化工原理

这是一篇关于化工原理的思维导图，传热概念:由于物体内部或物体之间存在温度差而引起的能量转移过程，又称热量传递。

化工原理

• 第五章 传热
  • 概述
    • 传热
      • 概念：由于物体内部或物体之间存在温度差而引起的能量转移过程，又称热量传递
      • • 热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等
      • 传热方向：高温--低温。传热极限：温度相等。传热推动力：温度差。传热应用：科研、生产、生活
    • 热量传递的基本方式
      • （一）热传导
        • 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
          • 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高
        • 条件：系统两部分之间存在温度差
      • （二）对流
        • 定义
          • 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中
        • 分类
          • 自然对流
            • 流体温度发生变化时，密度也发生相对变化，密度小的流体向上流动，密度大的向下流动。
          • 强制对流
            • 由于外力的作用使流体发生流动的对流传热
        • 对流传热：热对流和热传导
      • （三）热辐射
        • 定义
          • 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递
        • 特点
          • 不需要任何介质，可以在真空中传播
          • 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的传递
          • 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能
    • 典型的换热器结构-间壁式换热器
      • 传热过程
        • 热流体以对流传热方式将热量传递至壁面一侧
        • 热量以热传导方式从固体壁面一侧传递至另一侧
        • 间壁另一侧以对流传热方式将热量传递至冷流体
      • 典型的间壁式换热器
        • 套管式换热器
        • 列管式换热器
          • 单程列管式换热器
            • 管程流体：流经管束的流体
            • 壳程流体：流经管间环隙的流体
          • 双程列管式换热器
    • 换热器的主要性能指标
      • 传热速率（热流量）：单位时间内通过传热面的热量，用Q表示，单位为W
      • 热通量（传热速度）：指单位传热面积的传热速率，用q表示，单位为W/平方米
      • Q与q的关系：
    • 稳态传热与非稳态传热
      • 稳态传热：传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而变化。且传热速率在任何时间都为常数
      • 非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置而变化，而且随时间而变化
  • 热传导
    • 基本概念和傅里叶定律
      • 温度场和温度梯度
        • 温度场
          • 某一瞬时，空间（或物体内）所有各点的温度分布称为温度场。
        • 等温面
          • 同一时刻，温度场中所有温度相同的点相连接而成的面称为等温面。
        • 温度梯度
          • 表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率，它是一个向量，以温度增加的方向为正。
      • 傅里叶定律
        • 描述热传导现象的物理定律。表达式为：
      • 导热系数：
        • 特点：在数值上等于温度梯度下的热通量
    • 平壁的稳态热导率
      • （一）单层平壁的稳态热传导
      • （二）多层平壁的稳态热传导
        • n层：
    • 圆筒壁的稳态热导率
      • （一）单层圆筒壁的稳态热传导
      • （二）多层圆筒壁的稳态热传导
        • 单位时间内通过各传热面积的热量均相等。即：
        • n层：
  • 对流传热
    • 对流传热速率方程与对流传热概述
      • 对流分类
        • 自然对流：温差引起密度差，造成流体流动
        • 强制对流:流体靠外加动力流动，造成对流
      • 流体与壁面间的对流传热速率方程
        • 将α称为对流传热系数
    • 对流传热系数
      • 影响因素
        • 1.流体的种类和相变化的情况（一般情况下，液体的对流传热系数大于气体）（有相变的流体的对流传热系数远大于无相变）
        • 2.流体的物性：导热系数λ、黏度μ、比热容Cp、密度ρ、体积膨胀系数（其中导热系数、密度和比热容、体积膨胀系数上升，粘度下降，对流传热系数也上升）
        • 3.流体传热面的结构、形状、位置及流道尺寸
        • 4.流体的流动状态：层流（对流传热系数较小）、湍流（对流传热系数较大）
        • 5.流体的流动原因：自然对流、强制对流（强制对流大于自然对流）
      • 一般准数关联式
        • α=Q(l,λ,μ,ρ,u,cp,ρβg△t)，可以分为四个准数：Nu,Re,Pr,Gr,Nu=f(Re,Pr,Gr)
          • 努赛尔特数Nu
            • Nu=αl/λ,表示对流传热系数的准数
          • 雷诺数Re
            • Re=luρ/μ,表示流体的流动状态和湍流程度对对流传热的影响
          • 普朗特数Pr
            • Pr=Cpμ/λ,表示流体物性对对流传热的影响
          • 格拉斯霍夫数Gr
            • Gr=l³ρ²βg△t/μ²，表示自然对流对对流传热的影响
      • 流体无相变时对流传热系数
        • 流体的流动情况分类
          • 层流：Re<2300
          • 湍流：Re>10000
          • 过渡流：2300<Re<10000
        • 流体在管内强制对流传热
          • 1.圆形直管强制湍流时的对流传热系数
            • 对于低黏度流体，通常采用下列关联式，Nu=0.023(Re^a)(Pr^n)，其中a=0.8
              • 需满足条件
                • ①Nu、Re中特征尺寸取管内径d
                • ②定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
                • ③应用范围：Re＞10⁴，0.7＜Pr＜120，管长与管径之比l/d≥60，流体黏度μ＜2mpa▪s
                • ④式中n的取值，气体加热时，n=0.4,气体被冷却时，n=0.3
              • 将上式改写成计算式，α=0.023(λ/d)(duρ/μ)^a(cpμ/λ)^n其中a=0.8。
            • 对于高黏度液体，可采用的关联式：α=0.027(λ/d)(duρ/μ)^a(Cpμ/λ)^b(μ/μw)^c，式中，a=0.8,b=0.33,c=0.14
              • 需满足条件
                • ①Re＞10⁴，0.6＜Pr＜16700，l/d＞60
                • ②特征尺寸取内径d
                • ③定性温度，除黏度μw取壁温外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值，当液体被加热，取（μ/μw）^c=1.05,当液体被冷却，取（μ/μw）^c=0.95,
            • 对于弯管,应再乘以弯管效应校正系数εR=1+1.77d/R
          • 2.圆形直管内过渡区（Re=2300-10000）时的对流传热系数
            • 先用湍流公式计算，再进行过渡流校正，再乘以校正系数f=1-6*10⁵/Re^1.8
          • 3.在圆形管内强制层流时的对流传热系数
            • Nu=1.86(RePr d/l)^a(（μ/μw)^b,其中，a=1/3,b=0.14
            • 应用范围：Re＜2300；RePr d/l＞10。0.6<Pr<6700,Gr<25000.特征尺寸为管内径。定性温度除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值
            • 当Gr＞2.5*10⁴时，自然对流的影响不能忽略，上式中的α值应乘以校正系数f=0.8(1+0.015Gr^b),b=1/3
          • 4.流体在非圆形管内强制对流时的对流传热系数
            • 采用圆形管内公式计算，但需要将特征尺寸由管内径改为当量直径de
              • 流动当量直径：
              • 传热当量直径：
            • 对于套管环隙内的水和空气。（定性温度：流体进出口温度的算数平均值）
        • 流体在管外强制对流传热
          • 流体垂直流过管束
            • 换热管排列分为直列和错列两种
              • Nu=CεRe^nPr^0.4（C、ε、n由查表得）
              • 应用范围：Re=5000～70000，x1/d=1.2～5.0，x2/d=1.2～5.0
              • 特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。
              • 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。
              • 上式用来求出每排的α值后，再取平均值α=∑αiAi/∑Ai（α：整个管束的平均对流传热系数。αi：管束中第i排管子的对流传热系数。Ai：管束中第i排管子的传热面积。i：管排数）
          • 流体在有折流挡板的换热器的管间流动
            • 公式：
            • 定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：传热当量直径。
        • 大空间自然对流传热
          • 传热面位于很大的空间内，且四周无阻碍自然对流的物体存在，则壁面与周围流体间因温度不同而引起的自然对流
          • Nu=C(GrPr)^n,式中，C与n由实验测得，可查表得出
          • 定性温度：壁面温度与流体平均温度的算术平均值
          • 定性尺寸：水平管外径d，垂直管垂直高度L,
    • 流体有相变时的对流传热
      • 蒸气冷凝时的对流传热
        • 1.蒸气冷凝方式
          • 膜状冷凝：冷凝液面能润湿壁面
          • 滴状冷凝：冷凝液不能润湿壁面
        • 2.蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数
          • 由于管径较小，膜层呈层流流动。α=0.725（ρ²gλ³r/n^⅔μd0△t）^¼
        • 3.蒸气在垂直管外（或板上）冷凝时的对流传热系数
          • 流动的当量直径
          • 冷凝负荷：
          • 雷诺数：
          • 液膜流动为层流
            • α=1.13（ρ²gλ³r/μl△t）^¼
          • 液膜流动为湍流
            • α=0.0077（ρ²gλ³/μ²）^⅓Re^0.4
        • 4.影响冷凝传热的因素
          • 不凝性气体
            • 例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。
          • 冷凝水的影响
          • 液膜两侧温差的影响
          • 蒸汽流速和流向的影响
          • 冷凝壁面的影响
      • 液体沸腾时的对流传热
        • 液体沸腾的类型
          • 大容器沸腾
          • 管内沸腾（活动沸腾或强制对流沸腾）
        • 影响沸腾传热的因素
          • 液体性质:
          • 温度差：温差越大，传热系数越大
          • 操作压力：
          • 加热壁面：新的洁净的粗糙的加热面传热系数大
  • 两流体间传热过程的计算
    • 热量衡算
      • • 若两流体均无相变，且Cp可视为不随温度变化
        • 若两流体进行热交换时发生相变化。
        • 根据焓值计算热量
    • 总传热速率方程
      • 平壁间传热
      • 圆筒壁传热
    • 总传热系数
      • 总传热系数计算式
        • 平壁
        • 圆筒壁
          • • 管外面积
            • 管内面积
      • 污垢热阻
        • 平壁
        • 圆筒壁
          • 管外面积
          • 管内面积
      • 换热器中总传热系数的经验值
    • 传热平均温度差
      • 恒温传热：换热器两侧流体均发生相变时，两流体温度可分别保持不变△tm=T-t
      • 变温传热：换热器中间壁两侧流体温度发生变化
        • 冷热流体相互流向
          • 逆流与并流
          • 错流与折流
        • 平均温度差△tm
          • 热流体从T1变为T2，冷流体从t1变为t2。△tm=(△t1-△t2）/ln(△t1/△t2)
            • 并流：△t1=T2-t2,△t2=T1-t1
            • 逆流：△t1=T2-t1,△t2=T1-t2
          • 当△t1/△t2＜2时，可用算术平均值代替对数平均值。若传热量Q和传热系数K相等，逆流温度差大于并流。若一侧流体温度变化，另一侧恒温。则逆流与并流温差相等
          • 错流和折流时的温度差，需要温差校正系数
    • 设备热损失的计算
      • 空气在保温层外做自然对流且tw＜150°
        • 平壁
        • 圆筒壁
      • 空气沿粗糙壁面做强制对流
        • 当空气流速不大于5米每秒
        • 当空气流速大于5米每秒
  • 换热器
    • 间壁式换热器
      • 夹套式换热器
        • 结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。
        • 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小搅拌装置：提高对流传热系数上一节回顾
        • 优点：结构简单、造价低廉、适应性强等特点。
      • 套管式换热器
        • 结构：由直径不同的直管同心套合而成，相邻程的内管之间用U形管连接，而外管之间则用管子连接
        • 优点：流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。
        • 缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。
      • 沉浸式蛇管换热器
        • 结构：以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。
        • 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。
        • 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。
      • 喷淋式蛇管换热器
        • 结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。
        • 优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。
        • 缺点：喷淋不均匀。
      • 板式换热器
        • 结构：将一组金属板平行排列起来，并在相邻两板的边缘之间衬以垫片，用框架夹紧，即成为板式换热器
        • 优点：结构紧凑，单位体积内的传热面积较大；总传热系数高；可根据需要调节传热面积；易于清洗和检修
        • 缺点：处理量有限；操作压力低；操作温度也不能过高
      • 列管式换热器
        • 固定管板：将两端的管板与壳体焊接成一体
        • 浮头：两端的管板之一不与外壳体固定连接
        • U形管：将每根换热管均弯成U形，并将两端固定与同一管板上上一节回顾
    • 传热过程的强化
      • 增大总传热系数K：制造人工粗糙表面，加设扰流元件
      • 增大传热平均温度差△tm：提高冷却水用量，提高加热蒸汽压力
      • 增大传热面积：不同异形管，开槽加翅片，折流形式，多孔、高效传热面