化工原理第四章傳熱ppt課件

1、.,第四章,傳 熱,(heattransfer),任課教師：萬(wàn)惠萍,.,第一節(jié) 概述,1、物料的加熱與冷卻：,2、熱量與冷量的回收利用：,3、設(shè)備與管道的保溫：,一、傳熱過(guò)程的應(yīng)用,使物料達(dá)到指定的溫度,以節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本,以減少熱量、冷量損失,.,1、熱傳導(dǎo)（Conduction）（導(dǎo)熱）,原因：微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng),二、熱量傳遞的基本方式,特點(diǎn)：無(wú)宏觀位移,是固體內(nèi)部熱量傳遞的主要形式,根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，分為三種：,.,2、對(duì)流傳熱（Convection）,原因：流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移,特點(diǎn)：流體流動(dòng)（自然、強(qiáng)制）,.,3. 輻射傳熱（Radiation）,原因：因熱產(chǎn)生電磁波輻射,特點(diǎn)：不

2、需要媒介，可在真空中傳遞；,有能量形式變化,.,三、兩流體通過(guò)間壁換熱,1、間壁式換熱器,2、兩流體通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程,（1）熱流體以對(duì)流方式將熱量傳遞到間壁的一側(cè)壁面,（2）熱量從間壁的一側(cè)壁面以導(dǎo)熱方式傳遞到另一側(cè)壁面,（3）最后以對(duì)流方式將熱量從壁面?zhèn)鹘o冷流體,.,（J/m2s）或（W /m2）,四、傳熱過(guò)程,（1）熱流量Q：,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)整個(gè)換熱器的傳熱面所傳遞的熱量,(J/s)或W,（2）熱流密度（或熱通量）q：,單位時(shí)間、通過(guò)單位傳熱面?zhèn)鬟f的熱量,二者之間的關(guān)系：,（一）傳熱速率,注意：對(duì)傳熱速率的要求是相對(duì)的，需要加熱、冷卻時(shí)，要強(qiáng)化傳熱；要求保溫時(shí)，要降低傳熱速率。,可用兩種

3、方式表示：,.,（二）穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,穩(wěn)態(tài)過(guò)程：,傳熱過(guò)程中，參數(shù)T1、T2、t1、t2、qm1、qm2等不隨時(shí)間變化，但可以是位置的函數(shù)。,非穩(wěn)態(tài)過(guò)程：,傳熱過(guò)程中，各參數(shù)是時(shí)間的函數(shù)時(shí)，為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。,連續(xù)生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程多為穩(wěn)態(tài)傳熱,開車、停車以及改變操作條件時(shí)，為非穩(wěn)態(tài)傳熱,.,一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)內(nèi)的等溫面是平行或同心的圓筒面。,定態(tài)時(shí)：,（一）溫度場(chǎng)和溫度梯度,溫度場(chǎng)：,物體內(nèi)各點(diǎn)溫度在時(shí)空中的分布。,一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)：,等溫面：,溫度相同的點(diǎn)所組成的面。,等溫面彼此不會(huì)相交。,第二節(jié) 熱傳導(dǎo),一、傅立葉定律,.,溫度梯度:,一維時(shí)：,梯度方向以溫度增加方向?yàn)檎?，且垂直于等溫面?梯

4、度方向正好與傳熱方向相反。,.,（二）傅立葉定律,還可寫成：,（4-2）,是熱傳導(dǎo)的基本定律,.,式中負(fù)號(hào)表示熱流方向總是和溫度梯度的方向相反,傅立葉定律與牛頓粘性定律類似。,（此處的類似是指非同類過(guò)程之間的相似性）,即熱量從高溫傳至低溫,傅立葉定律指出：,熱流密度正比于傳熱面的法向溫度梯度。,.,二、熱導(dǎo)率,表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力， 越大，導(dǎo)熱性能越好。,影響因素：,物質(zhì)種類、環(huán)境溫度等,物質(zhì)的物理性質(zhì)之一,（1） 固體導(dǎo)熱系數(shù),的數(shù)量級(jí)（W/m）：,金屬：10102,建材：10-110,絕熱材料：10-210-1,固體與溫度的關(guān)系：,（W/m）,00時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù) a溫度系數(shù)（金屬為，非金屬

5、為+）,.,（3）氣體導(dǎo)熱系數(shù),金屬 合金 非金屬,（2）液體導(dǎo)熱系數(shù),水、氯化鈣、甘油、乙二醇：T ,其他液體：T ,液態(tài)金屬 水 其他液體,氣體導(dǎo)熱系數(shù)很小。T ,總之：,固態(tài)金屬 固態(tài)非金屬 液體 絕熱材料 氣體,液體的較小，但比固體絕熱材料大,.,在非金屬液體中，水的熱導(dǎo)率最大,.,三、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),前提：,（4）材料密度均勻，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)；,（2）平壁兩側(cè)溫度均勻、恒定，且t1t2：,（3）壁內(nèi)傳熱系定態(tài)一維熱傳導(dǎo)；,（1）平壁無(wú)限大，平壁長(zhǎng)寬遠(yuǎn)大于厚度，邊緣熱量損失忽略。,傅立葉定律可寫成：,=常數(shù),（一）單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),.,對(duì)傅立葉定律式積分：,（4-5）,.,（4-

6、5a）,整理得：,（4-5）式還可寫成：,（4-6）,.,(4-7),三層平壁如圖，設(shè)層間接觸良好,一維穩(wěn)定導(dǎo)熱必有：,Q1= Q2= Q3= Q,即：,（二）多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),依疊加原理：,.,n層時(shí)：,此式說(shuō)明：某層熱阻大，需要的溫差也大，即以較大的溫差克服較大的阻力，才能達(dá)到與其他層傳熱速率相同。,.,四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),特點(diǎn)：傳熱面積、溫度沿半徑變化,設(shè)圓筒壁為無(wú)限長(zhǎng)，目的也是按一維導(dǎo)熱處理,（一) 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),（1）材料密度均勻，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)； （2）圓筒壁內(nèi)外兩側(cè)溫度均勻、恒定； （3）內(nèi)部溫度僅沿半徑方向（垂直于壁面）變化；,q沿r方向各截面?zhèn)鳠崃坎坏龋?總

7、傳熱量Q沿r方向各處相等；,.,依傅立葉定律：,即,（4-9）,.,式(4-9)還可整理得：,（類似于平壁導(dǎo)熱）,其中：,對(duì)數(shù)平均半徑：,（4-11）,對(duì)數(shù)平均直徑：,.,當(dāng) 時(shí)，可用算術(shù)平均直徑：,也可用對(duì)數(shù)平均面積：,圓筒壁熱阻,由式,得,.,仿多層平壁的處理方法，熱阻代入圓筒的熱阻。,（二）多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),三層圓筒壁如圖，設(shè)層間接觸良好,一維穩(wěn)定導(dǎo)熱：,注意： q1q2q3,原因是：熱射線是放射性形式，各層面積不等。,Q1=Q2=Q3=Q,.,（4-12）,.,1根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱過(guò)程可分為 、 和 三種方式。,2物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的順序是：（ ）。 A 金屬一般固體液體氣體；

8、B 金屬液體一般固體氣體； C 金屬氣體液體一般固體； D 金屬液體氣體一般固體,A,3不需要任何介質(zhì)的傳熱稱為（ ）傳熱。 A 熱傳導(dǎo)；B 對(duì)流；C 輻射；D 熱流動(dòng)。,C,練習(xí)題,4. 穩(wěn)定導(dǎo)熱是指 不隨時(shí)間改變。,系統(tǒng)各點(diǎn)溫度,熱傳導(dǎo),對(duì)流傳熱,熱輻射,.,4、 厚度不同的三種材料構(gòu)成三層平壁，各層接觸良好，已知各層厚度b1b2b3，熱導(dǎo)率123，在穩(wěn)定傳熱過(guò)程中，各層的熱阻R1 R2 R3； 各層熱流量Q1 Q2 Q3； 各層溫差t1 t2 t3。, , ,= =,水的大于保溫材料的，保溫材料的，導(dǎo)致保溫效果,5、一包有石棉瓦保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉瓦受潮后，其保溫效果應(yīng) ，主要原因是

9、： 。,6、外包絕熱材料的金屬蒸汽管道，當(dāng)蒸汽壓力增大時(shí)，絕熱材料的熱導(dǎo)率將變 ，而蒸汽管道的熱導(dǎo)率將變 ，主要原因是 。,大,小,溫度升高,.,主流區(qū)溫度梯度很小，熱阻??； 近壁面處溫度梯度大，熱阻大。,第三節(jié) 對(duì)流傳熱,工業(yè)上遇到的對(duì)流傳熱常指流體與固體壁面之間的熱量交換，也稱對(duì)流給熱,熱流體側(cè)：,冷流體側(cè)：,T,t,TW,tw,.,對(duì)流傳熱的類型,流體無(wú)相變的給熱：,強(qiáng)制對(duì)流給熱,自然對(duì)流給熱,流體有相變的給熱：,蒸汽冷凝給熱,液體沸騰給熱,湍流時(shí)，熱阻主要集 中在層流內(nèi)層。,.,如圖：a、b兩點(diǎn)溫差為t,則,a、b兩點(diǎn)形成壓差,自然對(duì)流,b,a,-體積膨脹系數(shù),當(dāng)t較小時(shí),.,環(huán)流速度

10、：,上式說(shuō)明，只要有溫差就有環(huán)流。,為了在一定空間內(nèi)獲得較為均勻的加熱，加熱器應(yīng)放置在該空間的下部；反之，為了在一定空間內(nèi)獲得較為均勻的冷卻，冷卻器應(yīng)放置在該空間的上部。,.,一、 對(duì)流傳熱方程與對(duì)流傳熱系數(shù),目前，對(duì)流傳熱的工程計(jì)算仍采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理。,對(duì)流傳熱速率=,= 對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)流給熱推動(dòng)力,牛頓冷卻定律,熱流體側(cè)：,冷流體側(cè)：,給熱系數(shù)；W/m2 TW、tW壁溫； T、t流體平均溫度； q熱通量； W/m2,.,二、給熱系數(shù)（ ）的影響因素,對(duì)流給熱系數(shù)是對(duì)流傳熱過(guò)程研究的核心內(nèi)容之一。,（1）流動(dòng)形態(tài)和動(dòng)力,流動(dòng)形態(tài)：,層流傳熱膜，傳熱阻力，q,湍流傳熱膜，傳熱阻力，q,流動(dòng)動(dòng)

11、力：,自然對(duì)流湍動(dòng)，傳熱膜，q,強(qiáng)制對(duì)流湍動(dòng)，傳熱膜，q,.,確定這些物性的溫度稱作定性溫度。,一般用流體主體的平均溫度作為定性溫度：,t1流體進(jìn)口溫度 t2流體出口溫度,（2）流體的（物理）性質(zhì),對(duì)影響較大的有： 、cp、 、。,.,傳熱表面的形狀，排列，放置方式，管徑，管長(zhǎng)，板高等。其中對(duì)傳熱影響最大的因素稱作特征尺寸，,（3）傳熱表面的幾何因素,垂直管或板：L,圓管：d,非圓管：de,（4）流體類型和相變情況,液體，氣體，水蒸氣；,牛頓型流體，非牛頓型流體；,有無(wú)相變化,.,準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：,三、對(duì)流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式,將影響的眾多因素組合為若干個(gè)無(wú)因次數(shù)群，再用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定他們之間的關(guān)系

12、，得到不同條件下計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。,目的：,無(wú)因次形式：,（4-17）,.,雷諾準(zhǔn)數(shù)：,是Re的一種變形，表征自然對(duì)流的流動(dòng)狀態(tài)。,努塞爾準(zhǔn)數(shù)：,普朗特準(zhǔn)數(shù)：,格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)：,對(duì)流給熱比導(dǎo)熱增大的倍數(shù),流體的物性參數(shù),各無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)的物理意義,慣性力與粘性力之比,.,（4-19）,四、流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,低粘度流體圓直管內(nèi)強(qiáng)制湍流給熱系數(shù),給熱系數(shù)：,流體被加熱時(shí)n=0.4，被冷卻時(shí)n=0.3,.,Re10000 0.7Pr120 管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比即L/ d60 低粘度流體（粘度不大于水粘度的2倍，即 2mPas）,應(yīng)用條件：,.,例: 管內(nèi)強(qiáng)制湍流時(shí)給熱系數(shù)的計(jì)算 圖示為一

13、列管式換熱器示意圖，由38根25mm2.5mm的無(wú)縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20被加熱至80，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱。 試求管壁對(duì)苯的給熱系數(shù)。 又問(wèn)當(dāng)苯的流量提高一倍，給熱系數(shù)有何變化？,.,解：,（1）,0.7Pr120,查物性：=860kg/m3；cp=1.80kJ/(kg)； =0.45mPas； =0.14W/(m).,加熱管內(nèi)苯的流速為：,定性溫度：,.,以上計(jì)算表明本題的流動(dòng)情況符合式（ 4-19）的應(yīng)用條件，故,若忽略定性溫度的變化，當(dāng)苯的流量增加一倍時(shí)，給熱系數(shù)為：,（2）,水溫50時(shí)，=0.45mPas，,2mPas,一般列管換熱器L/d60

14、,.,（當(dāng)管徑不變時(shí)）,上例說(shuō)明：,當(dāng)流量不變時(shí)，與直徑的關(guān)系：,注：,.,練習(xí)題,1、 對(duì)流給熱過(guò)程是 和 之間的傳熱過(guò)程。,流體 固體壁面,熱傳導(dǎo),熱對(duì)流,2、對(duì)流傳熱是 與 共同作用的結(jié)果。,3、影響對(duì)流給熱的因素有哪些？,答： （1）流動(dòng)形態(tài)和動(dòng)力 （2）流體的（物理）性質(zhì) （3）傳熱表面的幾何因素 （4）流體類型和相變情況,.,五、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱,有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱，分為蒸汽冷凝給熱和液體沸騰給熱，由于伴有相變化，其給熱系數(shù)遠(yuǎn)大于無(wú)相變過(guò)程。,.,（一） 蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱,1、蒸汽冷凝熱阻特點(diǎn),兩相共存，氣相無(wú)熱阻，冷凝液將壁面覆蓋，冷凝潛熱通過(guò)液膜才能到達(dá)壁面，因此熱

15、阻主要在液膜處，冷凝大。,2、冷凝方式,膜狀冷凝：,壁面被液膜覆蓋，液膜存在溫度差，冷凝潛熱需穿過(guò)液膜傳遞。傳熱阻力主要來(lái)自液膜。,滴狀冷凝：,液膜不能覆蓋壁面，給熱系數(shù)較膜狀冷凝大。,.,雖然滴膜，但滴狀冷凝難于控制，目前應(yīng)用的冷凝器仍按膜狀冷凝設(shè)計(jì)。,.,3、影響冷凝給熱的因素及強(qiáng)化措施,影響因素：,不凝性氣體：,不凝性氣體阻礙蒸汽與汽液界面的接觸,蒸汽中含1%空氣，給熱系數(shù)下降約60%， 相當(dāng)于附加一層氣膜熱阻。,蒸汽流速及流向：,流速較大且與膜同向，,流速較大且與膜逆向，,通常蒸汽入口設(shè)在換熱器上部，以避免蒸汽和凝液逆向流動(dòng)。,（若蒸汽吹散液膜， 反而 ）,.,強(qiáng)化措施：,（2）定期排

16、放不凝性氣體。,（1）應(yīng)盡可能減小液膜厚度，在壁面處開溝槽、加金屬絲等。,., 大容積沸騰：,加熱面浸沒(méi)于無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的液體中的沸騰。,加熱表面浸入液體的自由表面之下,液體于加熱面產(chǎn)生氣泡，自由上浮,（二） 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱,液體的流動(dòng)僅緣于自然對(duì)流和氣泡的擾動(dòng),如水壺?zé)?容器內(nèi)液體溫度高于飽和溫度時(shí)，液體汽化而形成氣泡的過(guò)程，稱為沸騰。,沸騰分類：,., 管內(nèi)沸騰：,流體受壓差作用在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)沸騰。, 飽和沸騰：,離開加熱面的氣泡不再凝結(jié)。, 過(guò)冷沸騰：,流體主體溫度低于飽和溫度，加熱面上氣泡離開后重新凝結(jié)。,流體在管內(nèi)流動(dòng),流速對(duì)傳熱影響顯著,氣泡與液體一起流動(dòng)（兩相流）,.,汽化核心

17、：,1、沸騰的必要條件,液體過(guò)熱：,沸騰給熱熱阻集中在緊貼加熱表面的液體薄層內(nèi)，熱阻很低，給熱強(qiáng)度高于無(wú)相變的液體給熱。,粗糙的加熱壁面的凹縫易于形成汽化核心。,加熱壁面溫度最高，可達(dá)到液體過(guò)熱。,.,2、大容積飽和沸騰曲線,液體的大容積飽和沸騰隨溫差t（壁溫與操作壓強(qiáng)下液體的飽和溫度之差）的變化，都會(huì)出現(xiàn)不同類型的沸騰狀態(tài)。,.,當(dāng)t 2.2，隨t 緩慢增加。此時(shí)，緊貼加熱表面的液體過(guò)熱度很小，不足以產(chǎn)生氣泡，給熱是靠自然對(duì)流進(jìn)行的，汽化現(xiàn)象只在液面上發(fā)生，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)還不是沸騰，而是表面汽化。,（1）自然對(duì)流：,.,（2）核狀沸騰：,當(dāng)t 2.2（ 2.225 ），加熱面上有氣泡產(chǎn)生，隨t急劇

18、上升。這是由于氣泡的產(chǎn)生和脫離對(duì)加熱面附近液體的擾動(dòng)越來(lái)越劇烈的緣故,.,（3）不穩(wěn)定膜狀沸騰：,t增大到某一定數(shù)值（ 25250 ）時(shí)，加熱面上的汽化核心增多，氣泡在脫離加熱面之前便相互連接，形成氣膜，把加熱面與液體隔開，下降，稱不穩(wěn)定膜狀沸騰。,.,t增至250，加熱表面上形成一層穩(wěn)定的氣膜，把液體和加熱面完全隔開，輻射傳熱的作用變得重要，再度增加，此階段稱為穩(wěn)定膜狀沸騰。,（4）穩(wěn)定膜狀沸騰：,.,工業(yè)上，應(yīng)控制在核狀沸騰階段，此時(shí)有給熱系數(shù)大、壁溫低的優(yōu)點(diǎn)。,膜狀沸騰時(shí)，因氣膜導(dǎo)熱差，使壁溫高，易燒壞設(shè)備，應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。,3、沸騰給熱過(guò)程的強(qiáng)化,（1）加熱表面：,粗糙有利，污垢不利。,

19、（2）液體性質(zhì)：,、；,、 ,（3）操作壓力：,pts、 ,（4）溫度差：,t=tw-ts (ttc),.,練習(xí)題,1、飽和蒸汽冷凝時(shí)（冷凝膜層流流動(dòng)），t， ; 液體核狀沸騰時(shí)， t， 。,核狀沸騰,2、工業(yè)上，沸騰應(yīng)控制在 階段，此時(shí)有 的優(yōu)點(diǎn)。,3、在蒸汽冷凝傳熱中，不凝性氣體的存在對(duì)的影響是 。 （1）不凝性氣體存在會(huì)使（值）大大降低 （2）不凝性氣體存在會(huì)使（值） 升高 （3）不凝性氣體的存在與否，對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)影響,（1）,給熱系數(shù)大、壁溫低,.,Q= qm r,第四節(jié) 傳熱過(guò)程計(jì)算,一、熱量衡算方程和熱負(fù)荷,無(wú)相變時(shí)：,Q=qm1cp1（T1T2）,有相變時(shí)：,Qm2cp2（t2t1）

20、,=,（4-36）,（4-37）,.,管內(nèi)熱流體，管外冷流體。,二、局部傳熱速率方程式,熱流體側(cè)：,管壁導(dǎo)熱：,冷流體側(cè)：,在截面處取一微元體。,.,上三式也可寫成：,依疊加原理：,.,則,即,三、總傳熱系數(shù)K,由式 可見，取不同面積為基準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，所對(duì)應(yīng)的K值也不同。,若為平板傳熱：,dAi= dAm= dAo= dA,.,以管外表面計(jì)時(shí)，dA=dAo(dA2),K、Ki(K1)、Ko(K2)總傳熱系數(shù)；W/m2,以管內(nèi)表面計(jì)時(shí)，dA=dAi(dA1),（習(xí)慣以外表面為主）,總熱阻,（4-42c）,.,的數(shù)值將主要由其中最大熱阻所決定。,當(dāng)忽略管壁內(nèi)、外表面積的差異時(shí)，,當(dāng)oi時(shí)，,當(dāng)io時(shí)，

21、,若壁阻忽略不計(jì)，,則,傳熱速率,、 、,具有不同數(shù)量級(jí)時(shí)，,傳熱速率受控于熱阻大（對(duì)流給熱系數(shù)小的）的那一側(cè)流體的對(duì)流給熱。,，,必定Ko,必定Ki,（4-45）,.,薄壁時(shí)：（可按平壁處理）,四、污垢熱阻,考慮到有污垢熱阻時(shí)的總傳熱系數(shù),厚壁時(shí)：,（4-44）,.,常見流體的污垢熱阻：,.,壁溫TW接近于熱阻較小或給熱系數(shù)較大的一側(cè)流體溫度。,（4-47）,五、壁溫計(jì)算,若忽略管壁內(nèi)、外表面積的差異，則,金屬壁熱阻可忽略，即TWtW，則,傳熱面兩側(cè)溫差之比等于兩側(cè)熱阻之比。,.,六、傳熱平均溫度差,假設(shè)：,（1）定態(tài)傳熱過(guò)程；,（2）流體無(wú)相變；,（3）冷、熱流體質(zhì)量流量（qm）、比熱(c

22、p) 、 總傳熱系數(shù)（K）為常量,（4）熱損失忽略。,1、兩側(cè)均變溫傳熱,因冷、熱流體流向不同，傳熱過(guò)程可分為：逆流、并流、折流及錯(cuò)流換熱。,（一）變溫傳熱,.,逆流換熱過(guò)程,并流換熱過(guò)程,.,傳熱過(guò)程的積分表達(dá)式,積分得：,（1）逆流傳熱,.,由熱量衡算知 Q=qm1cp1(T1T2)= qm2cp2(t2t1),在冷流體入口端和任一截面間取控制體進(jìn)行熱量衡算：,qm1cp1(TT2)= qm2cp2(tt1),.,A,B,(T-t)2,(T-t)1,T,t,(T-t),此式為一直線方程，如圖中直線AB。,線上每一點(diǎn)代表?yè)Q熱器某一截面上冷、熱流體的溫度。,推動(dòng)力（T-t）等于操作線與對(duì)角線間

23、的垂直距離,C,稱之為換熱器的操作線。,T=t,.,式兩側(cè)同時(shí)減t后得：,可見，（T-t）與t成直線關(guān)系；,求微分得：,同理（T-t）與T也成直線關(guān)系,.,t1= (T-t)1= T1-t2,其中,t2= (T-t)2= T2-t1,由式得：,.,將 代入 中，積分得：,若 t1 / t2 2時(shí)，可用算術(shù)平均值求平均傳熱溫差,對(duì)數(shù)平均溫差,.,由上面可得到：,（4-1）,Q= qm r,.,（2）并流傳熱,并流時(shí)，逆流傳熱的總傳熱方程及對(duì)數(shù)平均溫差關(guān)系式,仍可用，,只是,t1=T1-t1 t2=T2-t2,.,并流,逆流,熱流體,冷流體,溫度差,70,10,30,50,并流平均溫度差：,逆流平

24、均溫度差：,當(dāng)逆流的T1、T2、t1、t2與并流相同時(shí)，, tm逆 tm并,（3）逆流與并流傳熱的比較,例：,逆流傳熱推動(dòng)力大,., 當(dāng)換熱器的傳熱量Q和總傳熱系數(shù)K一定時(shí)，,，逆流所需的傳熱面積小；,并流特點(diǎn)：, 易于控制溫度，出口溫度比較恒定（ t2T2）；, 冷流體快速升溫，使粘度下降，K升高。,逆流可將冷流體溫度升得更高：t2T2 可將熱流體溫度降得更低： T2 t2, 逆流時(shí)，可節(jié)省冷卻劑或加熱劑用量。,.,傳熱溫差不變，平均溫差就等于冷、熱流體的溫度差，即tm=T-t,一側(cè)恒溫,兩側(cè)恒溫,2、一側(cè)變溫傳熱,其傳熱平均溫差與流體的流動(dòng)方向無(wú)關(guān),（二）兩側(cè)恒溫,.,計(jì)算步驟：,計(jì)算熱負(fù)

25、荷：,確定流向（逆流、并流），計(jì)算平均溫度差：,確定流程（管內(nèi)、管外流體），流速，垢阻。計(jì)算總傳熱系數(shù)K：,計(jì)算換熱面積：,七、 傳熱計(jì)算,.,如果內(nèi)管改用直徑為764mm的鋼管代替，其余條件不變，試求所需管長(zhǎng)。,【例】 某套管換熱器，內(nèi)管為573mm，外管為1084mm鋼管。管內(nèi)苯被加熱，苯進(jìn)口溫度40，出口溫度70，苯流量為3800kg/h。環(huán)隙為130飽和蒸汽冷凝，汽化熱為2178kJ/kg，冷凝給熱系數(shù)11630W/m2。苯在5080之間的物性參數(shù)平均值為密度880kg/m3，比熱 cp1.86kJ/kg， 粘度0.39cP，導(dǎo)熱系數(shù)0.134W/m，管內(nèi)垢阻為0.000265m2/W

26、，管壁熱阻及管外垢阻忽略不計(jì)，求：,加熱蒸汽消耗量（kg/h）？,所需傳熱面積Ao？,當(dāng)苯流量增加50%時(shí)，為保證苯的進(jìn)出口溫度不變，加熱蒸汽溫度應(yīng)提至多少？,.,解：,根據(jù)熱量恒算：,qm1r1 =qm2cp2(t2t1)=Q,蒸汽消耗量：,傳熱量：,.,根據(jù)傳熱速率方程：,總傳熱系數(shù) Ko：,根據(jù)已知：,Ri=0.000265， Ro=0 ，o=11630，,i的求?。?管內(nèi)流體對(duì)流給熱系數(shù)：,.,管內(nèi)流速：,雷諾準(zhǔn)數(shù)：,普蘭特準(zhǔn)數(shù)：,0.7 Pr 120,管內(nèi)流體粘度苯0.39cP=0.39 mPas,苯2 mPas,.,假設(shè) L/d60，,則：, Ko=601 （W/m2),管內(nèi)流體被

27、加熱，b=0.4,.,傳熱面積：,驗(yàn)證：,故：L/d=7.4/0.051=14560,原假設(shè)成立,t1=130-40=90,t2=130-70=60,平均溫差tm：,=1.32/(3.140.057)=7.4m,.,流量增加50%， qm2=1.5qm2；苯進(jìn)、出口溫度不變,根據(jù), Ko=764 （W/m2),.,根據(jù)傳熱速率方程：,設(shè)蒸汽溫度應(yīng)提至T，,即,解得：T=143.5,.,與直徑的關(guān)系：,其它條件不變，換管后，假設(shè) L/d60，,., Ko=397.1 （W/m2),因Q、tm不變，故傳熱面積：,檢驗(yàn)：L/d=8.38/0.068=12360，所以假設(shè)成立,.,第六節(jié) 換熱器,（一

28、） 按用途分類,加熱器，冷卻器，冷凝器，蒸發(fā)器,（二）按冷、熱流體的接觸方式分類,直接接觸式，間壁式，蓄熱式,一、換熱器的分類,本節(jié)討論：,常用換熱器的結(jié)構(gòu)、性能及特點(diǎn)；,換熱器基本尺寸、傳熱面積的計(jì)算；,根據(jù)生產(chǎn)需要，選擇合適的換熱設(shè)備。,.,二、 間壁式換熱器類型,（一）夾套式換熱器（Jacket Heat Exchanger ）,結(jié)構(gòu)：,夾層,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱面受限，傳熱系數(shù)低。,.,（二）沉浸式蛇管換熱器 （Cockle Pipe Heat Exchanger ）,特點(diǎn)：,置于容器內(nèi)，耐高壓，耐腐蝕，管外流體湍動(dòng)小。,.,（三）噴淋式換熱器（ShowerHeat Exchanger

29、 ）,結(jié)構(gòu)：,特點(diǎn)：,管內(nèi)熱流體，管外冷流體，湍動(dòng)大，操作環(huán)境差。,.,（四）套管式換熱器 （Double Pipe Heat Exchanger）,結(jié)構(gòu)：,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高壓，流速高，可純逆流；接頭易泄漏，單位體積傳熱面積小。,.,（五）螺旋板式換熱器,結(jié)構(gòu)緊湊，耗材低，傳熱系數(shù)高，不易結(jié)垢和堵塞，能利用低溫?zé)嵩矗Y(jié)構(gòu)緊湊，單位容積傳熱面積大 ；但捍縫處易漏、操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高，不易檢修。,特點(diǎn)：,.,（六）板式換熱器（Plate Heat Exchanger）,.,特點(diǎn)：傳熱面積可調(diào)節(jié)，傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊； 但不耐高溫、高壓，處理量不大,.,（七）板翅式換熱器,特點(diǎn)：湍流程度大

30、，輕巧牢固；易堵塞，清洗困難,.,（八）翅片管換熱器,要求：翅片與管表面的連接應(yīng)緊密，否則接觸熱阻大。,.,（九）管殼（列管）式換熱器 （Shell & Tube Heat Exchanger）,、基本結(jié)構(gòu),特點(diǎn)：,單位體積換熱面積大，管內(nèi)、外流體湍動(dòng)較大，結(jié)構(gòu)緊湊。,.,管板：,固定管束,管束：,構(gòu)成傳熱面（外側(cè)表面積）,管程：,隔板：,劃分管程（于封頭與管板間）,管內(nèi)流動(dòng)行程（單管程，兩管程，多管程）,增加管程可提高管內(nèi)流體流速，但流動(dòng)阻力增大,（注意：管程數(shù)與管內(nèi)流體流速的關(guān)系：,若管程數(shù)增為n管程，則流速變?yōu)樵瓉?lái)的n 倍）,縱向擋板：,劃分殼程（平行于管束）,殼程：,管外流動(dòng)行程（單殼

31、程，兩殼程，多殼程）,增加殼程可提高管外流體流速，但流動(dòng)阻力增大,折流板：,增加管外流體的湍動(dòng)，提高管外對(duì)流給熱系數(shù),.,.,2、主要形式與特點(diǎn),（1）固定管板式,結(jié)構(gòu)：,兩端管板與殼體焊接，管束不可拆,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低；,冷、熱流體溫差大時(shí)應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償（膨脹節(jié)）。,清洗管內(nèi)易，管外難 （殼程通潔凈流體）；,.,（2）浮頭式換熱器,結(jié)構(gòu)：,一端管板不與外殼相連，可沿軸向自由浮動(dòng)，管束可拆。,特點(diǎn)：,易于清洗；無(wú)須溫度補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,.,（3）型管式換熱器,結(jié)構(gòu)：,一個(gè)管板，加熱管呈型。,特點(diǎn)：,無(wú)須溫度補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；清洗管外易，管內(nèi)難。,.,給熱系數(shù)大的流體,三、列管式換熱

32、器的設(shè)計(jì)和選用,1、流體流動(dòng)通道的選擇 (P173),管程中：,易結(jié)垢（不易清洗）的流體（U形管例外）,有腐蝕性的流體,有毒性的流體,壓力高的流體,殼程中：,飽和蒸汽,被冷卻的流體,流量小或粘度大的流體,.,2、流動(dòng)方式的選擇,逆流或并流、管程數(shù)和殼程數(shù)要適當(dāng),當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，越大，對(duì)傳熱過(guò)程有利；但流體阻力損失也增大，而且阻力損失增加的更大。,注意：改變管程數(shù)后，管內(nèi)流速同時(shí)發(fā)生變化。 如：四管程時(shí)速度u=4單管程時(shí)速度u,管程N(yùn)p0.8 阻力損失Np3 ； Np-管程數(shù),.,3、換熱器的規(guī)格和管排列方式,管排列方式： 三角形和正方形,管長(zhǎng)：1.5m、2m、3m、4.5m、5m

33、、6m、9m,管子標(biāo)準(zhǔn)：,19mm2mm和25mm2.5mm,.,目的：加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以 提高殼程流體的給熱系數(shù),4、折流擋板,種類：,圓缺形和盤環(huán)形,注意：擋板數(shù)增加使給熱系數(shù)增加，但同時(shí)阻力 損失增加得更多。,因此，在選擇擋板數(shù)時(shí)，要兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。,.,5、管殼式換熱器的選用計(jì)算,計(jì)算熱負(fù)荷（熱量衡算）,計(jì)算平均溫度差tm,估算傳熱系數(shù)K估 ，估算傳熱面積A估,根據(jù)A估初選換熱器（A實(shí) 、DN 、p）,確定垢阻，由Ri、Ro、u 、 i、o 計(jì)算傳熱系數(shù)K計(jì)，計(jì)算傳熱面積A計(jì),校核： A實(shí)A計(jì)1.101.25,.,設(shè)計(jì)參數(shù)（參考值）,.,.,起冷卻作

34、用。主要有水、空氣、各種冷凍劑（如冷凍鹽水）,四、載熱體及其選擇,加熱劑：,起加熱作用。主要有熱水、水蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽和煙道氣,冷卻劑：,選擇載熱體時(shí)應(yīng)參考以下幾個(gè)方面：, 溫度必須滿足工藝要求；, 溫度應(yīng)易于調(diào)節(jié)；, 不會(huì)分解，毒性要小，使用安全；, 價(jià)廉易得，傳熱性能好。, 腐蝕性小，不易結(jié)垢；,.,五、傳熱過(guò)程的強(qiáng)化,由Q=KAtm式可知應(yīng)強(qiáng)化的項(xiàng)目,增大K：,措施：,（i o b R ）,K, qm,u,Re, 增加管程數(shù)，殼程加擋板，增大湍流程度；, 使用有相變的流體做加熱劑；, 使用的流體（如液態(tài)金屬做加熱或冷卻劑）；, 減小垢阻（常清洗）,強(qiáng)化傳熱過(guò)程，即提高冷、熱

35、流體間的傳熱速率。,.,增大A：,指增大單位體積的傳熱面積。從結(jié)構(gòu)方面考慮：, 可增大小的一側(cè)的傳熱面積，如加翅片、波紋管等,逆流傳熱溫差大于并流，可選取逆流傳熱過(guò)程。另外，提高加熱劑溫度（或降低冷卻劑的溫度）也可提高tm 。,增大tm ：,.,1水在逆流操作的套管換熱器中冷卻某物料。要求熱流體的T1、T2及流量不變。若因冷卻水進(jìn)口溫度t1增高，為保證完成生產(chǎn)任務(wù)，提高冷卻水的流量，其結(jié)果（ ）。 （1） K，tm不變；（2） Q不變，tm，K； （3） Q ，tm ；（4） Q不變， tm 不定，K,一、選擇題,（2）,2在列管式換熱器中，用飽和蒸汽加熱空氣，下面兩項(xiàng)判斷是否合理。甲：傳熱管

36、的壁溫將接近加熱蒸汽溫度。乙：換熱器總傳熱系數(shù)K將接近空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。（ ） A . 甲、乙均合理； B. 甲、乙均不合理 C. 甲合理、乙不合理； D. 乙合理、甲不合理,A,練習(xí)題,.,3一套管換熱器，環(huán)隙為120蒸汽冷凝，管內(nèi)空氣從20 被加熱到50 ，則管壁溫度應(yīng)接近于 。 A 35 ；B 120 ；C 77.5 ；D 50 ,B,4在設(shè)計(jì)管殼式換熱器時(shí)，設(shè)置隔板以提高 流速，設(shè)置折流板以提高 流速，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。管程內(nèi)流體流速的選取，對(duì)一般液體取 ，氣體取 ，如該換熱器用蒸汽冷凝來(lái)加熱原油，那么水蒸汽應(yīng)在 程流動(dòng)。 A . 殼程； B. 管程； C. u=0.53m/s； D. u=530m/s； E. u=30100m/s,B,A,C,D,A