第三章 传热过程第三讲

第三章传热过程第三讲2023/6/211第一页，共二十二页，编辑于2023年，星期四②流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合QL=W·cp(t2-t1)式中cp——流体的比定压热容，kJ·kg-1·K-1；t1，t2——流体传热前后的温度，K；若换热器中两种流体无相变化，且流体的定压比热不随温度变化或可取平均温度下的定压比热时：（2）热量衡算2023/6/212第二页，共二十二页，编辑于2023年，星期四式中QL—换热器的热负荷，kJ·s-1；—分别指热、冷流体的比定压热容，kJ·kg-1·K-1；

—分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，K。若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝同温度冷凝液时：2023/6/213第三页，共二十二页，编辑于2023年，星期四2．传热总方程如图，传热过程是热流体给热→间壁导热→冷流体给热的串联过程。

换热器内进行的大都是定态传热过程：或2023/6/214第四页，共二十二页，编辑于2023年，星期四

间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性3.传热系数K2023/6/215第五页，共二十二页，编辑于2023年，星期四当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A，则传热系数为：若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若A1≠A2≠A，即传热系数与传热面积对应时：2023/6/216第六页，共二十二页，编辑于2023年，星期四K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。化工中常见传热过程的K值范围2023/6/217第七页，共二十二页，编辑于2023年，星期四例题：某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为1.0m，釜壁铜板厚8mm（λ=50W·m-1·K-1）若釜内壁面结有垢层厚2mm（Rh1=0.002W-1·m2·K）夹套中用115℃的饱和水蒸气进行加热（a1＝9000W·m-2·K-1），釜内有机物温度为80℃（a2＝250W·m-2·K-1）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分率。解：因反应釜内径1.0m与外径1.16m相差不大，可近似地当作平面壁来处理.取传热面积为时：求得W-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·K2023/6/218第八页，共二十二页，编辑于2023年，星期四得K=159W·m-2·K-1

传热总阻力为：

W-1·K反应釜的面积热流为kW·m-2

计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物这一侧，其中垢层热阻占总热阻的31.9%，有机物热阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的1.75%和2.55%。

2023/6/219第九页，共二十二页，编辑于2023年，星期四4．传热过程的平均温度差冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的温度差。

（1）定态恒温传热

定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。（2）定态变温传热（换热器常见情况）

定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差Δt沿换热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。2023/6/2110第十页，共二十二页，编辑于2023年，星期四图分别为逆流和并流传热时Δt随换热器壁面位置的变化图工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流。2023/6/2111第十一页，共二十二页，编辑于2023年，星期四热T1T2t1t2冷逆流T1T2t2t1热冷并流当用算术平均值2023/6/2112第十二页，共二十二页，编辑于2023年，星期四

例题：硫酸生产中SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热SO2气体。若转化气温度由440℃降至320℃，SO2气体由220℃被加热至280℃，试求并流传热和逆流传热的平均温度差，并作比较，选定推动力较大的传热流向（设两气体进出口温度在并、逆流时相同）

T1=440℃T2=320℃t1=220℃t2=280℃Δt1Δt2T1=440℃T2=320℃t2=280℃t1=220℃Δt1Δt2解:Δt1=T1-t1=220℃Δt2=T2-t2=40℃Δt1/Δt2=5.5>2并流传热时2023/6/2113第十三页，共二十二页，编辑于2023年，星期四对数平均值算术平均值只能采用对数平均值逆流传热误差为Δt1=T1-t2=160℃Δt2=T2-t1=100℃Δt1/Δt2=1.6<2对数平均值算术平均值误差为采用对数平均值和算术平均值均可2023/6/2114第十四页，共二十二页，编辑于2023年，星期四在相同情况下，逆流传热的平均温度差大于并流传热的平均温度差，这意味着采用逆流传热要比并流传热相应减少传热面积或载热体使用量。

计算结果表明:2023/6/2115第十五页，共二十二页，编辑于2023年，星期四§3-5换热器的选择及传热过程的强化1．换热器的选择①冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；②冷、热流体的物性参数；③冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器类型和规格的过程。换热器的选择首先要考虑以下事项。（1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。2023/6/2116第十六页，共二十二页，编辑于2023年，星期四（2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。①不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；②需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程；③腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束；④压力高的流体走管程，管子耐压性好；⑤饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；⑥粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低Re（Re＞100）达到湍流；⑦需冷却的流体一般选壳程，便于散热。2023/6/2117第十七页，共二十二页，编辑于2023年，星期四①流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据；②由传热任务计算热负荷；③作出适当选择，并计算对数平均温度差；④选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当型号的换热器；⑤核算总传热系数；⑥估算传热面积。在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：2023/6/2118第十八页，共二十二页，编辑于2023年，星期四2．传热过程的强化传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小体积的换热器完成一定的传热任务。强化传热过程的主要途径有三条。（1）增大传热面积A增大间壁式换热器传热面积A，可提高过程的传热速率。但增大A，设备投资费用增大。改进传热面结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热面积增大的效果。2023/6/2119第十九页，共二十二页，编辑于2023年，星期四当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获得较大的Δtm，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器实现Δtm的增大。提高a和λ、降低δ都能使K值增大。提高K值的具体办法，可以从以下几个方面考虑。

（2）增大平均温度差Δtm增大传热系数K是强化传热过程最有效的途径。（3）增大传热系数K2023/6/2120第二十页，共二十二页，编辑于2023年，星期四③提高λ、降低δ。a．尽量选择λ较大的载热体；b．换热器金属壁面一般较λ值大，热阻小；但污垢层热阻很大，应防止或减缓垢层形成并及时清除之。①增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高h值。a．提高流体流速、增加湍流程度、减小滞流底层厚度，可有效地提高无相变流体的a值。b．改变流动条