第4章-传热过程

4.1化工生产中的传热过程及常见换热器4.2传导传热4.3对流传热4.4间壁式热交换的计算4.5换热器的选择及传热过程的强化4.1化工生产中的传热过程及常见换热器4.1.1化工生产中的传热过程化学反应过程中热量的供给与移出；单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温。系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。传热过程的应用加热原料：如原油加热到270℃左右进入常压炉；冷却产品：如汽、煤、柴油等产品的冷却；余热回收：如烟道气的余热回收，废热锅炉的应用等；设备保温：抑制传热强化传热工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。①直接接触式在某些传热过程中，热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦简单。②间壁式在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合。往往是冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热。③蓄热式使热流体流过换热器，将器内固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，如此周而复始。三种传热方式应用举例化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。工业生产中的连续换热操作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时多属于后者。定态传热时，传热速率不随时间而变化。4.1.2热量传递的基本方式⒈传导：热传导、导热由于分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递过程称为导热，也称为热传导。机理：分子热运动固体：相邻分子的碰撞液体：气体：分子不规则的热运动热传导演示实验特点：发生在物体内部或相互接触的物体之间；物体中粒子不发生宏观的相对位移。⒉对流：对流传热、热对流机理：流体质点发生相对的位移和混合，将热量由一处传递到另一处特点：分类：自然对流：流体内部各处冷、热流体的密度差异所致强制对流：借助外加机械能仅发生在流体中，有相对的宏观位移⒊辐射：热辐射机理：高温物体因热的原因而产生的电磁波在空间传递而被低温物体所吸收并转化为热能的过程。特点：任何物体，只要T＞0K，均存在辐射传热；不需要任何中介；传热过程中伴随能量形式的转换。三种传热方式的比较：传导对流辐射注：三种传热方式往往共存4.1.3．间壁式换热器间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：①热流体将热量传到壁面一侧；②热量通过固体壁面的热传导；③壁面的另一侧将热量传给冷流体。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。换热器的外形换热器的外形和管束如下图所示.换热器的管束图4－1套管式换热器把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。管程，管程流体壳程，壳程流体列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的，故平均管壁总面积即为它的传热面积。换热器传热的快慢用热流量Φ来表示。热流量是指单位时间通过传热面的流量，其单位为W或kW.换热器性能的优劣一般用面积热流量q来评价。面积热流量亦称热流密度，指单位传热面积的热流量，单位为W.m-2.4.2传导传热1.热传导基本方程——傅里叶定律当均匀物体两侧有温度差(t1-t2)时，热量以传导的方式,由高温向低温传递。单位时间物体的导热量dQ/dτ(ø:热流量)与导热面积A和温度梯度dt/dδ呈正比：dQdtAdd(4-1)定态传热时：QdtAd=dt／dδ——温度梯度，K·m-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度；A—导热面积，m2；λ—比例系数，热导率，也称为导热系数，W·m-1·K-1。热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。(4-2)通常：金属＞非金属固体及液体＞气体导热系数(4-2)⒈固体的导热系数：纯金属：T↑→λ↓，纯度↑→λ↑合金＜纯金属：普通碳钢：λ=45W/(m·K)不锈钢：λ=16W/(m·K)非金属：T↑→λ↑，ρ↑→λ↑⒉液体的导热系数：～10-1W/(m·K)；金属液体＞非金属液体，后者中以水的λ为最大；纯液体＞溶液；T↑→λ↓（水和甘油除外：T↑→λ↑）；⒊气体的导热系数：～10-2W/(m·K)；常压下：T↑→λ↑；一般情况下，气体导热系数与压强无关；气体不利于导热，利于保温，当λ＜0.2W/(m·K)时，可用作隔热材料，如保温棉、玻璃棉等；2．间壁式换热器壁面的热传导特点：沿传热方向导热面积A不发生变化。如图4-5所示的单层平面壁，在定态传热条件下，其热流量不随时间发生变化，传热面的温度沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。（1）平面壁的定态热传导依据：过程速率=过程推动力/过程阻力，单层平面壁的热流量也可写为：12()/ttA/()tA=Δt/R==式中δ/λA─称为热阻，记作R,单位：K·W-1圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。（2）圆筒壁的定态热传导按傅里叶定律分离变量，并积分：)(21ttAQ(4-3)(4-4)=QdtAd如图所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由傅里叶定律得：分离变量并积分：22112rtrtdrldtr整理得：12212()1/lnlttrrdrdtrlddtA2(4-5)又可改写为：122()/mlttr＝12//()mmtttAA式中12rr为圆筒壁厚，2121lnmrrrrr为半径的对数平均值；2121lnmAAAAA为面积的对数平均值。当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即r2/r1≤2可以用算术平均值代替对数平均值计算圆筒壁的rm和Am。(4-6)比较式(4-4)、(4-5)、(4-6)可知，圆筒壁面的热阻为：mAlrrR2)/ln(12如图所示为三层不同材料组成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：（3）多层壁面的定态热传导第一层211111ttA1111111RtA(a)第二层第三层322222ttA433333ttA3333333RtA2222222RtA(b)(c)因A1=A2=A3=A,定态热传导时,上三式加和后得321总阻力总推动力iiAit1(4-7)过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和。由过程分析还可得到：多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。iiiAAAAtttt::::::333222111321iiRRRRtttt::::::321321由式(4-5)和(4-6),按同样方法可推得多层圆筒壁的热流量式为：对多层壁面的定态热传导，无论多层平面壁还是多层圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。对多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的面积热流量不相同。itRtmiAiiiitRtirirli121ln或(4-8)各层交界面上的温度求取：11112Att22223Att11133322211112AAAAttt22233322211123AAAAttt或或对多层平壁因各层的传热面积相等，A1,A2,A3可消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度各层面积：)(1iiirrimimlrA,,2例4－1硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900℃，外壁面温度t5为80℃。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖11105.1KmW，保温砖1122.0KmW石棉板11309.0KmW,钢壳11440KmWt1t5t3t2t423cm23cm5cm10cmλ2λ1λ3λ4900ºC80ºC解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：求耐火砖与保温砖的交界面温度t22111/qtt=806.8℃求保温砖与石棉板的交界面温度t33222/qtt=317.5℃2515.42544332211mWtttAqii保温砖与石棉板的交界面温度t33222/qtt=317.5℃石棉板与钢壳的交界面温度t44333/qtt=81.1℃计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。例4-2A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板()粘附内壁的污垢层厚lmm(釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸汽(t1＝105℃)进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90℃，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变)作比较。11116KmW1126.0KmW解：13iittq=7579W·m-2无污垢层时：1311/ttq=48000W·m-2计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。例4-3某工厂用规格为￠57mm×3.5mm的无缝钢管(λ=45W.m-1K-1)输送水蒸汽，水蒸汽管外包有绝热层。第一层是50mm厚的玻璃棉毡(λ=0.046W.m-1K-1)，第二层是20mm厚的石棉板(λ=0.046W.m-1K-1)，已知管内壁面温度为120℃，石棉板外表面温度为30℃，试求每平方米水蒸汽管长的热损失率。若两种绝热材料的用量及密度不变，将石棉板作内层，玻璃棉作外层，该水蒸汽管的热损失如何？试对两种情况作比较。解：由题意知，该题是多层圆筒壁面热传导的计算，已知：r1=0.025m,r2=0.0285m,r3=0.0785m,r4=0.0985m,λ1=45W.m-1.K-1,λ2=0.046W.m-1.K-1,λ3=0.046W.m-1.K-1,t1=120℃，t2=30℃itRtirirli121lndQdtAdd热传导基本方程——傅里叶定律平面壁的定态热传导)(21ttAQ圆筒壁的定态热传导＝12//()mmtttAA=Δt/Rm多层壁面的定态热传导总阻力总推动力iiAit1iiRRRRtttt::::::321321iitRtmiAiii多层圆筒壁面的定态热传导）（mlrtt2/214.3对流传热对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，因此，对流传热只发生在流体中。工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，层内流体平行移动，垂直于