傳熱和換熱器

1、傳熱部分簡介物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅憑借分子，原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞過程。固體的傳熱不良導(dǎo)體的固體:原子,分子在晶格中其平衡位置 的振動傳熱發(fā)生場所：傳熱機理：傳熱的三種基本方式根據(jù)傳熱的機理不同特點:沒有物質(zhì)的宏觀位移,僅是靜止物體內(nèi)的一種傳熱方式（大部液體）(1)熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱):穿過流體層流內(nèi)層的傳熱氣體:分子不規(guī)則運動時碰撞傳熱金屬固體:自由電子的運動傳熱熱對流只發(fā)生在流體中特點:自然對流:流體中各點溫度不同引起流體密度差異,使輕者上浮，重者下沉。強制對流:流體因機械攪拌(泵,風(fēng)機)等外加功加入引起的對流(質(zhì)點強制運動)熱對流的形式流體中質(zhì)點(微團)產(chǎn)生

2、相對位移(宏觀運動)引起的熱量傳遞過程(2)熱對流(對流):熱對流的強弱與流體流動狀況密切相關(guān)(3)(熱)輻射：實際上,只有當(dāng)物體之間溫差較大時,輻射傳熱現(xiàn)象才較突出。一般來說,當(dāng)物體的溫度超過500K（200-400)時，輻射熱能才予以考慮。特點： 熱輻射不需任何介質(zhì) 熱輻射是熱能與電磁能的互相轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移 理論上，只要物體溫度T0K，均可產(chǎn)生輻射熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄔ诳臻g的傳遞過程溫度梯度:（與流體力學(xué)中速度梯度概念類似）ntntgradtn0lim單位時間內(nèi)，物體或物體內(nèi)部不同兩點之間因?qū)崴鶄鬟f的熱量Q與其溫度梯度t/n及垂直于熱流方向的傳熱面積A成正比。nAQt/nt+ttt-t兩等溫面之

3、間溫度差t和其間的垂直（法向）距離n之比的極限值 即為傅立葉定律即:AtQn AdtQdx 或非金屬:導(dǎo)熱系數(shù)與其組成，致密性與溫度有關(guān)。 導(dǎo)熱系數(shù)1.固體導(dǎo)熱系數(shù)金 屬:隨t而,隨雜質(zhì)含量急劇，（故純金屬最大）一般隨密度和溫度的而。2.液體導(dǎo)熱系數(shù)：較小，但大于固體絕熱材料金屬液體(大多數(shù)) ：比較大，隨溫度的而非金屬液體 ： 水最大,一般隨溫度的略有一般，純液體的大于溶液的3.氣體導(dǎo)熱系數(shù):比液體更小，約為液體的1/10溫度越高，壓強越大(高壓下),氣體越大 總的規(guī)律:純金屬合金液體固體絕熱材料氣體建筑材料表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)。（1）平壁無限大，邊界效應(yīng)可以忽略。 平壁的

4、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（3）材質(zhì)均勻，各向同性(不隨溫度變化，視為常數(shù)或取平均)以單層平壁為例：假設(shè):（2）通過平壁的傳熱穩(wěn)定傳熱為一維方向（X軸向）t2t2Ab根據(jù)Fourier定律，對于單層平壁有:AQdtdx x = b, t = t2x = 0, t = t11212A(/)ttQbtttbRC WA傳熱推動力傳熱阻力(=常數(shù)） 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)以單層圓筒壁為例：QdtAdr 常數(shù)2ArL于是：21212ttrrdtLrdrQ則：（1）圓筒很長（忽略邊界效應(yīng)） t t1 r1 r2 t2 0 r b QQdrbQr1r2假定: （3）各向同性，材質(zhì)均勻 ，同平壁假定（2）穩(wěn)定傳熱 L式中:121

5、21212221122lnmmmL rttttttttQLArrrbbAr 212111lnlnmrrbrrrbrr2mmAr L21brr（圓筒壁厚）（1）當(dāng)r2 / r1 2 時，采用算術(shù)平均半徑進行計算所產(chǎn)生的誤差比對數(shù)平均大約4%，在工程上是可行的。（2）當(dāng) r 時，計算公式類似于平壁公式。-對數(shù)平均半徑1212ttttQAbbA推動力對照：平壁：熱阻一.對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)1.基本概念加熱劑：起加熱作用的流體熱交換：冷、熱流體通過壁面進行熱量傳遞的過程。載熱體：運載熱量的流體。并、逆流：兩股流體流向相同（相反）的流動。冷卻劑：起冷卻作用的流體對流傳熱：運動流體與固體壁面之間

6、的熱量傳遞過程，依靠流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞，與流體流動狀況密切相關(guān)。對流傳熱速率方程:目前的工程計算仍按半經(jīng)驗法處理 T Tw t tw 傳熱Tt式中：對流傳熱系數(shù)，W/(m2)；A總傳熱面積，m2。t對流傳熱溫度差，1/A對流傳熱熱阻，/W。牛頓冷卻定律有效膜1有效膜2層流底層1tQA tA tA (1)兩流體均無相變，且流體的比熱容不隨溫度變化或可取流體平均溫度下的比熱容時，則：Q換熱器的熱負荷，kJ/h 或 kW。比熱法式中Cp流體的定壓比熱容，kJ/(kg)t冷流體的溫度，；T熱流體的溫度，。11122221()()mpmpQq cTTq ctt(2)流體有相變，例如飽和蒸汽冷凝時

7、，則：r飽和蒸汽的汽化熱，kJ/kg。式中：條件：冷凝液在飽和溫度下離開換熱器12221()mmpQq rq ctt1）在恒溫差傳熱時:2）在變溫差傳熱時:QK A TtmQK At（2）并流傳熱平均溫度差法 三類變溫差傳熱：（1）逆流從冷熱流體的傳熱情況分析積分整理:1212lnmttQK AK Attt tm為對數(shù)平均溫差。注意與對數(shù)平均半徑的類似性 T t t2 t1 0 A T1 T2 t t 0 A （3）一側(cè)發(fā)生相變時當(dāng)t1/t2 2 時,tm可用算術(shù)平均值法代替,誤差4%。注意:此式既適用于逆流，又適用于并流（有相變亦可）I)平均溫差大（當(dāng)冷、熱二流體進，出口溫度一定時）II)節(jié)

8、省冷卻劑或加熱劑用量b.并流優(yōu)勢I)控制出口端冷流體的溫度。II)高粘度流體的加熱，使溫度迅速升高，增強流動性。a.逆流操作的優(yōu)點11122221()()mpmpQq cTTq cttmQK At總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)計算公式當(dāng)冷、熱流體通過間壁換熱時，其傳熱機理如下： 即冷熱流體通過間壁換熱是一個對流-傳導(dǎo)-對流的串聯(lián)過程。熱量由高溫壁面以導(dǎo)熱方式通過間壁傳給低溫壁面；熱量由低溫壁面以對流方式傳給冷流體。熱流體以對流方式將熱量傳給高溫壁面；TwtwTt熱流體冷流體QQA1A2b11()wQTTA22()wQtt A()wwmQTtAb分別寫出各步方程:對流傳熱對流傳熱熱傳導(dǎo)對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各

9、串聯(lián)環(huán)節(jié)速率必然相等，即1122()()()wwwmwQTTATtAtt Ab112211wwwwmTTTtttQbAAATwtwTt熱流體冷流體QQA1A2b根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，可得:比較得：11221122()()()1111wwwwmmTTTtttTtQbbAAAAAA1122111mbKAAAATwtwTt熱流體冷流體QQA1A2bQKTtA與11122111mdbdKdd若取A=A1可得：22221111mbddKdd22111mmmddbKdd若取A=A2可得：若取A=Am可得：污垢熱阻:通常污垢熱阻比傳熱壁的熱阻大得多，因而設(shè)計中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響。設(shè)管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢

10、熱阻分別為11121221211ddmdbddRRKddd2dR1dR及總熱阻對流熱阻污垢熱阻導(dǎo)熱熱阻污垢熱阻對流熱阻:管式 列管式、套管式、盤管式、噴淋式等板式：螺旋板式等按結(jié)構(gòu)分為夾套式：熱管：加熱器冷卻器按用途分為 冷凝器蒸發(fā)器再沸器 換熱器間壁式換熱器分類：列管式換熱器（管殼式換熱器）列管式換熱器（管殼式換熱器）列管式（管殼式）換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅固，且能選用多種材料制造，故適應(yīng)性極強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應(yīng)用。殼體、管板、管束、頂蓋（封頭） 、擋板 縱向縱向橫向橫向一、列管式換熱器構(gòu)造溫度補償問題：1. 浮頭補償-浮頭式換熱器溫差在

11、50以上時，要考慮溫度補償問題二、列管式換熱器分類一端管板用法蘭與殼體連接固定，另一端在殼體中自由伸縮，整個管束可以由殼體中拆卸出來。適用于殼體與管束間溫差大且需經(jīng)常進行管內(nèi)外清洗的場合。2. 補償圈補償-固定管板式換熱器換熱器兩端管板和殼體是連為一體的。其特點:結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，適用于殼體和管束溫差小、管外物料比較清潔、不易結(jié)垢的場合。當(dāng)殼體和管子之間的溫差較大(6070 )且殼體承受壓力不太高時，可采用補償圈（又稱膨脹節(jié)）。3.U型管補償-U型管式換熱器用于殼體與管子間溫差大的場合，但管內(nèi)清洗比較困難。用于殼體與管子間溫差大的場合，但管內(nèi)清洗比較困難。 其它類型的間壁式換熱器一、夾套式夾套式換熱器二、沉浸式蛇管換熱器三、噴淋式換熱器四、套管式換熱器五、螺旋板換熱器：傳熱效率高傳熱效率為列管式換熱器的13倍阻力小以較低的壓力損失，處理大容量蒸氣或氣體；有自清刷能力，因其介質(zhì)呈螺旋形流動，污垢不易沉