第三章传热精选文档.ppt

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1、第三章传热本讲稿第一页，共四十五页n n一传热在化工生产中的应用一传热在化工生产中的应用n n三传热基本方式及设备三传热基本方式及设备表3-1（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；（2）换热，回收热能；（3）保温或隔热。n n二工业中常用的加热剂和冷却剂二工业中常用的加热剂和冷却剂热传导对流传热辐射传热传热方式直形冷凝管 蛇形冷凝管 列管换热器 混合式间壁式蓄热式传热设备类型本讲稿第二页，共四十五页 四、传热中的一些基本概念四、传热中的一些基本概念1.温度场、等温面和温度梯度温度场、等温面和温度梯度温度分布：等温度线温度梯度：沿法线方向的温度变化 温度场：温度分布的总和。温度、位置、时间定态

2、温度场、非定态温度场本讲稿第三页，共四十五页 热阻 式中：K 总传热系数 2传热速率与热通量传热速率与热通量传热速率传热速率：单位时间通过传热面的热量，W热通量热通量：单位时间内通过单位传热面积传递的热量。本讲稿第四页，共四十五页4两流体通过间壁的传热过程两流体通过间壁的传热过程3定态传热与非定态传热定态传热与非定态传热定态传热：各点温度不随时间变化 （连续生产过程中）对流传热导热（热传导）对流传热本讲稿第五页，共四十五页2 热传导n n一热传导机理简介一热传导机理简介一热传导机理简介一热传导机理简介电子、原子、分子微观运动或碰撞由高温向低温？n n二傅立叶定律二傅立叶定律Q 导热速率，W热导

3、率(导热系数)，W/(mK)A 导热面积，垂直于热流方向的面积m2本讲稿第六页，共四十五页n n三导热系数三导热系数三导热系数三导热系数单位温度梯度、单位面积的传热速率主要由材料性质决定(表3-2),图3-3,3-4随温度的变化:式中：温度系数 大多数金属材料和液体为负值 大多数非金属材料和气体为正值 其他影响因数：内部结构：紧密，大 湿度：湿度大，大 压强：一般不考虑（包括气体）当p2000atm时，p，本讲稿第七页，共四十五页n n四单层平壁的定态热传导四单层平壁的定态热传导四单层平壁的定态热传导四单层平壁的定态热传导(相当于K）(相当于R）本讲稿第八页，共四十五页n n五单层圆筒壁的稳态

4、热传导五单层圆筒壁的稳态热传导五单层圆筒壁的稳态热传导五单层圆筒壁的稳态热传导在圆筒内外壁区间积分即 本讲稿第九页，共四十五页n n讨论单层圆筒壁热阻讨论单层圆筒壁热阻讨论单层圆筒壁热阻讨论单层圆筒壁热阻：n n讨论半径的平均值讨论半径的平均值讨论半径的平均值讨论半径的平均值：当本讲稿第十页，共四十五页1.多层平壁的定态传热多层平壁的定态传热定态传热串联：R=R1+R2+R3 Ri 越大，分配在各层的ti 越大六、多层壁的定态热传导六、多层壁的定态热传导本讲稿第十一页，共四十五页2.多层圆筒壁的稳态热传导多层圆筒壁的稳态热传导 求每米管长的损失 记为 q l本讲稿第十二页，共四十五页3 对流传

5、热n n一对流传热过程分析一对流传热过程分析一对流传热过程分析一对流传热过程分析1.自然对流与强制对流2对流传热的膜理论模型-层流底层厚度-有效膜厚度 二牛顿冷却定律二牛顿冷却定律-对流传热系数（膜系数，给热系数）本讲稿第十三页，共四十五页n n三对流传热系数研究方法三对流传热系数研究方法三对流传热系数研究方法三对流传热系数研究方法1.影响对流传统系数的因素影响对流传统系数的因素：流体的物理性质：密度，比热容cp,体积膨胀系数，粘度，热导率流体对流起因:强制对流或自然对流流体流动状态：层流或湍流流体的相态变化传热面的情况本讲稿第十四页，共四十五页Nu:努塞尔数 Pr:普兰特数 表示流体物性对对

6、流传热的影响Gr:格拉晓夫数 表示自然对流对对流传热的影响2.对流传热系数的影响因素的量纲分析和无因次化对流传热系数的影响因素的量纲分析和无因次化表示对流传热系数的特征数（l 为特征尺寸）3.实验安排与数据处理实验安排与数据处理 适当简化，实验数据确定指数和系数本讲稿第十五页，共四十五页n n四、对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的经验关联式1 无相变1.1 流体在管内强制对流传热1.1.1 圆形直管强制湍流1.1.1.1 低粘度流体 或 1.1.1.2 高粘度流体2 有相变 2.1 蒸气冷凝时的对流传热2.1.1 蒸汽在水平管外冷

7、凝 2.2.2 蒸汽在垂直管外冷凝本讲稿第十六页，共四十五页n n五、选择对流传热系数关联式的注意事项五、选择对流传热系数关联式的注意事项五、选择对流传热系数关联式的注意事项五、选择对流传热系数关联式的注意事项(1)针对所要解决的传热问题类型,选择适当的关联式.(2)注意关联式的应用范围、特征尺寸和定性温度(3)注意正确使用各物理的单位（按要求的单位）1.圆形直管内无相变对流传热 条件：（1）Re10000（完全湍流）(2)0.6Pr50（管长较大）(4)低粘度。例例：3-4本讲稿第十七页，共四十五页3.值的大致范围2.流体在列管换热器壳程中流动（有折流挡板 ）管子正方形排列时：管子正三角形排

8、列时：表3-6适用范围：Re=21031106本讲稿第十八页，共四十五页4 传热过程计算传热过程计算n n一、热量衡算一、热量衡算一、热量衡算一、热量衡算列管式换热器 冷、热两流体Q：热负荷，W质量流量，kg/s 有相变时 无相变时 本讲稿第十九页，共四十五页n n二、总传热系数二、总传热系数二、总传热系数二、总传热系数热流体冷流体 间壁 1平壁传热热流体 壁面外侧 对流传热 热阻R1壁面外侧 壁面内侧 热传导 热阻R2壁面内侧 冷流体 对流传热 热阻R3 或 总传热系数本讲稿第二十页，共四十五页2圆筒壁传热圆筒壁传热圆管内径di、外径do内表面积Ai、外表面积Ao 以外表面积Ao 为基准的总

9、传热系数以平均传热面积Ao 为基准的总传热系数以内表面积Ai 的总传热系数本讲稿第二十一页，共四十五页若考虑污垢热阻式中：为外侧、内侧污垢的热阻 与前述热阻不同量纲（热阻的单位是K/W,Rd的单位为m2K/W）为污垢系数 不特别说明时，一般指Ko 3换热器中总传热系数经验值换热器中总传热系数经验值常依赖经验值 p165本讲稿第二十二页，共四十五页n n三、传热平均温度差三、传热平均温度差恒温传热与变温传热恒温传热与变温传热？一侧为饱和蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾分多种情况 逆流 并流 错流垂直交叉 折流时而逆流，时而并流 热热器中传热温度差 本讲稿第二十三页，共四十五页假设：热、冷流体的质量流量

10、G1与G2均为常数1.逆流和并流时的平均温度差逆流和并流时的平均温度差 冷热流体的比热容cp1和cp2及总传热系数K均不变 忽略换热器的热损失本讲稿第二十四页，共四十五页对数平均温度差 注意：是指同一物理位置冷热流体得温度差 例：列管式换热器 热流体 98oC 75 oC冷流体 5 oC 65 oC 求并流、逆流时的 本讲稿第二十五页，共四十五页逆流 并流：2.折流和错流的平均温度差折流和错流的平均温度差查图P139 本讲稿第二十六页，共四十五页3关于平均温度差的讨论关于平均温度差的讨论逆流时平均温度差最大，并流时最小。若有一流体温度不变，则与流向无关。错流、折流可满足某些换热器结构要求。并流

11、适用于控制温度：冷流体被加热时不得超过某一温度 热流体冷却时不得低于某一温度。本讲稿第二十七页，共四十五页n n四、传热计算四、传热计算1传热过程的设计计算传热过程的设计计算求完成换热任务所需的传热面积已知:Q；选择适当操作条件，得平均温度差和K；计算传热面积。设备参数已知，预测操作结果。2传热过程的操作型计算传热过程的操作型计算已知:A；根据传热要求得Q，选择适当操作条件求K；计算操作的结果（如出口温度）。例3-11例3-13本讲稿第二十八页，共四十五页3壁温计算壁温计算4总传热速率方程与热量平衡方程的联用总传热速率方程与热量平衡方程的联用本讲稿第二十九页，共四十五页5 辐射传热辐射传热热辐

12、射：物体由“热”引起的电磁波辐射0 K以上的物体都能发射辐射能 热辐射主要在0.38100m（可见红外区）吸收 反射 透过吸收率,反射率,透过率绝对黑体,白体,透热体本讲稿第三十页，共四十五页n n二物体的辐射能力二物体的辐射能力辐射能力：单位表面积，单位时间内发射的能量W/m2（与热通量同）1黑体辐射能力黑体辐射能力Stefan-Boltzmann定律：黑体辐射常数，C0：黑体辐射系数，E0：黑体辐射能力，W/m25.6710-8W/(m2K4)本讲稿第三十一页，共四十五页2实际物体的辐射能力实际物体的辐射能力黑度 灰体灰体：黑度不随波长而变化大多工程上的物体可近似看作灰体 本讲稿第三十二页

13、，共四十五页克希霍夫定律克希霍夫定律：任何灰体灰体的辐射能力与其吸收率的比值 等于同温度下绝对黑体的辐射能力 在同一温度下物体的吸收率与黑度数值上相等（证明略）太阳光下不同颜色物体间温度趋于一致太阳光下不同颜色物体间温度趋于一致?3.灰体的辐射能力和吸收能力灰体的辐射能力和吸收能力本讲稿第三十三页，共四十五页n n三两固体间的辐射传热三两固体间的辐射传热与两物体的材料、温度及表面状况（大小、形状、距离）有关。C1-2总辐射系数，材料性质-角系数，表面状况 两个面积为无限大而距离很近的平行平壁：两个面积为无限大而距离很近的平行平壁：本讲稿第三十四页，共四十五页很大的物体很大的物体2包住物体包住物

14、体1：A 为小物体表面积 一物体被另一物体包围一物体被另一物体包围:(2包围包围1)2121辐射传热的强化与削弱辐射传热的强化与削弱1.改变物体表面的黑度2.2.采用遮热板本讲稿第三十五页，共四十五页n n四设备热损失计算四设备热损失计算四设备热损失计算四设备热损失计算Q=QC +QR 对流传热 热辐射 本讲稿第三十六页，共四十五页6 换热器换热器n n一、间壁式换热器一、间壁式换热器间壁式换热器直接接触式换热器 蓄热式换热器1夹套式换热器必要时加蛇管设挡板 本讲稿第三十七页，共四十五页3套管式换热器4喷淋式换热器6板式换热器8板翅式换热器7螺旋板式换热器2沉浸式换热器5列管式换热器固定管板式

15、浮头式 U型管式(可加补偿圈)本讲稿第三十八页，共四十五页9.热管换热器热管换热器本讲稿第三十九页，共四十五页n n二、列管式换热器的设计与选型中相关条件的选择二、列管式换热器的设计与选型中相关条件的选择二、列管式换热器的设计与选型中相关条件的选择二、列管式换热器的设计与选型中相关条件的选择1流体流经管程或壳程的选择原则流体流经管程或壳程的选择原则 2流速流量的选择流速流量的选择(1)不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧;(2)腐蚀性的流体宜走管程;(3)压力高的流体宜走管程;(4)饱和蒸汽宜走壳程；(5)有毒流体宜走管程;(6)需要提高流速的流体宜走管程;(7)对于固定管板式换热器要考虑应

16、力.经济上最优化依赖经验值本讲稿第四十页，共四十五页装有圆缺折流板的列管换热器 圆缺折流板管板4折流挡板折流挡板3换热器管规格和排列方式换热器管规格和排列方式192mm、252.5mm,管长有1.5，2，3或6m d0td0td0t正方形直列 正方形错列 正三角形缺口高度:直径的0.150.45倍本讲稿第四十一页，共四十五页n n三、列管式换热器的选型计算三、列管式换热器的选型计算三、列管式换热器的选型计算三、列管式换热器的选型计算(1)试算并初选设备型号(2)计算管程、壳程压强降 经验公式(3)计算总传热系数,校核传热面积 由选定的结构信息和操作条件，计算对流传热系数；选定垢层热阻，求总传热

17、系数；由传热速率方程计算所需面积。A/A计=1.151.25本讲稿第四十二页，共四十五页n n一、换热器中传热过程的强化一、换热器中传热过程的强化一、换热器中传热过程的强化一、换热器中传热过程的强化2.增大单位体积的传热面积A/V1.增大传热平均温度差 3.增大总传热系数（减小热阻）温度更高的加热剂或温度更低的冷却剂;提高加热剂或冷却剂的流量.翅片、波纹管提高流体的流速或湍动程度防止结垢或及时清除表面垢层7 传热过程的强化传热过程的强化n n二、换热网络的优化二、换热网络的优化二、换热网络的优化二、换热网络的优化n n三、换热器中污垢的产生、阻垢和清洗三、换热器中污垢的产生、阻垢和清洗三、换热

18、器中污垢的产生、阻垢和清洗三、换热器中污垢的产生、阻垢和清洗本讲稿第四十三页，共四十五页例例:25mm2.5mm25mm2.5mm的钢管的钢管,外包有热导率为外包有热导率为0.4W/(m.K)0.4W/(m.K)的保温材料的保温材料,以减少热损失以减少热损失.已知钢管外壁温度已知钢管外壁温度t t1 1=320=320,环境环境t t0 0=20=20.求保温层求保温层厚度为厚度为10mm,20mm,27.5mm,40mm,50mm,60mm,70mm10mm,20mm,27.5mm,40mm,50mm,60mm,70mm时时,每米管长的热损失每米管长的热损失.已知保温层外表面与环境的对流传热

19、系数为已知保温层外表面与环境的对流传热系数为10W/(m10W/(m2 2.K),.K),保温层与钢保温层与钢管接触良好管接触良好.解:保温层厚保温层厚度度/mm/mm1010202027.527.54040505060607070总热阻总热阻/(m/(m2 2.K/W).K/W)0.9410.9410.8700.8700.8610.8610.8740.8740.8950.8950.9190.9190.9940.994热损失热损失/(W/m)/(W/m)319319345345348348343343335335326326318318本讲稿第四十四页，共四十五页本章重点本章重点:1.平壁和圆筒壁的热传导2.对流传热系数计算 圆形直管内强制对流的对流传热系数3.传热计算 传热面积,传热平均温度差,总传热系数4.一物体被另一物体包围时的辐射传热本讲稿第四十五页，共四十五页