第10章 传热和换热器

1、第第1010章章 传热和换热器传热和换热器 平壁平壁 第一类边界第一类边界 第三类边界第三类边界 t x 0 tw1 tw 2 tf1 tf2 h1 h2 10.1 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 稳态传热时，比较不同形状壁面稳态传热时，比较不同形状壁面 21 21 11hh tt q ff A tt ww 21 圆筒壁圆筒壁 第一类边界第一类边界 第三类边界第三类边界 tw1tw2 R Rh1Rh2 tf1tf2 r1 r2 t1 t2 1 2 21 ln 2 1 d d l tt ww )/( ln 2 1 1 2 21 mW d d tt l q ww l R t ttkA ff )( 2

2、1 21 11 1 hh k 221 2 11 21 1 ln 2 11 hdd d hd tt q ff l 221 2 11 1 ln 2 11 1 hdd d hd kl 稳态传热时，比较不同形状壁面稳态传热时，比较不同形状壁面 肋壁肋壁 1、何时需要加肋壁？、何时需要加肋壁？ 2、加肋壁的作用、加肋壁的作用 3、通过肋壁的传热过程、通过肋壁的传热过程 4、污垢热阻、污垢热阻 21 21 11hh tt q ff 当一侧对流传热当一侧对流传热h相对很小，如空气换热器相对很小，如空气换热器 如果两侧如果两侧h均很小，可以同时加肋均很小，可以同时加肋 增大传热面积，强化肋间流体扰动增大传热面

3、积，强化肋间流体扰动 肋壁肋壁 3、通过肋壁的传热过程、通过肋壁的传热过程 稳态传热，阻力串联叠加过程稳态传热，阻力串联叠加过程 光壁侧：光壁侧： 壁内：壁内： 肋壁侧：肋壁侧： f 肋壁肋壁 3、通过肋壁的传热过程、通过肋壁的传热过程1 21 21 11 A hh tt ff 稳态传热，阻力串联叠加过程稳态传热，阻力串联叠加过程 光壁侧：光壁侧： 壁内：壁内： 肋壁侧：肋壁侧： 1 1 2 A A 肋化系数 肋壁肋壁 3、通过肋壁的传热过程、通过肋壁的传热过程 讨论：肋片的结构和物性参数如何影响肋壁的传热？讨论：肋片的结构和物性参数如何影响肋壁的传热？ 越大越好肋化系数 2 1 2 A1 A

4、 A 1 越大越好 f 书书P45图图2-16 肋高肋高 l 不要太高；不要太高； 选择较高的导热系数选择较高的导热系数 L A hU m 肋壁肋壁 3、通过肋壁的传热过程、通过肋壁的传热过程 注：与平壁、圆筒壁比较，记忆。注：与平壁、圆筒壁比较，记忆。 若以若以A2为面积基准，为面积基准， 肋壁肋壁 4、污垢热阻、污垢热阻 产生产生 作用作用-降低热流量降低热流量 数值、计算数值、计算 (1)查手册，书查手册，书P334附录附录12 (2) 按照壁面导热热阻计算按照壁面导热热阻计算 减小污垢热阻的措施减小污垢热阻的措施 (1)停产检修，清洗，开一备一停产检修，清洗，开一备一 (2)在线除垢，

5、湍流强化器，加颗粒等在线除垢，湍流强化器，加颗粒等 2 f 1 21 1 R 1 hh tt q ff A tt ww 21 1 2 21 ln 2 1 d d l tt ww 绝热层的临界半径绝热层的临界半径 设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为：设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为： R t T i i LhrL r r tt 0 0 2 1 2 ln h ti t1 R1 t R2 t ri ro 绝热层的分析示意图 max r c r 热损失与绝热层外半径的关系热损失与绝热层外半径的关系 有极大值时， 0 )( 0 dr Rd max :时，保温层临界半径 T c h r 时，管道

6、外半径 ci rr 时，管道外半径 ci rr 增加绝热层厚度，热损失一定减小。增加绝热层厚度，热损失一定减小。 增加绝热层厚度，热损失可能增加，增加绝热层厚度，热损失可能增加， 果。时，才一定起到保温效结论：管道外半径 ci rr 保温层的选择：保温层的选择： 对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件， 应从、hT两方面考虑，选择合适的保温层材质。 绝热层的临界厚度为绝热层的临界厚度为： icc rrb r1 r2 r3 圆管外的保温 同时存在两种以上传热方式的综合传热。同时存在两种以上传热方式的综合传热。 例：设备表面的热损失，对流例：设备表面的热损失，对流 + + 热辐射热辐射 间壁

7、换热过程中，对流间壁换热过程中，对流 + + 导热导热 (2) 复合换热的计算复合换热的计算 10.2 复合换热时的传热计算复合换热时的传热计算 (1) 复合传热复合传热 )()(辐射对流 Rc )(ttAh wwcc 对流传热： 44 ) 100 () 100 (: amw wbR TT AC辐射传热 )(ttAh wwR tt Ch w TT bR w 44 ) 100 () 100 ( 辐射表面传热系数： 热流量热流量： 壁壁 温温 tw 环境环境 物体物体 tam c R 气体气体tf 注：辐射换热具体表达式根据两壁面间相互位置确定注：辐射换热具体表达式根据两壁面间相互位置确定 辐射折

8、算成对流辐射折算成对流 RcT hhh系数：对流辐射联合表面传热 经验关联式：经验关联式： 空气自然对流时，空气自然对流时， 平壁保温层外 ： 圆管保温层外 ： )(07. 08 . 9tth wT )(052. 04 . 9tth wT wwTwwRc AtthttAhh)()()(:热流量 空气沿粗糙表面强制对流时，空气沿粗糙表面强制对流时， 空气流速 u5m/s hT=6.2+4.2u 空气流速 u5m/s hT=7.8u0.78 复合换热的分析复合换热的分析 对流和辐射的方向不一定总相同对流和辐射的方向不一定总相同 例例1：书：书302 习题习题11，分析传热过程，分析传热过程 例例2

9、：人在：人在20C的空调房间里，穿同样的空调房间里，穿同样 多的衣服时，冬天感觉冷而夏天会感多的衣服时，冬天感觉冷而夏天会感 觉热？觉热？ 分析温度变化分析温度变化 例例3：书：书P272 例例10-2，分析热流量和，分析热流量和 保温层外的壁温变化？保温层外的壁温变化？ wwTRc Atth)()()(辐射对流 壁壁 温温 tw 环境环境 物体物体 tam c R 气体气体tf 221 2 11 21 1 ln 2 11 hdd d hd tt q ff l Rc hhh 2 例例3：书：书P272 例例10-2，分析热流量和保温，分析热流量和保温 层外的壁温变化？层外的壁温变化？ 221

10、2 11 21 1 ln 2 11 hdd d hd tt q ff l Rc hhh 2 tw1tw2 R Rh1Rh2 tf1tf2 r1 r2 t1 t2 l wf wtfl q d d hd tt q 1 2 11 1 1, ln 2 11 保温层外的壁温升高保温层外的壁温升高 稳态传热过程，通常是稳态传热过程，通常是阻力串联叠加阻力串联叠加过程；过程； 利用利用热阻（总、分）与温差、热流量热阻（总、分）与温差、热流量的对应关系的对应关系 热流量一定时，温差正比于热阻；热流量一定时，温差正比于热阻； 温差一定时，热阻越大则热流量越小。温差一定时，热阻越大则热流量越小。 R t 10.3

11、 换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 )( 21ff ttkA 强化方法：提高强化方法：提高K、A或或t 目的：降低单位传热面积的设备费用。目的：降低单位传热面积的设备费用。 （1）提高）提高K值值 降低污垢热阻；降低污垢热阻； 提高表面传热系数提高表面传热系数 * * 若若hi100 湍流湍流),),h0 0，强化传热。，强化传热。 冲刷沉积物，减小污垢热阻；冲刷沉积物，减小污垢热阻； 对壳体起支撑作用。对壳体起支撑作用。 代价：代价：壳体阻力壳体阻力，系统动力消耗，系统动力消耗。 弓形弓形圆盘形圆盘形 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热

12、器流体在壳内的流动 管板 折流板 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图 单壳程圆盘形折流板管壳式换热器结构示意图 管板 折流板 单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动 分类及特点分类及特点 原因：管、壳温度不同，原因：管、壳温度不同，产生热应力，产生热应力， 结果：结果：t50时时，管弯曲、断裂或管板变形，管弯曲、断裂或管板变形 固定管板式固定管板式 安装膨胀节；安装膨胀节； 浮头式浮头式 本身具有补偿能力；本身具有补偿能力； U形管式形管式 本身具有补偿能力。本身具有补偿能力。 分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：

13、分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为： 为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。 a）固定管板式换热器）固定管板式换热器 特点：特点： * 结构简单，成本低；结构简单，成本低； * 可能产生较大的热应力；可能产生较大的热应力； * 壳程不易机械清洗；壳程不易机械清洗； 适用：适用： * 壳程流体不易结垢或容易化学清洗；壳程流体不易结垢或容易化学清洗； * 壳体与传热管壁温度之差小于壳体与传热管壁温度之差小于50 C，否则加膨胀节。，否则加膨胀节。 单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器 带膨胀节的固定管板换热器 浮头式换热器浮头式换热

14、器 特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；特点：消除了温差应力、便于清洗和检修； 结构复杂、成本高；结构复杂、成本高； 适用：应用广泛。适用：应用广泛。 b）浮头式换热器）浮头式换热器 结构结构: c）U形管式换热器形管式换热器 特点：具有温度补偿作用；特点：具有温度补偿作用； 管程不易清清洗。管程不易清清洗。 适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。 结构结构: 热管换热器热管换热器 一种新型传热元件。 热热 管管 优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠；优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠； 适用

15、：尤其适用于某些等温性要求较高的场合。适用：尤其适用于某些等温性要求较高的场合。 二、板式换热器二、板式换热器 平板式换热器平板式换热器 优点：传热系数大、结构紧凑、操作灵活性大、金属材料消耗量优点：传热系数大、结构紧凑、操作灵活性大、金属材料消耗量 低、加工容易、检修清洗方便。低、加工容易、检修清洗方便。 缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。 板式换热器的板片和板面波纹形状 板式换热器流向示意图 螺旋板式换热器螺旋板式换热器 (3) 夹套式换热器夹套式换热器 结构：结构：夹套式换热器夹套式换热器 主要用于反应过程的加

16、热主要用于反应过程的加热 或冷却，是在容器外壁安或冷却，是在容器外壁安 装夹套制成。装夹套制成。 优点：优点：结构简单。结构简单。 缺点：缺点：传热面受容器传热面受容器 壁面限制，传热系数小。壁面限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内为提高传热系数且使釜内 液体受热均匀，可在釜内液体受热均匀，可在釜内 安安 装搅拌器。也可在釜装搅拌器。也可在釜 内安装蛇管。内安装蛇管。 加热蒸汽加热蒸汽 釜釜 冷凝水冷凝水 物料物料 物料物料 搅拌器搅拌器 夹夹 套套 式式 换换 热热 器器 板壳式换热器板壳式换热器 与列管式换热器的区别：板束管束 板壳式换热器结构示意图 优点：优点：传热系数大、结构紧凑

17、、坚固，能承受很高的温度和压力。 缺点：缺点：制造工艺复杂、焊接要求高。 10.5 平均温度差平均温度差 (1) 恒温传热恒温传热 两侧流体温度恒定两侧流体温度恒定： 恒定 chm ttt (2) 变温传热变温传热 一侧有温度变化一侧有温度变化 th tc 沿管长某截面取微元传热面积沿管长某截面取微元传热面积dA， dAttkd xchx )( 两侧流体均有温度变化两侧流体均有温度变化 ccpcmhhphm dtcqdtcqd , 传热速率方程传热速率方程： 热量衡算方程热量衡算方程： tc1 tc2 th1 th2 tc1 tc2 th1 th2 当当qmhcph、 qmccpc=常数时，常

18、数时， -th、 -tc为线性关系，为线性关系， 所以，所以， -(th- tc)也为线性关系。也为线性关系。 21 )(tt d td 21 )(tt tdAk td A t t dA tt t td k 0 21 1 2 )(1 hphm h cq dt d , cpcm c cq dt d , ccpcmhhphm dtcqdtcqd , m tkA t t tt kA 2 1 21 ln th1 tc2 th2 传热量 dth dtc dAd tc1 t=th-tc 平均传热温度差的推导 t2 t1 2 1 21 ln t t tt tm 对数平均温度差： 说明：说明： 并流：并流：

19、逆流：逆流： 1 ,2 ,1ch ttt 2,1 ,2ch ttt 1 ,1 ,1ch ttt 2,2,2ch ttt )( 2 1 2/ 2121 ttttt m 时，可近似取 进、出口条件相同时，进、出口条件相同时， 并逆,mm tt 工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积） 逆流 并流 一侧流体温度有变化，另一侧恒温时一侧流体温度有变化，另一侧恒温时, 并逆,mm tt 错流、折流时平均温差错流、折流时平均温差 图算法图算法 逆,mtm tt ),(PRf t 温差校正系数： 冷流体温升 热流体温降 12 21 cc hh tt tt R 两流体最

20、初温差 冷流体温升 11 12 ch cc tt tt P 1 1 2 1 2 一侧流体变温时的温差变化 温度校正系数 c）当）当 t值小于 值小于0.8时，则传热效率低，时，则传热效率低， 经济上不合理，经济上不合理， 操作不稳定。操作不稳定。 a）校正系数）校正系数 t可根据 可根据R和和P两参数从相应的图中查得。两参数从相应的图中查得。 b）温差校正系数）温差校正系数 t恒小于 恒小于1。 原因原因: 换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。 避免措施避免措施: 采用多个换热器串联或采用多壳程结构，采用多个换热器串联或采用多壳程结构， 换热器个数或所需的壳

21、程数换热器个数或所需的壳程数,可用图解法确定。可用图解法确定。 说明：说明： th1 tc2 th2 tc1 A Ns=2 无相变换热器设计计算无相变换热器设计计算 列管式换热器的设计和选用列管式换热器的设计和选用 要求：要求：根据生产任务设计或选择合适的换热器根据生产任务设计或选择合适的换热器 ( (计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等） （1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题）列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (a)选择流程选择流程 一般原则：不洁净或易结垢的液体一般原则：不洁净或易结垢的液体 腐蚀性流体腐蚀性流体 压力高的流体压

22、力高的流体 管程管程 饱和蒸汽饱和蒸汽 流量小而粘度大的流体流量小而粘度大的流体 表面传热系数大的流体表面传热系数大的流体 需要冷却的流体需要冷却的流体 壳程壳程 等，5 . 2382252195 . 225 管子长度：管子长度：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m 64 D L 一般情况下： (b) 流速的选择流速的选择 流速影响表面传热系数和污垢的大小。流速影响表面传热系数和污垢的大小。 流速流速 流体中颗粒流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路；沉积，甚至堵塞管路； 流速流速 流体阻力增大。流体阻力增大。 (c) 流动方式的选择流动方式的选择 对于同样的进、出口条件，传热量相同，对于同样的进

23、、出口条件，传热量相同， A逆 逆 壳程 气体 液体 th1 ht2 tc1 tc2 3、计算平均传热温差、计算平均传热温差 逆,mtm tt ),(PRf t 温差校正系数： 冷流体的温升 热流体的温降 12 21 tt TT R 流体的最初温差 冷流体的温升 11 12 tT tt P 查书查书P301图图4.6.6：t t0.8 )时，用单壳程； 2）有温度交叉时， （1）试差法 P301图4.6.6 （2）图解法 P312图4.7.10 壳程数壳程数Ns(或换热器个数或换热器个数)确定：确定： 计算传热温差：计算传热温差：tt tm 4、估算传热面积、估算传热面积A 方法：方法：假设K

24、值（书P295表4.6.2） 为增大裕度，假设值可选小。 5、确定单壳程内的管程数、确定单壳程内的管程数 Np 书P312 1）选择管规格(常用值见P312) m tKA (1)正三角形排列(2)正方形排列 (3)正方形错列 管子在管板上的排列 单管程时管根数单管程时管根数 n： 单管程时管长：单管程时管长： 3）选择管排列方式 正方形 正三角形 同心圆 4）确定管程数 Np（一个壳程内） 2）选择管长，系列标准 nud q q ii m iv设 2 , 4 设ii iv ud q n 2 , 4 nLdA 0 设 nd A L 0 设 th1 th2 tc1 tc2 管程数：管程数： 单壳程

25、内传热管数目：单壳程内传热管数目： 选择的管长 单程时的管长 L L N p nNN pT 6、确定壳体内径、确定壳体内径Di 单管程：单管程： 多管程：多管程： 0 )32() 1(dbtDi Ti NtD05. 1 7、选择换热器、选择换热器 1）选择标准系列选择标准系列 书P427 附录U 2）根据设计参数，自行加工定做）根据设计参数，自行加工定做 计 ，换热器设计：设AKu 管程数，管根数选定管规格 th1 th2 tc1 tc2 管程阻力：管程阻力： 壳程阻力：壳程阻力： 2 3 2 )( 2 2 u p u d l p NNFppp r i psirit 2 ) 2 5 .3( 2

26、 )1( )( 2 0 2 0 00 0 u D B Np u NNFfp NFppp Bip BTc ssips 8、换热器核算、换热器核算 1）阻力计算）阻力计算 2）传热系数传热系数K校核校核 按照选定换热器，计算按照选定换热器，计算K计 计 需满足：需满足： 0 00 111 h R d db d d R d d hK do mi o di ii 计 %)30%20( 设计 KK 3）传热面积传热面积A校核校核 计算传热面积计算传热面积A计 计 m tKA m tK A 计 计 设：换热器实际传热面积设：换热器实际传热面积Ap 需满足：需满足： 传热面积裕度：传热面积裕度： p AA

27、计%)30%20%(100 计 计 A AAp th1 th2 tc1 tc2 1、估计传热面积 2、初步结构设计 3、核算阻力 4、核算传热能力 详见详见化工原理课程设计化工原理课程设计 设计示例设计示例 书P317例4.7.1 总结设计步骤总结设计步骤 传热效率和传热单元数法传热效率和传热单元数法 设计型计算无须试差法设计型计算无须试差法, ,操作型计算需用试差法。操作型计算需用试差法。 设计型计算设计型计算 m cccpcmhhhphm tKA ttcqttcq )()( 12,21, ;, 12,1,cccpcmhhphm ttcqtcq已知条件： AK tt mh 假定 借助于假定的

28、传热系数 由此可求得得可用热流量衡算方程求, 2 总之，对于总之，对于设计型计算设计型计算冷、热流股的温度都已知，冷、热流股的温度都已知， 或者可以通过热流量衡算达到已知，无须试差。或者可以通过热流量衡算达到已知，无须试差。 操作型计算操作型计算 已有一台面积为已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体，的换热器，若用其加热某流体， 未知和、但，、已知 2211chch tttt mmhc m tKAttt t 22 , 假定 显然必须试差，即无法计算因此 若采用若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热单元年由凯斯导出的传热效率及传热单元 数法，则能避免试差而方便地求得其解。数法，则能避免试

29、差而方便地求得其解。 (1) (1) 传热效率和传热单元数传热效率和传热单元数 传热效率传热效率 h 逆流：逆流： 哪一侧流体能获得最大的温度变化（哪一侧流体能获得最大的温度变化（t h1 -t c1 ）max， 这将取决于两流体热容量流率这将取决于两流体热容量流率(qmcp)的相对大小。的相对大小。 )()( 12 21 ccpcmchhph h m ttcqttcq 1212 1 1 chhc hc h m c m ttttA ttqq 或则： ，若： tc1 th2 tc1 th2 th2 th1 tc1 tc2 传热 温度 传热 th1 tc2 温度 温度 传热 逆 流 传 热 效 果

30、 示 意 图 ., )()( )()( 2 11 21 11min, 21min, max hh ch hh chhPhm hhhPhm h t tt tt ttcq ttcq 则可求得已知若 并流：并流： tc1 th2 tc2 th1 th2 th1 tc2 tc1 传热 温度 温度 传热 并流传热效果示意图 2 11 12 cc ch cc c t tt tt 已知，则可求得若同理： 传热单元数传热单元数NTU (The Number of Transfer Units ) dAttKdtcqdtcqd chccpcmhhphm ) , （ hphmch h cq KdA tt dt , 对于热流体，则有 A hphm t t ch h h cq KdA tt dt NTU h h 0 , 1 2 hphmm hh h cq KA t tt NTU , 21 温度 传热面积 tc1 th2 th1 tc2 dth dtc dA 单程逆流换热器流体温度分布 可表示为换热器的传热单元数同样，对于冷流体 C NTU, cpcmm cc c cq KA t tt NTU , 12 传热效率和传热单元数的关系传热效率和传热单元数的关系 d cqcq ttd cq d dt cq d