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1、第4章 传热过程 及换热器,4.1 化工生产中的传热过程及常见换热器,4.2 传导传热,4.3 对流传热,4.4 间壁式热交换的计算,4.5 换热器的选择及传热过程的强化,4.1 化工生产中的传热过程及常见换热器,1化工生产中的传热过程,单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温；传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。,系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。,
2、化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。,传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。,换热器的外形和管束如下图所示.,换热器的外形,换热器的管束,工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。,直接接触式 在某些传热过程中，热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦简单。,间壁式 冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热，其型式很多。,蓄热式
3、 使热流体流过换热器，将器内固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传热目的。,2传热基本方式,传导传热 系统温度较高部分的粒子因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。其特点是，粒子只是在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。,热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。,对流传热 流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。 因流体内部各处温度不同造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；另一是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强
4、制对流。,辐射传热 是热量以电磁波传递的方式。当物体受热而引起内部原子激发，热能变为辐射能以电磁波形式向周围空间发射，射到另一物体时辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能，这种能量传播过程称为热辐射。 其特点是不需要任何传热介质，可在真空中传递。,实际生产中的传热过程很少是以一种方式进行，而是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。,3间壁式换热器,间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热量通过固体壁面的热传导；壁面的另一侧将热量传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。,依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换
5、热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。,图41为简单的套管换热器,把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。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。,图42为单程列管式换热器。,图43为双程列管式换热器。,4.2 传导传热,1.热传导基本方程傅里叶定律,当均匀物体两侧有温度差(t1一t2)时，热量以传导的方式, 由高温向低温传递。单位时间物体的导热量dQd与导热面积A和温度梯度dtd呈正比。写为等式：,如图44所示，,上
6、式称为傅里叶（Fourier）定律。定态传热时：,=,dtd温度梯度，Km-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度； A导热面积，m2； 比例系数，热导率，也称为导热系数，Wm-1K-1。,热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小，液体的热导率更小，气体的热导率最小。,2间壁式换热器壁面的热传导,平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热方向导热面积A不发生变化。,如图45所示的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，
7、传热面的温度沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。,（1）平面壁的定态热传导,=Q/=-A/,热流量也可写为：,=t/R,=,=,式中/A称为热阻，记作R, KW-1,圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。,（2）圆筒壁的定态热传导,如图所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由博里叶定律得：,=-Adtd=-2rl,分离变量并积分：,整理得：,又可改写为：,式中,为圆筒壁厚，,为半径的对数平均值，,圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时， 可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和Am。,如图所示为三层不同材料组
8、成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：,第一层,（3）多层壁面的定态热传导,第二层,第三层,因A1=A2=A3=A, 定态热传导时, 上三式加和后得,可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有加和性。 由过程分析还可得到：,多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。,多层圆筒壁的热流量式为：,对多层壁面的定态热传导，无论多层平壁还是多层圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。但对多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的面积热流量不相同。,或,各层交界面上的温度求取：,或,或,解：由题
9、意根据多层平壁热流量公式，得：,求耐火砖与保温砖的交界面温度t2,=806.8,求保温砖与石棉板的交界面温度t3,=806.8,例41 硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖,，保温砖,石棉砖,钢壳,保温砖与石棉板的交界面温度t3,=317.5,石棉板与钢壳的交界面温度t4,=81.1,计算
10、结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。,例42 A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板(,)，粘附内壁的污垢层厚lmm(,)，釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气(t1105)进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变)作比较。,解：,=7579Wm-2,无污垢层时：,=48 000 Wm-2,计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。,4.3 对流传热,1.对流传热机理,对流传热是流体流动过程中发生的热量传递. 工业过程的流动多为湍
11、流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。,由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。,如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，工程上将湍流主体和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为t的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.,式中流体的热导率，,t传热边界层厚度，m；,T对流传热温度差，,或,实际上对流传热过程：,该式称为牛顿（Newto
12、n）冷却定律或给热方程，h为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为,将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程,2.对流传热系数的影响因素及其求取,影响h的因素很多，主要有以下几个方面：,影响h的主要因素可用下式表示：,流体的种类和性质 液体、气体、蒸气，其密度、比热容、粘度等不同。,流体的流动形态 滞流、过渡流或湍流时h各不相同。,传热壁面的形状、排列方式和尺寸,流体的对流状态 强制对流较自然对流时h为大。,工程上采用量纲分析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲为一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到
13、经验性的关联公式。,（1）流体无相变过程表面传热系数的求取,描述对流传热过程的特征数关系为：,各特征数的含义如下表4-1所示,当流体被加热时，m0.4；当流体被冷却时，m0.3。,长径比 Ld50，适用于低粘度流体,且过程中无相变化。,适用范围：,化工生产中液体在间壁式换热器圆形管内进行对流换热时，h的关联式为,例4-4 在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从20加热到80,管束为38mm3mm,蒸汽走壳程,空气走管程,其流速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数.,解: 空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50,查50下空气的物性数据,Cp=1017Jkg-1K-1,=1.96
14、10-5Pas,=1093kgm-3,=2.8310-2Wm-1K-1,d=0.032m,u=14ms-1,得,计算结果表明:空气在管内流动Re10000, 160Pr0.6, 必然符合下式的条件,液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化，图 49为水的沸腾曲线：,（2）流体有相变过程的表面传热系数,化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。,液体的沸腾,图4-9 水的沸腾曲线,当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发
15、，如图中AB段曲线；当t逐渐增高时，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为泡核沸腾；,工业生产中, 总是设法维持在泡状沸腾下操作。,继续增大t时，产生的气泡大大增多且产生的速度大于脱离加热表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气膜的附加热阻使q和h均急剧下降，传热面几乎全部被气膜覆盖称为膜状沸腾。,饱和水蒸气与温度较低的固体壁面接触时，水蒸气放出热量并在壁面上冷凝成液体。表面张力的作用而形成许多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。若水蒸气和壁面洁净，冷凝液在壁面形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝。,水蒸气冷凝,滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍，故工业中
16、遇到的大多是膜状冷凝。,表42 常见流体的表面传热系数大致范围,4.4 问壁式热交换的计算,1传热总方程,如图410，传热过程是热流体给热间壁导热冷流体给热的串联过程。,换热器内进行的大都是定态传热过程：,或,间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性,令,，则传热总方程为：,式中K传热系数称总传热系数，,2. 传热系数K,K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。,表43化工中常见传热过程的K值范围,当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A，则传热系数为：,若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若A1A2A，即传热系数与传热面积对应时：,若无特殊说明，均为基于管外表面积的K2，其计算
