传热与传质最全的计算ppt课件.ppt
传热传质方法及计算公式,传热跟我们的生活密切相关传热在生活中的应用：1、做饭时，蒸、煮、炒等都是传热过程，饭菜凉了我们也要“热一热”再吃；2、冬天开暖气供暖，屋子里暖和、舒服；3、穿衣服要看天气，根据温度变化选择衣服，冬天穿棉袄，夏天穿单薄的衣服。,什么是传热?,传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化工生产与传热的关系尤为密切。 高温 低温传热过程的推动力：温度差,传热推动力,传热在生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。加热：熔盐炉、混合气预热、再沸器 聚合釜夹套升温、汽提、干燥等冷却：采用循环水、7水、-35盐水等冷却水 转化器、合成炉用热水冷却冷凝：氯气液化、混合脱水、氯乙烯单体冷凝蒸发：碱液蒸发、PVC干燥,传热在生产中的应用,传热在生产中的应用,2、化工设备和管道的保温（保冷），以减少热量（冷量）损失。保温：如蒸汽管道、热水管道。保冷：-35盐水、7水管道3、生产中热能的合理利用，废热回收。废热利用：氯化氢合成热用于溴化锂及采暖、转化反应热用于溴化锂机组,研究传热的目的1、提高传热速率强化传热，减小设备尺寸，节省费用2、降低传热速率削弱传热，减少热量损失,传热的基本方式热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分， 或是温度较高的物体传给温度较低的物体。 根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。,传热的分类,传热的分类,分类：,连续传热,稳态传热：传热速率=常数，,一、热量传递的三种基本方式根据传热的机理不同，热量传递的基本方式分为三种：,导 热,对 流,热辐射,1、热传导（又称导热）,当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时，由于分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递。热量由高温度部分传到低温部分，或从高温物体传到与之相接触的低温物体，直到各部分温度相等为止，这种热量传递过程称为导热。,2、对流,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热（即对流） 。,对流的形式可分为： （1）、自然对流：由于流体中各处的温度不同而引起密度的差别。轻者上浮，重者下沉，流体之间产生相对位移。 （2）、强制对流：由于泵、风机或搅拌等外力的作用使得流体质点强制运动。 在化工传热过程中,通常是流体流经固体壁面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程.,3、热辐射,因物体本身温度的原因激发产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。,辐射传热的特点是：（1）、能量传递过程中有能量形式的转变（2）、任何物体只要在热力学温度零度以上都能发射辐射能,第二节 热传导,一、热传导方程1、傅立叶定律,温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。,负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递.,傅里叶定理是研究传热过程的重要方程，在工程上 主要解决三个问题：计算传热量或热量损失；确定面上的温度；确定保温层的壁厚。,傅立叶定律解决的问题,2、导热系数,（1）、固体的导热系数,大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 =0（1+t） -温度系数,（2）液体的导热系数,液态金属：液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数液体随温度升高略有减少，纯液体比混合液体一般要大一些。,（3）气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大，随压强增大而增加。,二、传导传热的计算1、单层平面热传导,称为导热热阻,称为导热的推动力,2、多层平壁的热传导,三层平壁的热传导速率方程:,n层平壁的热传导速率方程:,各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。,3、单层圆筒壁的热传导,单层圆筒壁的热传导速率方程,热阻为:,上式也可以写成与平壁热传导速率方程类似形式:,其中对数平均面积为:,对数平均半径为:,当r2/r12时,4、多层圆筒壁的热传导,三层圆筒壁的热传导速率方程,n层圆筒壁的热传导速率方程,T=T1 Tn+1,5、保温层的临界半径,r1,r2,t1,tf,t1-保温层内表面温度；tf-环境温度r1、r2-分别为保温层内外壁半径；-为保温材料的导热系数-为对流传热系数；L-为管长,称为临界半径rc,B,rc,r2,t2,对流传热过程是从流体到固体壁或从固体壁到流体的传热过程,是一个层流内层为主的导热和层流内层以外对流传热的综合过程.,第三节 对流传热,自然对流,强制对流,无相变化,有相变化,蒸汽冷凝,液体沸腾,膜状冷凝,滴状冷凝,对流传热分类,对流传热分类,一、对流传热分析,1、层流底层，由于流体粘性的存在，靠近壁面的一薄层流体作层流流动 ，称为层流底层，热量传递主要是靠分子扩散运动以导热方式进行，热阻主要集中在层流底层中，造成较大的温度降。2、过渡区，在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点产生相对运动，热量传递除了以传导方式外，还有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。3、湍流主体，流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传递以对流方式为主，可以认为无热阻，温度梯度为零，各处的温度相等。,层流内层,过渡区,湍流主体区,湍流主体区,二、对流传热速率方程,热流体侧,冷流体侧,对流传热速率方程(又称牛顿冷却定律),三、传热膜系数的影响因素,1、流体的流动状态2、流体的对流状况3、流体的物理性质影响较大的物性有流体的比热、导热系数、密度和粘度。4、传热表面的形状，大小和位置5、流体相变的影响,对流传热膜系数的物理意义: 当壁面和流体主体温度差为1K时,单位面积的固体壁面上单位时间内以对流传热方式传递的热量。,对流传热方程式以很简单的形式表达了复杂的对流传热过程的传热速率，其中的膜系数包括了所有影响对流传热过程的复杂因素。由于对流传热系数受很多因素的影响，不可能提出一个确定的普遍公式。,可查询相关资料取经验值。,四、提高传热膜系数的途径,（一）无相变的对流传热： 提高流体流速是强化传热的有效措施，但流体流速增大后能量损失增加。,（二）冷凝传热： （1）不凝气体 蒸汽内含有不凝气体，形成气膜，使传热阻力增大，对流传热系数降低。,（2）蒸汽流速和流向 蒸汽与液膜流向一致，加速液膜流动，对流传热系数增大；蒸汽流速增大对流传热膜系数增大,（3）蒸汽过热情况 按饱和蒸汽冷凝处理,（4）冷凝面的高度及布置方式 冷凝液膜增厚会降低传热系数。,2022/11/17,液体沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,沸腾曲线,当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。 当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。,（三）、沸腾传热,（1）温度差 温度差是控制沸腾传热的重要参数,2022/11/17,（2）操作压力 提高压力提高饱和温度，液体黏度及表面张力下降，有利于气泡生成与脱离壁面，强化了对流传热过程。,（3）流体物性 表面张力小 润湿能力大的液体，形成的气泡容易离开表面，对沸腾传热有利。,（4）加热面 壁面粗糙，发生气泡的核心多些，气泡上升运动越激烈，从而强化了传热。,第四节 传热计算,传热速率方程: = K A Tm,化工生产中经常遇到物料通过管壁或容器器壁加热或冷却的传热过程。热流体以对流的方式传给固体壁面，而固体壁面内部以导热的方式把热量从一侧表面传给另一侧表面，然后再以对流的方式把热量传给冷流体，这个传热过程称为热交换。下面套管式换热器是间壁式换热器中最常用的一种。,一、热量衡算,工业生产中由于流体温度的变化吸收或放出热量称为热负荷。在稳态传热过程中，若忽略热损失，热量的衡算关系式为：热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。热负荷的计算，可以分为两种情况：,1、无相变时的热负荷计算,热流体: 放 = qmhCph ( T1 T2) = qmh ( H1 H2),冷流体: 冷 = qmcCpc ( T2 T1) = qmc ( H2 H1),放 = 冷,qmhCph ( T1 T2) = qmcCpc ( T2 T1),其中qmh和qmc分别为热、冷流体的质量流量，kg/s或kg/h,二、传热速率方程,通过换热器中任一微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：,d = K ( T T) dA = K T dA,1、总传热速率微分方程,2、恒温传热,换热器间壁两侧流体的温度都是恒定，比如：蒸发器中，一侧为饱和蒸汽；另一侧为沸腾液体，它们之间传热就是恒温传热。, = K A T = K A ( T T),K-总传热系数.W/(m2),3、变温传热,并流、逆流时冷热流体沿传热面的温度变化情况,A、并流,B、逆流,错流和折流,对于错流和折流的平均温差计算，先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以校正系数 T，而校正系数T是冷、热流体的温度变化P和R和函数。,将该函数绘成曲线，然后通过P、R查找 T （可通过工程手册查取）,错流和折流的平均温差为：,4、流体流动方向的选择,（1）、流向对传热平均温差的影响,、间壁两侧流体为恒温、间壁一侧恒温另一侧为变温、间壁两侧均为变温,Tm并=Tm逆主要考虑设备结构以及操作上的方便,、间壁两侧流体为恒温、间壁一侧恒温另一侧为变温、间壁两侧均为变温, Tm并Tm逆； = K A Tm 当一定时，Tm增加，A减小，说明逆流时所需传热面积比并流小,（2）、流向对载热体用量的影响,由于Tm并=Tm逆，并流逆流时的载热体用量都相等,在其他条件一定时,对于两侧均为变温操作,为什么逆流操作加热介质的用量比并流小?,分析:(1)、并流时，加热介质由T1并降到T2并 其最低极限出口温度可以达到冷流体出口温度T2。(2)、逆流时，加热介质由T1逆降到T2逆 其最低极限出口温度可以达到冷流体进口 温度T1。, T2T1,在其他条件一定时, 逆流操作加热介质的用量比并流小。,A)、若换热的目的仅仅是为了加热流体,则逆流操作时就有可能使T2逆 T2并.,B)、若换热的目的是为了回收热量,逆流操作时加热介质的出口温度较并流时低,则回收的热量多一些.,T1,对数平均温差及其计算方法,微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率方程,d = K ( T T) dA = K T dA,对数平均温差,当T1 / T2 2时，,传热速率方程,dA,从经济的角度看，逆流优于并流，但并不是所有情况下采用逆流好！,以下情况采用并流：、加热某些热敏性物料时，采用并流较易控制物料出口温度，从而避免因出口温度过高而影响物料的质量。、加热高粘度物料时，采用并流可使物料进入换热器后迅速升高温度，从而降低物料粘度，提高热交换的效果。、对于某些高温换热器，采用逆流操作时，高温集中一端，会使一端的温度过高，对设备材料的耐热性能要求较高，而采用并流则可以降低该处的温度，可以延长换热器的寿命。,三、总传热系数,1、选取经验值 根据生产实践经验总结出一套参考数据，在设计换热器时，可以根据设备型式、结构相同，雷诺数、物料的物性参数和已知K值的生产设备相同或接近时，可以参考相近设备,取相同的K值作为设计值。2、测定总传热系数 对于现有的换热器，通过实验的方法以来测定，按公式计算,3、总传热系数的计算,对于间壁式换热器,1）、以传热面积A1 为基准的总传热速率方程为：,工程计算中，一般以管外表面积为基准计算总传热系数K,2）、以传热面积A2 为基准的总传热速率方程为：,3）、污垢热阻 实际生产中，换热器运行一段时间后，传热面会产生污垢，影响传热效果，使总传热系数下降。,如果间壁两侧的污垢热阻分别为R1和R2，则总传热系数为：,（1）、对于传热面为平壁、或管径较大且管壁较薄的壁面,即 d1d2dm=d,则其传热系数计算式为：,由于污垢影响传热效果，在使用过程中必须减缓污垢的形成，及时清除污垢。,讨论：,化工生产中防止和减少污垢热阻形成的途径：,1、提高流体的流速，使所携带的悬浮物不致沉积下来；2、控制冷却水的加热程度，防止有水垢析出；3、对有垢层形成的设备必须定期检查除垢，以维持较高的传热速率。,1、人工除垢；2、机械除垢；3、化学清洗。,化工生产中常用的除垢方法：,常有化学清洗剂有酸、碱、氧化剂、金属离子鳌合剂、杀虫剂等。化学清洗剂去除物体表面污垢时，化学清洗剂会与被清洗得物体发生化学反应，造成腐蚀，使用时要加入金属缓蚀剂及钝化剂等助剂。,（2）、当污垢热阻忽略时,（3）、污垢热阻忽略不计,且传热壁热阻较小，可以忽略不计。,或,则,当21时 K 1,传热过程的强化,传热速率方程: = K A Tm,一、增大传热面积 增大传热面积，可以提高传热速率，但不能仅仅依靠增大设备尺寸来实现，关键是从设备的结构来考虑，提高紧凑性，单位体积内提高传热面积。改进传热面的结构，如用螺旋波纹管代替光滑管，或采用翅化管换热器，板式换热器，以及板翅式换热器，来增大传热面积。二、增大平均温度差1、热交换的两流体采用逆流操作。2、提高热流体温度或降低冷流体的温度。三、增大总的传热系数,3、提高传热膜系数,1）、当传热膜系数1、2相差不大，或在同一个数量级时，欲使K值增大，应同时增大1、2,2）、当传热膜系数1、2相差较大时，欲使K值增大，应增大1、2中较小的一方。,2、减小热阻/值,对于间壁式换热器，管壁厚较薄，而金属材料的导热系数较大，热阻/较小，故对K的影响较小。,提高总传热系数K，可以从以下几个方面来考虑：1、降低污垢热阻R1，R2,管内、外污垢厚度尽管很薄，但垢层的导热系数较小，因而产生的热阻较大，对K值影响较大，必须防止污垢的产生，应及时清除。方法：保持流体一定的流速冲刷管壁防止污垢的沉积，或者采用化学或机械的方法抑制污垢的产生，定时清洗。,A）、增大流速(增加管程数,管外增加挡板),减小管径，湍流程度的加强，可以增大传热膜系数,B）、采用粗糙管或管内装入麻花铁、螺旋圈、金属丝等添加物，可以增加流体的湍流程度，从而增大传热膜系数，也可以增加传热面积，强化传热。,2）、采用导热系数较大的流体作载热体，如：熔盐、液态金属,对流传热的热阻主要集中在传热边界层、热量以导热方式进行传递，而流体的导热系数比金属壁面小得多，往往进行强化传热，减小热阻，提高K，可采用以下途径：,1)、增加湍流程度,以减小层流底层厚度,3）、尽量采用有相变化的载热体，可以得到较大的对流传热系数。,实际生产中强化传热的途径,1、增加单位体积的传热面积这个只有在技改或更新时候才更换患热面积更大的，或增加设备数量。,2、提高传热温度差传热温度差是传热过程的推动力，推动力越大，过程进行得越快。为什么浓硫酸清净要改用烧碱溴化锂7度水，为什么氯乙烯厂7度水温度高，尾气排放量大 ，高塔压力偏高，原因就在于温度差，7度水温度越低，传热越快。,3、提高总传热系数K值 对换热器进行清理，如设备排污、高压清洗、化学清洗。,六、热辐射,1、热辐射 是一种以电磁波传递能量的方式，凡是温度在绝对零度（-273.15 ）以上的物体都可以发射辐射能，只有当物体发射的辐射能被另一物体吸收并转化为热能的过程，才称为热辐射。,2、黑体 能全部吸收辐射能的物体，称为绝对黑体，简称黑体。,5、灰体 大部分物体属于灰体，部分吸收辐射能，部分辐射能反射回去，这样的物体称为灰体。,3、白体 能够全部反射辐射能的物体，称为绝对白体，简称白体或镜体。,4、透热体 能够全部透过辐射能的物体，称为透热体。,5、黑度 物体辐射能力与同温度的黑体的辐射能力的比值，称为黑度。,第五节 热交换器,一、间壁式换热器的类型：1、夹套式换热器 容器或反应釜外的夹套。 特点：结构简单、传热系数不高2、沉浸式蛇管换热器 蛇形盘管沉浸在容器的液体中，加热或冷却。 特点：结构简单、制造方便、传热系数、传热面积较小,3、喷淋式换热器 由上至下喷淋冷却水，特点：传热效果较好，但占地面积大，放室外易结垢。4、套管式换热器由直径不同的同心套管组成特点：结构简单，制造方便，能承受高压，有较大的伸缩性，但占地面积大，接头多易泄漏，用于流量不大，传热面积不大的高压场合。,5、管壳式换热器（又称列管式换热器）目前应用最广的换热设备固定管板式 结构简单，成本低，由于管壳程不易清洗或检修、管外物料要求比较清洁，不易结垢。浮头式 换热器两端的管板，有一端是不与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动。特点：结构较复杂、造价高，应用在温差较大场合。U形管式换热器 较浮头式简单，可用于高温高压、但管程不易清洗，可用于清洁物料及高压气体的换热。,二、板式换热器1、板式换热器：结构紧凑，传热系数高，检修清洗方便。2、板翅式换热器：结构紧凑，传热系数高，适应性广，不易清洗。3、螺旋板式换热器：总传热系数高，不易堵塞，适合于悬浮物及高粘度的流体，结构紧凑不易检修。,三、换热器的发展1、高效换热元件： 螺旋形异形管 翅化管 多孔表面管 热管2、新型换热器： 螺旋挡板管壳式换热器 折流杆换热器 回转式换热器 热管废热锅炉,管壳式换热器的设计与选用,一、确定设计方案的基本原则1、满足工艺条件及其操作的要求2、材料来源广泛，施工方便，成本低3、确保生产安全，避免事故发生,确定换热器流程的原则：,1）、走管程,2）、走壳程,、易结垢、有沉淀及含杂质的流体、高温、高压或腐蚀性强的或有毒的流体、与外界环境温差较大的流体、温差小、传热膜系数值相差较大的两流体中值大的流体,、饱和蒸汽、与外界环境温差小的流体、不易结垢的洁净流体,二、设计内容1、工艺设计：通过物料衡算和热量衡算，确定传热系数K 传热面积A，管子长度及数量，管板的布置及流体的流向 。 2、结构设计：壳体壁厚的确定，管子及其与管板的连接、各流体进、出口的结构设计，温差的影响，各部位的焊接结构。三、管壳式换热器的选用1、分析了解设计任务，掌握各项参数及工艺特点物料的进、出口温度及操作压力物料的物性参数物料的物理化学性质及耐腐蚀性2、确定选择换热器的型式，确定流体流动空间3、设计计算根据物料进、出口的温度，计算对数平均温差根据物料的物性参数，确定1，2，R1，R2 计算总传热系数K计算热负荷确定传热面积A，确定管径、管数,1、衣服洗完后我们要挂起来晾干，潮湿的衣服变成干衣服，晾衣服时水变成了水蒸气，这个过程就是传质过程；2、氯化氢合成工序采用两级降膜吸收氯化氢气体，氯化氢由气体进入盐酸溶液就属于传质过程，传质效果不好的后果，什么滋味大家应该都明白吧？,什么是传质?,传质即质量传递，物质由高浓度向低浓度方向转移的过程称为质量传递，简称传质，传质过程一般伴随着传热过程进行的。 高浓度 低浓度,传质过程推动力：浓度差,小 结,一、传热的基本方式,1、导热 2、对流 3、热辐射,二、传热计算,传热速率方程: = K A Tm,（一）、导热 1、傅立叶定律,金属 液体 气体,2、平壁热传导,单层多层,3、圆筒壁热传导,单层多层,T=T1 Tn+1,（二）、对流,1、牛顿冷却定律,2、传热膜系数的计算,、直管内强制对流,湍流层流过渡流,当流体被加热:m=0.4当流体被冷却: m=0.3,传热膜系数计算公式,低粘度流体作强制对流,注意适用范围,、弯管内流体作强制对流、流体管外作强制对流、大空间自然对流,（三）、传递热量的计算,1、无相变时的热负荷 =qmcpT=qmH2、有相变时的热负荷 =qmr,（四）、传热系数K的计算,1、圆筒壁,2、平壁或大径圆筒壁或薄壁,3、薄壁且导热性能好,4、K对传热速率的影响,1、2,/,R1、R2,A,无污垢热阻时,考虑污垢热阻时,（五）、对数平均温差Tm的计算,对数平均温差,当T1 / T2 2时，,1、并流、逆流 （1）、两侧恒温Tm=T T （2）、变温,2、错流、折流,3、 Tm对传热速率的影响 Tm逆Tm并 qm逆qm并,相同条件下 ， 逆流时,对流平均温差大,需要的加热介质用量少!,（六）、传热面积A的计算,（七）、传热效率与单元数,三、热交换器的分类及选型设计,
