物料換熱操作-換熱器換熱面積的確定（化工單元操作課件）

項目二物料換熱操作任務(wù)三換熱器換熱面積的確定一、熱傳導(dǎo)的基本定律1、傳熱速率Q：

單位時間通過傳熱面的熱量，單位W。實例分析：左手摸鐵，同時右手摸木頭，會感覺到左手比右手冷；在外界條件相同

的情況下用鐵鍋和鋁鍋燒水，鋁鍋中的水先沸騰，這是為什么？表示換熱器本身所具有的換熱能力說明三種物質(zhì)的傳熱效果：鋁最好，鐵次之，木頭最差。物質(zhì)導(dǎo)熱性能的好壞與本身的某種物理性質(zhì)有關(guān)。2、熱通量q：

又稱熱流密度，單位時間單位傳熱面積上傳遞的熱量，單位W/m2。一、熱傳導(dǎo)的基本定律

熱量傳遞：高溫低溫溫度梯度：低溫高溫（規(guī)定）負(fù)號表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（1）定義：傳熱面積為1m2，壁厚為1m，兩壁面之間的溫度差為1K時，單位時間內(nèi)以

導(dǎo)熱方式所傳遞的熱量，用λ表示，單位W/(m?K)。（2）物理意義：表示物質(zhì)導(dǎo)熱性能的好壞，數(shù)值越大，表示該材料的導(dǎo)熱越快。（3）應(yīng)用：

強化傳熱——選熱導(dǎo)率大的材料

削弱傳熱——選熱導(dǎo)率小的材料一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（1）固體的熱導(dǎo)率

在所有固體中，金屬的導(dǎo)熱能力最強，純金屬的熱導(dǎo)率一般隨溫度的升高而降低，隨純度的降低而降低，所以合金的熱導(dǎo)率比純金屬小。一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（2）液體的熱導(dǎo)率

金屬液體熱導(dǎo)率較高，如：水銀；非金屬液體熱導(dǎo)率較低，在非金屬液體中，水的熱導(dǎo)率最大。一般，純液體的熱導(dǎo)率大于溶液的熱導(dǎo)率。一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：思考：1.北方寒冷地區(qū)，采用雙層玻璃窗

2.暖瓶塞保溫的原理（3）氣體的熱導(dǎo)率

氣體的熱導(dǎo)率很小，不利于傳熱，因此用來保溫或隔熱。

如工業(yè)上用玻璃棉作保溫材料，就是因為其空隙率大而使里面有空氣的緣故。一、熱傳導(dǎo)的基本定律4、影響熱導(dǎo)率的因素：金屬的熱導(dǎo)率最大，固體非金屬的次之，液體較小，氣體最小。（1）物質(zhì)的組成狀態(tài)（2）溫度溫度升高，金屬的熱導(dǎo)率降低，非金屬的升高，液體的降低（水、甘油除外），氣體的升高。二、單層平壁的熱傳導(dǎo)t2t1x/mt/℃單層平壁導(dǎo)熱溫度分布Q由傅立葉定律得：

注：Q—單層平壁的傳熱速率，W

A—平壁的導(dǎo)熱面積，m2

λ—熱導(dǎo)率，W/m?K

δ—單層平壁的厚度將上式兩邊同除于A，可變形為：

例1：有一單層平面壁厚度是500mm，一側(cè)面壁面溫度是500K，另一側(cè)壁溫為300K，已知平壁的平均熱導(dǎo)率為0.95W/m?K，導(dǎo)熱面積為2m2，試求（1）該平面壁的導(dǎo)熱速率Q；（2）平面壁距高溫側(cè)200mm處的溫度。例2：有一單層平面壁厚度是10mm，面積為1m2，內(nèi)壁面溫度為473K，外壁面溫度為353K，設(shè)已知壁面物質(zhì)在平均溫度下的熱導(dǎo)率為0.6W/m?K，試求該壁面的導(dǎo)熱速率Q。（作業(yè)）三、多層平壁的熱傳導(dǎo)工程計算中，常遇到多層平壁導(dǎo)熱，即由幾種不同材料組成的平壁，如鍋爐的爐壁，最內(nèi)層為耐火材料層，中間層為隔熱層，最外層為鋼板。x/mt2t1t/℃t2t3t4多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布Q如圖所示，表示由三層不同材料組成的平壁，壁厚分別為δ1，

δ2和δ3，熱導(dǎo)率分別為λ1，

λ2和λ3，平壁的表面積為A，各接觸面的溫度分別為t1，t2，t3和t4，且t1＞t2＞t3＞t4，各層傳熱速率為Q。

單位時間數(shù)量相等的熱量依次通過各層平壁（相當(dāng)于串聯(lián)傳熱）

三、多層平壁的熱傳導(dǎo)x/mt2t1t/℃t2t3t4多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布Q

注：Q—多層平壁的傳熱速率，W

A—平壁的導(dǎo)熱面積，m2

λ—各層平壁的熱導(dǎo)率，W/m?K

δ—各層平壁的厚度m

t1，t4—最內(nèi)側(cè)喝最外側(cè)的溫度例1：有一工業(yè)爐，如圖所示，其爐壁由以下三種材料由里向外組成：耐火磚，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為1.2W/m?K；保溫磚，厚度為120mm，熱導(dǎo)率為0.2W/m?K；建筑轉(zhuǎn)，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為W/m?K，已知耐火磚內(nèi)壁表面溫度為1243K，建筑磚外壁溫度為323K，求單位面積的爐壁因?qū)崴⑹У臒崃浚⑶蟪龈鲗哟u接觸面的溫度。例1：有一工業(yè)爐，如圖所示，其爐壁由以下三種材料由里向外組成：耐火磚，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為1.2W/m?K；保溫磚，厚度為120mm，熱導(dǎo)率為0.2W/m?K；建筑轉(zhuǎn)，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為W/m?K，已知耐火磚內(nèi)壁表面溫度為1243K，建筑磚外壁溫度為323K，求單位面積的爐壁因?qū)崴⑹У臒崃?，并求出各層磚接觸面的溫度。例2：某燃燒爐由耐火磚、保溫磚喝建筑磚按順序由內(nèi)到外砌成，其壁厚分別為220mm、110mmm和220mm，熱導(dǎo)率分別為0.9、0.2和0.7

W/m?K，燃燒穩(wěn)定后，爐膛內(nèi)壁的溫度為1320K，最外層溫度為320K，試求單位時間單位面積爐壁損失的熱量，并求出各層磚接觸面的溫度。（作業(yè)）引入：伴有流體流動時，流體流過固體表面與表面之間發(fā)生的熱量交換為對流傳熱。工業(yè)上冷、熱流體之間的換熱通常為間壁式換熱，流體與固體壁面之間的傳熱屬于對流傳熱，利用流體質(zhì)點的相對運動，將熱量從一處傳至另一處。間壁傳熱三步驟：1.熱流體以對流傳熱方式將熱量傳給壁面；

2.熱量以熱傳導(dǎo)方式通過間壁；

3.間壁另一邊的壁面以對流傳熱方式傳熱給冷流體。四、對流傳熱分析

對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞。工業(yè)過程的流動多為湍流狀態(tài)，湍流流動時，流體主體中質(zhì)點充分?jǐn)_動與混合，所以在與流體流動方向垂直的截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。

1.流體流動情況熱冷流體通過間壁傳熱過程流體的流動型態(tài)：層流和湍流流體流動時在靠近壁面處總有一層滯流層湍流主體緩沖層層流內(nèi)層四、對流傳熱分析（1）湍流主體：流體質(zhì)點湍動劇烈，速度很快，傳熱方向上，流

體溫差很小，各處溫度基本相同，以對流傳熱為主。（2）過渡層（緩沖層）：流體溫度發(fā)生緩慢變化，以傳導(dǎo)和對流

傳熱共同作用?！獰嶙栊。?）滯流內(nèi)層：無質(zhì)點位移，以熱傳導(dǎo)為主。

2.傳熱分析流體熱導(dǎo)率很小，導(dǎo)熱熱阻大，溫差較大四、對流傳熱分析四、對流傳熱分析

3.強化途徑對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層（1）減小層流內(nèi)層的厚度——加大流體的湍動程度（2）破壞層流內(nèi)層強化對流傳熱的主要途徑五、對流傳熱基本方程牛頓冷卻定律1.內(nèi)容：對流傳熱速率與傳熱面積成正比，與流體與避免之間的溫差成正比。2.表達(dá)式：

α—對流傳熱系數(shù)?t—該截面上的對流傳熱溫差

對熱流體：

?t=T-TW

對冷流體：?t=tw-t六、對流傳熱系數(shù)1.表達(dá)式：

2.物理意義：

反映對流傳熱的強度，表示流體與壁面溫差為1K或1℃時，單位時間通過單位傳熱面積的熱量。3.影響因素：傳熱系數(shù)越大，表明對流傳熱速率越高，在對流傳熱中，傳熱系數(shù)越大越好。三、對流傳熱系數(shù)3.影響因素：（1）流體的種類及性質(zhì)：

α液體＞α氣體（2）對流形成的原因：

α強制對流＞α自然對流（3）流體相變情況：

α有相變＞α無相變（4）流體的流動狀態(tài)：

α湍流＞α層流六、對流傳熱系數(shù)流體有相變時的對流傳熱蒸汽冷凝膜狀冷凝滴狀冷凝影響冷凝傳熱的因素液體的沸騰

膜狀冷凝滴狀冷凝六、對流傳熱系數(shù)液體沸騰管外沸騰1atm下水的沸騰曲線管內(nèi)沸騰傳熱七、傳熱基本方程

1.內(nèi)容：傳熱過程中的傳熱速率與傳熱面積成正比，與傳熱平均溫差成正比。

2.表達(dá)式：

注：Q—傳熱速率K—總傳熱系數(shù)，無量綱A—傳熱面積，m2

Δtm—傳熱平均溫差，KR—傳熱熱阻1/KAK值越大，傳熱熱阻越小，傳熱效果越好。三要素：K，A，Δtm八、傳熱平均溫差1.換熱器中流體的流動方向（1）并流：流動方向相同（2）逆流：流動方向相反（3）錯流：流動方向垂直交叉（4）折流：一流體沿一方向流動，另一流

體反復(fù)折流八、傳熱平均溫差并流和逆流時傳熱平均溫差的求算

注：一般規(guī)定熱流體的進口端為換熱器的進口端31

【例2】在套管換熱器內(nèi)，熱流體溫度由90℃冷卻70℃，冷流體溫度由20℃上升到60℃。試分別計算：①兩流體作逆流和并流時的平均溫度差；②若操作條件下，換熱器的熱負(fù)荷為585kW，其傳熱系數(shù)K為300W/(m2K)，兩流體作逆流和并流時的所需的換熱器的傳熱面積。由于50/30<2，也可近似取算術(shù)平均值法，即：

tm＝40℃解：①傳熱平均推動力逆流時熱流體溫度T90℃ 70℃

冷流體溫度t60℃ 20℃

兩端溫度差

t30℃ 50℃32②所需傳熱面積

并流時熱流體溫度T90℃ 70℃

冷流體溫度t20℃ 60℃

兩端溫度差

t