第四章_传热学习.pptx

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1、4.1 概述 第1页/共77页4.1 概述典型的间壁式换热器套管式换热器单程列管式换热器双程列管式换热器第2页/共77页4.1 概述热载体及其选择载热体的温度易调节控制载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备价格便宜，来源容易第3页/共77页4.2 热传导4-2-1 基本概念及傅立叶定律第4页/共77页一 温度场和温度梯度1)温度场非稳态温度场：稳态温度场：稳态的一维温度场2)等温面等温面 任何温度不同的等温面彼此不相交 在等温面上的任何点之间无热量传递 不同温度的等温面之间有热传递第5页/共77页3)温度梯度 t和t+t两等温面间的垂直距离n温度梯度是

2、向量，其正方向垂直于等温面为温度升高的方向第6页/共77页二 傅立叶定律 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面成正比 Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，WA：导热面积，m2：导热系数，W/（m）第7页/共77页4-2-2 导热系数导热系数的物理意义热流密度（热通量）：单位温度梯度下的热通量金属 非金属 液体 气体为物质的物理性质第8页/共77页4-2-2 导热系数固体导热系数金属纯度：纯度越高越大T：T 非金属：T：T 大多数固体：=o（1+t）对于金属，0液体导热系数气体导热系数T：T P：P 第9页/共77页4-2-3 单层平壁的稳态热传导一单层平壁的热传导t=f(x

3、)假设：i.为常数或取壁面范围内的平均值为常数或取壁面范围内的平均值ii.平壁面积与厚度相比无限大平壁面积与厚度相比无限大根据傅立叶定律：平壁间的热传导公式xy第10页/共77页4-2-3 单层平壁的稳态热传导二 多层平壁的稳态热传导123t1t2t3t4t1 t2 t3 t4稳态导热时，Q=Q1=Q2=Q3第11页/共77页4-2-3 通过平壁的稳态热传导二 多层平壁的热传导o 接触热阻各层的热阻越大，温度差越大121 2第12页/共77页4-2-4 圆筒壁的稳态热传导一 单层圆筒壁的热传导温度仅沿半径方向有变化，且为稳态的一维热传导温度仅沿半径方向有变化，且为稳态的一维热传导取半径为取半径

4、为r r，厚度，厚度drdr，温度差，温度差dtdt的微圆筒的微圆筒传热面积：传热面积：2 2rl rl根据傅立叶定律根据傅立叶定律：单层圆筒壁的热传导公式第13页/共77页4-2-4 圆筒壁的稳态热传导把单层圆筒壁的热传导写成平壁热传导形式把单层圆筒壁的热传导写成平壁热传导形式rm为圆筒的平均半径r rmm：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径第14页/共77页4-2-4 圆筒壁的稳态热传导Am的另一种表示方式 圆筒壁热阻的另一种表示方式圆筒壁热阻的另一种表示方式 对数平均值对数平均值 x1/x2比值越大时，（对数平均值/

5、算术平均值）越大当当x x1 1/x/x2 2=2=2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为4%4%当当x x1 1/x/x2 2 2 2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于4%4%当当x x1 1/x/x2 2 q2 q3 1 1 3 3 2 2第16页/共77页第三节 对流传热第17页/共77页对流传热流体与流体间传热流体与固体壁面间的传热对流传热的分类流体无相变的对流传热强制对流传热自然对流传热流体有相变的对流传热蒸汽冷凝液体沸腾第18页/共77页4-3-1 对流传热方程和对流传热系数对流传

6、热分析第19页/共77页4-3-1 对流传热方程和对流传热系数一 对流传热速率方程牛顿冷却定律：平均对流传热系数，W/（m2）Q：对流传热速率，WTTW第20页/共77页4-3-1 对流传热方程和对流传热系数二影响对流传热系数的因素：对流传热系数的物理意义单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率第21页/共77页流体的种类和相变化情况流体的特性导热系数粘度比热容和密度Cp体积膨胀系数流体的温度流体的流动状态流体流动的原因传热面的形状、位置和大小二 影响对流传热系数的因素第22页/共77页三 对流传热的特征数关系式1、流体无相变时的强制对流传热过程1.首先列出影响该传热过程的物理量 =f（l，C

7、p，u）2.确定无因次准数的数目 定理：该过程的无因次准数的数目i 等于变量数n与基本因次数m之差。变量数n=7，基本因次数m=4（M、L、T）准数数目i=n-m=7-4=3，用1、2、3 1=（2、3）3.确定准数的形式第23页/共77页三 对流传热的特征数关系式1)列出物理量的因次L因次uCpl物理量2)选择选择m个（基本因次的数目）物理量作为个（基本因次的数目）物理量作为i个无因次准数个无因次准数 的共同物理量的共同物理量m=4，i=3i.不能包括待求物理量不能包括待求物理量ii.不能选用因次相同的物理量不能选用因次相同的物理量iii.选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次选择的

8、共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次从7个物理量中选4个物理量，这4个物理量中必须包括L、M、T本例中选l、u u作为作为3 3个无因次准数的共同物理量个无因次准数的共同物理量第24页/共77页三 对流传热的特征数关系式3)因次分析（将共同物理量与剩余的物理量分别组成无因次准数）对1整理其因次表示对传热系数的准数确定流动状态的准数表示物性影响的准数=f=f（l l，CpCp，u u）1 1 =（2 2、3 3 ）第25页/共77页三 对流传热的特征数关系式2、自然对流传热过程 自然对流传热引起流动的原因：单位体积流体的升力，gt =f（l，Cp，gt）1=（2、3）表示自然对流影响的准数第

9、26页/共77页4-5-2 对流传热过程的因次分析3、应用准数关联式应注意的问题1.定性温度1)取流体平均温度t=（t1+t2）/22)取壁面温度tw3)取流体和壁面平均温度tm=（tw+t）/22.特征尺寸 传热当量直径第27页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流传热1.流体在圆形管内作强制湍流1)低粘度（大约低于2倍常温下水的粘度）液体，用迪特斯（Dittus）和贝尔特（Boelter）关系式说明：1)n的取值，当流体被加热时，的取值，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.32)应用范围：应用范围：Re1x104，0.7Pr603

10、)特征尺寸：特征尺寸：di4)定性温度：定性温度：t=t=（t t1 1+t+t2 2）/2/2第28页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式讨论（1）中n的取值对于大多数液体，Pr1被加热时，Pr0.4 Pr0.3，n=0.4被冷却时，Pr0.3 Pr0.4，n=0.3对于大多数气体Pr 1被加热时，Pr0.4 Pr0.4，n=0.3第29页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式2)高粘度流体用西德尔和塔特关联式说明：2)应用范围：应用范围：Re1x104，0.7Pr603)特征尺寸：特征尺寸：di4)定性温度：定性温度：w取壁温，取壁温，其余取其余取t=t=（t

11、 t1 1+t+t2 2）/2/2第30页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式（二）流体在管外强制对流第31页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式1.流体在管束外强制垂直流动（垂直于管束流动）管束的排列直列错列正方形等边三角形 流体在错列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：流体在直列管束流过时，平均对流传热系数的计算式为：第32页/共77页四 流体无相变时的对流传热系数的经验关联式说明1)应用范围：Re 30002)特征尺寸：管外径do，流速u取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度3)管束排数为10：若不是10，上述计算式需乘以系数第33页/共77页四 流体

12、无相变时的对流传热系数的经验关联式2.流体在换热器的管间流动第34页/共77页第四节 两流体间传热过程的计算第35页/共77页化工计算中的两种衡算方程热量衡算方程传热速率方程总传热速率方程总推动力：T-t总阻力：R1+R2+R3Q热流体放出=Q冷流体吸收+Q损失第36页/共77页一 能量衡算对间壁式换热器能量衡算Q：换热器的热负荷，KJ/h或Wqm1、qm2：热、冷流体的质量流量，Kg/hH1、H2：热流体的进出口的单位质量的焓，KJ/Kgh1、h2：冷流体的进出口的单位质量的焓，KJ/Kg1)换热器中冷热流体都没有相变化换热器中冷热流体都没有相变化2)换热器中流体有相变换热器中流体有相变3)

13、换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时换热器中流体有相变，热流体冷凝到低于饱和温度时第37页/共77页二 传热平均温度差一 恒温传热时的平均温度差当换热器的管程和壳程都有相变化时t=T-t Q=KA t二 变温传热时的平均温度差第38页/共77页二 平均温度差法1.逆流时的平均温度差 Q-T、Q-t为直线关系T=mQ+k，t=mQ+k 两式相减得：t=T-t=（m-m ）Q+（k-k ）假设：（1）热、冷流体的质量流量qm1和qm2均为常数；（2）热、冷流体的比热容Cp1和Cp2及总传热系数K沿 传热面均不变；（3）忽略热损失。换热器的热量衡算微分式换热器的热量衡算微分式第39页/共7

14、7页逆流 t1 t2二平均温度差法又Q=KA tm第40页/共77页二平均温度差法2.并流时的平均温度差第41页/共77页二平均温度差法3.错流和折流时的平均温度差q Underwood和Bowman图算法先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正系数 tm=t tm tm ：按逆流时计算的对数平均温度差 t：校正系数 t=f（P，R）第42页/共77页 单壳程换热器两壳程换热器第43页/共77页四壳程换热器三壳程换热器 t 2 提高对流传热系数小的一侧的2.如果如果 1与与2 相差不大，必须同时提高两侧的相差不大，必须同时提高两侧的 3.如果如果Rd1与与Rd2为总热阻中的控制因

15、素，则必须减慢污垢的形为总热阻中的控制因素，则必须减慢污垢的形 成速度或及时清理污垢成速度或及时清理污垢第50页/共77页三 总传热系数（四）总传热速率与热衡算式的关系第51页/共77页四 壁温的计算1.在间壁两侧流体的ti和to间设壁温tw2.由于管壁一般都为热良导体，故可认为管壁内外温度相同3.计算i和o4.计算tw第52页/共77页4.5 热辐射第53页/共77页一 热辐射的基本概念辐射：凡是热力学温度在零度以上的物体都能以电磁波的方式传递能量的过程。辐射能：以辐射的形式所传递的能量。热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。第54页/共77页一

16、热辐射的基本概念反射和折射定律根据能量守恒定律根据能量守恒定律：QQQQ第55页/共77页一 热辐射的基本概念黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即=1,=0镜体(绝对白体)：能将辐射能全部反射的物体，即 =1,=0。透热体：辐射能全部透过的物体，即=1,=0。对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。灰体：能够以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体灰体也是理想物体吸收率 与波长无关为不透热体(+=1)工业上常见的固体材料均可视为灰体。第56页/共77页二 物体的辐射能力和有关的定律 物体的辐射能力E 一定温度下,物体在单位表面积、单位时间内发射的全部波长的总能量.

17、W/m2单色辐射能力E:在相同条件下,物体发射的特定波长的能量.其中：波长，m m或 m mE E：单色辐射能力，W/mW/m3 3第57页/共77页二 物体的辐射能力和有关的定律1.普朗克定律 揭示了黑体辐射能力按照 波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力Eb随波长和温度变化的函数关系。T T：黑体的热力学温度，K KC C1 1：常数，3.7433.743 1010-16-16 W W m m2 2C C2 2：常数，1.43871.4387 1010-2-2 W W m m2 2第58页/共77页二 物体的辐射能力和有关的定律2斯斯蒂芬-波尔茨曼定律 揭示了黑体总辐射能力与表面温度的关

18、系 黑体的辐射常数，为5.67 5.67 10 10-8-8 W/W/（m m2 2KK4 4）；C Cb b 黑体的辐射系数，为5.67W/(m5.67W/(m2 2KK4 4)四次方定律四次方定律可推广到灰体C C 灰体的辐射系数，其值恒小于C Cb b 灰体的灰体的黑度黑度第59页/共77页二 物体的辐射能力和有关的定律3克希霍夫定律 揭示了物体的辐射能力E与它的吸收率之间的关系E1,1,T1Eb,T2E1板1(灰体)板2(黑体)Eb 1Eb(1-1)EbT1 T2板1(灰体)能量平衡：辐射传热达平衡(两物体温度相等)时：q=E1-1Ebq q：两板间辐射传热的热通量，W/mW/m2 2

19、q=0E1=1Eb 或或 E1/1=Eb若板 1 用任意灰体板来代替，则得v灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力=f(T)=f(T)=第60页/共77页三两固体间的辐射传热 C C1-21-2：总辐射系数若平行的平板面积均为A A，则辐射传热速率为：第61页/共77页第六节 换热器第62页/共77页一 换热器的分类（一）按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器（二）按冷、热流体的传热方式分类两流体直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器第63页/共77页二 间壁式换热器（一）夹套式换热器为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管

20、和外循环。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。第64页/共77页二 间壁式换热器（二）沉浸式蛇管换热器为了强化传热，容器内加搅拌。优点：结构简单，不便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，第65页/共77页二间壁式换热器 （三）喷淋式换热器用途：用于冷却或冷凝管内液体。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗 ，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，安装在室外。第66页/共77页二 间壁式换热器（四）套管式换热器用途：广泛用于超高压生产过程，用于所需传热面积不多的场合。优点：结构简单，加工方

21、便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多易漏，占地较大。第67页/共77页二 间壁式换热器（五）螺旋板式换热器优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑A/V大，成本较低。缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。第68页/共77页二 间壁式换热器（六）板式换热器优点：传热效率高，总传热系大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。第69页/共77页二 间壁式换热器（七）板翅式换热器优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。第7

22、0页/共77页二 间壁式换热器（八）翅片管换热器第71页/共77页二 间壁式换热器（九）列管式换热器（热补偿方式）固定管板式U型管换热器浮头式换热器第72页/共77页二 间壁式换热器特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。第73页/共77页二 间壁式换热器 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。第74页/共77页三、列管式换热器选用计算中的有关问题流体流径的选择不洁净、易结垢、腐蚀性、压强高的流体走管程饱和蒸汽走壳程被冷却流体走壳程粘度大的流体走壳程流体流速的选择管子的排列方法的选择管程和壳程数的选择折流挡板的选择外壳直径的选择材料的选择主要附件第75页/共77页四 传热过程的强化增大传热面积增大平均温度差增大总传热系数增大流速防止结垢和及时清除污垢第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页