各部分传热速率方程ppt课件.ppt

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1、一、蒸汽冷凝,1. 冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝,5.3.6 有相变时的对流传热系数,滴膜,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,湍流,2）竖壁或竖管上的冷凝,层流,适用条件：Re2100,适用条件：Re2100,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 （u10

2、m/s ） 同向时， ；反向时， ； u ,5) 蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。6) 冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列,沸腾种类 1）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：t=tWts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层,二、 液体沸腾,2. 沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 25C t,工业上：核状沸腾,4）稳定膜状沸腾 250C t,优点：大，tW小,3、沸腾传热的影响因素及强化措施1）液体的性质,强

3、化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,2）温差 在核状沸腾阶段温差提高， 3）操作压强,4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒,5.4 传热过程的计算 5.4.1 热量衡算 5.4.2 传热速率方程 5.4.3 Q的意义及确定 5.4.4 A的确定 5.4.5 传热平均温度差 5.4.6 传热系数 5.4.7 壁温的计算,传热计算,设计计算,校核计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量恒

4、算,5.4.1 热流量衡算方程,在定常传热过程中，过程传递的热量Q必等于热流体放出的热量（负焓变）和冷流体吸收的热量（焓变）。 即： Q= Q热=Q冷,5.4.2 总传热速率方程 间壁传热过程：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,管壁导热：,管外侧流体：,对稳态传热:,5.4.3 Q的意义及确定,1.Q的意义：Q表示换热器的传热能力。,在设计换热器时，要求其传热能力大于或等于生产任务 （热负荷）。即 ，一般取,2. 的确定：等于在单位时间内热流体放出的热量Q热 或冷流体吸收的热量 Q冷 。,和生产任务有关,无热损失：,无相变时,热量衡算：,式中 Q 热冷流体放出或吸收的热量，J/s； w1,

5、w2热冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热冷流体的比热容， J/(s. ) ； h1,h2 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 热流体的进出口焓， J/kg 。,相变时,热量衡算：,式中 r 热流体的汽化潜热，kJ/kg； TS 热流体的饱和温度，。,传热计算的出发点和核心：,5.4.4 A的确定,1. 在列管换热器中，两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壁表面积可视作传热面积。 式中 n管数； d管径，m； l管长，m。 管径d可根据情况选用管内径di、管外径d0或平均直径dm，则对应的传热面积分别为管内表面积Ai，管外表面积A0或平均表面积Am。,2. 设计时：,对于一定

6、的传热任务，若能由传热速率方程确定传热面积，即可在选定管子规格以后，确定管子的长度或根数，并进而完成换热器的工艺设计或选型工作。,一、恒温传热,二、变温传热,tm与流体流向有关,5.4.5. 传热平均温度差,逆流,并流,错流,折流,两侧流体温度恒定：,1、逆流和并流时的tm,一侧变，另一侧不变,两侧均变,逆流,并流,以逆流为例推导,假设：1）定态传热、定态流动，W1、 W2一定,2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的,3）K沿管长不变化。,4）热损失忽略不计。,选一个微分单元：,1）也适用于并流,2）较大温差记为t1，较小温差记为t2；3）当t1/t22，则可用算术平均值代替,4）当t

7、1t2,：逆流时的平均温度差,2、错流、折流时的,3、逆流与并流的比较,（1）逆流操作的特点：一是在冷、热流体进、出口温度相同的条件下， ；在相同的Q下，A逆A并。 二是可能节约冷却剂或加热剂的用量。 （2）并流的出口温度有一定的限制。如对逆流： 或 对于并流 ：,5.4.6 总传热系数,热流体 固体壁面一侧固体壁面一侧 另一侧固体壁面另一侧 冷流体,（3）管内对流,（1）管外对流,（2）管壁热传导,对于稳定传热,式中 K总传热系数，W/(m2K)。,污垢热阻,式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,讨论：1,以外表面为基准(dA=dA0):,式中 K0以换热管的外表面为基准的总传

8、热系数； dm换热管的对数平均直径。,以壁表面为基准：,以内表面为基准：,工程上习惯以A外为表面积作为计算基准面，所以以后所遇的传热系数K（如没有特殊说明）均为相对于外管表面。,2. 可近似用平壁计算,4.当管壁和污垢热阻忽略时，总热阻取决于a小的一侧流体的热阻。,当 时，K,5.壁温接近于热阻较小一侧的流体温度。,3当传热面为平面时，A=Ai=A0=Am,6. 1/K值的物理意义,5.4.5 壁温的计算,稳态传热,1大，即/Am小，热阻小，tW=TW,TW接近于T，即大热阻小侧流体的温度。,3两侧有污垢,2当tW=TW，壁比较薄时得,壁比较薄时,5.5 热辐射5.5.1 基本概念5.5.2

9、物体的辐射能力5.5.3 两固体间的相互辐射5.5.4 高温设备及管道的热损失,5.5.1 基本概念,1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。,特点： 能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 内能1 电磁波能内能2温度较高时考虑； 不需要任何介质。,辐射传热的特性,具有反射、折射和吸收的特性； 服从光的反射、折射定律；能在均一介质中作直线传播。,能量守恒定律：,式中 吸收率； 反射率； 穿透率。,3. 热辐射对物体的作用总能量Q；被物体吸收QA ；被反射QR ；穿过物体QD,A,R,D = f(物体性质、温度、表面、辐射波

10、长）,4,4.黑体、镜体（白体）、透热体、灰体能全部吸收辐射能的物体A=1,R=D=0黑体能全部反射辐射能的物体R=1,A=D=0镜体能透过全部辐射能的物体D=1,A=R=0透热体 无光泽的煤A=0.97近于黑体 干净的雪R=0.985近于白体 磨光的金属R=0.97近于白体 一般的物体，既不是黑体，也不是镜体。 液、固体D=0,A+R=1；气体R=0,A+D=1 其吸收率A和物体的性质、状态和波长有关。灰体对各种波长的辐射能都能同样吸收的理想物体。特点：吸收率A不随波长而变是不透D=0,A+R=1,5.5.2 物体的辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从

11、0到），W/m2。,物体的单色辐射能力：物体在一定温度下，发射某种波长的能力；以E表示，单位W/m3。,式中 0黑体辐射常数，=5.67 10-8W/(m2 .K4)； C0黑体辐射系数，=5.67W/(m2 .K4),斯蒂芬-波尔茨曼定律,一、黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感。,二、 实际物体,物体的黑度：,1,物体的黑度：物体的种类、表面温度、表面状况、波长。是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。,式中C灰体的辐射系数，C=5.669W/(m2.K4),三、灰体,四、克希霍夫定律,设：A-灰体 B-黑体 A发射辐射能全部被B吸收。 B发射辐射能： 部分被A吸收 - ； 部分被A反

12、射 - ；,热平衡时，对灰体而言：,结论：（1）任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同，且等于同温度下绝对黑体的发射能力。物体的发射能力越强，其吸收率越大。（2）A= 即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。（），即在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。 善于吸收的物体也善于发射。,A和的比较,在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数,一、两无限大平行灰体壁面间的相互辐射,5.5.3 两固体间的相互辐射,式中 A平面的传热面积； 1-2角系数(物体1发射辐射能被2拦截分率)。,当两平行壁面间辐射传

13、热速率应写为：,C1-2：物体1对物体2的总发射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。 P165表 4-11 例：车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室内温度为27。为了减少热损失，在炉门前50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。,：几何因子或角度系数，表示从辐射面积A所发射出的能量为另一物体表面所拦截的分数。数值与两表面的形状、大小、相互位置以及距离有关。,解：(1)放置铝板前因辐射损失的热量,取铸铁的黑度为,（2）放置铝板后因辐射损失的热量用下标1、2和i分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为TiK，则铝板向

14、房间辐射的热量为：,式中：,炉门对铝板的辐射传热可视为两无限大平板之间的传热，故放置铝板后因辐射损失的热量为：,式中：,当传热达到稳定时，,放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为：,结论：设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法，而且挡板材料的黑度愈低，挡板的层数愈多，则热损失愈少。,三、影响辐射传热的因素,1. 温度的影响 T4 ， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式2. 几何位置的影响3. 表面黑度的影响 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。4. 辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热屏）。,5.5.4 高温设备及管道的热损失(辐射对流联合传热),对流散热：

15、,辐射散热：,总热损失：,式中T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)。,空气自然对流，当tW150C时平壁保温层外,(2) 空气沿粗糙壁面强制对流空气速度u5m/s时,管道及圆筒壁保温层外,空气速度u5m/s时,5.5.5 气体的热辐射,气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气） 近似透热体，无吸收、发射能力 多原子气体(CO2、H2O蒸汽) 高温时具有很强发射和吸收能力。气体热辐射特点： * 选择性 只发射和吸收某一波长范围的辐射能； * 容积辐射特性 吸收和发射在整个体积内进行。气体发射能力：,5.6 换热器5.6.1 换热器的分类5.6.2 间壁式换热器的类型5.6.3 列管换热器

16、的选用5.6.4 传热的强化措施5.6.5 新型的换热设备,5.6.1 换热器的分类,按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器,按冷热流体热量交换方式分类：,混合式、蓄热式和间壁式,主要内容：,1. 根据工艺要求，选择适当的换热器类型；,2. 通过计算选择合适的换热器规格。,5.6.2 间壁式换热器的类型,(1) 夹套式换热器, 结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。 优点：结构简单。 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。,(2) 沉浸式蛇管换热器, 结构：这种换

17、热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。,(3) 喷淋式换热器, 结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。 优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。 缺点：喷淋不易均匀。,喷 淋 式 换 热 器,（4）套管式换热器, 结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。

18、 优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。,（5）、列管换热器,圆缺形,圆盘形,多管程：增大管内流体u，提高管内的,加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的,1. 固定管板式,特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。,2. 浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂,3. U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,5.6.3列管换热器的设计和选用原则,1. 流径的选择不清洁、易结垢流体走易清洗一侧有腐蚀性流体，有毒宜走管程饱和蒸汽宜走壳程：因饱和蒸汽干净冷凝水易从壳

19、程排出饱和蒸汽大，无须用流速增大饱和蒸汽大，走壳程与壳体和管子都接触，因此产生热应力小。,高压流体宜走管程被冷却流体宜走壳程(6)对流传热系数低走管程。(7)流量小的或黏度大的走壳程。,一般原则： 腐蚀性流体 压力高的流体,管程,饱和蒸汽流量小而粘度大的流体对流传热系数大的流体需要冷却的流体,壳程,2. 流速选用 一般流速较大，则传热大，但流速过大会增加阻力，增大动力消耗，因此有一适宜流速范围。,3.管子规格及排列方式规格管径：换热器直径越小，换热器单位体积管子数可增多，则换热面积就越大，但管径太小，则阻力会加大，且易堵塞。目前我国换热器管子有192mm和252.5mm两种。管长：管长选取以清

20、洗方便、合理使用管子为准，我国管子长度为6m，所以换热器管长取6m的倍数如：1.5、2、3、6几种。排列方式等边三角形：优点为排列紧凑，在同样管间距情况下，单位面积可排较多管子，且管外流体扰动大，管外大。缺点为：管外清洗较困难。,正三角形排列,正方形：管子排列较松散，管外较正三角形排列小，但管外清洗较易，如将管束旋转一个角度，可使管外加大。4.折流挡板 安装折流挡板，目的是为了提高管外，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。,挡板间距：一般取壳体内径的0.21.0倍,挡板切除对流动的影响,5、流向的选择(1)从提高传热推动力来言，逆流最佳。(2)工艺上要求加热某一热敏性物质时，易于控制流体

21、出口温度,采用并流。(3)采用折流和其它复杂流型的目的是为了提高传热系数，从而提高K来减小传热面积。用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度，最好使0.9（0.8），否则另外选其他流型。(4)当换热器一侧流体发生相变，可能其温度保持不变，此时就无所谓逆并流，不论何种流动形式，只要进出口温度相同，则tm均相等。,6.流体两端的温度及温度差的确定冷却水或空气，取一年中最高月平均温度。若换热器两侧均为工艺流体，两端温差不宜小于20。若冷却介质为水：出口温度小于50-60 避免结垢。高端温差大于20 ，低端温差大于5 ，平均温差大于10 。,7、流体通过换热器时阻力的计算, 管程阻力 管程阻力可

22、按一般摩擦阻力计算式求得。, 壳程阻力对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式多，计算结果相差较大。,液体压降：104105Pa，气体压降：103104Pa。,5.6.3 列管换热器的选用,1. 根据工艺任务，计算热负荷,2. 计算tm,3. 依据经验选取K，估算A,4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,5. 核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6. 计算A,根据计算的

23、K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。,5.6.4 传热过程的强化途径,一、增大tm,提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度,两侧变温情况下，尽量采用逆流流动,为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K。,二、增大A/V,直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q,采用高效新型换热器改进传热面结构入手来增大A 和湍动程度，使Q,(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片,三、增大K,尽可能利用有相变的热载体（大）用大的热载体，如液体金属Na等减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)： 增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度,5.6.5 新型的换热器,一、平板式换热器,优点：传热效率高，K大结构紧凑，操作灵活，安装检修方便,缺点：耐温、耐压差易渗漏，处理量小,二、螺旋板式换热器,优点：传热效率高不易堵塞结构紧凑，成本较低,缺点：压力、温度不能太高难以维修,三、板翅管换热器 如图为几种强化传热管和板翅式换热器的翅片。,光直翅片 锯齿翅片 多孔翅片,特点：增加A，增强管外流体的湍动提高重要的应用场合：空气冷却器,