《热量传递过程》PPT课件.ppt

过 程 系 统 原 理第 四 章 热 量 传 递 过 程主 讲 人 ： 程 明南 京 工 业 大 学 本 科 系 列 课 程 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 2 教 学 内 容 对 流 传 热 过 程热 传 导 过 程热 量 传 递 过 程 概 述辐 射 传 热 过 程传 热 过 程 计 算传 热 设 备 （ 换 热 器 ） 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 3 热 量 传 递 过 程 概 述热 量 传 递 的 目 的 图 4-1 典 型 的 换 热 流 程 1-换 热 器2-反 应 器 （ 1） 加 热 或 冷 却 ， 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 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 4 热 量 传 递 过 程 概 述热 量 传 递 的 方 式 （ 2） 对 流 传 热 。 （ 3） 辐 射 传 热 。 （ 1） 热 传 导 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 5 （ 1） 直 接 接 触 传 热 。 图 4-2 直 接 接 触 换 热 热 量 传 递 过 程 概 述冷 、 热 流 体 的 接 触 方 式 （ 2） 间 壁 式 传 热 。图 4-3 间 壁 式 换 热 （ 3） 蓄 热 式 传 热 。 图 4-4 蓄 热 式 换 热 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 6 热 量 传 递 过 程 概 述载 热 体 及 其 选 择 （ 1） 载 热 体 ： 起 加 热 作 用 的 载 热 体 称 为 加 热 剂 ； 起 冷 却 作 用 的 载 热 体 称 为 冷 却 剂 。 载 热 体 ： 供 给 冷 流 体 热 量 或 将 热 流 体 的 热 量 带 走 的 流 体 。 （ 2） 载 热 体 的 选 择 ： 加 热 剂 ： 热 水 、 饱 和 水 蒸 气 、 矿 物 油 、 联 苯 混 合 物 、 熔 盐 和 烟 道气 等 。 冷 却 剂 ： 水 、 空 气 和 各 种 冷 冻 剂 。 载 热 体 的 选 择 要 求 ： 加 热 时 ， 温 位 越 高 ， 价 值 越 大 ； 冷 却 时 ， 温 位 越 低 ， 价 值 越 大 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 7 热 量 传 递 过 程 概 述载 热 体 及 其 选 择 其 它 要 求 ： 载 热 体 的 温 度 应 易 于 调 节 ； 载 热 体 的 饱 和 蒸 气 压 宜 低 ， 加 热 时 不 会 分 解 ； 载 热 体 毒 性 要 小 ， 使 用 安 全 ， 对 设 备 应 基 本 上 没 有 腐 蚀 ； 载 热 体 应 价 格 低 廉 而 且 容 易 得 到 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 8 热 量 传 递 过 程 概 述传 热 速 率 （ 1） 热 流 量 Q： 单 位 时 间 内 热 流 体 通 过 整 个 换 热 器 的 传 热 面 传 递 给 冷 流 体 的 热 量 W。 单 位 时 间 、 通 过 单 位 传 热 面 积 的 热 量 W/m 2。 （ 2） 热 流 密 度 （ 或 热 通 量 ） q：dAdQq 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 9 热 量 传 递 过 程 概 述稳 态 传 热 与 非 稳 态 传 热 （ 1） 稳 态 传 热 ： 特 点 ： 传 热 系 统 中 ， 温 度 分 布 不 随 时 间 而 变 ， 且 传 热 速 率 在 任 何 时间 都 为 常 数 。 连 续 生 产 过 程 中 的 传 热 多 是 稳 态 传 热 。 （ 2） 非 稳 态 传 热 ： 特 点 ： 传 热 系 统 中 ， 温 度 分 布 随 时 间 而 变 。 间 歇 操 作 的 换 热 设 备 、 连 续 生 产 过 程 中 的 开 工 、 停 工 。 在 传 热 系 统 中 ， 不 积 累 能 量 的 传 热 过 程 称 稳 态 传 热 。 在 传 热 系 统 中 ， 有 能 量 积 累 的 传 热 过 程 称 非 稳 态 传 热 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 10 热 传 导 过 程热 传 导 规 律 热 传 导 （ 或 导 热 ） ： 物 体 各 部 分 之 间 不 发 生 相 对 位 移 ， 仅 借 分 子 、原 子 和 自 由 电 子 等 微 观 粒 子 的 热 运 动 而 引 起 的 热 量 传 递 。 1、 热 传 导 概 念 2、 热 传 导 规 律 （ 1） 傅 立 叶 （ Fourier） 定 律 ： ntq 式 中 ： q - 热 流 密 度 ， w/m 2 ； - 法 向 温 度 梯 度 ， /m； - 比 例 系 数 ， 称 为 导 热 系 数 ， w/(m )nt 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 11 热 传 导 过 程热 传 导 规 律 （ 2） 导 热 系 数 例 ： 金 属 10 102 w/(m ) 建 筑 材 料 10-1 10 w/(m ) 绝 热 材 料 10 -2 10-1 w/(m ) 表 征 材 料 导 热 性 能 的 一 个 参 数 ， 其 值 越 大 ， 材 料 导 热 性 能 越 好 。 实 验 测 得 导 热 系 数 与 温 度 t的 关 系 ： )1(0 at 式 中 ： - 固 体 在 温 度 t 的 导 热 系 数 ， w/(m )； 0 -固 体 在 温 度 0 的 导 热 系 数 ， w/(m )； a - 温 度 系 数 ， 1/ ， ； 对 大 多 数 金 属 材 料 为 负 值 ， 对 大 多 数 非 金 属 材 料 为 正 值 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 12 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 1、 通 过 平 壁 的 热 传 导 过 程 ： 图 4-5 平 壁 的 热 传 导 平 壁 的 热 传 导 的 温 度 分 布 见 图 4-5所 示 。const.dxdtq 由 傅 立 叶 （ Fourier） 定 律 可 知 ： 对 上 式 积 分 得 ： 21 tt t , tAQq 又 可 写 为 ： 热 阻推 动 力R t tQ A 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 13 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 2、 通 过 圆 筒 壁 的 热 传 导 过 程 ： 图 4-6 圆 筒 壁 的 热 传 导 圆 筒 壁 的 热 传 导 的 温 度 分 布 见 图 4-6所 示 。 在 圆 筒 壁 内 取 同 心 薄 层 圆 筒 并 对 其 作 热量 衡 算 ： Prrr ctrlrlqrrrlq )(|)(| 222 对 于 定 态 热 传 导 ： 0t 则 ： Qlqrrrlq rrr |)(| 22 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 14 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 又 ： drdtq rdr2 lQdt 所 以 ： Clnr2 lQt 对 上 式 进 行 积 分 得 ： 式 中 ： r - 圆 筒 任 一 径 向 半 径 ； l - 圆 筒 管 长 。 边 界 条 件 ： 22 11 tt , 时 rr tt , 时 rr 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 15 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 将 边 界 条 件 带 入 上 式 ， 得 ： 12 2112 21 ddln )t2 l(tQ 或 rrln )t2 l(tQ 式 子 可 以 改 写 为 ： 12 12mm21m AAln AAA 式 中 ： , A t tt AQ 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 16 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 若 2AAA 则 可 取 , 2dd 21m12 圆 筒 壁 热 阻 为 ： m22 A2 lddlnR 3、 多 层 平 壁 的 热 传 导 过 程 ： 图4-7 多层平壁的热传导 圆 筒 壁 的 热 传 导 的 温 度 分 布见 图 4-7所 示 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 17 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 推 动 力 和 阻 力 的 加 和 性 A ttA ttA ttQ 33 4322 3211 21 总 阻 力总 推 动 力 A tQ 或 ： 各 层 的 温 差 321332211433221 R:R:RA:A:A )tt (:)t(t :)t(t 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 18 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 结 论 ： 对 多 层 圆 筒 壁 同 样 适 合 。 即 ： A tQ m 例 ： 界 面 温 度 的 求 取 。 某 炉 壁 由 下 列 三 种 材 料 组 成 ： （ 见 图 3-7所 示 ） 耐 火 砖 1=1.4 w/(m ) ， 1=225 mm 保 温 砖 2=0.15 w/(m ) ， 2=125 mm 建 筑 砖 3=0.8 w/(m ) ， 3=225 mm 已 测 得 内 、 外 表 面 温 度 分 别 为 930 和 55 ， 求 单 位 面 积 的 热 损失 和 各 层 间 接 触 面 的 温 度 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 19 热 传 导 过 程热 传 导 的 应 用 2724W/m0.80.2250.150.1251.40.225 55930 tq 解 ： （ 1） 单 位 面 积 的 热 损 失 为 ： （ 2） 温 差 及 界 面 温 度 ： 1160.1607724q t 111 814116930 ttt 12 5550.767724q t 222 259555814 ttt 223 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 20 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 的 概 念 流 体 各 部 分 （ 或 与 固 体 表 面 ） 之 间 发 生 相 对 位 移 所 引 起 的 热 传 递 过程 称 为 对 流 传 热 。 对 流 分 为 自 然 对 流 和 强 制 对 流 。 自 然 对 流 ： 流 体 中 各 处 的 温 度 不 同 而 引 起 的 密 度 差 别 ， 使 轻 者 上 浮 ，重 者 下 沉 ， 流 体 质 点 产 生 相 对 位 移 。 强 制 对 流 ： 因 泵 （ 风 机 ） 或 搅 拌 等 外 力 所 致 的 质 点 强 制 运 动 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 21 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 分 析 传 热 过 程 流 动 截面 的 温 度 分 析 ： 图4-8 流体流过 平壁时的温度分布 参 见 图 4-8所 示 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 22 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 分 析 三 种 情 况 流 体 传 给 壁 面 的 热 流 密 度 仍 由 傅 立 叶 定 律 确 定 ， 即 ： TyTq 0y 结 论 ： 对 流 传 热 是 流 体 流 动 载 热 与 热 传 导 联 合 作 用 的 结 果 ， 流 体 对壁 面 的 热 流 密 度 因 流 动 而 增 大 。流 体 无 相 变 化 的 给 热 过 程 流 体 有 相 变 化 的 给 热 过 程 强 制 对 流 给 热 过 程自 然 对 流 给 热 过 程蒸 汽 冷 凝 给 热 过 程液 体 沸 腾 给 热 过 程对流传热 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 23 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 1、 牛 顿 冷 却 定 律 ： 式 中 ： Tw， tw - 热 或 冷 壁 的 温 度 ， ； T， t -热 或 冷 流 体 的 温 度 ， ； - 给 热 系 数 ， w/(m )T (Tq t) (tq ww 流 体 加 热 时 ： 流 体 冷 却 时 ： 2、 给 热 系 数 ： 三 种 获 得 给 热 系 数 的 方 法 ： 理 论 分 析 法 ： 对 流 场 建 立 动 量 传 递 、 热 量 传 递 衡 算 方 程 和 速 率 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 24 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述方 程 ， 联 立 求 解 流 场 的 温 度 分 布 和 壁 面 热 流 密 度 ， 然 后 写 成 牛 顿 冷 却 定律 的 形 式 ， 从 而 获 得 的 理 论 计 算 式 。 数 学 模 型 法 ： 对 给 热 过 程 作 出 简 化 的 物 理 模 型 和 数 学 描 述 ， 用实 验 检 验 或 修 正 模 型 ， 确 定 模 型 参 数 。 因 次 分 析 法 ： 对 影 响 给 热 过 程 的 因 素 无 因 次 化 ， 通 过 实 验 决 定无 因 次 准 数 之 间 的 关 系 。 3、 给 热 系 数 的 影 响 因 素 及 无 因 次 化 ： 影 响 因 素 ： 液 体 的 物 理 性 质 ： 、 、 Cp、 ； 固 体 表 面 的 特 征 参 数 ： l ； 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 25 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 强 制 对 流 的 流 速 ： u ； 自 然 对 流 的 特 征 速 度 ： g t 。 其 中 ： - 膨 胀 系 数 ， -1 121 12 tt - 流 体 比 体 积 ， m3/kg ， =1/ ； 2， 1 - 对 应 于 t2、 t1的 流 体 比 体 积 ； 于 是 ： pc , g t, ,l, ,u,f 无 因 次 化 ： 2 23p g tl, c, luf l 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 26 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 式 中 ： - 努 塞 尔 （ Nusselt） 准 数Nu l 于 是 ， 描 述 给 热 过 程 的 准 数 关 系 式 为crbrae GPARNu- 雷 诺 （ Reynolds） 准 数Re lu - 普 朗 特 （ Prandtl） 准 数Pr cp - 格 拉 斯 霍 夫 （ Grashof） 准 数Gr g tl2 23 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 27 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 讨 论 ： 各 无 因 次 数 群 的 物 理 意 义 * - 给 热 过 程 以 纯 导 热 方 式 进 行 时 的 给 热 系 数 。 Nu反 映 对 流 给热 系 数 增 大 的 倍 数 。 Nu准 数 ： *llNu Re准 数 ： 是 流 体 所 受 的 惯 性 力 与 粘 性 力 之 比 ， 用 以 表 征 流 体 的 运 动状 态 。 Pr准 数 ： 流 体 物 性 对 给 热 过 程 的 影 响 。 对 于 气 体 ， Pr 1， 对 于 液 体 ， Pr 1。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 28 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 Gr准 数 ： g tlu 式 中 ：,Re lu g tlGr n2n2 222n2 23 则 Gr是 Re的 一 种 变 形 ， 表 征 自 然 对 流 的 流 动 状 态 。 4、 关 于 定 性 温 度 和 特 征 尺 寸 ： 定 性 温 度 ： 根 据 定 性 温 度 ， 确 定 物 性 数 据 。 一 般 选 用 壁 温 tw和 流 体 主 体 温 度 t的 算 术 平 均 值 作 为 定 性 温 度 ， 并 称 之 为 平 均 膜 温 。 2 ttt wm 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 29 对 流 传 热 过 程对 流 传 热 过 程 数 学 描 述 指 对 给 热 过 程 产 生 直 接 影 响 的 几 何 尺 寸 。 润 湿 周 边流 动 截 面4d e 特 征 尺 寸 ： 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 30 对 流 传 热 过 程无 相 变 的 对 流 给 热 系 数 1、 流 体 在 圆 形 直 管 内 的 强 制 湍 流 的 给 热 系 数 ： 当 . Re104 brae PARNu bp0.8br0.8 C dud0.023 或 ， P0.023ReNu . 0.7 Pr 160 （ 不 适 用 液 体 金 属 ） . 流 体 是 低 粘 度 （ 30 40 则 A=0.023 ， a=0.8 ， 加 热 时 ， b=0.4； 冷 却 时 ， b=0.3 即 ： 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 31 对 流 传 热 过 程无 相 变 的 对 流 给 热 系 数 其 它 条 件 下 ， 需 修 正 ： 高 粘 度 流 体 ： 14.033.08.0027.0 wpCdud - 液 体 在 主 体 平 均 温 度 下 的 粘 度 w - 液 体 在 壁 温 下 的 粘 度 液 体 加 热 时 ， 则 ： 05.114.0 w 液 体 冷 却 时 ， 则 ： 95.014.0 w 适 用 于 Re104 ， 0.5 Pr 100 各 种 液 体 ， 不 适 用 液 体 金 属 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 32 对 流 传 热 过 程无 相 变 的 对 流 给 热 系 数 l/d 2 时 ， K= 2 ； 1 2时 ， K= 1 。)( ; )( 22 11 tTK q tTK q 内 表 面 ： 外 表 面 ： 当 内 、 外 表 面 积 不 同 时 ， 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 53 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 数 学 描 述 11 1 212111 ddddK m 若 为 圆 管 ， 内 、 外 径 为 d1、 d2： 关 于 污 垢 热 阻 ： （ 若 内 、 外 污 垢 热 阻 为 R1、 R2） 则 11 1 221212 mddddK )ln( 12 12 dd dddm 式 中 ： 11 1 2211 RRK 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 54 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 数 学 描 述 3、 壁 温 的 计 算 ： 21 1 1 tttTTTq wwww 若 T w = tw ， 则 ： 2111 tT TTq w w 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 55 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 基 本 方 程 1、 换 热 器 的 热 量 的 衡 算 ： 图 4-14 热 量 衡 算 )( )( 1221 ttcWTTcWQ pccphh 总 的 热 量 衡 算 ： 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 56 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 基 本 方 程 式 中 ： Wh、 Wc-热 、 冷 流 体 的 质 量 流 量 ； Cph、 Cpc-热 、 冷 流 体 的 比 热 ； 2、 传 热 基 本 方 程 式 ： t1 t2 tTT1T2 (T-t)1(T-t)2(T-t) T=t图 4-15 热 量 衡 算 )( tTKq 已 知 ： 又 ： dAtTKdtcW dAtTKdTcW pcc phh )( )( 上 式 积 分 ， 可 得 ： mtKAtT tT tTtTKAQ 21 21ln 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 57 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 基 本 方 程 式 中 ： tm-对 数 平 均 温 度 。 传 热 过 程 的 推 动 力 。 3、 传 热 过 程 的 推 动 力 ： 图 4-16 传 热 温 差 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 58 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 基 本 方 程 例 ： 并 流 和 逆 流 对 数 平 均 温 差 的 比 较 。 在 一 台 螺 旋 板 式 换 热 器 中 ， 热 水 流 量 为 2000kg/h， 冷 水 流 量 为3000kg/h， 热 水 进 口 温 度 为 T1=80 ， 冷 水 进 口 温 度 为 t1=10 。 如 果 要求 将 冷 水 加 热 到 t2=30 ， 试 求 并 流 和 逆 流 对 数 平 均 温 差 。 解 ： 题 目 条 件 下 ， C ph=Cpc=4.2kJ/（ kg ） 所 以 ： )1030(2.43000 )80(2.42000 2 T 求 得 ： T2=50 )( )( 1221 ttcWTTcW pccphh 由 于 ： 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 59 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 基 本 方 程 tt tttm 9.392070ln 2070ln 21 21 则 ： 并 流 时 t1=80 -10 =70 t2=50 -30 =20 则 ： 逆 流 时 t1=80 -30 =50 t2=50 -10 =40 tt ttt m 8.444050ln 4050ln 21 21 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 60 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 1、 设 计 型 计 算 计 算 热 负 荷 ： )( 2111 TTCGQ p 设 计 任 务 ： 将 流 量 为 G1的 热 流 体 自 给 定 温 度 T1冷 却 至 指 定 温 度 T2。 设 计 条 件 ： 可 供 使 用 的 冷 却 介 质 的 温 度 ， 即 冷 流 体 的 进 口 温 度 t1。 计 算 目 的 ： 确 定 经 济 上 合 理 的 传 热 面 积 及 换 热 器 其 他 有 关 尺 寸 。 计 算 方 法 ： 适 当 选 择 并 计 算 平 均 推 动 力 ： tm 。 即 使 冷 、 热 流 体 的 对 流 给 热 系 数 及 总 K 。 由 传 热 方 程 计 算 传 热 面 积 。 mtKAQ 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 61 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 参 数 选 择 ： 流 体 流 向 的 选 择 （ 并 流 、 逆 流 或 错 流 等 ） ； 选 择 冷 却 介 质 的 出 口 温 度 ； 冷 、 热 流 体 流 动 线 路 （ 管 程 、 壳 程 ） ； 流 体 的 流 速 ； 污 垢 热 阻 。 2、 操 作 型 计 算 第 一 类 命 题 ： 给 定 条 件 ： 换 热 器 传 热 面 积 及 相 关 尺 寸 ， 冷 、 热 流 体 的 物 性 数 据 ，冷 、 热 流 体 的 流 量 、 进 口 温 度 、 流 动 方 式 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 62 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 计 算 目 的 ： 冷 、 热 流 体 的 出 口 温 度 。 给 定 条 件 ： 换 热 器 传 热 面 积 及 相 关 尺 寸 ， 冷 、 热 流 体 的 物 性 数 据 ，热 流 体 的 流 量 以 及 进 、 出 口 温 度 ， 冷 流 体 进 口 温 度 及 流 动 方 式 。 第 二 类 命 题 ： 计 算 目 的 ： 冷 流 体 的 流 量 及 出 口 温 度 。 计 算 方 法 ： 12222111 ttCGTTCG pp 12 21 12212111 ln tT tT tTtTKATTCG p 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 63 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 22 111112 21 1ln ppp CG CGCGKAtT tT 例 ： 第 一 类 命 题 的 操 作 型 计 算 。 在 一 逆 流 操 作 的 换 热 器 ， 热 流 体 为 空 气 ， 1 100 W/(m2 )， 冷 却水 走 管 内 ， 2 2000 W/(m2 )。 已 测 得 热 、 冷 流 体 进 、 出 口 温 度 为T1=100 ， T2=70 ， t1=20 ， t2=85 ， 管 壁 热 阻 可 以 忽 略 。 当 水 流 量增 加 一 倍 时 ， 试 求 ： （ 1） 空 气 和 水 的 出 口 温 度 T2 ， t2 ? （ 2） 热 流 量 Q 比 原 热 流 量 Q增 加 多 少 ? 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 64 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 解 ： （ 1） 原 工 况 ： 式 中 ： 2122 1112 TTCG CGtt pp (a) 1ln 22 111112 21 ppp CG CGCGKAtT tT 17.270100 208521 1222 11 TT ttCG CG pp )/( 2.95200011001 111 1 221 mWK 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 65 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 新 工 况 ： 8.0 uu (b) 1ln 22 1111 1 1 2 2 ppp CG CGCG AKtT tT )/( 2.97)20002(11001 1211 1 28.028.01 mWK （ a） 、 （ b） 两 式 相 除 ： 11)(lnln 22 11 22 1112 211 12 2 ppppCG CGCG CGKKtT tTtT tT 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 66 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 0.094617.21 09.11)2.95 2.97(2070 85100lnln 1 1 2 2 tT tT 0.911 12 2 tT tT 或 ： (c) 1.1t-130 22 T 热 量 衡 算 ： )100(09.120 22122 1112 TTTCG CGtt pp (d) 09.1129 22 Tt 联 立 求 解 （ c） 、 （ d） 两 式 ， 得 ： 8.59T 8.63 22 t 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 67 传 热 过 程 计 算传 热 过 程 计 算 （ 2） 新 、 旧 工 况 的 热 量 之 比 ： 34.170100 8.59100 mmtK tKQQ 即 ， 热 量 增 加 了 34 。 讨 论 ： 从 计 算 结 果 中 可 以 得 出 什 么 结 论 ？ 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 68 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。 1、 夹 套 换 热 器 图 4-17 夹 套 换 热 器 优 点 ： 结 构 简 单 ， 加 工 方 便 。 缺 点 ： 传 热 面 积 A小 ， 传 热 效 率 低 。 用 途 ： 广 泛 用 于 反 应 器 的 加 热 和 冷 却 。 为 了 提 高 传 热 效 果 ， 可 在 釜 内 加 搅 拌 器或 蛇 管 和 外 循 环 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 69 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 外 对 流 传 热 系 数 小 ， 为 了 强 化 传 热 ， 容 器 内 加 搅 拌 。 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 。 图 4-18 沉 浸 式 蛇 管 换 热 器 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 70 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。 图4-19 喷淋式换热器(1) 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 71 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。图 4-20 喷 淋 式 换 热 器 (2) 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 72 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 ， 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 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 。 图 4-21 套 管 式 换 热 器 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 73 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 5、 列 管 式 换 热 器 （ 管 壳 式 换 热 器 ） 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 。 图 4-22 列 管 式 换 热 器 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 74 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。 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 。 常 用 的 折 流 挡 板 有 圆 缺 形 和 圆盘 形 两 种 ， 前 者 更 为 常 用 。 图 4-23 列 管 式 换 热 器 折 流 挡 板 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 75 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 壳 体 内 装 有 管 束 ， 管 束 两 端 固 定 在 管 板 上 。 由 于 冷 热 流 体 温 度 不 同 ，壳 体 和 管 束 受 热 不 同 ， 其 膨 胀 程 度 也 不 同 ， 如 两 者 温 差 较 大 ， 管 子 会 扭弯 ， 从 管 板 上 脱 落 ， 甚 至 毁 坏 换 热 器 。 所 以 ， 列 管 式 换 热 器 必 须 从 结 构上 考 虑 热 膨 胀 的 影 响 ， 采 取 各 种 补 偿 的 办 法 ， 消 除 或 减 小 热 应 力 。 （ 1） 固 定 管 板 式 根 据 所 采 取 的 温 差 补 偿 措 施 ， 列 管 式 换 热 器 可 分 为 以 下 几 个 型 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 不 同 的 热 膨 胀 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 76 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。图 4-24 固 定 管 板 式 （ 有 膨 胀 节 ） 换 热 器 （ 2） 浮 头 式 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 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 77 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。 图 4-25 内 浮 头 式 换 热 器 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 78 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）间 壁 式 换 热 器 的 类 型 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 。 （ 3） U型 管 式 图 4-26 U型 管 式 换 热 器 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 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 79 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）管 壳 式 换 热 器 的 设 计 与 选 用 1、 选 用 步 骤 （ 1） 根 据 工 艺 任 务 ， 计 算 热 负 荷 ； （ 2） 计 算 平 均 温 度 差 ； 先 按 单 壳 程 多 管 程 的 计 算 ， 如 果 校 正 系 数 0.53 150.5 0.315 30一 般 液 体宜 结 垢 液 体气 体 壳 程管 程 流 速 m/s流 体 种 类 列 管 换 热 器 内 常 用 的 流 速 范 围 ： 0.60.751.11.5 1.82.415001000 500500 100100 5335 11 最 大 流 速 m/s液 体 粘 度 mPa.s 不 同 粘 度 液 体 在 列 管 换 热 器中 流 速 （ 在 钢 管 中 ） ： 流 动 方 式 的 选 择 ： 除 逆 流 和 并 流 之 外 ， 在 列 管 式 换 热 器 中 冷 、 热 流 体 还 可 以 作 各 种 多管 程 多 壳 程 的 复 杂 流 动 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 83 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）管 壳 式 换 热 器 的 设 计 与 选 用 （ 3） 换 热 器 中 管 子 的 规 格 和 排 列 方 式 当 流 量 一 定 时 ， 管 程 或 壳 程 越 多 ， 对 流 传 热 系 数 越 大 ， 对 传 热 过 程越 有 利 。 但 是 ， 采 用 多 管 程 或 多 壳 程 必 导 致 流 体 阻 力 损 失 ， 即 输 送 流 体的 动 力 费 用 增 加 。 因 此 ， 在 决 定 换 热 器 的 程 数 时 ， 需 权 衡 传 热 和 流 体 输送 两 方 面 的 损 失 。 当 采 用 多 管 程 或 多 壳 程 时 ， 列 管 式 换 热 器 内 的 流 动 形式 复 杂 ， 对 数 平 均 值 的 温 差 要 加 以 修 正 。 管 子 的 规 格 19 2mm和 25 2.5mm 管 长 ： 1.5、 2.0、 3.0、 6.0和 9.0m等 ； 排 列 方 式 ： 正 三 角 形 、 正 方 形 直 列 和 错 列 排 列 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 84 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）管 壳 式 换 热 器 的 设 计 与 选 用 （ 4） 折 流 挡 板 安 装 折 流 挡 板 的 目 的 是 为 提 高 壳 程 对 流 传 热 系 数 ， 为 取 得 良 好 的 效果 ， 挡 板 的 形 状 和 间 距 必 须 适 当 。 对 圆 缺 形 挡 板 而 言 ， 弓 形 缺 口 的 大 小 对 壳 程 流 体 的 流 动 情 况 有 重 要影 响 。 图 4-27 管 子 排 列 方 式 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 85 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）管 壳 式 换 热 器 的 设 计 与 选 用 弓 形 缺 口 太 大 或 太 小 都 会 产 生 死 区 ， 既 不 利 于 传 热 ， 又 往 往 增 加流 体 阻 力 。 挡 板 的 间 距 对 壳 体 的 流 动 亦 有 重 要 的 影 响 。 间 距 太 大 ， 不 能 保 证 流 体 垂 直 流 过 管 束 ， 使 管 外 表 面 传 热 系 数 下 降 ； 间 距 太 小 ， 不 便 于 制 造 和检 修 ， 阻 力 损 失 亦 大 。 一 般 取 挡 板 间 距 为 壳 体 内 径 的 0.2 1.0倍 。 a.切 除 过 少 b.切 除 适 当 c.切 除 过 多图 4 28 挡 板 切 除 对 流 动 的 影 响 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 86 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）换 热 器 传 热 过 程 的 强 化 1、 增 大 传 热 平 均 温 度 差 tm mtKAQ 传 热 速 率 方 程 ： 为 了 增 强 传 热 效 率 ， 可 采 取 tm、 A/V、 K的 方 法 。 利 用 tm来 强 化 传 热 是 有 限 的 。 （ 1） 两 侧 变 温 情 况 下 ， 尽 量 采 用 逆 流 流 动 ； （ 2） 提 高 加 热 剂 T1的 温 度 （ 如 用 蒸 汽 加 热 ， 可 提 高 蒸 汽 的 压 力 来达 到 提 高 其 饱 和 温 度 的 目 的 ） ； 降 低 冷 却 剂 t1的 温 度 。 2、 增 大 总 传 热 系 数 K 2122111 )1()1(1 AARAAbRK m 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 87 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）换 热 器 传 热 过 程 的 强 化 （ 1） 尽 可 能 利 用 有 相 变 的 热 载 体 （ 大 ） ； （ 2） 用 大 的 热 载 体 ， 如 液 体 金 属 Na等 ； （ 3） 减 小 金 属 壁 、 污 垢 及 两 侧 流 体 热 阻 中 较 大 者 的 热 阻 ； （ 4） 提 高 较 小 一 侧 有 效 。 提 高 的 方 法 ： 无 相 变 传 热 ： 1） 增 大 大 流 速 ； 2） 管 内 加 扰 流 元 件 ； 3） 改 变 传 热面 形 状 和 增 加 粗 糙 度 。 3、 增 大 单 位 体 积 的 传 热 面 积 A/V （ 1） 直 接 接 触 传 热 ： 可 增 大 A和 湍 动 程 度 ， 使 Q。 （ 2） 采 用 高 效 新 型 换 热 器 。 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 88 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）换 热 器 传 热 过 程 的 强 化 改 进 传 热 面 结 构 ， 提 高 传 热 面 积 A和 流 体 湍 动 程 度 ， 使 Q上 升 。 (a)光 直 翅 片 (b)锯 齿 翅 片 (c)多 孔 翅 片 图 4 29 传 热 面 的 改 进 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 89 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）新 型 换 热 器 1、 平 板 式 换 热 器 图 4 30 平 板 式 换 热 器 （ 1） 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 90 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）新 型 换 热 器 优 点 ： 传 热 效 率 高 ， 总 传 热 系 数 大 ， 结 构 紧 凑 ， 操 作 灵 活 ， 安 装 检 修 方 便 。 缺 点 ： 耐 温 、 耐 压 性 较 差 ， 易 渗 漏 ， 处 理 量 小 。 图 4 31 平 板 式 换 热 器 （ 2） 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 91 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）新 型 换 热 器 2. 螺 旋 板 式 换 热 器 优 点 ： 结 构 紧 凑 ， 传 热 效 率 高 ， 不 易 堵 塞 ， 结 构 紧 凑 A/V大 ， 成 本 较 低 。 缺 点 ： 操 作 压 力 、 温 度 不 能 太 高 ， 螺 旋 板 难 以 维 修 ， 流 体 阻 力 较大 。 图 4 32 螺 旋 板 式 换 热 器 2021年 4月 21日 星 期 三 Process System principle 92 传 热 设 备 （ 换 热 器 ）新 型 换 热 器 3. 板 翅 式 换 热 器 优 点 ： 结 构 高 度 紧 凑 ， 传 热 效 率 高 ， 允 许 较 高 的 操 作 压 力 。 缺 点 ： 制 造 工 艺 复 杂 ， 检 修 清 洗 困 难 。(a)逆 流 (b)错 流图 4 33 板 翅 式 换 热 器