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1、,传热学基本知识,传 热 学 基 本 知 识,学 习 目 标,1、传热的三种方式及其特点;2、间壁式换热器的传热过程;3、热量传递的基本规律; 4、传热速率方程;平均温度差的计算.5、常见换热器的结构及特点,传热在化工生产中的应用,强化传热过程 如换热器的传热、加热、蒸馏、锅炉等的传热情况。削弱传热过程 如设备的保温及隔热等。,热量传递的三种基本形式,热传导,热对流,热辐射,物质(系统)内的热量转移的过程叫做热传递,热传导,两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间， 由于温度不同而引起的热传递现象，称为热传导， 简称导热。,热传导中，物体中的分子不发生相对位移。,传 热 学 基 本 知 识,按
2、流动起因分类：,1）自由（然）对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动,2）强迫（制）对流：由外力（如：泵、风机等）作用所产生的流动,3）混合对流 :自然对流和强制流动换热并存.,是流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流。,热 对 流,只发生在流体中,传 热 学 基 本 知 识,热 辐 射,热辐射：物体以电磁波的形式传递热能的过程。,热辐射的特点 1、热辐射不需要传热介质；2、热辐射伴随能量转换；3、一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射4、物体的温度越高，热辐射的能力越强。,直接接触式换热蓄热式换热间壁式换热,工业生产上的
3、换热方法,间壁式传热,间壁式传热的热量传递过程包括三个步骤：1、热流体靠对流传热将热量传给金属壁一侧给热；2、热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧导热；3、热量以对流传热形式从壁面传给冷流体给热。冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为给热过程。,传 热 学 基 本 知 识,稳定传热：温度不随时间而变化的传热,不稳定传热：温度随时间而变化的传热,传热分为两类,以加热炉为例，在刚点炉时，炉内各部分温度逐渐升高，到加热炉运行一段时间后，炉内各处温度就保持不变了。,稳定传热与不稳定传热,传热计算,一、传热速率方程,传热推动力,传热总阻力,简
4、称热阻R,传热系数W/（m2K）或W/（m2）,传热速率,单位时间通过传热面的热量,W,传热系数的意义是：当温度差为1时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量。,二、热负荷的计算,焓差法,显热法,潜热法,Q=qm热(H1-H2)Q=qm冷(h2-h1),Q=qm热cm热(T1-T2)Q=qm冷 cm冷(t2-t1)此法适于无相变过程,Q=qm热r热Q=qm冷r冷此法仅适于有相变过程,三、平均温度差,用传热速率方程式计算换热器的传热速率时，因传热面各部位的传热温度差不同，必须算出平均传热温度差t均代替t，,均,1、恒温传热时的平均温度差,参与传热的冷热两种流体在换热器内的任一位置、任一时间，都保
5、持其各自的温度不变，此传热过程称为恒温传热例如用水蒸气加热沸腾的液体，器壁两侧的冷、热流体因自身发生相变化而温度都不变， t均=T-t,流体的流动方向对 t均无影响。,工业上最常见的是变温传热（1）单侧变温时的平均温度差(一侧流体温度有变,另一侧温度恒定),2、变温传热时的平均温度差,T,T,t1,t2,T1,T2,t,t,t1,t1,t2,t2,当t1/t22时t=(t1+t2)/2,（2）双侧变温时的平均温度差,并流,逆流,错流,折流,并流时的(对数)平均温度差,t1,t2,T2,T1,t1,t2=T2-t2,并,逆流时的(对数)平均温度差,T1,T2,t2,t1,t1,逆,t2=T2-t
6、1,t2,t1,当 t22,t1/,t =,t1+,t2,2,计算见100页,并、逆流的比较,1、如果并、逆流进、出口温度相同，逆流的t均大于并流的t均，所以当换热器的传热量Q及传热系数值相同时，采用逆流操作可节省传热面积A。2、逆流的可以节省加热剂或冷却剂的用量。 例如：若要求将一定流量的冷流体从120加热到160，而热流体的进口温度为245，出口温度不作规定。此时若采用逆流，热流体的出口温度可以降至接近于120，而采用并流时，则只能降至接近于160。这样，逆流时的加热剂用量就较并流时为少。 由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。,错流和折流时的平均温度差,为了强
7、化传热，列管式换热器的管程或壳程常常为多程，流体经过两次或多次折流后再流出换热器，这使换热器内流体流动的型式偏离纯粹的逆流和并流，因而使平均温度差的计算更为复杂。错流或折流时的平均温度差t均是先按逆流计算对数平均温度差，再乘以温度差修正系数 ，即,错流和折流时的平均温度差,各种流动情况下的温度差修正系数，可以根据两个参数查图,由于 的值小于1，故折流和错流时的平均温度差总小于逆流。,四、传热系数K的确定,1现场实测 根据传热速率方程可知，只需从现场测得换热器的传热面积 ，平均温度差 及热负荷 后，传热系数 就很容易计算出来。 其中传热面积 可由设备结构尺寸算出， 可从现场测定两股流体的进出口温
8、度及它们的流动方式而求得，热负荷 可由现场测得流体的流量，由流体在换热器进出口的状态变化而求得。,2采用经验数据表5-2列出了常见的列管式换热器的传热系数经验值的大致范围。,3计算法 传热系数的计算公式可利用串联热阻叠加原则导出。对于间壁式换热器，传热过程的总阻力应等于两个对流传热阻力与一个导热阻力之和。传热总阻力的倒数就是传热系数。,传 热 学 基 本 知 识,热 传 导,1、基本概念,两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间，由于温度不同而引起的热传递现象，称为热传导，简称导热。,热传导,稳定导热：温度不随时间而变化的导热,不稳定导热：温度随时间而变化的导热,导热分为两类,知识回顾,传 热
9、 学 基 本 知 识,2、傅里叶导热定律,热 传 导,热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。,导热动力,导热阻力,传 热 学 基 本 知 识,3、导热系数,热 传 导,物理意义：当壁面面积为1m2，厚度为1m，壁面两侧的温度差为1K时，在单位时间内所传导的热量. 是表征物质导热能力的一个物性参数，导热系数的大小与物质的组成、结构、温度和压强有关。,导热系数的大小顺序： (金属固体) (非金属固体) （ 液体) (气体)。,1）热传导是固体中热传递的主要方式,一般金属都是热的良导体；2）玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体；3
10、）石棉的热传导性能极差，常作为绝热材料。,常识,3、导热系数, 固体的导热系数金属的导热系数： 纯度增加，金属的导热系数， 温度金属的导热系数非金属的导热系数: 温度非金属的导热系数； 密度，非金属的导热系数。,3、导热系数, 液体的导热系数 非金属液体： 水最大； 纯液体 混合液体 气体的导热系数 随压强的变化较小，可忽略不计。 气体的导热系数很小，对导热不利。,传 热 学 基 本 知 识,4、导热计算,热 传 导,1）单层平壁的稳定热传导计算公式： 热阻：或,当壁面两侧的温度不等时，且热量只沿垂直于壁面的方向发生变化,传 热 学 基 本 知 识,4、导热计算,热 传 导,2）多层平壁的稳定
11、热传导多层平壁是指由几层不同厚度、不同导热系数的材料组成且其间接触良好的平壁,通过各层的导热量相同，各层导热所遵循的规律相同,传 热 学 基 本 知 识,4、导热计算,热 传 导,3）单层圆筒壁的稳定热传导,特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。,A均=2r均L,热 对 流,传 热 学 基 本 知 识,1、基本概念,是流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流。,是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。,1）暖气管道; 2）电子器件冷却；3）电风扇；4）换热器,对流只能发生在流体中,对流换热与
12、热对流不同，既有热对流，也有导热,对流,对流换热,对流换热实例,热 对 流,传 热 学 基 本 知 识,2 对流换热的特点,导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2) 紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层（热边界层）,对流换热的热阻主要存在于这一薄层内，所以工程应用中常采取各种措施，使薄层减薄或破坏，以提高换热强度。,对流给热的机理,（1）层流边界层：热传导，热阻大,温差大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区： 充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小,温差小。,传 热 学 基 本 知 识,热 对 流,4、对流换热方程,对流传热计算公式牛顿冷却定律,对流换热热阻,物理意义是:流
13、体与壁面温度差为1时，在单位时间内通过每m2传递的热量。表示对流传热的强度。,传 热 学 基 本 知 识,5、对流传热系数影响因素,热 对 流,1) 流动状态的影响雷诺数越大，对流传热系数越大。,2）流速的影响 流体流速增高时，对流传热系数就大。,3）流体的物理性质对给热系数的影响 导热系数、比热容c、密度越大，动力粘度越小，对流传热系数越大,传 热 学 基 本 知 识,热 对 流,蒸汽的冷凝,2）流体有相变发生时,膜状冷凝,滴状冷凝(传热系数大),液体的沸腾,自然对流,泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）,膜状沸腾,蒸汽冷凝的对流传热,蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水
14、加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。,蒸汽冷凝时的对流传热,(1) 蒸汽冷凝的方式, 膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜,膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之变小。 滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的5
15、10倍甚至更高。,蒸汽冷凝时的对流传热,蒸汽流速和流向 蒸汽流动会在汽-液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。不凝性气体 蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。过热蒸汽 温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽，实验表明，在大气压力下，过热30的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540的蒸汽的给热系数高30%，蒸汽过热对蒸汽冷凝传热影响不大，所以，一定情况下不考虑过热的影响。,（2
16、）影响蒸汽冷凝传热的其它因素,液体的沸腾 工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。 大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。 强制对流沸腾是指液体在管内流动过程中受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是被迫随液体一起流动，形成汽-液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。,液体的沸腾曲线液体饱和温度ts，加热壁面的温度tw。随壁面过热度t=tw-ts的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。图表示水在一个大气压力下沸腾传热系数与壁面过热度的变化关系，称
17、为沸腾曲线。,t=15 t= 525 t25,自然对流沸腾区：过热度t较小，加热壁面处的液体轻微过热，产生的汽泡在升浮过程往往尚未达到自由液面就放热终结而消失。其给热系数h和热流密度q比无相变自然对流略大。如图中AB段所示。核状沸腾区：随着t的增大，在加热面上产生汽泡数量增加，汽泡脱离时，促进近壁液体的掺混和扰动，故给热系数和热流密度都迅速增加。 过渡沸腾区：当t增大至过C点后，加热面上产生的汽泡数大大增加，且汽泡的生成速率大于脱离速率，汽泡脱离壁面前连接成汽膜，由于热阻增加，给热系数与热流密度 q均下降，如图中CD所示膜状沸腾：t继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳
18、定的膜状沸腾，此时，由于膜内辐射传热的逐渐增强，给热系数和热流密度又随t的增加而升高。,由于泡核沸腾对流传热系数较大观，一般工业生产中总是设法控制在光柱沸腾下操作。,第五节 传 热 系 数,间壁两侧流体的传热过程,T,t,t1,t2,热流体,冷流体,对流传热,对流传热,导热,传热的总热阻是热阻串联的结果,R=R1+R导+R2 = (平壁),多层平壁,传 热 系 数(传热面为平壁),平壁为金属材料,很大,且壁厚很薄时,1、总热阻总是由热阻大的一侧对流传热所控制，即当两个对流传热相差较大时，要提高K，关键是提高对流系数小的一侧的；当两侧相差不大时，则应同时考虑提高两侧的 。 2、当12时,K值接近
19、于热阻较大一项的2值, K2,污垢热阻,在生产上尽量减小污垢热阻: 1、提高流体的流速,使所带悬浮物不致沉积下来; 2、 控制冷却水的加热程度,以防止有水垢析出; 3、对有垢层形成的设备必须定期清洗除垢.,第六节 换热器,换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。,一、换热器的类型,1、按用途分类：加热器、预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。2、根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：间壁式、蓄热式、混合式。,间壁式换热器的类型,间壁式换热器是以间壁式传热方式来进行换热的
20、设备。是目前工业上应用最广泛的一种换热器的型式。其类型很多包括套管换热器 、夹套换热器、沉浸式蛇管换热器、列管式换热器、喷淋式换热器等多种类型。,1、夹套换热器,结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积小，传热效率低。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。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。,夹套换热器,2、沉浸式蛇管换热器,结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管
21、外对流传热系数小，为了强化传热，容器内加搅拌。,蛇管,3、喷淋式换热器,结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。 在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。,4、套管式换热器,结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，每一段直管称作一程。目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系
22、数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。,5、列管式换热器（管壳式换热器）,结构：列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。根据所采取的温差补偿措施
23、，列管式换热器可分为固定管板式、浮头式换热器、 U形管式换热器几个型式。,5、列管式换热器（管壳式换热器）,为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,列管换热器的折流板,圆缺形折流板,圆盘形折流板,列管式换热器固定管板式,特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。,固定管板式换热器,列管式换热器固定管板式,壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的
24、不同的热膨胀。,列管式换热器浮头式换热器,两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。,浮头式换热器,列管式换热器 U形管式换热器,把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。,U形管式换热器,U型管管壳式换热器,U形管式换热器原理流程,U型管管壳式换热器,7、管式换热器 翅片管换热器,在化工生产中常遇到一侧为气体或高
25、粘度液体，另一侧为饱和蒸气冷凝或低粘度液体之间的传热过程。在这种情况下，由于气体或高粘度液体侧的对流传热系数很小，因而成为整个传热过程的控制因素，为了强化传热，必须减小这侧的热阻。所以，可以在换热管对流传热系数小的一侧加上翅片。,空冷器,空冷器主要由翅片管束、风机和构架组成。管材本身大都仍用碳钢，但翅片多为铝制，可以用缠绕、镶嵌的办法将翅片固定在管子的外表面上，也可以用焊接固定。热流体由物料管线分配流入各管束，冷却后由排出管汇集排出。冷空气由安装在管束排下面的轴流式通风机向上吹过管束及其翅片间；通风机也可以安装在管束上面，而将冷空气由低部引入。空冷器装置比较庞大，占空间多，费动力是其缺点。由于
26、管外翅片的存在，既增强了湍流程度，更极大地增加了管外表面的传热面积，使原来很差的空气侧传热情况大为改善。特点：管外安装翅片，增加了传热面积，增强管外流体的湍流程度从而提高传热系数。,复合传热,在物体的同一表面上同时存在着导热、对流传热和辐射传热三种传热方式中两种以上的综合传热。,二、传热过程的强化,传热速率方程式,传热过程的强化,传递的热量,传热系数,传热温差,传热面积,传热时间,强化传热就是力求用较小的传热面积或较小体积的传热设备来完成同样的传热任务，提高传热速率,强化传热,传热过程的强化,1、增大传热温差,尽可能采用逆流。,强化传热,强化传热的途径：,传热过程的强化,2、增大单位体积内的传热面积,对新设计的换热器而言，增大A，即意味着提高设备费用，如应设法增加单位体积内的传热面积，如用螺纹管、翅片管代替光滑管等，在列管式换热器中采用细管排列的方法等,强化传热的途径：,强化传热,传热过程的强化,3、增大传热系数K,1）增加流体湍动程度，如提高流体流速，可有效提高无相变化流体的;设计特殊的传热面（管内装麻花铁等）. 2）采用有相变化的载热体 3）采用导热系数大的载热体； 4）采取防止或减缓污垢的生成，并及时去除污垢。,强化传热,强化传热的途径：,
