传热原理及传热设备（PPT65页)

LOGO化工基础知识培训传热原理及传热设备Companyname、理解传热过程的基本概念，熟知传热的基本方式。2、掌握热传导的规律，理解热导率的意义。3、掌握对流传热的规律，了解对流传热膜系数的因素。4、掌握传热基本方程。5、掌握传热操作的基本原理,知道工业上常用的换热器。Companyname培训目标6、会根据要求选择流体的流动方向，熟知强化传热效果的途径及措施。7、掌握间壁式换热器的结构和特点，了解其它常用换热器的结构特点，会选用换热剂。8、了解常用换热器的操作要点和常见事故的处理措施。Companyname概述5.1.1传热在化工生产中的应用传热是重要的单元操作过程之一，传热的目的主要有以下几方面：（1）加热、冷却或冷凝。使物料达到指定的温度（2）换热，以回收利用热量或冷量。（3）保温，以减少热量或冷量的损失。Companyname概述化工生产中遇到的传热问题通常有以下两类：一类是要求强化传热，提高某一换热设备的传热速率，减少设备的尺寸，降低设备费用；另一类是削弱传热，以减少热损失，如高温设备、低温设备及管道的保温隔热等，要求传热速率越低越好。Companyname概述5.1.2传热的基本方式传热的基本方式有三种：热传导、对流和辐射。（1）热传导（简称导热）是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分传递，或从一个高温物体向与其直接接触的低温物体传递的过程。在热传导过程当中，没有物质的宏观位移。固体、静止的流体或气体的传热属于导热，在层流流体中，传热方向与流向垂直时也是热传导。Companyname概述（2）对流传热（简称对流）是指在流体中各部分质点发生相对位移而引起的热量传递。对流传热过程中往往伴有热传导。化工生产中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用所引起的，称为强制对流；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流。强制对流传热效果好。Companyname概述（3）辐射传热（热辐射）是指因热的原因而产生电磁波进行传递能量的过程。物体将热能以电磁波的形式向外界辐射，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。辐射传热不需要介质，物体温度越高，热辐射传递的热量越多。事实上传热过程往往不是以某种传热方式单独存在的，而是上述两种或三种传热方式的组合。Companyname概述5.1.3稳定传热和非稳定传热在传热过程中，各点的温度只随位置变化而不随时间变化的过程称为稳定传热。若在传热过程中，各点的温度除随位置变化外还随时间变化的过程称为非稳定传热。化工生产中多为连续操作过程，属于稳定传热。Companyname概述5.1.4热载体及其选择在传热过程中，为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，参与传热的流体称为载热体。温度较高而放出热能的载热体称为热载热体；温度较低而吸收热能的载热体称为冷载热体。起加热作用的载热体称为加热剂，起冷却或冷凝作用的载热体称为冷却剂或冷凝剂。Companyname概述在选择载热体时应考虑以下几个方面的因素：（1）载热体的温度易于调节。（2）载热体的饱和蒸汽压较小，加热时不会分解。（3）载热体毒性要小，使用安全，对设备无腐蚀或腐蚀性很小。（4）载热体的价格低廉且容易得到。通常，在温度不超过180℃的条件下，饱和蒸汽是最适宜的加热剂，而当温度不很低时，水和空气是最适宜的冷却剂。Companyname热传导5.2.1热传导基本规律t1t2AQδ图5-1单层平壁的热传导Companyname热传导图5-1所示为一个由均匀固体物质组成的平壁，面积为A，壁厚是δ，壁的两面温度保持为t1和t2。如果t1＞t2，则热量以热传导的方式从温度为t1的平面传递到温度为t2的平面。则Q=λA/δ(t1-t2)(5-1)式(5-1)是热传导方程式。将其改写成如下形式：Q/A=Δt/R,（R为导热热阻）。R=δ/λ（5-2）Companyname热传导式中Q—导热速率，单位时间内传导的热量W；A—导热面积，即垂直于热流方向上的截面积，m2;λ—比例系数，称为热导率，W/（m·K）或W/（m·℃）；δ—平壁厚度，m；Δt—两壁的温差，Δt=t1-t2，导热的推动力，K；R—导热热阻。式（5-2）表明，平壁材料的热导率越小、平壁越厚，则热传导阻力就越大。热导率值越大，则物质的导热能力越强。Companyname热传导5.2.2热导率热导率λ是表示物质导热性能的一个物性参数，λ越大，导热越快。λ在数值上等于单位温度梯度、单位导热面积、在单位时间内所传导的热量，其单位W（m.℃），热导率的大小和物质的组成、结构、密度、温度、湿度等因素有关，对于气体还与压强变化有关。Companyname多层平壁的热传导Companyname多层平壁的热传导对于稳定传热，热量在平壁内没有积累，因而数量相等的热量依次通过各层平壁，则：工业上常遇到由多层不同材料组成的平壁，称为多层平壁，如图所示。假设层与层之间接触良好，即接触的两表面温度相同。由于各等温面的温度保持恒定，仍为一维稳态导热，通过各层的热流量均等于Q，则：Companyname多层平壁的热传导＝＝Companyname多层平壁的热传导由以上可见，对于多层平壁的稳态热传导，其总的推动力即为总的温度差，而总的热阻为各层热阻之和。这与电工学中串联电阻的欧姆定律类似。各层的热阻越大，则其温度差也越大。热传导中温度差与热阻成正比。Companyname对流传热的过程分析对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。当流体流过固体壁面时，由于流体粘性的作用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层，边界层内存在速度梯度。当边界层内的流动处于滞流状况时，称为滞流边界层；当边界层内的流动发展为湍流时，称为湍流边界层。但是，即使是湍流边界层，靠近壁面处仍有一薄层(滞流内层)存在，在此薄层内流体呈滞流流动。滞流内层和湍流主体之间称为缓冲层。Companyname对流传热的过程分析由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导(实际上，在滞流流动时的传热总是要受到自然对流的影响，使传热加剧)。由于流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡；因此湍流主体中温度差(温度梯度)极小，各处的温度基本上相同。在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。图5—3表示冷、热流体在壁面两侧的流动情况和与流体流动方向相垂直的某一截面上的流体温度分布情况。Companyname—3对流传热的温度分布情况Companyname对流传热的过程分析由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。Companyname对流传热速率方程对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且对不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。Companyname对流传热速率方程若以热流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示Q=α（T-Tw)S式中Q—局部对流传热速率，W；S—传热面积，m2；T－换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃；Tw—换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃；α－比例系数，又称局部对流传热膜系数，W／(m2·℃)。Companyname对流传热膜系数对流传热膜系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位W/(m2·℃)，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。对流传热系数α与导热系数λ不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。例如流体有无相变化、流体流动的原因、流动状态、流体物性和壁面情况(换热器结构)等都影响对流传热系数。一般来说，对同一种流体，强制对流时的要大于自然对流时的，有相变时的要大于无相变时的。Companyname传热基本方程式和传热过程的计算5.4.1传热基本方程式间壁式换热器中的传热过程工业生产中冷、热两种流体的热交换，大多数情况下不允许两种流体直接接触，要求用固体壁隔开，这种换热器称为间壁式换热器。（1）热流体通过对流传热将热量传给固体壁面；（2）固体壁内以传导方式将热量从高温侧传向低温侧；（3）热量通过对流传热从固体壁面传给冷流体。Companyname传热基本方程式和传热过程的计算单位时间内的传热量，即传热速率Q，与传热面积A及两流体的温度差Δtm成正比，为Q=KAΔtm(4-1)式中K----------比例系数，称为总传热系数，W/m2·K(或W/m2·℃)；Q-----------传热速率，J/s(或W)；A-----------传热面积，m2；Δtm-------两流体的平均温度差，K(或℃)。Companyname传热基本方程式和传热过程的计算上式称传热速率方程式或传热基本方程式，它是换热器设计最重要的方程式。当所要求的传热速率Q、温度差Δtm及总传热系数K已知时，可用传热速率方程式计算所需要的传热面积A。Companyname传热基本方程式和传热过程的计算5.4.2传热过程的热量衡算热负荷Ｑ的确定根据能量衡算，单位时间内热流体放出之热量等于冷流体吸收的热量（焓差法），即两流体均无相变化（温差法），则若热流体只有相变化而无温度的变化，例如饱和蒸气冷凝时（潜热法），Companyname传热基本方程式和传热过程的计算5.4.3平均温度差的计算