化工原理传热

第4章传热4.1概述4.1.1传热在化工生产中的应用双管程固定管板换热器1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。14.1.2

传热的基本方式热传导：固体的主要传热方式,分子无规则热运动.对流：流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热。传热速率与流动状态密切相关。辐射：物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触。4.1.3稳态传热和非稳态传热

稳态传热：各点温度分布不随时间而改变

非稳态传热：各点温度随位置和时间而变24.2.1

基本概念和傅立叶定律

（1）温度场所研究的具有一定温度分布的空间范围。4.2

热传导

稳态温度场：

非稳态温度场：3法向等温面等温面、温度梯度与热流方向

（2）描述温度场特性的几个参数

①等温面

具有相同温度的点组成的面

特点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。

②温度梯度沿等温面法线方向的温度变化率。方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直。4（3）热流量Φ(传热速率)

单位时间内所传导的热量，w。（4）傅立叶定律λ：热导率，w/（mK），w/（m

℃）；负号：Φ与方向相反(热流量从高温向低温)。热流密度：表明：

54.2.2热导率说明：

●

物性参数，标志物质导热性能；

●

影响因素：λ=f(材料，温度)；

●

来源：实验方法测定，工业上常见物质的热导率可从有关手册中查得。定义式:

68几种气体的导热率412653t/℃072004006001000800165432λ×102/(Wm-1℃－1）1－水蒸气2－氧气3－二氧化碳4－空气5－氮气6－氩气几种气体的热导率：70161026242012各种液体的导热率水115141312111098765432λ×85.98/(Wm-1℃－1）t/℃λH2O×85.98/(Wm-1℃－1）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2060100140几种液体的热导率：8

物质热导率的大致范围

物质种类热导率纯金属100~1400

金属合金50~500液态金属30~300非金属固体0.05~50

非金属液体0.5~5绝热材料0.05~1

气体0.005~0.59不同物质随温度变化的一般规律固体：104.2.3

平壁的稳态热传导(1)单层平壁的稳态热传导热量衡算：bx1x2txt1t2

单层平壁的稳态热传导Φ①热导率为常数热流量：11平壁内的温度分布：沿壁厚方向，温度分布为一直线。t2t1x/mt/℃

单层平壁导热温度分布Φ12②热导率和温度有关即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性。13t/℃x/m单层平壁导热的热流量与壁内的温度分布14x/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Φ(2)

多层平壁的稳态热传导条件：多层平壁一维稳态导热(x方向)。15(3)圆筒壁①单层圆筒壁t2t1Φr2r1drdtL16②多层圆筒壁r1t3t2r4r3r2t1t417热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ4.3对流传热（1）概述流体质点碰撞、混合，传递热量包括对流传热和热传导对流传热与流动状况密切相关湍动程度越高，传热速率越大。（2）分类自然对流：温差引起密度差，使流体流动。

强制对流：流体靠外加动力流动，形成对流。184.3.1热边界层的概念

（1）热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。(t-tW)/(t∞-t)=0.99t'∞Φt∞t∞t∞-tt∞-ttWu0tyδt19（2）热边界层的厚度（3）热边界层的特点层内（近壁处）：集中全部的温差和热阻层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻（4）热边界层发展过程圆管内20流动边界层对热边界层的影响：湍流区：质点相互混合交换热量，温差小。层流内层：导热为主，热阻大、温差大。

说明：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。214.3.2对流传热速率方程和表面传热系数热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦth1th2tc1tc2（1）牛顿冷却定律22热流体：冷流体：

③h是计算关键，一般由实验测定。（2）对流传热过程的简化模型

①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流,导热导热23ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW②简化模型

有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。对流传热问题→导热问题244.4表面传热系数的经验关联4.4.1影响表面传热系数的因素

（2）流体流动原因

强制对流：外部机械作功，一般流速较大，h也较大。

自然对流：由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小，h也较小。（1）流体流动状态25（3）流体的物理性质

定性温度：计算表面传热系数的特征温度26（4）传热面的形状、位置和大小壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。27（5）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，无相变传热：强制对流、自然对流，

一般地，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，蒸汽冷凝，28（a）确定相关因素（b）构造函数形式（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）4.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程M：1=c+d+e+iΘ：-1=-d-fT：-3=-a-c-3d-2f-2iL：0=a+b-c+d-3e+2f-2i29（d）规定已知量（指数），确定余下指数表达式（e）整理特征数方程形式指定其中a、f、i为已知数，则：b=a+3i-1；c=f-a-2i；d=1-f；e=a+i30①努赛尔数说明：反映对流传热的强弱，包含表面传热系数；

说明：反映流动状态对h

的影响。（2）特征数的物理意义②雷诺数31

③普朗特数说明：▲反映流体物性对传热的影响

▲反映动量扩散和热扩散的相对大小32说明：反映自然对流的强弱程度。

④格拉晓夫数（浮升力特征数）334.4.3

无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热①流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数a)一般流体34流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.3定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径di适用条件：说明：35b)粘度较大流体近似取：适用条件：(η>2η水)36c)流体流过短管（l/d<50）影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。计算：采用以上各式计算h，并加以校正。d)圆形直管内过渡流时表面传热系数

37e)圆形直管内强制层流定性温度：tm=(t1+t2)/2；特征尺寸：管内径di。

适用条件：38f)圆形弯管内的强制对流特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流；

g)非圆形管内强制对流Rd套管环隙39

②管外强制对流

a)流体横向流过单管A

流体横向流过单根圆管外时流动情况40沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径41◆管束的排列方式直列（正方形）、错列（正三角形）b)流体横向流过管束的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列42x1x2d

错列管束中管子的排列43直列第一排管直接冲刷；第二排管不直接冲刷；扰动减弱第二排管以后基本恒定。错列第一排管错列和直列基本相同；第二排管阻挡减弱，冲刷增强；第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d44传热系数的计算C、ε、n

取决于管排列方式和管排数。直列nεnε排列错列C12340.60.60.60.6x1/d=1.2~3C=1+0.1x1/dx1/d>3C=1.30.1710.2280.2900.2900.1710.1570.1570.15745适用范围：特征尺寸：管外径整个管束平均：46

c)流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器

圆缺折流板管板47折流挡板：壳程流体的流动方向不断改变，较小Re（Re=100），即可达到湍流。缺点：流动阻力↑，壳程压降↑作用：●提高湍动程度，↑h，强化传热；

●加固、支撑壳体。4810102103104101021管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReRePr有折流挡板时壳程流体表面传热系数：49特征尺寸：流道的当量直径。也可采用关联式：50流速的确定：按最大流通截面(最小流速)计算。DS1S2B

说明：无折流板时，流体平行流过管束，按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。51(1)蒸汽冷凝方式

①膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力）热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。

②滴状冷凝凝液结为小液滴（附着力小于表面张力）有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数

h滴状冷凝＞h膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝4.4.4有相变化的对流传热52(2)膜状冷凝传热膜系数的经验关联①垂直管外或壁面上的冷凝（a）液膜层流（b）液膜湍流

注意：壁温未知时，计算应采用试差法。53

水平圆管外膜状冷凝②水平管冷凝表面传热系数（a）水平单管外冷凝理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。

层流时，

54水平管外膜状冷凝55

（b）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和错排两种：12342123第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响，表面传热系数依次下降。56管排数不同时:▲采用平均管排数：57(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温度差：

流体物性的影响：

不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。

蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。

蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；流速较大时，且与液膜同向，h增大；流速较大时，且与液膜反向，h减小。58

沸腾分类：

①按设备尺寸和形状不同

池内沸腾（大容积饱和沸腾）；强制对流沸腾（有复杂的两相流）。

②按液体主体温度不同

过冷沸腾：液体主体温度t<ts，气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：t≥ts，

气泡进入液体主体后不会冷凝。（5）液体沸腾传热59

必须有汽化核心b）汽泡产生的条件

液体必须过热提供必须的汽化热量汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。60气泡的产生过程610.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系Δt=(tw-ts)/℃实验条件:大容积、饱和沸腾。

2)大容积饱和沸腾曲线

曲线获得：62AB段：无相变自然对流，无汽泡产生，h缓慢增加

BC段：核状沸腾

一方面，

另一方面，汽膜覆盖↑，又使h↓；当两者作用相抵消，出现转折点—临界点（C点）。

临界值：Δt、q、Q

CD段：核状、膜状共存，膜覆盖为主，Δt↑，h↓；

DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，Δt↑，h↓；而后辐射作用加强，Δt↑，h↑。沸腾曲线意义:说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。63

3)影响的因素

加热壁面的影响：

粗糙壁面,h↑，光滑的壁面,h↓；

被油脂污染的壁面,h↓，清洁表面,h↑；

水平管束沸腾传热，上排管

h↓。644)沸腾传热膜系数

参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。（a）水在105~4×105Pa压力下的核状沸腾（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾n、cwl——常数65

计算基础：热量衡算方程和传热速率方程。

4.6.1热流量衡算方程冷流体吸收热量=热流体放出热量4.6

传热过程的计算计算类型：设计型计算：已知th1，th2，tc1

，qmc，qmh，K

求传热面积A；操作型计算：

已知th1

，tc1，qmc，qmh，K，A

求th2

、tc2、Ф。tc2

th1tc1th266

(2)有相变传热(1)

无相变传热674.6.2总传热速率方程

间壁传热过程：各部分传热速率方程：管内侧流体：

管壁导热：

管外侧流体：热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ68热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ对稳态传热:69

式中，K—总传热系数，W/m2·K。

注意：K

与

A

对应，选Ai、Am或

A0

故稳态传热时，704.6.3 传热系数和传热面积K—传热系数，表示换热设备性能的重要参数。(1)K的计算在实际生产中以外表面积A0作为传热面积。K的来源：实验测定；取生产实际的经验数据；计算求得。71实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：72(2)污垢热阻Rdi和Rdo污垢热阻影响：使h↓，热流量↓。

污垢热阻取值：经验数据。

(3)壁温计算忽略污垢热阻，稳态传热时：

结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。734.6.4平均温度差

(1)恒温传热两侧流体温度恒定：(2)变温传热

①一侧有温度变化t’ht’c74

沿管长某截面取微元传热面积dA，

②两侧流体均有温度变化传热速率方程：热量衡算方程：tc1tc2th1th2tc1tc2th1th275

当qmhcph、qmccpc=常数时，

Φ-th、Φ-tc为线性关系，所以，Φ-(th-tc)也为线性关系。th1tc2th2

传热量dthdtcdAdФtc1Δt=th-tc

平均传热温度差的推导ФΔt2Δt1Ф76说明：

并流：①逆流：②③进、出口条件相同时，

工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。逆流并流77

④一侧流体温度有变化，另一侧恒温时,⑤

错流、折流时平均温差

图算法11212

一侧流体变温时的温差变化78c）当ε△t值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。a）校正系数ε△t可根据R和P两参数从相应的图中查得。

b）温差校正系数ε△t恒小于1。原因:

换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。

避免措施:

采用多个换热器串联或采用多壳程结构说明：794.6.5

传热效率和传热单元数法

设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。

●设计型计算总之，对于设计型计算冷、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。80

●

操作型计算

已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体，81逆流：tc1th2＝tc1th2th2th1tc1tc2传热温度传热th1＝tc2温度温度传热逆流传热效果示意图(1)传热效率和传热单元数

①传热效率

或82并流：tc1th2＝tc2th1th2th1tc2tc1传热温度温度传热

并流传热效果示意图83②传热单元数NTU(TheNumberofTransferUnits)温度传热面积tc1th2th1tc2dthdtcdA传热单元数物理意义：单位传热推动力引起的温度变化；84③传热效率和传热单元数的关系

8586④应用

已知R和NTU，可求得ε，

进而求th2

和tc2

，可避免试差计算。87为便于工程计算，将ε、NTU、R之间关系绘制成曲线1.00.64.03.00.02.05.01.00.40.20.00.8NTUε

单程逆流换热器中ε与NTU和R间的关系R=00.250.50.751.0th1tc2th2tc1K=常数881.00.64.03.00.02.05.01.00.40.20.00.8NTUε图4.6.11单程并流换热器中ε与NTU和R间的关系R=00.50.751.0th1tc2th2tc1K=常数0.25894.7换热器的传热强化途径强化方法：提高K、A或Δtm

目的：传热面积↓，使设备费用降低。（1）提高K值①

降低污垢热阻；②提高表面传热系数

*若hi<<h0，提高h小(hi)的一侧；

*两侧h相近，应同时提高两侧流体的h

。90提高表面传热系数h的方法

◆无相变传热

a）提高管内流速代价：流动阻力↑，动力消耗↑，操作费用↑。

经济优化：选择适宜流速，使总费用最低。优点：总传热系数↑，传热面积↓，设备投资费↓91流速↑非工艺物流：流量↑工艺物流：流通截面积↓壳程：折流挡板数目↑管程：单管程→双(多)管程

b）制造人工粗造表面

促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。c）加设扰流元件

管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片；增强湍动，破坏层流底层。92◆有相变传热

冷凝：1）采用滴状冷凝，

2）及时排放不凝气体，

3）气、液流向一致，

4）合理布置冷凝面，

5）利用表面张力（沟槽，金属丝）。沸腾：1）保持核状沸腾，

2）制造人工表面，增加汽化核心数。

（2）提高传热推动力

限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动。

适用：一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时，其进口温度可调。93例：提高冷却水用量tc2↓，Δtm↑

提高加热蒸气压力P↑，ts↑，Δtm↑

蒸发、闪蒸P↓，ts↓，Δtm↑（3）增加传热面积改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。如采用：不同异形管；开槽及加翅片；折流形式；多孔、高效传热面。94波纹管式传热管95纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管缩放管96翅片管的截面97分类:①按用途---加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。

②按传热特征直接接触式：冷、热直接混合。

蓄热式：

4.8换热器间壁式：冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触，热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ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984.8.1间壁式换热器的类型(1)夹套式换热器

◎结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。

◎优点：结构简单。

◎缺点：传热面受容器壁面限制，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

夹套式换热器99(2)沉浸式蛇管换热器

◎结构：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。

◎优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。

◎缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。

为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。

蛇管的形状100(3)喷淋式换热器◎结构：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置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。

◎优点：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。直管水槽

喷淋式冷却器101（5）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热器，历史悠久，占据主导作用。

◎优点：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，大型装置中普遍采用。

◎结构：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；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。

重点介绍：固定管板式浮头式U型管式。102103①列管式换热器的结构

结构：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；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。管束结构结构示意104双管程固定管板换热器流通截面积：传热面积：说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi↑，强化传热。105单管程换热器管、壳程流体流动106双管程换热器内的流体流动107常用形式：弓形，圆盘形。

折流挡板作用：提高壳程流体湍动程度(Re>100湍流),↑h0，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用。代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。108

弓形圆盘形109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110111112113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114115②分类及特点原因：管、壳温度不同，产生热应力，结果：Δt＞50℃时，管弯曲、断裂或管板变形固定管板式

——安装膨胀节；浮头式

——本身具有补偿能力；U形管式

——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：为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。116a）固定管板式换热器特点：*结构简单，成本低；*

可能产生较大的热应力；

*

壳程不易机械清洗；适用：

*

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50C，否则加膨胀节。单管程固定管板换热器117带膨胀节的固定管板换热器118b）浮头式换热器

结构:119浮头式换热器特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、成本高；适用：应用广泛。120c）U形管式换热器特点：具有温度补偿作用；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。结构:121U型管换热器内的流体流动1224.8.2列管式换热器的设计和选用

要求：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）（1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题

(a)选择流程一般原则：不洁净或易结垢的液体腐蚀性流体压力高的流体管程饱和蒸汽流量小而粘度大的流体表面传热系数大的流体需要冷却的流体壳程123(b)流速的选择流速影响表面传热系数和污垢的大小。

◆

流速↓

流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路；

◆流速↑

流体阻力增大。

(c)流动方式