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1、,第四章 传热,4.1 化工生产传热过程及常见换热器 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 传热过程的计算 4.5 换热器的选择及传热过程的强化,重点： 单层、多层平壁，圆筒壁热传导速率方程及应用； 换热器能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算； 对流传热系数的影响因素； 难点：1. 对流传热机理;2. 圆筒壁换热器的传热；,4.1 概 述,4.1.1 传热基本方式 4.1.2 冷热流体热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热通量 4.1.5 稳态传热和非稳态传热,传热过程：系统内温度的差异使热量从高温向低温转移的过程。,强化传热过程 削弱传热过程,化工生
2、产对传热的要求,化工生产中的传热过程,由于物质的分子、原子或电子的运动，使热量从物体内高温处向低温处的传递过程。 导热条件：温度差 特点：不依靠宏观混合运动；在气体、液体、固体中都能发生；,4.1.1 传热基本方式,一、热传导（导热）,流体各部分之间发生相对位移而引起的热传递特点：仅发生在流体中；质点的相对位移；,二、热对流（对流传热）,强制对流：由于泵、风机等外力作用而引起的流体流动称为强制对流，在强制对流情况下进行热量传递过程称为强制对流传热 自然对流：由于流体各部分温度的不均而形成了密度的差异使流体发生相对运动而传热，这种过程称为自然对流传热,习惯上把流体与固体壁面间的传热，统称为对流传
3、热，又称给热。,化工传热过程中的实际情况,流体流过固体表面时发生对流和热传导联合作用的传热过程,物体受热引起内部原子激发，将热能转变为辐射能以电磁波形式向周围发射，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能。物体受热而发出辐射能的过程称为热辐射 特点：热辐射不需要任何介质作媒介，即可在真空中传播。,三、热辐射（辐射传热）,4.1.2 冷热流体热交换的方式,1.直接接触式换热 2.蓄热式换热 3.间壁式换热,热流体将热量传到壁面一侧热量通过固体壁面的热传导壁面另一侧将热量传给冷流体,热对流-热传导-热对流,套管式换热器,4.1.3 典型的间壁式换热器,内管,外管,单程
4、列管式换热器,流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体,流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体,双程列管式换热器,管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器,传热速率(热流量)Q :单位时间内通过传热面的热量,W,4.1.4 传热速率和热通量,热通量(传热速度):单位传热面积的传热速率,W/m2,4.1.5 稳态传热和非稳态传热,稳态传热： 传热系统中不积累能量的传热过程 特点：温度分布不随时间而变，传热速率常量,非稳态传热： 传热系统中，温度分布随时间而变传热过程为非稳态传热，传热速率不为常量,4.1.6 载热体及其选择,加热剂（加热介质）：起加热作用的载流体,冷却剂（
5、冷却介质）：起冷却作用的载热体,载热体：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,工业中常用的加热剂和冷却剂,P210表4-1,4.2 热 传 导,4.2.1 热传导基本概念和定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 通过平壁的热传导 4.2.4 通过圆筒壁的热传导,4.2.1 热传导基本概念和定律,一、温度场和温度梯度,温度场:任一瞬间物体内各点温度分布的总和,非稳态温度场：温度场内各点的温度随时间而变,稳态温度场：温度场内各点的温度不随时间而变,物体内任一点温度为该点位置与时间的函数,稳态一维温度场：稳态温度场中，物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变
6、化,等温面：同一时刻下相同温度各点所组成的面,温度不同的等温面彼此不相交； 沿等温面无热量传递， 沿与等温面相交的任何方向有热量传递,温度梯度：两相邻等温面的温度差与该两面的垂直距离比值的极限,稳态一维温度场,“-”表示导热方向总是和温度梯度方向相反,导热速率与温度梯度及传热面积成正比,二、傅立叶定律,：单位温度梯度下的热通量,金属 非金属固体 液体 气体,4.2.2 导 热 系 数,表征物质导热能力的大小，越大，导热越快,一、单层平壁的稳态热传导,S b; =cons.; t1t2,不随时间变化,4.2.3 通过平壁的稳态热传导,Q、S = const.,假设条件,导热距离越大，传热面积和导
7、热系数越小，热阻越大,例题：某平壁厚度为.m，平壁内表面温度为10，外表面温度为300，平壁材料导热系数与温度的关系为,若将导热系数分别按常量和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布,设壁厚x处的温度为t,温度和距离呈直线关系,（）导热系数按常量计算,设壁厚x处的温度为t,温度分布为曲线,（）导热系数按变量计算,将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布不同工程中计算热通量时，可取平均温度下导热系数，将导热系数按常量处理,二、多层平壁的稳态热传导,第一层,第二层,第三层,t1,t2,t3,t4,b1,b2,b3,假设层与层间接触良好，相接触的两表面温度相同,n层平壁,
8、例4-2,结论：热传导中温度差与热阻成正比,4.2.4 通过圆筒壁的定态热传导,一、单层圆筒壁的热传导,圆筒壁热传导速率方程式写成与平壁热传导速率方程相类似的形式,平均面积,对数平均半径,对数平均面积,二、多层圆筒壁的热传导,对于n层圆筒壁,例43,即使导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线,S1S2，Q 相同，q 不相同,多层平壁和多层圆筒壁热传导的比较,平面壁,S1=S2， Q 相同，q 相同,圆筒壁,可以求各层交界面上的温度,好的绝热材料应包在管的内层,（2）石棉和软木互换后损失的冷量,（1）每米管长上损失的冷量,4.3.1 对流传热速率方程和系数 4.3.2 对流传热机理
9、简介 4.3.3 保温层的临界厚度,4.3 对 流 传 热,对流传热问题的分类 根据流体在传热过程中的状态可分为两类： 流体无相变的对流传热 流体在传热过程中不发生相变化，分为两种情况： 强制对流传热：外力作用流动 自然对流传热：温度差密度差流动 流体有相变的对流传热 流体在传热过程中发生相变化，分为两种情况： 蒸气冷凝：气体在传热过程中冷凝为液体 液体沸腾：液体在传热过程中沸腾气化变成气体,概 述,4.3.1 对流传热速率方程和系数,1.对流传热速率方程,牛顿冷却定律，给热方程,局部对流传热系数，W m-2-1,对流传热热阻,工程中使用平均对流传热系数,热流体在管内流动，冷流体在管外流动,对
10、流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应,套管式换热器中对流传热速率方程表达式,温度差的平均值,2.对流传热系数,定义：单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率,W/（m2 . ）,反映对流传热的快慢，不是物性，是参数,强制 自然； 相变 无相变； 液 气,影响因素,4.3.2 对流传热机理,4.3.3 保温层的临界直径,保温层内表面温度t1, 环境温度tf, 保温层内外半径ri,ro,假设：,传热过程：,保温层的热传导； 保温层外壁与环境空气的对流传热,条件：,对流传热热阻1/S； 传热面积2roL； 对流传热系数；,热损失：,对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径,保温层热传导热阻R1
11、；外壁与空气的对流传热热阻R2,习惯上以rc表示Q最大时的临界半径,Q,do,dc,4.4 传热过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率方程和总传热系数 4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程 4.4.4 总传热速率方程的应用,传热过程的计算：,设计计算：,校核计算：,根据生产要求的热负荷（换热器的传热量），确定换热器的传热面积,计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度,若换热器中两种流体无相变，且cp不随温度变化时:,若换热器中的热流体有相变化，如饱和蒸气冷凝时：,4.4.1 热 量 衡 算,热流体放出的热量 = 冷流体吸收的热量,饱和蒸气的的冷凝热,1.总传热速率微分方程,
12、T：热流体的平均温度； t：冷流体的平均温度；,工程上用外表面积作为基准，Ko应用较多,4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数,单位传热面积、单位温度差下的传热速率。衡量换热器性能的重要参数，也是对换热器进行计算和评价的依据。取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型,2.总传热系数,Wm-2-1,Q,1）总传热系数的计算,（1）总传热系数的计算式,污垢系数,（2）污垢热阻,总传热系数表示成热阻的形式,（3）提高总传热系数的途径,传热面为平面或薄管壁时，dodidm, 忽略管壁热阻和污垢热阻,讨论：,当io ，影响K的主要因素是o,当oi ，影响K的主要因素是i,结论：,1）当两个
13、对流传热系数相差较大时，欲提高K，关键在于提高对流传热系数较小一侧的,2）当两个对流传热系数相差不大时，欲提高K，必须同时提高两侧的,为提高K，必须减小起决定作用的热阻,3）若污垢热阻为控制因素，欲提高K，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,(1)恒温传热的平均温度差,冷热流体温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体温度差沿换热面处处相等,如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝,4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程,高温侧冷凝、低温侧升温,高温侧降温、低温侧沸腾,1）一侧伴有相变的平均温度差,a,b,(2)变温传热的平均温度差,1）逆流和并流时的平均温度差,2）两侧都没有
14、相变的平均温度差,设温差大的一端为t1，温差小的一端为t2,若 t1/ t22，,若t1/t22，,2）错流和折流时的平均温度差,错流,折流,某管壳式环热器由252.5mm的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的i 为50W/(m2.)，管外侧水的o为1000W/(m2.),钢的为45W/(m.). 求基于管外表面积的总传热系数Ko及按平壁计的总传热系数。,空气侧的污垢热阻,m2 ./W,水侧的污垢热阻,m2 ./W,若管壁热阻和污垢热阻可忽略，为了提高总传热系数，在其他条件不变的情况下，分别提高不同流体的对流传热系数， 即（1）将i提高一倍；（2）将o提高一
15、倍,试分别计算Ko值,在一单壳程、单管程的管壳式换热器中，热流体由90冷却至70，冷流体由20加热到60， 试求做逆流和并流时的对数平均温度差,硫酸生产中SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热SO2气体，若转化气温度由440降到320， SO2由220被加热到280。 试求并流传热和逆流传热的平均温度差, 流体流动方向对传热平均温度差的影响,变温传热，逆流操作的平均温度差大于并流,恒温传热，流体的流动方向对其无影响,流体流动方向对传热的影响,满足相同工艺换热能力要求，采用逆流传热要比并流传热相应减少传热面积或载热体使用量。, 流体流动方向对传热面积的影响,在传递等量的热量时，相同条件
16、下，逆流所需的传热面积比并流的小，也就是说明采用逆流操作可以节省换热器材料。,流体流动方向对载热体用量的影响,恒温传热：流向对载热体的量无影响,变温传热：假设在传热面积相等的情况下，当热流体入口端温度都是T1时,逆流所需载热体的用量比并流小,当物料是热敏性的，须采用并流,热敏性物料对出口温度是有限制的。,由于并流时t2一定小于T2，采用并流容易控制； 逆流时t2可能大于T2，易失控。,对于粘性大的物料，须采用并流,粘度随温度而，阻力，推动力，传热速率,并流进口温度差T1t1可以很大，可使物料粘性降低,生产中，什么情况用并流 ？,4.4.4 总传热速率方程的应用,1.传热面积的计算,2.实验测定总传热系数,在一传热外表面积So为300m2的单程管壳式换热器中，300的某种气体流过壳程并被加热到430，另一种560的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1104kg/h,平均比热容均为1.05kJ/(kg.)。 试求总。假设换热器的热损失为壳程气体传热量的10%。,
