第四章_传热及传热设备--华南理工大学化工原理

化工原理第四章传热及传热设备第一节概述一、传热在化工生产中的应用在物体内部或者物系间,只要存在温度差,就会自动发生从高温处向低温处的热量传递。温度差就是传热过程的推动力。在化学工业生产中传热应用极为广泛，传热过程所涉及的主要问题有三类：1.物料的加热与冷却。例如化工生产中的许多单元操作如蒸发、干燥、蒸馏等操作过程中,都需要供给一定热量,一般的化学反应也都伴随着热量的传递,而且都要求将温度控制在一定范围内,因此需要不断地输入和输出热量。2.热量与冷量的回收利用。在能源短缺的今天,热量与冷量都是能量,有效回收利用热量与冷量以节约能源是非常重要的,也是降低生产成本的重要措施之一。例如利用锅炉排出的烟道气的废热,预热燃料燃烧所需要的空气等。3.设备与管路的保温。有许多设备与管路是在特定高温或低温下操作,为了减少热量与冷量的损失,总是在设备与管路的表面包上绝热材料的保温层,以尽量避免传热。由此可见,传热是化工生产中必不可少的基本操作,能量的充分利用是化工生产、尤其是大型生产中极为重要的课题。第一节概述二、传热的基本方式热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。1.热传导：又称传导传热,简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间,热量会自动地从高温向低温传递的方式。本质上它是依靠物体内分子的热振动和自由电子的运动而进行热能的传递。在热传导中物体中的分子不发生相对位移,如铁棒的传热等。固体、液体和气体都能以这种方式传热。2.热对流：又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。第一节概述3.热辐射：又称辐射传热,是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程。因此辐射传热,不仅是能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。另外,辐射传热不需要任何介质作媒介,它可以在真空中传播。这是热辐射与热传导及热对流的根本区别。一般只有物体温度大于400℃时,才有明显的热辐射。实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式同时出现。在一般换热器内，辐射传热量很小，往往可以忽略不计，只需考虑热传导和热对流两种传热方式。第一节概述三、工业生产上的换热方法参与传热的流体称为载热体。在传热过程中，温度较高而放出热能的载热体称为热载热体或加热剂；温度较低而得到热能的载热体称为冷载热体或冷却剂、冷凝剂。冷、热两种流体在换热器内进行热交换，实现热交换的方法有以下三种：1.直接接触式换热其特点是冷、热两流体在换热器中直接接触，如图4-1所示，在混合过程中进行传热，故也称为混合式换热。混合式换热器适用于用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合。常用于气体的冷却或水蒸气冷凝。图4-1直接接触式换热第一节概述2.蓄热式换热其特点是冷、热流体间的热交换是通过蓄热器的周期性加热和冷却来实现的。该换热器是由热容量较大的蓄热室构成,室内装有耐火砖等固体填充物,如图4-2所示。操作时冷、热流体交替的流过蓄热室,利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。由于这类换热设备的操作是间歇交替进行的,并且难免在交替时发生两股流体的混合,所以这类设备在化工生产中使用的不太多。图4-2蓄热式换热器第一节概述3.间壁式换热其特点是冷、热流体被一固体壁面隔开,分别在壁面的两侧流动,不相混合。传热时热流体将热量传给固体壁面,再由壁面传给冷流体。这是生产中使用最广泛的一种形式。适用于两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合,如锅炉烧水。化工生产中最常遇到的换热过程就是间壁式换热,常见换热器如图4-3、4-4及4-5所示。图4-3套管式换热器图4-4单程列管式换热器图4-5双程列管式换热器第一节概述套管式换热器如图4-3所示,它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的。冷、热流体分别流经内管和环隙,通过内管壁而进行热的交换。列管式换热器主要有壳体、管束、管板（花板）和封头等部件组成。一种流体由封头处的进口管进入分配室空间（封头与管板之间的空间）分配至各管内（称为管程）,通过管束后,从另一封头的出口管流出换热器。另一种流体则由壳体的进口管流入,在壳体与管束间的空隙流过（称为壳程）,从壳体的另一端出口管流出。图4-4所示为单管程列管式换热器，流体在换热器管束内只通过一次。图4-5所示为双管程列管式换热器,在换热器的分配室空间设置隔板,将管束的全部管子平均分成两组,流体每次只通过一组管子,然后折回进入另一组管子,如此反复,最后从封头处的出口管流出换热器。另外还有多管管程列管式换热器。第一节概述四、稳定传热与不稳定传热在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳定传热。连续生产过程中的传热多为稳定传热。若传热系统中温度分布随时间变化的传热过程称为不稳定传热。工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的启动和停车过程，都为不稳定的传热过程。化工生产过程中的传热多为稳定传热，本章只讨论稳定传热。第二节热传导一、导热基本基本规律1.热传导方程在一个由固体物质组成的平壁如图4-6所示,面积为A,壁厚为δ,平壁两侧壁面温度分别为t1和t2,单位为K或℃。热量以热传导方式沿着与壁面垂直的方向从一侧传递到另一侧。实践证明：如果在与壁面垂直的方向上任取一传热厚度db,其对应温度降为dt，则单位时间内通过该壁面传递的热量Q有下列关系：(4-1)负号表示传热方向与温度升高方向相反。式中Q称为导热速率,单位为W；dt/db为沿传热方向温度变化的强度,称为温度递度；λ称为热导率,又称导热系数。式（4-1）称为热传导基本方程，或称为傅里叶（Fourier）定律。dtdtQAQAdbdb或图4-6平壁热传导第二节热传导2.热导率（导热系数）导热系数表征物质导热能力的强弱，为物质的物理性质之一，单位是W/（m·K）或W/（m·℃)。其值越大，则物质的导热能力越强。当需要提高导热速率时，可选用导热系数大的材料；反之，应选用导热系数小的材料。各种物质的导热系数通常用实验方法测定，可在专用化工手册中查得。导热系数数值的变化范围很大，一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。温度对导热系数的影响较大，二者之间具有线性关系，即有：λ=λ0(1+at),式中a称为温度系数；压强对物体的导热系数基本无影响。只有气体在压力很高时（大于200MPa），其导热系数才随压强的增大而增大。第二节热传导二、平壁的热传导1.单层平壁的热传导按图4-6所示，利用傅立叶定律并分离变量积分，整理后有：（4-2）式（4-2）即为单层平壁热传导速率的计算式。现对该式变换有：（4-3）本式与电学的欧姆定律相似，式中温度差(△t)是导热过程的推动力，而R导为单层平壁的导热热阻，即传热速率与推动力成正比,与热阻成反比,这符合我们前面讲过的过程速率通式。另外λm为壁面两侧温度下导热系数的平均值。12mAQttb12/()mtttQbAR导第二节热传导2.多层平壁的热传导工业上常遇到由多种不同材料组成的平壁，称为多层平壁。如锅炉墙壁是由耐火砖、保温砖和普通砖组成。以三层壁为例，如图4-7所示。因是稳定传热，则各层的传热速率相等，式(4-3)对于各层的传热速率均适用，那么有：(4-4)式（4-4）表明：多层平壁稳定热传导,其推动力为内外壁面间的总温差,阻力为各层热阻总和,与电学中的串联电路相仿,该式即为多层平面壁的热传导方程式。在多层平壁中,温差大的壁层热阻必然大。例题：参见教材P168例4-2图4-7多层平壁的热传导312112233123///tttttQbAbAbARRRR总总导导导导＝＋＋第二节热传导三、圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导如图4-8所示,有一单层园筒壁的轴向长度为L,内外半径及温度分别为r1、t1和r2、t2。现在半径r(r1≤r≤r2)处取园筒壁的一局部,即微元厚dr薄层,此微元薄层的传热面积则为A=2πrL,据傅立叶方程通式有：Q=-λ(2πrL)dt/dr，分离变量积分得：，整理后有：（4-5）这就是单层园筒壁热传导的计算公式。注意：当r2/r1≤2(即园筒壁很薄时)，可以近似把(r2-r1)当做壁厚b,2πL(r1+r2)/2当作传热面积A,按平面壁求算,其误差小于4％，化工计算是允许的。图4-8单层圆筒壁壁的热传导2211rrQ2ttdrLdtr121222112()2()Q1lnlnLttLttrdrd第二节热传导2.多层圆筒壁的热传导如图4-9所示为三层圆筒壁。由不同材质构成的多层圆筒壁的热传导也可按多层平壁的热传导类似方法处理，依据单层园筒壁规律导出，即有：（4-6）这就是多层园筒壁热传导的计算公式。例题：参见教材P170例4-3。111122Q11lnlnnniiiiiiiiLtLtrdrd总总图4-9多层圆筒壁壁的热传导第三节热对流一、对流传热规律1.对流传热分析对流传热实质上就是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递。通常传热的冷热两个流体总是通过某金属壁面进行热量交换，其表现就是流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程。在第一章中已知，流体沿固体壁面流动时，无论流动主体湍动的多么激烈，靠近管壁处总存在着一层层流内层。由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合，所以固体壁面与流体间进行传热时，热量只能以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层的热传导将产生较大的温度差。另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体质点混合剧烈，热量十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小，其传热就是典型的对流传热。由此可见：流体的对流传热实质上是耦合了层流内层的热传导和流体主体的热对流两个过程，其传热的主要阻力存在于近壁处的层流内层，该层的传热机理属于热传导。第三节热对流图4-10是表示对流传热的温度分布示意图,由于层流内层的导热热阻大,所需要的推动力温度差就比较大,温度曲线较陡,几乎成直线下降。一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层。该层由于有传热阻力,所以才存在传热速率Q,其速率计算应遵循傅立叶定律；在湍流主体,流体温度几乎为一恒定值，由于无传热阻力,即传热能瞬时完成,故无所谓传热速率之说法。图4-10换热管壁两侧流体流动状况及温度分布第三节热对流2.对流传热方程依据以上分析,如果我们以流体被加热为例（图4-10左侧）,设传热边界层厚度为b,固体壁面面积为A,由傅立叶方程有：（4-7）又由于传热边界层厚度为b难以测定，令,称为对流传热系数,此时式（4-7）变为:(4-8a)同理得流体被冷却速率关系式为(4-8b)式（4-8）称为对流传热方程，也称为牛顿冷却定律，它是对流传热的基本规律。该规律以很简单的形式描述了复杂的对流传热过程的速率关系,其中的对流传热系数h包括了所有影响对流传热过程的复杂因素。对流传热系数的倒数称为对流传热过程的热阻,即。对于稳定传热有,即壁温总是比较接近h值大的那一侧流体的温度。这一结论对设计换热器是很重要的。1QAttb壁2QhAtt壁2hbTQhAt壁11Rh对QhATthAtt壁1壁2第三节热对流二、对流传热系数1.影响对流传热系数的因素凡是影响边界层导热和边界层外对流的条件都和h有关,目前所能设计的实验表明，影响h的因素主要有：1.1流体的种类,如液体、气体和蒸汽；1.2流体的物理性质,如密度、黏度、导热系数和比热容等；1.3流体的相态变化,在传热过程中有相变发生时的h值远大于没有相变发生时的h值；1.4流体对流的状况,强制对流时的h值大于