南京化工职业技术实训基地传热

1、第四章：传热第一讲第四章第四章 传传 热热（）冬天，坐到公园的水泥凳子上、或坐在（）冬天，坐到公园的水泥凳子上、或坐在木头凳子上，或坐在随身带的棉坐垫上，三种木头凳子上，或坐在随身带的棉坐垫上，三种坐法，有三种不同的感觉，坐法，有三种不同的感觉，Why?难道混凝土、难道混凝土、木头、棉坐垫的温度和气温不同吗？木头、棉坐垫的温度和气温不同吗？( () )热水瓶（保温瓶）在设计和使用过程中热水瓶（保温瓶）在设计和使用过程中采取了哪些防止热损失的措施？采取了哪些防止热损失的措施？（）（）ROSE & JACKROSE & JACK一个是死里逃生、幸免于难一个是难以幸免、为爱献身why

2、?一、一、传热过程在工业生产中的应用传热过程在工业生产中的应用 1 1、传热定义、传热定义: : 传热是传热是指由温度差引起的能量传递指由温度差引起的能量传递。传热即热量传递，热力学第二定律，当无外加功传热即热量传递，热力学第二定律，当无外加功时，热总是从高温向低温自动传递。时，热总是从高温向低温自动传递。2 2、传热的目的和用途：、传热的目的和用途：几乎所有的化工生产过程几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作均伴有传热操作加热或冷却：加热或冷却：为满足生产工艺要求，如保证化学反应、为满足生产工艺要求，如保证化学反应、单元操作的正常进行，对物料进行加热或冷却、汽化单元操作的正常进行，对物料进行加

3、热或冷却、汽化或冷凝，使物料达到指定的温度和相态。或冷凝，使物料达到指定的温度和相态。换热：换热：回收和利用废热，节省能源。回收和利用废热，节省能源。保温：保温： 为减少热损失，对高温或低温的设备及管道为减少热损失，对高温或低温的设备及管道进行保温隔热。如工业上分离空气的精馏塔，塔内温进行保温隔热。如工业上分离空气的精馏塔，塔内温度在度在-180，必须保温绝热；蒸汽管道的保温。，必须保温绝热；蒸汽管道的保温。)(23:3.77322冷却冷凝与气体分离液氨氮肥生产NHHNcatK第一节第一节 概述概述3、化工生产对传热的要求：、化工生产对传热的要求：强化传热强化传热 ：强化传热可降低设备费用。：

4、强化传热可降低设备费用。-加快加快传热速率。传热速率。削弱传热削弱传热 ：保温或保冷，减少热量或冷量的损失：保温或保冷，减少热量或冷量的损失损失。损失。-降低传热速率。降低传热速率。 4、化工生产过程中需要解决的传热问题：、化工生产过程中需要解决的传热问题： 传热过程计算传热过程计算，包括设计型计算和操作型计算；，包括设计型计算和操作型计算； 传热过程的改进与强化传热过程的改进与强化5、几个基本概念、几个基本概念参与传热的两流体均称为参与传热的两流体均称为载热体载热体，其中温度较高的，其中温度较高的流体称为流体称为热载热体热载热体，温度较低的流体称为，温度较低的流体称为冷载热体冷载热体。若传热

5、过程的目的是将冷载热体加热，则所采用。若传热过程的目的是将冷载热体加热，则所采用的热载热体称为的热载热体称为加热剂加热剂，若目的是将热载热体冷却，若目的是将热载热体冷却，则所采用的冷载热体称为，则所采用的冷载热体称为冷却剂冷却剂。 二、传热的三种基本方式二、传热的三种基本方式根据传热机理不同，热的传递有三种方式：传根据传热机理不同，热的传递有三种方式：传导、对流和辐射。导、对流和辐射。1、热传导：、热传导： 是指热量从物体的高温部分向同一物体的低是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。触的

6、低温物体传热的过程。导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移，传热速率相对较慢。质的宏观位移，传热速率相对较慢。热传导机理：热传导机理：金属：自由电子的扩散运动。金属：自由电子的扩散运动。非金属和大部分液体（除水银等）：晶格振动非金属和大部分液体（除水银等）：晶格振动和分子碰撞。和分子碰撞。气体：分子不规则热运动。气体：分子不规则热运动。2、热对流、热对流 热对流发生在流体中。在有温度差的条件下，热对流发生在流体中。在有温度差的条件下，由于流体各部分之间发生宏观的相对运动，流体由于流体各部分之间发生宏观的相对运动，流体将热从一处带到另一处的现象称

7、为热对流将热从一处带到另一处的现象称为热对流 引起引起 流体作相对运动的两个原因：一是自然流体作相对运动的两个原因：一是自然对流，二是强制对流。对同一种流体，强制对流对流，二是强制对流。对同一种流体，强制对流的传热量远远大于自然对流的传热量。的传热量远远大于自然对流的传热量。 流体与固体壁面之间的热量传递现象称为给热。流体与固体壁面之间的热量传递现象称为给热。给热过程中包括流体的热对流和热传导，它是具给热过程中包括流体的热对流和热传导，它是具有实际意义的工业传热问题。有实际意义的工业传热问题。3、热辐射、热辐射 因物体自身温度产生分子、电子热运动，由此激发产因物体自身温度产生分子、电子热运动，

8、由此激发产生电磁生电磁波来传递能量的过程，称为热辐射。波来传递能量的过程，称为热辐射。 任何物体只要温度在绝对零度以上，都具有发射辐射任何物体只要温度在绝对零度以上，都具有发射辐射能的能力，所以两个物体之间的辐射是一种相互辐射、能的能力，所以两个物体之间的辐射是一种相互辐射、双向传递的过程。热辐射过程不需任何介质，在真空中双向传递的过程。热辐射过程不需任何介质，在真空中也可进行。在热辐射过程中，不仅有辐射能的传递，同也可进行。在热辐射过程中，不仅有辐射能的传递，同时还伴有热与辐射能之间的能量转换时还伴有热与辐射能之间的能量转换。物体将热能变为辐物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当

9、遇到另一物体时射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。在高温情况下，又被全部或部分地吸收而变为热能。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。辐射传热成为主要传热方式。 三、工业设备中流体的换热方式三、工业设备中流体的换热方式1、间壁式换热、间壁式换热 这是工业生产中普遍采用的传热方式。这是工业生产中普遍采用的传热方式。其特点是：冷、热两热载体被一固体壁面隔其特点是：冷、热两热载体被一固体壁面隔开，在传热过程中两热载体互相不接触，热开，在传热过程中两热载体互相不接触，热流体的热量通过间壁将热量传递给冷流体。流体的热量通过间壁将热量传递给冷流体。所用的设备

10、称为间壁式换热器，常见的是列所用的设备称为间壁式换热器，常见的是列管换热器，见管换热器，见列管换热器原理列管换热器原理。 夹套式换热器夹套式换热器2、混合式换热、混合式换热冷热流体在换热设备中直接混合，达到换热的目的。冷热流体在换热设备中直接混合，达到换热的目的。特点：传热面积大，设备简单。特点：传热面积大，设备简单。工厂的澡堂，除了有喷头淋浴，重要的是在工厂的澡堂，除了有喷头淋浴，重要的是在水池中泡澡。电影水池中泡澡。电影洗澡洗澡中的那种澡堂子，往中的那种澡堂子，往里通水蒸气，水蒸汽放出冷凝潜热，将冷水加热，里通水蒸气，水蒸汽放出冷凝潜热，将冷水加热，人们就可以在热水中泡澡洗澡了。人们就可以

11、在热水中泡澡洗澡了。3、蓄热式、蓄热式蓄热式换热的特点为：通过对蓄热体周期性的加热和冷却来蓄热式换热的特点为：通过对蓄热体周期性的加热和冷却来实现冷、热两热载体之间的热交换。实现冷、热两热载体之间的热交换。 四、定态传热和非定态传热四、定态传热和非定态传热 在传热过程中，传热系统中各点的温度仅随位在传热过程中，传热系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关，该过程为定态传热。定态传置变化而与时间无关，该过程为定态传热。定态传热的特点是单位时间内所传递的热量为常数，不随热的特点是单位时间内所传递的热量为常数，不随时间变化。连续操作的换热设备多为定态传热。时间变化。连续操作的换热设备多为定态传热。

12、在传热过程中，传热系统中各点的温度既随位在传热过程中，传热系统中各点的温度既随位置又随时间变化，该过程为非定态传热。特点为单置又随时间变化，该过程为非定态传热。特点为单位时间所传递的热量随时间变化。位时间所传递的热量随时间变化。间歇操作或连续间歇操作或连续操作的开、停车阶段的换热设备为非定态传热。操作的开、停车阶段的换热设备为非定态传热。本本章主要讨论定态传热。章主要讨论定态传热。SQq 式中式中 S传热面积，传热面积，m2。 五、五、 传热速率与热通量传热速率与热通量 单位时间内通过传热面所传递的热量称为传热速率单位时间内通过传热面所传递的热量称为传热速率，用，用Q表示，单位为表示，单位为W

13、。(反映了热量传递的快慢，表征反映了热量传递的快慢，表征了换热器传热能力的大小了换热器传热能力的大小） 单位时间内通过单位面积所传递的热量称为热通量单位时间内通过单位面积所传递的热量称为热通量或热流强度，用或热流强度，用q 表示，单位为表示，单位为W/m2。（反映传热强反映传热强度度）热通量与传热速率之间的关系为）热通量与传热速率之间的关系为第二节第二节 热传导热传导 一、傅立叶定律和导热系数一、傅立叶定律和导热系数 （一）傅立叶定律（一）傅立叶定律 傅立叶定律指出：当物体内进行的是纯导热时，单位傅立叶定律指出：当物体内进行的是纯导热时，单位时间内以导热方式传递的热量时间内以导热方式传递的热量

14、Q与温度梯度与温度梯度dt/dx及垂直于及垂直于导热方向的导热面积导热方向的导热面积 S 成正比，若过程为一维导热，则有成正比，若过程为一维导热，则有xtSQdd 式中式中 导热系数，导热系数，W/（m K）。（二）导热系数（二）导热系数 1、导热系数的物理意义及数值范围、导热系数的物理意义及数值范围 导热系数的物理意义为单位温度梯度下的热通量，其导热系数的物理意义为单位温度梯度下的热通量，其数值表示了物质的导热能力大小，是物质的物理性质之一数值表示了物质的导热能力大小，是物质的物理性质之一。 各种物质导热系数的数值范围很大，一般来说，各种物质导热系数的数值范围很大，一般来说，金属金属固体的导

15、热系数最大，液态金属的次之，非金属液体的较固体的导热系数最大，液态金属的次之，非金属液体的较小，气体的最小。小，气体的最小。 2、影响导热系数的因素、影响导热系数的因素 （1） 固体的导热系数固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温纯金属的导热系数一般随温度升高而减小，随其纯度增加而增大。非金属固体（建筑度升高而减小，随其纯度增加而增大。非金属固体（建筑材料或绝热材料）的导热系数随温度升高而增大，与其结材料或绝热材料）的导热系数随温度升高而增大，与其结构紧密程度有关。结构越紧密，导热系数越大。构紧密程度有关。结构越紧密，导热系数越大。 （2） 液体的导热系数液体的导热系数 多数多数液态金属的导

16、热系数随液态金属的导热系数随温度升高而降低；温度升高而降低；常见的非金属液体中，除水和甘油以外常见的非金属液体中，除水和甘油以外，一般液体导热系数随温度升高略有减小。一般液体导热系数随温度升高略有减小。xtSQdd （3）气体的导热系数）气体的导热系数 气体的导热系数随温度升高而增大，气体的导热系数随温度升高而增大，在过高或过低的在过高或过低的压强下，气体的导热系数随压强升高而增大。压强下，气体的导热系数随压强升高而增大。二、二、 平壁的定态导热平壁的定态导热（一）单层平壁定态导热（一）单层平壁定态导热 平壁的面积为平壁的面积为S，厚度为厚度为 ，材，材料均匀，导热系数料均匀，导热系数 不随温

17、度而变不随温度而变化（或取平均导热系数），两壁化（或取平均导热系数），两壁面温度分别为面温度分别为tw1和和tw2。若在平壁若在平壁内取一微元厚度内取一微元厚度dx，根据傅立叶根据傅立叶定律可得定律可得RtSttQWW 21RtttSQqWW 21或或式中式中 t平壁两侧壁面的温度差，为导热的推动力，平壁两侧壁面的温度差，为导热的推动力，oC 或或K；导热热阻，导热热阻，K/WSR 。单位面积上导热热阻，单位面积上导热热阻，/WK)(m R当当x=0时，时，t=tw1；x= 时，时，t=tw2；且且tw1 tw2，积分上式并积分上式并整理可得：整理可得：过程的阻力过程的阻力过程的推动力过程的推

18、动力过程的传热速率过程的传热速率 计算时，导热系数可取固计算时，导热系数可取固体两侧壁面温度下的体两侧壁面温度下的 平均值，平均值，或取两侧壁面算术平均值下的或取两侧壁面算术平均值下的 值。值。导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。因此自然界传递过程的普遍关系可写为因此自然界传递过程的普遍关系可写为（二）多层平壁定态导热（二）多层平壁定态导热 见多层平壁定态导热，见多层平壁定态导热，见图：见图： 对定态导热时，有对定态导热时，有Q=Q1=Q2=Q3，所以所以SttSttSttQWWWWWW334322321121 根据加和定律，可得根据加和

19、定律，可得SSSttSSSttttttQWWWWWWWW33221141332211433221)()()( 对对n层平壁，可写为层平壁，可写为 RtSttQniiinWW11,1 RtttqniiinWW11,1 或或结论：结论：多层壁串联导热的总推动力为各层推动力之和，多层壁串联导热的总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和。总热阻为各层热阻之和。 三、圆筒壁定态导热三、圆筒壁定态导热 圆筒壁与平壁导热的不同圆筒壁与平壁导热的不同之处在于圆筒壁的传热面积不之处在于圆筒壁的传热面积不是常数，它随其半径而变化。是常数，它随其半径而变化。 （一）单层圆筒壁定态导热（一）单层圆筒壁定态导热

20、见单层圆筒壁导热，见图见单层圆筒壁导热，见图。由傅立叶定律，可得。由傅立叶定律，可得rtrLxtSQdd)2(dd 分离变量后并积分得分离变量后并积分得RttrrLttrrttLQWWWWWW2112211221ln21ln)(2 W 单位长度圆筒壁的传热量单位长度圆筒壁的传热量QL为为RttrrttLQQWWWWL 211221ln21圆圆筒筒壁壁的的导导热热热热阻阻，12ln21rrLR W/m热阻，热阻，单位长度圆筒壁的导热单位长度圆筒壁的导热12ln21rrR K/W；m K/W 。343232121321ln21ln21ln21rrLrrLrrLtttQWWW 32141RRRttW

21、W （二）多层圆筒壁定态导热（二）多层圆筒壁定态导热 见见多层圆筒壁导热多层圆筒壁导热，见图。图，见图。图中所示为三层圆筒壁，各层之间接中所示为三层圆筒壁，各层之间接触良好，根据串联热阻的加和性，触良好，根据串联热阻的加和性，得得343232121321ln21ln21ln21rrrrrrtttLQQWWWL 32141RRRttWW 补充例题补充例题同理也可以单位长度导热速率表示同理也可以单位长度导热速率表示 四、四、 接触热阻接触热阻 实际多层壁导热过程中，各接触表面不十分平整，因实际多层壁导热过程中，各接触表面不十分平整，因而使固体表面接触时存在着缝隙，不可避免的出现附加热而使固体表面接

22、触时存在着缝隙，不可避免的出现附加热阻，工程上称为阻，工程上称为“接触热阻接触热阻”。接触热阻的大小取决于固。接触热阻的大小取决于固体表面的粗糙度、接触面的挤压力和材料之间的硬度匹配体表面的粗糙度、接触面的挤压力和材料之间的硬度匹配有关，与界面间隙内流体的性质有关。有关，与界面间隙内流体的性质有关。第三节第三节 对流传热对流传热 一、对流传热过程分析一、对流传热过程分析 当流体与固体壁面之间存当流体与固体壁面之间存在着温度差时，热流体将热量在着温度差时，热流体将热量传递给壁面或壁面将热量传递传递给壁面或壁面将热量传递给冷流体的过程，简称给热。给冷流体的过程，简称给热。 湍流主体热阻很小，给热湍

23、流主体热阻很小，给热热阻主要集中在靠近壁面处的热阻主要集中在靠近壁面处的层流内层中，因此减薄层流内层流内层中，因此减薄层流内层的厚度是增加给热速率的主层的厚度是增加给热速率的主要途径。要途径。 二、对流传热基本方程与给热系数二、对流传热基本方程与给热系数 （一）对流传热基本方程（一）对流传热基本方程 根据传递的普遍规律，壁面与流体之间的给热速率根据传递的普遍规律，壁面与流体之间的给热速率Q，与接触面积与接触面积S及其给热推动力成正比，给热推动力指的及其给热推动力成正比，给热推动力指的是流体主体与固体壁面之间的温度差是流体主体与固体壁面之间的温度差 t。因此给热速率可因此给热速率可写为下列形式：

24、写为下列形式：tttW WTTt 当流体被壁面加热时当流体被壁面加热时当流体被壁面冷却时当流体被壁面冷却时RtSttSQ 1上式为给热速率方程，又称为牛顿冷却定律。上式为给热速率方程，又称为牛顿冷却定律。 其中其中 t 、T为进出换热器冷、热流体的平均温度，为进出换热器冷、热流体的平均温度，t W、T W为冷、热侧壁面的平均温度。为冷、热侧壁面的平均温度。 给热热阻给热热阻R=1/ S。表明表明给热速率与给热推动力成正比，给热速率与给热推动力成正比，与给热热阻成反比。与给热热阻成反比。 （二）给热系数（二）给热系数 给热系数的物理意义为：给热系数的物理意义为：当传热面积为当传热面积为1m2，流

25、体与壁，流体与壁面之间的平均温度差为面之间的平均温度差为1K时，单位时间内流体与壁面之间时，单位时间内流体与壁面之间交换的热量。交换的热量。单位为单位为W/（m2 K）。 一般来说对相同的流体，一般来说对相同的流体，有相变时给热系数较大，液有相变时给热系数较大，液体给热系数居中，气体给热系数最小。体给热系数居中，气体给热系数最小。各种流体在不同情各种流体在不同情况下的给热系数见下表。况下的给热系数见下表。 数值范围数值范围 W/（m2 K）换热方式换热方式 W/（m2 K）空气自然对流空气自然对流512油的加热或冷却油的加热或冷却581500空气强制对流空气强制对流12120水蒸气冷凝水蒸气冷

26、凝500015000水自然对流水自然对流2001000有机蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝5002000水强制对流水强制对流100011000水沸腾水沸腾580050000 （三）（三） 影响给热系数的因素影响给热系数的因素 1、流体产生的原因、流体产生的原因 引起流体流动的原因有强制对流和自然对流。强制对引起流体流动的原因有强制对流和自然对流。强制对流的给热系数要远远大于自然对流的给热系数。流的给热系数要远远大于自然对流的给热系数。 2、流动型态及流速的影响、流动型态及流速的影响 湍流流动的给热要比层流流动给热效果好，同一种流湍流流动的给热要比层流流动给热效果好，同一种流动型态，增加流速可提高给热系数。

27、动型态，增加流速可提高给热系数。 3、流体物理性质的影响、流体物理性质的影响 影响给热的物性很多，常见的有粘度、导热系数、密影响给热的物性很多，常见的有粘度、导热系数、密度、质量热容、体积膨胀系数等。度、质量热容、体积膨胀系数等。 4、流体有无相变的影响、流体有无相变的影响 对同一种流体，有相变给热要比无相变给热强烈。对同一种流体，有相变给热要比无相变给热强烈。 5、换热面几何因素的影响、换热面几何因素的影响 换热面的形状、布置、尺寸等都影响给热强度。换热面的形状、布置、尺寸等都影响给热强度。 三、流体无相变时给热系数三、流体无相变时给热系数 （一）对流给热系数的一般关联式（一）对流给热系数的

28、一般关联式 对于无相变对流给热，给热系数可用下式表示对于无相变对流给热，给热系数可用下式表示),(tlucfp 经过分析和处理后，可得无相变给热的无因次数群经过分析和处理后，可得无相变给热的无因次数群关系式为关系式为),(GrPrRefNu 式中各无因次数群表达式和涵义见下表式中各无因次数群表达式和涵义见下表努塞尔数努塞尔数Nu表示流体给热系数的数群表示流体给热系数的数群表示流体流动型态的数群表示流体流动型态的数群表示流体物性影响的数群表示流体物性影响的数群表示自然对流影响的数群表示自然对流影响的数群雷诺数雷诺数普兰特数普兰特数格拉晓夫数格拉晓夫数RePrGr l ul pc223 tlg 数

29、群名称数群名称 符号符号 表达式表达式 涵涵 义义 对于对于强制对流的给热过程，三个数群之间的关系为指强制对流的给热过程，三个数群之间的关系为指数函数形式，即数函数形式，即 Nu=CRemPrnGrh 对于强制湍流则自然对流的影响可忽略不计，上式可对于强制湍流则自然对流的影响可忽略不计，上式可简化为：简化为： Nu=CRemPrn 这种数群之间的关系式称为准数关联式，式中的这种数群之间的关系式称为准数关联式，式中的C、m、n、h均为常数，由实验确定。在应用这些准数关联式来确均为常数，由实验确定。在应用这些准数关联式来确定给热系数时，必须注意以下三点：定给热系数时，必须注意以下三点： （1）应用

30、范围；（）应用范围；（2）定性温度；（）定性温度；（3）特征尺寸。）特征尺寸。2）流体在管内作强制对流时的准数关联式及其修正）流体在管内作强制对流时的准数关联式及其修正 （二）流体在圆形直管内作强制湍流时给热系数（二）流体在圆形直管内作强制湍流时给热系数npicudd 8 . 0023. 0nPrReNu8 . 0023. 0 或或 上式的应用范围为：上式的应用范围为：Re104，0.7Pr104，0.7Pr16700，换热管换热管长长L与管内径与管内径di之比要大于之比要大于60；特征尺寸：换热管内径；特征尺寸：换热管内径di ；定性温度：定性温度： W 为壁面温度下的流体粘度，其余为为壁面

31、温度下的流体粘度，其余为流体进流体进出口温度的算术平均值。出口温度的算术平均值。 14. 08 . 031027. 0 Wpiicudd 关联式中的指数（关联式中的指数（ / W）0.14为修正项。流体被加为修正项。流体被加热，热， （ / W）0.14取取1.05；流体被冷却时，；流体被冷却时， （ / W）0.14取取0.95。 例题见书例例题见书例4-4 对于粘度大于两倍常温下水粘度的流体可用下式确对于粘度大于两倍常温下水粘度的流体可用下式确定给热系数：定给热系数：（三）流体在管外强制对流（三）流体在管外强制对流 列管换热器是工业生产中最常见的换热设备，其传热列管换热器是工业生产中最常见

32、的换热设备，其传热面积由换热器内换热管束提供，流体在单管外强制对流情面积由换热器内换热管束提供，流体在单管外强制对流情况见况见单管单管；换热管的排列方式可分为正方形直列、正方形；换热管的排列方式可分为正方形直列、正方形错列和三角形错列三种，见错列和三角形错列三种，见换热管的排列方式换热管的排列方式。流体在换。流体在换热管外流动多为垂直通过管束，其流动情况见热管外流动多为垂直通过管束，其流动情况见直列管束直列管束、错列管束错列管束。 为了提高管间流体的流速，增加湍动程度，列管换热为了提高管间流体的流速，增加湍动程度，列管换热器内常装有折流挡板，常见的折流挡板结构有圆缺形（弓器内常装有折流挡板，常

33、见的折流挡板结构有圆缺形（弓形）和盘环形两种。流体在折流挡板中的流动情况见形）和盘环形两种。流体在折流挡板中的流动情况见圆缺圆缺形挡板形挡板和和盘环形挡板盘环形挡板。 四、四、 流体有相变时的对流给热流体有相变时的对流给热（一）蒸气冷凝（一）蒸气冷凝 1、蒸气冷凝的两种方式、蒸气冷凝的两种方式 蒸气冷凝有蒸气冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷滴状冷凝凝两种。两种。 蒸气在壁面上冷凝时，若壁面蒸气在壁面上冷凝时，若壁面能被冷凝液润湿，冷凝液能在壁面能被冷凝液润湿，冷凝液能在壁面上形成一层完整的液膜，这种冷凝上形成一层完整的液膜，这种冷凝称为膜状冷凝。见称为膜状冷凝。见蒸气冷凝方式蒸气冷凝方式中中a

34、、b图图。 蒸气在壁面上冷凝时，若壁面不能被冷凝液润湿，蒸气在壁面上冷凝时，若壁面不能被冷凝液润湿，则因表面张力的作用将冷凝液在壁面上集聚为许多液滴，则因表面张力的作用将冷凝液在壁面上集聚为许多液滴，并随机地沿壁面落下，这种冷凝称为滴状冷凝。见并随机地沿壁面落下，这种冷凝称为滴状冷凝。见蒸气蒸气冷凝方式冷凝方式中中c图图。 工业采用的冷凝器中，多数为膜状冷凝。工业采用的冷凝器中，多数为膜状冷凝。 2、影响蒸气冷凝的因素、影响蒸气冷凝的因素 不凝性气体的影响。当被冷凝的蒸气中含有微不凝性气体的影响。当被冷凝的蒸气中含有微量的不凝性气体时，不凝性气体将在冷凝空间积聚，增量的不凝性气体时，不凝性气体

35、将在冷凝空间积聚，增加了冷凝过程阻力使得给热系数下降。因此冷凝设备上加了冷凝过程阻力使得给热系数下降。因此冷凝设备上都必须设置有不凝性气体的排放口或抽气器，以备操作都必须设置有不凝性气体的排放口或抽气器，以备操作时随时将设备中不凝性气体排除。时随时将设备中不凝性气体排除。 蒸气流速和流向的影响。当蒸气与液膜的流动蒸气流速和流向的影响。当蒸气与液膜的流动方向相同时，蒸气流速越大，冷凝效果越好。当蒸气与方向相同时，蒸气流速越大，冷凝效果越好。当蒸气与液膜的流动方向相反时，在流速不大的情况下，冷凝给液膜的流动方向相反时，在流速不大的情况下，冷凝给热系数随流速增加而减小，但蒸气流速超过热系数随流速增加

36、而减小，但蒸气流速超过25m/s时，时，冷凝给热系数随流速增加而增大。冷凝给热系数随流速增加而增大。 蒸气过热的影响。过热蒸气的冷凝过程是由蒸蒸气过热的影响。过热蒸气的冷凝过程是由蒸气冷却和冷凝两个步骤串联而成，一般来讲，其给热系气冷却和冷凝两个步骤串联而成，一般来讲，其给热系数要比饱和蒸气的给热系数大。但结果相差并不大，所数要比饱和蒸气的给热系数大。但结果相差并不大，所以在工程计算中通常不考虑过热蒸气的冷却过程。以在工程计算中通常不考虑过热蒸气的冷却过程。 冷凝壁面的形状及位置的影响。竖直摆放的冷冷凝壁面的形状及位置的影响。竖直摆放的冷凝管的冷凝液膜由上至下逐渐增厚；水平放置的冷凝管凝管的冷

37、凝液膜由上至下逐渐增厚；水平放置的冷凝管束，上排的冷凝液流到下排，冷凝液逐渐增厚，以上情束，上排的冷凝液流到下排，冷凝液逐渐增厚，以上情况造成了给热系数的减小。为了减小这种情况的影响，况造成了给热系数的减小。为了减小这种情况的影响，工业生产中采用了一些措施，见工业生产中采用了一些措施，见蒸气冷凝器的疏液装置蒸气冷凝器的疏液装置和和旋转管束对冷凝的影响旋转管束对冷凝的影响。（二）液体沸腾给热（二）液体沸腾给热 1、液体沸腾的分类、液体沸腾的分类 按沸腾设备加热面的尺寸和形状可分为大容积沸腾按沸腾设备加热面的尺寸和形状可分为大容积沸腾和管内沸腾。和管内沸腾。 加热面沉浸在无强制对流的液体中所发生的

38、沸腾现加热面沉浸在无强制对流的液体中所发生的沸腾现象，称为大容积沸腾；液体以一定的流速流经加热管时象，称为大容积沸腾；液体以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象，称为管内沸腾。所发生的沸腾现象，称为管内沸腾。 按沸腾液体的主体温度是否达到相应压力下的饱和按沸腾液体的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度，可分为过冷沸腾和饱和沸腾。温度，可分为过冷沸腾和饱和沸腾。 液体主体温度低于饱和温度，而加热面上有气泡产液体主体温度低于饱和温度，而加热面上有气泡产生，称为过冷沸腾；液体主体温度达到饱和温度，离开生，称为过冷沸腾；液体主体温度达到饱和温度，离开加热面的气泡不再重新凝结，称为饱和沸腾。加热面的气

39、泡不再重新凝结，称为饱和沸腾。 2、大容积饱和沸腾曲线、大容积饱和沸腾曲线 图中图中 t为壁面与液体之间的为壁面与液体之间的温度差，即温度差，即 t =tW - -ts， tW为加热为加热壁面温度，壁面温度， ts为液体沸腾温度。为液体沸腾温度。 自然对流给热区。当自然对流给热区。当 t较小较小时（常压下水沸腾时（常压下水沸腾 t o ，则，则K o 若有若有 o i ，则，则K i 。由此可知：当冷、热两流体由此可知：当冷、热两流体的给热系数相差较大时传热系数的给热系数相差较大时传热系数K值总是接近于热阻大的值总是接近于热阻大的一侧流体给热系数一侧流体给热系数 值。要有效地提高值。要有效地提

40、高K值，关键使减小其值，关键使减小其中最大的分热阻，即减小关键热阻。中最大的分热阻，即减小关键热阻。 例题例题4-7mtSQK 所测得的所测得的K值可用来了解正在运行的换热器性能现状，值可用来了解正在运行的换热器性能现状，也可用于物料类似、类型相同换热器设计时参考。也可用于物料类似、类型相同换热器设计时参考。 （三）传热系数的经验数值（三）传热系数的经验数值 见下表见下表 （二）传热系数的测定（二）传热系数的测定 为了获得传热系数为了获得传热系数K值，可对正在运行的换热器进行值，可对正在运行的换热器进行现场测定。通过测定冷、热流体的流量、进出口温度，现场测定。通过测定冷、热流体的流量、进出口温

41、度，换热器的传热面积，换热器的传热面积，用传热基本方程式计算用传热基本方程式计算K值值。列管换热器中传热系数列管换热器中传热系数K的经验值的经验值冷流体冷流体热流体热流体传热系数传热系数/W/（m2 K）水水水水8501700水水气体气体17280水水有机溶剂有机溶剂280850水水轻油轻油340910水水重油重油60280水水水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝14204250气体气体水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝30300水水低沸点烃类冷凝低沸点烃类冷凝4551140水沸腾水沸腾水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝20004250轻油沸腾轻油沸腾水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝4551020 四、四、 传热平均温度差传热平均温度差 （一）恒温

42、传热时的平均温度差（一）恒温传热时的平均温度差 换热器中冷、热两流体的温度在传热过程中恒定不变，换热器中冷、热两流体的温度在传热过程中恒定不变，称为恒温传热。通常间壁两侧流体在传热过程中均有相变称为恒温传热。通常间壁两侧流体在传热过程中均有相变时，就是恒温传热。当热流体的温度为时，就是恒温传热。当热流体的温度为Ts，冷流体的温度，冷流体的温度为为ts时，其平均温度差为时，其平均温度差为 tm= Ts- ts （二）变温传热时的传热温度差（二）变温传热时的传热温度差 传热过程中冷、热两流体中有一个或两个流体温度都传热过程中冷、热两流体中有一个或两个流体温度都有变化时，称为变温传热。有变化时，称为

43、变温传热。1、逆流和并流时的变温传热、逆流和并流时的变温传热冷、热两流体平行同向流动为并流；平行逆向流动为逆流。冷、热两流体平行同向流动为并流；平行逆向流动为逆流。传热平均温度差的确定，工程上用换热器两端冷、热流体温传热平均温度差的确定，工程上用换热器两端冷、热流体温度差的对数平均值，即度差的对数平均值，即小小大大小小大大tttttm ln 式中式中 t大大、 t小小为换热器两端冷热流体温度差中较大为换热器两端冷热流体温度差中较大和较小值。当和较小值。当 t大大/ t小小 2时，时， tm可用可用 t大大和和 t小小的算术平的算术平均值，即均值，即2小小大大tttm （1）一侧流体变温而另一侧

44、流体恒温的变温传热）一侧流体变温而另一侧流体恒温的变温传热 间壁两侧流体温度差分布情况见间壁两侧流体温度差分布情况见一侧流体有相变传一侧流体有相变传热时的温度分布。热时的温度分布。此时平均温度差在逆流和并流时数值此时平均温度差在逆流和并流时数值相同。相同。 （2）两侧流体温度都有变化的变温传热）两侧流体温度都有变化的变温传热此时平均温度差与两流体的相对流向有关。并流和逆流此时平均温度差与两流体的相对流向有关。并流和逆流的的 平均温度差不同，见平均温度差不同，见逆、并流流动的温度分布逆、并流流动的温度分布。例例4-82、错流和折流的变温传热、错流和折流的变温传热错流和折流的温度分布较为复杂，其错

45、流和折流的温度分布较为复杂，其 tm可先按逆流流动可先按逆流流动的平均温度差确定的平均温度差确定 tm逆逆 ，然后再乘以修正系数，然后再乘以修正系数 t。即。即逆逆mtmtt 冷流体的加热程度冷流体的加热程度热流体的冷却程度热流体的冷却程度 1221ttTTR两流体最初温度差两流体最初温度差冷流体的加热程度冷流体的加热程度 1112tTttP 式中修正系数式中修正系数 t可查可查几种流动情况的温度差修正几种流动情况的温度差修正系数系数图获得。图中图获得。图中R和和P两个参数分别为两个参数分别为 t的值恒小于的值恒小于1，可见在冷、热两流体的进出口温度相同，可见在冷、热两流体的进出口温度相同的情

46、况下，折流和错流的的情况下，折流和错流的 tm总是小于逆流时总是小于逆流时 tm 。 在选用和设计换热器时，为了保证有较大的在选用和设计换热器时，为了保证有较大的 tm ，通通常要求常要求 t要大于要大于0.8，若低于此值，则应重新选用另一种，若低于此值，则应重新选用另一种型号的换热器，或采用增加壳程数，改用多台换热器串联型号的换热器，或采用增加壳程数，改用多台换热器串联操作，以提高操作，以提高 t ，使传热过程接近于逆流传热。使传热过程接近于逆流传热。 例例4-8（三）流体流动方向的选择（三）流体流动方向的选择 在恒温传热与仅有一侧流体温度有变化的变温传热在恒温传热与仅有一侧流体温度有变化的

47、变温传热中，两种流体的相对流向对中，两种流体的相对流向对 tm无影响。此时可根据换热无影响。此时可根据换热器结构或操作上的方便来确定流向。器结构或操作上的方便来确定流向。 当间壁两侧流体温度都有变化时，必须考虑流向对当间壁两侧流体温度都有变化时，必须考虑流向对 tm的影响。的影响。 仅从减小所需传热面积和热载体用量两方面考虑，仅从减小所需传热面积和热载体用量两方面考虑，采用逆流操作较为合适。采用逆流操作较为合适。 从流体的热敏性，粘性以及换热管的受热等情况考从流体的热敏性，粘性以及换热管的受热等情况考虑采用并流较为合适。虑采用并流较为合适。 从换热器结构合理性、紧凑性上考虑，采用折流和从换热器

48、结构合理性、紧凑性上考虑，采用折流和错流较为合适。错流较为合适。五、五、 传热过程计算举例传热过程计算举例 一、传热过程的强化和削弱一、传热过程的强化和削弱1 传热过程的强化传热过程的强化1）增大传热平均温度差）增大传热平均温度差2）增大换热器单位体积的传热面积）增大换热器单位体积的传热面积3）增大传热系数）增大传热系数 提高传热系数提高传热系数K是强化传热中最常用的方法。其有效是强化传热中最常用的方法。其有效方法是设法减小关键热阻。当换热器的垢层热阻较小，方法是设法减小关键热阻。当换热器的垢层热阻较小，换热管由薄壁金属管构成，则其两项不构成关键热阻，换热管由薄壁金属管构成，则其两项不构成关键

49、热阻，对流给热热阻为传热过程的主要矛盾。增加给热系数的对流给热热阻为传热过程的主要矛盾。增加给热系数的主要途径是减薄层流内层的厚度，常采用的措施有：主要途径是减薄层流内层的厚度，常采用的措施有： 第六节第六节 换热器换热器（1）提高流速，增强流体的湍流程度以减薄层）提高流速，增强流体的湍流程度以减薄层流内层的厚度。流内层的厚度。（2）增加流体的扰动，以减薄层流内层的厚度。）增加流体的扰动，以减薄层流内层的厚度。（3）利用传热进口段换热较强的特点，流道短）利用传热进口段换热较强的特点，流道短则层流内层薄，采用短管换热器可以提高管程流则层流内层薄，采用短管换热器可以提高管程流体的给热系数。体的给热

50、系数。2 传热过程的削弱传热过程的削弱1）增加绝热层以增加导热热阻。）增加绝热层以增加导热热阻。2）减小设备与周围环境之间的对流）减小设备与周围环境之间的对流-辐射联合传辐射联合传热系数热系数 T。第六节第六节 换热器换热器 一、一、 间壁式换热器间壁式换热器 （一）管式换热器（一）管式换热器 1、蛇管换热器、蛇管换热器 （1） 沉浸式沉浸式蛇管换热器。这种换热器是将金属管绕制蛇管换热器。这种换热器是将金属管绕制成各种与相适应的形状，并沉浸在容器的液体中。蛇管的形成各种与相适应的形状，并沉浸在容器的液体中。蛇管的形状见状见蛇管式蛇管式1、蛇管式蛇管式2。其优点是：结构简单，价格低廉，。其优点是

51、：结构简单，价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是：管外容器内的能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是：管外容器内的流体湍流程度差，给热系数小，平均温度差也较低。主要适流体湍流程度差，给热系数小，平均温度差也较低。主要适用于反应器内的传热，高压以及强腐蚀流体的传热。用于反应器内的传热，高压以及强腐蚀流体的传热。 （2）喷淋式喷淋式换热器。喷淋式换热器常置于室外空气流换热器。喷淋式换热器常置于室外空气流通处，冷却水在空气中汽化也可带走部分热量，增强冷却通处，冷却水在空气中汽化也可带走部分热量，增强冷却效果。其优点是便于检修，传热效果好。缺点是占地面积效果。其优点是便于检修，传热效果好。

52、缺点是占地面积大，喷淋不易均匀。大，喷淋不易均匀。 2、套管式换热器、套管式换热器 见见套管式套管式。优点是结构简单，能承受高压，传热面积。优点是结构简单，能承受高压，传热面积容易增减。缺点是单位传热面的金属消耗量大，不紧凑，容易增减。缺点是单位传热面的金属消耗量大，不紧凑，介质流量较小和热负荷不大，适用于压强较高的场合。介质流量较小和热负荷不大，适用于压强较高的场合。 3、列管式换热器、列管式换热器 见见列列管式换热器原理管式换热器原理。列管式换热器（又称为管壳式。列管式换热器（又称为管壳式换热器）是应用最广的间壁式换热器。它的突出优点是单换热器）是应用最广的间壁式换热器。它的突出优点是单位

53、体积具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好，位体积具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大。在高而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大。在高温、高压以及大型装置中多采用列管式换热器。温、高压以及大型装置中多采用列管式换热器。 在列管式换热器内，由于管内、外的流体温度不同而引在列管式换热器内，由于管内、外的流体温度不同而引起壳体和管束的热膨胀不同。所引起的内应力可能使设备变起壳体和管束的热膨胀不同。所引起的内应力可能使设备变形、管子弯曲、断裂甚至从管板上脱落。因此，必须采取适形、管子弯曲、断裂甚至从管板上脱落。因此，必须采取适当的措施

54、，以消除或减小热应力的影响。目前所采用列管换当的措施，以消除或减小热应力的影响。目前所采用列管换热器形式以及热补偿方式有热器形式以及热补偿方式有 固定管板式换热器。固定管板式换热器。见见单壳程双管程固定管板式换热单壳程双管程固定管板式换热器器。当换热管束与壳体的温度差在。当换热管束与壳体的温度差在6070K，而壳体压强不而壳体压强不超过超过600kPa时，可在壳体上安装膨胀节，依靠膨胀节的弹性时，可在壳体上安装膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形来适应外壳与管束之间的不同膨胀。见变形来适应外壳与管束之间的不同膨胀。见补偿圈补偿补偿圈补偿。 U型管式换热器。型管式换热器。当壳体与管束的温度差或壳体内的当

55、壳体与管束的温度差或壳体内的流体压强较大时，由于膨胀节过厚，难以伸缩，失去了补偿流体压强较大时，由于膨胀节过厚，难以伸缩，失去了补偿作用，就应考虑其它结构进行补偿。见作用，就应考虑其它结构进行补偿。见U型管式补偿型管式补偿。 浮头式换热器。浮头式换热器。浮头式换热器两端的管板中其中有一浮头式换热器两端的管板中其中有一端不与壳体连接，这一端的封头在壳体内与管束一起自由移端不与壳体连接，这一端的封头在壳体内与管束一起自由移动，称为浮头。见动，称为浮头。见浮头式补偿浮头式补偿。浮头有内浮头和外浮头。浮头有内浮头和外浮头两种，浮头在壳体内称为内浮头。这种结构不仅消除了两种，浮头在壳体内称为内浮头。这种

56、结构不仅消除了热应力，而且整个管束可从壳体中抽出，便于管内外的热应力，而且整个管束可从壳体中抽出，便于管内外的清洗和检修。清洗和检修。 （二）板式换热器（二）板式换热器 1、夹套式换热器、夹套式换热器 见见夹套式夹套式。夹套式换热器的结构简单，但由于加热。夹套式换热器的结构简单，但由于加热面积受到容器壁面的限制，传热面较小且传热系数不大面积受到容器壁面的限制，传热面较小且传热系数不大。这种换热器主要用于反应过程的加热和冷却。这种换热器主要用于反应过程的加热和冷却。 2、螺旋板式换热器、螺旋板式换热器 螺旋板式换热器外形见螺旋板式换热器外形见螺旋板式成品螺旋板式成品1和和螺旋板式成螺旋板式成品品

57、2。结构见。结构见螺旋板式内部结构螺旋板式内部结构。冷、热两流体在换热器。冷、热两流体在换热器内的流动情况见内的流动情况见螺旋板式流程螺旋板式流程。 螺旋板换热器具有传热系数大；冷热流体在通道内可螺旋板换热器具有传热系数大；冷热流体在通道内可作纯逆流流动，其平均温度差大；在热流体的出口端，作纯逆流流动，其平均温度差大；在热流体的出口端，热、冷两流体的温度差可控制的很小，这样能充分利用热、冷两流体的温度差可控制的很小，这样能充分利用低温热源；结构紧凑，即单位体积换热器传热面积大等低温热源；结构紧凑，即单位体积换热器传热面积大等的优点的优点 主要缺点是：操作压强和温度不宜太高，目前最高的主要缺点是

58、：操作压强和温度不宜太高，目前最高的操作压强不超过操作压强不超过2MPa，温度在温度在700K以下；不易检修，由以下；不易检修，由于换热器被焊接为一体，一旦损坏，修理很困难。于换热器被焊接为一体，一旦损坏，修理很困难。 3、平板式换热器、平板式换热器 平板式换热器外形见平板式换热器外形见板式实物照片板式实物照片；其中板片之间；其中板片之间的安排见的安排见板式板式内部结构内部结构；板片之间密封见；板片之间密封见板式密封垫板式密封垫；各种板片结构见各种板片结构见板式板式Freeflow系统系统1、板式板式Freeflow系统系统2、板式板式Varitherm系统系统1和和板式板式Varitherm

59、系统系统2。平板式换。平板式换热器内冷、热两流体换热情况见热器内冷、热两流体换热情况见板式工作原理板式工作原理。 平板式换热器的主要优点是：传热系数大平板式换热器的主要优点是：传热系数大；结构紧凑，结构紧凑，单位体积换热器可提供传热面积大；具有可拆结构，可用单位体积换热器可提供传热面积大；具有可拆结构，可用调节板片数目的方法增减其传热面积，检修和清洗都比较调节板片数目的方法增减其传热面积，检修和清洗都比较方便。方便。 其主要缺点是：操作压强和温度都不能太高。压强过高其主要缺点是：操作压强和温度都不能太高。压强过高容易泄漏，一般压强不宜超过容易泄漏，一般压强不宜超过2Mpa；操作温度受到垫片材操

60、作温度受到垫片材料耐热性能的限制，一般不超过料耐热性能的限制，一般不超过250 oC。另外由于板间距另外由于板间距离仅有几毫米，流速又不大，不宜处理容易结垢的物料，离仅有几毫米，流速又不大，不宜处理容易结垢的物料，单机处理量也小。单机处理量也小。 4、翅片式换热器、翅片式换热器 （1）翅片管换热器）翅片管换热器 翅片管换热器是在换热管的表面上翅片管换热器是在换热管的表面上加装翅片制成。常见的翅片有横向和纵向两类，见加装翅片制成。常见的翅片有横向和纵向两类，见常见的常见的几种翅片管形式几种翅片管形式和和翅片式翅片式 。 换热管上装置了翅片后，可增加传热面积和改善翅片侧换热管上装置了翅片后，可增加传热面积和改善翅