化工原理章傳熱總結(jié)

1、化工(hugng)原理principles of chemical engineering第六章 傳熱(chun r)總結(jié)延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院共五十七頁第六章 傳熱(chun r)第一節(jié) 概述第二節(jié) 熱傳導(dǎo)第三節(jié) 對流給熱第四節(jié) 沸騰給熱與冷凝(lngnng)給熱第五節(jié) 熱輻射第六節(jié) 傳熱過程的計(jì)算第七節(jié) 換熱器共五十七頁6.1.1 傳熱過程在化工(hugng)生產(chǎn)中的應(yīng)用 第一節(jié) 概述(i sh)1、原料、產(chǎn)品的加熱和冷卻一、傳熱的目的2、設(shè)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

2、熱 冷流體熱流體熱流體冷流體 蓄熱式換熱器示意圖 共五十七頁三、載熱體及其選擇(xunz)載熱體：為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種(y zhn)流體 供給或取走熱量的流體對載熱體要求：1.載熱體的溫度應(yīng)易于調(diào)節(jié)2.載熱體的飽和蒸汽壓宜低，加熱時(shí)不會(huì)分解3.載熱體毒性要小，使用安全，對設(shè)備應(yīng)基本沒有腐蝕4.載熱體應(yīng)價(jià)格低廉而且容易得到共五十七頁6.1.2 傳熱(chun r)過程一、傳熱(chun r)速率1.熱流量Q 表示換熱器傳熱的快慢 單位時(shí)間內(nèi)熱流體通過整個(gè)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(shí)間、通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。單位：w/m2共五十七頁 三

3、、穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r)與非穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r) 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(shí)間(shjin)而變，稱此過程為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。此時(shí)，熱 流量Q為常數(shù)。 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(guān)物理 量（如Q、q等）隨時(shí)間而變，稱此過程為非穩(wěn)態(tài)傳 熱過程。共五十七頁物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生(fshng)宏觀位移。1、熱傳導(dǎo)二、傳熱(chun r)的基本方式流體中質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)：流體中質(zhì)點(diǎn)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

4、收而變?yōu)闊崮堋９参迨唔撘?、溫度?穩(wěn)態(tài)溫度場： 非穩(wěn)態(tài)溫度場：6.2.1 傅里葉(Fourier)定律(dngl)和熱導(dǎo)率 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 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共五十七頁 四、傅里葉(Fourier)定律(dngl) 熱傳導(dǎo)的基本定律式（6-5）注：熱流方向(fngxing)與溫度梯度方向(fngxing)相反五、熱導(dǎo)率單位， W/(mK)或 W/(m0C) 表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)； = f（物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、密度、溫度、壓強(qiáng)、濕度等）共五十七頁 6.2.2 通過(tnggu)平壁的定態(tài)導(dǎo)熱過程 t1txdxAt2t1 t2導(dǎo)體(d

5、ot)的熱阻K/W式（6-10）式（6-9）平壁內(nèi)溫度沿壁厚呈直線關(guān)系（為常數(shù)）Q一、單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)共五十七頁二、多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)t1t21t23t2t4t3穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r)式（6-19）共五十七頁4.2.3 通過圓筒壁的定態(tài)導(dǎo)熱(dor)過程 一、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)式（6-15）式（6-16）d2/d12時(shí)，dm取對數(shù)(du sh)平均值單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻d2/d1104, b. 0.7Pr30-40（進(jìn)口段只占總長的一小部分）或式（6-41）1.低粘度流體共五十七頁2.高粘度液體(yt)適用范圍：a. Re104, 0.5Pr100, l/d內(nèi)60 b.定性溫度：除黏度

6、(nind)w取壁溫外，其余均取流體 進(jìn)、出口溫度的平均值當(dāng)液體被加熱時(shí)：當(dāng)液體被冷卻時(shí)：式（6-42）w液體在壁溫下的黏度共五十七頁 3. 短管 l/d30-40的管子(gun zi)，管入口處擾動(dòng)大，較大，需給式(6-41)乘以校正系數(shù)i對校正4. Re=2000-10000的過渡流 熱阻大，需給式(6-41)乘以小于1的校正(jiozhng)系數(shù)f式（6-43）共五十七頁 5. 彎管(wn un) 由于離心力的作用，擾動(dòng)加劇，給熱系數(shù)增加 直管的給熱系數(shù)，W/(m2oC) d 管內(nèi)徑，m R 彎管的曲率(ql)半徑，m式（6-44）共五十七頁6. 非圓管強(qiáng)制(qingzh)湍流給熱系數(shù)

7、de 直管的給熱系數(shù)，W/(m2oC) d 2外管內(nèi)徑(ni jn)，m d 1內(nèi)管外徑，m式（6-45）（1） 定性尺寸按當(dāng)量直徑de（2） 試驗(yàn)方法，例如套管d1d2共五十七頁二、流體在管外強(qiáng)制(qingzh)對流 流體在圓管外垂直流過時(shí)，在管子(gun zi)圓周各點(diǎn)流動(dòng)情況不同，則各點(diǎn)的熱阻和對流給熱系數(shù)也不同。故需要整個(gè)圓周的平均給熱系數(shù)。共五十七頁流體在管束外橫向流過的對流給熱系數(shù)(xsh)可按下式計(jì)算：其中(qzhng)c、n為常數(shù)，見下表式（6-48）共五十七頁依據(jù)：熱量衡算方程(fngchng) + 總傳熱速率方程第六節(jié) 傳熱過程的計(jì)算(j sun) 設(shè)計(jì)型，操作型 6.6.

8、1 傳熱過程的數(shù)學(xué)描述一、熱量衡算方程：對熱流體：Q = qm1cP1(T1 - T2)對冷流體：Q = qm2 cP2 (t2 - t1)共五十七頁二、傳熱(chun r)速率方程twTw對流對流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ（6-115）（6-114）K總傳熱系數(shù)，W/(m2K)各環(huán)節(jié)(hunji)熱阻，W/(m2K)-1熱阻較大的一側(cè)稱為：控制側(cè)（控制步驟）共五十七頁（6-117）d1d22內(nèi)表面(biomin)外表面(biomin)dmd1和d2的對數(shù)平均值共五十七頁三、污垢(wgu)熱阻 污垢熱阻一般不可忽略(hl)。一般，污垢熱阻只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定之。 如換熱器管壁兩側(cè)的污垢熱阻分別用R

9、1 和 R2表示, 則傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：（6-118）共五十七頁以內(nèi)表面(biomin)為基準(zhǔn)以外(ywi)表面為基準(zhǔn)共五十七頁四、壁溫估算( sun)此式表明：傳熱面兩側(cè)溫差(wnch)之比等于兩側(cè)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(cè)的流體溫度。（6-119）共五十七頁（6-132）（6-131）其中(qzhng)對數(shù)(du sh)平均溫差或者對數(shù)平均推動(dòng)力， 單位：或者K。傳熱基本方程式6.6.2 傳熱過程基本方程共五十七頁共五十七頁整個(gè)(zhngg)換熱器的熱量衡算為：（6-129）共五十七頁6.6.3 換熱器的設(shè)計(jì)(shj)型計(jì)算一、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題方式設(shè)計(jì)任

10、務(wù)(rn wu)：將一定流量qm1 的熱流體自給定溫度 T1 冷卻至指定溫度T2。設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)溫度, 即冷流體 的進(jìn)口溫度t1。計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器 其它有關(guān)尺寸。共五十七頁二、設(shè)計(jì)型問題的計(jì)算方法 設(shè)計(jì)計(jì)算的大致步驟如下：1. 首先由傳熱任務(wù)計(jì)算換熱器的熱流量(通常稱之為熱負(fù)荷) Q=qm1cP1 (T1T2) =qm2cP2 (t2t1)2. 作出適當(dāng)?shù)倪x擇(xunz)并計(jì)算平均推動(dòng)力tm。3. 計(jì)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=KAtm 計(jì)算傳熱面積。共五十七頁三、設(shè)計(jì)型計(jì)算中參數(shù)的選擇 為確定所需的傳熱面積,

11、 必須求tm 和K。 為計(jì)算tm, 設(shè)計(jì)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(fù)雜(fz)流動(dòng)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(jì)算兩側(cè)的給熱系數(shù), 故設(shè)計(jì)者必須決定：1. 冷、熱流體各走管內(nèi)還是管外；2. 選擇適當(dāng)?shù)牧魉?。同時(shí), 還必須選定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙?。共五十七頁四、選擇的依據(jù) 選擇的依據(jù)不外經(jīng)濟(jì)、技術(shù)兩個(gè)方面。1. 流向的選擇 逆流操作的平均(pngjn)推動(dòng)力大于并流, 在一般情況下, 逆流操作總是優(yōu)于并流, 應(yīng)盡量采用。 但是, 對于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?fù)Q熱器中,

12、逆流操作的最高溫度t2 和T1 集中在一端, 會(huì)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。共五十七頁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(jià)值也越高, 同時(shí), 輸送流體(lit)的動(dòng)力消耗即操作費(fèi)用也減小。但是, t2 越高, 傳熱過程的平均推動(dòng)力tm 越小, 所需的加熱面積A 也越大, 設(shè)備投資費(fèi)用增加。共五十七頁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, 另一方面又與流體通過換熱面的阻力(zl)損失有關(guān)。 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

13、種選擇因素, 設(shè)計(jì)換熱器需要全面而周全的考慮。共五十七頁換熱器的分類(fn li)：一、按用途 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(chun r)面的形狀和結(jié)構(gòu)分類1、管式換熱器2、板式換熱器 2、直接接觸式共五十七頁6.7.1 間壁式換熱器 1、套管(to un)換熱器一、管式換熱器2、蛇管換熱器 沉浸(chnjn)式蛇管換熱器 噴淋式換熱器3、列管換熱器化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛共五十七頁.固定管板式加熱補(bǔ)償圈/膨脹節(jié) 浮頭(f tu)式換熱器 U型管式換熱器共五十七頁1、夾套式換熱器二、板式(bnsh)換熱器2、平板

14、式換熱器3、螺旋(luxun)板式換熱器4、板翅式換熱器共五十七頁6.7.2 列管式換熱器的設(shè)計(jì)(shj)與選用 1流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xunz)原則2流體流速的選擇 3流體進(jìn)、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(shè)計(jì)或選用時(shí)應(yīng)考慮的問題共五十七頁（1）不清潔或易結(jié)垢的流體，宜走容易清洗的一側(cè)。對于直管 管束易走管程；對于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(shí)被腐蝕。 （3）壓力高的流體宜走管程，以避免制造(zhzo)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

15、流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。（6）有毒流體宜走管程，使向環(huán)境泄漏機(jī)會(huì)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(dá)到 湍流。一、流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xunz)原則共五十七頁 流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流體阻力及換熱器結(jié)構(gòu)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)(zzh)沉淀或結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增大。故應(yīng)選擇適宜的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。選擇流速時(shí)，應(yīng)盡量避免在層流下流動(dòng)。 列管換熱器中不同(b tn)黏度液體的常用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

16、、流體流速的選擇共五十七頁 換熱器內(nèi)兩股流體進(jìn)、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(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，冷卻水進(jìn)口(jn ku)溫度往往由水源及當(dāng)?shù)貧鉁貤l件所決定的，但冷卻水出口溫度則需要在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)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)一般的經(jīng)驗(yàn)，冷卻水的溫度差可取510。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(lit)進(jìn)、出口溫度的確定共五十七頁 當(dāng)流體流量較小而所需傳熱面積較

17、大，即管數(shù)多，管內(nèi)流速較低時(shí)，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。但程數(shù)多時(shí)，隔板占去了布管面積，使管板上能利用的面積少，導(dǎo)致管程流體阻力增加，平均溫度差下降。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些(zhxi)問題。列管換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4、6四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。 四、提高管內(nèi)(un ni)傳熱系數(shù)的方法多程共五十七頁 安裝擋板的目的是為了加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，提高殼程流體的對流(duli)給熱系數(shù)。五、提高管外膜系數(shù)的方法裝置(zhungzh)擋板共五十七頁六、管子的規(guī)格(gug)和排列方式（1）管子(gun zi)規(guī)格

18、（2）排列方式192mm和 252.5mm管長：1.5、2.0、3.0、6.0mL/D46共五十七頁6.7.3 強(qiáng)化傳熱(chun r)的途徑 強(qiáng)化(qinghu)傳熱，可tm 、A 、K 1、增加傳熱面積 改善傳熱表面，增加單位體積設(shè)備的傳熱面積。 不同異形管 ；開槽及加翅片 ；折流形式；多孔、高效傳熱面。波紋管式傳熱管如采用：共五十七頁縱向(zn xin)翅片管橫向(hn xin)翅片管螺旋槽紋管 縮放管 共五十七頁翅片管截面共五十七頁傳熱(chun r)溫度差是傳熱(chun r)過程的推動(dòng)力。 a.兩側(cè)變溫，盡量采用逆流方法： 2增大(zn d)平均溫度差tm b.加熱劑th,1或冷卻劑tc,1但是利用tm來強(qiáng)化傳熱是有限的c.用水作冷卻劑時(shí)，要求溫差大于10OC d.溫度低于180OC時(shí)，用飽和水蒸汽作加熱介質(zhì)共五十七頁提高(t go)傳熱系數(shù)是提高(t go)傳熱效率的最有效途徑。a. 提高(t go)較小一側(cè)的值。b. 減小污垢熱阻。方法：3增大傳熱系數(shù) 增大流速； 管內(nèi)加擾流元件； 改變傳熱面形狀和增加粗糙度 保持一定的流速以沖刷管壁，采用化學(xué)或機(jī)械的方法抑制污垢的生長，到一定運(yùn)轉(zhuǎn)周期及時(shí)清洗。共五十七頁c. 盡可能利用(lyng)有相變的熱載體（大）。d. 用導(dǎo)熱系數(shù)(xsh)大的熱載體（如液態(tài)