化工生產(chǎn)傳熱過程及常見換熱器

1、化工生產(chǎn)傳熱過程及常見換熱器    第四章 傳熱4.1 化工生產(chǎn)傳熱過程及常見換熱器4.2 熱傳導(dǎo)4.3 對流傳熱4.4 傳熱過程的計算4.5 換熱器的選擇及傳熱過程的強化重點:單層,多層平壁,圓筒壁熱傳導(dǎo)速率方程及應(yīng)用;換熱器能量衡算,總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)的計算;對流傳熱系數(shù)的影響因素;難點:1. 對流傳熱機理;2. 圓筒壁換熱器的傳熱; 4.1 概 述4.1.1 傳熱基本方式4.1.2 冷熱流體熱交換的方式4.1.3 典型的間壁式換熱器4.1.4 傳熱速率和熱通量4.1.5 穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱傳熱過程:系統(tǒng)內(nèi)溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的

2、過程.強化傳熱過程削弱傳熱過程化工生產(chǎn)對傳熱的要求化工生產(chǎn)中的傳熱過程由于物質(zhì)的分子,原子或 在氣體,液體,固體中都能發(fā)生;4.1.1 傳熱基本方式一,熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)流體各部分之間發(fā)生相對位移而引起的熱傳遞特點:僅發(fā)生在流體中;質(zhì)點的相對位移;二,熱對流(對流傳熱)強制對流:由于泵,風(fēng)機等外力作用而引起的流體流動稱為強制對流,在強制對流情況下進行熱量傳遞過程稱為強制對流傳熱自然對流:由于流體各部分溫度的不均而形成了密度的差異使流體發(fā)生相對運動而傳熱,這種過程稱為自然對流傳熱習(xí)慣上把流體與固體壁面間的傳熱,統(tǒng)稱為對流傳熱,又稱給熱.化工傳熱過程中的實際情況流體流過固體表面時發(fā)生對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作

3、用的傳熱過程物體受熱引起內(nèi)部原子激發(fā),將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠芤噪姶挪ㄐ问较蛑車l(fā)射,當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時,輻射能部分或全部被吸收又重新變?yōu)闊崮?物體受熱而發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射特點:熱輻射不需要任何介質(zhì)作媒介,即可在真空中傳播.三,熱輻射(輻射傳熱)4.1.2 冷熱流體熱交換的方式1.直接接觸式換熱2.蓄熱式換熱3.間壁式換熱熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)壁面另一側(cè)將熱量傳給冷流體熱對流-熱傳導(dǎo)-熱對流套管式換熱器4.1.3 典型的間壁式換熱器內(nèi)管外管單程列管式換熱器流體流經(jīng)管束稱為管程,該流體稱為管程流體流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為殼程,該流體稱為殼程流體雙程列管式換熱

4、器管程流體在管束內(nèi)來回流過幾次,就稱為與次數(shù)相同程數(shù)的換熱器傳熱速率(熱流量)Q :單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量,W4.1.4 傳熱速率和熱通量熱通量(傳熱速度)q:單位傳熱面積的傳熱速率,W/m24.1.5 穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱:傳熱系統(tǒng)中不積累能量的傳熱過程特點:溫度分布不隨時間而變,傳熱速率常量非穩(wěn)態(tài)傳熱:傳熱系統(tǒng)中,溫度分布隨時間而變傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)傳熱,傳熱速率不為常量4.1.6 載熱體及其選擇加熱劑(加熱介質(zhì)):起加熱作用的載流體冷卻劑(冷卻介質(zhì)):起冷卻作用的載熱體載熱體:物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時,通常需要用另一種流體供給或取走熱量,此種流體稱為載熱體工業(yè)中常用的加熱劑

5、和冷卻劑P210表4-14.2 熱 傳 導(dǎo)4.2.1 熱傳導(dǎo)基本概念和定律4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)4.2.3 通過平壁的熱傳導(dǎo)4.2.4 通過圓筒壁的熱傳導(dǎo)4.2.1 熱傳導(dǎo)基本概念和定律一,溫度場和溫度梯度溫度場:任一瞬間物體內(nèi)各點溫度分布的總和非穩(wěn)態(tài)溫度場:溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間而變穩(wěn)態(tài)溫度場:溫度場內(nèi)各點的溫度不隨時間而變物體內(nèi)任一點溫度為該點位置與時間的函數(shù)穩(wěn)態(tài)一維溫度場:穩(wěn)態(tài)溫度場中,物體內(nèi)的溫度僅沿一個坐標(biāo)方向發(fā)生變化等溫面:同一時刻下相同溫度各點所組成的面溫度不同的等溫面彼此不相交;沿等溫面無熱量傳遞,沿與等溫面相交的任何方向有熱量傳遞溫度梯度:兩相鄰等溫面的溫度差與該兩面的垂直距

6、離比值的極限穩(wěn)態(tài)一維溫度場"-"表示導(dǎo)熱方向總是和溫度梯度方向相反導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比二,傅立葉定律:單位溫度梯度下的熱通量金屬 > 非金屬固體 > 液體 > 氣體4.2.2 導(dǎo) 熱 系 數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小,越大,導(dǎo)熱越快一,單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)S b;=cons.;t1>t2,不隨時間變化4.2.3 通過平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)Q,S = const.假設(shè)條件導(dǎo)熱距離越大,傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小,熱阻越大例題:某平壁厚度為0.37m,平壁內(nèi)表面溫度為1650,外表面溫度為300,平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量和變量

7、計算,試求導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布設(shè)壁厚x處的溫度為t溫度和距離呈直線關(guān)系(1)導(dǎo)熱系數(shù)按常量計算設(shè)壁厚x處的溫度為t溫度分布為曲線(2)導(dǎo)熱系數(shù)按變量計算將導(dǎo)熱系數(shù)按常量或變量計算時,所得的導(dǎo)熱通量是相同的,而溫度分布不同.工程中計算熱通量時,可取平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù),將導(dǎo)熱系數(shù)按常量處理二,多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第一層第二層第三層t1t2t3t4b1b2b3假設(shè)層與層間接觸良好,相接觸的兩表面溫度相同n層平壁例4-2結(jié)論:熱傳導(dǎo)中溫度差與熱阻成正比4.2.4 通過圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)一,單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁熱傳導(dǎo)速率方程式寫成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類似的形式平均面積對數(shù)平均半徑對數(shù)平均面

8、積二,多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)對于n層圓筒壁例4-3即使導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù),圓筒壁內(nèi)的溫度分布也不是直線而是曲線S1S2,Q 相同,q 不相同多層平壁和多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的比較平面壁S1=S2, Q 相同,q 相同圓筒壁可以求各層交界面上的溫度好的絕熱材料應(yīng)包在管的內(nèi)層(2)石棉和軟木互換后損失的冷量(1)每米管長上損失的冷量4.3.1 對流傳熱速率方程和系數(shù)4.3.2 對流傳熱機理簡介4.3.3 保溫層的臨界厚度4.3 對 流 傳 熱對流傳熱問題的分類根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)可分為兩類:流體無相變的對流傳熱流體在傳熱過程中不發(fā)生相變化,分為兩種情況:強制對流傳熱:外力作用流動 自然對流傳熱:溫度差密度

9、差流動 流體有相變的對流傳熱流體在傳熱過程中發(fā)生相變化,分為兩種情況:蒸氣冷凝:氣體在傳熱過程中冷凝為液體液體沸騰:液體在傳熱過程中沸騰氣化變成氣體概 述4.3.1 對流傳熱速率方程和系數(shù)1.對流傳熱速率方程牛頓冷卻定律,給熱方程局部對流傳熱系數(shù),W ·m-2·-1對流傳熱熱阻工程中使用平均對流傳熱系數(shù)熱流體在管內(nèi)流動,冷流體在管外流動對流傳熱系數(shù)必須和傳熱面積以及溫度差相對應(yīng)套管式換熱器中對流傳熱速率方程表達式溫度差的平均值2.對流傳熱系數(shù)定義:單位溫度差下,單位傳熱面積的對流傳熱速率W/(m2 . )反映對流傳熱的快慢,不是物性,是參數(shù)強制 >自然; 相變 >

10、; 無相變; 液 > 氣影響因素4.3.2 對流傳熱機理4.3.3 保溫層的臨界直徑保溫層內(nèi)表面溫度t1,環(huán)境溫度tf,保溫層內(nèi)外半徑ri,ro假設(shè):傳熱過程:保溫層的熱傳導(dǎo);保溫層外壁與環(huán)境空氣的對流傳熱條件:對流傳熱熱阻1/S;傳熱面積2roL;對流傳熱系數(shù);熱損失:對ro求導(dǎo),解得一個Q為最大值時的臨界半徑保溫層熱傳導(dǎo)熱阻R1;外壁與空氣的對流傳熱熱阻R2習(xí)慣上以rc表示Q最大時的臨界半徑Qdodc4.4 傳熱過程計算4.4.1 熱量衡算4.4.2 總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)4.4.3 平均溫度差法和總傳熱速率方程4.4.4 總傳熱速率方程的應(yīng)用傳熱過程的計算:設(shè)計計算:校核計算:

11、根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負荷(換熱器的傳熱量),確定換熱器的傳熱面積計算給定換熱器的傳熱量,流體的流量或溫度若換熱器中兩種流體無相變,且cp不隨溫度變化時: 若換熱器中的熱流體有相變化,如飽和蒸氣冷凝時:4.4.1 熱 量 衡 算熱流體放出的熱量 = 冷流體吸收的熱量飽和蒸氣的的冷凝熱1.總傳熱速率微分方程T:熱流體的平均溫度; t:冷流體的平均溫度;工程上用外表面積作為基準(zhǔn),Ko應(yīng)用較多4.4.2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)單位傳熱面積,單位溫度差下的傳熱速率.衡量換熱器性能的重要參數(shù),也是對換熱器進行計算和評價的依據(jù).取決于流體的物性,傳熱過程的操作條件及換熱器的類型2.總傳熱系數(shù)W·

12、;m-2·-1Q1)總傳熱系數(shù)的計算(1)總傳熱系數(shù)的計算式污垢系數(shù)(2)污垢熱阻總傳熱系數(shù)表示成熱阻的形式(3)提高總傳熱系數(shù)的途徑傳熱面為平面或薄管壁時,dodidm 忽略管壁熱阻和污垢熱阻討論:當(dāng)i>>o ,影響K的主要因素是o 當(dāng)o>>i ,影響K的主要因素是i 結(jié)論: 1)當(dāng)兩個對流傳熱系數(shù)相差較大時,欲提高K,關(guān)鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的2)當(dāng)兩個對流傳熱系數(shù)相差不大時,欲提高K,必須同時提高兩側(cè)的為提高K,必須減小起決定作用的熱阻3)若污垢熱阻為 間壁式換熱器當(dāng)用蒸汽進行加熱時,蒸汽上部接管進入夾套,冷凝水由下部接管流出.作為冷卻器時,冷卻

13、介質(zhì)由夾套下部接管進入,由上部接管流出.一. 夾套式換熱器夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡單,但由于其加熱面受容器壁面限制,傳熱面較小,且傳熱系數(shù)不高.熱流體在管內(nèi)自下而上流動,冷水由最上面淋水管流出,均勻地分布在蛇管上.二,噴淋式換熱器換熱器常置于室外空氣流通處.冷卻水在空氣中汽化亦可帶走部分熱量,增強冷卻效果.其優(yōu)點是便于檢修,傳熱效果較好.缺點是噴淋不易均勻. 三,套管式換熱器優(yōu)點是構(gòu)造簡單,內(nèi)管能耐高壓,傳熱面積可根據(jù)需要增減.其缺點是管間接頭較多,接頭處易泄漏,單位換熱器體積具有的傳熱面積較小.故適用于流量不大,傳熱面積要求不大但壓強要求較高的場合. 4.5 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式4.5.1 影響對流

14、傳熱系數(shù)的因素4.5.2 對流傳熱過程的量綱分析4.5.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)4.5.4 流體相變時的對流傳熱系數(shù)4.5.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素1.流體的種類和相變化的情況;2.流體的物性:導(dǎo)熱系數(shù),黏度,比熱容,密度3.流體溫度;4.流體的流動狀態(tài);5.流體的流動原因特征數(shù)群實驗相互聯(lián)系經(jīng)驗性的關(guān)聯(lián)公式表示自然對流對對流傳熱的影響格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)表示流體物性對對流傳熱的影響普朗特準(zhǔn)數(shù)表示流體的流動狀態(tài)和湍流程度對對流傳熱的影響雷諾準(zhǔn)數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)努賽爾特準(zhǔn)數(shù)意義準(zhǔn)數(shù)式名稱各準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系4.5.2 對流傳熱過程的量綱分析(1)流體在管內(nèi)強制對流換熱流體被加熱,m=0.4;

15、流體被冷卻,m=0.3各種情況下關(guān)聯(lián)式由實驗確定,使用時注意幾點:(1)應(yīng)用范圍(2)特性尺寸(3)定性溫度一,流體無相變過程傳熱系數(shù)流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流應(yīng)用范圍:低粘度液體管長與管徑比:特征尺寸:定性溫度:流體進出口溫度的平均值應(yīng)用范圍:管長與管徑比:特征尺寸:定性溫度:流體進出口溫度的平均值高粘度液體二,流體有相變時的傳熱系數(shù)液體通過固體壁面被加熱的對流傳熱過程中,若伴有液相變?yōu)闅庀?即在液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜過程稱為液體沸騰,又稱沸騰傳熱.工業(yè)上的液體沸騰:將加熱壁面浸沒在液體中,液體在壁面處受熱沸騰,稱為大容積沸騰;液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰,稱為管內(nèi)沸騰(1)液體的沸騰:(t 25)膜狀沸騰沸騰曲線:沸騰隨加熱面溫度與液體飽和溫度差而變C:臨界點:臨界溫度差: