化工原理课件传热单元操作与设备.pptx

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1、第一节第一节 传热的基本方式与类型传热的基本方式与类型一、传热在化工生产中的应用传热的动力：温度差。传热的应用：为化学反应创造必要的条件；为单元操作创造必要的条件；提高热量的综合利用；第1页/共78页减少设备的热损失；减少设备的热损失；强化传热1、传热问题的要求 削弱传热 设计传热设备2、传热计算问题的应用 计算传热量 减少热损失第2页/共78页3 3、稳态传热和非稳态传热、稳态传热和非稳态传热稳态传热：传热系统中各点温度仅随位置的不同而不同，不随时间变化。非稳态传热：传热系统中各点温度不仅随时间变化，而且随位置的不同而不同。第3页/共78页二、传热的基本方式二、传热的基本方式1、热传导传热机

2、理：通过分子的热振动传递热量；特 点：分子不发生宏观的位移；2、热对流传热机理：通过流体质点的相对位移传递热量；特 点：流体质点互相混合、碰撞；第4页/共78页对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。自然对流：由于温度不同导致密度差异 而引起的移动；方式 强制对流：由于外力引起的移动；第5页/共78页 3、热辐射传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量；特 点：传热过程不需要介质；注：实际传热过程中三种方式结合进行。第6页/共78页三、工业换热器的类型三、工业换热器的类型换热器：用于热量交换的设备。载热体：参与换热的两种流体。热载热体（热流体）：加

3、热剂（水蒸载热体 汽）冷载热体（冷流体）：冷却剂（水、冷 冻盐水、空气）第7页/共78页 1、间壁式：冷热流体通过间壁传递热量；特点：两种流体不直接混合，保持原状态；2、混合式：冷热两种流体直接混合；特点：传热速度快；适用于：废热回收；3、蓄热式4、中间载热体式换热器：热管；第8页/共78页第9页/共78页第10页/共78页第11页/共78页第二节第二节 传热基本方程传热基本方程一、典型间壁式换热器及其传热过程1、典型间壁式换热器 套管式、列管式等第12页/共78页2 2、间壁式换热器传热过程简述、间壁式换热器传热过程简述（1）热流体 对流 间壁；（2）间壁一侧 传导 间壁另一侧；（3）间壁另

4、一侧 对流 冷流体；二、传热基本方程1、传热速率（热流量）Q与热通量q 单位时间内通过传热面的热量，单位为：W。第13页/共78页 单位时间内通过单位面积所传递的热量，为热通量，单位是W/m2。2、传热基本方程第14页/共78页 传热问题：操作型和设计型；对于设计型问题：给定传热任务，确定换热器所需的换热面积。第15页/共78页第三节第三节 传热速率与热负荷传热速率与热负荷一、热负荷：生产要求换热器单位时间 传递的热量。二、热负荷与传热速率传热速率：换热器单位时间传递的热量，是换 热器的生产能力。第16页/共78页 热负荷：生产要求换热器单位时间传递的 热量，是生产任务。生产上，为保证完成任务

5、，要求换热器的传热速率大于或等于热负荷。第17页/共78页三、热量衡算与热负荷的确定三、热量衡算与热负荷的确定1、热量衡算（1 1）焓差法）焓差法热流体：冷流体：（2 2）显热法）显热法热流体：冷流体：第18页/共78页（3 3）潜热法）潜热法如热流体原色热的过程中既有温度的降低，也有相变化，则：第19页/共78页2 2、热负荷的确定、热负荷的确定 考虑热损失对于间壁式换热器：如果热流体走管程：如果冷流体走壳 程：例：略第20页/共78页第四节第四节 传热平均温度差传热平均温度差流体的流动方向：并流 逆流错流 折流恒温传热：冷热流体在换热过程温度不变。变温传热：冷热流体只要有一种流体的温度发

6、生变化。121222112第21页/共78页1 1、恒温传热、恒温传热2、变温传热：（1）一类：t1=T-t1 t2=T-t2（2）二类：考虑流动方向 并流：t1=T1-t1 t2=T2-t2TtTtTt1Tt2T1t1T2t2第22页/共78页逆流逆流 t1=T2-t1 t2=T1-t2 错流、折流：校正系数可根据R、P值查图：T2t1T1t2第23页/共78页思考题：对于同样的进出口温度，选思考题：对于同样的进出口温度，选择择什么样的流型更好？什么样的流型更好？结论：逆流好。原因：1、传质推动力大；2、所需传热介质少；生产上，常采用错流或折流，原因是这两种流型可有效的降低热阻。第24页/共

7、78页第五节第五节 热传导热传导一、傅立叶定律1、温度场与温度梯度温度场：物体或体系内部温度在空间和时间上 的分布。稳态导热：温度场内各点温度不随时间变化。非稳态导热：温度场内各点温度随时间变化。第25页/共78页温度梯度：温度梯度：两相邻等温面的温度差与其垂直距离之比的极限。温度梯度是向量，方向垂直于等温面，温度增加的方向为下方向，与导热的方向相反。第26页/共78页2 2、傅立叶定律、傅立叶定律其中：称为热导率，w/(m);二、热导率 w/(m);是表示物质导热能力大小的指标，是物质的物性。第27页/共78页（1 1）气体的热导率）气体的热导率 液液 气气 T T升高，气体的导热系数升高，

8、气体的导热系数增加。增加。（2）液体的热导率 固液 T升高，液体的导热系数略有减小；（3）固体的热导率 金属固体非金属固体 金属：T升高，导热系数下降；非金属：T升高，导热系数增加；第28页/共78页三、平壁导热三、平壁导热1、单层平壁 假设平壁的热导率为常数，其面积和厚度相比是很大的，从边缘处散失的热量可以忽略，壁内的温度只沿着垂直壁面的x方向发生变化，即等温面是垂直于x轴的平面，且壁面的温度不随时间变化。对此种平壁一维稳态导热，导热速率Q和导热面积S均为常数。据 第29页/共78页 当x=0时，t=t1，x=b时，t=t2，且t1t2,积分上式得：其中：热阻（与导热系数成反比）热通量 W/

9、m2 第30页/共78页2 2、多层平壁、多层平壁(1)公式推导化简后:(2)温差与热阻成正比,热阻大,则温差也大。例题：P85页。第31页/共78页四、圆筒壁的定常热传导四、圆筒壁的定常热传导1、单层圆筒壁导热（1）特点：传热面积随半径而变化。（2）公式推导：分变量积分并整理：第32页/共78页变形：变形：其中：说明：Q不随半径而变，但热通量q随r的增大而 减小。第33页/共78页2 2、多层、多层圆筒壁导热（以三层圆筒壁为圆筒壁导热（以三层圆筒壁为例）例）同样的方法可推导出：同样，各层热阻越大，温差就越大。例题：P86页。第34页/共78页第六节第六节 对流传热对流传热一、对流传热分析1、

10、在流动截面上 存在温度分布；2、温度差主要集中 在层流内层中。第35页/共78页二、对流传热基本方程二、对流传热基本方程 牛顿冷却定律对热流体：对冷流体：其中：反映对流传热程度的大小。t：代表层流内层的厚度，mm；第36页/共78页注：传热膜系数与温差、传热面积相对应；注：传热膜系数与温差、传热面积相对应；第37页/共78页三、对流传热膜系数三、对流传热膜系数1、影响对流传热膜系数的因素（1）流体的种类及相态变化；（2）流体的物性：如导热系数、密度、粘 度和比热容cp；（3）流动型态；（4）流体流动的原因：自然对流、强制对流；（5）传热面的形状特征与相对位置；第38页/共78页2 2、对流传热

11、膜系数总准数关联式、对流传热膜系数总准数关联式（1）无相变化时，对流传热系数的特征关联式（2）通过量纲分析的无量纲数为：努塞尔准数 雷诺数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数第39页/共78页3 3、流体、流体无相变化时的对流传热系数关无相变化时的对流传热系数关联式联式（1）圆形直管内强制对流其中：当流体被加热时，n=0.4;当流体被冷却时，n=0.3;注：经验公式在使用时注意应用范围、应用条 件等问题。第40页/共78页（2 2）管外强制对流）管外强制对流五、流体有相变化时的对流传热系数 膜状冷凝1、蒸汽冷凝 滴状冷凝 自然沸腾2、液体沸腾 核状沸腾 膜状沸腾第41页/共78页第七节第七节 传热系数

12、传热系数其中：K：传热系数，w/(m2.)A：传热面积，m2；A=ndl 传热面积可以是Ai、Am、A0。第42页/共78页一、传热系数的计算一、传热系数的计算1、基本公式（1）热流体的对流传热：（2）管壁的热传导：（3）冷流体的对流传热：第43页/共78页化简后得：化简后得：又因为：所以：其中：S可以取S0、Sm、Si。第44页/共78页常取：基于外表面积下的传热系数常取：基于外表面积下的传热系数K K0 0。考虑污垢热阻：管外壁污垢热阻 管内壁污垢热阻第45页/共78页2 2、几点说明、几点说明（1）当传热面为平壁时：（2）当忽略管壁热阻和污垢热阻时：（3）提高K的方法：设法减小起决定性作

13、用的热阻。（4）K值也可以选取经验数据或进行实验测定。第46页/共78页二、污垢热阻的影响二、污垢热阻的影响污垢热阻不可忽略，选用经验值。三、强化传热途径1、增大传热面积2、增大传热温度差3、增大传热系数第47页/共78页四、传热计算举例四、传热计算举例 （P98P98）1、设计型计算：根据已定的生产要求，确定所需换热面积。2、操作型计算：判断已有换热器的面积能否完成指定的生产任务。3、壁温的估算 壁温接近于热阻较小的一侧流体的温度。第48页/共78页五、工业热源与冷源五、工业热源与冷源1、热源：电热、饱和水蒸汽、热水、烟道气等。2、冷源：冷水、空气、冷却剂（低温盐水、液氨、液氮）第49页/共

14、78页 附加内容附加内容 热辐射热辐射一、热辐射的基本概念1、热辐射:以电磁场波的形式传递能量的方式。波长范围：0.7620m。2、辐射能：Q；吸收能：QA；吸收率：反射能：QR；反射率：透过能：QD；透过率：第50页/共78页 A+R+D=1 A+R+D=1 注：不同的物体注：不同的物体A A、R R、D D的值的值不同。不同。固体和液体：D0；单原子和由双原子气体：D 1；3、黑体的辐射能力斯蒂芬-波尔兹曼定律(1)黑体：A=1；(2)黑体的辐射能力：E0；W/m2;0-辐射常数，0=5.6710-8 W/(m2.K4)。第51页/共78页也可写成：也可写成：C0：黑体辐射系数，为5.67

15、 W/(m2.K4)。3、实际物体的辐射能力(1)黑度：(2)实际物体的辐射能力：常用工业材料的黑度值见P164。第52页/共78页4 4、灰体的辐射能力和吸收能力、灰体的辐射能力和吸收能力-克希荷夫克希荷夫定律定律(1)灰体：对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。A=(2)辐射能：二、两固体间的热辐射总辐射系数，W/(m2.K4)角系数（见P165表4-11）第53页/共78页三、辐射对流联合传热三、辐射对流联合传热1、对流传热：辐射传热：统一形式：壁面散失的总热量为：第54页/共78页2 2、辐射对流联合传热系数、辐射对流联合传热系数（1）空气自然对流，TW 5m/s时：第55页/共78页

16、第八节第八节 换热器换热器一、换热器的分类 直接接触式1、换热器 间壁式 蓄热式按用途分：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器；第56页/共78页按传热面形状和结构分：按传热面形状和结构分：1、管式：列管式、套管式、蛇管式、翅片管式；2、板式：平板式、螺旋板式、板翅式；3、特殊形式：回转式、热管等第57页/共78页二、间壁式换热器二、间壁式换热器1、管式（1）列管式：固定管板式结构：壳体、列管、管板、封头；优点：结构简单、设备紧凑、管内易清洗；缺点：壳程不易清洗，不能承受温差应力；第58页/共78页优点：管板一侧不与壳体相联，可自由伸缩，即有浮头，不会产生温差应力，便于清洗。

17、缺点：结构复杂，造价高。U型管式浮头式浮头式优点：管板一侧不与壳体相联，可自由伸缩，即有浮头，不会产生温差应力，便于清洗。缺点：结构复杂，造价高。U型管式优点：结构简单，密封面少，造价低。缺点：管内清洗困难，可排管子少。第59页/共78页填料函式填料函式釜式（2）套管式换热器优点：结构简单，耐高压传热面积可随时增减。缺点：占地面积、金属耗量大，清洗不方便。（3）蛇管式换热器种类：沉浸式、喷淋式。第60页/共78页沉浸式：金属弯管沉浸式：金属弯管优点：结构简单、价格低廉，便于防腐，耐 高压。缺点：管外传热系数小，需加搅拌装置。喷淋式：主要用于冷却管内液体。优点：清洗方便，传热效果较好。缺点：体积

18、庞大，冷水耗量大，喷淋不均匀。第61页/共78页（4 4）翅片管式换热器（管翅式）翅片管式换热器（管翅式）特点：传热管的内外表面装有翅片，加大传热面 积和流体的湍动程度。2、板式换热器（1）夹套式优点：结构简单，容易制造；缺点：传热面积小，传热效率低第62页/共78页（2 2）平板式）平板式优点：结构简单，单位体积提供的传热面积大，流体湍动程度大，传热效率高。缺点：处理量小，操作压力、温度不宜过高。（3）螺旋板式优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，流体逆流接触，温差大，流体湍动程度大，第63页/共78页传热效率高。不易结垢。传热效率高。不易结垢。缺点：制造和检修困难，流动阻力大，操作温度 和压力不高。（4）板翅式优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，传热系数高；缺点：容易堵塞，流动阻力大，检修困难。第64页/共78页（5 5）热板式）热板式3、热管换热器第65页/共78页第66页/共78页 第67页/共78页 第68页/共78页 第69页/共78页 第70页/共78页 第71页/共78页 第72页/共78页 第73页/共78页 第74页/共78页 第75页/共78页 第76页/共78页 第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页