热传导方式

第一节概述传热在化工生产中的应用（1）传热（2）保温传热的基本方式（1）热传导：纯导热过程：物体各部分之间不发生相对位移。（2）对流传热对流传热：是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。因而对流只能发生在流体中。（3）辐射传热因热原因而发出辐射能的过程称为热辐射。典型的间壁换热器间壁式换热器，就是冷热流体不混合，用固体壁面隔开只进行热量传递。（1）套管式换热器（2）列管式换热器单程列管式换热器由壳体、管束、接管、封头、管板、挡板等组成双程列管式换热器：由于管程流体在管束内流经两次，故称为双程列管式换热器。若流体在管束内来回流过多次，则称为多程（如四程、六程等）列管式换热器。列管式换热器的传热面积：S=nπdl传热速率和热通量传热量：传热速率：指单位时间内通过传热面的热量,用Q表示,单位W热通量：指单位时间、单位传热面积传递的热量。用q表示,单位w/m2传热速率表达式：传热速率=传热推动力（温度差）/传热阻力=△t/R定态传热和非定态传热第二节热传导一、热传导的基本概念和定律温度场和等温面物体（或空间）各点温度在时空中的分布，称为温度场。稳定温度场温度相同的点组成的面称为等温面。温度梯度两等温面的温度差△t与其间的垂直距离△n之比温度梯度傅立叶定律因热传导而产生的热流大小的定律Q:J/S,W;S:m2λ:导热系数，w/mk2.导热系数固体的导热系数金属、非金属：温度系数对大多数金属为负值，对大多数非金属为正值。1/k液体的导热系数水的导热系数最大气体的导热系数气体的导热系数很小，不利于导热,却对保温有利。其导热系数实际上与压力无关。各种物质的导热系数大致范围金属：2.3--420w/mk建材：0.25--3w/mk绝缘材料：0.025—0.25w/mk液体：0.09—0.6w/mk气体：0.006—0.4w/mk三、平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导：多层平壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁：设圆筒壁,内壁半径为r1，温度为t1,外壁半径为r2,温度为t2,圆筒长为L。单位时间热量从内壁传到外壁的量为Q。改写上式：注意:当r2/r12时，rm=(r1+r2)/2Sm=(A1+A2)/2多层圆筒壁：如三层：圆筒壁面热传导与平壁热传导比较：相同点：单位时间的传热量相同。不同点：单位时间、单位面积的传热量不相等。第三节对流传热一、间壁两侧流体对流传热分析名词:载热体、加热剂、冷却剂、间壁换热以夹套换热为例:间壁两侧的对流传热都是在流体流动的过程中发生的传递现象。所以与流动的情况密切相关。湍流情况下，流体主流中由于旋涡丛生，流体各部分激烈混合。所以热阻很小，但紧靠壁面处的层流底层，传热基本上是以导热方式进行，是对流传热的主要阻力所在，温度差也主要集中在层流底层中。如以某截面为例，其温度分布如图所示：在计算热量时，一般用主体温度T和t，传热速率的表达式：热流量Q单位w热量通量q单位w/m2K称为总传热系数二、对流传热速率方程和对流传热系数1、对流传热系数和总传热系数对稳定传热：比较传热速率方程知对平壁传热：对圆筒壁面：在换热器系列化标准中，以外表面为基准。即两边积分上式要积分：1.先要解决K为常数，而α1、α2是随物性而变，具有局部性质。工程上为计算方便常按某一定性温度来计算物性，而将α看成常数。2.（T-t）随S而变,工程上往往用某一平均值△tm来代替。2、污垢热阻：换热器使用一个时期后，传热速率会下降很多。究其原因，主要是传热面两侧污垢影响传热。计算K时，污垢热阻不可忽视，其阻值一般为经验估定。若管壁外侧及内侧的污垢热阻分别用RS1和RS2表示,则总传热系数计算式：为了防止结垢对传热的影响，换热器要定期清洗。第四节传热过程计算一、热量衡算式与传热速率方程间的关系若换热器保温良好、与外界无热交换。则Q放=Q吸=KS△tm1.冷热流体无相变化Q放=ms1cp1(T1-T2)=Q吸=ms2cp2(t2-t1)2.热流体为饱和蒸汽冷凝、冷却,冷流体无相变化Q放=ms1[r1+cp1(Ts-T2)]=ms2cp2(t2-t1)一般T2若接近TS,可忽略cp1(Ts-T2)项3.高温流体来加热低沸点液体汽化Q放=ms1cp1(T1-T2)=ms2[cp2(ts-t)+r2]对校核一个换热器是否可用，工业上主要来校核传热面积S,若S≤被校换热器面积,可用。二、平均温差的计算恒温差传热一侧液体在t下沸腾，另一侧蒸汽在T下冷凝:△tm=T-tQ=KS(T-t)变温差传热当△t1/△t22时tm=（△t1+△t2）/2当△t1/△t22时用对数平均温差，使用时△t大的放前面。Q=KS△tm错流和折流时的平均温度差对于错流和折流时的平均温度差tm，可采用图算法，先按逆流计算对数平均温度差△tm，，再乘以考虑流动形式的校正因数，△tm=φ△t△tm,φ△t:温度校正系数φ△t=f(R,P)P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流体的温升/两流体的最初温度差R=（T1-T2）/（t2-t1）=热流体的温降/冷流体的温升第五节对流传热系数关联式为了求K，必须先求αα的求解有：理论求解和实验关联一、对流传热系数的主要影响因数引起流动的原因：自然对流和强制对流流体的流动型态：层流和湍流，湍流的传热膜系数α比层流时大得多。流体的性质：CP，λ，ρ，μ传热面的形状、大小和位置二、对流传热系数经验公式的建立无相变化时强制湍流下的对流传热系数α得：Nu=f(Pr,Re)Pr=Cpμ/λRe=duρ/μNu=αd/λ无相变化时自然对流下的对流传热系数αNu=f(Pr,Gr)对各种不同情况下的传热，其具体关系式，则由实验建立。应用时，应注意：①定性尺寸—Nu,Re数中d如何定②定性温度——物性数据以什么温度为准③应用范围四种情况下传热膜系数关联式：（1）强制对流时的对流传热系数被加热n=0.4；被冷却n=0.3（2）自然对流时的对流传热系数（3）蒸汽冷凝时的对流传热系数（略）（4）液体沸腾时的对流传热系数（略）三、流体作强制对流时的对流传热系数流体在管内作强制对流1.流体在管内作强制湍流（公式要记住）被加热n=0.4；被冷却n=0.3Pr=Cpμ/λRe=duρ/μNu=αd/λ对短管：α,=(1.07—1.02)α当壁温与流体主体间的温差较大时（2）流体在管内作强制层流时α当Gr25000时，忽略自然对流影响（3）过渡状况下αRe=2000---10000之间（4）流体在弯曲管道内流动时的αα,=α(1+1.77d/R)（5）非圆形管中αde=4×S/润湿周边或专用公式，如：套管环隙的对流传热管外强制对流（1）流体横向流过单根圆管情况各点α不相同2.流体在管束外横向流过时对流传热系数，各排也不相同计算式:Nu=c1c2RenPr0.4平均α=(α1A1+α2A2+α3A3+)/(A1+A2+A3+)（3）对换热器壳侧，且管外装有割去25%（直径）的圆缺形折流板时，α计算式：当管子正方形排列时：当管子正三角形排列时：流动截面S=hD(1-d0/t)实际α,=(0.6—0.8)α提高α的途径（1）对管内流动：α∝Au0.8/d0.2（2）对管外流动：α∝u0.55/de0.45此外，用管内装置添加物，如麻花铁或选用螺纹管等也能提高对流传热系数。四、流体作自然对流时的对流传热系数αNu=f(Gr,Pr)Nu=c(Gr×Pr)n五、蒸汽冷凝时的α冷凝方式：膜状冷凝；滴状冷凝传热效果滴状冷凝好对水平单管：对垂直管和垂直板：六、液体沸腾时的对流传热系数α大容积内沸腾：液体运动由自然对流和气泡扰动所引起。管内沸腾：产生的气泡不能自由浮升，出现复杂的汽-液两相流，比较复杂。沸腾现象主要特征：液体内部有气泡生成。实验证明：沸腾液体处于过热状态，t1-ts为过热度。而紧靠加热面的一小薄层液体，过热度最大△t=tw-ts，气泡在凹凸不平的加热面上产生。而且，液体沸腾传热的规律随过热度△t=tw-ts不同而不同。沸腾传热计算及影响因数：1.计算（略）2.影响因数液体的性质：α随λ、ρ的增加而加大，随μ和σ的增加而减少。操作压强：在相同的△t下，操作压强愈高，α和q都愈大。加热表面状况：一般新的或清洁的加热面，α较大。当表面被油脂沾污，α急剧下降。表面愈粗糙，气泡核心愈多，愈有利于沸腾传热。第六节辐射传热一、热辐射的基本概念热辐射：物体因热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程称为辐射。黑体、镜体、透热体和灰体设投射到某一物体上的总辐射能为Q，则其中一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透过物体。Q=QA+QR+QD或QA/Q+QR/Q+QD/Q=1令：A=QA/QR=QR/QD=QD/Q则：A+R+D=1A、R、D分别称为物体的吸收率、反射率和透过率。A=1的物体称为绝对黑体或黑体R=1的物体称为绝对白体或镜体D=1的物体称为透热体凡能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能的物体，定义为灰体。大多数工程材料可视为灰体。灰体特点：（1）吸收率不随辐射波长而变。（2）它是不透热体，即A+R=1辐射传热物体的辐射能力是指物体在一定的温度下单位表面积、单位时间内所发射的全部波长（0∽∞）的总能量，用E表示，单位W/m2。二、物体的辐射能力1、黑体的辐射能力斯帝芬-波尔茨曼定律黑体的辐射能力与其表面绝对温度的四次方成正比，即：Eb=σ0T4σ0黑体的辐射常数，其值为5.67×10-8w/(m2K4)工程上为计算方便常写成以下形式：Eb=C0（T/100）4C0黑体的辐射系数，其值为5.67w/(m2K4)2、灰体的辐射能力E=C（T/100）4C灰体的辐射系数黑度：同一温度下灰体与黑体辐射能力之比，用ε表示，其值由实验测定。ε=E/EbE=εC0（T/100）4克希霍夫定律克希霍夫定律表达物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。得出：E1/A1=E2/A2=E/A=Eb=f(T)该式表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值等于同温度下黑体的辐射能力。实际物体的吸收率小于1，故在任一温度下，黑体的辐射能力最大，而且，物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大。所以：A=ε即在同一温度下，物体的吸收率在数值上等于该物体的黑度。2.两固体间的辐射传热由于大多数工程材料可视为灰体，故讨论两灰体间的辐射传热。对平行平壁间的辐射传热，辐射传热的计算式为：Q1-2=C1-2S[（T1/100）4-（T2/100）4]Q1-2：净辐射传热速率WC1-2：总辐射传热系数w/(m2K4)S：辐射面积m2计算任意两灰体间的辐射传热速率，需引入角系数ψ的概念ψ表示一物体发射的总能量投射到另一物体表面的分率。Q1-2=C1-2ψS[（T1/100）4-（T2/100）4]第七节换热器一、换热器的分类按用途分类分为：加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、分凝器等按传热原理和实现热交换的方法分类：间壁式换热器、混合式换热器二、间壁式换热器的类型间壁式换热器主要有：管式、板式、翅片式三种类型1、管式换热器：蛇管式换热器（沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器）、套管换热器、列管换热器列管式（管壳式）换热器是目前化工生产中应用最广的换热器。主要优点：单位体积具有的传热面积大，传热效果好，结构简单，操作弹性大，可用多种材料制造，适用性较强，尤其在高温、高压和大型装置上多采用列管式（管壳式）换热器。当两流体的温度超过50℃时，由于热应力可能引起设备变形、管子弯曲，甚至破裂，应采取热补偿措施。根据热补偿方法的不同，列管式换热器的主要形式有以下几种：1.固定管板式（带热补偿圈的固定管板式换热器）换热器的两端管板和壳体制成一体，使壳程清洗困难，所以要求壳程流体清洁且不结垢，两流体温差小于70℃。2.U型管式换热器U型管式换热器每根管子弯成U型，流体进出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室。每根管子可自由伸缩。适用于高温、高压的场合，管内清洗困难，所以要求管内流体清洁且不结垢。3.浮头式换热器其一端管板不与外壳连为一体，该端称为浮头。便于清洗和检修，应用较为普遍，但结构比较复杂，造价较高。上述几种