第三章传热新

第三章传热化学工程学院第一节概述

传热：由于温度差而引起的能量转移。在一种介质内部或两种介质之间，只要存在温度差，就必然会出现传热过程。1.1传热过程在化工生产中的应用传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的目的不外乎是以下三种：削弱传热过程

强化传热过程1、为了使物料满足生产规定的操作温度需要加热或冷却；2、物料在输送或处理过程中有热量损失时需要保温；3、由于节能的需要,对冷（热）量要回收利用。1.2传热的三种基本方式（1）热传导（导热）热量从物体内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另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移。

气体:分子做不规则热运动时相互碰撞的结果

固体:导电体：自由电子在晶格间的运动

非导电体：通过晶格结构的振动来实现的

液体:机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。（2）对流*(热对流或对流传热)

流体与固体表面之间有相对运动时的热量传递过程。

（3）热辐射

物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。

能量转移、能量形式的转化

不需要任何物质作媒介特点分子随机运动流体整体运动（电磁波传递）本章主要介绍导热和对流传热，在此基础上研究冷热流体透过固体壁面进行换热的过程。自然对流——温差导致密度不同强制对流——外力搅动引起的对流第二节热传导

2.1热传导方程

（1）傅立叶（Fourier）定律

或Q：热流量或导热速率（J·s-1或W）；q：热流密度（J·m-2·s-1或W·m-2）；A：导热面积（m2）；

λ：导热系数（W·m-1·K-1）：热流方向上的温度梯度（K·m-1）；负号：热能沿温度降低的方向传递。

上式为导热的基本定律，即傅立叶定律。返回（2）热导率（导热系数）

λ在数值上等于单位温度梯度下的热通量。λ是分子微观运动的宏观表现，它表示物质导热能力的强弱。λ=f(结构,组成,密度,温度,压力)

物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的越大，导热性能越好。在一定温度范围内：

λ=λ0(1+at)

式中λ0，λ：0℃,t℃时的导热系数，W/(m·K)；

a：温度系数，1/℃；对大多数金属材料：a<0，t↑，λ↓。对大多数非金属材料a>0，t↑，λ↑。

规律：

（a）一般地，导电固体>非导电固体，液体>气体

t

，气体，水，其它液体的

。（b）液体：金属液体λ较高，非金属液体λ低，水的λ最大。

一般来说，纯液体的大于溶液，t↑，λ↓（除水和甘油）。（c）气体：t↑，λ↑、气体不利于导热，可以应用在哪里呢？需要提高导热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。可用来保温或隔热。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料。北方的双层窗户，多孔的材料，不能使用实心砖。部分材料的导热系数可从工具书中查阅。物质导热系数的数量级物质种类气体液体非导固体金属绝热材料λ/W/(m·℃)0.006～0.60.07～0.70.2～3.015～420<0.25高温物体的自身升温比例很小,因此导热系数也变小.物体内部的分子或者原子一直处于无规则运动状态.当物体温度低时,内部的分子或者原子的无规则运动较为缓慢,当物体温度升高时,物体内部的分子或者原子的无规则运动加剧,分子或原子之间的热量交换就越快）即导热越快.但是由于物体此时本身的温度已经很高,在把它放到更高温度的环境中时,高温物体的自身升温比例很小,因此导热系数也变小.

例如,10度的金属块,加热使之升温10度,温度升高100%；40度的金属块,加热使之升温10度,温度升高25%.虽然这个金属都只是升高的10度,但是在原始温度不同时,低温的金属块的升温比例高于高温金属块.同理,低温物体的导热系数大于高温物体的当热系数.

当然,前提是同一材质的物体

2.2传导传热计算

（1）单层平壁的定态热传导假设：材料均匀；温度仅沿x变化，且不随时间变化。

将积分，得：推动力：Δt=(t1-t2)

热阻：（2）多层平壁的稳定热传导

假设：(a)材料均匀；(b)温度仅沿x变化，且不随时间变化；(c)各层接触良好，无能量损失，接触面两侧温度相同。

各层平壁得温度降与该层得热阻成正比。

推广至n层例1、有一平壁燃烧炉,炉壁由三种材料构成.最内层为耐火砖,厚度为150mm,导热系数可取1.05W/(m℃);中间层为保温砖,厚度为290mm,导热系数为0.15W/(m℃);最外层为普通砖,厚度为228mm,导热系数为0.81W/(m℃).测得炉内外壁温度分别为1016℃和34℃,求单位面积上热损失和各层间接触界面的温度.假设各层接触良好.

设t2为耐火砖和保温砖间界面温度，t3保温砖和普通砖间界面温度。材料温度差℃热阻（m2℃/W）耐火砖59.50.1429保温砖805.11.933普通砖117.40.2815温度差和热阻成正比

（3）单层圆筒壁的稳定热传导

根据傅立叶定律：积分，得：通过圆筒壁的导热量取决于内外径之比，与厚度绝对值无关。式中，rm：圆筒壁的对数平均半径，即：

可改写为：其中，Am：圆筒壁内外表面的对数平均面积。

（4）多层圆筒壁的稳定热传导

工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如：在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。参照多层平壁的处理方法，可得：如果需计算多层圆筒壁交界面上的温度，可用下式：例2管外径d1=273mm的蒸汽管道中输送着540℃的蒸汽。管外包有水泥蛭石保温层，最外层又有15mm厚的保护层。按照规定保护层外侧的温度T3=48℃，热损失为442W·m-1，求保温层厚度b。已知水泥蛭石的热导率λ1为0.105W·m-1K-1，保护层的热导率λ2为0.192W·m-1K-1。解：水泥蛭石保温内表的温度可认为与蒸汽温度相等，为540℃。实际上此处温度应略低于540℃，因此按照540℃计算的结果稍低安全。由于出现了自然对数，一般解代数法难以解决，采用试差法。（1）假定b=200mm，带入右边，计算Q值，得到350W·m-1，小于规定值。说明假定的b值偏大。（2）重复上面计算，最终在假设b=140mm，得到规定值440，固保温层的厚度应为140mm。小结传热的三种方式传热过程的基本概念及常用术语傅立叶定律平壁及圆筒壁的导热计算第三节对流传热

3.1对流传热过程分析

对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，或者说由于流体质点的相对位移，而引起的热量传递。在工程上，对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程，即由热流体将热传给壁面，或由壁面将热传给冷流体。这种对流传热多是在流体流动的过程中发生的热量传递过程，所以与流体的流动状况密切相关。

当流体作层流时，由于各层流体质点平行流动，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（也有较弱的自然对流）的方式进行。当流体在管道内作湍流流动时，热量传递不完全是以导热的方式进行的，但是无论湍流程度多大，紧邻壁面处总有一薄层流底层存在，层流底层内的热量传递也是导热的方式进行的。由于大多数流体的导热系数较小，致使层流底层中的导热热阻就很大，因此温差也较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合，热量传递以对流为主，可认为没有传热阻力，湍流主体中的温度基本上相同。在层流底层和湍流主体之间存在一个过渡区，此区内流体受漩涡运动而造成流体质点产生相对位移，因此热量传递除以传导方式外，还以对流方式存在，因此温度梯度逐渐变小。层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度为零，对流方式过渡区域热传导和对流方式1、层流底层，靠近壁面的流体，由于流体粘度作用，形成一薄层作层流流动膜，称为层流底层，热量传递主要是靠分子扩散运动以层流的方式进行，热阻主要集中在层流底层中，造成较大的温度降。2、过渡区，在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点产生相对运动，热量传递除了以传导方式外，还有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。3、湍流主体，流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传递以对流方式为主，可以认为无热阻，温度梯度为零，各处的温度相等。

图示为流体在壁面两侧的流动情况及与流体流动方向垂直的某一截面A-A上的温度分布情况。从图中可见，对流传热的热阻主要集中在层流底层中，因此该层所需要的传热推动力(即温度差)就比较大。如何强化对流传热呢？

层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度为零，对流方式过渡区域热传导和对流方式，有温差减薄层流底层的厚度，是强化对流传热的重要途径。热边界层：

流体流过壁面时，因受壁面影响而形成的一层温度梯度较大的区域，叫热边界层。（对流传热中有明显温度梯度的区域）①热边界层越薄，温度梯度越大，传热速率越大；

②流体向管内流动时，热边界层也存在形成和发展的过程；③破坏热边界层，有利于传热；④热边界层与流动边界层的关系。说明3.2对流传热速率方程式

由以上分析可知，对流传热是一个复杂的过程，其影响因素很多。因此，对流传热的纯理论计算是相当困难的。为了计算方便起见，目前采用了一种简化处理的方法，即将对流传热时流体的全部热阻集中在厚度为δt的有效膜内。

这样，就可以用比较简单的有效膜内导热来近似表示流体与壁面间的复杂对流传热。因此，对流传热速率可表示为（只考虑热流体向壁面传热和壁面向冷流体传热时）

由于有效膜的厚度难以测定，所以通常以α代替上式中的λ/δt，则：

上式是对流传热速率方程式，又称牛顿冷却定律。同样，此式可表示成：式中，R为对流传热热阻。上式表明了对流传热速率等于对流传热推动力与对流传热热阻之比。

α的单位为W·m-2K-1热流体侧

冷流体侧

牛顿冷却定律并非理论推导的结果，而是一种推论，即对流传热速率与对流传热面积大小、流体与壁面之间的平均温度差成正比。大量实践证明，这一推论是正确的。但该定律并未揭示对流传热过程的机理和本质，只是把影响对流传热的复杂因素都集中在对流传热系数α中了。因此，如何确定各种具体情况下的对流传热系数α的值，是对流传热计算的关键。

3.3影响对流传热系数的主要因素

影响对流传热系数的因素很多。实验证明，主要的影响因素有:(1)流体的状态:液体、气体、蒸气的对流传热系数α值不同；流体在传热过程中是否有相变，其对流传热系数α值也不同，有相变化时的对流传热系数比无相变化时大得多；

(2)流体的物理性质：影响较大的物理性质有比定压热容CP，导热系数λ、密度ρ和粘度μ；

(3)流体的流动状态：层流、过渡流或湍流；(4)流体对流的状况：当设备中的流体因泵、风机或搅拌器等外力作用发生强制对流时,质点互相掺混，对流传热系数一般较大；自然对流的对流传热系数较小，且与流体由于自然对流的作用而产生的浮力βgΔt的大小有关，其中β为体积膨胀系数，Δt为壁面和流体间温差。

(5)传热表面的形状、位置及大小:如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。综上所述，对流传热系数α应为各影响因素的函数，表示为：29一、流体在管内的强制对流适用范围：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>503.4无相变时对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流努塞特准数普兰特准数

特征尺寸为管内径di

流体被加热时，k＝0.4；被冷却时，k＝0.3。雷诺数流体流动状态和湍流程度的影响流体物性的影响对流传热的强弱程度30圆形直管内的层流d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体强化措施？2．圆形直管内的层流要求：Re<2000，RePrL/d>10管内径为当量直径非圆形管道内流动32二、大空间的自然对流传热

注意：c与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）

n取决于流动状态，实验测定。

定性温度：壁面温度与流体温度算术平均值特征尺寸：垂直的管或板取高度，水平管取管外径自然对流的格拉晓夫数3.4对流传热系数的经验关联式各准数的名称和涵义列于下表。

准数名称符号准数式涵义努塞特准数Nu包含对流传热系数的准数，亦名对流传热准数雷诺准数Re确定流体流动型态的准数，亦名流型准数普兰特准数Pr表示物理性质影响的准数，亦名物性准数格拉晓夫准数Gr表示自然对流影响的准数，亦名升力准数

由于实验是在一定的条件下进行的，因此由实验所得到的经验关联式就要受到实验条件的制约，那么在应用经验关联式时应注意以下三点：(a)应用范围主要指Re、Pr和Gr等准数的范围。(b)特征尺寸就是关联式中的各准数Nu、Re和Gr中所规定的尺寸，即其中的l如何取。(c)定性温度指确定准数中流体的物理性质如Cp、λ、

μ、ρ等所依据的温度。35

例题

一列管式换热器，由38根25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃加热到80℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的对流传热系数；（2）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？解：苯的定性温度Tm=（20+80）/2=50℃解：（1）管内流速为u==0.023*0.14/0.028*309600.8*5.790.4=1272w·m-2·K-1K=0.4符合实验条件（2）管内流速增加一倍时传热系数增加了（2215-1272）/1272=74.14%第四节辐射传热4.1基本概念（1）热辐射的特性辐射是用电磁波传递能量的过程，传递的能量，称为辐射能。目前已发现了波长小于10-7μm的宇宙射线和波长长达20km的无线电波。如下表所示。

其中波长在0.38-1000μm范围内的电磁波（即红外线和可见光）能被物体吸收而使物体发热，因而这部分射线称为热射线。实验表明，自然界中大部分物体，只要温度超过0K即向外界发射热射线。只有当物体发射的辐射能被另一物体吸收且重新转变为热能的过程，才叫热辐射。（0.8-40μm）物体之间通过热辐射进行辐射换热时，两物体不必直接接触，只要处在相互可见的位置，辐射过程就可以进行。即使在真空状态下，热射线也能传递，这是热辐射的一个很重要的特点。

热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性；服从光的反射和折射定律，在均一介质中作直线传播；在真空和透明气体中可以完全透过。如右图所示，投射在物体表面上的总辐射能为Q，其中有一部分能量Qα被吸收，一部分能量Qρ被反射，另一部分能量Qτ则透过物体。由能量守恒得：即：定义：称为物体的吸收率*absorptivity；称为物体的反射率；reflectivity

称为物体的透过率。transmissivity

故：

能全部吸收外界投入辐射能的表面，叫黑表面，具有黑表面的物体，称为绝对黑体，简称黑体。自然界中并没有黑体，可以用人工的方法制造出十分接近于黑体的模型。黑体模型为一开有小孔的空腔，腔的内壁涂有一层吸收率很高的炭黑，或者内壁构造多个隔板。当热射线经小孔进入空腔时，在空腔内要经历多次地吸收和反射，每吸收一次，辐射能量就减弱一次，最终离开小孔的能量就微乎其微了。就辐射特点而言，小孔就好像一个黑表面一样。

黑体的吸收率为1，实验表明，黑体的辐射能力最大。

ρ＝1的物体，称为全反射体（绝对白体或镜体）。同黑体一样，自然界中并不存在绝对白体，但有些物体接近于全反射体如表面磨光的金属镜面反射率ρ为0.95～0.97；对于气体，它的界面反射热射线非常少，可以忽略不计，即气体反射率ρ一般均可看成为0。

τ＝1的物体，称为透热体。对空气、双原子或单原子构成的气体（例如H2，O2，N2，He）一般可看成是透热体。值得注意的是，多原子气体（例如H2O、CO2、O3）能有选择地吸收和发射某些波段范围的辐射能，这些气体不能看成透热体。τ＝0的物体（α+ρ=1)为不透热体，从热辐射的角度来讲，所有固体均可看成是不透热体。

α，ρ，τ并不完全由物体本身的性质所决定，不但和物体温度、表面状况有关，而且与投入来的辐射射线波长有关，例如玻璃，对投入来的波长在0.4～0.8μm的可见光，τ＝0.9左右，可近似看成透热体；而对投入射线为0.8～1000μm的红外线，α＝0.9左右，基本上不透过。以上讨论了极端情况下的一些特例，自然界中既没有α=1的绝对黑体，也没有ρ=1的全反射体，如后文所描述的那样，一般的物体多为灰体：能够以相同的吸收率吸收所有波长范围辐射能的物体。4.2斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律

工程上，人们往往关心的是物体的总辐射能力，斯蒂芬-波尔兹曼根据普朗克定律积分，得到黑体的辐射能力与温度T之间的关系：

这里的σ0为黑体的辐射常数（或Stefan-Boltzmann常数），其值为5.67×10-8W/m2·K4，C0为5.67。表面温度升高一倍时，表面向外辐射的能量增加16倍。由于物体的辐射能力与温度的4次方成正比，因此在高温时，就不能像低温时那样忽略辐射传热了。4.3固体的热辐射

（1）实际固体的辐射能力及黑度、单色黑度、灰体实际固体的辐射能力与它的表面温度、辐射方向、辐射线的波长以及表面状况有关。但是，实际固体的单色辐射能力随波长和温度的变化不服从普朗克定律；它的辐射能力不服从斯蒂芬—波尔兹曼定律。上一节已叙述了黑体辐射的各种规律，并知道自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的辐射能力。为了表示实际物体辐射能力的大小，可以采用辐射率或黑度来表示，即实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比值。

用符号ε表示：黑度

常见物体的黑度见教材。

物体的单色黑度（单色发射率）ελ：实际物体的单色辐射能力Eλ与相同温度下黑体单色辐射能力E0λ的比值，即：

假如某种物体的单色辐射能力Eλ与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E0λ之比等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度ελ＝常数，这种物体叫作灰体。许多工程材料都可以近似地看作灰体。（2）固体的单色黑度和单色吸收率的关系－克希霍夫(Kirchhoff)定律

克希霍夫(Kirchhoff)定律：物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率。用数学表达式表示如下：

ελ＝αλ对于灰体ελ＝αλ＝ε＝α

注意：灰体的吸收不能任意推广到对太阳辐射的吸收，因为太阳辐射中可见光占整个辐射的46％左右，在高温下，物体表面的颜色对可见光的吸收呈现强烈的选择性；而在常温下，物体的颜色对可见光的吸收则没有什么差别。例如，白色对于从太阳来的高温（6000K）辐射，白色颜料的吸收率约为0.12~0.26；而对于低温下的热辐射，白色颜料的吸收率却为0.9左右。（3）两固体间的相互辐射：辐射传热速率，W：总辐射系数，W.m-2.K-4：几何因子或角速度，W.m-2.K-4A：辐射面积T1，T2：高温和低温物体温度A1，A2：被包围和外围物体的表面积，m2第五节传热计算

在实际生产中，需要冷热两种流体进行热交换，但不允许它们混合，为此需要采用间壁式的换热器。此时，冷、热两流体分别处在间壁两侧，两流体间的热交换包括了固体壁面的导热和流体与固体壁面间的对流传热。关于导热和对流传热在前面已介绍过，本节主要在此基础上进一步讨论间壁式换热器的传热计算。

总传热速率方程式ф=KATm上式称为传热速率方程式或传热基本方程式，其中K为总传热系数，Tm平均温度差。该式是换热器设计最重要的方程式。T1

热流体T2t1冷流体t2AdATtT+dTt+dt1、冷、热流体的进、出口温度分别为t1、t2，T1、T2，2、冷、热流体的质量流量为qm,c、qm,h。3、设换热器绝热良好，热损失可以忽略，则两流体流经换热器时，单位时间内热流体放出热等于冷流体吸收热。5.1换热器的热负荷计算（1）无相变：比热容法QL=qm,hCm,h(T1-T2)=qm,cCm,c(t2-t1)（2）有相变若热流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，如下式所示：

若液体沸腾气化为同温度的饱和蒸汽吸收的热量：

热流体冷凝先冷凝后冷却QL,c=qm,crc

热负荷是由生产工艺条件决定的，是对换热器换热能力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力，是换热器本身的特性，二者是不相同的。对于一个能满足工艺要求的换热器，其传热速率值必须等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率和热负荷数值上认为相等，通过热负荷可确定换热器应具有的传热速率，再依据传热速率来计算换热器所需的传热面积。因此，传热过程计算的基础是传热速率方程和热量衡算式。1)用传热面积校核：换热器面积为

由计算出A，若则换热器适用。2)用传热速率校核：若适用换热器校核5.2传热过程推动力——平均温度差

前已述及，在沿管长方向的不同部分，冷、热流体温度差不同，本节讨论如何计算其平均值tm，就冷、热流体的相互流动方向而言，可以有不同的流动型式，传热平均温差tm的计算方法因流动型式而异。按照参与热交换的冷热流体在沿换热器传热面流动时，各点温度变化情况，可分为恒温差传热和变温差传热。

恒温差传热：两侧流体均发生相变，且温度不变，则冷热流体温差处处相等，不随换热器位置而变的情况。如间壁的一侧液体保持恒定的沸腾温度T′下蒸发；而间壁的另一侧，饱和蒸汽在温度T下冷凝过程，此时传热面两侧的温度差保持均一不变，称为恒温差传热。（1）定态恒温传热温度差（2）定态变温传热温度差

变温差传热是指传热温度随换热器位置而变的情况。当间壁传热过程中一侧或两侧的流体。沿着传热壁面在不同位置点温度不同，因此传热温度差也必随换热器位置而变化，该过程可分为单侧变温和双侧变温两种情况。（a）单侧变温如用蒸汽加热一冷流体，蒸汽冷凝放出潜热，冷凝温度T不变，而冷流体的温度由T1′上升到T2′。或者热流体温度从T1下降T2，放出显热去加热另一较低温度T′下沸腾的液体，后者温度始终保持在沸点T′。

（b）双侧变温此时平均温度差Tm与换热器内冷热流体流动方向有关，下面先来介绍工业上常见的几种流动型式。

逆流并流错流折流1：多次错流Ⅱ并流逆流交错Ⅰ

①逆流和并流

t1t2T1T2t2t1T1T2t2tAt1T2T1t2tAt1T2T1逆流并流并流：参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。逆流：参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。并流：参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。逆流：参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。沿传热面的局部温度差（T-T′）是变化的，所以在计算传热速率时必须用积分的方法求出整个传热面上的平均温度差Tm。当T1/T2<2，则可用算术平均值代替（误差<4%，工程计算可接受）

T1、T2为换热器两端的冷热流体的温度差。并流T1=T1-T1′T2=T2-T2′逆流T1=T1-T2′T2=T2-T1′

在大多数的列管换热器中，两流体并非简单的逆流或并流，因为传热的好坏，除考虑温度差的大小外，还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流向，是比较复杂的多程流动，或是相互垂直的交叉流动。T’2T’1T1T2T’1T’2T1T2例：在一石油裂解装置中，所得热裂物的温度为300℃，现设计一换热器，欲将石油从25℃预热倒180℃，热裂物通过换热器后终止温度不低于200℃，试计算热裂物与石油在换热器中采用并流和逆流的对数平均温度差。（2）逆流T1=300℃，T2′=180℃，T2=200℃，T1′=25℃T1=T1-T1′=300-25=275℃，

T2=T2-T2′=200-180=20℃T1=T1-T2′=300-180=120℃，

T2=T2-T1′=200-25=175℃结论：进出口温度一定时，逆流时的平均温度差比并流时大。并流T1=T1-T1′T2=T2-T2′逆流T1=T1-T2′T2=T2-T1′解（1）并流：T1=300℃，T1′=25℃，T2=200℃，T2′=180℃300200251802752030020018025120175思考：若两种情况下换热条件接近，近似认为两者换热系数相同，热负荷相同时，为何一般选择逆流？即同等条件下，逆流所需传热面积小于并流的，可减小设备体积。②错流：两种流体的流向垂直交叉。③折流：一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。④复杂流：几种流动型式的组合。对于这些情况，先按逆流计算对数平均温差Tm逆，再乘以校正系数ε△T

即：Tm=ε△TTm逆

流体流动方向的选择（1）、流向对传热平均温差的影响①、间壁两侧流体为恒温②、间壁一侧恒温另一侧为变温③、间壁两侧均为变温ΔTm并=ΔTm逆主要考虑设备结构以及操作上的方便①、间壁两侧流体为恒温②、间壁一侧恒温另一侧为变温③、间壁两侧均为变温∵ΔTm并＜ΔTm逆；φ=KA△Tm

当φ一定时，ΔTm增加，A减小，说明逆流时所需传热面积比并流小（2）、流向对载热体用量的影响由于ΔTm并=ΔTm逆，并流逆流时的载热体用量都相等

在其他条件一定时,对于两侧均为变温操作,为什么逆流操作加热介质的用量比并流小?T1′T2′T1并T2并T2逆T1逆分析:(1)、并流时，加热介质由T1并降到T2并其最低极限出口温度可以达到冷流体出口温度T2′。(2)、逆流时，加热介质由T1逆降到T2逆其最低极限出口温度可以达到冷流体进口温度T1′。∵T2′＞T1′qmh并Cph（T1并

–T2并）=qmh逆Cph（T1逆

–T2逆）=qmCCpc（T2′-T1′）∵T1并=T1逆∴qmh并＞qmh逆在其他条件一定时,逆流操作加热介质的用量比并流小。A)、若换热的目的仅仅是为了加热流体,则逆流操作时就有可能使T2逆＜T2并.B)、若换热的目的是为了回收热量,逆流操作时加热介质的出口温度较并流时低,则回收的热量多一些.

从经济的角度看，逆流优于并流，但并不是所有情况下采用逆流好！以下情况采用并流：①、加热某些热敏性物料时，采用并流较易控制物料出口温度，从而避免因出口温度过高而影响物料的质量。②、加热高粘度物料时，采用并流可使物料进入换热器后迅速升高温度，从而降低物料粘度，提高热交换的效果。③、对于某些高温换热器，采用逆流操作时，高温集中一端，会使一端的温度过高，对设备材料的耐热性能要求较高，而采用并流则可以降低该处的温度，可以延长换热器的寿命。5.3总传热系数

三个来源：一是根据生产设备中所用的、经过实践证明并总结出来的生产实践数据——经验值进行选取；二是通过现场测定K值；三是计算。一、经验值

根据已知K值的生产设备(设备类似、雷诺数和流体的物性等相近时)二、现场测定总传热系数：为与实测设备及操作条件相近的场合使用三、计算

间壁两侧流体的热交换过程包括如下三个串联的传热过程，热量从热流体传至管壁一侧，通过间壁再传至另一侧的冷流体。（1）热流体一侧传热速率（对流）（2）通过管壁的导热速率T’2T’1T1T2（传导）

（3）冷流体一侧传热速率（对流）

总传热系数1、K的推导串联的推动力和热阻具有加和性讨论①A可取Ai、Ao、Am，工程上习惯取Ao

(外表面)；②对于圆管，A可换算为d，则2、污垢热阻管壁内侧污垢热阻：管壁外侧污垢热阻：3、K值计算的简化1）平壁或薄的圆筒壁：di、do、dm、（Ai、Ao、Am）近似相等，则2）新的、平壁（薄壁）换热器：污垢热阻可忽略，则3）新的、平壁（薄壁）换热器：污垢热阻及管壁热阻都忽略4）当时当时总热阻是由热阻大的一侧对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小的一侧的对流传热系数。

当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，如以外表面为基准（在换热器系列化标准中常如此规定），则有：

以内表面为基准：以壁表面为基准：例3、在一外表面积Ao为300m2的单程管壳式换热器中，300℃的某种气体流过壳程并被加热到430℃，另一种560℃的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1×104kg/h，平均比热容均为1.05kJ/kg℃。试求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。解：56041743030075一、传热效率最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差变化的传热速率。理论上最大的温差：5.4传热效率～传热单元数法K值的获得1）计算2）实验测定3）经验值四、壁温的估算试差：假设一tw，计算、，用上式近似计算tw

，壁温应接近于α大的一侧流体的温度。五、传热面积的计算六、传热过程的强化1、增大传热平均温度差1）两侧变温情况下，尽量采用逆流流动；2）提高加热剂的温度或降低冷却剂的温度。注：利用来强化传热是有限的。2、增大总传热系数K1）尽可能利用有相变的热载体，以提高对流传热系数；2）用大的热载体，如液体金属Na等；3）减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻；4）提高较小一侧有效。提高的方法包括：增大流速、管内加扰流元件、改变传热面形状和增加粗糙度等。3、增大单位体积的传热面积1）直接接触传热：可增大A和湍动程度，使Q↑；2）采用高效新型换热器。如板式换热器、强化管式换热器、热管换热器、流化床换热器等例2、换热器，管组成单程列管式换热器，初始温度为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃，水走管内。水和油的质量流量分别为，，比热容分别为，，对流传热系数为，，逆流流动。忽略污垢热阻和管壁热阻，核算该换热器是否适用。解：20010067.410适用例3、在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg/s的液体（比热容为1.9kJ/kg℃、密度为850kg/m3）由80℃冷却到30℃。换热器列管直径为φ25mm×2.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW/m2℃和1.70kW/m2℃，污垢热阻可以忽略。若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。解：20503080返回返回返回返回壳程管程返回单程列管式换热器

1—外壳2—管束3、4—接管5—封头

6—管板7—挡板返回双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板返回返回第六节热交换器

热交换方式：蓄热、直接和间接式三种。换热器：蓄热式、直接混合式和间壁式换热器三大类。6.1间壁式换热器热流体通过间壁将热量传递给冷流体。化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器。如图所示。间壁式换热器——列管换热器（1）夹套式换热器夹套空间是加热介质和冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。当用蒸汽进行加热时，蒸汽上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。夹套式换热器结构简单，但由于其加热面受容器壁面限制，传热面较小，且传热系数不高。6.1间壁式换热器

夹套式换热器蛇管的形状1－容器2－夹套（2）蛇管换热器（3）喷淋式换热器喷淋式换热器的结构如下图所示。这种换热器多用作冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水由最上面的淋水管流出，均匀地分布在蛇管上，并沿其表面呈膜状自上而下流下，最后流入水槽排出。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亦可带走部分热量，增强冷却效果。其优点是便于检修，传热效果较好。缺点是喷淋不易均匀，占地面积大，定期要除垢。

喷淋式换热器1－弯管2－循环泵3－控制阀（4）套管式换热器套管式换热器的基本部件由直径不同的直管按同轴线相套组合而成。内管用180°的回弯管连接，外管亦需连接。每一段套管为一程，每程有效长度为4～6m。若管子太长，管中间会向下弯曲，使环隙中的流体分布不均匀。套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减。其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。

（5）列管式换热器列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。外壳管板封头挡板(折流板)封头管壳式换热器

(a)固定管板式结构见模型。管子两端与管板的连接方式可用焊接法或胀接法固定。壳体则同管板焊接。从而管束、管板与壳体成为一个不可拆的整体。固定管板式列管换热器常用“膨胀节”结构进行热补偿。即在壳体上焊接一个横断面带圆弧型的钢环。该膨胀节在受到换热器轴向应力时会发生形变，使壳体伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大（大于70℃）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6atm。(b)浮头式结构见模型。其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。浮头式换热式应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。(c)U型管式

U型管式换热器每根管子都弯成U型，管子的进出口均安装在同一管板上。封头内用隔板分成两室。这样，管子可以自由伸缩，与壳体无关。这种换热器结构适用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不易，制造困难。

固定管板式U型管换热器浮头式换热器6.2平板式换热器

板式换热器主要由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两相邻板片的边缘衬以橡胶或石棉垫片。板片四角有圆孔，形成流体通道。冷、热流体相间地在板片两侧流过，通过板片传热。板片一般压制成各种槽形或波纹形，既提高了板片的刚度，增强流体的扰流，也增加了传热面积和使流体在传热面上分布均匀。板式换热器的组装流程如图（a）所示。由图可见，引入的流体可并联流入一组板间通道，而组与组间又为串联机构。换热板的结构如图（b）所示。板上的凹凸波纹可增大流体的湍流程度，亦可增加板的刚性。波纹的形式有多种，图（b）所示的是人字形波纹板。

板式换热器的优点是：①传热系数高：因板面上有波纹，在低雷诺数（Re=200左右）下即可达到湍流，而且板片厚度又小，故传热系数大。②结构紧凑：一般板间距为4～6mm，单位体积设备可提供的传热面积为250～1000m2/m3（列管换热器只有40～150m2/m3）。③具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。故检修、清洗都比较方便。板式换热器的主要缺点是：①操作压强和温度不太高：压强过高容易泄漏，操作压强不宜超过20atm。操作温度受垫片材料耐热性能限制，一般不超过250℃。②处理量小。第七节列管式换热器选用计算中有关问题（1）流体通道的选择①不清洁和易结垢的流体——管内（管程）。②腐蚀性的宜走管程，以免壳体同时腐蚀。③压力高（低温或高温）的宜走管程，以免壳体受压。④膜系数小的流体宜走管程——多管程以增加流速。⑤饱和蒸汽宜走壳程；被冷却的流体走壳程，便于散热。⑥粘度大的液体宜走壳程——挡板——增大湍动程度。

主要矛盾：压强、腐蚀性及清洁要求。（2）流速选择

换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。

表中给出工业上的常用流速范围。除此之外，还可按照液体的粘度选择流速，按材料选择容许流速以及按照液体的易燃、易爆程度选择安全允许流速。（3）换热管规格和排列方式小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热，易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜采用较大的管径。因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是采用小直径管子。

管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、3或6m几种，常用3m或6m的规格。长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D的比例应适当，一般L/D=4～6。

管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗方便，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。

管子在管板上的间距t跟管子与管板的连接方式有关：胀管法一般取t=（1.3～1.5）d0，且相邻两管外壁的间距不小于6mm；焊接法取t=1.25d0。

换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。通常是根据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。（4）折流挡板安装折流板的目的是为了提高壳程流体的对流传热系数。其常用型式有弓形折流板、圆盘形折流板以及螺旋折流板等。常用型式为弓形折流板。折流板的形状和间距对壳程流体的流动和传热具有重要影响。一般折流板的间距取为壳体内径的20%～100%。通常弓形缺口的高度约为壳体直径的10%～40%，一般取20%～25%。第八节系列标准换热器的选用步骤

1.估算传热面积，初选换热器型号

（1）根据传热任务，计算传热速率；

（2）确定流体在换热器中两端的温度，并按定性温度计算流体物性；

（3）计算传热温差，并根据温差修正系数不小于0.8的原则，确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温；

（4）根据两流体的温差，确定换热器的型式；

（5）选择流体在换热器中的通道；

（6）依据总传热系数的经验值范围，估取总传热系数值；

（7）依据传热基本方程，估算传热面积，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择换热器的规格；

（8）选择流体的流速，确定换热器的管程数和折流板间距。

2.计算管程和壳程流体的流动阻力

根据初选的设备规格，计算管程和壳程流体的流动阻力，检查计算结果是否合理和满足工艺要求。若不符合要求，再调整管程数或折流板间距，或选择其他型号的换热器，重新计算流动阻力，直到满足要求为止。3.计算传热系数，校核传热面积

计算管程、壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，计算传热系数和所需的传热面积。一般选用换热器的实际传热面积比计算所需传热面积大10%～25%，否则另设总传热系数，另选换热器，返回第一步，重新进行校核计算。

第九节传热过程的强化

[分析]依据Q=KA△t1.△t增大传热推动力---蒸汽加热---增大蒸汽压力(操作)----水冷却---降低水温或增加水量(操作)----流体变温----逆流流动2.A扩展传热面积——合理地提高设备单位体积的传热面积，如采用翅片管、波纹管、螺纹管来代替光管等，从改进传热面结构和布置的角度出发加大传热面积，以达到换热设备高效、紧凑的目的。而不应单纯理解为通过扩大设备的体积来增加传热面积，或增加换热器的台数来增加传热量。3.增大传热系数——有效途径污垢热阻是一个可变因素。在换热器投入使用的初期，污垢热阻很小。随着使用时间的增长，污垢将逐渐集聚在传热面上，成为阻碍传热的重要因素。因此，应通过增大流体流速等措施减弱污垢的形成和发展，并注意及时清除传热面上的污垢。

通常，流体的对流传热热阻是传热过程的主要热阻。当间壁两侧流体的对流传热系数相差较大时，应设法强化对流传热系数较小一侧的对流传热。

目前增强对流传热的方法主要有：(1)改变流体的流动状况

（1）提高流速提高流速可增加流体流动的湍动程度，减薄层流底层，从而强化传热。如在列管式换热器中通过增加管程数和壳程中的折流板数来提高流速。

（2）增加人工扰流装置在管内安放或管外套装如麻花铁、螺旋圈、盘状构件、金属丝、翼形物等以破坏流动边界层而增强传热。(2)改变流体物性

流体物性对传热有很大影响，一般导热系数与比热较大的流体，其对流传热系数也较大。例如空气冷却器改用水冷却后，传热效果大大提高。另一种改变流体性能的方法是在流体中加入添加剂。例如在气体中加入少量固体颗粒以形成气-固悬浮体系，固体颗粒可增强气流的湍流程度；在液体中添加固体颗粒（如在油中加入聚苯乙烯悬浮物），其强化传热的机理类似于搅拌完善的液体传热；以及在蒸汽中加入硬脂酸等促进珠状冷凝而增强传热等。

(3)改变传热表面状况

通过改变传热表面的性质、形状、大小以增强传热的方法主要有：

（