《传热及换热器》PPT课件.ppt
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1、7.1 7.1 概述概述7.1.1 7.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用7.1.2 7.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式7.1.3 7.1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式7.1.4 7.1.4 热载体及其选择热载体及其选择7 7.1 1.5 5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程第七章 传 热7.1.1 7.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用加热或冷却换热 保温 强化传热过程 削弱传热过程 7.1.2 7.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 一、热传导一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度
2、较低的部分,或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导,又称导热。特点:没有物质的宏观位移气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体 导电体:自由电子在晶格间的运动 非导电体:通过晶格结构的振动来实现的液体 机理复杂二、对流二、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。三、热辐射三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。自然对流 强制对流 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 7.1.3 7.1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 一、直接接触式一、直接接触式板式塔板式塔 二、蓄热式二、蓄热式优点:结构较简单耐高温缺点:设备体积大有一定程度的混合低温流体高温流体
3、三、间壁式三、间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t27.1.4 7.1.4 热载体及其选择热载体及其选择 加热剂加热剂:热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热冷却剂冷却剂:水、空气、冷冻盐水、液氨等 冷却温度 30 水 加热温度 180 饱和水蒸气热负荷热负荷Q:工艺要求,同种流体需要温升或温降时,吸收或放出的热量,单位 J/s或W。传热速率传热速率Q:热流量,单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量,单位 J/s或W。热流密度热流密度q:热通量,单位时间内通过单位传
4、热面积传递的热量,单位 J/(s.m2)或W/m2。7.1.5 7.1.5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程一、基本概念一、基本概念非稳态传热非稳态传热 二、稳态与非稳态传热二、稳态与非稳态传热 稳态传热稳态传热 式中 A总传热面积,m2。三、冷热流体通过间壁的传热过程三、冷热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体式中 K总传热系数,W/(m2)或W/(m2K);Q传热速率,W或J/s;A总传热面积,m2;tm两流体的平均温差,或K。总传热速率方程:稳态传热:7.2 7.2 热传导热传导7.2.1 7.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念7.2
5、.2 7.2.2 傅立叶定律傅立叶定律7.2.3 7.2.3 导热系数导热系数7.2.4 7.2.4 通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导7.2.5 7.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导通过圆筒壁的稳定热传导7.2.1 7.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念式中 t 某点的温度,;x,y,z 某点的坐标;时间。温度场:某时刻,物体或空间各点的温度分布。(1)(1)温度场和等温面温度场和等温面不不稳稳定温度定温度场场 稳定温度场稳定温度场 等温面等温面:在同一时刻,温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q(2)(2)
6、温度梯度温度梯度 t+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点点的概念。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面,以温度增加的方向为正 一维稳定热传导n方向是等温线的法线方向,沿着该方向单位长度上温度变化最显著。7.2.2 7.2.2 傅立叶定律傅立叶定律 式中 dQ 热传导速率,W或J/s;dA 导热面积,m2;t/n 温度梯度,/m或K/m;导热系数,W/(m)或W/(mK)。负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数 越大,导热性能越好 用热通量来表示 对一维稳态热传导 (2)是分子微观运动的宏观表现。7.2.3 7.2.3 导热系数导热系数(1)在数值上等于单位温度
7、梯度下的热通量。=f(结构,组成,密度,温度,压力)(3)各种物质的导热系数金属固体 非金属固体 液体 气体 在一定温度范围内:式中 0,0,t时的导热系数,W/(mK);温度系数。对大多数金属材料 0 ,t ,1)固体 金属:纯金属 合金 非金属:同样温度下,越大,越大。2)液体 金属液体较高,非金属液体低,水的最大。t,(除水和甘油)3)气体 一般来说,纯液体的大于溶液 t,气体不利于导热,但可用来保温或隔热。7.2.4 7.2.4 通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导 一、一、通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导 假设:假设:(1)A大,b小;(2)材料均匀;(3)温度仅
8、沿x变化,且不随时间变化。t1t2btxdxQxQx+dx取dx的薄层,作热量衡算:对于稳定温度场 傅立叶定律:边界条件为:得:设不随t而变 式中 Q 热流量或传热速率,W或J/s;A 平壁的面积,m2;b 平壁的厚度,m;平壁的导热系数,W/(m)或W/(mK);t1,t2 平壁两侧的温度,。讨论:2分析平壁内的温度分布上限由1可表示为推动力:热阻:为 不随t变化,tx成呈线形关系。3当随t变化时若随t变化关系为:则tx呈抛物线关系。如:1t1,2t2 二、二、通过多层平壁的稳定热传导通过多层平壁的稳定热传导 假设:假设:(1)A大,b小;(2)材料均匀;(3)温度仅沿x变化,且不随时间变化
9、。(4)各层接触良好,接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3推广至n层:三、各层的温差三、各层的温差 思考:厚度相同的三层平壁传热,温度分布如图所示,哪一层热阻最大,说明各层的大小排列。t1t2t3t4312 7.2.5 7.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导通过圆筒壁的稳定热传导 一、一、通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定:假定:(1)稳定温度场;(2)一维温度场。取dr同心薄层圆筒,作热量衡算:对于稳定温度场 傅立叶定律 边界条件 得:设不随t而变 式中Q 热流量或传热速率,W或J/s;导热系数,W/(m)或W/(mK);t1,t2 圆筒壁两侧的温度,
10、;r1,r2 圆筒壁内外半径,m。讨论:1上式可以为写 对数平均面积2 3圆筒壁内的温度分布上限从改为tr成对数曲线变化(假设不随t变化)4平壁:各处的Q和q均相等;圆筒壁:不同半径r处Q相等,但q却不等。二、通过多层圆筒壁的稳定热传导二、通过多层圆筒壁的稳定热传导对于n层圆筒壁:式中 q1,q2,q3分别为半径r1,r2,r3处的热通量。内径为15mm,外径为19mm的钢管,其1 为20 W/m,其外包扎一层厚度为30mm,2为0.2 W/m 的保温材料,若钢管内表面温度为580,保温层外表面温度为80,试求:每米管长的热损失.7.3 7.3 对流传热对流传热7.3.1 7.3.1 对流传热
11、过程分析对流传热过程分析7.3.2 7.3.2 对流传热速率对流传热速率7.3.3 7.3.3 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素7.3.4 7.3.4 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立7.3.5 7.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式7.3.6 7.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式有相变时对流传热系数的经验关联式7.3.1 7.3.1 对流传热过程分析对流传热过程分析dA t2G1,T1G2,t1 T27.3.2 对流传热速率对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律流体被冷却:式中 Q 对流传热速率,W;对流传热系数
12、,W/(m2);Tw 壁温,;T 流体平均温度,;A 传热面积,m2。1.牛顿冷却定律是一种推论,假设Qt。2.复杂问题简单化表示。推动力:阻力:7.3.3 7.3.3 影响对流传热系数影响对流传热系数 的因素的因素1.1.引起流动的原因引起流动的原因自然对流:由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流:由于外力和压差而引起的流动。强 自 2.2.流体的物性流体的物性 ,cp 5.是否发生相变是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变4.传热面的形状,大小和位置传热面的形状,大小和位置形状:如管、板、管束等;大小:如管径和管长等;位置:如管子的排列方式(管束有正四方形和三角形排列);管或
13、板是垂直放置还是水平放置。3.3.流动形态流动形态 层流、湍流 湍 层 7.3.4 7.3.4 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析一、因次分析 式中 l特性尺寸;u特征流速。基本因次:长度L,时间T,质量M,温度变量总数:8个由定律(8-4)=4,可知有4个无因次数群。f(u,l,cp,gt)Nusselt待定准数Reynolds,流动型态对对流传热的影响Prandtl,流体物性对对流传热的影响Grashof,自然对流对对流传热的影响二、实验安排及结果整理二、实验安排及结果整理以强制湍流为例:NuCReaPrk1采用不同Pr的流体,固定Re lgNuklgPr
14、lgCRea双对数坐标系得一直线,斜率为k2不同Pr的流体在不同的Re下 lgNu/PrkalgRelgC双对数坐标系中得一直线 斜率为a,截距为CPrNukReNu/PrkCa定性温度的取法:三、定性温度、特性尺寸的确定三、定性温度、特性尺寸的确定2特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。3准数关联式的适用范围。1确定物性参数数值的温度称为定性温度。一、流体在管内的强制对流一、流体在管内的强制对流适用范围:Re10000,0.7Pr160,607.3.5 7.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式1圆形直管内的湍流 特征尺寸为管内径di 流体被加热
15、时,k0.4;被冷却时,k0.3。注意事项:定性温度取强化措施:强化措施:u,u0.8 d,1/d0.2 流体物性的影响,选大的流体 以下是对上面的公式进行修正:(1)(1)高粘度高粘度 Re10000,0.7Pr60定性温度取tm;特征尺寸为di(2)l/d60(3)过渡流(2000Re10000)(4)弯曲管内 (5)非圆形管强制湍流1)当量直径法2)直接实验法套管环隙:水-空气系统适用范围:12000Re膜 2.冷凝过程的热阻:液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1)水平管束外式中 n水平管束在垂直列上的管子数;r汽化潜热(ts下),kJ/kg。特性尺寸l:管外径do定性温度:膜温 ts:饱和温度t
16、w:壁面温度湍流2)竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件:Re1800特性尺寸l:管或板高H定性温度:膜温 4冷凝传热的影响因素和强化措施1)流体物性 冷凝液,;冷凝液,;潜热r,2)温差 液膜层流流动时,t=tstW,,3)不凝气体 不凝气体存在,导致,定期排放。4)蒸汽流速与流向(u10m/s)同向时,;反向时,;u 5)冷凝面的形状和位置 目的:减少冷凝液膜的厚度(冷凝液膜为膜状冷凝传热的主要热阻)垂直板或管:开纵向沟槽;水平管束:可采用错列沸腾种类沸腾种类 1)大容积沸腾大容积沸腾 2)管内沸腾 1.汽泡产生的条件问题:为什么汽泡只在加热面个别地方产生?过热度过热度:t=tWts 汽化核心汽
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