第4章 热量传递及设备

1、 热量的传递是一个能量转移的过程，即传热过程。由热力热量的传递是一个能量转移的过程，即传热过程。由热力学第二定律，有温度差存在，热量会自发地从高温处传递到低学第二定律，有温度差存在，热量会自发地从高温处传递到低温处。而温度差在自然界及工程技术中是广泛存在的，因此，温处。而温度差在自然界及工程技术中是广泛存在的，因此，传热在自然界和化工生产中很普遍，如：传热在自然界和化工生产中很普遍，如： 物料反应的加热、物料反应的加热、冷却；冷却；造纸生产中原料的蒸煮、纸张的干燥；造纸生产中原料的蒸煮、纸张的干燥；材料加工中材料加工中窖炉的传热等。窖炉的传热等。4 4 热量传递及设备热量传递及设备4.1 概述

2、概述 为了达到和保持所需温度，反应物进入反应器前后需要加为了达到和保持所需温度，反应物进入反应器前后需要加热或冷却。热或冷却。 有些单元操作，如精馏、蒸发、干燥、结晶等都需要到达有些单元操作，如精馏、蒸发、干燥、结晶等都需要到达指定的温度要求。指定的温度要求。 设备和管道在高温或低温下操作，需要保温或保冷，减少设备和管道在高温或低温下操作，需要保温或保冷，减少热量损失。热量损失。 热能的综合利用和回收余热。热能的综合利用和回收余热。4.1.1 传热过程及其应用传热过程及其应用 将冷热流体在换热器中直接混合的方式进行热量交换，具有传热效率高，设备简单。缺点：不同流体间产生了混合。4.1.2 冷、

3、热流体接触传热方式冷、热流体接触传热方式a 直接接触式传热直接接触式传热b b 蓄热式传热蓄热式传热换热设备中有蓄热器，蓄热器内装有填充物(如耐火砖)，冷热流体交替流过填充物，填充物交替地被冷却或加热，先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。特点：设备体积庞大，且不能完全避免两流体的混合，要求允许两流体有一定程度的混合而对生产无影响。c 间壁式传热间壁式传热 套管式换热器：套管式换热器：典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器特征：两根直径不同的管子同心组合特征：两根直径不同的管子同心组合套管换热器套管换热器 列管式换热器列管式换热器 列管式换热器是目前化工生产上应用最广的

4、一种换热器。主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。材质可采用普通碳钢、紫铜或不锈钢制作。 管程流体：走管内的流体。壳程流体：走管外的流体。提问：图中，提问：图中，A流体为什么流体？流体为什么流体？B流体为什么流体？流体为什么流体？l管程、壳程，通常设置n个隔板，使得全部管束分为n个部分，目的是： 提高流速 增加湍动 提高传热效果。缺点是增加了流体阻力及换热器结构的复杂性。a.热传导（导热） 定义：当物体内存在温差或温度不同的物体间相对静止接触时，热量通过分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动从高温处传至低温处，这种传热过程称为热传导，简称导热。 其机理很复杂，至今尚未完全了解。 金属

5、固体：热传导由自由电子的运动引起； 不良导体的固体和大部分液体（除了汞）：由分子或原子在晶格上振动引起，晶格的振动把能量传递给相邻的分子或原子； 气体的导热：分子热运动引起。 遵循定律：傅里叶定律。4.1.3传热的基本方式（共三种）传热的基本方式（共三种）b.对流传热 定义：流体内质点或流体间发生宏观相对位移而引起的热传递过程。是流体质点的运动、碰撞、混合的结果。 特点：流体中才能产生； 质点的质量大于分子质量，因此，对流传热速率比导热速率大。 产生原因两种：自然对流和强制对流。自然对流是由于温度不同，密度不同，轻、重流体质点产生相对位移，强制对流是外力使质点强制运动。 遵循定律：牛顿冷却定律

6、。c热辐射 定义：热物体通过发射电磁波来传递能量的过程。凡物体温度大于绝对零度时，均能发射电磁波，但热效应显著的电磁波范围是在可见光和红外光波段。它不依赖任何外界条件而进行。机理：电磁波的发射起因于物体中原子内的电子振动。 特点： 辐射传热还伴随有能量形式的转换； g、L、S都能发生热辐射； 任何物体绝对零度以上，都能发射辐射能； 物料温度较高时，热辐射才成为主要的传热方式。遵循定律：斯蒂芬玻耳兹曼定律。第二节第二节 热传导热传导4-2-1 温度场和温度梯度温度场和温度梯度4-2-2 导热速率导热速率-傅里叶定律傅里叶定律4-2-3 热传导系数热传导系数4-2-4 平壁的导热平壁的导热4-2-

7、5 圆筒壁的稳定导热圆筒壁的稳定导热4-2-6 球壳的稳定导热球壳的稳定导热4-2-7 保温层的临界厚度保温层的临界厚度4-2-8 具有内热源的稳定热传导具有内热源的稳定热传导1 1 温度场温度场 温度场：描述任一物体或系统内各点的温度分布与时间的关系温度场：描述任一物体或系统内各点的温度分布与时间的关系l非稳态温度场非稳态温度场l稳态温度场稳态温度场l一维稳态温度场一维稳态温度场),(zyxft ),(zyxft xft 0ztyt0t温度场和温度梯度温度场和温度梯度1.2 温度梯度温度梯度温度沿等温面垂直方向的变化率。是矢量，指向温度增加温度沿等温面垂直方向的变化率。是矢量，指向温度增加的

8、方向的方向ntntgradtn0limdxdtgradt 等温面：温度场中任一瞬间下相同温度各点所组成的面。等温面：温度场中任一瞬间下相同温度各点所组成的面。 等温面彼此不能相交等温面彼此不能相交ttttntnnAd法向等温面等温面、温度梯度与热流方向 通过等温表面的热传导速率与温度梯度及传热面积成正比。通过等温表面的热传导速率与温度梯度及传热面积成正比。lQ Q： 热传导速率，其方向与温度梯度的相反，热传导速率，其方向与温度梯度的相反，WWlA A： 导热面积，导热面积，mml ：热传导系数，：热传导系数，W/m.CW/m.CntdAdQntdAdQ导热速率导热速率-傅里叶定律傅里叶定律2.

9、1 热传导系数的物理意义及数值范围热传导系数的物理意义及数值范围l 在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量l 表征物质导热能力的大小，是物质的物性参数表征物质导热能力的大小，是物质的物性参数l 导热系数由实验测定导热系数由实验测定 物质导热系数的数量级物质导热系数的数量级物质种类物质种类气体气体液体液体非导固体非导固体金属金属绝缘材料绝缘材料,W/. 0.0060.60.0154200.25ntdAdQ导导 热热 系系 数数3.温温 度度 的的 影影 响响压压 强强 的的 影影 响响组组 成成 的的 影影 响响聚聚 结结 状状 态态材材 料料

10、结结 构构2 2 热传导系数数值影响因素热传导系数数值影响因素)1 (0at0161026242012各种液体的热导率水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /H2O85.98/(Wm-11）475153555759491无水甘油2蚁酸3甲醇4乙醇5蓖麻油6苯胺7醋酸8丙酮9丁醇10硝基苯11异丙苯12苯13甲苯14二甲苯15凡士林油20601001400161026242012各种液体的热导率水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /H2O85.98/(Wm-11）475153555759491无水甘油2蚁酸3甲醇4乙醇5蓖

11、麻油6苯胺7醋酸8丙酮9丁醇10硝基苯11异丙苯12苯13甲苯14二甲苯15凡士林油20601001403 导热系数的来源导热系数的来源412653t / 0782004006001000800几种气体的热导率165432102/(Wm-11）1水蒸气2氧气3二氧化碳4空气5氮气6氩气412653t / 0782004006001000800几种气体的热导率165432102/(Wm-11）1水蒸气2氧气3二氧化碳4空气5氮气6氩气l传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧温差为1度（K，），1小时内通过1平方米面积传递的热

12、量，单位是瓦/平方米度（W/K，此处K可用代替）。 l导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,），在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米度（W/mK，此处为K可用代替）。导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米度以下的材料称为高效保温材料。l导热系数一般是针对于热传导而言，单位为W/mK; l传热系数一般是针对于对流传热而言，单位为W/m2K 4 4 溶液和混合气体的导热系数溶液和混合气体

13、的导热系数有机化合物水溶液的导热系数有机化合物水溶液的导热系数10.9nmiiiw有机化合物互溶混合液的导热系数有机化合物互溶混合液的导热系数1nmiiiw常压下混合气体导热系数常压下混合气体导热系数1313iiimiiyMy M平平 壁壁 的的 导导 热热 4.1 单层圆筒壁热传导单层圆筒壁热传导圆筒壁的稳定导热圆筒壁的稳定导热5.2 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导2球壳的稳定导热球壳的稳定导热6.r1r2rr1rr2drt1t2t221122124411rtrtdtQrdrdrQdtrrr 12根据傅里叶定律，球壳导热速率：分离积分变量（）Q=4(t -t )12124()11ttQ

14、rr保温层的临界厚度保温层的临界厚度7.r1r2管外径管外径r r1 1，温度，温度t t1 1；保温层外径；保温层外径r r2 2，温度，温度t t2 2，大气温度，大气温度t te e12121ln2ttQrrL2222()eQr L tt 管与保温层热传导：管与保温层热传导：保温层与大气对流传热：保温层与大气对流传热：112212ln122ettQQQrrLr L 对对r r2 2求导求导cr20dQdr具有具有内热源内热源的稳定热传导的稳定热传导8.22witrtrdtrdrdtrdrqdtrdrqdtrdr 1222圆筒壁的导热速率：Q =-2L圆筒壁内放热强度为q的热源:Q =qr

15、 L-2Lqr L简化：积分：221 ( ) 4iwiq rrttr思考题：思考题：气温下降，应添加衣服，应把保暖性气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？QQl穿在里面。 所谓保温就是防止人体热量向外流失，而温差越大，单位时间热传导的速率越快。 所以，应该把保温好的穿在最里面，首先就在第一温差下阻止热量流失。 第三节 对流传热l4-3-1 4-3-1 对流传热分析对流传热分析l4-3-2 4-3-2 对流传热系数对流传热系数l4-3-3 4-3-3 对流传热过程量纲分析对流传热过程量纲分析l4-3-4 4-3-4 流体无相变时的

16、对流传热系数流体无相变时的对流传热系数l4-3-5 4-3-5 蒸气冷凝对流传热系数蒸气冷凝对流传热系数l4-3-6 4-3-6 沸腾传热对流传热系数沸腾传热对流传热系数4-3-1 4-3-1 对流传热分析对流传热分析1 1 对流传热分析和热边界层对流传热分析和热边界层2 对流传热速率方程对流传热速率方程牛顿冷却定律（加热）：牛顿冷却定律（加热）： dS:微元传热面积，微元传热面积，m2 dQ:局部传热速率，局部传热速率，w T：任意截面流体的温度，：任意截面流体的温度， Tw：任意截面传热壁的温度，：任意截面传热壁的温度， ：对流表面传热系数，：对流表面传热系数，Wm-2K-1()WdQad

17、S TT4-3-2 对流传热系数对流传热系数1 对流传热系数的物理意义对流传热系数的物理意义()wdQadS ttbwdtattdybdtdQdSdy 意义：单位温度差、单位传热面积的对流传热速率，单位：意义：单位温度差、单位传热面积的对流传热速率，单位：W/(. )对流传热系数不是流体的物性参数。对流传热系数不是流体的物性参数。流体的种类和相变化的情况流体的种类和相变化的情况流体的物性流体的物性流体的温度流体的温度流体的流动状态流体的流动状态流体流动的原因流体流动的原因2 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素2 对流传热的类型对流传热的类型l1 流体强制对流传热流体强制对流传热 由于

18、外界机械能的输入，流体被迫流过固体壁面。由于外界机械能的输入，流体被迫流过固体壁面。l2 流体自然对流传热流体自然对流传热 因温度差而产生密度差，引起流体对流流动。因温度差而产生密度差，引起流体对流流动。l3 蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热 蒸汽遇到温度低的冷固体壁面时，放热并冷凝成液体，在重力作用下蒸汽遇到温度低的冷固体壁面时，放热并冷凝成液体，在重力作用下沿壁面流下。沿壁面流下。l4 液体沸腾传热液体沸腾传热 液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生气泡，气泡上浮时液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生气泡，气泡上浮时因液体继续气化而长大的传热类型。因液体继续气化而长大的传热类型。4-

19、3-3 对流传热过程量纲分析对流传热过程量纲分析1 量纲分析与特征数量纲分析与特征数4-3-3 对流传热过程量纲分析对流传热过程量纲分析1 量纲分析与特征数量纲分析与特征数定律？量纲为一的数群的数目等于变量数定律？量纲为一的数群的数目等于变量数n n与基本量纲数与基本量纲数m m之差之差l两规模不同的流动保持相似所遵循的准则中出现的表征某些物理效应，由多个物理量构成的无量纲组合量。又称相似参数或无量纲参数。l根据相似理论，在保持几何相似的前提下，两个规模不同的流动保持相似的条件是，所有对流动有影响的上述无量纲组合量必须保持对应相等，故它们称为相似准数。l将流动的基本方程无量纲化或根据定理，都能

20、导出相似准数。实际流动总是受多个物理效应制约，因而可导出多个相似准数。但对某一具体流动，或涉及流动的某一具体方面，通常只有一、二个相似准数起主导作用，如粘性流动中是雷诺数什么是准数？什么是准数？二二 应用特征关联式时应注意的问题应用特征关联式时应注意的问题 定性温度：各准数的物理性质按什么温度确定。定性温度：各准数的物理性质按什么温度确定。 进出口的平均温度进出口的平均温度 壁面的平均温度壁面的平均温度 流体和壁面的平均温度流体和壁面的平均温度 定型尺寸：定型尺寸：Nu，Re数中数中L应如何选定。应如何选定。 de=4流动截面积流动截面积 传热周边传热周边 特征速度：在特征速度：在Re数中流体

21、的速度如何确定。数中流体的速度如何确定。 热流方向：对表面传热系数热流方向：对表面传热系数a的影响。的影响。4-3-4 流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数自然对流传热自然对流传热4.管外强制对流传热管外强制对流传热3.流体在管内作强制层流流体在管内作强制层流2.流体在管内作强制湍流流体在管内作强制湍流1.（1 1）低粘度（）低粘度（2 T T2 2 物体物体2 2：黑体、黑体、E Eb b、A A2 2=1=1、T T2 2 物体物体1 1辐射传热的结果：辐射传热的结果： q = Eq = E1 1A A1 1E Eb b 达平衡：达平衡：q = 0 q = 0 ，T T1

22、1=T=T2 2 则则E E1 1= A= A1 1E Eb b 克希霍夫定律克希霍夫定律: : E Eb b=E=E1 1/A/A1 1= E= E2 2/A/A2 2=E=E3 3/A/A3 3= E/A= f(T)= E/A= f(T) 任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力黑体的辐射能力, ,即仅和物体的绝对温度有关。即仅和物体的绝对温度有关。 A A、在数值比上相等，物理意义不同。在数值比上相等，物理意义不同。4100TACEo1E1bAEbE1(1)bA E4-4-3 两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热.)1 (

23、.)1 (222121122221212121RRRRAERRRRAEq2122212111.1RRRRRR两平行平板单位时间内单位表面积上净的辐射两平行平板单位时间内单位表面积上净的辐射传热通量传热通量q q1-21-2即为两板间辐射的总能量之差：即为两板间辐射的总能量之差：2121211RRAEq21121RRAE2112211RRAEAE )1)(1 (1211221AAAEAE21211221AAAAAEAE 4111100TCEo4222100TCEo42412121100100TTCqA1 =1 1,A,A2 2 =2 2C1-2为总辐射系数为总辐射系数对两个很大的平行板间辐射，则

24、对两个很大的平行板间辐射，则11121021CC0211111CCC 42412121100100TTACQ若平行的平板面积为若平行的平板面积为A，则辐射的传热速率为，则辐射的传热速率为42412121100100TTACQQ1-2为净的辐射传热速率，为净的辐射传热速率，W；C1-2为总辐射系数；为总辐射系数；A为辐射面积，为辐射面积，m2； 为几何因素为几何因素T1，T2为高温和低温表面的热力学温度，为高温和低温表面的热力学温度，K；影响辐射传热的主要因素影响辐射传热的主要因素辐射物体间介质影响辐射物体间介质影响4.黑度影响黑度影响3.温度影响温度影响2.两物体几何位置影响两物体几何位置影响

25、1.42412121100100TTACQ4-4-4 对流与辐射联合传热对流与辐射联合传热设备的外壁温度高于环境温度，热由壁面以对流和辐射两种方式散失于环境中设备的外壁温度高于环境温度，热由壁面以对流和辐射两种方式散失于环境中441 2441 2()()() 100100()()() 100100() ()()cwwRRwwRwCRRwTwwQaS ttTTQCSQa S ttTTCttQQQaaS ttQa Stt对流传热速率方程：辐射传热速率方程：辐射传热速率方程改写：则：a总的能量损失为：或Q Qc c：对流热损失；：对流热损失；Q QR R：辐射热损失；：辐射热损失；a aT T：对流

26、：对流- -辐射联合辐射联合表面传热系数；表面传热系数；t tw w：表示壁面温度；：表示壁面温度；t t：表示外界温度：表示外界温度tw环环境境 tcRConvection Radiation （1 1）空气自然对流时）空气自然对流时01509.80.07()9.40.052()wTwTwtCattatt当壁温时，在平壁保温层外在管或圆筒壁保温层外：110.785;6.24.25;7.8TTum sauum sau当空气流速空气的流速（2 2）空气沿粗糙面强制对流时）空气沿粗糙面强制对流时第五节第五节 总传热速率和传热过程的计算总传热速率和传热过程的计算l4-5-1 总传热速率方程总传热速率

27、方程l4-5-2 热量衡算热量衡算l4-5-3 总传热系数总传热系数l4-5-4 平均温度差平均温度差l4-5-5 壁温的估算壁温的估算l4-5-6 传热效率法传热效率法4-5-1 总传热速率方程总传热速率方程dQ = K (T-t) dA = Kt dAAAAmmmmmiitAKtAKtAKQ00Ai, A0, Am4-5-2 热量衡算热量衡算qm,hCp,h,t1qm,c, Cp,c,t1t2t2若换热器内两种流体均无相变，且流体的比定压热容若换热器内两种流体均无相变，且流体的比定压热容不随温度变化时，热量衡算可表示为：不随温度变化时，热量衡算可表示为：)()(12,21.,ttCqttC

28、qQcpcmhphmu若换热器中流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝，冷凝液若换热器中流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。在饱和温度下离开。式中：式中：r为饱和蒸气的潜热，为饱和蒸气的潜热，J/kg; Cp,c为冷却剂的比定压热容，为冷却剂的比定压热容，J/kg Ku若冷凝液温度低于饱和温度离开换热器若冷凝液温度低于饱和温度离开换热器式中：式中：Cp,h为冷凝液的比定压热容，为冷凝液的比定压热容，J/kg K； ts为饱和蒸汽温度，为饱和蒸汽温度，)(12,ttcqrqQcpcmhm)()(12,2,ttcqttCrqQcpcmshphm管内壁热量：热流体对流传热管外壁热传导 冷

29、流体对流传热各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体： 管壁导热： 管外侧流体：,()iiihh wQa A tt,()/mmh wc wQAttb000,()c wcQa A tt热流体冷流体thtcth,wtc,w各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体：各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体：各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体： 管壁导热：各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体： 管外侧流体： 管壁导热：各部分传热速率方程：各部分传热速率方程：管内侧流体：4-5-3 4-5-3 总传热系数总传热系数1 1总传热系数总传热系数K

30、K值的计算值的计算热流体冷流体thtcth,wtc,w对稳态传热对稳态传热:imoQQQQ,1hh wh wc wiimttttQba AA,001c wctta A0011hciimttba AAa A因此，QRt00111iimbRKAa AAa A令：()hcKA tt总传热速率方程：Q 式中，式中，K K 总传热系数，总传热系数，W/mW/m22K K。 注意：注意： K K 与与 A A 对应，选对应，选A Ai i、A Am m 或或 A A0 0 000011111iimmiimbK AK AK Aa AAa A）代替（用平均传热温差tttmmtKAQ总传热速率方程：)()(12

31、,21,cccpcmhhhphmmttcqttcqtKA无相变，rqttcqtKAcmhhhphmm,21,)(有相变，故稳态传热时，故稳态传热时，总传热系数计算公式总传热系数计算公式000011111,mmiimiiiioommbK AK Aa AAa AK AdAddl dAd dl dAd dl式中：则：0011iiiimbddKada d11oooiimodbdKa dda传热系数和传热面积传热系数和传热面积mtKAQKAtm1K 传热系数传热系数，表示换热设备性能的重要参数。表示换热设备性能的重要参数。(1) (1) K K的计算的计算 在实际生产中以外表面积在实际生产中以外表面积A

32、 A0 0作为传热面积。作为传热面积。K K的来源：的来源： 实验测定；实验测定； 取生产实际的经验数据；取生产实际的经验数据； 计算求得。计算求得。2污垢热阻污垢热阻Ri 和和 RO00000011iiimddbdRRKaddda000000111iiiimRRbK Aa AAAAa A000001111oioiiimKKAAAbRRKKa AAAa将用 表示，则有：0000111iimbK Aa AAa A实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：000111oioiiimdddbRRKa ddda圆管中：圆管中： ioiomdddddln其中，）（近似取：iomd

33、dd21LdA00平壁：平壁：moiAAA211111iooimibRRKKKaa3控制热阻控制热阻l从上面的式子可以看出，提高总传热系数，需设从上面的式子可以看出，提高总传热系数，需设法减小热阻，而传热过程中各层热阻的值并不相法减小热阻，而传热过程中各层热阻的值并不相等，等，其中热阻最大的一层就是传热过程中的控制其中热阻最大的一层就是传热过程中的控制热阻热阻。只有设法降低控制热阻，才能较大的提高只有设法降低控制热阻，才能较大的提高传热速率。传热速率。l当管壁热阻均可忽略时：当管壁热阻均可忽略时：111oiKaa【例题【例题】4-5-4 平均温度差平均温度差几点假设：几点假设：稳态传热稳态传热

34、两流体的比定压热容均为常数两流体的比定压热容均为常数K为常数为常数忽略热损失忽略热损失（1） 恒温传热恒温传热（两侧流体温度恒定）整台换热器分析，并建立传热速率方程整台换热器分析，并建立传热速率方程mmmmoomiitAKtAKtAKQmtKAttKAQ)(tt 沿管长某截面取微元传热面积dA，tdAKdQ,m hp hm cp cdQqcdTqcdt传热速率方程传热速率方程：热量衡算方程热量衡算方程：T1T2t1t2T1T2t1t2（2）并流或逆流变温传热）并流或逆流变温传热 当当q qmhmhc cphph、 q qmcmcc cpcpc= =常数时，常数时， Q-Q-T T、 Q-Q-t

35、 t为线性关系，为线性关系， 所以，所以， Q-(Q-(T T- -t t) )也为线性关系也为线性关系。QttdQtd12)(QtttdAKtd12)(AttdAQttttdK01221)(1,m hp hdQqcdTcpcmcqdtdQ,m hp hm cp cdQqcdTqcdtmtKAttttKAQ1212lnT1t2T2 传热量dTdtdAdt1t=T-t 平均传热温度差的推导平均传热温度差的推导Q t2 t11212lntttttm对数平均温度差：说明：说明： 并流：并流： 逆流：逆流：112tTt 221tTt111tTt222tTt)(212/2121tttttm时，可近似取进

36、、出口条件相同时， 并逆,mmtt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）。【例题【例题】3错流和折流时平均温度差错流和折流时平均温度差11212 错流和折流示意图1.00.0p校正系数tR=4.02.01.00.8th1tc2th2tc13.00.60.4单壳程对数平均温度差的校正系数t值0.0p校正系数tR=4.02.01.00.8th1tc2th2tc

37、13.00.60.4单壳程对数平均温度差的校正系数t值0.21.5p1.00.0校正系数tR=4.02.01.00.8th1tc2th2tc13.00.60.4双壳程对数平均温度差的校正系数t值0.21.5p1.00.0校正系数tR=4.02.01.00.8th1tc2th2tc13.00.60.4双壳程对数平均温度差的校正系数t值0.21.5【例题【例题】查图查图4-394不同流动形式的比较不同流动形式的比较4-5

38、-5 壁温的估算壁温的估算 4-5-6 4-5-6 传热效率传热效率-传热单元数法传热单元数法 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,12,21()()m hp hm cp cmqcTTqcttKA t ,1,21, , ;m hp hm cp cqcTqct t已知条件：2,mtKA假定可用热流量衡算方程求得T 由此可求得借助于假定的传热系数总之，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，或者可以冷、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。通过热流量衡算达到已知，无须试差。 操作型

39、计算操作型计算 已有一台面积为已有一台面积为A 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，1122tt已知T、 ，但T、 和Q未知22,mmmttTtKA tQ 因此无法计算 显然必须试差，即假定若采用若采用19551955年由凯斯导出的传热效率及传热单元数法，则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。能避免试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 T1 1- -t t1 1）maxmax，这将取决于两流体热容量流

40、率这将取决于两流体热容量流率( (q qm mc cp p) )的相对大小。的相对大小。 1221()()mhphmcpcQqcTTq ctt112121mcmhqqtAtTt 若：， ，T则：或Tt1T2 t1T2T2T1t1t2传热温度传热T1 t2温度温度传热逆 流 传 热 效 果 示 意 图,min1212max,min11112()()()(),.m hP hhm hP hhqcTTTTQQqcTtTt若 已知 则可求得T并流：并流：t1T2 t2T1T2T1t2t1传热温度温度传热 并流传热效果示意图21211cctttTt同理：若 已知，则可求得传热单元数传热单元数NTU (Th

41、e Number of Transfer Units )NTU (The Number of Transfer Units ),)m hp hm cp cdQqcdTqcdtKt dA（T,m hp hdTKdATtqc对于热流体，则有120,TAhTm hp hdTKdANTUTtqc12,hmm hp hTTKANTUtqc温度传热面积tc1th2th1tc2dthdtcdA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CNTU,21,cmm cp cttKANTUtqc 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 传热单元数物理意义：传热单元数物理意义：单

42、位传热推动力引起的温度变化；单位传热推动力引起的温度变化； 表明了换热器传热能力的强弱。表明了换热器传热能力的强弱。 单程并流为例，假设冷流体为最小值流体单程并流为例，假设冷流体为最小值流体,minmin,max,maxp cm cm hp hRCCqcCqcCC11221122()()lnmQKS tTtTtTtTtm由传热速率方程得对流平均温差为： t为便于工程计算，将、NTU、R之间关系绘制成曲线1.00.64.03.00.02.05.01.00.8NTU 单程逆流换热器中与NTU和R间的关系R=051.0th1tc2th2tc1K=常数iiiiRR

43、NTU11exp1）（单程并流换热器：1.00.64.03.00.02.05.01.00.8NTU图4.6.11单程并流换热器中与NTU和R间的关系R=00.50.751.0th1tc2th2tc1K=常数0.25(3) 应应 用用已知R和NTU，可求得， 进而求t2 和t2 ， 可避免试差计算。注意：注意：设计型计算：已知设计型计算：已知t th1h1，t th2h2，t tc1c1 ，q qmcmc，q qmhmh，K K，求传热面积，求传热面积A A；采用对数平均温度差法采用对数平均温度差法操作型计算：操作型计算： 已知已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求求

44、th2 、tc2、Q。采用传热效率法，不必试算。采用传热效率法，不必试算。【例题【例题】 在一传热面积为在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为油加热冷水。油的流量为2.85kg/s，进口温度为，进口温度为110；水；水的流量为的流量为0.667kg/s，进口温度为，进口温度为35。油和水的平均比热。油和水的平均比热容分别为容分别为1.9kJ/(kg)及及4.18 kJ/(kg)。换热器的总传热。换热器的总传热系数为系数为320W/（m2）试求水的出口温度及传热量。）试求水的出口温度及传热量。515. 054152788maxminCC8 .

45、 127888 .15320)(minminCKSNTU73. 01112tTtt21()0.667 4180(89.835)152.8mcpcQq ctt解：本题用解：本题用NTUNTU法计算。法计算。 q qh hc cphph=2.85=2.851900=5415W/1900=5415W/ q qc cc cpcpc=0.667=0.6674180=2788W/4180=2788W/ 故水（冷流体）为最小热容量流体。故水（冷流体）为最小热容量流体。 查图得查图得=0.73=0.73。因冷流体为最小热容量流率流体，故由传热效率定义式得因冷流体为最小热容量流率流体，故由传热效率定义式得 解得

46、水的出口温度为解得水的出口温度为 t t2 2=0.73(110=0.73(11035)+35=89.835)+35=89.8换热器的传热量为换热器的传热量为 第六节第六节 换热器换热器4-6-1 常用换热器常用换热器4-6-2 强化传热技术及新型的传热设备强化传热技术及新型的传热设备4-6-3 列管式换热器的设计与选择列管式换热器的设计与选择 按用途按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。 按传热特征按传热特征 直接接触式直接接触式：冷、热直接混合：冷、热直接混合。 蓄热式蓄热式： 4-6-1 4-6-1 常用换热器常用换热器间壁式间壁式：冷

47、、热两流体由金属壁隔开，不直接接触， 热流体冷流体thtcth,wtc,w流体通过间壁的热交换冷流体热流体热流体冷流体 蓄热式换热器示意图 一一 间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型1 夹套换热器夹套换热器 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液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。加热蒸汽釜冷凝水物料物料搅拌器 夹 套 式 换 热

48、 器 2 2 蛇管式换热器蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器）沉浸式蛇管换热器 结构：结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 优点：优点：结构简单，便于防腐，能承受高压结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：缺点：由于容器体积比管子的体积大得多由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的因此管外流体的表面传热系数较小。表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。 蛇 管 的 形 状(2) 喷淋式换热器喷淋式换热器 结

49、构：结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。 优点优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。 缺点：喷淋不易均匀。缺点：喷淋不易均匀。直管水槽 喷 淋 式 冷 却 器3 套管式换热器套管式换热器 结构：结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段

50、直管称作一程。形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。 优点：优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。 外管内管套 管 式 换 热 器4 列管式换热器列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。热器，历史悠久，占据主导作用。 优点：优点：单位体积

51、设备所能提供的传热面积大，传热效果单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。型装置中普遍采用。 结构：结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 重点介绍：重点介绍：固定管板式固定管板式 浮头式浮头式 U型管式。型管式。 列管式换热器的结构列管式换

52、热器的结构 结构：结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称为管程；一种流体在管内流动，其行程称为管程； 另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。 管束的壁面即为传热面。管束的壁面即为传热面。 管束结构结构示意 单程：单程： 流体在管内每通过管束一次流体在管内每通过管束一次 一管程；一管程； 流体在管外流体在管外每通过壳体一次每通过壳体一次 一壳程一壳程 。 多程：多程： 多管程多管程：封头内设置分程隔板：封头内设置分程隔板 单管程单管程多管程。多管程。 多壳程多壳程： 相当于单壳程串联，传热面积

53、相当于单壳程串联，传热面积。单管程固定管板换热器tc1tc2th1th2双管程固定管板换热器单双SS21ndSi24单LndAA0单双流通截面积：流通截面积：传热面积：传热面积：说明：说明：管程数，流通截面积，管内流速，hi ，强化传热。单管程换热器管、壳程流体流动单管程换热器管、壳程流体流动安装：安装：上下安装，常用；上下安装，常用； 左右安装，排液不畅时采用。左右安装，排液不畅时采用。常用形式常用形式：弓形，圆盘形弓形，圆盘形。 折流挡板折流挡板作用：作用：提高壳程流体湍动程度提高壳程流体湍动程度( (Re1800 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

54、；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器流体在壳内的流动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：原因：管、壳温度不同，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

55、变形固定管板式固定管板式 安装膨胀节；浮头式浮头式 本身具有补偿能力；U形管式形管式 本身具有补偿能力。分类：分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：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。(1) 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

56、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浮头式换热器特点：特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；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：适用：应用广泛。应用广泛。 （2）浮头式换热器）浮头式换热器 （3）U形管式换热器形管式换热器特点：特点：具有温度补偿作用；具有温度补偿作用； 管程不易清清洗。管程不易清清洗。适用：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。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:U型管式换热器U型管式换热器U型管式换热器等待出厂的列管换热器产品等待出厂的列管换热器产品

57、列管式换热器实物图列管式换热器实物图工人正在用高压热水，清洗管束外工人正在用高压热水，清洗管束外壁的污垢。可以清楚看到折流板。壁的污垢。可以清楚看到折流板。 一个蒸馏工段，就有整齐排列的几十一个蒸馏工段，就有整齐排列的几十个列管换热器。个列管换热器。5 其他类型的换热器其他类型的换热器优点：优点：总传热系数高总传热系数高不易结垢和堵不易结垢和堵塞塞 能充分利用低能充分利用低温热源温热源结构紧凑结构紧凑缺点：缺点： 操作压强和温操作压强和温度不宜太高度不宜太高不宜检修不宜检修（1）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器螺旋板式换热器实物图螺旋板式换热器实物图这就是等待出厂的螺旋板式换热器产品 这是烧碱厂的螺旋板式换热器这是烧碱厂的螺旋板式换热器 （2）板式换热器）板式换热器优点：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。缺点：缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。板式换热器流向示意图板式换热器实物图板式换热器实物图板式换热器尽管单位质量具有的传热面积较高，因为价格贵，清洗也不方板式换热器尽管单位质量具有的传热面积较高，因为价格贵，清洗也不方便，应用受到限制。便，应用受到限制。 （3）板翅式换热器）板翅式换热器优点：优点：对流表面传热系数高，传热对流表面传热系数高，传热效果好效果好结构紧凑，轻巧牢固结