第五章传热ppt课件.ppt

化工原理电子教案/目录,1,目录,第五章 传热及设备第一节概述第二节 热传导一、傅里叶定律二、热导率三、一维平壁稳态热传导四、一维圆筒壁稳态热传导,化工原理电子教案/目录,2,目录,第三节对流传热一、实验法求二、各种情形下的经验式（一）无相变 1、管内层流 2、管内湍流 3、管外强制对流 4、自然对流（二）有相变 1、冷凝 2、沸腾 对流传热系数小结 的数量级,化工原理电子教案/目录,3,目录,第四节 间壁式换热器的传热 一、换热器简介 二、间壁式换热器的传热过程分析 三、间壁式换热器的传热过程计算 1、总传热速率方程 2、Q的计算 3、 K的计算 4、tm的计算 5、传热单元数法 习题课 6、壁温的计算,化工原理电子教案/目录,4,目录,第五节 间壁式换热器介绍（教材第六章） 一、列管式换热器（管壳式换热器） 二、其它类型的换热器 三、传热过程的强化,化工原理电子教案/目录,5,目录,第六节 辐射传热一、基本概念二、物体的辐射能力 三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率四、气体热辐射的特点五、辐射、对流的联合传热,第五章小结,6/141,第五章 传热及设备,第一节概述,热传导（导热）,对流传热,辐射传热,传热有三种方式：(举例电热炉烧水),机理：,相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部,发生在,管内层流,热量入,对流传热系数或给热系数，W/m2K,气体-靠分子或原子的无规则若运动；固体-金属靠自由电子，非金属靠晶格的震动液体-两种观点（见教材）,导热,导热,自然对流,7/141,第二节 热传导,一、傅里叶定律,1、基本概念,单位时间传递的热量，J/s,单位传热面积上的传热速率，J/m2s，矢量，方向为传热面的法线方向,q,温度相同的点组成的面,两等温面的温差与两等温面间的任一距离之比,两等温面的温差与两等温面间的法向距离（最短）之比,等温面,等温面,8/141,2、傅里叶定律,称为热导率, 单位为W/(mK),q,对照：牛顿黏性定律，形式上很相似,9/141,物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小， 故物质的越大，导热性能越好。一般地， 导电固体 非导电固体， 液体 气体（见图5-4）,二、热导率,属物性,影响因素：与物质种类、T、浓度有关，一般与 P 无关 T ， 气体 水， 甘油，其它液体的 金属， 非金属。,获取方法：,查相关物性数据手册，如附录二四。,10/141,三、一维平壁稳态热传导,1. 无限大单层平壁（无内热源）稳态导热,-可见温度分布为直线,若为常数，则：,特点：属一维导热，A为常数， Q为常数,11/141,2、无限大多层平壁一维稳态导热（无内热源）,三、一维平壁稳态热传导,特点：同单层平壁,此外，通过每一层的Q（或 q）都相同,对每一层均有：,12/141,三、一维平壁稳态热传导,思考1：若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温 度为t0、对流传热系数为，则传热量如何计算？,t1,t4,13/141,1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,特点：属一维导热，A常数， Q为常数， q常数,若为常数，则：,-可见温度分布 为对数关系,在(t1，t)积分，得：,在(t1，t2)积分，得：,14/141,1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,-对数平均半径,15/141,2、无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）,四、一维圆筒壁稳态热传导,对每一层均有：,16/141,四、一维圆筒壁稳态热传导,思考2： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,b,b,1,2,Q,Q,b,b,2,1,17/141,影响因素：接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面空隙内的流体性质。,接触热阻：两固体之间由于未紧密接触而导致的,接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,返回目录,18/141,第三节 对流传热,回忆：什么是对流传热？,强制对流-湍流流动的流体与外界的传热,自然对流-静止流体、层流流动流体与外界的传热,牛顿冷却定律：,流向,近壁面传热放大图,19/141,第三节 对流传热,获得的主要方法：,理论分析法 解析求解、数值求解实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。,牛顿冷却定律：,20/141,一、实验法求,影响的因素主要有： 1.引起流动的原因：自然对流和强制对流 2.流动型态：层流或湍流 3.流体的性质：、cp、等 4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等 5.有相变与无相变： cp或汽化潜热r,量纲分析法：第一章有关内容,用量纲分析法、再结合实验，建立经验关系式。,定理：,21/141,一、实验法求,-格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的“雷诺数”,无因次数群：,-努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比,-普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的Pr1,22/141,一、实验法求,故,定性温度：确定物性的温度，有两种,主体平均温度,膜温,23/141,二、各种情形下的经验式,（一）无相变时,当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，式（5-65）乘上一个大于1的校正系数：,1、管内层流时,0.6Pr6700，Gr25000（自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。,使用范围为： 管子的进口段，恒壁温、Re2300、,思考：为什么需乘上一个大于1的校正系数？,-传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）,24/141,二、各种情形下的经验式,2、管内湍流,（教材式5-63）,25/141,二、各种情形下的经验式,2、管内湍流,（教材式5-63）,思考1：与u、d有何比例关系？,思考2：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？,气体的Pr1,液体被加热,或气体被冷却,或气体被加热,速度分布,时，变大,时，变小,26/141,Why？,Why？,若不满足适用范围时，需修正：,（1）对于短管，L/d50,乘上一个大于1的校正系数，见图5-25,（2）当壁面与流体主体温差较大时，需引入一个粘度的校正项：,教材式（5-64）,（5）非圆形管的强制湍流：,上式仍可使用，但需将d 换成 de,（4）弯管内：,乘上一个大于1的校正系数：式（5-68）,（3）过渡流：,乘上一个小于1的校正系数：式（5-67）,Why？,27/141,二、各种情形下的经验式,3、管外强制对流,（3）流体在管壳间的对流传热：,Why？,（1）流体横向流过单管传热：见图527,（2）流体横向流经管束（管簇）的传热：,处处不同，需平均。,式（5-71）,有挡板，Re100即可达到湍流。式（5-72）,28/141,二、各种情形下的经验式,4、自然对流 （大空间）,C、n为经验常数。,式（5-75）,29/141,二、各种情形下的经验式,（二）有相变,竖直壁面：先层流，后湍流 层流：式（5-79）、式（5-79 b ） 湍流：式（5-82）,1、冷凝传热,膜状冷凝：,液膜是主要热阻,水平圆管外： 层流：式（5-80）,30/141,水平管束：,膜状冷凝传热的强化： 减薄冷凝液液膜厚度；选择正确的蒸汽流动方向；在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；用过热蒸汽；及时排放不凝性气体。,第一排的与单管相似，第二排的比第一排小，第三排的比第二排小，若干排后，基本上不变。平均比单排的小（式5-80与5-80a对比） 。,膜状冷凝：,31/141,二、各种情形下的经验式,2、沸腾传热（大容积）,（1）产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、 有汽化核心,（2）沸腾传热机理：气泡的不断形成、长大、脱离壁面，热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。,32/141,二、各种情形下的经验式,（3）大容积沸腾传热的沸腾曲线,沸腾曲线,过热度不大，气泡没有；,膜状沸腾,自然对流,核状沸腾,工业上常用,33/141,二、各种情形下的经验式,（4）核状沸腾传热系数的主要影响因素：,表面粗糙度：粗糙表面大，但粗糙度达到一定极限后， 就基本上没影响了。,过热度： 与t的23次方成正比。,34/141,二、各种情形下的经验式,对流传热系数小结,注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸,35/141,的数量级,空气中,水中,总之：,油类中,返回目录,36/141,第五节 间壁式换热器介绍（教材第六章）,间壁式换热器：,该换热器使用最广泛，技术最成熟。本节将详细介绍，其它换热器作一般性介绍。,37/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,1、构造,列管式（管壳式）换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。,38/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板,39/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,当壳体和管壁之间的温差在50以上时，由于两者热膨胀程度不同，可能会出现将管子扭曲或从管板上拉松，因此，要考虑温度补偿问题。,2、温度补偿问题：,40/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,思考：如何判断管壁温度tw、壳体壁温Tw更接近哪一个温度：热流体 温度T、冷流体温度t or环境温度 t0？,若0大，则Tw更接近t0；若1大，则Tw更接近T。,若1大，则tw 更接近T ；若2大，则tw更接近t。,41/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,3、温度补偿方法：,换热器两端管板和壳体是连为一体的（见图6-10）。 当壳体和管子之间的温差较小（6070 )且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。,（1）补偿圈补偿-固定管板式换热器,特点：,结构简单、制造成本低，,适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、 不易结垢的场合。,42/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,（2）浮头补偿-浮头式换热器,特点：,（3）U型管补偿-U型管式换热器,一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来（见图6-11）。,用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。,适用于壳体与管束间温差大、 需经常进行管内、外清洗的场合。,每根管子都为U形，可以自由伸缩（见图6-12）。,特点：,43/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,4、选用、设计简介,已知：换热任务（一种流体的进、出口温度、流量）,设计内容：,冷却剂或加热剂的选定：,常用的冷却剂有：水、空气、液氨、冷冻盐水等,常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、热油、联苯混合物、烟道气等,44/141,一、列管式换热器（管壳式换热器）,冷、热流体的走向：,管径、管长、管数、管子排布计算：,一般原则：不洁净的或易结垢的流体-腐蚀性流体-压力高的-温度远高于环境的或远低于环境的流体-蒸汽-粘度大的或流量较小的流体-,易于清洗侧,管程,壳程,管程,管程,壳程（便于排放冷凝液及不凝性气体）,以上几点有时会相互矛盾，应抓住主要方面。,按第一章和本章计算公式。,45/141,二、其它类型的换热器,间壁式换热器：,特点：高效、紧凑，在许多方面优于管壳式换热器。 7080年代是国外PHE(plate heat exchangers)发展的鼎盛时期。我国由于试验研究基础薄弱，设计技术水平不高，制造与检验手段落后，技术开发力量分散等原因，品种还不多，质量也不高。,请点击观看动画,请点击观看动画,请点击观看动画,请点击观看动画,46/141,三、传热过程的强化,强化传热目的： 用较少的传热面积或较小的设备（A）完成同样的传热任务（Q）;或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量（Q/A）尽可能地大。,1、提高tm-操作中采用此法不经济，工业上还要设法降低tm；但设计中： (1)采用逆流流动 (2)尽量采用高温加热剂或低温冷却剂。,2、采用新型高效的换热设备 例如，一般管壳式换热器每1m3体积的传热面积约为150m2左右，而板式换热器可达1500m2左右，板翅式高达5000 m2左右。,47/141,三、传热过程的强化,换热表面粗糙法：采用带环向凸出物的横纹管管壁上绕上细金属丝管壁上开槽,3、提高K,要设法减小热阻较大项，才能有效地提高K值。,48/141,三、传热过程的强化,流体旋转法: 采用螺纹管、在管内插入纽带等，使流体作旋转流动。,换热表面特殊处理法： 将换热表面经特殊处理，加工成表面多孔管，使换热表面具有大量稳定的汽化核心，可大大强化沸腾传热过程。,换热表面扩展法： 采用各种形状的肋片管。,返回目录,49/141,第四节 间壁式换热器的传热,换热器是导热方式、对流传热方式在工业应用中的典型代表。故在介绍完导热和对流传热之后，我们接着介绍换热器的传热过程及计算（教材第三节）。 首先，需简单了解一下换热器的结构（教材第六章），以便正确地进行换热器的计算。,50/141,第四节 间壁式换热器的传热,一、换热器简介,分类,换热器在我国石油化工、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业应用极为普遍，占全部工艺设备投资的2040。,冷热流体直接接触，传热直接、效率高、热阻小,冷热流体隔一固体壁面，传热效率不如直接接触式。工业应用最广。,51/141,间壁式换热器：,管式：套管式*、列管式*、 蛇管式、喷淋式板式：螺旋板、板式、 板翅式、翅片管式热管：夹套式：,请点击观看动画,以后再介绍,52/141,列管式换热器：,管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程,四管程,请点击观看动画,冷、热流体一次经过换热器,管程流体两次经过换热器,管程、壳程流体两次经过换热器,管程流体四次经过换热器,53/141,二、间壁式换热器的传热过程分析,2,1,三个串联传热环节：热流体侧的对流传热间壁的导热冷流体侧的对流传热,传热,间壁,热流体,冷流体,流向,流向,54/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,1、 总传热速率方程,式中：,牛顿冷却定律：,热流体侧的对流传热,dQ,间壁的导热,其中dA可取dA1、dAm、dA2等。,-总传热速率方程,冷流体侧的对流传热,55/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,-总传热热阻,Q,2、Q的计算,无相变时：,有相变时：,56/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,（1）查经验数据：表5-6（2）实验测定（3）分析计算,若取平均，微元面积可以用有限传热面积替代，则,（其中A可取A1、Am、A2均可）,3、 K的计算,分析计算公式：,前面已推得：,57/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,Q,考虑到实际传热时，间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：,（其中A可取A1、Am、A2均可）,总热阻,对流热阻,污垢热阻,导热热阻,污垢热阻,对流热阻,若等号右边五项热阻中有一项特别大，则总热阻1/K的数值主要取决于这一最大者，这一最大热阻称为控制热阻。 设法减小控制热阻的值，可以显著地改善换热器的传热效果。,58/141,三、间壁式换热器的传热过程计算,4、tm的计算,（1）恒温差传热,T,T,t,t,Q,-t 恒定不变，故,冷凝,沸腾,59/141,（2）变温差传热,-t 处处不等,冷凝,沸腾,无相变,无相变,无相变,无相变,60/141,（2）变温差传热,以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：,前面已推得：,t2,t1,61/141,-对数平均温差,（逆、并流适用）,对照,得：,62/141,若流动非逆、并流，如错流、折流，则tm需采用相应的计算式，如式5-25。,工程上，为了简便计算， tm常用下述方法：,其中：,根据R、P查图,思考1：证明，相同进出口温度下， tm,逆总是大于tm,并。,思考2：为什么总是小于1？,63/141,小结,LMTD法-对数平均温差法 Logarithmic Mean Temperature Diffrence,（逆、并流）,（其他流动情况）,64/141,5、传热单元数法（-NTU）,引入3个无量纲数群：,热容流量之比CR： 传热效率：传热单元数NTU：,传热单元数法公式推导：,热流体,冷流体,65/141,5、传热单元数法（-NTU）,以逆流为例：,(),前面已推得：,66/141,5、传热单元数法（-NTU）,代入式（）中得：,（逆流总传热速率方程）,（逆流总传热速率方程）,类似地，有,故可统一写成：,（逆流总传热速率方程）,67/141,5、传热单元数法（-NTU）,（并流总传热速率方程）,参见图5-2022,类似推导可得并流时：,已知CR、NTU三者中任意两项，查图或用公式可以很方便地求出另外一项。,图5-2022的规律：（比公式直观！） CR一定时，NTU，则； NTU一定时， CR，则。,68/141,（逆流总传热速率方程）,表示为相变过程。,思考1：使用式（5-44）、（5-45）时，是否有必要先判断哪种流体的热容流量较小？,思考2：逆流时，若CR=1，则NTU=？,思考3： CR=0代表什么含义？,不必,69/141,为什么称为“传热效率”？,实际传热速率：,最大可能传热速率：,当热流体的热容流量ms1cp1最小时,当冷流体的热容流量ms2cp2最小时：,的物理意义：,-传热效率,-传热效率,-传热效率,70/141,为什么称NTU为“传热单元数”？,什么是“传热单元”？,什么是“传热单元数”？,传热单元的个数-传热单元数。 如图，传热单元数为5。,以逆流为例，将整个传热面分成若干段，,每一段均满足：,1,2,3,4,5,71/141,为什么称NTU为“传热单元数”？,1,2,3,4,5,72/141,小结,-NTU法,（逆流时）,（并流时）,或查图5-20,或查图5-21,查图,73/141,LMTD法与-NTU法比较,两种方法本质相同，至少应熟练掌握其中一种方法；使用时方便程度各有优劣。详见下面的习题课内容。,74/141,习题课,-根据换热任务，求取换热器面积。,-操作条件改变后，对已有的换热器换热 能力或出口温度进行核算。,75/141,习题课-设计型问题举例,【例1】在套管式油冷却器里，热油在252.5mm的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为216kg/h，油的进、出口温度分别为150和80，水的进口温度为20。油侧对流传热系数为1.5kW/m2K，水侧的对流传热系数为3.5kW/m2K ，油的比热为2.0kJ/kgK 。 试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。 忽略污垢热阻及管壁导热热阻。,252.5mm,76/141,【解法一】 ： LMTD 法,逆流时：,(以外表面为基准),252.5mm,77/141,252.5mm,并流时：,78/141,结论：在相同条件下，,逆流,并流,79/141,逆流时：,按冷、热流体当中的任一计算均可。以下以热流密度最小的热流体为基准计算。,代入式（1）得：,252.5mm,【解法二】 ： -NTU法,（逆流时）,（1）,80/141,(以外表面为基准),-参见解法一,81/141,并流时：,代入式（2）得：,82/141,总结：对设计型问题，建议使用LMTD法。,83/141,习题课-操作型问题计算举例,【例2】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝温度为40，冷凝传热系数1=7000W/m2K。冷却水走管内，其进、出口温度分别为32和36，污垢及管壁热阻取为0.0009 m2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试核算该换热器是否合用？ 列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格 252.5mm 管长 l=4m 管程数 M=4 总管数 N=272根 外壳直径 D=700mm附：氨冷凝潜热 r=1099kJ/kg34下水的物性：,84/141,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,【解法一】 ： LMTD 法,根据已定的换热任务，求出所需面积A需，然后与实际已给的面积A实比较。若A需A实，则换热器合用。这样，将上述操作型问题转化为了设计型问题。,其中：,85/141,1=7000kW/m2K,污垢及管壁热阻为Ra2=0.0009 m2K/W（以外表面计）,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,代入下式：,86/141,即换热器合用,!注意 此题比较Q也可以，但比较K或tm则不妥。,87/141,【解法二】 ： -NTU法,污垢及管壁热阻为0.0009 m2K/W（以外表面计）,逆流。因热流体有相变，按冷流体计算较为方便，此时,前已求得：,88/141,习题课-操作型问题计算举例,【例3】如图所示，单管程列管式换热器，内有180根191.5mm的管子，每根长3米，管内走流量为2000 kg/h的冷流体，与热流体进行逆流换热，其进口温度为30。已知(ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 （下标2代表冷流体，下标1代表热流体）。冷流体的Cp2=1.05kJ/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体的进口温度为T1=150，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。试求热流体的出口温度T2。,89/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,【解法一】 ： LMTD 法,90/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,91/141,（1）,又,（2）,联立求解式1、2得：,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,92/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,【解法二】 ： -NTU法,ms2cp2=2000 1050/3600=583.33W/(),A2=Nd2L180 0.016 3=27.130m2,类似解法一求得：,（逆流时）,93/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,（逆流时）,（逆流）,94/141,180根191.5mm，长3米， (ms2Cp2) / (ms1Cp1) = 0.5 Cp2=1050J/(kg)，2=210-2cP，2=0.0289W/(m)，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。,对照：LMTD法,又,95/141,总结： 对操作型问题，两种方法均可用，但 -NTU法计算量少些。,96/141,6、壁温的计算,计算需要壁温；选择换热管材料需要壁温。,对稳定传热过程，有：,思考：若管壁热阻忽略，热流体侧1远大于冷流体侧 2 ，则壁温更接近哪一侧流体的温度？,更接近热流体的温度,返回目录,97/141,第六节 辐射传热(自学）,98/141,第四章、第五章小结,导热概念：导热系数（单位、固液气的相对大小、t对的影响） 公式：,1、傅立叶定律,2、一维稳态导热,99/141,第四章、第五章小结,对流 概念：各种对流传热情况下的影响因素、数量级 几个准数：Nu、Pr 公式,1、牛顿冷却定律2、管内湍流时：,适用条件,100/141,第四章、第五章小结,换热器*概念：传热的三个环节、传热单元公式：,设备：列管式换热器的结构、热补偿方法、 流程选择 原则、强化传热措施,LMTD法：,-NTU法 ：,设计型、操作型问题计算、分析,101/141,LMTD法：,102/141,（逆流时）,（并流时）,-NTU法 ：,103/141,作业：12，13，17,