化工原理-6章傳熱-總結

化工(huàgōng)原理

principlesofchemicalengineering

第六章傳熱(chuánrè)總結延安大學化學與化工學院精品資料第六章傳熱(chuánrè)

第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導第三節(jié)對流給熱第四節(jié)沸騰(fèiténg)給熱與冷凝給熱第五節(jié)熱輻射第六節(jié)傳熱過程的計算第七節(jié)換熱器精品資料6.1.1傳熱(chuánrè)過程在化工生產(chǎn)中的應用第一節(jié)概述(ɡàishù)1、原料、產(chǎn)品的加熱和冷卻一、傳熱的目的2、設備或管道需要保溫和隔熱，節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本3、廢熱能和冷量的回收再利用二、傳熱過程中冷熱流體的接觸方式1、直接接觸式傳熱2、間壁式傳熱3、蓄熱式傳熱

冷流體熱流體熱流體冷流體

蓄熱式換熱器示意圖精品資料三、載熱體及其選擇(xuǎnzé)載熱體：為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給(gōngjǐ)或取走熱量的流體對載熱體要求：1.載熱體的溫度應易于調(diào)節(jié)2.載熱體的飽和蒸汽壓宜低，加熱時不會分解3.載熱體毒性要小，使用安全，對設備應基本沒有腐蝕4.載熱體應價格低廉而且容易得到精品資料6.1.2傳熱(chuánrè)過程一、傳熱(chuánrè)速率1.熱流量Q——表示換熱器傳熱的快慢

單位時間內(nèi)熱流體通過整個換熱器的傳熱面，傳遞給冷流體的熱量。單位：w2.熱通量q單位時間、通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。單位：w/m2精品資料

三、穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)與非穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱過程中，如果傳熱系統(tǒng)中各處溫度只隨位置而變，而不隨時間而變，稱此過程為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。此時，熱流量Q為常數(shù)(chángshù)。非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱過程中，如果傳熱系統(tǒng)中各處溫度及有關物理量（如Q、q等）隨時間而變，稱此過程為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。精品資料物體中的分子或質(zhì)點不發(fā)生(fāshēng)宏觀位移。1、熱傳導二、傳熱(chuánrè)的基本方式流體中質(zhì)點的位移和混合而引起的熱量傳遞過程。2、對流給熱僅發(fā)生在液體和氣體中特點：流體中質(zhì)點有相對的宏觀位移3、熱輻射

熱輻射是以電磁波的形式發(fā)射的一種輻射能，輻射能被物體全部或部分的吸收而變?yōu)闊崮?。精品資料一、溫度場

穩(wěn)態(tài)溫度場：

非穩(wěn)態(tài)溫度場：6.2.1傅里葉(Fourier)定律(dìnglǜ)和熱導率第二節(jié)熱傳導

二、等溫面三、溫度梯度法向等溫面等溫面、溫度梯度與熱流方向精品資料

四、傅里葉(Fourier)定律(dìnglǜ)——熱傳導的基本定律式（6-5）注：熱流(rèliú)方向與溫度梯度方向相反五、熱導率Δ單位，

W/(m·K)或

W/(m·0C)

Δ

表示物質(zhì)導熱能力的強弱，是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)；

Δ

λ=f（物質(zhì)的結構、組成、密度、溫度、壓強、濕度等）精品資料

6.2.2通過(tōngguò)平壁的定態(tài)導熱過程t1δtxdxAt2t1>t2導體(dǎotǐ)的熱阻K/W式（6-10）式（6-9）平壁內(nèi)溫度沿壁厚呈直線關系（λ為常數(shù)）Q一、單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導精品資料二、多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導t1t2δ1tδ2δ3t2t4t3穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)式（6-19）精品資料4.2.3通過(tōngguò)圓筒壁的定態(tài)導熱過程一、單層圓筒壁的熱傳導式（6-15）式（6-16）d2/d1≥2時，dm取對數(shù)(duìshù)平均值單層圓筒壁的導熱熱阻d2/d1<2時，dm取算術平均值式（6-17）精品資料二、多層圓筒壁的熱傳導精品資料第三節(jié)對流(duìliú)給熱6.3.1對流(duìliú)給熱過程分析熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過間壁的熱交換

對流給熱層流：導熱湍流：層流底層：導熱湍流主體：熱對流

一般將流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層，也是傳熱的主要熱阻。

精品資料6.3.2對流給熱過程的數(shù)學(shùxué)描述一、對流(duìliú)給熱速率表達式和牛頓冷卻定律——對流給熱系數(shù)，單位W/(m2·K)——對流給熱方程式或牛頓冷卻定律Δt——壁面溫度與流體主體的平均溫度的差值，℃對流給熱過程的熱阻精品資料熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過間壁的熱交換

熱流體(liútǐ)與壁面間對流給熱：冷流體(liútǐ)與壁面間對流給熱：式（6-29）式（6-28）精品資料

可表示(biǎoshì)成或式（6-36）二、因次分析法獲得的對流(duìliú)給熱系數(shù)精品資料6.3.3無相變的對流給熱系數(shù)(xìshù)的經(jīng)驗關聯(lián)式一、圓形直管內(nèi)強制湍流(tuānliú)的給熱系數(shù)α式（6-40）——自然對流影響不計，Gr可省去流體被加熱b=0.4流體被冷卻b=0.3應用范圍：

a.Re>104,b.0.7<Pr<160(不適用于金屬流體)

c.流體是低粘度的（不大于水黏度的2倍）

d.l/d>30-40（進口段只占總長的一小部分）或式（6-41）1.低粘度流體精品資料2.高粘度液體(yètǐ)適用范圍：a.Re>104,0.5<Pr<100,l/d內(nèi)≥60b.定性溫度：除黏度μw取壁溫外，其余均取流體(liútǐ)進、出口溫度的平均值當液體被加熱時：當液體被冷卻時：式（6-42）μw——液體在壁溫下的黏度精品資料

3.短管l/d<30-40的管子(guǎnzi)，管入口處擾動大，α較大，需給式(6-41)乘以校正系數(shù)φi對α校正4.Re=2000-10000的過渡流熱阻大，需給式(6-41)乘以小于1的校正(jiàozhèng)系數(shù)f式（6-43）精品資料

5.彎管由于(yóuyú)離心力的作用，擾動加劇，給熱系數(shù)增加α—直管的給熱系數(shù)，W/(m2·oC)d—管內(nèi)徑(nèijìnɡ)，mR—彎管的曲率半徑，m式（6-44）精品資料6.非圓管強制(qiángzhì)湍流給熱系數(shù)de—直管的給熱系數(shù)，W/(m2·oC)d2—外管內(nèi)徑(nèijìnɡ)，md1—內(nèi)管外徑，m式（6-45）（1）定性尺寸按當量直徑de（2）試驗方法，例如套管d1d2精品資料二、流體在管外強制(qiángzhì)對流流體在圓管外垂直流過時，在管子圓周各點流動情況不同，則各點的熱阻和對流給熱系數(shù)也不同。故需要(xūyào)整個圓周的平均給熱系數(shù)。精品資料流體在管束外橫向流過的對流給熱系數(shù)(xìshù)可按下式計算：其中(qízhōng)c、ε、n為常數(shù)，見下表式（6-48）精品資料依據(jù)(yījù)：熱量衡算方程+總傳熱速率方程第六節(jié)傳熱(chuánrè)過程的計算——設計型，操作型6.6.1傳熱過程的數(shù)學描述一、熱量衡算方程：對熱流體：Q=qm1cP1(T1-T2)對冷流體：Q=qm2cP2(t2-t1)精品資料二、傳熱(chuánrè)速率方程twTw對流對流導熱冷流體熱流體tTQ（6-115）（6-114）K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)——各環(huán)節(jié)(huánjié)熱阻，[W/(m2·K)]-1熱阻較大的一側稱為：控制側（控制步驟）精品資料（6-117）d1d2α2內(nèi)表面(biǎomiàn)外表面(biǎomiàn)dm——d1和d2的對數(shù)平均值精品資料三、污垢(wūgòu)熱阻污垢(wūgòu)熱阻一般不可忽略。一般，污垢(wūgòu)熱阻只能根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定之。如換熱器管壁兩側的污垢熱阻分別用R1

和

R2表示,則傳熱系數(shù)可由下式計算：（6-118）精品資料以內(nèi)表面(biǎomiàn)為基準以外表面(biǎomiàn)為基準精品資料四、壁溫估算(ɡūsuàn)此式表明：傳熱面兩側溫差之比等于(děngyú)兩側熱阻之比,壁溫Tw必接近于熱阻較小或給熱系數(shù)較大一側的流體溫度。（6-119）精品資料（6-132）（6-131）其中(qízhōng)——對數(shù)平均溫差或者(huòzhě)對數(shù)平均推動力，單位：℃或者(huòzhě)K?！獋鳠峄痉匠淌?.6.2傳熱過程基本方程精品資料精品資料整個(zhěnggè)換熱器的熱量衡算為：（6-129）精品資料6.6.3換熱器的設計(shèjì)型計算一、設計型計算的命題方式設計任務：將一定流量qm1的熱流體自給定溫度(wēndù)T1冷卻至指定溫度(wēndù)T2。設計條件：可供使用的冷卻介質(zhì)溫度(wēndù),即冷流體的進口溫度(wēndù)t1。計算目的：確定經(jīng)濟上合理的傳熱面積及換熱器其它有關尺寸。精品資料二、設計型問題的計算方法設計計算的大致步驟如下：1.首先由傳熱任務計算換熱器的熱流量(通常稱之為熱負荷)Q=qm1cP1(T1－T2)=qm2cP2(t2－t1)2.作出適當?shù)倪x擇(xuǎnzé)并計算平均推動力Δtm。3.計算冷、熱流體與管壁的對流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)K；4.由傳熱基本方程Q=KAΔtm計算傳熱面積。精品資料三、設計型計算中參數(shù)的選擇為確定所需的傳熱面積,必須求Δtm和K。為計算Δtm,設計者首先必須1.選擇流體的流向,即決定采用逆流、并流還是其它復雜流動方式；2.選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度。為求得傳熱系數(shù)K,須計算兩側的給熱系數(shù)α,故設計者必須決定：1.冷、熱流體各走管內(nèi)(ɡuǎnnèi)還是管外；2.選擇適當?shù)牧魉?。同時,還必須選定適當?shù)奈酃笩嶙?。精品資料四、選擇的依據(jù)選擇的依據(jù)不外經(jīng)濟、技術兩個方面。1.流向的選擇逆流操作的平均推動力大于并流,在一般情況下,逆流操作總是優(yōu)于并流,應盡量采用。但是,對于(duìyú)某些熱敏性物料的加熱過程,并流操作可避免出口溫度過高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。另外,在某些高溫換熱器中,逆流操作的最高溫度t2和T1集中在一端,會使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫,可采用并流,以延長換熱器的使用壽命。精品資料2.冷卻介質(zhì)出口溫度的選擇冷卻介質(zhì)出口溫度t2越高,其用量越少,回收的能量的價值也越高,同時,輸送流體的動力(dònglì)消耗即操作費用也減小。但是,t2越高,傳熱過程的平均推動力(dònglì)Δtm越小,所需的加熱面積A也越大,設備投資費用增加。精品資料3.流速的選擇一方面涉及傳熱系數(shù)K即所需傳熱面的大小,另一方面又與流體(liútǐ)通過換熱面的阻力損失有關。但不管怎樣,在可能的條件下,管內(nèi)、外都必須盡量避免層流狀態(tài)。除以上所述,還有多種選擇因素,設計換熱器需要全面而周全的考慮。精品資料換熱器的分類：一、按用途(yòngtú)加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等。二、按傳熱方式

第七節(jié)換熱器3、蓄熱式1、間壁式三、按換熱器傳熱面的形狀和結構(jiégòu)分類1、管式換熱器2、板式換熱器2、直接接觸式精品資料6.7.1

間壁式換熱器

1、套管(tàoɡuǎn)換熱器一、管式換熱器2、蛇管換熱器①沉浸(chénjìn)式蛇管換熱器②噴淋式換熱器3、列管換熱器——化工生產(chǎn)中應用最為廣泛精品資料①.固定管板式——加熱補償圈/膨脹節(jié)②浮頭(fútóu)式換熱器③U型管式換熱器精品資料1、夾套式換熱器二、板式(bǎnshì)換熱器2、平板式換熱器3、螺旋(luóxuán)板式換熱器4、板翅式換熱器精品資料6.7.2列管式換熱器的設計(shèjì)與選用1．流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則2．流體流速的選擇

3．流體進、出口溫度的確定

4．提高管內(nèi)傳熱系數(shù)的方法——多程

5．提高管外傳熱系數(shù)的方法——裝置擋板

6．管子的規(guī)格和管間距列管式換熱器設計或選用時應考慮的問題精品資料（1）不清潔或易結垢的流體，宜走容易清洗的一側。對于(duìyú)直管管束易走管程；對于(duìyú)U形管束宜走殼程。（2）腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。（3）壓力高的流體宜走管程，以避免制造耐高壓的殼體。（4）飽和蒸汽宜走殼程，以便于排出冷凝液。（5）需要冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。（6）有毒流體宜走管程，使向環(huán)境泄漏機會減少。（7）黏度大而流量小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，流速和流向不斷改變，在低Re（Re＜100）數(shù)下即可達到湍流。一、流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則精品資料流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流體阻力及換熱器結構等方面。增大流速，不僅對流傳熱系數(shù)增大，也可減少雜質(zhì)沉淀或結垢，但流體阻力也相應增大。故應選擇適宜(shìyí)的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗選取。選擇流速時，應盡量避免在層流下流動。列管換熱器中不同黏度液體的常用(chánɡyònɡ)流速列管換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度列管換熱器中常用的流速范圍二、流體流速的選擇精品資料換熱器內(nèi)兩股流體進、出口溫度，常由生產(chǎn)過程的工藝條件所決定，但在某些情況下則應在設計時加以確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，冷卻水進口溫度往往由水源及當?shù)貧鉁貤l件所決定的，但冷卻水出口溫度則需要在設計換熱器時確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。據(jù)一般(yībān)的經(jīng)驗，冷卻水的溫度差可取5~10℃。缺水地區(qū)可選用較大溫度差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫度差。若用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。三、流體進、出口溫度(wēndù)的確定精品資料當流體流量較小而所需傳熱面積較大，即管數(shù)多，管內(nèi)流速較低時，為了提高流速，增大管程對流給熱系數(shù)，可采用多程，即在換熱器封頭內(nèi)裝置隔板(ɡébǎn)。但程數(shù)多時，隔板(ɡébǎn)占去了布管面積，使管板上能利用的面積少，導致管程流體阻力增加，平均溫度差下降。設計時應綜合考慮這些問題。列管換熱器系列標準中管程數(shù)有1、2、4、6四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)相等。四、提高(tígāo)管內(nèi)傳熱系數(shù)的方法——多程精品資料安裝擋板的目的是為了加大殼程流體(liútǐ)的速度，使湍動程度加劇，提高殼程流體(liútǐ)的對流給熱系數(shù)。五、提高管外膜系數(shù)(xìshù)的方法——裝置擋板精品資料六、管子(guǎnzi)的規(guī)格和