化工基礎(chǔ)之傳熱過程及換熱器

化工基礎(chǔ)之傳熱過程及換熱器第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月概述1、生活中的傳熱過程2、化工生產(chǎn)中傳熱過程

物料的加熱與冷卻熱量和冷量的回收利用設(shè)備與管路的保溫3、傳熱中的一些基本方式：1）傳導(dǎo)傳熱2）對流傳熱3）輻射傳熱4、工業(yè)上的傳熱方式第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱傳導(dǎo)可以在存在溫差的一個物體內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間進(jìn)行?？抠|(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近的振動完成熱傳導(dǎo)的過程，不發(fā)生宏觀位移。熱傳導(dǎo)是固體進(jìn)行熱傳遞的一種典型方式。但在氣體和液體中同樣存在熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)一定要有介質(zhì)才能進(jìn)行。第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱靠傳熱質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀位移和混合，完成熱量的傳遞自然對流強(qiáng)制對流有外力作用強(qiáng)制對流的效果較自然對流好。第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱輻射熱量以電磁波的形式傳遞。不需要任何傳熱介質(zhì)，可以在真空中傳遞任何物體，只要溫度在絕對零度以上，就會輻射能量。只有溫度較高時，熱輻射才能成為主要的熱傳遞方式大多數(shù)的熱傳遞過程是兩種或三種傳熱方式同時進(jìn)行的第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳導(dǎo)傳熱1、fourier定律2、化工生產(chǎn)中間壁式換熱器的傳熱面有平面壁和圓筒壁兩種結(jié)構(gòu)形式之分平面壁定態(tài)傳熱圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月定態(tài)傳熱（穩(wěn)態(tài)傳熱）物體中各點(diǎn)溫度不隨時間發(fā)生變化的熱量傳遞過程。也就是說在定態(tài)傳熱系統(tǒng)中，不存在熱量積累，輸入熱量＝輸出熱量，定點(diǎn)溫度不隨時間變化。即同一熱流方向上的傳熱速率為常量。第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傅立葉定律——熱傳導(dǎo)基本方程如圖，物體均勻，兩側(cè)存在溫差，熱傳遞方式：傳導(dǎo)實(shí)驗證明：單位時間物體的導(dǎo)熱量與導(dǎo)熱面積A和溫度梯度成正比。負(fù)號的說明傅立葉定律第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月定態(tài)傳熱時，Φ即為傳熱速率單位時間通過傳熱面的熱量熱導(dǎo)率的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強(qiáng)）等因素有關(guān),主要取決于物質(zhì)種類(固、液、氣)和溫度熱導(dǎo)率是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個參數(shù)，為物質(zhì)性質(zhì)之一。熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)比例系數(shù)λ是熱導(dǎo)率第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo)

化工生產(chǎn)中間壁式換熱器的傳熱面有平面壁和圓筒壁兩種結(jié)構(gòu)形式之分，同時也有單層和多層之別。1）平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)單層平壁t1t2第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月多層平壁熱傳導(dǎo)

工程上常常遇到多層不同材料組成的平壁，例如工業(yè)用的窯爐，其爐壁通常由耐火磚、保溫磚以及普通建筑磚由里向外構(gòu)成，其中的導(dǎo)熱則稱為多層平壁導(dǎo)熱。下面以三層平壁導(dǎo)熱計算為例，介紹多層平壁導(dǎo)熱的計算方法。在穩(wěn)態(tài)傳熱時，通過上述串聯(lián)平壁的導(dǎo)熱速率都是相等的。即

b1b2b3Qtt1t2t3t4x根據(jù)等比定律則有第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月化簡得若由三層平壁導(dǎo)熱向n層平壁推廣，其導(dǎo)熱速率方程式則為：式中下標(biāo)i為平壁的序號。C第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2）圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)

化工生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。例如，管式換熱器、蒸汽及液氨導(dǎo)管壁面中的傳熱過程等均屬于此類。它與平壁導(dǎo)熱的不同之處在于：溫度隨半徑而變；此時傅立葉定律應(yīng)改寫為圓筒壁的導(dǎo)熱面積隨半徑而變，A＝2πrL。第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖所示，設(shè)圓筒壁的內(nèi)、外半徑分別為r1和r2長度為L；內(nèi)、外表面溫度分別為t1和t2，且t1>t2

；管材導(dǎo)熱系數(shù)為λ。則由傅立葉定律有：因穩(wěn)定過程導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱速率為常數(shù)，導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)可視為常數(shù)或可取平均值，則上式中僅包含溫度t和半徑r兩個變量。第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式分離變量，并根據(jù)r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的邊界條件積分。即：積分得：

式中即為圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。上式即為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程式，該式也可以改寫成類似單層平壁的導(dǎo)熱速率計算式的形式。第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式中，為圓筒壁的厚度，m。若令上式中的，稱為圓筒壁的對數(shù)平均半徑；又根據(jù)圓筒壁的導(dǎo)熱面積計算式，可令，稱為圓筒壁的平均導(dǎo)熱面積。故上式可改寫為：跟傳熱平均溫度差計算相類似地，當(dāng)r2/r12時，上式中的對數(shù)平均半徑也可用算術(shù)平均值代替。

第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)熱情況比較常見。例如，在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量（或冷量）損失；在反應(yīng)器或其他容器內(nèi)襯以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內(nèi)換熱管的內(nèi)、外表面形成污垢等等。對于多層圓筒壁，其導(dǎo)熱速率方程可以表示為：2、多層圓筒壁導(dǎo)熱計算第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱對流傳熱過程分析對流傳熱速率影響對流傳熱速率系數(shù)的因素對流傳熱吸收經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立無相變時對流傳熱有相變時對流傳熱第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱湍流主體：溫差：很大熱阻：很大傳熱方式：熱傳導(dǎo)層流底層：溫差：較小熱阻：較層流底層小很多傳熱方式：熱傳導(dǎo)和熱對流緩沖層：溫差：很小熱阻：很小傳熱方式：熱對流第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月膜模型的建立工程計算上常常假設(shè)把傳熱過程的熱阻全部疊加到邊界層的熱阻中。假設(shè)靠近壁面處有一流體膜，厚度為δt。膜內(nèi)為層流，膜外為湍流。將所以熱阻全部集中到膜內(nèi)。膜內(nèi)傳熱方式：熱傳導(dǎo)。δt=δe+δ_總有效膜厚度δtδe湍流區(qū)虛擬膜厚度δ層流底層膜厚度第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱速率方程

——牛頓冷卻定律仿照平壁熱傳導(dǎo)速率方程，得到對流傳熱速率方程：實(shí)際上，膜的厚度很難測定，所以引入一個系數(shù)h，使該系數(shù)中既包括熱阻系數(shù)，又包含膜的厚度：對流傳熱速率方程為：牛頓冷卻定律第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月A——傳熱面積△t——溫差對熱流體：△t=T－Tw對冷流體：△t=tw－t注：由于傳熱過程的進(jìn)行，間壁兩側(cè)流體的溫度是變化的，計算時流體的溫度T和t均采用平均溫度進(jìn)行計算。第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱系數(shù)的影響因素牛頓冷卻定律實(shí)際上是將所以復(fù)雜因素全部都集中在對流傳熱系數(shù)中。如何確定各種條件下的對流傳熱系數(shù)成為對流傳熱的中心問題。影響流體對流傳熱系數(shù)的因素：1、流體的流動狀態(tài)2、流體流動產(chǎn)生的原因3、流體的物理性質(zhì)4、傳熱表面的情況5、流體有無相變化發(fā)生第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月流動狀態(tài)對對流傳熱的影響層流無質(zhì)點(diǎn)徑向脈動，徑向傳熱方式為熱傳導(dǎo)湍流湍流主體和過渡層有質(zhì)點(diǎn)脈動，以對流傳熱為主。層流底層的傳熱方式為熱傳導(dǎo)湍流程度越大，對流傳熱速率越大第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月流動產(chǎn)生的原因強(qiáng)制對流流體在外界作用下產(chǎn)生的宏觀流動傳熱速率主要取決于流動狀態(tài)（流體主體與層流底層）工程上采取相應(yīng)手段對該傳熱過程進(jìn)行強(qiáng)化如攪拌、換熱器中加入干擾元件等方法。自然對流由于冷熱部分密度不同引起的流體流動溫差存在于壁面與流體主體之間的整個范圍傳熱速率遠(yuǎn)小于強(qiáng)制對流第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的性質(zhì)主要影響熱傳導(dǎo)和自然對流中的環(huán)流速度粘度如石油加工過程中對高溫重油熱能的回收密度比熱容熱導(dǎo)率氣體對流傳熱系數(shù)與液體的比較原子能工業(yè)采用低沸點(diǎn)液態(tài)金屬作為加熱劑第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱面情況傳熱面形狀傳熱面擺放方式流道尺寸

傳熱面形狀直接影響流體湍流程度做成波紋狀、翅片狀及其他異型表面在流道中加入添加物截面較小流道更有利于傳熱短的流道更有利于傳熱傳熱面擺放方式不同會影響環(huán)流速度，從而影響自然對流效果第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立因次分析α=f(u,l,μ,λ,CP,ρ,gβΔt)式中，l——特性尺寸

u——特征流速基本因次：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度θ變量總數(shù)：8個有π定律（8-4）=4，可知4個無因次數(shù)群Nu=CRemPrnGri第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱系數(shù)的一般關(guān)聯(lián)式

努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu=αl/λ待定準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=duρ/μ流動形態(tài)對對流傳熱的影響普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=Cpμ/λ流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gr=βgΔtl3ρ2/μ2自然對流的影響Nu=CRemPrnGri第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月液體有相變時的對流傳熱系數(shù)1、蒸氣冷凝膜狀冷凝；若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝。工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理，下面介紹純凈的飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數(shù)的計算方法。第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月間壁式熱交換的計算間壁式熱交換包括三個過程：熱流體—間壁一側(cè)壁面

對流一側(cè)壁面—另一側(cè)壁面?zhèn)鲗?dǎo)另一側(cè)壁面—冷流體對流在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器內(nèi)進(jìn)行的大都是定態(tài)傳熱過程，這時，則有：

傳熱基本方程第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月說明定態(tài)傳熱總過程的推動力和阻力亦具加和性：令，則傳熱總方程為：式中K——傳熱系數(shù)稱總傳熱系數(shù)，。第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱系數(shù)K由傳熱基本方程和傳熱總方程進(jìn)行對照：對于平面壁，A1=A2=A第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月對于單層圓筒壁，以A1為基準(zhǔn)：以A2為基準(zhǔn)：若間壁為多層平面壁以及間壁兩側(cè)有污垢積存時，傳熱系數(shù)為：傳熱系數(shù)K的獲得除可用公式計算外，還可通過查取相關(guān)手冊選用經(jīng)驗K值，對已有換熱器，還可通過實(shí)驗測定。

12(A1)(A1)(A1)(A1)(A2)(A2)(A2)(A2)第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱過程熱阻分析若其中一項值遠(yuǎn)大于其他項，在該項為控制熱阻。通過實(shí)驗可測出控制熱阻如果管程流體流量的變化能使總熱阻顯著變化，而殼程流體流量對總熱阻影響很小，則管程流體熱阻為控制熱阻若兩流體流量變化均對總熱阻有顯著影響，則兩熱阻均對傳熱過程控制若兩流體流量變化均對總熱阻無顯著影響，則污垢熱阻為控制熱阻第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱過程的平均溫度差流體在管道中流動時，壁面兩側(cè)流體的溫度均沿傳熱面而變化，過程推動力（溫度差）相應(yīng)地也發(fā)生變化。

第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱過程的平均溫度差

恒溫傳熱間壁兩側(cè)冷熱流體溫度不隨其在換熱器中的位置而變，溫差處處相等，均為T－t如間壁一側(cè)為飽和蒸汽冷凝，冷凝溫度恒為T；另一側(cè)為液體沸騰，沸騰溫度恒為t。變溫傳熱采用對數(shù)平均值的方法來求平均溫差1）并流2）逆流第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月例：熱流體溫度由250℃冷卻到180℃

冷流體溫度由100℃加熱到160℃

分別計算兩流體作并流和逆流時的平均溫差第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月在相同情況下(K及工藝熱負(fù)荷相同），逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差即滿足相同工藝換熱能力要求，采用逆流要比并流相應(yīng)減少傳熱面積或載熱體使用量工藝上對冷流體或熱流體有溫度控制要求時，宜采用并流如熱量回收，宜采用逆流有一流體發(fā)生相變，則無所謂逆流、并流因此時并流、逆流，進(jìn)出口溫度相同，平均溫差相等第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱負(fù)荷及熱量衡算

這里主要介紹化工計算中常見的通過換熱器進(jìn)行熱交換的計算方法。以列管式換熱器為例。冷流體走管外，熱流體走管內(nèi)，冷熱流體通過管壁進(jìn)行熱交換。Q冷＝Q熱熱量衡算式Q——換熱器的工藝熱負(fù)荷，又稱傳熱量熱負(fù)荷的大小由傳熱任務(wù)的要求決定傳熱速率,設(shè)備特性傳熱速率熱負(fù)荷≥第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：是否存在相變？無相變：冷t1t2熱T1T2有相變：第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)Q熱例題有一碳鋼制造的套管換熱器,其內(nèi)徑為φ89mm×3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管從80℃冷卻到50℃。冷卻水在環(huán)隙從15℃升到35℃。苯的對流傳熱系數(shù)為330W/(m2?K)，水的對流傳熱系數(shù)為290W/(m2?K)。忽略污垢熱阻。試求：1）冷卻水用量2）并流和逆流操作時所需傳熱面積第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月熱交換過程的強(qiáng)化措施＝KATm，要增大熱流量，可通過提高K，增大A，增大Tm來實(shí)現(xiàn)。第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、增大總傳熱系數(shù)K1.

防止結(jié)垢和及時清垢；2.

提高對流傳熱系數(shù)h或α盡可能利用有相變的熱載體（h或α大）無相變傳熱，增大湍流程度：（1）增大流速；（2）管內(nèi)加擾流元件；3）改變傳熱面形狀和增加粗糙度方法：尤其從h或α小的一側(cè)考慮；3.

選大的熱載體；

第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月例題

擬用150℃飽和水蒸氣將流量為90000kg/h的某溶液產(chǎn)品由25℃升溫到35℃?，F(xiàn)有一臺單管程列管式換熱器，換熱管規(guī)格為φ25mm×2.5mm，傳熱面積為15m2。已知蒸氣在其殼程冷凝，傳熱系數(shù)為12000W/(m2?K)。溶液走管程，其對流傳熱系數(shù)估計為330W/(m2?K)，比熱容為1.9kJ/(kg?K)。殼程污垢熱阻和管壁熱阻忽略不計，管程污垢熱阻估計為0.0001m2?K

/W。試問這臺換熱器是否能夠滿足上述換熱要求？如不能，采用加隔板的方式將該換熱器變?yōu)殡p管程換熱器，問能否滿足換熱要求？（由于粘度較大，溶液在管程流動為層流，故其對流傳熱系數(shù)與流速1/3次方成正比）第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月增加管程數(shù)，使管程流速增加，使對流傳熱系數(shù)增加不利影響：1）對數(shù)平均推動力減小（兩側(cè)流體均無相變時）；2）流動阻力大大增加第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、增大單位體積的傳熱面積1.采用小直徑管、用波紋管、螺旋管代替光滑管；采用翅片式換熱器等；2.采用高效、緊湊式換熱器。如各種板狀換熱表面。第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)K大結(jié)構(gòu)緊湊操作靈活性大安裝檢修方便第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)K大結(jié)構(gòu)緊湊操作靈活性大安裝檢修方便板式換熱器第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月工程案例分析KA值——換熱器工作能力的綜合反映第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3、增大傳熱平均溫度差Tm

①兩側(cè)無相變時，盡量采用逆流流動或接近逆流的流動排布形式；②提高加熱劑T1的溫度（如用蒸汽加熱，可提高蒸汽的壓力來達(dá)到提高其飽和溫度的目的）。③降低冷卻劑的溫度第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月注：（1）利用提高Tm來強(qiáng)化傳熱是有限的。（2）強(qiáng)化傳熱應(yīng)權(quán)衡利弊，在采用強(qiáng)化傳熱時，對設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造費(fèi)用、動力消耗、檢修操作等方面作綜合考慮，以便獲得經(jīng)濟(jì)而合理的強(qiáng)化傳熱方案。