化工原理传热单元操作与设备课件.ppt

1、第一节 传热的基本方式与类型一、传热在化工生产中的应用传热的动力：温度差。传热的应用：为化学反应创造必要的条件；为单元操作创造必要的条件；提高热量的综合利用；减少设备的热损失；强化传热1、传热问题的要求 削弱传热 设计传热设备2、传热计算问题的应用 计算传热量 减少热损失3、稳态传热和非稳态传热稳态传热：传热系统中各点温度仅随位置的不同而不同，不随时间变化。非稳态传热：传热系统中各点温度不仅随时间变化，而且随位置的不同而不同。二、传热的基本方式1、热传导传热机理：通过分子的热振动传递热量；特 点：分子不发生宏观的位移；2、热对流传热机理：通过流体质点的相对位移传递热量；特 点：流体质点互相混合

2、、碰撞；对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。自然对流：由于温度不同导致密度差异 而引起的移动；方式 强制对流：由于外力引起的移动；3、热辐射传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量；特 点：传热过程不需要介质；注：实际传热过程中三种方式结合进行。三、工业换热器的类型换热器：用于热量交换的设备。载热体：参与换热的两种流体。热载热体（热流体）：加热剂（水蒸载热体 汽）冷载热体（冷流体）：冷却剂（水、冷 冻盐水、空气）1、间壁式：冷热流体通过间壁传递热量；特点：两种流体不直接混合，保持原状态；2、混合式：冷热两种流体直接混合；特点：传热速度快；适用于：废热回收；3、蓄热式4、中间载热体式换热

3、器：热管；第二节 传热基本方程一、典型间壁式换热器及其传热过程1、典型间壁式换热器 套管式、列管式等2、间壁式换热器传热过程简述（1）热流体 对流 间壁；（2）间壁一侧 传导 间壁另一侧；（3）间壁另一侧 对流 冷流体；二、传热基本方程1、传热速率（热流量）Q与热通量q 单位时间内通过传热面的热量，单位为：W。单位时间内通过单位面积所传递的热量，为热通量，单位是W/m2。2、传热基本方程Rt传热阻力(热阻)传热推动力(温度差)传热速率mtKSQ 传热问题：操作型和设计型；对于设计型问题：给定传热任务，确定换热器所需的换热面积。RtKSttKSQmmm11RtKtSQqmmmtKQS第三节 传热

4、速率与热负荷一、热负荷：生产要求换热器单位时间 传递的热量。二、热负荷与传热速率传热速率：换热器单位时间传递的热量，是换 热器的生产能力。热负荷：生产要求换热器单位时间传递的 热量，是生产任务。生产上，为保证完成任务，要求换热器的传热速率大于或等于热负荷。三、热量衡算与热负荷的确定1、热量衡算（1 1）焓差法）焓差法热流体：冷流体：（2 2）显热法）显热法热流体：冷流体：21HHWQh12hhWQc21TTcWQQphh热12ttcWQQpcc冷（3 3）潜热法）潜热法如热流体原色热的过程中既有温度的降低，也有相变化，则：hhrWQ)(2TTcWWQsphhhhh2、热负荷的确定 考虑热损失对

5、于间壁式换热器：如果热流体走管程：如果冷流体走壳 程：例：略LchQQQhQ热负荷cQ热负荷第四节 传热平均温度差流体的流动方向：并流 逆流错流 折流恒温传热：冷热流体在换热过程温度不变。变温传热：冷热流体只要有一种流体的温度发 生变化。1212221121、恒温传热2、变温传热：（1）一类：t1=T-t1 t2=T-t2（2）二类：考虑流动方向 并流：t1=T1-t1 t2=T2-t2tTtmTtTtTt1Tt22121lntttttmT1t1T2t2逆流 t1=T2-t1 t2=T1-t2 错流、折流：校正系数可根据R、P值查图：2121lntttttmT2t1T1t2逆mmtt冷流体的温

6、升热流体的温降1221ttTTR两流体的初始温差冷流体的温升1112tTttP思考题：对于同样的进出口温度，选择什么样的流型更好？结论：逆流好。原因：1、传质推动力大；2、所需传热介质少；生产上，常采用错流或折流，原因是这两种流型可有效的降低热阻。第五节 热传导一、傅立叶定律1、温度场与温度梯度温度场：物体或体系内部温度在空间和时间上 的分布。稳态导热：温度场内各点温度不随时间变化。非稳态导热：温度场内各点温度随时间变化。温度梯度：两相邻等温面的温度差与其垂直距离之比的极限。温度梯度是向量，方向垂直于等温面，温度增加的方向为下方向，与导热的方向相反。dndtgradt 2、傅立叶定律其中：称为

7、热导率，w/(m);二、热导率 w/(m);是表示物质导热能力大小的指标，是物质的物性。dndtSQdndtSQ（1）气体的热导率 液 气 T升高，气体的导热系数增加。（2）液体的热导率 固液 T升高，液体的导热系数略有减小；（3）固体的热导率 金属固体非金属固体 金属：T升高，导热系数下降；非金属：T升高，导热系数增加；三、平壁导热1、单层平壁 假设平壁的热导率为常数，其面积和厚度相比是很大的，从边缘处散失的热量可以忽略，壁内的温度只沿着垂直壁面的x方向发生变化，即等温面是垂直于x轴的平面，且壁面的温度不随时间变化。对此种平壁一维稳态导热，导热速率Q和导热面积S均为常数。据 当x=0时，t=

8、t1，x=b时，t=t2，且t1t2,积分上式得：其中：热阻（与导热系数成反比）热通量 W/m2 21ttSQq阻力传热推动力21RtttSQdxdtSQSR2、多层平壁(1)公式推导化简后:(2)温差与热阻成正比,热阻大,则温差也大。例题：P85页。AttAttAttQ334322321121总阻力总推动力3133221141iiiRtAAAttQ四、圆筒壁的定常热传导1、单层圆筒壁导热（1）特点：传热面积随半径而变化。（2）公式推导：分变量积分并整理：drdtrldrdtSQ21221ln2rrttlQ变形：其中：说明：Q不随半径而变，但热通量q随r的增大而 减小。mSttQ2112rr

9、lrSmm21212lnrrrrrm2、多层圆筒壁导热（以三层圆筒壁为例）同样的方法可推导出：同样，各层热阻越大，温差就越大。例题：P86页。33422311241333222111412ln2ln2lnlrrlrrlrrttSSSttQmmm第六节 对流传热一、对流传热分析1、在流动截面上 存在温度分布；2、温度差主要集中 在层流内层中。二、对流传热基本方程 牛顿冷却定律对热流体：对冷流体：其中：反映对流传热程度的大小。t：代表层流内层的厚度，mm；对流传热热阻对流传热的推动力SttSQ1WTTttttWt注：传热膜系数与温差、传热面积相对应；)(WiiTTSQ)(00tTSQW三、对流传热

10、膜系数1、影响对流传热膜系数的因素（1）流体的种类及相态变化；（2）流体的物性：如导热系数、密度、粘 度和比热容cp；（3）流动型态；（4）流体流动的原因：自然对流、强制对流；（5）传热面的形状特征与相对位置；2、对流传热膜系数总准数关联式（1）无相变化时，对流传热系数的特征关联式（2）通过量纲分析的无量纲数为：努塞尔准数 雷诺数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数tgclufp,hfpatglcluAl2233、流体无相变化时的对流传热系数关联式（1）圆形直管内强制对流其中：当流体被加热时，n=0.4;当流体被冷却时，n=0.3;注：经验公式在使用时注意应用范围、应用条 件等问题。npcdud8.0

11、023.0（2）管外强制对流五、流体有相变化时的对流传热系数 膜状冷凝1、蒸汽冷凝 滴状冷凝 自然沸腾2、液体沸腾 核状沸腾 膜状沸腾14.03155.0036.0wpeecudd第七节 传热系数其中：K：传热系数，w/(m2.)A：传热面积，m2；A=ndl 传热面积可以是Ai、Am、A0。传热总阻力传热总推动力KAttKAQmm1一、传热系数的计算1、基本公式（1）热流体的对流传热：（2）管壁的热传导：（3）冷流体的对流传热：00001ATTTTAQWWiiwwiiAttttAQ1mwWwWmAtTtTAQ化简后得：又因为：所以：其中：S可以取S0、Sm、Si。传热总阻力传热总推动力KSt

12、tKSQmm1传热总阻力传热总推动力iimSSStTQ1100iimSSSKS11100常取：基于外表面积下的传热系数K0。考虑污垢热阻：管外壁污垢热阻 管内壁污垢热阻iisimSiiSimSddRddRSSRSSRK000000000111iimiimddddSSSSK00000001112、几点说明（1）当传热面为平壁时：（2）当忽略管壁热阻和污垢热阻时：（3）提高K的方法：设法减小起决定性作用的热阻。（4）K值也可以选取经验数据或进行实验测定。imSSS0iSiSRRK11100iK1110二、污垢热阻的影响污垢热阻不可忽略，选用经验值。三、强化传热途径1、增大传热面积2、增大传热温度差

13、3、增大传热系数四、传热计算举例 （P98）1、设计型计算：根据已定的生产要求，确定所需换热面积。2、操作型计算：判断已有换热器的面积能否完成指定的生产任务。3、壁温的估算 壁温接近于热阻较小的一侧流体的温度。siisiwwRRtttt11000五、工业热源与冷源1、热源：电热、饱和水蒸汽、热水、烟道气等。2、冷源：冷水、空气、冷却剂（低温盐水、液氨、液氮）附加内容 热辐射一、热辐射的基本概念1、热辐射:以电磁场波的形式传递能量的方式。波长范围：0.7620m。2、辐射能：Q；吸收能：QA；吸收率：反射能：QR；反射率：透过能：QD；透过率：QQAAQQRRQQDD A+R+D=1 注：不同的

14、物体A、R、D的值不同。固体和液体：D0；单原子和由双原子气体：D 1；3、黑体的辐射能力斯蒂芬-波尔兹曼定律(1)黑体：A=1；(2)黑体的辐射能力：E0；W/m2;0-辐射常数，0=5.6710-8 W/(m2.K4)。400TE也可写成：C0：黑体辐射系数，为5.67 W/(m2.K4)。3、实际物体的辐射能力(1)黑度：(2)实际物体的辐射能力：常用工业材料的黑度值见P164。0EE400100TCE400100TCEE4、灰体的辐射能力和吸收能力-克希荷夫定律(1)灰体：对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。A=(2)辐射能：二、两固体间的热辐射总辐射系数，W/(m2.K4)角系数（

15、见P165表4-11）0EAE42412121100100TTACQ三、辐射对流联合传热1、对流传热：辐射传热：统一形式：壁面散失的总热量为：TTAaQWWCC4421100100TTACQWRTTAaQWWRRTTAaTTaaQQQWWTWRCRC2、辐射对流联合传热系数（1）空气自然对流，TW 5m/s时：TTaWT07.08.9TTaWT052.04.9uaT2.42.678.08.7 uaT第八节 换热器一、换热器的分类 直接接触式1、换热器 间壁式 蓄热式按用途分：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器；按传热面形状和结构分：1、管式：列管式、套管式、蛇管式、翅片管式

16、；2、板式：平板式、螺旋板式、板翅式；3、特殊形式：回转式、热管等二、间壁式换热器1、管式（1）列管式：固定管板式结构：壳体、列管、管板、封头；优点：结构简单、设备紧凑、管内易清洗；缺点：壳程不易清洗，不能承受温差应力；优点：管板一侧不与壳体相联，可自由伸缩，即有浮头，不会产生温差应力，便于清洗。缺点：结构复杂，造价高。U型管式浮头式优点：管板一侧不与壳体相联，可自由伸缩，即有浮头，不会产生温差应力，便于清洗。缺点：结构复杂，造价高。U型管式优点：结构简单，密封面少，造价低。缺点：管内清洗困难，可排管子少。填料函式釜式（2）套管式换热器优点：结构简单，耐高压传热面积可随时增减。缺点：占地面积、

17、金属耗量大，清洗不方便。（3）蛇管式换热器种类：沉浸式、喷淋式。沉浸式：金属弯管优点：结构简单、价格低廉，便于防腐，耐 高压。缺点：管外传热系数小，需加搅拌装置。喷淋式：主要用于冷却管内液体。优点：清洗方便，传热效果较好。缺点：体积庞大，冷水耗量大，喷淋不均匀。（4）翅片管式换热器（管翅式）特点：传热管的内外表面装有翅片，加大传热面 积和流体的湍动程度。2、板式换热器（1）夹套式优点：结构简单，容易制造；缺点：传热面积小，传热效率低（2）平板式优点：结构简单，单位体积提供的传热面积大，流体湍动程度大，传热效率高。缺点：处理量小，操作压力、温度不宜过高。（3）螺旋板式优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，流体逆流接触，温差大，流体湍动程度大，传热效率高。不易结垢。缺点：制造和检修困难，流动阻力大，操作温度 和压力不高。（4）板翅式优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，传热系数高；缺点：容易堵塞，流动阻力大，检修困难。（5）热板式3、热管换热器