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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,
