4项目四 传热

单击输入您的封面副标题 项目四 传热 概述 1 热传导 2 对流传热 3 热辐射 4 目录 CONTENTS 传热计算 5 换热器 6 2 第一节 概述 物料的加热与冷却——要求传热效果好，传热速率大 热量与冷量的回收利用——也需要传热效果好、传热速率大的传热设备 设备与管路的保温——要求保温层的传热速率低 热量传递简称为传热，是自然界普遍存在的现象。在物体内部或物系之间，只要存在温度差，就会发生从高温处向低温处的热量传递。自然界和生产领域中普遍存在着这种以温度差为推动力的热量传递现象。 在生产中传热问题所涉及的主要问题有3类： 3 第一节 概述 热量传递的 基本方式 热传导 热对流 物体内部或两个直接接触的物体之间，若存在温度差时，热量会从高温部分向低温部分传递。其传热机理为——从微观角度来看，导热是物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热传递现象。 对流方式传递热量指在流体中，冷、热不同部位的流体质点作宏观移动和混合，将热量从高温处传递到低温处的现象。 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。具体地说，物体将热能转变为辐射能，以电磁波的形式在空间传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分地吸收或全部地吸收而变为热能。 热辐射 强制对流 自然对流 三者往往同时出现，很少单独存在 4 第一节 概述 间壁式换热器 化工生产中最常见的是冷、热流体间的热交换。 一般情况下，两种流体被固体壁面（传热面）隔开，它们分别在壁面的 两侧流动。固体壁面构成间壁式换热器。 两流体通过间壁的传热过程 冷、热流体通过间壁的传热过程，由对流、导热、对流三个过 程串联而成。 热流体以对流方式将热量传递到间壁的一侧壁面； 热量从间壁的一侧壁面以导热方式传递到另一侧壁面； 最后以对流方式将热量从壁面传给冷流体。 5 第二节 热传导 温度场 指在某一瞬间，空间（或物体内）所有各点的温度分布 等温面 在同一时刻，温度场中所有温度相同的点相连接而构成的面。 等温线 不同的等温面与同一平面相交的交线。 温度梯度 在等温面上不存在温度差，只有穿越等温面才有温度变化。 指温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。 傅立叶定律 在质地均匀的物体内，若等温面上各点的温度梯度相同，则单位时间内传导的热量Q与温度梯度及垂直于热流方向的导热面积A 成正比 或者热流密度 热导律/导热系数（单位） 6 第二节 热传导 导热系数 指单位时间内通过单位导热面积的热量；其大小表征着物质的导热能力，是物质的一个重要热物性参数。 影响因素： 主要有物质种类（固、液、气）和温度。一般地，纯金属的导热系数最大，合金次之，再依次为建筑材料、液体、绝热材料，而气体的最小。 纯金属：银的导热系数最大，其次有铜、铝等。 液体：水的导热系数最大，有机液体的导热系数一般较小。 气体：氢的导热系数最大，一般气体的导热系数一般较小。 对大多数均一的固体：在温度变化范围不大时，导热系数与温度近似呈线性关系 7 第二节 热传导 平壁的热传导 单层平壁 由傅立叶定律，分离变量后积分 多层平壁 圆筒壁 多层圆筒壁 当 8 第三节 对流传热 对流是指流体宏观运动而引起的热量传递过程。它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，故与流体的流动情况密切相关。流体的宏观运动可以是由温差引起的自然对流，也可以是人为造成的强制流动。在工业生产中大量遇到的是流体在流过固体表面时与该表面所发生的热量交换。这种热量交换是流体的对流与导热联合作用的结果，称之为对流给热。 对流传热过程 若热流体与冷流体分别沿间壁两侧平行流动，则两流体的传热方向与其流动方向垂直。在垂直于流动方向上任取一截面，观察该截面的温度分布。若两侧流体为湍流流动 这样热流体湍流主体的最高温度T 便降至冷流体湍流主体的最低温度t。 当流体作湍流流动时，不管湍流主体的湍动程度多大，紧靠壁面处总有一薄层流体沿着壁面作层流流动 9 第三节 对流传热 流体与固体壁面之间的对流传热过程，其热阻主要集中在层流底层中。 膜理论模型假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。这一模型称为对流传热的。当流体的湍动程度增大，则有效膜厚度δt会变薄，在相同的温度差条件下，对流传热速率会增大。 10 第三节 对流传热 牛顿冷却定律 由于对流传热是一个复杂传热过程，影响因素较多，有效膜厚度δ难以测定，但各种情况的对流传热速率均可用牛顿冷却定律表示： 或者  —给热系数亦称为对流传热 系数或膜系数 热流体Δt= T-Tw 冷流体Δt= tw-t 讨论 ◆牛顿冷却定律的作用 将复杂的对流传热过程的传热速率Q 归结为与推动力和热阻的关系，公式简单。因此如何求取的 对流传热系数α成为解决对流传热问题的关键。 牛顿冷却定律的地位、评价 该定律并非理论推导的结果，它只是一种推论，即假设 ，实际上，热流密度q 并不与温度差 成正比，对流传热系数也并不为常数而与Δt 有关。 与热传导公式相比： 此式表明一个对流传热过程可相当于一个导热过程，但此处的δ并不是 实际的流体层厚度，而是某个虚拟的当量的流体层厚度，称为有效膜厚度。 11 第三节 对流传热 影响对流传 热系数的因素 A D B C E 传热面的形状、相对位置与尺寸 流体的物理性质 流体对流起因 流体的相态变化 流体流动状态 密度、比热容、导热系数、黏度、体积膨胀系数、物性因流体的相态、温度及压力而变化 流体在外力作用下产生强制对流传热。 流体内部温度差引起的内部自然流动传热。 湍流时，流体质点呈混杂运动； 层流时，流体中无混杂的质点运动，故值比湍流时的小。 蒸汽在冷壁面上冷凝，液体在热壁面上的沸腾，其值比无相变时大很多。 通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为特性尺寸。 12 第三节 对流传热 量纲分析法可用来求得无相变时对流传热系数的特征数关联式。 无相变条件下对流传热的准数关联式的一般形式为： ●定性温度 ●特性尺寸 ●适用范围 半经验公式，K a f h 由实验测得 13 第三节 对流传热 流体在管内强制对流传热 流体在管内强制流动进行冷却或加热，是工业上重要的传热过程。分别讨论流 体在管内呈湍流、过渡流和层流时的对流传热系数的计算。 圆形直管强制湍流时的对流传热系数 ①对低黏度流体， 适用条件ⅰ）Nu、Re 准数中特性尺寸l 取管内径d； ⅱ）定性温度取流体进、出口温度的算术平均值； ⅲ）应用范围：Re>104, 0.7<Pr<120,管长与管径之比 l/d≥60，流体黏度 小于2 ×103 Pa·s 。 ⅳ）流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。 ② 对高黏度液体， 当液体被加热时，取 当液体被冷却时，取 对于短管：管入口效应校正系数—— 对于弯管： 14 第三节 对流传热 圆形直管内过渡流时的对流传热系数 当Re=2300~10000 时， 其中，f为用湍流时传热系数公式求出的值 圆形直管内强制层流时的对流传热系数 流体在弯管内流动时的对流传热系数 流体在非圆形管内强制对流时的对流传热系数 计算方法仍采用上述关联式，但需要将特性尺寸有管内径改为当量直径 流体在管外强制对流传热 大空间自然对流传热 15 第三节 对流传热 蒸汽冷凝时的对流传热 蒸汽冷凝方式 ■膜状冷凝——冷凝液能很好地润湿壁面，在壁面上形成一层连续的液膜。液膜在重力作用下沿壁面向下流动，越往下液膜越厚。蒸汽在液膜表面冷凝，释放出的热量通过液膜以导热和对流方式传给壁面。 ■滴状冷凝——冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面，使蒸汽能在壁面上冷凝。其热阻比膜状冷凝时的小。 蒸汽在水平管外冷凝 蒸汽在垂直管外（或板上）冷凝 影响冷凝传热的因素 16 第三节 对流传热 液体沸腾时的对流传热 沸腾现象：容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化而形成气泡的过程 管内沸腾——液体在管内流动过程中加热沸腾。 大容器内沸腾或池内沸腾——把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热，而引起无强制对流的沸腾现象。 沸腾曲线 影响沸腾传热的因素 第三节 对流传热 17 第三节 对流传热 选用对流传热系数关联式的注意事项 （1） 针对所要解决的传热问题类型，选择适当的关联式； （2） 要注意关联式的应用范围、特性尺寸的选择和定性温度的确定； （3） 应注意正确使用各物理量的单位，各准数的量纲应为1。对纯经验公式，必须使用公式所要求的单位； （4） 应注意学会分析关联式中各物理量对 的影响，其影响大小可以通过指数的大小来判断。 （5） 一般情况下， 值的大致范围如下表，单位是： 18 第四节 热辐射 热辐射 物体因热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。凡是温度在绝对零度以上的物体都能发射辐射能。能转变为热能的射线称为热射线，其波长介于可见光和红外线之间。 表示物体吸收辐射能的本领 表示物体反射辐射能的本领 表示物体透过辐射能的本领 透过率 为1时，表示物体对热辐射线既不吸收也不反射，而是全部透过。 当反射率 为1时，这种物体称为绝对白体，或简称为白体。 当吸收率 为1时，这种物体称为绝对黑体。或简称为黑体。 19 第四节 热辐射 黑体的辐射能力 物体在一定温度下单位表面积单位时间内所发射的全部波长的总能量，称为该物体在该温度下的辐射能力。 斯蒂芬—波耳兹曼定律 黑体的辐射能力与其表面的热力学温度的四次方成正比。 实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比 黑度 灰体 指对各种波长辐射能具有相同吸收率的理想化物体 克希霍夫定律 任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力，故其值仅与物体的温度有关。 20 第五节 传热计算 计算基础：热传导、对流传热 重要方程式及功用 热量衡算式：用于确定热负荷或进、出口流体温度 传热速率方程式：已知热负荷Q、平均温度差 和总传热系数K 条件下，可求出传热面积A。 热量衡算 对间壁式换热器作热量衡算，若换热器保温良好，无热损时，则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量， ◆若换热器内两流体均无相变，且流体的比热容CP 可视为不随温度变化或可取平均温度下的比热时， ◆若换热器一侧有相变，例如热流体为饱和蒸汽冷凝而冷流体无相变，则 21 第五节 传热计算 根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，可将传热分为两类： 恒温传热例如，间壁的一侧为饱和蒸汽冷凝，冷凝温度恒定为T，而另一侧为液体沸腾，沸腾温度恒定为t，此时冷、热流体的温度均不沿换热器的管长变化，两者间温度差在换热器不同截面上都相等，即 变温传热——传热温度差沿换热器管长而变化 一侧变温传热 一侧为饱和蒸汽冷凝，温度恒定为T，另一侧为冷流体，温度从进口的t1 升至出口的t2。 热流体从进口的T1 降至出口的T2，而另一侧为液体沸腾，温度恒定为t 22 第五节 传热计算 两侧变温传热 两侧流体变温传热。逆流，即冷、热流体在传热面两侧流向相反 两侧流体变温传热。并流，即冷、热流体在传热面两侧流向相同 两侧的冷、热流体垂直交叉流动，称为错流 若流体在一侧只沿一个方向流动，而在另一侧流体反复改变流向，两侧流体时而并流，时而逆流，称为折流。 23 第五节 传热计算 平均温度差 假设： ①热、冷流体的质量流量W1与W2 均为常数； ②热、冷流体的比热容CP1 与CP2 及总传热系数K 沿传热面均不变 ③忽略换热器的热损失。 对数平均温度差，指变温传热中换热器进、出口处两侧流体温度差 与的 对数平均值，当 时 当两流体的进、出口温度已确定时，逆流的平均温度差比并流大，因此逆流所需的传热面积比并流小。 逆流的另一优点是可以节约冷却剂或加热剂的用量。 因此工程上一般采用逆流操作。 24 第五节 传热计算 折流和错流的平均温度差 而校正系数ψ是辅助量R 与P 的函数 根据R 与P 的数值，从图表中可查出ψ值。 折流和错流与逆流的比较 因校正系数ψ恒小于1，故折流和错流时的平均温度差总小于逆流时平均温度差，但应使ψ >0.9。 当T2<t2时，ψ ≤0. 8 ，此时应增加壳程数，以提高ψ值，至少不小于0.8，使传热更接近于逆流操作。 25 第五节 传热计算 总传热系数计算式 间壁两流体间的传热过程包括间壁两侧的对流传热和间壁的导热。在稳态传热条件下，两侧的对流传热速率以及间壁的导热速率均应相等。 冷热流体对流传热 间壁的导热 比较上面两式有 则 阻力具有加和性 当传热面为平壁或薄圆筒壁时： 26 第五节 传热计算 污垢热阻 换热器操作一段时间后，其传热表面常有污垢积存，使传热速率减小。污垢层虽不厚，但热阻很大。在计算总传热系数K 时，污垢热阻一般不可忽视。 由于污垢层的厚度及其导热系数不易估计，工程计算时选用污垢热阻经验数据。污垢热阻Rd的倒数称为污垢系数， ，若传热管壁两侧流体的污垢热阻用Ri、Ro表示，按串联热阻的概念，总传热系数K1 可写成 对于易结垢的流体，或换热器使用过久，污垢层很厚时，必使Q严重下降，故换热器要根据具体工作条件，定期清洗。 当传热面为平壁或薄壁管时， 当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污垢热阻也可忽略时，则 K 值的来源：手册等的经验值，实验测定，计算 27 第五节 传热计算 壁温计算 根据稳态条件下热量从热流体通过间壁传给冷流体，两侧流体对壁面的对流传热速率及间壁的导热速率三者必相等， 利用这些方程就可求出壁温TW及tW，壁温总是接近 较大一侧的流体温度。 若 ，则壁温 28 第六节 换热器 换热器的分类 按用途分：可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。 按热量的传递方式分：可分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器 在化工生产中，大多数情况下，冷、热流体在换热过程中不允许混合，所以间壁式换热器在化工生产中被广泛应用。常用的有 间壁式换热器 夹套式换热器 套管式换热器 蛇管式换热器 板式换热器 板翘式换热器 螺旋板式换热器 空冷式换热器 热管 列管式换热器 固定管板式换热器 浮头式换热器 U 型管式换热器 29 第六节 换热器 30 第六节 换热器 31 第六节 换热器 32 第六节 换热器 33 第六节 换热器 34 第六节 换热器 35 第六节 换热器 36 第六节 换热器 37 第六节 换热器 38 第六节 换热器 39 第六节 换热器 40 第六节 换热器 41 第六节 换热器 42 第六节 换热器 43 第六节 换热器 44 第六节 换热器 45 单击输入您的封面副标题 感 谢 聆 听！ $$