模块四传热技术教案(中级)

1、青岛海湾集团企业新型学徒制教案（化工总控工中级）模块四传热技术授课时间2016年 月 日 2016 年 月 日典型任务传热技术学习目标1、掌握传热的基本概念2、了解传热过程的基本方程式3、掌握常见的传热方法4、掌握企业常见的换热器及其特点5、掌握强化传热的方法建议课时32课时任课教师侯可宁本模块教学内容子模块一 传热基本概念子模块二 传热基本方程式子模块三 换热方法子模块四 换热器子模块五 强化传热子模块一传热基本概念授课时间年 月 日 学习目标1、了解传热、载热体、热载热体、冷载热体、加热剂、冷载流体的定义2、掌握稳定传热、不稳定传热、热量、比热容、显热、潜热的定义3、熟悉温度、内能的表示方

2、法任课教师侯可宁课时 2课时学习过程设计 一、教学准备 讲义、教材、PPt二、课程引入 以学员在工作过程中常见的传热过程为例进行，以提问的形式引出传热的概念是什么？三、任务实施1、传热：指热传递，即由于温度差而产生的能量由高温区向低温区的转移；在化学工程角度讲，是指传热过程，即由于存在温度差而发生热传递的化工过程。2、载热体：参与传热的流体称为载热体3、热载热体：温度较高并在传热过程中失去热量的流体。4、冷载流体：温度较低并在传热过程中得到热量的流体。5、加热剂：传热的目的是将冷载热体加热或汽化，则所用的热载热体称为加热剂。6、冷却剂：传热的目的是将热载热体冷却或凝结，则所用的冷载热体称为冷却

3、剂或冷凝剂。7、稳定传热：在传热过程中，温度仅随传热面上个点的闻之变化而不随时间变化。（重点讲述）8、不稳定传热：在传热过程中，温度不仅随位置变化，而且随时间变化。其单位时间所传递的热量随时间而变化。（重点讲述）9、热现象：是物质运动的一种表现，它是物体内部大量分子无规则运动的宏观表现。10、物体的内能：物体内部所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和。11、温度：表示物体冷热程度的物理量12、热量：热传递过程中传递能量的多少。13、比热容：单位质量的某种物质温度升高或降低1K时吸收或放出的热量（C,kJ/kgK）（重点讲述）14、显热：物质在没有相变的情况下温度变化时所吸收或放出的热量。（重

4、点讲述）15、潜热：在温度压力不变时物质发生相变所吸收或放出的热量。（重点讲述）学徒活动子模块二传热基本方程式授课时间年 月 日 学习目标1、掌握传热过程基本方程式的表示方法2、掌握传热速率的计算方法3、掌握平均温差的求算方法4、了解传热系数的物理意义任课教师侯可宁课时 8课时学习过程设计 一、教学准备 讲义、教材、PPt二、课程引入 从传热基本方程 或 可知，要强化传热过程主要应着眼于增加推动力和减少热阻，也就是设法增大或者增大传热面积和传热系数。在生产上，无论是选用或设计一个新的换热器还是对已有的换热器进行查定，都是建立在上述基本方程的基础上的，传热计算则主要解决基本方程中的及有关量的计算

5、。传热基本方程是传热章中最主要的方程式。三、任务实施1、传热速率的计算 冷、热流体进行热交换时，当热损失忽略，则根据能量守恒原理，热流体放出热量，必等于冷流体所吸收的热量，即，称之热量衡算式。（1）无相变化时热负荷的计算 比热法 式中 热负荷或传热速率，J.s-1或W； 热、冷流体的质量流量，kg.s-1； 冷、热流体的定压比热，取进出口流体温度的算术平均值下的比热，k.（kg.k）-1； 热流体进、出口温度，（C）； 冷流体的进出口温度，（C）。（）热焓法 式中 物料始态的焓，k.kg-1； 物料终态的焓，k.kg-1。有相变化时热负荷计算 式中 发生相变化流体的质量流量，kg.s-1； 液

6、体汽化（或蒸汽冷凝）潜热，k.kg-1。注意：在热负荷计算时，必须分清有相变化还是无相变化，然后根据不同算式进行计算。对蒸汽的冷凝、冷却过程的热负荷，要予以分别计算而后相加。当要考虑热损失时，则有： 通常在保温良好的换热器中可取2、平均温度差的计算在间壁式换热器中，的计算可分为以下几种类型：（1）两侧均为恒温下的传热两侧流体分别为蒸汽冷凝和液体沸腾时，温度不变，则：t常数（2）一侧恒温一侧变温下的传热可推得计算式为： 式中为进出口处传热温度差的对数平均值，温差大的一端为，温差小的一端为，从而使上式中分子分母均为正值。 当时，则：，即可用算术平均值。（3）两侧均为变温下的稳定传热（4）复杂流动时

7、的计算流体是复杂错流和折流时，其的计算较为复杂，一般用下式计算： 式中 为按逆流操作情况下的平均温度差, 为校正系数，为P，R两因数的函数，即：=f（P，R），对于各种换热情况下的值，可在有关手册中查到。（5） 的计算要注意：计算通常用式（4-15）所示的对数平均温度差，当时，可用算术平均值代替。 为避免不同操作条件下的计算错误，最好用图示出流动方向并注明温度： 当冷、热流体操作温度一定时，总大于。当要求传热速率一定时，逆流所需的设备投资费用及操作费用均少于并流，故工业生产的换热设备一般采用逆流操作。3、总传热系数K的确定总传热系数K值有三个来源：一是选取经验值；二是实验测定值；三是计算。（1

8、）现场测定总传热系数根据传热速率方程式，当传热量Q、传热面积A及平均温度差为已知时，则可测出某换热设备在该工艺条件下的K值。（2） 总传热系数的计算两流体通过间壁的传热过程是由热流体对管壁对流管壁热传导管壁对冷流体的对流所构成的串联传热过程，利用串联热阻的关系，即可导出总传热系数K的计算式。若以传热管外表面积为基准，其对应的总传热系数K为： （3-17）同理，若以传热管内表面积为基准，其对应的总传热系数K为： （3-18）若以传热管壁的平均面积为基准，其对应的总传热系数K为 （3-19） 由此可见，所取基准传热面积不同，K值也不同，即。 当传热面积为平壁时，则：，此时的总传热系数K为： （3-

9、20） 当壁阻较小的多时，可忽略不计，此时K为： （3-21）注意：（1）总传热系数和传热面积的对应关系。所选基准面积不同，总传热系数的数值也不同。手册中所列的K值，无特殊说明，均视为以管外表面为基准的K值。（2）管壁薄或管径较大时，可近似取，即圆筒壁视为平壁计算。（3）总传热系数K值比两侧流体中值小者还小。（4）当时，壁阻可忽略不计时，则且 当时，壁阻可忽略不计时，则且 由此可知，总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制的，即两个对流传热系数相差较大时，要提高K值，关键在于提高较小的；若两侧相差不大时，则必须同时提高两侧的值，才能提高K值。4、污垢热阻污垢的存在，将增大传热阻力，污垢热阻一般

10、由实验测定，对传热面按平壁处理时，其总的热阻为： （4-19）式中为管壁两侧的流体的污垢热阻。5、壁温的计算壁温可按下式计算： （5-20） （5-21） （5-22）壁温总是接近对流传热系数值大的一侧流体的温度。壁温的具体计算过程需进行试差。学徒活动子模块三换热方法授课时间年 月 日 学习目标1、掌握工业上传热过程的三种形式2、掌握传热的基本方式及其特点3、了解传热系数对传热速率的影响4、了解传热负荷的计算方法任课教师侯可宁课时 8课时学习过程设计 一、教学准备 讲义、教材、PPt二、课程引入 复习提问三、任务实施1、工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。 （1）直接接触式 在

11、某些传热过程中，例如热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等，采用冷、热流体直接接触进行换热。这种方式传热面积大，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是由塔型的外壳及若干促进冷、热流体密切接触的内件（如填料）等构成。 （2）间壁式 在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合，而往往是将冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热，所采用的设备叫间壁式换热器，其型式很多，稍后专门介绍。 （3）蓄热式 这种传热过程中，首先使热流体流过换热器，将器内固体填充物（如耐火砖等）加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，吸取热量而被加热，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传热目

12、的。一般来说，蓄热式换热只适用于气体，对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷、热流体之间的少量掺混，如果这种掺混也是不允许的话，便不能采用蓄热式换热器。2传热基本方式 热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。（1）传导传热 系统温度较高部分的粒子（气体、液体的分子，固体的原子，导电固体的自由电子）因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。热传导过程的特点是，粒子只是在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。 （2）对流传热 对流传热也称热对流，是指流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。工程上，对流传热是指流

13、体流经固体壁面与该表面发生的热量交换，又称给热。 流体的对流因其粒子产生相对宏观位移的原因不同分为两种，一种是由于流体内部各处温度不同而造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；另一种是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。强制对流较自然对流传热效果好。（3）辐射传热 辐射传热亦称热辐射，是一种热量以电磁波传递的方式。当物体受热而引起内部原子激发，热能变为辐射能以电磁波形式向周围空间发射，射到另一物体时辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能，这种能量传播过程称为热辐射。 热辐射的特点是不需要任何传热介质，而可在真空中传递。 物体的温度只要在绝对零度以上，都可以发射电磁波形

14、式的热射线。高温物体向低温物体发射热射线，低温物体也同时向高温物体发射热射线，只不过高温物体向低温物体辐射的能量多而已。实验证明，物体的温度高于400才有明显的热辐射，而化工生产中一般间壁式换热器中的传热过程温度都不很高，过程中因辐射而传递的热量大多情况下可忽略不计，主要讨论热传导和热对流。 需要指出的是，实际化工生产中的传热过程很少以一种方式进行，而往往是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。（4）传导传热热传导基本方程傅里叶定律 如图44所示，当均匀物体两侧有温度差（t1一t2）时，热量以传导的方式通过物体由高温向低温传递。实验证明：单位时间物体的导热量dQd

15、与导热面积A和温度梯度dtd呈正比。写为等式： 该式为热传导基本方程，也称为傅里叶（Fourier）定律。定态传热时：= 式中dtd温度梯度，Km-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度，其方向垂直于传热面，并以温度增加的方向为正，由于热量传递方向与温度梯度相反，故在式中加一个负号； A导热面积，m2； 比例系数，热导率，也称为导热系数，Wm-1K-1。 热导率是表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。各种物质的热导率由实验测定，一般而言，金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小，液体

16、的热导率更小，气体的热导率最小（约为液体的110）。各种物质的热导率可从附录或化工手册中查取。 间壁式换热器壁面的热传导 化工生产中间壁式换热器的传热面有平面壁和圆筒壁两种结构形式之分，同时也有单层和多层之别。 平面壁的定态热传导平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，有时亦将直径很大的圆筒壁面近视似地当平面壁处理，如夹套式反应釜的传热面、炉灶的传热面等。平面壁热传导的特点是沿传热方向导热面积A不发生变化。 如图45所示的同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。按傅里叶定律分离变量并积分可得：=Q/=-A/ 依

17、据：过程速率过程推动力/过程阻力，单层平面壁的热流量也可写为：=t/R 式中/A称为热阻，记作R, KW-1圆筒壁的定态热传导圆筒壁的热传导在化工生产中极为普遍，各种管式换热器的传热面均为圆筒壁面等。圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。 如图46所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由博里叶定律有：=-Adtd=-2rl分离变量并积分：整理得： 改写之， 式中为圆筒壁厚，为半径的对数平均值，为面积的对数平均值，当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即2的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和Am，其计算误

18、差4，可以满足工艺要求。 比较可知，圆筒壁面热阻为： 多层壁面的定态热传导实际生产中，间壁式换热器的传热面往往是多层的。 如图47所示为三层不同材料组成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：该式为多层平面壁的热流量式，可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有加和性。 由过程分析还可得到：或 此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。 这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。按以上相同方法可推得多层圆筒壁的热流量式为： 应注意的是，对多层壁面的定态热传导，无论多层平壁还是多层圆筒壁，各层热流量

19、均相等且等于总过程的热流量。但对多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的面积热流量不相同，这是由于后者传热面积沿传热方向发生变化之故。 各层交界面上的温度求取：式中对多层平壁因各层的传热面积相等，Al，A2，A3可消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度，各层面积。 （5）对流传热对流传热机理对流传热是流体流动过程中发生的热量传递，显然与流体流动的状态有密切的关系。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。但无论流体的湍流程度有多大，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，层内流体平

20、行流动，垂直于流动方向的热量传递以热传导方式进行。由于流体的热导率很小，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。同时在湍流主体和滞流底层之间还存在一个过渡区域，其中温度是逐步连续的变化。 由上图所示为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，在某垂直于流体流动方向上AA截面的温度分布情况。可见，对流传热是一个复杂的过程严格的数学描述十分困难。工程上将湍流主体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，这样，图48中曲线由虚线代替，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。如此处理将整个对流传热的热阻集于传热边界层中，

21、且层内传热方式为热传导，而在传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻，这样将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，并可用热传导基本方程来描述对流传热过程： 式中流体的热导率，； 传热边界层厚度，m； 对流传热温度差，或者是； 实际上对流传热过程中传热边界层厚度难以测定，以1/h代替，则： 该式称为牛顿（Newton）冷却定律或给热方程，h为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为。 对流传热系数的影响因素及其求取 牛顿冷却定律似乎简单，但它并未揭示对流传热的本质也未减少计算的困难，实际上它将复杂矛盾集中于表面传热系数h之中，所以，如何确定在各种条件下的表面传热系数，成

22、为表面传热的中心问题。影响h的因素很多，主要有以下几个方面： 流体的种类和性质 不同的流体或不同状态的流体，如液体、气体、蒸气，其密度、比热容、粘度等不同，其表面传热系数h也不同。 流体的流动形态 滞流、过渡流或湍流时h各不相同。主要表现在流速u对h的影响上，u增大减小即热阻降低，则h增大。 流体的对流状态 强制对流较自然对流时h为大。 传热壁面的形状、排列方式和尺寸 传热壁面是圆管还是平面，是翅片壁面还是套管环隙；管径、管长、管束排列方式，水平还是垂直放置等都影响h的大小。 影响h的主要因素可用下式表示： 流体无相变过程表面传热系数的求取 由于影响表面传热系数的因素很多，无法建立一个普遍适用

23、的数学解析式。类似于流体湍流阻力系数关联公式的建立，工程上采用量纲分析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲为一的特征数群，然后按照实际情况进行实验，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式，用以求取特定条件下的h值。 用量纲分析方法将式转化为量纲为一的特征数，如表41所示。 描述对流传热过程的特征数关系为： 式中m是为了校正传热方向对表面传热系数h的影响。当流体被加热时，m0.4；当流体被冷却时，m0.3。 式（416）适用范围：，管长与管径比 Ld50，适用于低粘度流体（大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体），且过程中无相变化。 式（416）也适用于流体在无折流

24、板的列管式换热器壳程流动时h的计算，只是式中的特性尺寸须用当量直径e代替。 化工手册中有求取各种情况下h的特征数关联式，供选择使用。但要注意各特征数关联式的适用范围，还要注意定性温度和特性尺寸的选取。定性温度是确定特征数中流体物性参数的温度。不同的关联式确定定性温度的方法不同，有的用流体在换热器的进、出口温度的算术平均值,如：流体在间壁式换热器中对流传热的定性温度;有的用膜温（流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度的平均值，再取两者的平均值）等，这要取决于建立关联式时采用什么方法而定。特性尺寸指换热器中对传热过程起主要影响的几何结构尺寸，它决定了特征数中用或用和分别代表那一个尺寸。如：管内对流

25、传热过程的特性尺寸是管径；非圆形管道对流传热时特性尺寸是当量直径e等。（2）流体有相变过程的表面传热系数 化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。液体的沸腾 液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面（加热面）温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化，图 49所示为水的沸腾曲线：当温度差较小（）时，加热面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发，如图中AB段曲线；当上t逐渐增高（）时，加热面上液体局部位置产生气泡且不断离开壁面上升至水蒸气空间，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧

26、烈扰动，加剧了热量转移，使面积热流量q和表面传热系数h均增大，如图中BC段曲线所示，此段情况称为泡核沸腾；若继续增大t（）时，加热面上产生的气泡大大增多且产生的速度大于脱离加热表面的速度，加热面上形成一层不稳定的水蒸气膜将其与液体隔开，由于水蒸气的导热性差，气膜的附加热阻使q和h均急剧下降，以致达到D点时传热面几乎全部被气膜覆盖，且开始形成稳定的气膜，一般将CD段称为不稳定膜状沸腾，将DE段称为膜状沸腾。 由于泡状沸腾较膜状沸腾的表面传热系数大，工业生产中总是设法维持在泡状沸腾下操作。 其它液体在不同压强下的沸腾曲线与水的沸腾曲线形状相似，仅C点的数值有所差异。 水蒸气冷凝 饱和水蒸气与温度较

27、低的固体壁面接触时，水蒸气放出热量并在壁面上冷凝成液体。若水蒸气或壁面上存在油脂和杂质，冷凝液不能润湿壁面，由表面张力的作用而形成许多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。若水蒸气和壁面洁净，冷凝液能够润湿壁面，则在壁面形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。在膜状冷凝时，水蒸气的冷凝只能在冷凝液膜的表面进行，即冷凝水蒸气放出的热量必须通过液膜的传递才能传给冷凝面，所以冷凝液膜往往是膜状冷凝给热过程主要热阻之所在；而在滴状冷凝时，壁面大部分直接暴露于水蒸气中，由于无液膜之热阻存在，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍。 然而，工业冷凝器中，即使采用促进滴状冷凝的措施也不能持久

28、，加之，膜状冷凝之冷凝液洁净质量高，故工业中遇到的大多是膜状冷凝。 间壁式换热器传热面两侧的流体中，无论是沸腾或冷凝，发生相变一侧流体的表面传热系数比无相变一侧的表面传热系数都高，其热阻在总传热过程中往往也很小。一些常见流体的表面传热系数大致范围如表42所示。（6）问壁式热交换的计算 如前所述，间壁式换热器是化工生产中的常见换热器，间壁式传热过程的计算是工程设计和计算的重要内容。传热总方程如图410所示，间壁式换热器中，传热过程是热流体给热间壁导热冷流体给热的串联过程。在连续化的工业生产中，换热器内进行的大都是定态传热过程，这时，则有：（4一17） 该式为间壁式换热器的传热总方程，亦称传热基本

29、方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。传热总方程中，T-t是间壁式热交换各步骤温度差加和的结果，是过程总推动力。是各步骤热阻的加和，为过程总热阻。说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性： 令，则传热总方程为： (418)式中K传热系数称总传热系数，。 传热系数K K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。化工中常见传热过程的K值范围如表43所示：当换热器的间壁为单层平面壁（或可近似为平面壁的薄圆筒壁）时，因=A，则传热系数为： （419）若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，因A，则总传热方程中须分别代入各分过程的传热面积,，即传

30、热系数与传热面积对应时： （420）显然，以圆管内壁面、外壁面和平均壁面为基准的K值各不相同。通常换热器的规格用外表面作为计算的基准，各种手册中的K值若无特殊说明，均为基于管外表面积的K2，其计算式为： （421）若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存时，传热系数为： （422） 式中分别表示壁面两侧污垢热阻系数，m2KW-1 传热系数K的获得除可用（419）、（420）、（4ZI）等公式计算外，还可通过查取相关手册选用经验K值，对已有换热器，还可通过实验测定。 计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物（）这一侧，其中垢层热阻占总热阻的31.9%,有机物热阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热

31、阻只占总热阻的1.75%和2.55%。若忽略金属间壁的热阻q=5.73 kWm-2，只相差2.6%。因此，比较多的情况下，尤其液一液热交换过程中，金属间壁的热阻通常可以忽略，而污垢层的热阻不可忽略。计算结果表明，K值总是接近热阻大(h值小）一侧的h值，即K的大小为h小的一侧流体所控制。因此，欲提高K值，应当从h小的一侧流体入手，提高其对流传热效果，以达到强化传热目的。 （6）传热过程的平均温度差 在传热过程中，冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的温度差。 （1）定态恒温传热 定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度

32、差沿换热面处处相等，恒定不变。例如蒸发过程，间壁一侧是液体在恒定沸腾温度下的蒸发，另一侧为饱和水蒸气在一定冷凝温度下的冷凝，此时两流体的传热温度差就是Tt。 （2）定态变温传热 定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差t沿换热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流。逆流传热为间壁两侧流体以相反方向流动，并流传热为间壁两侧流体以相同的方向流动。图411（a）、(b)分别为逆流和并流传热时t随换热器壁面位置的变化，无论哪种情况，壁面两侧流体的温度均沿传热面而变化，过程推动力（温度差）相应地

33、也发生变化。由于温度差与冷、热流体温度呈线性关系，采用圆筒壁定态热传导速率式（45）的推导类似的方法，由过程的热量衡算结合传热速率方程，可得到间壁式换热器并流（或逆流）传热时的积分结果，其结果是用换热器两端冷,热流体温度差的对数平均值tm表示传热平均推动力。 （424） 对数平均温差比算术平均温差精确，前者计算值总小于后者计算值，尤其是换热器两端温度差相差悬殊时更是如此。这两种方法对逆、并流传热都适用，但要注意换热器两端温度差t大的为t1，小的为t2，以避免计算出错。 例 硫酸生产中 SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热 SO2气体。若转化气温度由440降至320，SO2气体由22

34、0被加热至280，试求流传热和逆流传热的平均温度差，并作比较，选定推动力较大的传热流向（设两气体进出口温度在并、逆流时相同）。 计算结果表明，在相同情况下(K及工艺热负荷相同），逆流传热的平均温度差大于并流传热的平均温度差，这意味着满足相同工艺换热能力要求，采用逆流传热要比并流传热相应减少传热面积或载热体使用量，故该题选择逆流传热。 并流传热时，冷流体的出口温度t2的极限温度是热流体的出口温度T2，而逆流传热时，冷流体的出口温度t2的极限温度是热流体的进口温度T1，说明并流传热时被加热或冷却流体的出口温度易控制，这对于一些热敏物料的加热或冷却等具有实用意义。 4热负荷及热量衡算 （1）热负荷

35、生产工艺对换热器换热能力的要求称为换热器的工艺热负荷。对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率应等于或略大于工艺热负荷，即。在实际计算中往往将二者看作相等，但意义不同，也是生产工艺所要求的，是换热器一定条件下的换热能力，是设备特性。 通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积等。 热负荷的计算根据工艺特点有两种情况： 流体在传热中只有相变的场合 (425)式中 流体的质量流量，kgs-1；L流体的相变热kJkg-1，；流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合=qmcp(t2-t1) （426） 式中流体的比定压热容，kJkg-1K-1；

36、 流体传热前后的温度，K； （2）热量衡算 换热器中冷、热两种流体进行热交换，若忽略热损失，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，即热冷，称之为热量衡算式。热量衡算式与传热总方程是换热器计算的两个基本公式。 若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热容不随温度变化或可取平均温度下的比定压热容时： （427）式中换热器的热负荷，kJs-1；分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1；分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，K。 若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气的冷凝时： （428） 例49 在列管换热器中，水以0.8ms-1的流速流过内径为25mm，长为5m的管束。若管内

37、壁面平均温度为50，水的进口温度为20，试求水的出口温度。设管壁对水的平均表面传热系数为 1850 Wm-2K-1，热损失可以忽略。 解：设水的出口温度为t2，密度取=1000kgm-3，比定压热容取cp=4.187 kJkg-1K-1 换热器的一根管子传热面积Ai和流通面积Si；分别为：根据热量衡算和对流热流量方程有： 由，即上二式相等，代入已知数据求解可得：水的出口温度t230.9。 例410 某精馏塔顶气体的全凝器采用的是列管式换热器，其管束是由直径较大、厚度为3mm的钢管(=49Wm-1K-1)组成的，换热器中是用水（管程）以逆流方式将塔顶出来的有机物蒸气（壳程）全部冷凝下来。有机物蒸

38、气是以丙酮为主要组分的混合物，温度为75，其被冷凝的表面传热系数可取h1=1 300 Wm-2K-1，有机物蒸气全部冷凝下来的热流量为 422.2 kW；冷却水的质量流量为41.5x103kgh-1，其进口温度 t进=30，水的比定压热容取cp=4.18kJkg-1K-1，水侧的表面传热系数h2=1 000 Wm-2K-1。试计算该全凝器需要多大的传热面积才能满足换热要求？解：求冷却水的出口温度t出根据热量平衡进） 即求得 求平均温度差若换热器取单程，逆流换热方式，则753045，753936因为 /=1.252，可用算术平均值：=40.5 求传热系数K 因传热面为直径较大、管壁较薄的钢管，可

39、按平面壁计，则=546 Wm-2K-1 求传热面积A 根据式（418） 代入已知数据计算有 A19 m2计算表明：在题设条件下，冷凝器需要有 19 m2的换热面积才能使精馏塔顶的气全部冷凝下来。学徒活动子模块四换热器授课时间年 月 日 学习目标1、掌握常见的换热器种类及其特点2、掌握流体流程选择的原则3、理解流体流速对传热速率的影响4、了解换热器管束的排列方式5、了解换热器选择的原则6、掌握换热器开车的规程及换热器仿真开停车过程任课教师侯可宁课时 24课时学习过程设计 一、教学准备 讲义、教材、PPt二、课程引入 复习提问三、任务实施1、换热器的种类及其特点固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小

40、的情况(一般50C)，管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合管壳式U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质管内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合式釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套管式双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋浸没式用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热盘管式喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性

41、较大的液体间换热螺旋板可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能板式伞板式伞形传热板结构紧凑，拆洗方便，通道较小，易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高扩展板翅式结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大表面式管翅式适用于气体和液体之间传热，传热效率高，用于化工、动力、空调、制冷工业回旋式盘式传热效率高，用于高温烟气冷却等蓄热鼓式用于空气预热器等式固定格紧凑式适用于低温到高温的各种条件室式非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合2、流体流程选择原则：传热效果好，结构简单，清洗方便。管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体；壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体

42、。3、流体流速的选择u选择是经济权衡，要避免层流流动！4、换热器中管子的规格和排列方式5、换热器的选择 换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器类型和规格的过程。工艺要求、操作条件以及不同类型换热器的优缺点，是选择适当类型和大小的换热器的依据。 换热器的选择首先要考虑以下事项。 （1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。 冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等； 冷、热流体的物性参数； 冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物的含量等。 （2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。 不清洁的流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程，

43、因管程易清洗； 需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程，管程u一般较高； 腐蚀性流体走管程，以免对壳体和管束的同时腐蚀； 压力高的流体走管程，管子耐压性好； 饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液； 粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低 Re（Re100）达到湍流； 需冷却的流体一般选壳程，便于散热。 在换热器型式和规格确定中，选型计算贯穿于以上二步骤之中，通常需要反复试算，计算的主要内容有： 流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据； 由传热任务计算热负荷； 作出适当选择，并计算对数平均温度差； 选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当型号的换热器； 核算总传热系数：分别计算管程、壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，求出K值并与估算的K值比较，如果相差太大，则需重新估算再核算，直到相差不大则可； 估算传热面积：根据核算的K值，由总传热方程求出A，并考虑1025的富裕量。 由以上可以看出，化工生产对换热器的要求是多种多样的，换热器的选择也较为复杂。选择何种类型和规格的换热器，要视实际情况，综合考虑多种因素，择优而定。关于选型计算的内容可参考有关设计手册或专著。6、换热器单元操作规程（实操和仿真）学徒活动子模块四传热过程的强化授课时间年 月 日 学习目标1、掌握强化传热的主要途径2、掌握提高传热系数K的方法任课教师侯可宁课时 4课时学习过程设计 一、教学准备 讲义、