《化工原理课件--传热单元操作与设备》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工原理课件--传热单元操作与设备(78页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、单元三 传热单元操作与设备,第一节 传热的基本方式与类型,一、传热在化工生产中的应用 传热的动力:温度差。 传热的应用: 为化学反应创造必要的条件; 为单元操作创造必要的条件; 提高热量的综合利用;,减少设备的热损失;,强化传热 1、传热问题的要求 削弱传热 设计传热设备 2、传热计算问题的应用 计算传热量 减少热损失,3、稳态传热和非稳态传热,稳态传热:传热系统中各点温度仅随位置的不同而不同,不随时间变化。,非稳态传热:传热系统中各点温度不仅随时间变化,而且随位置的不同而不同。,二、传热的基本方式,1、热传导 传热机理:通过分子的热振动传递热量; 特 点:分子不发生宏观的位移; 2、热对流
2、传热机理:通过流体质点的相对位移传递热量; 特 点:流体质点互相混合、碰撞;,对流传热:流体与固体壁面间的热量传递过程。,自然对流:由于温度不同导致密度差异 而引起的移动; 方式 强制对流:由于外力引起的移动;,3、热辐射 传热机理:通过发射电磁波的形式向外辐射能量; 特 点:传热过程不需要介质; 注:实际传热过程中三种方式结合进行。,三、工业换热器的类型,换热器:用于热量交换的设备。 载热体:参与换热的两种流体。 热载热体(热流体):加热剂(水蒸 载热体 汽) 冷载热体(冷流体):冷却剂(水、冷 冻盐水、空气),1、间壁式:冷热流体通过间壁传递热量; 特点:两种流体不直接混合,保持原状态;
3、2、混合式:冷热两种流体直接混合; 特点:传热速度快; 适用于:废热回收; 3、蓄热式 4、中间载热体式换热器:热管;,第二节 传热基本方程,一、典型间壁式换热器及其传热过程 1、典型间壁式换热器 套管式、列管式等,2、间壁式换热器传热过程简述,(1)热流体 对流 间壁; (2)间壁一侧 传导 间壁另一侧; (3)间壁另一侧 对流 冷流体; 二、传热基本方程 1、传热速率(热流量)Q与热通量q 单位时间内通过传热面的热量,单位为:W 。,单位时间内通过单位面积所传递的热量,为热通量,单位是W/m2。 2、传热基本方程,传热问题:操作型和设计型; 对于设计型问题:给定传热任务,确定换热器所需的换
4、热面积。,第三节 传热速率与热负荷,一、热负荷:生产要求换热器单位时间 传递的热量。,二、热负荷与传热速率 传热速率:换热器单位时间传递的热量,是换 热器的生产能力。,热负荷:生产要求换热器单位时间传递的 热量,是生产任务。 生产上,为保证完成任务,要求换热器的传热速率大于或等于热负荷。,三、热量衡算与热负荷的确定,1、热量衡算 (1)焓差法 热流体: 冷流体: (2)显热法 热流体: 冷流体:,(3)潜热法,如热流体原色热的过程中既有温度的降低,也有相变化,则:,2、热负荷的确定,考虑热损失 对于间壁式换热器: 如果热流体走管程: 如果冷流体走壳 程: 例:略,第四节 传热平均温度差,流体的
5、流动方向: 并流 逆流 错流 折流 恒温传热:冷热流体在换热过程温度不变。 变温传热:冷热流体只要有一种流体的温度发 生变化。,1、恒温传热,2、变温传热: (1)一类: t1=T-t1 t2=T-t2 (2)二类:考虑流动方向 并流: t1=T1-t1 t2=T2-t2,逆流,t1=T2-t1 t2=T1-t2 错流、折流: 校正系数可根据R、P值查图:,思考题:对于同样的进出口温度,选择 什么样的流型更好?,结论:逆流好。 原因:1、传质推动力大; 2、所需传热介质少;,生产上,常采用错流或折流,原因是这两种流型可有效的降低热阻。,第五节 热传导,一、傅立叶定律 1、温度场与温度梯度 温度
6、场:物体或体系内部温度在空间和时间上 的分布。 稳态导热:温度场内各点温度不随时间变化。 非稳态导热:温度场内各点温度随时间变化。,温度梯度:,两相邻等温面的温度差与其垂直距离之比的极限。,温度梯度是向量,方向垂直于等温面,温度增加的方向为下方向,与导热的方向相反。,2、傅立叶定律,其中:称为热导率,w/(m); 二、热导率 w/(m); 是表示物质导热能力大小的指标,是物质的物性。,(1)气体的热导率 液 气 T升高,气体的导热系数增加。,(2)液体的热导率 固液 T升高,液体的导热系数略有减小; (3)固体的热导率 金属固体非金属固体 金属:T升高,导热系数下降; 非金属: T升高,导热系
7、数增加;,三、平壁导热,1、单层平壁 假设平壁的热导率为常数,其面积和厚度相比是很大的,从边缘处散失的热量可以忽略,壁内的温度只沿着垂直壁面的x方向发生变化,即等温面是垂直于x轴的平面,且壁面的温度不随时间变化。对此种平壁一维稳态导热,导热速率Q和导热面积S均为常数。据,当x=0时,t=t1, x=b时, t=t2,且t1t2,积分上式得: 其中: 热阻(与导热系数成反比) 热通量 W/m2,2、多层平壁,(1)公式推导 化简后: (2)温差与热阻成正比,热阻大,则温差也大。 例题:P85页。,四、圆筒壁的定常热传导,1、单层圆筒壁导热 (1)特点:传热面积随半径而变化。 (2)公式推导: 分
8、变量积分并整理:,变形:,其中: 说明:Q不随半径而变,但热通量q随r的增大而 减小。,2、多层圆筒壁导热(以三层圆筒壁为例),同样的方法可推导出: 同样,各层热阻越大,温 差就越大。 例题:P86页。,第六节 对流传热,一、对流传热分析 1、在流动截面上 存在温度分布; 2、温度差主要集中 在层流内层中。,二、对流传热基本方程,牛顿冷却定律 对热流体: 对冷流体: 其中: 反映对流传热程度的大小。 t:代表层流内层的厚度,mm;,注:传热膜系数与温差、传热面积相对应;,三、对流传热膜系数,1、影响对流传热膜系数的因素 (1)流体的种类及相态变化; (2)流体的物性:如导热系数、密度、粘 度和
9、比热容cp; (3)流动型态; (4)流体流动的原因:自然对流、强制对流; (5)传热面的形状特征与相对位置;,2、对流传热膜系数总准数关联式,(1)无相变化时,对流传热系数的特征关联式 (2)通过量纲分析的无量纲数为: 努塞尔准数 雷诺数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数,3、流体无相变化时的对流传热系数关联式,(1)圆形直管内强制对流 其中:当流体被加热时,n=0.4; 当流体被冷却时,n=0.3; 注:经验公式在使用时注意应用范围、应用条 件等问题。,(2)管外强制对流,五、流体有相变化时的对流传热系数 膜状冷凝 1、蒸汽冷凝 滴状冷凝 自然沸腾 2、液体沸腾 核状沸腾 膜状沸腾,第七节 传热
10、系数,其中:K :传热系数,w/(m2.) A:传热面积, m2 ; A=ndl 传热面积可以是Ai、Am、A0。,一、传热系数的计算,1、基本公式 (1)热流体的对流传热: (2)管壁的热传导: (3)冷流体的对流传热:,化简后得:,又因为: 所以: 其中:S可以取S0、Sm、Si。,常取:基于外表面积下的传热系数K0。,考虑污垢热阻: 管外壁污垢热阻 管内壁污垢热阻,2、几点说明,(1)当传热面为平壁时: (2)当忽略管壁热阻和污垢热阻时: (3)提高K的方法:设法减小起决定性作用的热阻。 (4)K值也可以选取经验数据或进行实验测定。,二、污垢热阻的影响,污垢热阻不可忽略,选用经验值。 三
11、、强化传热途径 1、增大传热面积 2、增大传热温度差 3、增大传热系数,四、传热计算举例 (P98),1、设计型计算:根据已定的生产要求,确定所需换热面积。 2、操作型计算:判断已有换热器的面积能否完成指定的生产任务。 3、壁温的估算 壁温接近于热阻较小的一侧流体的温度。,五、工业热源与冷源,1、热源:电热、饱和水蒸汽、热水、烟道气等。 2、冷源:冷水、空气、冷却剂(低温盐水、液氨、液氮),附加内容 热辐射,一、热辐射的基本概念 1、热辐射:以电磁场波的形式传递能量的方式。 波长范围:0.7620m。 2、辐射能:Q; 吸收能:QA;吸收率: 反射能:QR;反射率: 透过能:QD;透过率:,A
12、+R+D=1 注:不同的物体A、R、D的值不同。,固体和液体:D0; 单原子和由双原子气体:D 1; 3、黑体的辐射能力斯蒂芬-波尔兹曼定律 (1)黑体:A=1; (2)黑体的辐射能力:E0; W/m2; 0-辐射常数, 0=5.6710-8 W/(m2.K4)。,也可写成:,C0:黑体辐射系数,为5.67 W/(m2.K4)。 3、实际物体的辐射能力 (1)黑度: (2)实际物体的辐射能力: 常用工业材料的黑度值见P164。,4、灰体的辐射能力和吸收能力-克希荷夫定律,(1)灰体:对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。 A= (2)辐射能: 二、两固体间的热辐射 总辐射系数,W/(m2.K4
13、) 角系数 (见P165表4-11),三、辐射对流联合传热,1、对流传热: 辐射传热: 统一形式: 壁面散失的总热量为:,2、辐射对流联合传热系数,(1)空气自然对流,TW 5m/s时:,第八节 换热器,一、换热器的分类 直接接触式 1、换热器 间壁式 蓄热式 按用途分:加热器、预热器、过热器、蒸发器、 再沸器、冷却器、冷凝器;,按传热面形状和结构分:,1、管式:列管式、套管式、蛇管式、翅片管式; 2、板式:平板式、螺旋板式、板翅式; 3、特殊形式:回转式、热管等,二、间壁式换热器,1、管式 (1)列管式: 固定管板式 结构:壳体、列管、管板、封头; 优点:结构简单、设备紧凑、管内易清洗; 缺
14、点:壳程不易清洗,不能承受温差应力;,优点:管板一侧不与壳体相联,可自由伸缩, 即有浮头,不会产生温差应力,便于清洗。 缺点:结构复杂,造价高。 U型管式,浮头式,优点:管板一侧不与壳体相联,可自由伸缩, 即有浮头,不会产生温差应力,便于清洗。 缺点:结构复杂,造价高。 U型管式 优点:结构简单,密封面少,造价低。 缺点:管内清洗困难,可排管子少。,填料函式,釜式 (2)套管式换热器 优点:结构简单,耐高压传热面积可随时增减。 缺点:占地面积、金属耗量大,清洗不方便。 (3)蛇管式换热器 种类:沉浸式、喷淋式。,沉浸式:金属弯管,优点:结构简单、价格低廉,便于防腐,耐 高压。 缺点:管外传热系
15、数小,需加搅拌装置。 喷淋式:主要用于冷却管内液体。 优点:清洗方便,传热效果较好。 缺点:体积庞大,冷水耗量大,喷淋不均匀。,(4)翅片管式换热器(管翅式),特点:传热管的内外表面装有翅片,加大传热面 积和流体的湍动程度。 2、板式换热器 (1)夹套式 优点:结构简单,容易制造; 缺点:传热面积小,传热效率低,(2)平板式,优点:结构简单,单位体积提供的传热面积大, 流体湍动程度大,传热效率高。 缺点:处理量小,操作压力、温度不宜过高。 (3)螺旋板式 优点:结构紧凑,单位体积提供的传热面积大, 流体逆流接触,温差大,流体湍动程度大,,传热效率高。不易结垢。,缺点:制造和检修困难,流动阻力大,操作温度 和压力不高。 (4)板翅式 优点:结构紧凑,单位体积提供的传热面积大,传热系数高; 缺点:容易堵塞,流动阻力大,检修困难。,(5)热板式,3、热管换热器,