第四章传热过程及换热器

1、第四章传热过程及换热器4.1化工生产中的传热过程及常见换热器工业生产中的化学反应过程，通常要求在一定的温度下进行，为此，必须实时地输入或输出热量。此外，在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也都需要按一定的速率输入或输出热量。1、化工生产中的传热过程1）系统内温度的差异使热量高温想低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。2）化工生产中传热过程的应用生产中原料的加热，成品的冷却或冷凝。控制化学反应所需要的一定温度范围二采取的加热、冷却或保温。某些稀溶液的加热蒸发、浓缩、结晶、干燥和蒸馏等操作或某些浓溶液稀释而放热冷却生产中热量的合理利用和废热的回收，以节省热能。3）工业上的传热过程中，冷、热流

2、体的接触有三种方式：直接换热：冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换也成混合式换热。要求两种流体不发生化学反应或其他不良影响。如H2SO4生产中，将冷水喷入喉管与高温SO2炉气直接混合，可以达到降温除尘的目的，是炉气温度由400以上降至70以下。间壁换热：冷、热统体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程分为三步：A、热流体将热量传给固体壁间。B、热量从壁的热侧传到冷侧。C、热量从壁的冷侧面传给冷流体。蓄热式换热：蓄热式换热器是由热容量圈套的蓄热至构成，室内填充耐火砖作为填料，用蓄热式换热器换热是一种间歇的换热成片，行让热流体通过换热器，将热量传

3、给蓄热室的填料，然后停止通往热流体，而改通冷流体，再由蓄热室的填料把所吸收的热量仁慈给冷流体，使冷流体的温度升高，从而达到换热之目的。2、传热基本方式热量传递有三种基本方式：传导传热、对流传热和辐射传热1）传导传热：热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程，简称导热。特点：物体间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。从微观来看：传导传热是依靠物体的分子热振动和自由电子的运动而进行的，高温部分的分子热运动，碰撞相邻的温度较低的分子从而将热量由高温部分传向低温部分。2）对流传热：流体中质点发生相对位移将热量由统体的某一处传递至另一处的传热

4、过程，称为对流传热过程。对流只能发生在流体中，流体的对流由于产生原因不同，可以分为自然对流和强制对流两种。自然对流：由于流体内部各点温度不同，引起受热部分流体密度变小而浮起，与较冷而密度大的部分流体对换位置称为自然对流。强制对流：用机械能（泵、风机、搅拌等）或者流体相对位差使流体发生对流而传热。3）辐射传热：是一种通过电磁波传递能量的过程，物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。高温传热主要以热辐射方式进行，物体的温度只有大于400时，才能有明显的热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随能量开工的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。化工生产中的传热过程很少以一种方式

5、进行，二往往是两种或三种基本方式的联合。3、间壁式换热器间壁式换热器中；热量至热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：1） 热流体将热量传导壁面一侧2） 热量通过固体壁面的热传导；3） 壁面的另一侧将热量传给冷流体，即整个热交换为给热导热的串联过程。分类：根据传热面得结构可分为管式换热器和板式换热器，管式换热器：其传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、螺旋式和翅片式等，板式换热器：其传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。单程列管式换热器，双程列管式换热器。热流量：单位时间通过传热面的热量，其单位为W或KW；换热器传热性能的优劣一般用面积热流量q来评价，面积热流量亦称热

6、流密度，是指单位传热面积的热流量，其单位为W·m-2。 4.2 传 导 传 热热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。但热传导的机理很复杂，难以弄清，不过这一基本传热方式的宏观规律可以用傅立叶定律加以描述。1、热传导基本方程傅里叶定律 基本概念1）温度场：物体或系统内部的各点温度分布的总和稳定温度场：温度场中各点的温度不随时间而改变不稳定温度场：温度场中各点的温度随时间而改变2）等温面：温度场中温度相同的点组成的面3）温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率或沿热流方向温度变化的强度，用（一维稳定的温度场）温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向如图21所示，均质的固体壁面厚度为，

7、面积为A壁面两侧的温度分别为t1和t2，且t1t2。热量由高温向低温传递。实验证明，通过固体壁面的传热量Q与温度降（沿固体壁厚度变化）温度梯度、固体壁传热面积A和时间成正比，而与传热壁厚度与成反比，其关系为： -A· 将其写成等式： =-·A· (4-1) (傅里叶定律)式中：表示单位时间传递的热量，称传热速率（q）表示温度覆盖率，其越大，沿热流方向单位长度上的温度降越大。“”表示热量沿温度降低方向传递。与温度梯度方向相反，故在式中加负号 导热系数（ 1）、定义：当物体传热面积为1m2，传热的两侧面（等温面）间的温度差为1k，传热壁厚为1m时，单位时间内所传递的热

8、量（单位为J），是物质的物理性质之一。2）不同物质的导热系数不同，可以通过实验测定物质的导热系数，一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，流体的较小，气体的最小。3）同一种物质当其所含杂质的量，内部结构、状态、湿度、温度不同时，其导热系数值也有差别。书后附录中给出了一些常见的的导热系数值。2、间壁式换热器壁面的热传导1）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，有时亦将直径很到的圆通壁面近似地当平面壁处理，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。如图所示的同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其导热率不随时间发生变化，即：传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向

9、变化，但不随时间变化。按傅里叶定律可得 单层平面壁如图所示，边界条件为：时，t=t1; 时，t=t2,由分离变量积分：=- =-·A·（t1- t2）·A·（t1- t2） （4-3）若将式（4-3）改写为： 过程速率=推动力/阻力 称为热阻，传导距离越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。 2、多层平面壁的定态热传导。在化工生产中，为了对生产设备保温，常用多层保温材料。图三层不同材料组成的多层平面壁。若三层砖间接触完好，各层传热面积均相等，对于稳态传热过程，各层的传热速率也相等，但是各层的厚度，导热系数和温度不相等。由式（23）可以得到各层由高温侧

10、到低温侧的温度差分别为：第一层： 第二层：第三层：因为各层面积相等，A1=A2=A3；稳态传热过程传热速率相等，即q1= q2= q3，那么上述三个式子相加可得： 推广到几层平壁有： 多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分子过程，温度差之和，即总温度差，总热温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。由过程分析还可得到： t1: t2: t3=可以通过上面例子的温度差来比较比那种热阻较大。热阻愈大，分配在该层上的温度降也愈大。3、圆筒壁通过圆管壁的热传导与通过平面壁的热传导所不同之处，就在于圆筒壁的内表面积与外表面积不相等，传热面积和温度方向随半径而变化的。

11、如有一单层圆筒壁轴向长度为L1，内半径为r1，温度为t1，外半径为r2，外表面温度为t2,取圆筒壁某一局部，如图所示。（圆筒壁与平面壁的差别在面积的计算上。圆筒的传热面积） 分离变量积分 整理得： （4-5）改写为： （4-6）式中=r2-r1为圆筒壁厚, rm = （r2-r1）/ln(r2/r1)为半径的对数平均值，Am = （A2-A1）/ln(A2/A1)为面积的对数平均值，当圆筒壁面的半径较大且厚度较薄时，即r2/r12的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值圆筒壁的rm和Am,其计算误差<4%，可以满足工艺要求。比较式（4-4）、（4-5）和（4-6）可知，圆筒壁面热阻为：R

12、=ln(r2/r1)/(2l)=/(m)4.3对流传热化工生产中处理的物料多数是流体，因此，对流传热在传热过程中占重要的地位。产热的对流方式是由于流体质点变动位置相互碰撞，热量又能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。引流体质点位置变动而形成的对流还有两种形式：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流；借助与机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流，强制对流比自然对流有较好的传热效果。1、对流传热机理对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换，对流传热仅发生在流体中，有运动着的流体起热量传递作用。在工业生产中大量遇到的是流体在流过固体

13、表面时与该表发生的热交换。这种交换是流体的对流热传导联合作用的结果。对流传热主要是依靠质点的移动和混合来完成，故对流传热与流体的流动状况密切相关。在第一章中曾指出，流体流经固体壁面时形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流时，形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层层流内层存在，在此波层内流体呈层流。层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差，还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽是避免此种情况。流体作湍流流动时，靠近壁面处流体分别为层流底层，过渡层（缓冲层），湍流层。流体在换热器内的流动大多

14、数情况为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况：1）层流底层：流体质点沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。2）湍流层：在远离壁面的湍流中心流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相走混合交换热量，温差小。3）过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流传热两种方式进行。质点混合，分子运动共同作用温度变化平缓。根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚

15、度。（过渡）由以上分析可知，对流传热是一个复杂的传热过程。影响对流传热的因素很多，因此，对流传热的理论计算是相当困难的。目前。主要采用一种个简化的处理方法，计假设将对流传热的全部温度差集中在厚度为的有效薄层内，膜内以导热方式传热。影响对流传热的因素相当多，工程上将他们归纳起来，用牛顿传热方程来计算。当热流体被冷却时，即热流体将热量传给低温固体壁时，如图2-5所示左边的热流体，以T=T-Tw的温差为推动力，传热给壁面，根据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率： 对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力=系数×推动力推动力：壁面和流体间的温度差阻力：导热中 ，影响因素很多

16、，但与壁的表面积成反比。所以 但由于的厚度很难测知。故令则可简化为： h-对流给热系数 A-对流传热面积 T-热流体湍流全体平均温度 Tw 低温固体壁面温度。式为牛顿冷却定律，把复杂总是简单化，把影响对流传热的诸多因素对流传热系数中，如果冷流体被加热，则把式写为：tw高温固体壁面温度 t冷流体的平均温度而流体的加热和冷却都是在换热器中进行的，换热器中，换热器壁面和流体的温度都随流体流动方向上不同位置而变。因此，在热交换计算中，把T、T、tw、t简化为流体进出换热器的平均温度和换热器壁面平均温度，此时计算出的对流给热系数值也应该是流体在该平均温度下的值。 2、对流传热系数的影响因素及其求取表示当

17、传热温度差为1k时，单位时间通过单位传扬面积所传递的热量。单位:w·m-2·k-11、影响对流给热系数的因素 流体物性的影响(密度、导热系数、粘度、比热等) ； Cp的影响：Cp 单位体积流体的热容量大，则较大； 流体的流动类型和对流状况：Re(湍流程度越大) ， （层流底层薄），。强制对流作功，一般 v 流速较大，。自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程，一般v较小，流体的相态变化流体的给热系数比气体的大，流体沸腾和蒸气邻凝的给热系数都很大，有相变化时表面传热系数较大，机理各不相同，复杂。传热温度因温度能够影响流体的物理性质，因此，流体和固体壁面的温度给热系数也会有影

18、响，传热壁面形状，排列位置及尺寸大小。不同的壁面形状，尺寸影响流型，管子的垂直和平等于流体流动方向时的给热系数也不同，管子直径大小及管-敌对 表面传热系数有决定性影响。 对流传热系数可以直接根据实验测定或按经验沿用，但由于影响因素众多，因此得到的数据难以推广应用。采用量纲分析对流传热实验测得的结果予以整理，如同流体流动中决定流动形态的雷诺数一样，可以将若干有关的影响因素综合为一些相互有联系的量纲一的数群，在将某些数群连成为一定的特征数方程，这些特征数方程有较广泛的实用意义。对流传热过程中有影响的某些特征数及其物理意义，下面列出一些常见条件下用的相当广泛的储热系数的计算式，有相应的特征数和经验系

19、数组成。对这些计算式并不要求记住，只要了解它们各自适用的条件和怎样去选取计算式所需物性和操作参数，以备需用时能查阅、选择和对照，1） 流体无相变过程表面传热系数的求取流体在间壁式换热器圆形直管内进行强制对流换热是的h的关联式为： 或 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，m=0.4;当流体被冷却时，m=0.3。上式的使用范围：Re>104,0.6<Pr<160,管长与管径比L/d>50,适用于低粘度流体（大多数气体和粘度的液体），且过程中无相变化。2） 流体有相变过程的表面传热系数 液体的沸腾沸腾传热时，因传热面与流体间的温差不同而有以下几种情

20、况：当传热温差小时，传热面上的液体仅在少数点上形成气泡核心，液体沸腾并不剧烈；随着传热温差的增大，气泡在传热面上迅速地连续形成并脱开，液体受到强烈搅拌，新传热面也不断暴露，传热膜系数随之不断增大并达到一最大值，这范围称为泡状沸腾区；继续增大传热温差，蒸汽在传热面上大量形成，以致传热面与液体间形成蒸汽膜层，这样的沸腾称为膜状沸腾。因为蒸汽的导热系数比液体小，所以膜状沸腾的传热膜系数反而比泡核沸腾有所降低。水蒸气冷凝饱和水蒸气冷凝时释出气化潜热而凝结成为液体，冷凝液的温度与蒸汽温度相同。蒸气冷凝时也有两种情况，冷凝液不能润湿壁面，形成液体下流，这种冷凝称为滴状冷凝；壁面洁净时，冷凝液湿润壁面二形成

21、液膜，液膜聚厚后液体下流，这种冷凝称为膜状冷凝。膜状冷凝时化工生产中遇到较多的情况，膜状冷凝时，热量要通过液膜才能进一步传热，增加了传热的热阻，使膜状冷凝时的传热系数值比滴状冷凝时为小。无论沸腾或冷凝，传热是发生相变这一侧的传热膜系数都有较高的值，有它们组成的传热阻力在很多对流传热总过程中往往是很小的。4.4间壁式热交换的计算 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式工程设计和计算的主要内容。1、 传热总方程如图，间壁式 换热器中，传热过曾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1=2=2=，则有： 或该式为间壁

22、式换热器的传热总方程，亦称传热的基本方程，适用于传热面位等温面的间壁式热交换过程。令1/KA，则传热总方程为：=KAt式中K传热系数称总传热系数，w·m-2·K2、传热系数K是衡量换热器性能的重要指标之一。七大小主要取决与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。总传热系数值可以通过三个途径获得：1）选用经验数据化工中常见的换热过程的K至范围如表4-3所示。各种流体传热系数大小为：冷凝蒸汽水油气体。这从该表的数值上可以得到印证。2）根据公式计算总传热系数。当换热器的间壁为单层平面壁（或近似委平面壁的薄圆筒壁）时，因A1=A2=A，则传热系数为： 若换热器的传热面为单层

23、圆筒壁面时，因面积不相等，则总传热方程中须分别代入各分过程的传热面积A1=2lr1，A2=2lr2，Am=2lrm,即传热系数与传热面积对应时： 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：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： 式中Rh2、Rh1分别表示壁面两侧污垢热阻系数，m2·K·w-1。换热器在运转一段时间后，在传热管的内、外两侧都会有不同程度的污垢沉积，使传热速率减小。实践证明，表面污垢会产生相当大的热阻，在传热计算中，污垢热阻常常不能忽略。由于污垢热阻的厚度和导热系数难以测量，工程

24、计算时，通常是根据经验选用污垢热阻值。对于易结垢的流体，换热器使用过久，污垢热阻会增加到使传热速率严重下降的程度，所以换热器要根据工作条件，定期清洗。3） 对已有换热器，还可通过实验测定。根据总传热方程，其中现在换热器或实验装置的传热面积A是已知的；热流体和冷流体进出换热器的温度分别为及质量流量均可以实际测定；查出流体在测定范围内的定压比热容时可以从有关手册中查到；可以计算得到，热负荷可通过热量衡算求得。从而根据总传热方程，由测定所得的数据，计算出传热系数值，即：3、 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。在由传热基本方程qk

25、83;A·tm计算传热量时，要求取两个参数k和t(对于某个换热装置A一定)。K的求取前面已作了介绍，下面介绍t的求取。连续稳态传热可以包括恒温传热和变温传热两种情况。1） 定态恒温传热定态的恒温传热：指换热器间壁两侧冷、热两种流体进行热交换时，沿换热壁的不同位置，任何时间两种流体的温度都不发生变化，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。 (不变)常见为一侧为液体恒温沸腾，另一侧为饱和蒸气冷凝。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，两流体将的温度差沿换热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。 换热器中两种流体的流向可

26、分为并流、逆流两种，其壁面两侧流体的温度均沿传热面而变化，过程推动力相应地发生变化，因此，平均温度差是换热器进、出口处两种流体温度差的对数平均值，故称为对数平均温度差。 在以上各式推导过程中，并未对流向是并流或逆流作出规定，故这个结果对并流和逆流都适用，只要用换热器两端热、冷流体的实际温度差代入Dt1和Dt2就可计算出Dtm。通常，将两端温度差较大的一个作为Dt1，较小的一个作为Dt2，计算时比较方便。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的要求，才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，故该题选择题逆流传热。 并流传热时，冷流体的出口温度t2

27、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具有实用意义。4、 热负荷及热量衡算1） 热负荷热负荷：生产工艺上完成某一加热或冷却任务需要在单位时间内供给或取走的热量，用L，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大于工艺热负荷，及L。在实际计算中往往二者看做相等，但意义不同。通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率，在依据此传热速率可计算换热器所虚的传热面积等。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L=qmL式

28、中qm流体的质量流量L流体的相变热 流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合 L=qmcp(t2-t1)2)热量衡算 换热器冷、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，及热=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。 若换热器的两种流体无相变化，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：L=qm，hcp,h(T1-T2) =qm，ccp,c(t2-t1)若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝时：L= qmL=qm，ccp,c(t2-t1)4.5换热器的选择及传热过程的强化1、换热器的选择 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 如选定列管换热器，对换热流体流动空间课按下列原则确定。2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。 不清洁的流体或以结垢、沉淀、结晶的流体走管程，因管程易清洗。 需要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