可用如下经验经验经验经验 式估算：式估算： 室内（室内（t tW W150150，自然，自然对对对对流）流） 对圆对圆对圆对圆 筒壁（筒壁（D D1m1m） T T=9.42+0.052(t=9.42+0.052(tW W-

9、t)-t) 对对对对平壁（或平壁（或D1mD1m的的圆圆圆圆筒壁）筒壁） T T=9.77+0.07(t=9.77+0.07(tW W-t)-t) 室外室外(三) 传热系数的获取方法1. 取经验值 热热流体冷流体传热传热系数K/ W/(m2K) 水水8501700轻轻油水340910重油水60280气体水17280水蒸汽冷凝水14204250水蒸汽冷凝气体30300低沸点烃类烃类蒸汽 冷凝（常压压 ）水4551140高沸点烃类烃类蒸汽 冷凝（减压压 ）水60170水蒸汽冷凝水沸腾腾20004250水蒸汽冷凝轻轻油沸腾腾4551020水蒸汽冷凝重油沸腾腾1404252.现场测定实验室用蒸汽在一套

10、管换热器中加热空气，空气实验室用蒸汽在一套管换热器中加热空气，空气 走管程。测出蒸汽的压力，即得其温度；测出空走管程。测出蒸汽的压力，即得其温度；测出空 气的流量及进、出口温度气的流量及进、出口温度t t1 1、t t2 2，由，由例 在一套管换热器中，苯在管内流动，流量为 3000kg/h，进、出口温度分别为80和30，在平均 温度下，苯的比热容可取1.9kJ/(kgK)。水在环隙中流 动，进、出口温度分别为15和30。逆流操作，换热 器的传热面积为2m2，热损可以忽略不计。试求换热器 的传热系数。 解：换热器的解：换热器的传热量传热量： Q=Q=WWh hC CP Ph(h(T T1 1T

11、 T2 2)=(3000/3600)1.9(80)=(3000/3600)1.9(8030)30) 21.93kW21.93kW 平均温度差平均温度差： 3.公式计算热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流” 的串联过程。(假设热流体走管程，冷流体走壳程) (1)热流体对壁面的对流传热(2)(2)壁面内的导热壁面内的导热(3)壁面对冷流体的对流传热则总过程：具体计算时，等式左边的传热面积S可选传热面（管 壁面）的外表面积So或内表面积Si或平均表面积Sm，但 传热系数K必须与所选传热面积相对应。K Ki i、K Ko o、K Kmm 基于基于S Si i、S So o、S Smm 的传

12、热系数，的传热系数， W/(mW/(m2 2K)K)。 但工程上，大多以但工程上，大多以外表面积外表面积为基准，手册中所列为基准，手册中所列K K值值 都是基于外表面积的传热系数，换热器标准系列中的传热都是基于外表面积的传热系数，换热器标准系列中的传热 面积也是指外表面积。面积也是指外表面积。 污垢热阻的影响换热器在使用过程中，传热壁面常有污垢形成，对传 热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常，污垢热阻 比传热壁面的热阻大得多。 影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热 壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚 度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值。 表表2-4 2

13、-4 常见流体的污垢热阻 常见流体的污垢热阻R R S S(m(m2 2K)/kW K)/kW 若传热壁面为平壁或薄管壁时，若传热壁面为平壁或薄管壁时，S Si i、S So o、S Smm相等或近相等或近 似相等，则可简化为：似相等，则可简化为：(四)壁温的计算【例例2-122-12】有一换热器，管内通有一换热器，管内通9090的热流体，膜系数的热流体，膜系数 为为1100w/m1100w/m，管外有某种液体沸腾，沸点为，管外有某种液体沸腾，沸点为5050， 膜系数为膜系数为5800 5800 w/mw/m 。试求以下两种情况下的壁温。试求以下两种情况下的壁温 ：（：（1 1）管壁清洁无垢）

14、管壁清洁无垢 ；（；（2 2）外侧有污垢产生，污垢热）外侧有污垢产生，污垢热 阻为阻为0.005 m0.005 m /w。设管壁热阻可以忽略。设管壁热阻可以忽略。 解：因管壁热阻可以忽略，故换热管内、外侧的壁温相等，解：因管壁热阻可以忽略，故换热管内、外侧的壁温相等， 设为设为T Tww。 （1 1）当壁很薄时，）当壁很薄时，S Si iSSOO，又管壁清洁无垢，由式（，又管壁清洁无垢，由式（2-482-48 ）得）得 （2 2）同理，当外侧有污垢时）同理，当外侧有污垢时 结论结论: :壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。当不壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。当不 计污垢热阻时，

15、壁温接近计污垢热阻时，壁温接近膜系数膜系数值大的那个流体的温度。值大的那个流体的温度。五、强化与削弱传热（一） 强化传热途径 Q=KStm 1.1.增大传热面积增大传热面积如图所示的几种带如图所示的几种带 翅片或异形表面的传热翅片或异形表面的传热 管，它们不仅使管，它们不仅使传热表传热表 面面有所增加，且强化了有所增加，且强化了 流体的湍动程度，提高流体的湍动程度，提高 了了对流传热系数对流传热系数，使传，使传 热速率显著提高。热速率显著提高。 2.提高传热推动力传热平均温度差的大小取决于两流体的温度 大小及流动型式。一般来说，物料的温度由工艺 条件所决定，不能随意变动，而加热剂或冷却剂 的温度，可以通过选择不同介质和流量加以改变 。改变加热剂或冷却剂的温度，必须考虑到技术 上的可行性和经济上的合理性。另外，采用逆流操作或增加壳程数，均可得 到较大的平均传热温度差。3.提高传热系数一般来说，在金属换热器中，壁面较薄且导热系数一般来说，在金属换热器中，壁面较薄