第四章傳熱過程及換熱器(共20頁)

1、第四章傳熱(chun r)過程及換熱器4.1化工生產(chǎn)中的傳熱(chun r)過程及常見換熱器工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過程，通常要求在一定的溫度下進行，為此，必須實時地輸入或輸出熱量。此外，在蒸發(fā)、蒸餾(zhngli)、干燥等單元操作中，也都需要按一定的速率輸入或輸出熱量。1、化工生產(chǎn)中的傳熱過程1）系統(tǒng)內(nèi)溫度的差異使熱量高溫想低溫轉(zhuǎn)移的過程稱之為熱量傳遞過程，簡稱傳熱過程。2）化工生產(chǎn)中傳熱過程的應(yīng)用生產(chǎn)中原料的加熱，成品的冷卻或冷凝。控制化學(xué)反應(yīng)所需要的一定溫度范圍二采取的加熱、冷卻或保溫。某些稀溶液的加熱蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥和蒸餾等操作或某些濃溶液稀釋而放熱冷卻生產(chǎn)中熱量的合理利用和廢熱的回

2、收，以節(jié)省熱能。3）工業(yè)上的傳熱過程中，冷、熱流體的接觸有三種方式：直接換熱：冷、熱兩流體在傳熱器中以直接混合的方式進行熱量交換也成混合式換熱。要求兩種流體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或其他不良影響。如H2SO4生產(chǎn)中，將冷水噴入喉管與高溫SO2爐氣直接混合，可以達到降溫除塵的目的，是爐氣溫度由400以上降至70以下。間壁換熱：冷、熱統(tǒng)體被一固體隔開，分別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞。傳熱過程分為三步：A、熱流體將熱量傳給固體壁間。B、熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)。C、熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體。蓄熱式換熱：蓄熱式換熱器是由熱容量圈套的蓄熱至構(gòu)成，室內(nèi)填充耐火磚作為填料，用蓄熱式換熱器換熱是一

3、種間歇的換熱成片，行讓熱流體通過換熱器，將熱量傳給蓄熱室的填料，然后停止通往熱流體，而改通冷流體，再由蓄熱室的填料把所吸收的熱量仁慈給冷流體，使冷流體的溫度升高，從而達到換熱之目的。2、傳熱(chun r)基本方式熱量傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)傳熱、對流傳(lichun)熱和輻射傳熱1）傳導(dǎo)傳熱：熱量從物體內(nèi)部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程(guchng)，簡稱導(dǎo)熱。特點：物體間沒有宏觀位移，只發(fā)生在靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。從微觀來看：傳導(dǎo)傳熱是依靠物體的分子熱振動和自由電子的運動而進行的，高溫部分的分子熱運動，碰撞相鄰的溫度較低的分子從而將熱量由

4、高溫部分傳向低溫部分。2）對流傳熱：流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移將熱量由統(tǒng)體的某一處傳遞至另一處的傳熱過程，稱為對流傳熱過程。對流只能發(fā)生在流體中，流體的對流由于產(chǎn)生原因不同，可以分為自然對流和強制對流兩種。自然對流：由于流體內(nèi)部各點溫度不同，引起受熱部分流體密度變小而浮起，與較冷而密度大的部分流體對換位置稱為自然對流。強制對流：用機械能（泵、風(fēng)機、攪拌等）或者流體相對位差使流體發(fā)生對流而傳熱。3）輻射傳熱：是一種通過電磁波傳遞能量的過程，物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。高溫傳熱主要以熱輻射方式進行，物體的溫度只有大于400時，才能有明顯的熱輻射。輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨能

5、量開工的轉(zhuǎn)化。輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播?；どa(chǎn)中的傳熱過程很少以一種方式進行，二往往是兩種或三種基本方式的聯(lián)合。3、間壁式換熱器間壁式換熱器中；熱量至熱流體傳給冷流體的過程包括三個步驟：熱流體將熱量傳導(dǎo)壁面一側(cè)熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)；壁面的另一側(cè)將熱量傳給冷流體，即整個(zhngg)熱交換為給熱導(dǎo)熱的串聯(lián)(chunlin)過程。分類(fn li)：根據(jù)傳熱面得結(jié)構(gòu)可分為管式換熱器和板式換熱器，管式換熱器：其傳熱面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、螺旋式和翅片式等，板式換熱器：其傳熱面是由板材做成的，包括夾套式、螺紋板式、螺旋板式等。單程列管式換熱器，雙程列管

6、式換熱器。熱流量：單位時間通過傳熱面的熱量，其單位為W或KW；換熱器傳熱性能的優(yōu)劣一般用面積熱流量q來評價，面積熱流量亦稱熱流密度，是指單位傳熱面積的熱流量，其單位為Wm-2。 4.2 傳 導(dǎo) 傳 熱熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子微觀運動的一種傳熱方式。但熱傳導(dǎo)的機理很復(fù)雜，難以弄清，不過這一基本傳熱方式的宏觀規(guī)律可以用傅立葉定律加以描述。1、熱傳導(dǎo)基本方程傅里葉定律 基本概念1）溫度場：物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點溫度分布的總和穩(wěn)定溫度場：溫度場中各點的溫度不隨時間而改變不穩(wěn)定溫度場：溫度場中各點的溫度隨時間而改變2）等溫面：溫度場中溫度相同的點組成的面3）溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率或沿?zé)崃鞣较驕?/p>

7、度變化的強度，用（一維穩(wěn)定的溫度場）溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向如圖21所示，均質(zhì)的固體壁面厚度為，面積為A壁面兩側(cè)的溫度分別為t1和t2，且t1t2。熱量由高溫向低溫傳遞。實驗證明，通過固體壁面的傳熱量Q與溫度降（沿固體壁厚度變化）溫度梯度、固體壁傳熱面積A和時間成正比，而與傳熱壁厚度與成反比，其關(guān)系為： -A 將其寫成等式： =-A (4-1) (傅里葉定律(dngl)式中：表示(biosh)單位時間傳遞的熱量，稱傳熱速率（q）表示溫度覆蓋率，其越大，沿?zé)崃鞣较?fngxing)單位長度上的溫度降越大?！啊北硎緹崃垦販囟冉档头较騻鬟f。與溫度梯度方向相反，故在式中加負號 導(dǎo)熱系數(shù)

8、（ 1）、定義：當(dāng)物體傳熱面積為1m2，傳熱的兩側(cè)面（等溫面）間的溫度差為1k，傳熱壁厚為1m時，單位時間內(nèi)所傳遞的熱量（單位為J），是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。2）不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不同，可以通過實驗測定物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，一般，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，流體的較小，氣體的最小。3）同一種物質(zhì)當(dāng)其所含雜質(zhì)的量，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、濕度、溫度不同時，其導(dǎo)熱系數(shù)值也有差別。書后附錄中給出了一些常見的的導(dǎo)熱系數(shù)值。2、間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo)1）平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo) 平面壁指間壁幾何結(jié)構(gòu)為平面的傳熱面，有時亦將直徑很到的圓通壁面近似地當(dāng)平面壁處理，平面壁熱傳導(dǎo)的特點是沿傳熱方向?qū)崦娣eA不發(fā)生變化。如

9、圖所示的同一材料的單層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其導(dǎo)熱率不隨時間發(fā)生變化，即：傳熱面的溫度僅沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化，但不隨時間變化。按傅里葉定律可得 單層平面(pngmin)壁如圖所示，邊界條件為：時，t=t1; 時，t=t2,由分離(fnl)變量積分：=- =-A（t1- t2）A（t1- t2） （4-3）若將式（4-3）改寫(gixi)為： 過程速率=推動力/阻力 稱為熱阻，傳導(dǎo)距離越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳導(dǎo)熱阻越大。 2、多層平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)。在化工生產(chǎn)中，為了對生產(chǎn)設(shè)備保溫，常用多層保溫材料。圖三層不同材料組成的多層平面壁。若三層磚間接觸完好，各層傳熱面積均相等，對

10、于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各層的傳熱速率也相等，但是各層的厚度，導(dǎo)熱系數(shù)和溫度不相等。由式（23）可以得到各層由高溫側(cè)到低溫側(cè)的溫度差分別為：第一層： 第二層：第三層：因為各層面積相等，A1=A2=A3；穩(wěn)態(tài)傳熱過程傳熱速率相等，即q1= q2= q3，那么上述三個式子相加可得： 推廣到幾層平壁有： 多層平壁導(dǎo)熱是一種(y zhn)串聯(lián)的導(dǎo)熱過程，串聯(lián)導(dǎo)熱過程的推動力為各分子過程，溫度差之和，即總溫度差，總熱溫度差，總熱阻為各分過程熱阻之和，也就是串聯(lián)電阻疊加原則。由過程分析(fnx)還可得到： t1: t2: t3=可以通過上面(shng min)例子的溫度差來比較比那種熱阻較大。熱阻愈大，分配在該層

11、上的溫度降也愈大。3、圓筒壁通過圓管壁的熱傳導(dǎo)與通過平面壁的熱傳導(dǎo)所不同之處，就在于圓筒壁的內(nèi)表面積與外表面積不相等，傳熱面積和溫度方向隨半徑而變化的。如有一單層圓筒壁軸向長度為L1，內(nèi)半徑為r1，溫度為t1，外半徑為r2，外表面溫度為t2,取圓筒壁某一局部，如圖所示。（圓筒壁與平面壁的差別在面積的計算上。圓筒的傳熱面積） 分離變量積分 整理得： （4-5）改寫為： （4-6）式中=r2-r1為圓筒壁厚, rm = （r2-r1）/ln(r2/r1)為半徑(bnjng)的對數(shù)平均值，Am = （A2-A1）/ln(A2/A1)為面積的對數(shù)(du sh)平均值，當(dāng)圓筒壁面的半徑較大且厚度較薄時，

12、即r2/r12的情況下，可以用算術(shù)平均值取代(qdi)對數(shù)平均值圓筒壁的rm和Am,其計算誤差104,0.6Pr50,適用(shyng)于低粘度流體（大多數(shù)氣體和粘度的液體），且過程中無相變化。流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)液體的沸騰沸騰傳熱時，因傳熱面與流體間的溫差不同而有以下幾種情況：當(dāng)傳熱溫差小時，傳熱面上的液體僅在少數(shù)點上形成氣泡核心，液體沸騰并不劇烈；隨著傳熱溫差的增大，氣泡在傳熱面上迅速地連續(xù)形成并脫開，液體受到強烈攪拌，新傳熱面也不斷暴露，傳熱膜系數(shù)隨之不斷增大并達到一最大值，這范圍稱為泡狀沸騰區(qū)；繼續(xù)增大傳熱溫差，蒸汽在傳熱面上大量形成，以致傳熱面與液體間形成蒸汽膜層，這樣的沸騰

13、稱為膜狀沸騰。因為蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)比液體小，所以膜狀沸騰的傳熱膜系數(shù)反而比泡核沸騰有所降低。水蒸氣冷凝飽和水蒸氣冷凝時釋出氣化潛熱而凝結(jié)成為液體，冷凝液的溫度與蒸汽溫度相同。蒸氣冷凝時也有兩種情況，冷凝液不能潤濕壁面，形成液體下流，這種冷凝稱為滴狀冷凝；壁面潔凈時，冷凝液濕潤壁面二形成液膜，液膜聚厚后液體下流，這種冷凝稱為膜狀冷凝。膜狀冷凝時化工生產(chǎn)中遇到較多的情況，膜狀冷凝時，熱量要通過液膜才能進一步傳熱，增加了傳熱的熱阻，使膜狀冷凝時的傳熱系數(shù)值比滴狀冷凝時為小。無論沸騰或冷凝，傳熱是發(fā)生相變這一側(cè)的傳熱膜系數(shù)都有較高的值，有它們組成的傳熱阻力在很多對流傳熱總過程中往往是很小的。4.4間壁式

14、熱交換的計算 間壁式換熱器是化工生產(chǎn)中的常見換熱器，間壁式傳熱過程的計算式工程設(shè)計和計算的主要內(nèi)容。傳熱總方程如圖，間壁式 換熱器中，傳熱(chun r)過曾是熱流體給熱間壁(jinb)導(dǎo)熱冷流體給熱的串聯(lián)過程。在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器內(nèi)進行(jnxng)的大都是定態(tài)傳熱過程，這時1=2=2=，則有： 或該式為間壁式換熱器的傳熱總方程，亦稱傳熱的基本方程，適用于傳熱面位等溫面的間壁式熱交換過程。令1/KA，則傳熱總方程為：=KAt式中K傳熱系數(shù)稱總傳熱系數(shù)，wm-2K2、傳熱系數(shù)K是衡量換熱器性能的重要指標之一。七大小主要取決與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等?？倐鳠嵯禂?shù)值可

15、以通過三個途徑獲得：1）選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)化工中常見的換熱過程的K至范圍如表4-3所示。各種流體傳熱系數(shù)大小為：冷凝蒸汽水油氣體。這從該表的數(shù)值上可以得到印證。2）根據(jù)公式計算總傳熱系數(shù)。當(dāng)換熱器的間壁(jinb)為單層平面壁（或近似(jn s)委平面壁的薄圓筒壁）時，因A1=A2=A，則傳熱系數(shù)為： 若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時，因面積不相等，則總傳熱方程中須分別(fnbi)代入各分過程的傳熱面積A1=2lr1，A2=2lr2，Am=2lrm,即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時： 通常換熱器的規(guī)格用外表面作為計算的基準，各種手冊中的K值若無特殊說明，均為基于管外表面積的K2，其計算式為：若間壁為多層平

16、面壁以及間壁兩側(cè)有污垢積存時，傳熱系數(shù)為： 式中Rh2、Rh1分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2Kw-1。換熱器在運轉(zhuǎn)一段時間后，在傳熱管的內(nèi)、外兩側(cè)都會有不同程度的污垢沉積，使傳熱速率減小。實踐證明，表面污垢會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱阻，在傳熱計算中，污垢熱阻常常不能忽略。由于污垢熱阻的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)難以測量，工程計算時，通常是根據(jù)經(jīng)驗選用污垢熱阻值。對于易結(jié)垢的流體，換熱器使用過久，污垢熱阻會增加到使傳熱速率嚴重下降的程度，所以換熱器要根據(jù)工作條件，定期清洗。對已有換熱器，還可通過(tnggu)實驗測定。根據(jù)總傳熱(chun r)方程，其中現(xiàn)在換熱器或?qū)嶒炑b置(zhungzh)的傳熱面積A是已知的；

17、熱流體和冷流體進出換熱器的溫度分別為及質(zhì)量流量均可以實際測定；查出流體在測定范圍內(nèi)的定壓比熱容時可以從有關(guān)手冊中查到；可以計算得到，熱負荷可通過熱量衡算求得。從而根據(jù)總傳熱方程，由測定所得的數(shù)據(jù)，計算出傳熱系數(shù)值，即：傳熱過程的平均溫度差在傳熱過程中，冷熱流體溫度差沿換熱器壁面的分布情況，決定了整個換熱過程的溫度差。在由傳熱基本方程qkAtm計算傳熱量時，要求取兩個參數(shù)k和t(對于某個換熱裝置A一定)。K的求取前面已作了介紹，下面介紹t的求取。連續(xù)穩(wěn)態(tài)傳熱可以包括恒溫傳熱和變溫傳熱兩種情況。定態(tài)恒溫傳熱定態(tài)的恒溫傳熱：指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩種流體進行熱交換時，沿換熱壁的不同位置，任何時間兩種

18、流體的溫度都不發(fā)生變化，即兩流體的溫度差沿換熱面處處相等，恒定不變。 (不變)常見為一側(cè)為液體恒溫沸騰，另一側(cè)為飽和蒸氣冷凝。定態(tài)變溫傳熱 定態(tài)變溫傳熱時，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫度(wnd)沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體將的溫度差沿換熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對流向有關(guān)。 換熱器中兩種流體的流向(li xin)可分為并流、逆流兩種，其壁面兩側(cè)流體的溫度均沿傳熱(chun r)面而變化，過程推動力相應(yīng)地發(fā)生變化，因此，平均溫度差是換熱器進、出口處兩種流體溫度差的對數(shù)平均值，故稱為對數(shù)平均溫度差。 在以上各式推導(dǎo)過程中，并未對流向是并流或逆流作出規(guī)定，故這個結(jié)果對并流和逆流都適

19、用，只要用換熱器兩端熱、冷流體的實際溫度差代入t1和t2就可計算出tm。通常，將兩端溫度差較大的一個作為t1，較小的一個作為t2，計算時比較方便。逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差，這意味著滿足相同工藝換熱能力的要求，才用逆流傳熱要比并流傳熱相應(yīng)減少傳熱面積或載熱體使用量，故該題選擇題逆流傳熱。 并流傳熱時，冷流體的出口溫度t2的極限溫度是熱流體的出口溫度T2，而逆流傳熱時，冷流體的出口溫度t2的極限溫度是熱流體的進口溫度T1，說明并流傳熱時被加熱或冷卻流體的出口溫度易控制，這對于一些熱敏物料的加熱或冷卻具有實用意義。熱負荷及熱量衡算熱負荷熱負荷：生產(chǎn)工藝上完成某一加熱或冷卻任務(wù)需要

20、(xyo)在單位時間內(nèi)供給或取走的熱量，用L，對于一個能滿足工藝要求的換熱器而言，其傳熱速率(sl)應(yīng)等于或大于工藝熱負荷，及L。在實際計算(j sun)中往往二者看做相等，但意義不同。通過熱負荷的計算，可以確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率，在依據(jù)此傳熱速率可計算換熱器所虛的傳熱面積等。熱負荷的計算根據(jù)工藝特點有兩種情況：流體在傳熱中只有相變的場合L=qmL式中qm流體的質(zhì)量流量L流體的相變熱流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變的場合 L=qmcp(t2-t1)2)熱量衡算 換熱器冷、熱兩種流體進行熱交換，若忽略熱損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，及熱=冷，稱之為熱量衡算式。熱量衡算式與傳

21、熱總方程是換熱器計算的兩個基本公式。 若換熱器的兩種流體無相變化，且流體的比定壓熱容不隨溫度變化或可取平均溫度下的比定壓熱容時：L=qm，hcp,h(T1-T2) =qm，ccp,c(t2-t1)若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣冷凝時：L= qmL=qm，ccp,c(t2-t1)4.5換熱器的選擇及傳熱過程的強化1、換熱器的選擇(xunz) 換熱器的選擇首先要考慮以下(yxi)事項:了解換熱任務(wù)，掌握基本(jbn)數(shù)據(jù)及特點。冷、熱流體的流量、進出口溫度、操作壓力等。冷熱流體的物性參數(shù)冷熱流體的工藝特點、腐蝕性、懸浮物的含量等如選定列管換熱器，對換熱流體流動空間課按下列原則確定。2）確定

22、選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。不清潔的流體或以結(jié)垢、沉淀、結(jié)晶的流體走管程，因管程易清洗。需要提高流速以增大對流傳熱系數(shù)的流體走管程，管程u一般較高；腐蝕性流體走管程，以免對殼體和管束的同時腐蝕。壓力高的流體走管程，管子耐壓性好；飽和蒸氣宜走管程，便于排出冷凝液；粘度大或流量較小的流體宜走殼程，課在低Re達到湍流；需冷卻的流體一般選殼程，便于散熱。在換熱器型式和規(guī)各確定中，選型計算貫穿于以上二步驟之中，通常需要反復(fù)試算，計算的主要內(nèi)容有：流體定性溫度，查取或計算定性溫度下油管物性數(shù)據(jù)：有傳熱任務(wù)計算熱負荷作出適當(dāng)選擇，并計算對數(shù)平均溫度差選取宗傳熱系數(shù)、估計換熱面積，由此可試選適當(dāng)型號的換熱器核算總傳熱系數(shù)：分別計算管程、殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，求出K值并與估算的K值比較(bjio)，若果相差太大，則需要重新估算再核算，直到相差不大則可：估算傳熱面積：根據(jù)核算(h sun)的K值，有總傳熱方程求出A，并考慮10%-25%的富裕量。2、傳熱(chun r)過程的強化強化傳熱過程在于提高換熱器的傳熱速率。由總傳熱方程式可以看出，提高等式右邊三項中任何一項，都可以增大傳熱速率q值，強化傳熱。增大傳熱面積1、對于可以有接觸的換熱流體，可使換熱體成小氣泡，或使流體分散成小液滴，以增大傳熱面積