单元三 传热单元操作与设备

单元三传热单元操作与设备化学工业出版社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、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RΔt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。RtKSttKSQmmm1'1RtKtSQqmmmtKQS第三节传热速率与热负荷一、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）焓差法热流体：冷流体：（2）显热法热流体：冷流体：21HHWQh12hhWQc21TTcWQQphh热12ttcWQQpcc冷（3）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)(2TTcWWQsphhhhh2.热负荷的确定考虑热损失对于间壁式换热器：如果热流体走管程：如果冷流体走管程：例：略LchQQQhQ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：Δt1=T-t1Δt2=T-t2（2）二类：考虑流动方向并流：Δt1=T1-t1Δt2=T2-t2tTtmTtTtTt1Tt22121lntttttmT1t1T2t2逆流Δt1=T2-t1Δt2=T1-t2错流、折流：校正系数可根据R、P值查图：2121lntttttmT2t1T1t2逆mmtt冷流体的温升热流体的温降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：λ称为热导率，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。dndtSQdndtSQ（1）气体的热导率λ液λ气T升高，气体的导热系数增加。（2）液体的热导率λ固λ液T升高，液体的导热系数略有减小；（3）固体的热导率λ金属固体λ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.单层平壁其中：热阻（与导热系数成反比）热通量：w/m2;例题：见P84。阻力传热推动力21RtttSQSR21ttSQq2.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：drdtrldrdtSQ21221ln2rrttlQ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。mSttQ2112rrlrSmm21212lnrrrrrm2.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。33422311241333222111412ln2ln2lnlrrlrrlrrttSSSttQmmm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。δt：代表层流内层的厚度，mm；对流传热热阻对流传热的推动力SttSQ1WTTttttWt注：传热膜系数与温差、传热面积相对应；)(WiiTTSQ)(00tTSQW三、对流传热膜系数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λ、密度ρ、粘度μ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,,,,,,hfpatglcluAl2233.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。npcdud8.0023.0（2）管外强制对流四、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14.03155.0036.0wpeecudd第七节传热系数其中：K：传热系数，w/(m2.℃)A：传热面积，m2；A=nπdl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：00001ATTTTAQWWiiwwiiAttttAQ1m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KSttKSQmm1传热总阻力传热总推动力iimSSStTQ1100iimSSSKS11100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iisimSiiSimSddRddRSSRSSRK000000000111iimiimddddSSSSK00000001112.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。imSSS0iSiSRRK11100iK1110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。siisiwwRRtttt11000五、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：0.76~20μm。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：QQAAQQRRQQDDA+R+D=1注：不同的物体A、R、D的值不同。固体和液体：D≈0；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;σ0-辐射常数，σ0=5.67×10-8W/(m2.K4)。400TE也可写成：C0：黑体辐射系数，为5.67W/(m2.K4)。3.实际物体的辐射能力(1)黑度：ε(2)实际物体的辐射能力：常用工业材料的黑度值见P164。0EE400100TCE400100TCEE4.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=ε(2)辐射能：二、两固体间的热辐射总辐射系数，W/(m2.K4)角系数（见P165表4-11）0EAE42412121100100TTACQ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：TTAaQWWCC4421100100TTACQWRTTAaQWWRRTTAaTTaaQQQWWTWRCRC2.辐射对流联合传热系数（1）空气自然对流，TW423K，在平壁保温层外：在管道及圆筒壁外：（2）空气沿粗糙表面强制对流空气速度≤5m/s时：空气速度5m/s时：TTaWT07.08.9TTaWT052.04.9uaT2.42.678.08.7uaT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；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