化工(huàgōng)原理

principlesofchemicalengineering

第六章傳熱(chuánrè)總結延安大學化學與化工學院精品資料第六章傳熱(chuánrè)

第一節概述第二節熱傳導第三節對流給熱第四節沸騰(fèiténg)給熱與冷凝給熱第五節熱輻射第六節傳熱過程的計算第七節換熱器精品資料6.1.1傳熱(chuánrè)過程在化工生產中的應用第一節概述(ɡàishù)1、原料、產品的加熱和冷卻一、傳熱的目的2、設備或管道需要保溫和隔熱，節省能源，降低生產成本3、廢熱能和冷量的回收再利用二、傳熱過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載熱體要求：1.載熱體的溫度應易于調節2.載熱體的飽和蒸汽壓宜低，加熱時不會分解3.載熱體毒性要小，使用安全，對設備應基本沒有腐蝕4.載熱體應價格低廉而且容易得到精品資料6.1.2傳熱(chuánrè)過程一、傳熱(chuánrè)速率1.熱流量Q——表示換熱器傳熱的快慢

單位時間內熱流體通過整個換熱器的傳熱面，傳遞給冷流體的熱量。單位：w2.熱通量q單位時間、通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。單位：w/m2精品資料

三、穩態傳熱(chuánrè)與非穩態傳熱(chuánrè)穩態傳熱：傳熱過程中，如果傳熱系統中各處溫度只隨位置而變，而不隨時間而變，稱此過程為穩態傳熱過程。此時，熱流量Q為常數(chángshù)。非穩態傳熱：傳熱過程中，如果傳熱系統中各處溫度及有關物理量（如Q、q等）隨時間而變，稱此過程為非穩態傳熱過程。精品資料物體中的分子或質點不發生(fāshēng)宏觀位移。1、熱傳導二、傳熱(chuánrè)的基本方式流體中質點的位移和混合而引起的熱量傳遞過程。2、對流給熱僅發生在液體和氣體中特點：流體中質點有相對的宏觀位移3、熱輻射

熱輻射是以電磁波的形式發射的一種輻射能，輻射能被物體全部或部分的吸收而變為熱能。精品資料一、溫度場

穩態溫度場：

非穩態溫度場：6.2.1傅里葉(Fourier)定律(dìnglǜ)和熱導率第二節熱傳導

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、熱導率Δ單位，

W/(m·K)或

W/(m·0C)

Δ

表示物質導熱能力的強弱，是物質的一種物理性質；

Δ

λ=f（物質的結構、組成、密度、溫度、壓強、濕度等）精品資料

6.2.2通過(tōngguò)平壁的定態導熱過程t1δtxdxAt2t1>t2導體(dǎotǐ)的熱阻K/W式（6-10）式（6-9）平壁內溫度沿壁厚呈直線關系（λ為常數）Q一、單層平壁的穩態熱傳導精品資料二、多層平壁的穩態熱傳導t1t2δ1tδ2δ3t2t4t3穩態傳熱(chuánrè)式（6-19）精品資料4.2.3通過(tōngguò)圓筒壁的定態導熱過程一、單層圓筒壁的熱傳導式（6-15）式（6-16）d2/d1≥2時，dm取對數(duìshù)平均值單層圓筒壁的導熱熱阻d2/d1<2時，dm取算術平均值式（6-17）精品資料二、多層圓筒壁的熱傳導精品資料第三節對流(duìliú)給熱6.3.1對流(duìliú)給熱過程分析熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過間壁的熱交換

對流給熱層流：導熱湍流：層流底層：導熱湍流主體：熱對流

一般將流動流體中存在溫度梯度的區域稱為傳熱邊界層，也是傳熱的主要熱阻。

精品資料6.3.2對流給熱過程的數學(shùxué)描述一、對流(duìliú)給熱速率表達式和牛頓冷卻定律——對流給熱系數，單位W/(m2·K)——對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，℃對流給熱過程的熱阻精品資料熱流體冷流體TtTwtWΦΦ

流體通過間壁的熱交換

熱流體(liútǐ)與壁面間對流給熱：冷流體(liútǐ)與壁面間對流給熱：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流(duìliú)給熱系數精品資料6.3.3無相變的對流給熱系數(xìshù)的經驗關聯式一、圓形直管內強制湍流(tuānliú)的給熱系數α式（6-40）——自然對流影響不計，Gr可省去流體被加熱b=0.4流體被冷卻b=0.3應用范圍：

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（進口段只占總長的一小部分）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≥60b.定性溫度：除黏度μw取壁溫外，其余均取流體(liútǐ)進、出口溫度的平均值當液體被加熱時：當液體被冷卻時：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)，管入口處擾動大，α較大，需給式(6-41)乘以校正系數φi對α校正4.Re=2000-10000的過渡流熱阻大，需給式(6-41)乘以小于1的校正(jiàozhèng)系數f式（6-43）精品資料

5.彎管由于(yóuyú)離心力的作用，擾動加劇，給熱系數增加α—直管的給熱系數，W/(m2·oC)d—管內徑(nèijìnɡ)，mR—彎管的曲率半徑，m式（6-44）精品資料6.非圓管強制(qiángzhì)湍流給熱系數de—直管的給熱系數，W/(m2·oC)d2—外管內徑(nèijìnɡ)，md1—內管外徑，m式（6-45）（1）定性尺寸按當量直徑de（2）試驗方法，例如套管d1d2精品資料二、流體在管外強制(qiángzhì)對流流體在圓管外垂直流過時，在管子圓周各點流動情況不同，則各點的熱阻和對流給熱系數也不同。故需要(xūyào)整個圓周的平均給熱系數。精品資料流體在管束外橫向流過的對流給熱系數(xìshù)可按下式計算：其中(qízhōng)c、ε、n為常數，見下表式（6-48）精品資料依據(yījù)：熱量衡算方程+總傳熱速率方程第六節傳熱(chuánrè)過程的計算——設計型，操作型6.6.1傳熱過程的數學描述一、熱量衡算方程：對熱流體：Q=qm1cP1(T1-T2)對冷流體：Q=qm2cP2(t2-t1)精品資料二、傳熱(chuánrè)速率方程twTw對流對流導熱冷流體熱流體tTQ（6-115）（6-114）K——總傳熱系數，W/(m2·K)——各環節(huánjié)熱阻，[W/(m2·K)]-1熱阻較大的一側稱為：控制側（控制步驟）精品資料（6-117）d1d2α2內表面(biǎomiàn)外表面(biǎomiàn)dm——d1和d2的對數平均值精品資料三、污垢(wūgòu)熱阻污垢(wūgòu)熱阻一般不可忽略。一般，污垢(wūgòu)熱阻只能根據經驗數據確定之。如換熱器管壁兩側的污垢熱阻分別用R1

和

R2表示,則傳熱系數可由下式計算：（6-118）精品資料以內表面(biǎomiàn)為基準以外表面(biǎomiàn)為基準精品資料四、壁溫估算(ɡūsuàn)此式表明：傳熱面兩側溫差之比等于(děngyú)兩側熱阻之比,壁溫Tw必接近于熱阻較小或給熱系數較大一側的流體溫度。（6-119）精品資料（6-132）（6-131）其中(qízhōng)——對數平均溫差或者(huòzhě)對數平均推動力，單位：℃或者(huòzhě)K。——傳熱基本方程式6.6.2傳熱過程基本方程精品資料精品資料整個(zhěnggè)換熱器的熱量衡算為：（6-129）精品資料6.6.3換熱器的設計(shèjì)型計算一、設計型計算的命題方式設計任務：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。設計條件：可供使用的冷卻介質溫度(wēndù),即冷流體的進口溫度(wēndù)t1。計算目的：確定經濟上合理的傳熱面積及換熱器其它有關尺寸。精品資料二、設計型問題的計算方法設計計算的大致步驟如下：1.首先由傳熱任務計算換熱器的熱流量(通常稱之為熱負荷)Q=qm1cP1(T1－T2)=qm2cP2(t2－t1)2.作出適當的選擇(xuǎnzé)并計算平均推動力Δtm。3.計算冷、熱流體與管壁的對流給熱系數及總傳熱系數K；4.由傳熱基本方程Q=KAΔtm計算傳熱面積。精品資料三、設計型計算中參數的選擇為確定所需的傳熱面積,必須求Δtm和K。為計算Δtm,設計者首先必須1.選擇流體的流向,即決定采用逆流、并流還是其它復雜流動方式；2.選擇冷卻介質的出口溫度。為求得傳熱系數K,須計算兩側的給熱系數α,故設計者必須決定：1.冷、熱流體各走管內(ɡuǎnnèi)還是管外；2.選擇適當的流速。同時,還必須選定適當的污垢熱阻。精品資料四、選擇的依據選擇的依據不外經濟、技術兩個方面。1.流向的選擇逆流操作的平均推動力大于并流,在一般情況下,逆流操作總是優于并流,應盡量采用。但是,對于(duìyú)某些熱敏性物料的加熱過程,并流操作可避免出口溫度過高而影響產品質量。另外,在某些高溫換熱器中,逆流操作的最高溫度t2和T1集中在一端,會使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫,可采用并流,以延長換熱器的使用壽命。精品資料2.冷卻介質出口溫度的選擇冷卻介質出口溫度t2越高,其用量越少,回收的能量的價值也越高,同時,輸送流體的動力(dònglì)消耗即操作費用也減小。但是,t2越高,傳熱過程的平均推動力(dònglì)Δtm越小,所需的加熱面積A也越大,設備投資費用增加。精品資料3.流速的選擇一方面涉及傳熱系數K即所需傳熱面的大小,另一方面又與流體(liútǐ)通過換熱面的阻力損失有關。但不管怎樣,在可能的條件下,管內、外都必須盡量避免層流狀態。除以上所述,還有多種選擇因素,設計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、蒸發器等。二、按傳熱方式

第七節換熱器3、蓄熱式1、間壁式三、按換熱器傳熱面的形狀和結構(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——化工生產中應用最為廣泛精品資料①.固定管板式——加熱補償圈/膨脹節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列管式換熱器的設計(shèjì)與選用1．流體流經管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則2．流體流速的選擇

3．流體進、出口溫度的確定

4．提高管內傳熱系數的方法——多程

5．提高管外傳熱系數的方法——裝置擋板

6．管子的規格和管間距列管式換熱器設計或選用時應考慮的問題精品資料（1）不清潔或易結垢的流體，宜走容易清洗的一側。對于(duìyú)直管管束易走管程；對于(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，增強冷卻效果。（6）有毒流體宜走管程，使向環境泄漏機會減少。（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）數下即可達到湍流。一、流體流經管程或殼程的選擇(xuǎnzé)原則精品資料流體流速的選擇涉及到傳熱系數、流體阻力及換熱器結構等方面。增大流速，不僅對流傳熱系數增大，也可減少雜質沉淀或結垢，但流體阻力也相應增大。故應選擇適宜(shìyí)的流速，通常根據經驗選取。選擇流速時，應盡量避免在層流下流動。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兩股流體進、出口溫度，常由生產過程的工藝條件所決定，但在某些情況下則應在設計時加以確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，冷卻水進口溫度往往由水源及當地氣溫條件所決定的，但冷卻水出口溫度則需要在設計換熱器時確定。為了節約用水，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。據一般(yībān)的經驗，冷卻水的溫度差可取5~10℃。缺水地區可選用較大溫度差，水源豐富地區可選用較小的溫度差。若用加熱介質加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。三、流體進、出口溫度(wēndù)的確定精品資料當流體流量較小而所需傳熱面積較大，即管數多，管內流速較低時，為了提高流速，增大管程對流給熱系數，可采用多程，即在換熱器封頭內裝置隔板(ɡébǎn)。但程數多時，隔板(ɡébǎn)占去了布管面積，使管板上能利用的面積少，導致管程流體阻力增加，平均溫度差下降。設計時應綜合考慮這些問題。列管換熱器系列標準中管程數有1、2、4、6四種。采用多程時，通常應使每程的管子數相等。四、提高(tígāo)管內傳熱系數的方法——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，使湍動程度加劇，提高殼程流體(liútǐ)的對流給熱系數。五、提高管外膜系數(xìshù)的方法——裝置擋板精品資料六、管子(guǎnzi)的規格和