1、第4章 传 热,传热在化工生产中的应用： 1.物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。 2.化工设备和管道的保温，以减少热损失。 3.生产中热能的合理利用，废热回收。,传热计算的目的： 1、解决各种传热设备的设计计算，操作分析和强化。 2、对各种设备和管道适当进行保温以减少热量或冷量的损失。 3、充分利用能源，提高能量利用效率，减少热损耗。,4.1 概 述,4.1.1 传热的三种基本形式,4.1.1.1 热传导（又称导热） 机理：当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度的差异时，借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运热能就从物体的较高部分传给温度较低的部分或从一个温度较高的物体传递给直接接触
2、的温度较低的物体。 特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。,4.1.1.2 对流 1、机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传递到另一处。 2、分类 自然对流：因流体内部各处温度不同而引起的局部密度 差异所致。 强制对流：用机械能使流体发生对流运动。 3、实质：流体的质点携带着热能在不断的流动中把热能给出或吸入的过程。,4.1.1.3辐射 特点：不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换，热辐射不需要媒介。 高温物体之间的主要传热形式。,以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。,4.1.2 传热速率：分为三个步骤。,（1）传热速率Q（热流量） 指单位时间内通过传热面的
3、热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，称为热负荷，单位为W；（2）热通量q（热流密度） 指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。,4.1.3 稳定传热和不稳定传热,t =f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热（不稳定传热）；t =f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热（稳定传热） 。连续生产过程中的传热多可作为稳定传热。,4.2 热 传 导,4.2.1 热传导的数学描述及导热系数,4.2.1.1 傅立叶定律傅立叶定律是用以确
4、定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，负号表示导热方向与温度梯度方向相反。,法向温度梯度，热传导方向上单位长度的温度变化率，偏导数指只考虑沿等温面法线方向的温度差异。,A垂直于热流方向的导热面积（等温面面积）。,4.2.1.2 导热系数 (热导率),导热系数是物质的一种物理性质，表示物质的导热能力的大小，导热系数值越大，物质的导热性能越好。,物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量。,物质的导热系数与物质组成、结构、密度、温度和压力有关。一般，金属的导热系数最
5、大，非金属的固体次之，液体的较小，而气体的最小。,（1）固体的导热系数纯金属：t, ;非金属： 或 t, 。对于大多数的均质固体，导热系数与温度近似成直线关系 =0（1+t）、 0固体分别在温度t、273K时的热导率，W/(m.K);温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材料为正值，1/K。在工程计算上，导热系数可取固体两侧温度下的算术平均值，或取两侧温度的算术平均值下的值。,（2）液体的导热系数t, ；导热系数一般较低。液体的导热系数高于固体绝热材料。一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。绝大多数液体的导热系数随温度的升高略有减小。,（3）气体的导热系数气体的很小，对导
6、热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体 = f ( t )， t, 。,固体、液体、气体的热导率的大致范围： 金属固体非金属固体液体气体 金属固体：101 102 W/(mK)； 建筑材料： 10-1 10 W/(mK)； 绝缘材料： 10-2 10-1 W/(mK)； 液体： 10-1 W/(mK)； 气体： 10-2 10-1 W/(mK)；,4.2.2 平壁的稳定热传导,（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁,厚度为b ，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1 及t2 ，且t1 t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度
7、x 方向的一维定态热传导过程。此时傅立叶定律可写成,积分上式,q平壁导热能量，w/m2,（2）多层平壁稳定热传导,在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率都是相等的。,根据等比定律：,从上式可以看出，通过多层平壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。,推广到n层平壁:,此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。,推论：,4.2.3 圆筒壁的稳定热传导,生产中所用设备、管道多为圆筒形，故通过圆筒壁的热传导极为常见。,（1）单层圆筒壁稳定热传导内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面维持恒定的
8、温度t1、t2，且圆筒长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，特点是传热面积随半径而变化。傅立叶定律可写成,积分,为便于和平壁比较，可写成：,其中：,称为对数平均半径。当 时取,平均导热面积,（2）多层圆筒壁稳定热传导,如图所示,以三层为例。假设各层间接触良 好,各层的导热系数分别为1、2和3， 可写出三层圆壁的热传热速率方程式为：,也可写为：,推广到n层圆筒壁：,注意：圆筒壁各传热面积不等，随半径r而变；对于圆管壁稳定传热过程，通过各层的热传导速率Q是相同的，但热通量q是不同的，随着r值的增大而减小，不是常数。,例：382.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外包扎保温
9、材料。第一层是50mm厚的氧化镁粉，平均导热系数为0.07W/（m)；第二层是10mm厚的石棉层，平均导热系数为0.07W/（m)；若管内壁温度160，石棉层外表面温度为30，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？,解：由公式可得：由题给条件知：t1=160； t4=30，r1=16.5mm， r2=19mm， r3=19+50=69mm， r4=69+10=79mm； 2=0.07W/(m), 3=0.15W/(m) 查钢管的导热系数 1=45W/(m) 所以,讨论：对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等； 对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等，
10、但由于各处传热面积不同，故其热通量q不等；对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q；对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失，即求Q/l；热导率小，不利于导热，但有利于保温；多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体采用多层保温措施时，热导率小的材料置于内层有利于保温。,4.3 对流给热,对流给热特指流体与固体壁面之间的热量传递，是对流与传导联合作用的一种传热方式，工业中常见的为热、冷流体通过传热设备间壁进行传热。,间壁传热三步骤： 1.热流体以给热方式将热量传给壁面； 2.热量以传导方式通过间壁； 3.间壁另一边的壁面以给热方式传热给冷流体。,
11、图4-8 热冷流体通过间壁传热过程,套管换热器示意,对流给热分析：,对流传热是流体流动过程中发生的热量传递。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，故主要热阻及温度差（或温度降）都集中在滞流底层，称为温度分布。在层流内层中，垂直于流体流动方向上的热量传递主要以导热方式进行。,图4-8 热冷流体通过间壁传热过程,过渡区是两者共同作用的结果。,图4-8 热冷流体通过间壁传热过程,如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，工程上将湍流主体
12、和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为t的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻。,4.3.1 给热系数,对流传热是一个复杂的过程，影响因素很多。,(1)简化处理将流体中全部的传热阻力看作集中在一定厚度t（虚似膜层）的流体层中，并且该层只有导热没有对流，这样流体中复杂的对流传热过程就转化为一定厚度的流体中的导热问题，就可以用导热速率方程来描述流体中的对流给热过程。,t对流传热温度差，不易确定，工程用该流动截面上流体的平均温度代替湍流主体温度来计算温度差。即：,(2)牛顿冷却
13、定律和对流给热系数,但以上方程适用于间壁一侧流体在温差不变的截面上的定常对流传热。无法直接应用于换热器，为什么？,因为换热器中流体在管长的不同位置温度不同，两侧流体的温度差也不相同；所以必须在流体流动方向上取微元段dl进行分析。,的物理意义是：当流体截面平均温度与壁面温度的差值为1时，单位时间通过单位传热面积的热量。它不仅与流体的性质有关，还与流体状态、传热壁面的形状、结构有关。,(1)流体流动产生的原因:自然对流和强制对流 ；液体中的热传导过程总伴有自然对流。强制对流下，自然对流多少产生影响。 强制对流 自然对流 (2)流体的流动情况：湍流时的比层流时大得多，即 越薄， 也越大； 湍流 层流
14、，且Re数增大， 也增大。 (3)流体的物理性质:密度、比热cp、导热系数、粘度等;一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。 (4)传热表面的形状、位置和大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等；通常用一个或几个特征尺寸来表示。 (5) 流体有无相变化发生:有相变（如沸腾或冷凝）时对流传热系数比无相变化时大得多。,4.3.2 影响对流给热的主要因素,4.3.3 给热系数与量纲分析,4.3.3.1 获得给热系数的方法,分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。数值法：数值求解法
15、是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行，类比法：动量传递与热量传递类似性的应用。,4.3.3.2 量纲分析法,即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,根据前面的分析可知,影响对流给热系数的因素有（无相变）：（1）流体物性：、cp（2）流动状态：u（3）传热面特征尺寸：l（4）自然对流：gt （视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不
16、同所产生的浮力）所以对流给热系数是以上七个变量的函数：,对SI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度L、质量M、时间T 、温度。根据定理，无量纲数群个数N=8-4=4,令,令：,努塞尔特准数，给热系数的特征数，含待定的对流传热系数；,雷诺准数，表征流体流动型态对对流给热的影响；反映流体的流动形态和湍动程度。,普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；,格拉斯霍夫准数，反映自然对流对对流传热的影响。,根据以上定义可以得到最终的关联式：,讨论：根据不同的对流给热过程，由实验确定系数K及指数f、e、g值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；由实验条件所限，得到Nu= f (Re
17、,Pr, Gr)关联式应注意应用范围； 定性温度：确定准数中流体的特性参数所依据的温度。特性尺寸：参与对流传热过程的传热面积几何尺寸往往不止一个。关联式中一般用 反映传热面的几何特征；管内强制对流，用管径d表示，非圆形管道，用当量直径，等等。特征速度：一般取管内平均速度。,对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即： 强制对流时的给热系数； 自然对流时的对流给热系数； 蒸汽冷凝时的对流给热系数； 液体沸腾时对流给热系数；,4.3.4 流体在管内作
18、强制对流的给热系数(流体无相变时）,4.3.4.1 流体在圆形直管内作强制湍流,强制对流情况下，Gr对的影响较小，一般可以忽略，所以,其中C、m、n由实验测定,上式的应用范围及条件： a、应用范围：Re104； Pr=0.6160；低粘度流体，50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的；流动是充分湍流。 b、流体物性参数按定性温度tm=(t1 +t2)/2取。 c、 Nu、Re中的特征尺寸l 取d内。,说明：若不满足上述条件， 值的修正见下 （1）对短管(l/d3040) ，乘以1+（d/l)0.7进行校正。 （2）高粘度的液体。用 计算。,在壁温数据末知情况下，可采用下列近似值
19、计算 （1）当液体被加热时（2）当液体被冷却时 W取壁温下流体粘度,4.3.4.2 流体在圆形直管内作强制层流, 管径较小，温差不大，即Gr25000，自然对流的影响可以忽略,(4-19),此式适用范围及条件：Re10（不适用于管长很长的情况），特征尺寸取d内；定性温度取tm=(t1 +t2)/2，用tWm=(tW1 +tW2)/2 求W。,当Gr25000时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，式(4-19)应乘以校正系数：,注意：层流时很小，从而K也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。,4.3.4.3 圆形直管内强制过渡状况时的当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充
20、分，层流底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104的公式算出值，然后乘以校正系数f2,4.3.4.4 圆形弯管内作强制对流时的流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。,4.3.4.5 非圆形直管内作强制对流时的 用上述关联式，但式中的d要用代替de, 采用专用的关联式 如对套管环隙，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：,这种方法简便，但计算结果不够准确。,适用条件： Re=12000220000，d2/d1=1.6517，特征尺寸为de，定性温度取tm=(t1 +t2)/2。也可计算其他流体在环隙中作强制湍流时的。,（1）流体垂直流过单根管的，管子
21、前半周与平壁类似，其边界层不断增厚；在后半周因边界层分离产生旋涡，故圆周各点上的局部对流传热系数各不相同。一般用平均对流传热系数。 （2）流体横向流过管束的,C1、C2和n的值见表4-5。 上式的适用范围及约束条件： a、Re=50007000和x1/d =1.25，x2/d =1.25； b、特征尺寸取管外径； c、定性温度tm=(t1+t2)/2; d、流速取各排最窄通道处的流速。 由于各列的不同，可按下式求出整个管束的平均：,4.3.5 流体在管外作强制对流的给热系数,（3）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的 a、查图4-12； b、当Re=2000106时,适用条件： 、换热器
22、管间装有割去25%（面积）的圆缺形折流挡板； 、Re=2000106 ； 、定性温度tm=(t1+t2)/2; 、tWm=(tW1 +tW2)/2 求W； 、特征尺寸de（根据管束排列方式而定）; 式(4-27) 、管外的流速根据流体流过的最大截面积S计算。,（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。,4.3.6 流体作自然对流时的对流给热系数（略）,自然对流时的大小和流体的物性、传热面的大小、形状、位置及传热面与流体间的温度差都有关系，情况复杂，仅限于讨论大空间（指边界层不受干扰）的自然对流。给热的特征数普遍关联式为：Nu=f (Gr,
23、Pr)，在一定范围内可用幂函数表示,适用范围及条件： 大容积（大空间）的自然对流； 定性温度取膜温 t膜=(tw+tm)/2; 特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高； t = tw-t。,或,4.3.7 蒸汽冷凝时的对流给热系数,（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻a、如果加热介质是饱和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内，有较大的传热系数，而且壁面冷凝液的存在形态对传热系数有很大的影响。这是纯饱和蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施。b、如果加热介质是过
24、热蒸汽，且tw ts时，则壁面上不会发生冷凝现象，先在气相下冷却至饱和温度，然后在壁面上冷凝，整个传热过程包括蒸汽冷却和冷凝两个过程。蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热，此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中。将有相当部分壁面用于过热蒸汽的冷却，在蒸汽内部存在温度梯度和热阻，从而大大降低传热系数。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数。(解释：工业上一般不采用过热蒸汽作为加热介质？),（2）膜状冷凝和滴状冷凝膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液
25、膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。液膜愈往下愈厚蒸，故壁面越高，水平放置管径越大，平均对流传热系数愈小。滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂沾污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。实验结果表明，滴状冷凝的比膜状冷凝的大几倍甚至几十倍。但是滴状冷凝在工业上没有现实意义，难以实现，在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。,因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数。,（3）蒸汽冷凝时的 理论推导,特征尺寸H取管长或板高，冷凝潜热r按饱和温度取，其余物
26、性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。 推导上式的条件：冷凝液膜为层流；蒸汽u=0，对液膜无摩擦阻力；冷凝潜热以热传导方式通过液膜；冷凝液物性为常数。,平均,b、单根水平管外,a、垂直管外或垂直板侧, 实验结果 a、垂直管外或垂直板侧,使用范围及条件：特征尺寸H取管长或板高；冷凝液膜为层流，Re1800；冷凝潜热r按饱和温度ts取；其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。,判断时Re怎么求？,M = ms/b单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量也称冷凝负荷。,冷凝液膜为湍流，Re1800,b、单根水平管外 实验结果和理论推导公式所得结果基本相符,在其它条件相同时,一般Ldo， 垂
27、直 水平。结论：工业冷凝器通常都是卧式的，但蒸发器都是立式的，这是蒸发器特点本身要求的。,c、水平管束外,错排的在垂直方向上的管数小于直排在垂直方向的管子数，错排 直排,例：101.3kPa的饱和水蒸气在单根管外冷凝。管径为1594.5mm，管长为2m，管壁温度为98.分别计算该管垂直放置及水平放置时的蒸汽冷凝对流传热系数。,解：查得101.3kPa下水蒸气的饱和温度ts=100,其比汽化焓在数值上等于每千克蒸汽的冷凝潜热r=2258kJ/Kg。冷凝液膜的平均温度tm=（100+98）/2=99，查水的物性常数为：=959.1Kg/m3,=28.5610-5Pas,=0.682W/(m K),
28、（1）垂直放置时，先假设液膜为层流流动检验假设是否正确，计算表明假设正确。,（2）水平放置的特征尺寸应取管外径d0，可得所以，单根管水平放置时冷凝传热系数为,冷凝传热过程的强化,因冷凝传热过程的阻力集中于液膜，故设法减小之 （1）对垂直壁面，可在壁面上开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟流下，可减薄其余壁面上的液膜厚度，强化冷凝传热过程。 （2）对于水平布置的管束，冷凝液从上部各排管子流到下部管排使液膜变厚，因此，如能设法减少垂直方向上管排的数目或将管束改为错列，皆可提高平均传热系数。（3）设法获得滴状冷凝也是提高传热系数的一个方向。,4.5两流体通过间壁的热量传递,4.5.1 传热速率方程,图4-30
29、 两侧流体均无相变时的温度变化,因为换热器中流体在管长的不同位置温度不同，两侧流体的温度差也不相同；所以必须在流体流动方向上取微元段dx进行分析。,t1,间壁两侧流体的传热在稳定情况下，热流体对流给热、间壁导热、冷流体的对流给热速率相等，即：,4.5.1 传热速率方程,工程计算中，按某一定性温度 确定物性参数计算将看作常数求得K也是常数求出T-t的平均值沿全部传热面积分得,总传热速率方程 （传热基本方程）,Q 换热器单位时间内的传热量，W；A 换热器的传热面积，m2；K 换热器的总传热系数，Wm-2-1 或Wm-2K-1 ； tm 冷热流体温度差的平均值，或K。,4.5.1 传热速率方程,（1
30、）K的计算,当传热面为平壁时，dA1= dAm= dA2= dA,当传热面为圆筒壁时，dA1 dAm dA2 dAdA = dA1即以内表面积为基准时，,4.5.2 传热系数,(4-61),对圆管,当dA = dA2即以外表面积为基准时，,当传热面为圆筒壁时，dA1 dAm dA2 dAdA = dA1即以内表面积为基准时，,(4-66),(4-67),（2）K的讨论,dQ及(T-t)与基准面积无关，,(4-68),不论采用哪种基准计算得到的Q相同;但换热器厂家习惯以管外表面积作为公称面积的依据,故通常取K=K2;,总热阻1/K为三个步骤的分热阻之和，当分热阻具有不同数量级时， 1/K则由其中
31、最大的所决定。,（3）污垢热阻,流体在间壁两侧流动久而久之会在间壁表面形成污垢，其产生的热阻也应计入总热阻：,外表面积为基准 :,常见流体污垢的大致范围见表4-12。,（4）讨论,当传热面为平壁或薄管壁，A1=A2=Am，则,当使用金属薄管壁时;管壁热阻可略；若为清洁流体，污垢热阻也可略，则,欲提高K，设法减小最大的热阻比较有效;因此要提高K值关键在于提高较小的一个值。,注意：K必小于任一侧流体的对流给热系数。,4.5.3 平均温差和热量衡算,4.5.3.1 热量衡算式（不考虑热损失及化学变化） 冷、热两流体均无相变时： Q = qm1cp1( T1-T2 ) = qm2cp2( t2-t1
32、) 热流体饱和蒸汽冷凝，冷流体无相变：Q =qm1 r1 = qm2cp2( t2-t1 ) 冷流体饱和液体沸腾，热流体无相变：Q = qm2r2 = qm1cp1( T1-T2 ),若冷凝液出口温度低于饱和温度TS，则：Q =qm1 r1+cp1( TS-T2 )= qm2cp2( t2-t1 ),4.5.3.2 平均温度差tm 的计算,(1) 恒温差传热（沿传热壁面的不同位置上，两种流体的温度皆不变化。间壁两侧均为相变化传热）若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽冷凝和饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处温度均为T ，冷流体在换热器中处处温度均为t ，故：因此恒温传热时，
33、温差的表示与流向无关。,(2) 变温差传热：若间壁一侧或两侧的流体温度沿着传热壁面在不断变化。在实际中常见的是变温差传热,两流体在换热器中不同位置传热温度差t不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样，但最基本的有两种形式：逆流、并流,图4-30 两侧流体均无相变时的温度变化,图4-31 一侧流体相变时的温度变化,称对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流体变温的情况均适用，是计算tm的通式。,t1热流体进口侧的传热温差，； t2热流体出口侧的传热温差，。 (t1,t2换热器两端热冷流体温差，一般t1 t2),传热基本方程式,变温差传热平均温度差tm 的计算：（推导过程略）,(3) 讨论, tm的计算公
34、式适用于逆流和并流，但两者t1、 t2的计算不同；, 若t1/t2 2，可用 近似计算；,对只有一侧流体变温的情况，则无逆流和并流之分；, 逆流与并流比较 a、当T1、T2及t1、t2均已确定时， tm逆tm并，若Q相同，则A逆A并，所以工业换热器一般是采用逆流；,b、并流 t2 总是 T2，逆流t2 可以T2， Q一定时,采用逆流可节约冷却剂或加热剂的用量；,结论：逆流比并流优越，故应尽可能采用逆流操作。但对热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度t2过高而影响产品质量。此外，传热的好坏，除tm的大小外，还应考虑影响K的多种因素及换热器结构方面的问题。,4.5.4 壁温的计算,(1)对于稳定传
35、热过程,(4-79),(2)若取管壁温度平均值tw，可用下式计算：,上式表明：传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比，故壁温tw必接近于热阻较小一侧流体的温度。,例：某废热锅炉中，管内高温气体进口温度550，i=150W/(m2);管外水在300KPa（绝压）下沸腾， 0=104W/(m2);试求以下两种情况下的传热系数和壁温。 （1）管壁清洁无垢；（2）外侧有污垢存在，Rso= 150 m2 /W。,4.5.5 复杂流动tm的计算(（自学）,管程：流体在换热器管内流动壳程：管束与换热器壳体之间的空隙流体通过换热器时只流过一个管程，称为单管程；若依次流过多个管程，称为多管程（管程数不宜太多，一般以
36、2、4、6最为常见）；单壳程、多壳程的概念与之类似，多壳程换热器相当于多台换热器串联。,两壳程四管程换热器,复杂流动的类型： (1)简单折流（单壳程多管程的流动，壳程无折流挡板） (2)错流（壳程装有圆缺形挡板的流动） 两流体流动方向互相垂直。若1，K，为提高1，使 K，可设法使u1；同时迫使流体按规定的路径多次横向流过管束，增大湍动程度（在较低的Re，Re100即可达到湍流）。 (3)复杂折流（多管程、多壳程）,换热器中流体流向示意图,实际上，工业换热器并不一定都是逆流或并流，许多情况下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动的tm按下式计算：,式中,讨论：（1）单管程改为多管程，壳程增加折流挡
37、板，虽然能提高传热效果，但同时也增大了流动阻力；（2）一般0.8 ，否则经济上不合理、操作温度略有变动，操作不稳定；思考：提高的方法？,改用多壳程：单壳程：R=2.0，P=0.3时， =0.86多壳程：R=2.0，P=0.3时， =0.97 因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。,4.6 传热设备,混合式换热器直接接触式,4.6.1 换热器类型,主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设备简单。 适用范围：无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。,蓄热式换热器,间壁式换热器,固定
38、管板式换热器,4.6.2 间壁式换热器类型,（1）夹套式换热器,主要用于反应过程的加热或冷却。为提高传热系数且使液体受热均匀，可在反应釜内安装搅拌装置，也可安装蛇管。,（2）沉浸式蛇管式换热器,蛇管形状,（3）喷淋式换热器,多用于冷却管内的热流器，冷却水由管上方均匀淋下，又称喷淋式冷却器。,（4）套管式换热器,将两种直径不同的直管装成同心套管，并用U形管把管段串联起来，每一段直管称作一程。优点：严格的逆流，平均温差大；流速高时，给热系数大；结构简单，能承受高压；缺点：不够紧凑，消耗金属较多。,管壳式换热器传热面积大，传热效果好； 结构坚固、操作弹性大、材料范围广、适应性强等自身独特的优点，仍然
39、是换热设备的主要形式； 管壳式换热器历史悠久，在高温、高压和大型换热器中占有绝对优势。,4.6.3 列管式换热器,列管式换热器又称管壳式换热器，主要部件包括壳体、管束、管板、折流板等；流体流动的空间分为管程和壳程；管束的壁面为传热面。,折流板,设置折流板是为了提高壳程流体的流速，增加流 体流动的湍动程度，控制壳程流体的流动方向与管束 垂直，以增大传热系数。在卧式换热器中，折流板还 起着支撑管束的作用。,(a) 弓形折流板,(b)圆盘圆环形折流板,折流板结构,（1）固定管板式换热器,结构简单紧凑，制造成本低；壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体；管、壳程可能产生较大的温差应力，当壳体与管壁温差较
40、大（50）应设膨胀节以减小温差应力的产生。,温差补偿装置膨胀节结构,（2）浮头式换热器,一端管板沿轴向自由浮动，壳体和管束热变形自由，不产生热应力；管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗；尽管结构复杂，造价高，但应用广泛。,（3）U形管式换热器,每根管都弯成U行，省去一块管板和一个管箱，造价低；管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力；管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便，但管内不能用机械方法清洗，宜走清洁流体。,4.6.4 板式换热器,结构紧凑，单位体积传热面积大，传热效率高，体积小、重量轻；一般不耐高温和高压。在压力较低，温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场合显示出明显的优越性。,（1
41、）螺旋板式换热器,螺旋板式换热器中流体流动方式,优点：结构紧凑，单位体积传热面积大；冷热流体可作纯逆流流动，传热平均推动力大；两种流体都能以高速流动，传热效率高；螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。 缺点：承压能力差（P1MPa，t500C）；损坏后检修困难。,（2）板式换热器,板式换热器由一组金属薄板、相邻薄板间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片通常压制成各种波纹形状，既增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高传热系数。,优点：结构紧凑、体积小、重量轻；流体湍动程度大，传热系数高，强化传热效果好；具有可拆结构，根据需要调整板片数
42、目以增减传热面积，操作灵活性大；便于清洗和维修。 缺点：允许的压力和温度较低（P2MPa，t250）；密封周边长，易泄漏。流动阻力大，处理量小。,图4-50 板式换热器流向示意图,（3）板翅式换热器,在两块平行金属薄板间夹入波纹状或其他形状的翅片，将两侧面封死，即成为一个换热基本元件。将各基本元件适当排列（两元件之间的隔板公用），钎焊固定，制成逆流式或错流式板束，将板束放入集流箱（外壳）就形成板翅式换热器。,优点:结构紧凑、体积小、重量轻；传热面积大，传热效率高。 缺点:翅片间距小,易堵塞；不可拆,清洗困难；制造工艺复杂,成本高。,（4）板壳式换热器,板壳式换热器与管壳式换热器的主要区别是以板
43、束代替管束。与圆管相比，板束元件的当量直径较小，给热系数较大。,优点：高效紧凑，耐温抗压（6.4MPa，800）；板束由冷轧金属薄板制成，成本较低。 缺点：焊接质量不易保证，制造工艺复杂。,4.6.5 其他几种换热器的类型,（1）热管,热管是在一根抽除不凝性气体的密闭金属管内充以一定量的工作液体构成，工作液体在热端吸热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端放出潜热，冷凝汽化反复循环，热量不断从热端传至冷端。,（2）空气冷却器,空冷器以空气为冷却剂在翅片管外流过，用以冷却或冷凝管内通过的流体，对缺水地区很适用。由于空气侧的热阻大，故在空气侧加装翅片，增加了传热面积，强化了传热效果。,当两流体的对流传热系数
44、相差很大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。,优点:适于缺水地区,A大,缺点:装置庞大,动力消耗大,空冷器主要由翅片管束构成，冷空气一般由安装在管束下面的轴流式通风机向上吹过管束作为冷却剂，由于管外装有翅片，提高了换热器的传热效能。,4.6.6 列管式换热器的选用与设计原则,（1）流程的选择 （2）流速的选择 （3）换热管规格及其在管板上的排列,我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径壁厚）：192.0；252.5；382.5；573.5等； 换热管长度可根据工艺计算确定，但应考虑管材的合理使用。我国轧制钢管长度系列一般为：1.5m、2.0m、3.0m、 4.5
45、m、 6.0m、9.0m等。 换热管排列方式考虑原则：使换热管在换热器横截面上均匀而紧凑地分布，同时应考虑流体的性质及结构设计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等。,换热管的选用：,（4）阻力损失的计算,管程阻力损失：,每程直管的压降：,每程局部阻力引起的压降（包括回弯和进出口）：,d、l 每根管的内径和长度； NP 管程数； NS 串联的同样换热器数；,壳程阻力损失：,壳程流动状态复杂，计算公式较多，以下为一常用公式：,（5）列管式换热器选用和设计的一般步骤,估算传热面积，初选换热器型号； 计算管程和壳程流体的阻力损失； 计算传热系数，校核面积； 一般选用换热器的实际面积比所需传热面积大10-15%。 上述步骤为一般原则，可视具体情况适当调整。,4.6.7 换热器传热的强化途径,换热器的强化就是力求使换热设备的传热速率增大，力图用较小的传热面积或体积较小的设备来完成同样的传热任务。,（1）扩展传热面积 （2）增大传热平均温度差tm （3）提高传热系数K提高流速、改变流体物性、改变传热表面状况。,
