热量传递过程

热量传递过程第一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20231ProcessSystemprinciple教学内容对流传热过程热传导过程热量传递过程概述辐射传热过程传热过程计算传热设备（换热器）第二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20232ProcessSystemprinciple热量传递过程概述热量传递的目的图4-1典型的换热流程1---换热器2---反应器（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度。（2）换热，以回收利用热量或冷量。（3）保温，以减少热量或冷量的损失。第三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20233ProcessSystemprinciple热量传递过程概述热量传递的方式（2）对流传热。（3）辐射传热。（1）热传导。第四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20234ProcessSystemprinciple（1）直接接触传热。图4-2直接接触换热热量传递过程概述冷、热流体的接触方式（2）间壁式传热。图4-3间壁式换热（3）蓄热式传热。图4-4蓄热式换热第五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20235ProcessSystemprinciple热量传递过程概述载热体及其选择（1）载热体：起加热作用的载热体称为加热剂；起冷却作用的载热体称为冷却剂。

载热体：供给冷流体热量或将热流体的热量带走的流体。（2）载热体的选择：加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。冷却剂：水、空气和各种冷冻剂。

载热体的选择要求：加热时，温位越高，价值越大；冷却时，温位越低，价值越大。

第六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20236ProcessSystemprinciple热量传递过程概述载热体及其选择其它要求：

①载热体的温度应易于调节；②载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解；③载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；④载热体应价格低廉而且容易得到。

第七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20237ProcessSystemprinciple热量传递过程概述传热速率（1）热流量Q：单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量W。单位时间、通过单位传热面积的热量W/m2。（2）热流密度（或热通量）q：第八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20238ProcessSystemprinciple热量传递过程概述稳态传热与非稳态传热（1）稳态传热：特点：传热系统中，温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。连续生产过程中的传热多是稳态传热。（2）非稳态传热：特点：传热系统中，温度分布随时间而变。间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。第九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/20239ProcessSystemprinciple热传导过程热传导规律热传导（或导热）：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。1、热传导概念2、热传导规律（1）傅立叶（Fourier）定律：式中：q---热流密度，w/m2；---法向温度梯度，℃/m；λ---比例系数，称为导热系数，w/(m·℃)第十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202310ProcessSystemprinciple热传导过程热传导规律（2）导热系数λ例：金属10～102w/(m·℃)建筑材料10-1～10w/(m·℃)绝热材料10-2～10-1w/(m·℃)λ表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。实验测得导热系数λ与温度t的关系：式中：λ---固体在温度t℃的导热系数，w/(m·℃)；λ0---固体在温度0℃的导热系数，w/(m·℃)；a---温度系数，1/℃，；对大多数金属材料为负值，对大多数非金属材料为正值。第十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202311ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用1、通过平壁的热传导过程：图4-5平壁的热传导平壁的热传导的温度分布见图4-5所示。由傅立叶（Fourier）定律可知：对上式积分得：又可写为：第十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202312ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用2、通过圆筒壁的热传导过程：图4-6圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导的温度分布见图4-6所示。在圆筒壁内取同心薄层圆筒并对其作热量衡算：对于定态热传导：则：第十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202313ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用又：所以：对上式进行积分得：式中：r---圆筒任一径向半径；l---圆筒管长。边界条件：第十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202314ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用将边界条件带入上式，得：式子可以改写为：第十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202315ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用若圆筒壁热阻为：3、多层平壁的热传导过程：图4-7多层平壁的热传导圆筒壁的热传导的温度分布见图4-7所示。第十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202316ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用①推动力和阻力的加和性②各层的温差第十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202317ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用

结论：对多层圆筒壁同样适合。即：例：界面温度的求取。某炉壁由下列三种材料组成：（见图3-7所示）耐火砖λ1=1.4w/(m·℃)，δ1=225mm保温砖λ2=0.15w/(m·℃)，δ2=125mm建筑砖λ3=0.8w/(m·℃)，δ3=225mm已测得内、外表面温度分别为930℃和55℃，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。第十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202318ProcessSystemprinciple热传导过程热传导的应用解：（1）单位面积的热损失为：（2）温差及界面温度：第十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202319ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程的概念流体各部分（或与固体表面）之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热。对流分为自然对流和强制对流。自然对流：流体中各处的温度不同而引起的密度差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移。强制对流：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。第二十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202320ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程分析

传热过程流动截面的温度分析：图4-8流体流过平壁时的温度分布

参见图4-8所示。第二十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202321ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程分析三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：

结论：对流传热是流体流动载热与热传导联合作用的结果，流体对壁面的热流密度因流动而增大。流体无相变化的给热过程流体有相变化的给热过程强制对流给热过程自然对流给热过程蒸汽冷凝给热过程液体沸腾给热过程对流传热第二十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202322ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述1、牛顿冷却定律：式中：Tw，tw---热或冷壁的温度，

℃

；T，t---热或冷流体的温度，℃；α---给热系数，w/(m·℃)流体加热时：流体冷却时：2、给热系数α：三种获得给热系数α的方法：①理论分析法：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率第二十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202323ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述方程，联立求解流场的温度分布和壁面热流密度，然后写成牛顿冷却定律的形式，从而获得α的理论计算式。②数学模型法：对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。③因次分析法：对影响给热过程的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。3、给热系数α的影响因素及无因次化：①影响因素：

液体的物理性质：ρ、μ、Cp、λ；固体表面的特征参数：l；第二十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202324ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述强制对流的流速：u；自然对流的特征速度：gβΔt。其中：β---膨胀系数，℃-1υ---流体比体积，m3/kg，υ=1/ρ；υ2，υ1---对应于t2、t1的流体比体积；于是：②无因次化：第二十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202325ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述式中：-----努塞尔（Nusselt）准数于是，描述给热过程的准数关系式为-----雷诺（Reynolds）准数-----普朗特（Prandtl）准数-----格拉斯霍夫（Grashof）准数第二十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202326ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述讨论：各无因次数群的物理意义α*--给热过程以纯导热方式进行时的给热系数。Nu反映对流给热系数增大的倍数。

Nu准数：

Re准数：是流体所受的惯性力与粘性力之比，用以表征流体的运动状态。

Pr准数：流体物性对给热过程的影响。对于气体，Pr≈1，对于液体，Pr＞＞1。第二十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202327ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述

Gr准数：则Gr是Re的一种变形，表征自然对流的流动状态。4、关于定性温度和特征尺寸：①定性温度：根据定性温度，确定物性数据。一般选用壁温tw和流体主体温度t的算术平均值作为定性温度，并称之为平均膜温。第二十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202328ProcessSystemprinciple对流传热过程对流传热过程数学描述指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。②特征尺寸：第二十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202329ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数1、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：当ⅰ.Re>104

ⅱ.0.7<Pr<160（不适用液体金属）ⅲ.流体是低粘度（μ<2μ水）ⅳ.l/d>30～40则A=0.023，a=0.8，加热时，b=0.4；冷却时，b=0.3即：第三十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202330ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数其它条件下，需修正α：①高粘度流体：μ---液体在主体平均温度下的粘度μw---液体在壁温下的粘度液体加热时，则：液体冷却时，则：适用于Re>104，0.5<Pr<100各种液体，不适用液体金属。第三十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202331ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数②l/d<30～40的短管：③Re=2000～10000的过渡流④流体在弯管中流动α---直管给热系数，w/(m·℃)d---管内径，mR---弯管的曲率半径，m第三十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202332ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数⑤流体在非圆形管中流动套管：Re=1.2×104～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0第三十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202333ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数图4-9列管换热器

例题：右图为列管换热器，由38根φ25mm×2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20℃加热至80℃，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸汽进行加热。（2）当苯的流量提高一倍，给热系数有何变化？（1）试求管壁对苯的给热系数。第三十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202334ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数解：苯的平均温度所以：根据该温度，查得：ρ=860kg/m3，Cp=1.80kJ/（kg·℃）μ=0.45mPa·s；λ=0.12w/(m·℃)第三十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202335ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数若忽略定性温度的变化，则：2、流体在圆形直管内的强制层流的给热系数：适合：实验结果：第三十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202336ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数流体在管外强制对流给热系数：直排错排图4-10管束的排列流体在管束外横向流过管束的给热系数：c、ε、n的值见后表4-1所示。应用范围：Re=5×103～7×104，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。第三十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202337ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数表4-1

各排的给热系数不等，整个管束的平均给热系数为：式中：αi---各排的给热系数；Ai---各排的传热面积。第三十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202338ProcessSystemprinciple对流传热过程无相变的对流给热系数3、搅拌釜内液体与釜壁的给热系数：实验表明：4、大容积自然对流的给热系数：

表4-2系数A和b第三十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202339ProcessSystemprinciple对流传热过程有相变的对流给热蒸汽冷凝给热：当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出汽化潜热的给热过程。包括滴状冷凝和膜状冷凝。液体沸腾给热：液体与高温壁面接触被加热汽化，并产生气泡的过程称为液体沸腾。第四十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202340ProcessSystemprinciple辐射传热过程辐射传热过程的概念绝对温度不为零度的物体，都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体与外界就产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。

在工业上所遇到的温度范围内，有实际意义的热辐射波长在0.38～1000μm之间，大部分集中于红外线区段：0.76～20μm之间。

第四十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202341ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

1、黑体的辐射能力和吸收能力：外来辐射投影到物体表面的能量，会发生吸收、反射和穿透现象，如图4-11所示。图4-11辐射能的吸收、反射和穿透

根据能量守衡定律，有：

式中：Q---投射总能量；Qa、Qr、Qd---吸收、反射、透射的能量。第四十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202342ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

式中：a、r、d---分别称为吸收率、反射率和透射率。

固体、液体：d=0，气体：r=0，黑体辐射能力服从斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律：

当a=1，称该物体为黑体。

式中：Eb---黑体辐射能力，w/m2；σ0---黑体辐射常数，5.67×10-8w/（m2·K4）。T---黑体表面的绝对温度，K。第四十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202343ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

或：

式中：C0---黑体辐射系数，5.67w/（m2·K4）。

2、实际物体的辐射能力和吸收能力：

式中：ε---实际物体的黑度。实际物体的辐射能力恒小于同温度下的黑体辐射能力Eb。第四十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202344ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

表4-3

3、灰体的辐射能力和吸收能力：

对于灰体：辐射能力ε=吸收能力a实际物体的吸收能力与投入辐射的波长有关。灰体：对各种波长辐射均能同样吸收的理想物体。

上述规律称为克希荷夫（Kirchhoff）定律。第四十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202345ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

4、黑体间的辐射传热A1、T1、φ1A2、T2、φ2图4-12两黑体间的辐射传热

因为：

所以：第四十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202346ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射

5、灰体间的辐射传热

关于Φ12和εs，参见表4-4。

例题：遮热板的作用。

室内有一高为0.5m，宽为1m的铸铁炉门，表面温度为600℃，室温为27℃，试求：（1）炉门辐射散热的热流量？第四十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202347ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射表4-4（2）若在炉门前很近的距离平行放置一块同样大小的铝质遮热板（已氧化），炉门与遮热板的辐射热流量为多少？第四十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202348ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射（2）炉门和遮热板相距很近，设铝板温度为T3，则：解：铸铁的黑度ε1=0.78，铝的黑度ε3=0.15（1）炉门为四壁包围，A1/A2≈0，则：第四十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202349ProcessSystemprinciple辐射传热过程固体辐射遮热板与四周墙壁：因为：所以，解得：T3=733K第五十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202350ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程数学描述

1、传热速率方程：TTwtwtδ热流体冷流体q图4-13微元管段中的热流密度

式中：T、t---热、冷流体的主体温度；Tw、tw---热、冷流体侧的器壁温度；α1、α2---热、冷流体的给热系数；σ---器壁的厚度。

根据推动力和阻力加和原理，得：第五十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202351ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程数学描述

K称为总的传热系数。

2、传热系数与热阻：（以套管换热器为例）①忽略δ/λ：当α1>>α2时，K=α2；α1<<α2时，K=α1。

内表面：外表面：②当内、外表面积不同时，第五十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202352ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程数学描述

若为圆管，内、外径为d1、d2：

关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为R1、R2）则

式中：第五十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202353ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程数学描述

3、壁温的计算：

若Tw=tw，则：第五十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202354ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程基本方程

1、换热器的热量的衡算：图4-14热量衡算

总的热量衡算：第五十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202355ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程基本方程

式中：Wh、Wc----热、冷流体的质量流量；Cph、Cpc----热、冷流体的比热；

2、传热基本方程式：t1t2tTT1T2(T-t)1(T-t)2(T-t)T=t图4-15热量衡算

已知：

又：

上式积分，可得：第五十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202356ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程基本方程

式中：△tm---对数平均温度。传热过程的推动力。

3、传热过程的推动力：图4-16传热温差第五十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202357ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程基本方程

例：并流和逆流对数平均温差的比较。

在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h，热水进口温度为T1=80℃，冷水进口温度为t1=10℃。如果要求将冷水加热到t2=30℃，试求并流和逆流对数平均温差。

解：题目条件下，Cph=Cpc=4.2kJ/（kg·℃）

所以：

求得：T2=50℃由于：第五十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202358ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程基本方程则：并流时△t1=80℃-10℃=70℃△t2=50℃-30℃=20℃

则：逆流时△t1=80℃-30℃=50℃△t2=50℃-10℃=40℃第五十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202359ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算

1、设计型计算①计算热负荷：设计任务：将流量为G1的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2。

设计条件：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度t1。

计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。

计算方法：②适当选择并计算平均推动力：△tm。③即使冷、热流体的对流给热系数及总K。④由传热方程计算传热面积。

第六十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202360ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算参数选择：

①流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；

②选择冷却介质的出口温度；③冷、热流体流动线路（管程、壳程）；④流体的流速；⑤污垢热阻。

2、操作型计算第一类命题：给定条件：换热器传热面积及相关尺寸，冷、热流体的物性数据，冷、热流体的流量、进口温度、流动方式。第六十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202361ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算计算目的：冷、热流体的出口温度。给定条件：换热器传热面积及相关尺寸，冷、热流体的物性数据，热流体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。第二类命题：计算目的：冷流体的流量及出口温度。

计算方法：②

①

第六十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202362ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算③

例：第一类命题的操作型计算。

在一逆流操作的换热器，热流体为空气，α1＝100W/(m2·℃)，冷却水走管内，α2＝2000W/(m2·℃)。已测得热、冷流体进、出口温度为T1=100℃，T2=70℃，t1=20℃，t2=85℃，管壁热阻可以忽略。当水流量增加一倍时，试求：

（1）空气和水的出口温度T2’，t2’?

（2）热流量Q’比原热流量Q增加多少?第六十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202363ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算

解：（1）原工况：

式中：第六十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202364ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算新工况：（a）、（b）两式相除：第六十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202365ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算或：热量衡算：联立求解（c）、（d）两式，得：第六十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202366ProcessSystemprinciple传热过程计算传热过程计算（2）新、旧工况的热量之比：即，热量增加了34％。讨论：从计算结果中可以得出什么结论？第六十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202367ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型

结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。1、夹套换热器图4-17夹套换热器优点：结构简单，加工方便。

缺点：传热面积A小，传热效率低。

用途：广泛用于反应器的加热和冷却。为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。第六十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202368ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。

缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，为了强化传热，容器内加搅拌。2、沉浸式蛇管换热器

结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。图4-18沉浸式蛇管换热器第六十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202369ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型3、喷淋式换热器

结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。图4-19喷淋式换热器(1)第七十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202370ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型

优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。

缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。

用途：用于冷却或冷凝管内液体。图4-20喷淋式换热器(2)第七十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202371ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型4、套管式换热器

结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。

优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。

缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。

用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。图4-21套管式换热器第七十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202372ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型5、列管式换热器（管壳式换热器）

主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。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。图4-22列管式换热器第七十三页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202373ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型优点：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。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。图4-23列管式换热器折流挡板第七十四页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202374ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。

（1）固定管板式

根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。第七十五页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202375ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型

特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。图4-24固定管板式（有膨胀节）换热器

（2）浮头式

两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。第七十六页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202376ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。图4-25内浮头式换热器第七十七页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202377ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）间壁式换热器的类型固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。（3）U型管式图4-26U型管式换热器特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。第七十八页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202378ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用1、选用步骤（1）根据工艺任务，计算热负荷；（2）计算平均温度差；先按单壳程多管程的计算，如果校正系数<0.8，应增加壳程数；（3）依据经验选取总传热系数，估算传热面积；（4）确定冷热流体流经管程或壳程，选定流体流速；由流速和流量估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。（5）核算总传热系数；第七十九页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202379ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用分别计算管程和壳程的对流传热系数，确定垢阻，求出总传热系数，并与估算的总传热系数进行比较。如果相差较多，应重新估算。（6）计算传热面积。根据计算的总传热系数和平均温度差，计算传热面积，并与选定的换热器传热面积相比，应有10%～25%的裕量。2、选用换热器中的有关问题（1）流体流经管程或壳程的选择原则原则：传热效果好；结构简单；清洗方便。■不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。■腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。第八十页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202380ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用（2）流体的流速流体的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。■压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。■饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出。■流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。■需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。第八十一页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202381ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用0.2～1.5>0.53～150.5～0.3>15～30一般液体宜结垢液体气体壳程管程流速m/s流体种类列管换热器内常用的流速范围：0.60.751.11.51.82.4>15001000～500500～100100～5335～1>1最大流速m/s液体粘度mPa.s不同粘度液体在列管换热器中流速（在钢管中）：

流动方式的选择：除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。第八十二页，共九十二页，2022年，8月28日3/4/202382ProcessSystemprinciple传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用（3）换热器中管子的规格和排列方式当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。管子的规格19×2mm和25×2.5mm管长：1.5、2.0、3.0、6.0和9.0m等；排列方式：正三角形、正方形直列和错列