傳熱整理課件第一節(jié)概述一、傳熱過程在化工生產中的應用加熱或冷卻換熱/能量回用保溫

強化傳熱過程削弱傳熱過程

整理課件能量回收：節(jié)能減排、資源回用！同時，是化工廠提高經濟效益的一個重要措施！余熱資源被認為是繼煤、石油、天然氣和水力之后的又一常規(guī)能源。例如：鋼鐵行業(yè)煙氣余熱回收對比余熱沒有回收熱交換器進行余熱回收整理課件二、傳熱的三種基本方式

1、熱傳導熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導，又稱導熱。特點：沒有物質的宏觀位移氣體

分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果固體

導電體：自由電子在晶格間的運動

非導電體：通過晶格結構的振動來實現(xiàn)的液體

機理復雜整理課件2、對流流體內部質點發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。3、熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。

自然對流強制對流能量轉移、能量形式的轉化不需要任何物質作媒介

Ea∝T4三種傳熱方式一般不單獨存在，往往相互伴隨，同時出現(xiàn)。整理課件整理課件三、兩流體通過間壁換熱與傳熱速率方程式1、間壁式換熱器外傳熱面積：內傳熱面積：平均傳熱面積：整理課件整理課件2、熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等用電加熱直接熱源間接熱源加熱劑煙道氣電加熱溫度高、經濟、溫度不易控制、加熱不均勻、帶有明火及灰塵溫度高、加熱均勻、易控制、清潔衛(wèi)生、成本高高溫載熱體熔鹽混合物水蒸汽最廣的熱源、加熱均勻、溫度高時壓力過大、不安全整理課件冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等空氣、水鹽水溶液常用冷卻劑冷卻溫度≥5oCNaCl、CaCl2等；冷卻溫度0～-45oC有機物乙醇、乙二醇、丙醇等；冷卻溫度要求更低整理課件3、傳熱速率與熱流密度傳熱速率Q：熱流量，單位時間內通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W熱流密度q：熱通量，單位時間內通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2式中，A──總傳熱面積，m2。4、穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱

整理課件5、兩流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體間壁穩(wěn)態(tài)傳熱：流體與壁面之間的熱量傳遞以對流方式為主，并伴有流體分子熱運動引起的熱傳導，通常把這一傳熱過程稱為對流傳熱。整理課件整理課件6、傳熱速率方程式傳熱過程的推動力是兩流體的溫度差，因沿傳熱管長度不同位置的溫度差不同，通常在傳熱計算時使用平均溫度差，以表示。經驗指出，在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，傳熱速率Q與傳熱面積A和兩流體的溫度差成正比。即得傳熱速率方程式為：式中K──總傳熱系數，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；Q──傳熱速率，W或J/s；A──總傳熱面積，m2；

tm──兩流體的平均溫差，℃或K。整理課件第二節(jié)熱傳導1、有關熱傳導的基本概念式中t─某點的溫度，℃；x,y,z─某點的坐標；─時間。溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。(1)溫度場和等溫面整理課件不穩(wěn)定溫度場

穩(wěn)定溫度場

等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。t1t2t1>t2等溫面Q等溫面互不相交等溫面上沒有熱量傳遞整理課件(2)溫度梯度

t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正一維穩(wěn)定熱傳導整理課件2、傅立葉定律式中Q─熱傳導速率，W或J/s；A─導熱面積，垂直于熱流方向的截面積，m2；dt/dx

─為沿x方向的溫度梯度，℃/m或K/m；

─熱導率或導熱系數，W/(m·℃)或W/(m·K)。整理課件3、熱導率(2)是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)(1)為單位溫度梯度下的熱通量大小(物理意義)物質的越大，導熱性能越好=f(結構,組成,密度,溫度,壓力）(3)各種物質的導熱系數金屬固體>非金屬固體>液體>氣體

在熱傳導過程中，因物質各處溫度不同，也就不同，所以在計算時應取最高溫度t1下的1與最低溫度t2下的2的算術平均值，或由平均溫度t=(t1+t2)/2求出值。整理課件1、固體熱導率

金屬材料10～102W/(m?K)

建筑材料10-1～10W/(m?K)

絕熱材料10-2～10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內：對大多數金屬材料a<0，t

對大多數非金屬材料a>0

，

t

整理課件2、液體熱導率0.09～0.6W/(m·K)金屬液體較高，非金屬液體低；非金屬液體水的最大；水和甘油：t

，其它液體：t

，3、氣體熱導率

t

，

一般情況下，隨p的變化可忽略；

氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱。0.006～0.4W/(m·K)整理課件4、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(1)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導t1t2btxdxQxQx+dxA假設：材料均勻，為常數；一維溫度場，t沿x變化；

A/b很大，忽略端損失。邊界條件：x=0時，t=t1;x=b時，t=t2整理課件由假設可知：為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導，根據傅里葉定律分離變量后積分得導熱速率方程式或整理課件例:平壁A=20m2，b=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC，材料導熱系數=0.815+0.00076t(t:oC，:W/(moC))。試求平壁Q和q。

解:整理課件(2)多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導t1t2b1txb2b3t2t4t3假設：(1)A/b很大，忽略端效應；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。(4)各層接觸良好，接觸面兩側溫度相同。整理課件推廣至n層：

各層的溫差：整理課件例：燃燒爐最內層耐火磚b1=150mm,中間層絕熱磚b2=290mm,最外層普通磚b3=228mm。已知t1=1016oC,t4=34oC，求t2和t3。設各層接觸良好。

1=1.05W/(moC),2=0.15W/(moC),3=0.81W/(moC)解:整理課件材料，W/moCR，m2oC/Wt，oC耐火磚1.050.142959.5絕熱磚0.151.933805.1普通磚0.810.2815117.4熱阻大的絕熱層(保溫層)，分配于該層的溫差亦大，即溫度差與熱阻成正比。整理課件5、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導特點：傳熱面積隨半徑變化

A=2rl(2)一維溫度場，t沿r變化。(1)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導整理課件傅立葉定律

邊界條件

得：設不隨t而變

整理課件注：在穩(wěn)態(tài)下通過圓筒壁的導熱速率Q與坐標r無關，但熱流密度q卻隨坐標r變化，因此，工程上為了計算方便，按單位圓筒壁長度計算導熱速率，記為ql整理課件與單層平壁類似形式的計算式：對數平均值：算術平均值：幾何平均值：整理課件例：有外徑為426mm的水蒸氣管路，管外覆蓋一層厚為400mm的保溫層。保溫層材料的熱導率=0.5+0.0009tW/(mK)。水蒸氣管路外表面溫度為150oC,保溫層外表面溫度為40oC。試計算該管路每米長的散熱量。

水蒸氣管保溫層t1=150oCt2=40oC0.4mr1=0.213mr2=0.613m解:整理課件(2)多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導整理課件例：在一的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導熱率為=0.07W/(moC)，外層為20mm的石棉層，平均導熱率為=0.15W/(moC)。測得管內壁溫度為500oC,最外層表面溫度為80oC，管壁的熱導率=45W/(moC)

。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。

解:(1)每米管廠的熱損失此處，r1=0.03-0.0035=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m整理課件(2)保溫層界面溫度t3整理課件第三節(jié)對流傳熱1、對流傳熱過程與對流傳熱系數各層傳熱方式

ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt湍流主體溫度梯度小，熱對流為主層流內層溫度梯度大，熱傳導為主過渡區(qū)域熱傳導、熱對流均起作用整理課件整理課件式中 Q─對流傳熱速率，W；1、2

─熱、冷流體的對流傳熱系數，W/(m2·K)；T、TW、t、tW─熱、冷流體的平均溫度及

平均壁溫，℃。

冷流體：熱流體：牛頓冷卻定律整理課件2、影響對流傳熱系數的因素(1)流動狀態(tài)湍流>層流

(2)引起流動的原因自然對流：由于流體內部密度差而引起流體的流動。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。

強制>自然

整理課件自然對流的產生：設熱處：t2，2；冷處：t1，1——體積膨脹系數，1/C。或而得：或由溫度差而產生的單位體積的浮升力：整理課件(3)流體的物性

，，，cp，

(5)是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變>無相變(4)傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。整理課件3、對流傳熱的特征數關系式

固體表面與不發(fā)生相變化的流體間的對流傳熱過程，影響此過程的因素有：液體的物理性質：，，，cp

固體表面的特征尺寸：l強制對流的流速：u自然對流的特征速度：

在對流傳熱中，獲得傳熱系數的最常用的方法是用因次分析將影響對流傳熱的因素無因次化，通過實驗決定無因次準數之間的關系。整理課件變量總數：8個基本因次4個：長度L，時間T，質量M，溫度根據π定律，無量綱特征數（8-4）=4無相變時π定律對于u個基本單位給出的q個物理量，它們之間的關系可以通過q–u個無量綱單位組合數組成一個函數式來進行表達。整理課件

Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱的影響Grashof，自然對流對對流傳熱的影響Nusselt，對流傳熱系數的特征數Prandtl，流體物性對對流傳熱的影響整理課件一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)簡化：強制對流Nu=f(Re,Pr)使用準數關聯(lián)式時注意：定性溫度的取法：2．特性尺寸取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。管內強制對流傳熱，如為圓管，特征尺寸取管徑d；如非圓形管，通常取當量直徑dede=4(流動截面)/潤濕周邊3．準數關聯(lián)式的適用范圍。1．確定物性參數數值的溫度稱為定性溫度。整理課件整理課件4.無相變時對流傳熱系數的經驗關聯(lián)式(1)流體在管內強制對流傳熱

圓形直管強制湍流時的對流傳熱系數適用范圍：Re>104，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>60整理課件特征尺寸為管內徑di

流體被加熱時，n＝0.4；被冷卻時，n＝0.3。注意事項：定性溫度取強化措施：

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體整理課件以下是對上面的公式進行修正：高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di整理課件l/d<60過渡流（2000<Re<10000)彎曲管內

整理課件例：常壓下，空氣在管長為4m，管徑為的鋼管中流動，流速為15m/s，溫度由150oC升至250oC。試求管壁對空氣的對流傳熱系數。解:定性溫度t=(150+250)/2=200oC，可查得該溫度下空氣的物性數據：

整理課件所以，可用圓形直管強制湍流時的對流傳熱系數公式計算，本題中空氣被加熱，n=0.4(2)其它對流傳熱方式*5.流體有相變時的對流傳熱有相變蒸汽冷凝液體沸騰整理課件蒸氣冷凝時的對流傳熱1、蒸汽冷凝方式（1）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝滴>膜

冷凝過程的熱阻——冷凝液膜整理課件整理課件2.膜狀冷凝時的對流傳熱系數（1）水平管束外定性溫度：tSr，其它膜溫n——水平管束在垂直列上的管數r——比汽化熱特征尺寸：取管外徑dot=ts-tw，飽和溫度與壁面溫度之差整理課件（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝層流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管長或板高定性溫度：膜溫整理課件3.影響因素和強化措施(1)液體物性，，

，r

(2)不凝氣體不凝氣體存在，導致，需定期排放。(3)蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時，t，；反向時，t，；u，(4)蒸汽過熱r’=r+cp(tv-ts)影響較小整理課件(5)強化措施：目的：減少冷凝液膜的厚度水平管束：減少垂直方向上管數，采用錯列；垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。整理課件液體沸騰時的對流傳熱沸騰管內沸騰大容器內沸騰沸騰必要條件：

過熱度t=（t－ts）>0

存在汽化核心1、大容器飽和沸騰現(xiàn)象

推動力（tw－ts）沸騰三個階段：

自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰水沸騰曲線ABCD整理課件①液體輕微過熱→自然對流→無氣泡→

很小—AB段

自然對流②局部產生氣泡→氣泡上升→液體擾動→↑↑—BC段

核狀沸騰

氣泡增多→氣泡產生速度>脫離表面的速度

→不穩(wěn)定的氣膜→↓↓③—CD段膜狀沸騰

C點：臨界點

工業(yè)上采用核狀沸騰：大，tW小整理課件整理課件2.影響因素及強化措施（1）液體的性質

（2）溫度差核狀沸騰階段:t2.5，t

（3）操作壓力（4）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大（5）強化措施表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結金屬粒；加表面活性劑（乙醇、丙酮等）整理課件第四節(jié)兩流體間傳熱過程的計算總傳熱速率方程式中Q──傳熱速率，W；

tm──兩流體的平均溫度差，℃；A──傳熱面積，m2；K──總傳熱系數，W/(m2·℃)。整理課件1、熱量衡算

熱負荷Q：單位時間冷、熱流體間交換的熱量。無熱損失：熱流體qm1,T1,cp1,H1T2,H2冷流體qm2,t2,cp2,h1T2,

h2整理課件無相變時

熱量衡算：比熱法和熱焓法式中Q──熱冷流體放出或吸收的熱量，J/s；

qm1,qm2──熱冷流體的質量流量，kg/s；

cp1,cp2──熱冷流體的比熱容，J/(kg.℃)；

h1,h2──冷流體的進出口焓，J/kg；

H1,H2──熱流體的進出口焓，J/kg。比熱法熱焓法整理課件相變時

熱量衡算：式中r──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；TS──熱流體的飽和溫度，℃。傳熱計算的出發(fā)點和核心：相變熱/潛熱顯熱變化整理課件2、傳熱平均溫度差(tm)的計算(1)恒溫傳熱(2)變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關逆流并流錯流折流整理課件逆流與并流t2t1T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流t1t2T1T2整理課件以冷、熱流體均無相變、逆流流動為例推導tm

：假設：（1）穩(wěn)態(tài)流動，qm1、qm2為常數；（2）cp1、cp2為常數；（3）K沿管長不變化；（4）熱損失忽略不計。對于微元：整理課件整理課件對數平均溫度差整理課件

ttAT2T1

t2tAt1T討論：(2)同一端處冷熱流體的溫度差(1)并流：亦適用(3)若(4)也適用于間壁一側恒溫，一側變溫的情況整理課件逆流：并流：整理課件折流與錯流的平均溫度差查圖整理課件流向的選擇：逆流與并流的比較(1)所需傳熱面積逆流優(yōu)于并流。整理課件(2)載熱體消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加熱任務：t1t2(T2并)min=t2(T2逆)min=t1逆流優(yōu)于并流。整理課件(3)溫度差分布逆流時的溫度差分布更均勻。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流(4)并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱，或生產工藝要求溫度不能過高或過低的場合。整理課件3、總傳熱K的計算冷流體熱流體間壁Q熱流體一側的對流傳熱速率間壁的熱導速率冷流體一側的對流傳熱速率整理課件穩(wěn)態(tài)傳熱總熱阻表達式整理課件(1)若傳熱面為平壁討論：dA=dA1=dA2=dAm(2)若傳熱面為圓筒壁，管內徑為d1，外徑為d2以圓筒內表面為基準：整理課件以圓筒外表面為基準：以間壁為基準：(3)工程上習慣以外表面為基準，K2=K

對于薄管壁：整理課件(4)污垢熱阻的影響：(5)當傳熱壁為平壁或薄的圓筒時：(6)當間壁熱阻很小，可忽略，且流體清潔，污垢熱阻也可忽略。內側為控制熱阻外側為控制熱阻整理課件4、壁溫計算金屬壁的熱阻通?？梢院雎裕矗嚎梢姡簜鳠崦鎯蓚葴夭钪鹊扔趦蓚葻嶙柚?，壁溫Tw必接近于熱阻較小或對流傳熱系數較大一側的流體溫度。整理課件5、傳熱計算舉例例、在一由?25×2.5mm鋼管構成的廢熱鍋爐中，管內通入高溫氣體，進口500℃,出口400℃。管外為p=1000kN/m2壓力（絕壓）的水沸騰。已知高溫氣體對流傳熱系數a1=250W/m2·℃，水沸騰的對流傳熱系數a2=10000W/m2·℃，碳鋼的導熱系數=45W/m·℃

。忽略污垢熱阻。試求管內壁平均溫度Tw及管外壁平均tw。整理課件解：(1)總傳熱系數K，以管子內表面積A1為基準d1=20mm,d2=25mm,dm=22.5mm,b=2.5mm(2)平均溫度差tm的計算p=1MPa時，水的飽和溫度為t=180oCT1=500oC,T2=400oCt1=T1-t=500-180=320oC,t2=T2-t=400-180=220oC(3)計算單位面積傳熱量整理課件(4)管壁溫度熱流體的平均溫度T=(500+400)/2=450oC管內壁溫度管外壁溫度整理課件第六節(jié)換熱器1、換熱器的分類加熱器蒸發(fā)器按用途分類冷卻器冷凝器直接接觸式間壁式按冷熱流體的傳熱方式蓄熱式該類換熱器使用的最多整理課件整理課件整理課件2、間壁式換熱器(1)夾套式換熱器優(yōu)點：結構簡單缺點：

A小釜內小強化措施：釜內加攪拌釜內加蛇管外循環(huán)用途:反應過程的傳熱結構:壁外設夾套整理課件整理課件(2)沉浸式蛇管換熱器強化措施：容器內加攪拌器，提高K優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓缺點：

管外小整理課件(3)噴淋式蛇管換熱器優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓管外比沉浸式大缺點：噴淋不易均勻占地面積大整理課件整理課件(4)套管式換熱器優(yōu)點：結構簡單能耐高壓

K或tm大缺點：結構不緊湊A/V小接頭多，易漏整理課件整理課件(5)螺旋板式換熱器優(yōu)點：結構緊湊不易結垢,堵塞

K大

保持逆流,tm大缺點：壓力,溫度不能太高難以維修整理課件整理課件(6)板式換熱器整理課件優(yōu)點：

結構緊湊操作靈活

K大缺點：耐溫、耐壓差,易漏處理量小整理課件整理課件(7)板翅式換熱器優(yōu)點：流體湍動程度高，K大；結構緊湊，單位體積的A較大；缺點：易堵塞，清洗困難；構造復雜整理課件(8)翅片式換熱器增加A，增強管外流體的湍動來提高整理課件(9)熱管式換熱器特點：傳熱高效且穩(wěn)定；結構簡單；應用范圍廣。整理課件(10)列管式換熱器管板、管束、封頭、殼體整理課件(10)列管式換熱器

固定管板式換熱器用途:殼方清潔,壓力不高優(yōu)點:成本低缺點:殼程難洗,結構:常備膨脹節(jié)限制整理課件(10)列管式換熱器

浮頭式換熱器用途:較廣泛優(yōu)點:熱補償好,易洗易修缺點:成本高結構:一管板自由整理課件(10)列管式換熱器

U形管式換熱器用途:管