化工原理-6章傳熱-總結(jié)

化工(huàgōng)原理

principlesofchemicalengineering

第六章傳熱(chuánrè)總結(jié)延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院精品資料第六章傳熱(chuánrè)

第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對(duì)流給熱第四節(jié)沸騰(fèiténg)給熱與冷凝給熱第五節(jié)熱輻射第六節(jié)傳熱過(guò)程的計(jì)算第七節(jié)換熱器精品資料6.1.1傳熱(chuánrè)過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用第一節(jié)概述(ɡàishù)1、原料、產(chǎn)品的加熱和冷卻一、傳熱的目的2、設(shè)備或管道需要保溫和隔熱，節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本3、廢熱能和冷量的回收再利用二、傳熱過(guò)程中冷熱流體的接觸方式1、直接接觸式傳熱2、間壁式傳熱3、蓄熱式傳熱

冷流體熱流體熱流體冷流體

蓄熱式換熱器示意圖精品資料三、載熱體及其選擇(xuǎnzé)載熱體：為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給(gōngjǐ)或取走熱量的流體對(duì)載熱體要求：1.載熱體的溫度應(yīng)易于調(diào)節(jié)2.載熱體的飽和蒸汽壓宜低，加熱時(shí)不會(huì)分解3.載熱體毒性要小，使用安全，對(duì)設(shè)備應(yīng)基本沒(méi)有腐蝕4.載熱體應(yīng)價(jià)格低廉而且容易得到精品資料6.1.2傳熱(chuánrè)過(guò)程一、傳熱(chuánrè)速率1.熱流量Q——表示換熱器傳熱的快慢

單位時(shí)間內(nèi)熱流體通過(guò)整個(gè)換熱器的傳熱面，傳遞給冷流體的熱量。單位：w2.熱通量q單位時(shí)間、通過(guò)單位傳熱面積所傳遞的熱量。單位：w/m2精品資料

三、穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)與非穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱過(guò)程中，如果傳熱系統(tǒng)中各處溫度只隨位置而變，而不隨時(shí)間而變，稱此過(guò)程為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。此時(shí)，熱流量Q為常數(shù)(chángshù)。非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱過(guò)程中，如果傳熱系統(tǒng)中各處溫度及有關(guān)物理量（如Q、q等）隨時(shí)間而變，稱此過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。精品資料物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生(fāshēng)宏觀位移。1、熱傳導(dǎo)二、傳熱(chuánrè)的基本方式流體中質(zhì)點(diǎn)的位移和混合而引起的熱量傳遞過(guò)程。2、對(duì)流給熱僅發(fā)生在液體和氣體中特點(diǎn)：流體中質(zhì)點(diǎn)有相對(duì)的宏觀位移3、熱輻射

熱輻射是以電磁波的形式發(fā)射的一種輻射能，輻射能被物體全部或部分的吸收而變?yōu)闊崮?。精品資料一、溫度場(chǎng)

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：

非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：6.2.1傅里葉(Fourier)定律(dìnglǜ)和熱導(dǎo)率第二節(jié)熱傳導(dǎo)

二、等溫面三、溫度梯度法向等溫面等溫面、溫度梯度與熱流方向精品資料

四、傅里葉(Fourier)定律(dìnglǜ)——熱傳導(dǎo)的基本定律式（6-5）注：熱流(rèliú)方向與溫度梯度方向相反五、熱導(dǎo)率Δ單位，

W/(m·K)或

W/(m·0C)

Δ

表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)；

Δ

λ=f（物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、密度、溫度、壓強(qiáng)、濕度等）精品資料

6.2.2通過(guò)(tōngguò)平壁的定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程t1δtxdxAt2t1>t2導(dǎo)體(dǎotǐ)的熱阻K/W式（6-10）式（6-9）平壁內(nèi)溫度沿壁厚呈直線關(guān)系（λ為常數(shù)）Q一、單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)精品資料二、多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)t1t2δ1tδ2δ3t2t4t3穩(wěn)態(tài)傳熱(chuánrè)式（6-19）精品資料4.2.3通過(guò)(tōngguò)圓筒壁的定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程一、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)式（6-15）式（6-16）d2/d1≥2時(shí)，dm取對(duì)數(shù)(duìshù)平均值單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻d2/d1<2時(shí)，dm取算術(shù)平均值式（6-17）精品資料二、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)精品資料第三節(jié)對(duì)流(duìliú)給熱6.3.1對(duì)流(duìliú)給熱過(guò)程分析熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過(guò)間壁的熱交換

對(duì)流給熱層流：導(dǎo)熱湍流：層流底層：導(dǎo)熱湍流主體：熱對(duì)流

一般將流動(dòng)流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層，也是傳熱的主要熱阻。

精品資料6.3.2對(duì)流給熱過(guò)程的數(shù)學(xué)(shùxué)描述一、對(duì)流(duìliú)給熱速率表達(dá)式和牛頓冷卻定律——對(duì)流給熱系數(shù)，單位W/(m2·K)——對(duì)流給熱方程式或牛頓冷卻定律Δt——壁面溫度與流體主體的平均溫度的差值，℃對(duì)流給熱過(guò)程的熱阻精品資料熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過(guò)間壁的熱交換

熱流體(liútǐ)與壁面間對(duì)流給熱：冷流體(liútǐ)與壁面間對(duì)流給熱：式（6-29）式（6-28）精品資料

可表示(biǎoshì)成或式（6-36）二、因次分析法獲得的對(duì)流(duìliú)給熱系數(shù)精品資料6.3.3無(wú)相變的對(duì)流給熱系數(shù)(xìshù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一、圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流(tuānliú)的給熱系數(shù)α式（6-40）——自然對(duì)流影響不計(jì)，Gr可省去流體被加熱b=0.4流體被冷卻b=0.3應(yīng)用范圍：

a.Re>104,b.0.7<Pr<160(不適用于金屬流體)

c.流體是低粘度的（不大于水黏度的2倍）

d.l/d>30-40（進(jìn)口段只占總長(zhǎng)的一小部分）或式（6-41）1.低粘度流體精品資料2.高粘度液體(yètǐ)適用范圍：a.Re>104,0.5<Pr<100,l/d內(nèi)≥60b.定性溫度：除黏度μw取壁溫外，其余均取流體(liútǐ)進(jìn)、出口溫度的平均值當(dāng)液體被加熱時(shí)：當(dāng)液體被冷卻時(shí)：式（6-42）μw——液體在壁溫下的黏度精品資料

3.短管l/d<30-40的管子(guǎnzi)，管入口處擾動(dòng)大，α較大，需給式(6-41)乘以校正系數(shù)φi對(duì)α校正4.Re=2000-10000的過(guò)渡流熱阻大，需給式(6-41)乘以小于1的校正(jiàozhèng)系數(shù)f式（6-43）精品資料

5.彎管由于(yóuyú)離心力的作用，擾動(dòng)加劇，給熱系數(shù)增加α—直管的給熱系數(shù)，W/(m2·oC)d—管內(nèi)徑(nèijìnɡ)，mR—彎管的曲率半徑，m式（6-44）精品資料6.非圓管強(qiáng)制(qiángzhì)湍流給熱系數(shù)de—直管的給熱系數(shù)，W/(m2·oC)d2—外管內(nèi)徑(nèijìnɡ)，md1—內(nèi)管外徑，m式（6-45）（1）定性尺寸按當(dāng)量直徑de（2）試驗(yàn)方法，例如套管d1d2精品資料二、流體在管外強(qiáng)制(qiángzhì)對(duì)流流體在圓管外垂直流過(guò)時(shí)，在管子圓周各點(diǎn)流動(dòng)情況不同，則各點(diǎn)的熱阻和對(duì)流給熱系數(shù)也不同。故需要(xūyào)整個(gè)圓周的平均給熱系數(shù)。精品資料流體在管束外橫向流過(guò)的對(duì)流給熱系數(shù)(xìshù)可按下式計(jì)算：其中(qízhōng)c、ε、n為常數(shù)，見(jiàn)下表式（6-48）精品資料依據(jù)(yījù)：熱量衡算方程+總傳熱速率方程第六節(jié)傳熱(chuánrè)過(guò)程的計(jì)算——設(shè)計(jì)型，操作型6.6.1傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述一、熱量衡算方程：對(duì)熱流體：Q=qm1cP1(T1-T2)對(duì)冷流體：Q=qm2cP2(t2-t1)精品資料二、傳熱(chuánrè)速率方程twTw對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ（6-115）（6-114）K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)——各環(huán)節(jié)(huánjié)熱阻，[W/(m2·K)]-1熱阻較大的一側(cè)稱為：控制側(cè)（控制步驟）精品資料（6-117）d1d2α2內(nèi)表面(biǎomiàn)外表面(biǎomiàn)dm——d1和d2的對(duì)數(shù)平均值精品資料三、污垢(wūgòu)熱阻污垢(wūgòu)熱阻一般不可忽略。一般，污垢(wūgòu)熱阻只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定之。如換熱器管壁兩側(cè)的污垢熱阻分別用R1

和

R2表示,則傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：（6-118）精品資料以內(nèi)表面(biǎomiàn)為基準(zhǔn)以外表面(biǎomiàn)為基準(zhǔn)精品資料四、壁溫估算(ɡūsuàn)此式表明：傳熱面兩側(cè)溫差之比等于(děngyú)兩側(cè)熱阻之比,壁溫Tw必接近于熱阻較小或給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度。（6-119）精品資料（6-132）（6-131）其中(qízhōng)——對(duì)數(shù)平均溫差或者(huòzhě)對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力，單位：℃或者(huòzhě)K?！獋鳠峄痉匠淌?.6.2傳熱過(guò)程基本方程精品資料精品資料整個(gè)(zhěnggè)換熱器的熱量衡算為：（6-129）精品資料6.6.3換熱器的設(shè)計(jì)(shèjì)型計(jì)算一、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題方式設(shè)計(jì)任務(wù)：將一定流量qm1的熱流體自給定溫度(wēndù)T1冷卻至指定溫度(wēndù)T2。設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)溫度(wēndù),即冷流體的進(jìn)口溫度(wēndù)t1。計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器其它有關(guān)尺寸。精品資料二、設(shè)計(jì)型問(wèn)題的計(jì)算方法設(shè)計(jì)計(jì)算的大致步驟如下：1.首先由傳熱任務(wù)計(jì)算換熱器的熱流量(通常稱之為熱負(fù)荷)Q=qm1cP1(T1－T2)=qm2cP2(t2－t1)2.作出適當(dāng)?shù)倪x擇(xuǎnzé)并計(jì)算平均推動(dòng)力Δtm。3.計(jì)算冷、熱流體與管壁的對(duì)流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)K；4.由傳熱基本方程Q=KAΔtm計(jì)算傳熱面積。精品資料三、設(shè)計(jì)型計(jì)算中參數(shù)的選擇為確定所需的傳熱面積,必須求Δtm和K。為計(jì)算Δtm,設(shè)計(jì)者首先必須1.選擇流體的流向,即決定采用逆流、并流還是其它復(fù)雜流動(dòng)方式；2.選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度。為求得傳熱系數(shù)K,須計(jì)算兩側(cè)的給熱系數(shù)α,故設(shè)計(jì)者必須決定：1.冷、熱流體各走管內(nèi)(ɡuǎnnèi)還是管外；2.選擇適當(dāng)?shù)牧魉?。同時(shí),還必須選定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙?。精品資料四、選擇的依據(jù)選擇的依據(jù)不外經(jīng)濟(jì)、技術(shù)兩個(gè)方面。1.流向的選擇逆流操作的平均推動(dòng)力大于并流,在一般情況下,逆流操作總是優(yōu)于并流,應(yīng)盡量采用。但是,對(duì)于(duìyú)某些熱敏性物料的加熱過(guò)程,并流操作可避免出口溫度過(guò)高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。另外,在某些高溫?fù)Q熱器中,逆流操作的最高溫度t2和T1集中在一端,會(huì)使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫,可采用并流,以延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。精品資料2.冷卻介質(zhì)出口溫度的選擇冷卻介質(zhì)出口溫度t2越高,其用量越少,回收的能量的價(jià)值也越高,同時(shí),輸送流體的動(dòng)力(dònglì)消耗即操作費(fèi)用也減小。但是,t2越高,傳熱過(guò)程的平均推動(dòng)力(dònglì)Δtm越小,所需的加熱面積A也越大,設(shè)備投資費(fèi)用增加。精品資料3.流速的選擇一方面涉及傳熱系數(shù)K即所需傳熱面的大小,另一方面又與流體(liútǐ)通過(guò)換熱面的阻力損失有關(guān)。但不管怎樣,在可能的條件下,管內(nèi)、外都必須盡量避免層流狀態(tài)。除以上所述,還有多種選擇因素,設(shè)計(jì)換熱器需要全面而周全的考慮。精品資料換熱器的分類：一、按用途(yòngtú)加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等。二、按傳熱方式

第七節(jié)換熱器3、蓄熱式1、間壁式三、按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)(jiégòu)分類1、管式換熱器2、板式換熱器2、直接接觸式精品資料6.7.1

間壁式換熱器

1、套管(tàoɡuǎn)換熱器一、管式換熱器2、蛇管換熱器①沉浸(chénjìn)式蛇管換熱器②噴淋式換熱器3、列管換熱器——化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛精品資料①.固定管板式——加熱補(bǔ)償圈/膨脹節(jié)②浮頭(fútóu)式換熱器③U型管式換熱器精品資料1、夾套式換熱器二、板式(bǎnshì)換熱器2、平板式換熱器3、螺旋(luóxuán)板式換熱器4、板翅式換熱器精品資料6.7.2列管式換熱器的設(shè)計(jì)(shèjì)與選用1．流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則2．流體流速的選擇

3．流體進(jìn)、出口溫度的確定

4．提高管內(nèi)傳熱系數(shù)的方法——多程

5．提高管外傳熱系數(shù)的方法——裝置擋板

6．管子的規(guī)格和管間距列管式換熱器設(shè)計(jì)或選用時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題精品資料（1）不清潔或易結(jié)垢的流體，宜走容易清洗的一側(cè)。對(duì)于(duìyú)直管管束易走管程；對(duì)于(duìyú)U形管束宜走殼程。（2）腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。（3）壓力高的流體宜走管程，以避免制造耐高壓的殼體。（4）飽和蒸汽宜走殼程，以便于排出冷凝液。（5）需要冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。（6）有毒流體宜走管程，使向環(huán)境泄漏機(jī)會(huì)減少。（7）黏度大而流量小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，流速和流向不斷改變，在低Re（Re＜100）數(shù)下即可達(dá)到湍流。一、流體流經(jīng)管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則精品資料流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流體阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，不僅對(duì)流傳熱系數(shù)增大，也可減少雜質(zhì)沉淀或結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增大。故應(yīng)選擇適宜(shìyí)的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。選擇流速時(shí)，應(yīng)盡量避免在層流下流動(dòng)。列管換熱器中不同黏度液體的常用(chánɡyònɡ)流速列管換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度列管換熱器中常用的流速范圍二、流體流速的選擇精品資料換熱器內(nèi)兩股流體進(jìn)、出口溫度，常由生產(chǎn)過(guò)程的工藝條件所決定，但在某些情況下則應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，冷卻水進(jìn)口溫度往往由水源及當(dāng)?shù)貧鉁貤l件所決定的，但冷卻水出口溫度則需要在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。據(jù)一般(yībān)的經(jīng)驗(yàn)，冷卻水的溫度差可取5~10℃。缺水地區(qū)可選用較大溫度差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫度差。若用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。三、流體進(jìn)、出口溫度(wēndù)的確定精品資料當(dāng)流體流量較小而所需傳熱面積較大，即管數(shù)多，管內(nèi)流速較低時(shí)，為了提高流速，增大管程對(duì)流給熱系數(shù)，可采用多程，即在換熱器封頭內(nèi)裝置隔板(ɡébǎn)。但程數(shù)多時(shí)，隔板(ɡébǎn)占去了布管面積，使管板上能利用的面積少，導(dǎo)致管程流體阻力增加，平均溫度差下降。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些問(wèn)題。列管換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4、6四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。四、提高(tígāo)管內(nèi)傳熱系數(shù)的方法——多程精品資料安裝擋板的目的是為了加大殼程流體(liútǐ)的速度，使湍動(dòng)程度加劇，提高殼程流體(liútǐ)的對(duì)流給熱系數(shù)。五、提高管外膜系數(shù)(xìshù)的方法——裝置擋板精品資料六、管子(guǎnzi)的規(guī)格和