化工原理課件傳熱單元操作及設(shè)備

1、第一節(jié) 傳熱的基本方式與類型一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱的動(dòng)力：溫度差。傳熱的應(yīng)用：為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造必要的條件；為單元操作創(chuàng)造必要的條件；提高熱量的綜合利用；減少設(shè)備的熱損失； 強(qiáng)化傳熱1、傳熱問(wèn)題的要求 削弱傳熱 設(shè)計(jì)傳熱設(shè)備2、傳熱計(jì)算問(wèn)題的應(yīng)用 計(jì)算傳熱量 減少熱損失3、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)溫度僅隨位置的不同而不同，不隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)溫度不僅隨時(shí)間變化，而且隨位置的不同而不同。二、傳熱的基本方式1、熱傳導(dǎo)傳熱機(jī)理：通過(guò)分子的熱振動(dòng)傳遞熱量；特 點(diǎn)：分子不發(fā)生宏觀的位移；2、熱對(duì)流傳熱機(jī)理：通過(guò)流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移傳遞熱量；特 點(diǎn)：流體質(zhì)點(diǎn)互相混

2、合、碰撞； 對(duì)流傳熱：流體與固體壁面間的熱量傳遞過(guò)程。 自然對(duì)流：由于溫度不同導(dǎo)致密度差異 而引起的移動(dòng)；方式 強(qiáng)制對(duì)流：由于外力引起的移動(dòng)； 3、熱輻射傳熱機(jī)理：通過(guò)發(fā)射電磁波的形式向外輻射能量；特 點(diǎn)：傳熱過(guò)程不需要介質(zhì)；注：實(shí)際傳熱過(guò)程中三種方式結(jié)合進(jìn)行。三、工業(yè)換熱器的類型換熱器：用于熱量交換的設(shè)備。載熱體：參與換熱的兩種流體。 熱載熱體（熱流體）：加熱劑（水蒸載熱體 汽） 冷載熱體（冷流體）：冷卻劑（水、冷 凍鹽水、空氣） 1、間壁式：冷熱流體通過(guò)間壁傳遞熱量； 特點(diǎn)：兩種流體不直接混合，保持原狀態(tài)；2、混合式：冷熱兩種流體直接混合； 特點(diǎn)：傳熱速度快； 適用于：廢熱回收；3、蓄熱式

3、4、中間載熱體式換熱器：熱管；第二節(jié) 傳熱基本方程一、典型間壁式換熱器及其傳熱過(guò)程1、典型間壁式換熱器 套管式、列管式等2、間壁式換熱器傳熱過(guò)程簡(jiǎn)述（1）熱流體 對(duì)流 間壁；（2）間壁一側(cè) 傳導(dǎo) 間壁另一側(cè)；（3）間壁另一側(cè) 對(duì)流 冷流體；二、傳熱基本方程1、傳熱速率（熱流量）Q與熱通量q 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，單位為：W 。 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳遞的熱量，為熱通量，單位是W/m2。 2、傳熱基本方程Rt傳熱阻力(熱阻)傳熱推動(dòng)力(溫度差)傳熱速率mtKSQ 傳熱問(wèn)題：操作型和設(shè)計(jì)型；對(duì)于設(shè)計(jì)型問(wèn)題：給定傳熱任務(wù)，確定換熱器所需的換熱面積。RtKSttKSQmmm11RtKtSQq

4、mmmtKQS第三節(jié) 傳熱速率與熱負(fù)荷一、熱負(fù)荷：生產(chǎn)要求換熱器單位時(shí)間 傳遞的熱量。二、熱負(fù)荷與傳熱速率傳熱速率：換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，是換 熱器的生產(chǎn)能力。 熱負(fù)荷：生產(chǎn)要求換熱器單位時(shí)間傳遞的 熱量，是生產(chǎn)任務(wù)。 生產(chǎn)上，為保證完成任務(wù)，要求換熱器的傳熱速率大于或等于熱負(fù)荷。三、熱量衡算與熱負(fù)荷的確定1、熱量衡算（1 1）焓差法）焓差法熱流體：冷流體：（2 2）顯熱法）顯熱法熱流體：冷流體：21HHWQh12hhWQc21TTcWQQphh熱12ttcWQQpcc冷（3 3）潛熱法）潛熱法如熱流體原色熱的過(guò)程中既有溫度的降低，也有相變化，則：hhrWQ )(2TTcWWQsphhhh

5、h2、熱負(fù)荷的確定 考慮熱損失對(duì)于間壁式換熱器：如果熱流體走管程：如果冷流體走殼 程： 例：略LchQQQhQ熱負(fù)荷cQ熱負(fù)荷第四節(jié) 傳熱平均溫度差流體的流動(dòng)方向：并流 逆流錯(cuò)流 折流恒溫傳熱：冷熱流體在換熱過(guò)程溫度不變。變溫傳熱：冷熱流體只要有一種流體的溫度發(fā) 生變化。 1212221121、恒溫傳熱2、變溫傳熱：（1）一類： t1=T-t1 t2=T-t2 （2）二類：考慮流動(dòng)方向 并流： t1=T1-t1 t2=T2-t2tTtmTtTtTt1Tt22121lntttttmT1t1T2t2逆流 t1=T2-t1 t2=T1-t2 錯(cuò)流、折流：校正系數(shù)可根據(jù)R、P值查圖：2121lnttt

6、ttmT2t1T1t2逆mmtt冷流體的溫升熱流體的溫降1221ttTTR兩流體的初始溫差冷流體的溫升1112tTttP思考題：對(duì)于同樣的進(jìn)出口溫度，選擇什么樣的流型更好？結(jié)論：逆流好。原因：1、傳質(zhì)推動(dòng)力大； 2、所需傳熱介質(zhì)少； 生產(chǎn)上，常采用錯(cuò)流或折流，原因是這兩種流型可有效的降低熱阻。第五節(jié) 熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律1、溫度場(chǎng)與溫度梯度溫度場(chǎng)：物體或體系內(nèi)部溫度在空間和時(shí)間上 的分布。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。溫度梯度： 兩相鄰等溫面的溫度差與其垂直距離之比的極限。 溫度梯度是向量，方向垂直于等溫面，溫度增加的方向?yàn)橄路较颍c導(dǎo)熱的方向

7、相反。dndtgradt 2、傅立葉定律其中：稱為熱導(dǎo)率，w/(m);二、熱導(dǎo)率 w/(m); 是表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小的指標(biāo)，是物質(zhì)的物性。dndtSQdndtSQ（1）氣體的熱導(dǎo)率 液 氣 T升高，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)增加。（2）液體的熱導(dǎo)率 固液 T升高，液體的導(dǎo)熱系數(shù)略有減小；（3）固體的熱導(dǎo)率 金屬固體非金屬固體 金屬：T升高，導(dǎo)熱系數(shù)下降； 非金屬： T升高，導(dǎo)熱系數(shù)增加；三、平壁導(dǎo)熱1、單層平壁 假設(shè)平壁的熱導(dǎo)率為常數(shù)，其面積和厚度相比是很大的，從邊緣處散失的熱量可以忽略，壁內(nèi)的溫度只沿著垂直壁面的x方向發(fā)生變化，即等溫面是垂直于x軸的平面，且壁面的溫度不隨時(shí)間變化。對(duì)此種平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)

8、熱，導(dǎo)熱速率Q和導(dǎo)熱面積S均為常數(shù)。據(jù) 當(dāng)x=0時(shí)，t=t1， x=b時(shí)， t=t2，且t1t2,積分上式得： 其中： 熱阻（與導(dǎo)熱系數(shù)成反比） 熱通量 W/m2 21ttSQq阻力傳熱推動(dòng)力21RtttSQdxdtSQSR2、多層平壁(1)公式推導(dǎo)化簡(jiǎn)后:(2)溫差與熱阻成正比,熱阻大,則溫差也大。 例題：P85頁(yè)。 AttAttAttQ334322321121總阻力總推動(dòng)力3133221141iiiRtAAAttQ四、圓筒壁的定常熱傳導(dǎo)1、單層圓筒壁導(dǎo)熱（1）特點(diǎn)：傳熱面積隨半徑而變化。（2）公式推導(dǎo)：分變量積分并整理：drdtrldrdtSQ21221ln2rrttlQ變形：其中：說(shuō)明：

9、Q不隨半徑而變，但熱通量q隨r的增大而 減小。 mSttQ2112rr lrSmm21212lnrrrrrm2、多層圓筒壁導(dǎo)熱（以三層圓筒壁為例）同樣的方法可推導(dǎo)出： 同樣，各層熱阻越大，溫差就越大。 例題：P86頁(yè)。33422311241333222111412ln2ln2lnlrrlrrlrrttSSSttQmmm第六節(jié) 對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱分析1、在流動(dòng)截面上 存在溫度分布；2、溫度差主要集中 在層流內(nèi)層中。 二、對(duì)流傳熱基本方程 牛頓冷卻定律對(duì)熱流體：對(duì)冷流體：其中： 反映對(duì)流傳熱程度的大小。 t：代表層流內(nèi)層的厚度，mm；對(duì)流傳熱熱阻對(duì)流傳熱的推動(dòng)力SttSQ1WTTttttWt注：

10、傳熱膜系數(shù)與溫差、傳熱面積相對(duì)應(yīng)；)(WiiTTSQ)(00tTSQW三、對(duì)流傳熱膜系數(shù)1、影響對(duì)流傳熱膜系數(shù)的因素（1）流體的種類及相態(tài)變化；（2）流體的物性：如導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘 度和比熱容cp；（3）流動(dòng)型態(tài)；（4）流體流動(dòng)的原因：自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流；（5）傳熱面的形狀特征與相對(duì)位置；2、對(duì)流傳熱膜系數(shù)總準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式（1）無(wú)相變化時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)的特征關(guān)聯(lián)式（2）通過(guò)量綱分析的無(wú)量綱數(shù)為：努塞爾準(zhǔn)數(shù) 雷諾數(shù) 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)tgclufp,hfpatglcluAl2233、流體無(wú)相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（1）圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流其中：當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4; 當(dāng)流體被冷卻時(shí)

11、，n=0.3;注：經(jīng)驗(yàn)公式在使用時(shí)注意應(yīng)用范圍、應(yīng)用條 件等問(wèn)題。npcdud8 . 0023. 0（2）管外強(qiáng)制對(duì)流五、流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 膜狀冷凝1、蒸汽冷凝 滴狀冷凝 自然沸騰2、液體沸騰 核狀沸騰 膜狀沸騰14. 03155. 0036. 0wpeecudd第七節(jié) 傳熱系數(shù)其中：K ：傳熱系數(shù)，w/(m2.) A：傳熱面積， m2 ； A=ndl 傳熱面積可以是Ai、Am、A0。傳熱總阻力傳熱總推動(dòng)力KAttKAQmm1一、傳熱系數(shù)的計(jì)算1、基本公式（1）熱流體的對(duì)流傳熱：（2）管壁的熱傳導(dǎo)：（3）冷流體的對(duì)流傳熱：00001ATTTTAQWWiiwwiiAttttAQ1mw

12、WwWmAtTtTAQ化簡(jiǎn)后得：又因?yàn)椋核裕?其中：S可以取S0、Sm、Si。傳熱總阻力傳熱總推動(dòng)力KSttKSQmm1傳熱總阻力傳熱總推動(dòng)力iimSSStTQ1100iimSSSKS11100常取：基于外表面積下的傳熱系數(shù)K0?？紤]污垢熱阻： 管外壁污垢熱阻 管內(nèi)壁污垢熱阻iisimSiiSimSddRddRSSRSSRK000000000111iimiimddddSSSSK00000001112、幾點(diǎn)說(shuō)明（1）當(dāng)傳熱面為平壁時(shí)：（2）當(dāng)忽略管壁熱阻和污垢熱阻時(shí)：（3）提高K的方法：設(shè)法減小起決定性作用的熱阻。（4）K值也可以選取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。imSSS0iSiSRRK11100

13、iK1110二、污垢熱阻的影響污垢熱阻不可忽略，選用經(jīng)驗(yàn)值。三、強(qiáng)化傳熱途徑1、增大傳熱面積2、增大傳熱溫度差3、增大傳熱系數(shù)四、傳熱計(jì)算舉例 （P98）1、設(shè)計(jì)型計(jì)算：根據(jù)已定的生產(chǎn)要求，確定所需換熱面積。2、操作型計(jì)算：判斷已有換熱器的面積能否完成指定的生產(chǎn)任務(wù)。3、壁溫的估算 壁溫接近于熱阻較小的一側(cè)流體的溫度。siisiwwRRtttt11000五、工業(yè)熱源與冷源1、熱源：電熱、飽和水蒸汽、熱水、煙道氣等。2、冷源：冷水、空氣、冷卻劑（低溫鹽水、液氨、液氮） 附加內(nèi)容 熱輻射一、熱輻射的基本概念1、熱輻射:以電磁場(chǎng)波的形式傳遞能量的方式。 波長(zhǎng)范圍：0.7620m。2、輻射能：Q；吸收

14、能：QA；吸收率：反射能：QR；反射率：透過(guò)能：QD；透過(guò)率：QQAAQQRRQQDD A+R+D=1 注：不同的物體A、R、D的值不同。固體和液體：D0；單原子和由雙原子氣體：D 1；3、黑體的輻射能力斯蒂芬-波爾茲曼定律(1)黑體：A=1；(2)黑體的輻射能力：E0； W/m2;0-輻射常數(shù)， 0=5.6710-8 W/(m2.K4)。400TE也可寫(xiě)成：C0：黑體輻射系數(shù)，為5.67 W/(m2.K4)。3、實(shí)際物體的輻射能力(1)黑度：(2)實(shí)際物體的輻射能力： 常用工業(yè)材料的黑度值見(jiàn)P164。0EE400100TCE400100TCEE4、灰體的輻射能力和吸收能力-克希荷夫定律(1)

15、灰體：對(duì)各種波長(zhǎng)具有相同吸收率的理想化物體。 A=(2)輻射能：二、兩固體間的熱輻射總輻射系數(shù)，W/(m2.K4) 角系數(shù) （見(jiàn)P165表4-11）0EAE42412121100100TTACQ三、輻射對(duì)流聯(lián)合傳熱1、對(duì)流傳熱： 輻射傳熱： 統(tǒng)一形式： 壁面散失的總熱量為：TTAaQWWCC4421100100TTACQWRTTAaQWWRRTTAaTTaaQQQWWTWRCRC2、輻射對(duì)流聯(lián)合傳熱系數(shù)（1）空氣自然對(duì)流，TW 5m/s時(shí)：TTaWT07. 08 . 9TTaWT052. 04 . 9uaT2 . 42 . 678. 08 . 7 uaT第八節(jié) 換熱器一、換熱器的分類 直接接觸

16、式1、換熱器 間壁式 蓄熱式按用途分：加熱器、預(yù)熱器、過(guò)熱器、蒸發(fā)器、再沸器、冷卻器、冷凝器；按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)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：回轉(zhuǎn)式、熱管等二、間壁式換熱器1、管式（1）列管式：固定管板式結(jié)構(gòu)：殼體、列管、管板、封頭；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、管內(nèi)易清洗；缺點(diǎn)：殼程不易清洗，不能承受溫差應(yīng)力；優(yōu)點(diǎn)：管板一側(cè)不與殼體相聯(lián)，可自由伸縮， 即有浮頭，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，便于清洗。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。U型管式浮頭式優(yōu)點(diǎn)：管板一側(cè)不與殼體相聯(lián)，可自由伸縮， 即有浮頭，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，便于清洗。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。U型管式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封面少，造價(jià)低。缺點(diǎn)：管內(nèi)清洗困難，可排管子少。填料函式釜式（2）套管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高壓傳熱面積可隨時(shí)增減。缺點(diǎn)：占地面積、金屬耗量大，清洗不方便。（3）蛇管式換熱器種類：沉浸式、噴淋式。沉浸式：金屬?gòu)澒軆?yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，便于防腐，耐 高壓。缺點(diǎn)：管外傳熱系數(shù)小，需加攪拌裝置。噴淋式：主要用于冷卻管內(nèi)液體。優(yōu)點(diǎn)：清洗方便，傳熱效果較好。缺點(diǎn)：體積龐大，冷水耗量大，噴淋不均勻。（4）翅片管式換熱器（管翅式）特點(diǎn)：傳熱管的內(nèi)外表面裝有翅片，加大傳熱面