《第四章热量传递级设备讲课文档》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章热量传递级设备讲课文档（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章热量传递级设备第一页，共九十二页。第一节 概 述 二、工业生产上的换热方法二、工业生产上的换热方法 参与传热的流体称为载热体。在传热过程参与传热的流体称为载热体。在传热过程中，温度较高而放出热能的载热体称为热载热中，温度较高而放出热能的载热体称为热载热体或加热剂；温度较低而得到热能的载热体称体或加热剂；温度较低而得到热能的载热体称为冷载热体或冷却剂、冷凝剂。为冷载热体或冷却剂、冷凝剂。 冷、热两种流体在换热器内进行热交换，冷、热两种流体在换热器内进行热交换，实现热交换的方法有以下三种：实现热交换的方法有以下三种： 1.直接接触式换热直接接触式换热 其特点是冷、热两流体在换热器中直接接触，
2、如其特点是冷、热两流体在换热器中直接接触，如图图4-1所示，在混合过程中进行传热，故也称为混合所示，在混合过程中进行传热，故也称为混合式换热。式换热。 混合式换热器适用于用水来冷凝水蒸汽等混合式换热器适用于用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合。常用于气允许两股流体直接接触混合的场合。常用于气体的冷却或水蒸气冷凝。体的冷却或水蒸气冷凝。 图4-1 直接接触式换热第二页，共九十二页。第一节 概 述 2.蓄热式换热蓄热式换热 其特点是冷、热流体间的热交换其特点是冷、热流体间的热交换是通过蓄热器的周期性加热和冷却是通过蓄热器的周期性加热和冷却来实现的。该换热器是由热容量较来实现的。该换热器
3、是由热容量较大的蓄热室构成大的蓄热室构成,室内装有耐火砖等固室内装有耐火砖等固体填充物体填充物,如图如图4-2所示。操作时冷、热所示。操作时冷、热流体交替的流过蓄热室流体交替的流过蓄热室,利用固体填充物利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 由于这类换热设备的操作是间歇交由于这类换热设备的操作是间歇交替进行的替进行的,并且难免在交替时发生两并且难免在交替时发生两股流体的混合股流体的混合,所以这类设备在化工生所以这类设备在化工生产中使用的不太多。产中使用的不太多。图4-2 蓄热式换热器 第三页，共九十二页。第一节 概 述 3. .间壁式换热间壁式换热
4、其特点是冷、热流体被一固体壁面隔开其特点是冷、热流体被一固体壁面隔开, ,分别在壁面的两侧流动分别在壁面的两侧流动, ,不相混合。传不相混合。传热时热流体将热量传给固体壁面热时热流体将热量传给固体壁面, ,再由壁面传给冷流体。这是生产中使用最再由壁面传给冷流体。这是生产中使用最广泛的一种形式。适用于两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接广泛的一种形式。适用于两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合相混的场合, ,如锅炉烧水。如锅炉烧水。 化工生产中最常遇到的换热过程就是间壁式换热化工生产中最常遇到的换热过程就是间壁式换热, ,常见换热器如图常见换热器如图4-34-3、4-44-4及
5、及4-54-5所示。所示。图图4-3 套管式换热器套管式换热器图图4-4 单程列管式换热器单程列管式换热器图图4-5 双程列管式换热器双程列管式换热器第四页，共九十二页。 第一节 概 述 套管式换热器如图4-3所示,它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的。冷、热流体分别流经内管和环隙,通过内管壁而进行热的交换。 列管式换热器主要有壳体、管束、管板（花板）和封头等部件组成。一种流体由封头处的进口管进入分配室空间（封头与管板之间的空间）分配至各管内（称为管程）,通过管束后,从另一封头的出口管流出换热器。另一种流体则由壳体的进口管流入,在壳体与管束间的空隙流过（称为壳程）,从壳体的另一端出口管流
6、出。 图4-4所示为单管程列管式换热器，流体在换热器管束内只通过一次。 图4-5所示为双管程列管式换热器,在换热器的分配室空间设置隔板,将管束的全部管子平均分成两组,流体每次只通过一组管子,然后折回进入另一组管子,如此反复,最后从封头处的出口管流出换热器。 另外还有多管管程列管式换热器。第五页，共九十二页。第一节 概 述 三、传热的基本方式三、传热的基本方式 热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋方向总是由高温处自动地向低温处移动。
7、温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。 根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。射。 1. .热传导：又称传导传热热传导：又称传导传热, ,简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间, ,热量会自动地从高温向低温传递的方式。本质上它是依靠物体内分子的热振动和热量会自动地从高温向低温传递的方式。本质上它是依靠物体内分子的热振动和自由电子的运动而进行热能的
8、传递。在热传导中物体中的分子不发生相对位移自由电子的运动而进行热能的传递。在热传导中物体中的分子不发生相对位移, ,如如铁棒的传热等铁棒的传热等 。固体、液体和气体都能以这种方式传热。固体、液体和气体都能以这种方式传热。 2. .热对流：热对流：又称对流传热又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。第六页，共九十二页。第一节
9、概 述 3. .热辐射：又称辐射传热热辐射：又称辐射传热, ,是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后一低温物体吸收后, ,又重新全部或部分地转变为热能的过程。因此辐射传热又重新全部或部分地转变为热能的过程。因此辐射传热, ,不仅是能不仅是能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。另外量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。另外, ,辐射传热不需要任何介质辐射传热不需要任何介质作媒介作媒介, ,它可以在真空中传播。这是热辐射与热传导及热对流的根本区别。一般只有物它可以在真空中传播。这是热辐射与热传导及热对流的根本区别。一般只有物体温度
10、大于体温度大于400400时时, ,才有明显的热辐射才有明显的热辐射。 实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式同时出现。在一般换热器内，辐射传热量很小，往往可以忽略不计，只需考同时出现。在一般换热器内，辐射传热量很小，往往可以忽略不计，只需考虑热传导和热对流两种传热方式。虑热传导和热对流两种传热方式。 四、稳定传热与不稳定传热四、稳定传热与不稳定传热 在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳定传热。连续生在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳定传热。连续生产过程中的传热多为稳定传热。产过程中
11、的传热多为稳定传热。 若传热系统中温度分布随时间变化的传热过程称为不稳定传热。工业生若传热系统中温度分布随时间变化的传热过程称为不稳定传热。工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的启动和停车过程，都为不稳定产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的启动和停车过程，都为不稳定的传热过程。的传热过程。 化工生产过程中的传热多为稳定传热，本章只讨论稳定传热。化工生产过程中的传热多为稳定传热，本章只讨论稳定传热。第七页，共九十二页。第二节 热 传 导 一、导热基本规律一、导热基本规律 1. .热传导方程热传导方程 在一个由固体物质组成的壁面如图在一个由固体物质组成的壁面如图4-6所示所示, ,面积
12、为面积为S,S,壁厚为壁厚为, 两侧壁面温度分别为两侧壁面温度分别为t t1 1和和t t2 2, ,单位为单位为K K或或。热量以热传导方。热量以热传导方式沿着与壁面垂直的方向从一侧传递到另一侧。式沿着与壁面垂直的方向从一侧传递到另一侧。实践证明：实践证明：如果在与壁面垂直的方向上任取一如果在与壁面垂直的方向上任取一传热厚度传热厚度db,db,其对应温度降为其对应温度降为dtdt，则单位时间内通过该壁面传递的热量则单位时间内通过该壁面传递的热量Q Q有下列关系：有下列关系： (4-1) (4-1) 负号表示传热方向与温度升高方向相反。负号表示传热方向与温度升高方向相反。 式中式中Q Q称为导
13、热速率称为导热速率, ,单位为单位为W W；dt/dbdt/db为沿传热方向温度变化为沿传热方向温度变化的强度的强度, ,称为温度递度；称为温度递度；称为热导率称为热导率, ,又称导热系数。又称导热系数。 式（式（4-1）称为热传导基本方程，或称为傅里叶（）称为热传导基本方程，或称为傅里叶（FourierFourier）定）定律。律。图图4-6 平壁热传导平壁热传导第八页，共九十二页。第二节 热 传 导 2. .热导率（导热系数）热导率（导热系数） 导热系数表征物质导热能力的强弱，为物质的物理性质之一，单位是导热系数表征物质导热能力的强弱，为物质的物理性质之一，单位是W/（mK）或或 W/（m
14、)。其值越大，则物质的导热能力越强。当需要提高导热速。其值越大，则物质的导热能力越强。当需要提高导热速率时，可选用导热系数大的材料；反之，应选用导热系数小的材料。率时，可选用导热系数大的材料；反之，应选用导热系数小的材料。 各种物质的导热系数通常用实验方法测定，可在专用化工手册中查得。各种物质的导热系数通常用实验方法测定，可在专用化工手册中查得。导热系数数值的变化范围很大，一般来说，金属的导热系数最大，非金属固导热系数数值的变化范围很大，一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。体次之，液体的较小，而气体的最小。 温度对导热系数的影响较大，二者之间具有线性关系，即
15、温度对导热系数的影响较大，二者之间具有线性关系，即 有：有：=0 0(1+at)(1+at) , 式中式中a称为温度系数；称为温度系数； 压强对物体的导热系数基本无影响。只有气体在压力很高时（大于压强对物体的导热系数基本无影响。只有气体在压力很高时（大于200MPa），），其导热系数才随压强的增大而增大。其导热系数才随压强的增大而增大。第九页，共九十二页。第二节 热 传 导 二、平壁的热传导二、平壁的热传导 1.单层平壁的热传导单层平壁的热传导 按图按图4-6所示，利用傅立叶定律并分离变量积分，整理后有：所示，利用傅立叶定律并分离变量积分，整理后有： （4-2） 式（式（4-24-2）即为单层
16、平壁热传导速率的计算式。）即为单层平壁热传导速率的计算式。 现对该式变形有：现对该式变形有： （4-3） 本式与电学的欧姆定律相似，式中温度差本式与电学的欧姆定律相似，式中温度差( t)是导热过程的推动力，而是导热过程的推动力，而R R导导为单层为单层平壁的导热热阻，即平壁的导热热阻，即传热速率与推动力成正比传热速率与推动力成正比,与热阻成反比与热阻成反比,这符合我们前面讲过这符合我们前面讲过的过程速率通式。的过程速率通式。另外另外m m为壁面两侧温度下导热系数的平均值。为壁面两侧温度下导热系数的平均值。第十页，共九十二页。第二节 热 传 导 2. .多层平壁的热传导多层平壁的热传导 工业上常遇到由多种不同材料组成的平壁，称为多层平工业上常遇到由多种不同材料组成的平壁，称为多层平壁。如锅炉墙壁是由耐火砖、保温砖和普通砖组成。以三层壁。如锅炉墙壁是由耐火砖、保温砖和普通砖组成。以三层壁为例，如图壁为例，如图4-7所示所示。因是稳定传热，则各层的传热因是稳定传热，则各层的传热速率相等，式速率相等，式(4-3)对于各层的传热速率均适用，那对于各层的传热速率均适用，那么有：么有： (4-4)
