物料换热操作（化工单元操作技术课件）

物料换热操作传热过程基本认知2一、传热概述1、定义：热量传递简称为传热，是自然界普遍存在的现象。2、传热推动力：物体内部或物系之间，只要存在温度差，就会发生从高温处向低温处的热量传递。3、传热方向：热量自动的从高温处传到低温处，即热传递的方向指向温度梯度减小的方向。（高温→低温）4、传热极限：温度相等自然界和生产领域中普遍存在着这种以温度差为推动力的热量传递现象。3二、传热过程在化工生产中的应用加热或冷却换热/能量回用保温

强化传热过程削弱传热过程

4能量回收：节能减排、资源回用！同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。例如：钢铁行业烟气余热回收对比余热没有回收热交换器进行余热回收51、物料加热或冷却，使物料达到指定的温度；

——要求传热效果好，传热速率大

62、生产中热能的合理利用，废热回收，通过换热回收利用热量；

——也需要传热效果好、传热速率大的传热设备73、化工设备和管道的保温，以减少热损失。

——要求保温层的传热速率低8三、传热过程的类型1、强化传热和削弱传热

化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：

（1）强化传热:

如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好

（2）削弱传热:如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失。

92、稳态传热和非稳态传热

化工传热过程既可连续进行也可间歇进行。

（1）稳态传热：

传热系统（例如换热器）中的温度仅与位置有关而与时间无关，其特点是系统中不积累能量（即输入的热量等于输出的热量），传热速率（单位时间传递的热量）为常数。

（2）非稳态传热：

传热系统中各点的温度既与位置有关又与时间有关，间歇生产过程中的传热和连续生产过程中的开、停车阶段的传热一般属于不稳定传热。

化工生产中的传热大多可视为稳态传热。101、设计传热设备；2、计算传热量；3、减少热损失四、传热计算问题的应用11(一)热传导1、定义热传导简称导热，物体中温度较高部分的分子、原子或电子因运动或振动，而将热量从物体内高温处向低温处传递的过程。2、特点物体中的分子或质点不发生宏观的位移，热传导在固体、气体、液体中均可发生。（1）必须有温差；（2）物体直接接触；（3）依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；（4）物体中的分子或质点不发生宏观的位移。五、传热的基本方式12123热传导实例分析一长条形铁块（一端烧热）A两块铁块（一块烧热，另一块不烧）靠在一起BC两块铁块（一块烧热，另一块不烧）间隔15CM热传导发生在静止物体内部或相互接触的物体之间133、机理（1）气体：热传导是由不规则的分子热运动引起的；（2）液体和不良导体的固体：热传导是由分子或晶格的振动传递动量来实现的；（3）金属固体：热传导主要依靠自由电子的迁移来实现。因此，良好的导电体也是良好的导热体。14(二)对流传热1、定义

对流传热也叫热对流，是指流体内部质点发生宏观位移而引起的热量传递。152、机理热对流仅发生在流体中。由于引起流体质点宏观位移的原因不同，对流又可分为强制对流和自然对流。（1）强制对流：由于外力（泵、风机、搅拌器等作用）而引起的质点运动。（2）自然对流：由于流体内部各部分温度不同而产生密度的差异，造成流体质点相对运动。3、实质流体质点携带着热能在不断的流动中，放热或吸热的过程。4、特点：只发生在流体中。导热自然对流16123对流传热实例分析半杯热水中加入冷水（ρ冷水>ρ热水）A半杯热水中加入冷水，并不断搅拌B水壶烧水（自然对流还是强制对流？）C17热量如何从太阳传送至地球？18（三）热辐射

1、定义

因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的方式。

高温物体之间的主要传热形式。

2、机理物体将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能。

193、特点：

（1）热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播；

（2）任何物体，只要温度大于绝对0K，就可发生热辐射；（3）只有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式。三种传热方式比较2021热量传递的基本方式热传导对流传热热辐射强制对流自然对流三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，同时出现。六、工业换热方式

参与传热的流体称为载热体。

在传热过程中，温度较高而放出热能的载热体称为热载热体或加热剂；

温度较低而得到热能的载热体称为冷载热体或冷却剂（冷凝剂）。冷、热两种流体在换热器内进行热交换，实现热交换主要有三种方式。231．直接接触式换热

（1）特点：冷、热两流体在换热器中直接接触，如图所示，在混合过程中进行传热，故也称为混合式换热。（2）适用场合：用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合。2425（3）优点：传热速度快，效率高，设备简单。（4）典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器废蒸气冷水热水淋洒式换热器262.间壁式换热

生产中使用最广泛的一种形式，化工生产中最常遇到的换热过程是间壁式换热。

（1）特点：

冷、热流体被一固体壁面隔开，分别在壁面的两侧流动，互不接触，不相混合。传热时热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。

（2）适用场合：两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合。

2728293.蓄热式换热

蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内装有耐火砖等固体填充物，如图所示。

特点：操作时冷、热流体交替的流过蓄热室，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。

由于这类换热设备的操作是间歇交替进行的，并且难免在交替时发生两股流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用的较少。30七、生产中常用的加热和冷却方法参与换热的流体称为载热体。（1）热流体-----冷流体；（2）加热剂-----冷却剂（或冷凝剂）1.载热体的选用原则①载热体应能满足所要求达到的温度。②载热体的温度调节应方便。③载热体的比热容或潜热应较大。④载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。⑤为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易燃易爆，对设备腐蚀性小。⑥价格低廉，来源广泛。31加热剂：热水、饱和水蒸气

矿物油或有机载热体等低熔混合物、熔盐、烟道气等

用电加热直接热源间接热源加热剂烟道气电加热高温载热体水蒸汽温度高、经济、温度不易控制、加热不均匀、带有明火及灰尘温度高、加热均匀、易控制、清洁卫生、成本高熔盐混合物最广的热源、加热均匀、温度高时压力过大、不安全2.常用加热剂和加热方法32（1）饱和水蒸气加热

它的主要优点是：①可以通过调节蒸汽压力，准确的调节温度；②蒸汽冷凝时的膜系数很大，换热器的传热面积可以小一些；③蒸汽的汽化潜热很大，且加热均匀，在传热量一定时，所需蒸汽用量较小。饱和水蒸气加热的主要缺点是加热温度不高，通常不超过180℃，相应的压力为1003kPa。33（2）矿物油加热

优点：来源容易、加热均匀、不需加压。常压下加热温度可达到225℃（超过250℃易分解）。

缺点：油的黏度大，且黏度随使用时间增大而增大，膜系数逐渐减小。加热效果不如水蒸气，易着火，只能利用显热。如采用机油、汽缸油等。34

（3）有机载热体加热有机载热体即联苯混合物，它是26.5%的联苯和73.5%二苯醚的混合物，俗称导生。沸点高（258℃）。导生具有化学稳定性，在380℃以下可长期使用不变质（370℃可使用750～1100天）。其加热温度范围很广，用常压液体加热可达255℃；用饱和水蒸气加热可达380℃。导生的粘度比矿物油小，故传热效果较好。导生具有可燃性，但无爆炸危险，其毒性很轻微。主要缺点是它极易渗透软性石棉填料，使用时所有管道连接处需用金属垫片采用焊接。35（4）熔盐加热

常用熔盐为7%NaNO3、40%NaNO2和53%KNO3组成的低熔点混合物，其熔点为142℃，当要求加热温度超过380℃时，可考虑选用这种载体。它的最高加热温度达530℃。但比热容小，仅为1.3kJ/(kg·K)。（5）烟道气加热

加热温度超过500℃时，大多采用烟道气，温度可高达1000℃或更高。使用烟道气加热应防止局部过热，当用气体或液体燃料时，可采用自控系统调节和控制温度。36（6）电加热

使用电加热可达较高温度，而且清洁、方便、易于控制。化工生产中常用电阻加热和电感加热。

①电阻加热:将电阻丝绕在被加热的设备上，通电后能转变为热能，即达到加热目的。其最高加热温度可达1100℃，但在防火防爆的环境中使用很不安全。

②电感加热:

当电流通过导体时，在导体周围产生磁场。若为交流电，则在导体四周产生的磁场为交变磁场。在这交变磁场的感应下，金属表面产生感应的交变涡电流，涡流损耗转变为热能，称为电感加热。37冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等空气、水盐水溶液常用冷却剂冷却温度≥5oCNaCl、CaCl2等；冷却温度0～-45oC有机物乙醇、乙二醇、丙醇等；冷却温度要求更低373.常用冷却剂与冷却方法38（1）水

水是化工生产中使用最广泛的冷却剂，用量很大，约占总耗水量的80%。水的比热容和膜系数都比较大，能够将流体冷却到较低的温度，因此得到广泛应用。冷却水可以是江水、河水、海水、井水或循环水等。水温随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在15～30℃以上的场合。为了防止溶解在水中盐类的析出，在换热器传热表面形成水垢，一般控制冷却水的终温不超过40～50℃。若需要将流体冷却到5～10℃或更低温度时，则需要采用经冷却降温的低温水（如冷冻盐水或冷冻剂）作冷却剂。39（2）空气

空气是取之不竭的冷却剂，用空气代替水作冷却剂可以减少污水处理的问题。在水源不足的地区，更显出它的优越性。空气的温度随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在30℃以上的场合。由于空气的对流传热效果差，要求庞大的换热设备。大型企业中采用空气冷却在经济上是合理的，所以正得到逐步推广。物料换热操作换热器结构认知41

换热器在我国石油化工、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业应用极为普遍，占全部工艺设备投资的20－40％。流体在换热设备中进行热量传递将低温流体加热或将高温流体冷却，将液体汽化成汽体或将汽体冷凝成液体，这些过程都与热量传递密切相关----传热设备实现。

传热设备-----换热器42一、换热器分类冷热流体直接接触，传热直接、效率高、热阻小冷热流体隔一固体壁面，传热效率不如直接接触式。工业应用最广。（一）

按照接触方式低温流体高温流体结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却43①直接接触式换热器两流体直接混合进行的换热。

结构简单，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。4445②

间壁式换热器两流体被固体壁面分开，互不接触。

冷流体t1t2热流体T1T2热流体T1T2冷流体t1t246冷溶液进冷溶液出热溶液进热溶液出间壁式换热器

47低温流体高温流体优点：结构较简单耐高温缺点：设备体积大有一定程度的混合③蓄热式换热器

借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。48（二）按换热器的用途分类1.加热器

用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。2.预热器

用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。3.过热器

用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。4.蒸发器

用于加热液体，使之蒸发汽化。5.再沸器

是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液体，使之再受热汽化。6.冷却器

用于冷却流体，使之达到所需的温度。7.冷凝器

用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。49(三)按换热器传热面的形状和结构分类1.管式换热器

管式换热器通过管子壁面进行传热。按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。2.板式换热器

板式换热器通过板面进行传热。按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。3.特殊形式换热器

这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。50(四)按换热器所用材料分类1.金属材料换热器

金属材料换热器是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。由于金属材料的导热系数较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。2.非金属材料换热器

非金属材料换热器由非金属材料制成，常用非金属材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料。由于非金属材料的导热系数较小，所以其传热效率较低。51二、间壁换热器的结构与性能特点52二、间壁换热器的结构与性能特点(一)管式换热器1.套管换热器

优点：结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减。缺点：单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。532.蛇管换热器(1)沉浸式蛇管换热器优点：结构简单，造价低廉，便于防腐，能承受高压。缺点：管外对流传热系数小，常需加搅拌装置(2)喷淋式蛇管换热器优点：检修清洗方便，传热效果好等。缺点：体积庞大，占地面积多，冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等。54

3.列管换热器

又称管壳换热器，是一种通用的标准换热器。具有结构简单、坚固耐用，用材广泛、清洗方便、适用性强等优点，在生产中得到广泛应用。基本结构：壳体、封头、管束、管板、折流挡板折流挡板：（1）增强流体在管间流动的湍动程度，增大传热系数，提高传热效率；（2）还起到支撑管束的作用管程：管外的通道及其贯通的部分，即一种流体走管内，称为管程；壳程：管内的通道及其相贯通的部分，即另一种流体走管外，称为壳程。一程：管内流体从换热器一端流向另一端一次，称为一程；两程：对U形管换热器，管内流体从换热器一端经过U形弯曲段流向另一端一次。5657585960

4.翅片管换热器

化工生产中常遇到气体的加热或冷却问题。因气体的对流传热系数较小，所以当换热的另一方为液体或发生相变时，换热器的传热热阻主要在气体一侧。此时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，减少了气体侧的热阻，提高了传热效率。

61(二)板式换热器1.夹套换热器

优点：结构简单，容易制造，可与反应器或容器构成一个整体。缺点：传热面积小，器内流体处于自然对流状态，传热效率低，夹套内部清洗困难。

622.平板式换热器

优点：结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；组装灵活，可随时增减板数；板面波纹使流体湍动程度增强，从而具有较高的传热效率；装拆方便，有利于清洗和维修。

缺点：处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。63平板式换热器64增加刚性；提高湍动程度；增加A；易于液体均匀分布653.螺旋板式换热器

4.板翅式换热器66螺旋板式换热器67优点：结构紧凑不易结垢,堵塞

K大保持逆流,tm大缺点：压力,温度不能太高难以维修68板翅式换热器优点：流体湍动程度高，K大；结构紧凑，单位体积的A较大；缺点：易堵塞，清洗困难；构造复杂69(三)热管换热器

特点是热量传递分汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小。因此，它特别适用于低温差传热的场合。热管换热器具有传热能力大、结构简单、工作可靠等优点。

70物料换热操作换热器换热面积的确定一、热传导的基本定律1、传热速率Q：

单位时间通过传热面的热量，单位W。实例分析：左手摸铁，同时右手摸木头，会感觉到左手比右手冷；在外界条件相同

的情况下用铁锅和铝锅烧水，铝锅中的水先沸腾，这是为什么？表示换热器本身所具有的换热能力说明三种物质的传热效果：铝最好，铁次之，木头最差。物质导热性能的好坏与本身的某种物理性质有关。2、热通量q：

又称热流密度，单位时间单位传热面积上传递的热量，单位W/m2。一、热传导的基本定律

热量传递：高温低温温度梯度：低温高温（规定）负号表示导热方向与温度梯度方向相反一、热传导的基本定律3、热导率：（1）定义：传热面积为1m2，壁厚为1m，两壁面之间的温度差为1K时，单位时间内以

导热方式所传递的热量，用λ表示，单位W/(m•K)。（2）物理意义：表示物质导热性能的好坏，数值越大，表示该材料的导热越快。（3）应用：

强化传热——选热导率大的材料

削弱传热——选热导率小的材料一、热传导的基本定律3、热导率：（1）固体的热导率

在所有固体中，金属的导热能力最强，纯金属的热导率一般随温度的升高而降低，随纯度的降低而降低，所以合金的热导率比纯金属小。一、热传导的基本定律3、热导率：（2）液体的热导率

金属液体热导率较高，如：水银；非金属液体热导率较低，在非金属液体中，水的热导率最大。一般，纯液体的热导率大于溶液的热导率。一、热传导的基本定律3、热导率：思考：1.北方寒冷地区，采用双层玻璃窗

2.暖瓶塞保温的原理（3）气体的热导率

气体的热导率很小，不利于传热，因此用来保温或隔热。

如工业上用玻璃棉作保温材料，就是因为其空隙率大而使里面有空气的缘故。一、热传导的基本定律4、影响热导率的因素：金属的热导率最大，固体非金属的次之，液体较小，气体最小。（1）物质的组成状态（2）温度温度升高，金属的热导率降低，非金属的升高，液体的降低（水、甘油除外），气体的升高。二、单层平壁的热传导t2t1x/mt/℃单层平壁导热温度分布Q由傅立叶定律得：

注：Q—单层平壁的传热速率，WA—平壁的导热面积，m2

λ—热导率，W/m•K

δ—单层平壁的厚度将上式两边同除于A，可变形为：

例1：有一单层平面壁厚度是500mm，一侧面壁面温度是500K，另一侧壁温为300K，已知平壁的平均热导率为0.95W/m•K，导热面积为2m2，试求（1）该平面壁的导热速率Q；（2）平面壁距高温侧200mm处的温度。例2：有一单层平面壁厚度是10mm，面积为1m2，内壁面温度为473K，外壁面温度为353K，设已知壁面物质在平均温度下的热导率为0.6W/m•K，试求该壁面的导热速率Q。（作业）三、多层平壁的热传导工程计算中，常遇到多层平壁导热，即由几种不同材料组成的平壁，如锅炉的炉壁，最内层为耐火材料层，中间层为隔热层，最外层为钢板。x/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Q如图所示，表示由三层不同材料组成的平壁，壁厚分别为δ1，δ2和δ3，热导率分别为λ1，λ2和λ3，平壁的表面积为A，各接触面的温度分别为t1，t2，t3和t4，且t1＞t2＞t3＞t4，各层传热速率为Q。

单位时间数量相等的热量依次通过各层平壁（相当于串联传热）

三、多层平壁的热传导x/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Q

注：Q—多层平壁的传热速率，WA—平壁的导热面积，m2

λ—各层平壁的热导率，W/m•K

δ—各层平壁的厚度mt1，t4—最内侧喝最外侧的温度例1：有一工业炉，如图所示，其炉壁由以下三种材料由里向外组成：耐火砖，厚度为240mm，热导率为1.2W/m•K；保温砖，厚度为120mm，热导率为0.2W/m•K；建筑转，厚度为240mm，热导率为W/m•K，已知耐火砖内壁表面温度为1243K，建筑砖外壁温度为323K，求单位面积的炉壁因导热所散失的热量，并求出各层砖接触面的温度。例1：有一工业炉，如图所示，其炉壁由以下三种材料由里向外组成：耐火砖，厚度为240mm，热导率为1.2W/m•K；保温砖，厚度为120mm，热导率为0.2W/m•K；建筑转，厚度为240mm，热导率为W/m•K，已知耐火砖内壁表面温度为1243K，建筑砖外壁温度为323K，求单位面积的炉壁因导热所散失的热量，并求出各层砖接触面的温度。例2：某燃烧炉由耐火砖、保温砖喝建筑砖按顺序由内到外砌成，其壁厚分别为220mm、110mmm和220mm，热导率分别为0.9、0.2和0.7W/m•K，燃烧稳定后，炉膛内壁的温度为1320K，最外层温度为320K，试求单位时间单位面积炉壁损失的热量，并求出各层砖接触面的温度。（作业）引入：伴有流体流动时，流体流过固体表面与表面之间发生的热量交换为对流传热。工业上冷、热流体之间的换热通常为间壁式换热，流体与固体壁面之间的传热属于对流传热，利用流体质点的相对运动，将热量从一处传至另一处。间壁传热三步骤：1.热流体以对流传热方式将热量传给壁面；

2.热量以热传导方式通过间壁；

3.间壁另一边的壁面以对流传热方式传热给冷流体。四、对流传热分析

对流传热是流体流动过程中发生的热量传递。工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。

1.流体流动情况热冷流体通过间壁传热过程流体的流动型态：层流和湍流流体流动时在靠近壁面处总有一层滞流层湍流主体缓冲层层流内层四、对流传热分析（1）湍流主体：流体质点湍动剧烈，速度很快，传热方向上，流

体温差很小，各处温度基本相同，以对流传热为主。（2）过渡层（缓冲层）：流体温度发生缓慢变化，以传导和对流

传热共同作用。——热阻小（3）滞流内层：无质点位移，以热传导为主。

2.传热分析流体热导率很小，导热热阻大，温差较大四、对流传热分析四、对流传热分析

3.强化途径对流传热的热阻主要集中在滞流内层（1）减小层流内层的厚度——加大流体的湍动程度（2）破坏层流内层强化对流传热的主要途径五、对流传热基本方程牛顿冷却定律1.内容：对流传热速率与传热面积成正比，与流体与避免之间的温差成正比。2.表达式：

α—对流传热系数∆t—该截面上的对流传热温差

对热流体：

∆t=T-TW

对冷流体：∆t=tw-t六、对流传热系数1.表达式：

2.物理意义：

反映对流传热的强度，表示流体与壁面温差为1K或1℃时，单位时间通过单位传热面积的热量。3.影响因素：传热系数越大，表明对流传热速率越高，在对流传热中，传热系数越大越好。三、对流传热系数3.影响因素：（1）流体的种类及性质：

α液体＞α气体（2）对流形成的原因：

α强制对流＞α自然对流（3）流体相变情况：

α有相变＞α无相变（4）流体的流动状态：

α湍流＞α层流六、对流传热系数流体有相变时的对流传热蒸汽冷凝膜状冷凝滴状冷凝影响冷凝传热的因素液体的沸腾

膜状冷凝滴状冷凝六、对流传热系数液体沸腾管外沸腾1atm下水的沸腾曲线管内沸腾传热七、传热基本方程

1.内容：传热过程中的传热速率与传热面积成正比，与传热平均温差成正比。

2.表达式：

注：Q—传热速率K—总传热系数，无量纲A—传热面积，m2

Δtm—传热平均温差，KR—传热热阻1/KAK值越大，传热热阻越小，传热效果越好。三要素：K，A，Δtm八、传热平均温差1.换热器中流体的流动方向（1）并流：流动方向相同（2）逆流：流动方向相反（3）错流：流动方向垂直交叉（4）折流：一流体沿一方向流动，另一流

体反复折流八、传热平均温差并流和逆流时传热平均温差的求算

注：一般规定热流体的进口端为换热器的进口端101

【例2】在套管换热器内，热流体温度由90℃冷却70℃，冷流体温度由20℃上升到60℃。试分别计算：①两流体作逆流和并流时的平均温度差；②若操作条件下，换热器的热负荷为585kW，其传热系数K为300W/(m2K)，两流体作逆流和并流时的所需的换热器的传热面积。由于50/30<2，也可近似取算术平均值法，即：

tm＝40℃解：①传热平均推动力逆流时热流体温度T90℃ 70℃

冷流体温度t60℃ 20℃

两端温度差

t30℃ 50℃102②所需传热面积

并流时热流体温度T90℃ 70℃

冷流体温度t20℃ 60℃

两端温度差

t70℃ 10℃所以逆流并流实例：例1：在某冷凝器内，以298K的冷却水来冷凝某精馏塔内上升的有机物的饱和蒸汽，已知有机物蒸汽的温度为368K，冷却水的出口温度为323K，试求冷、热流体的平均温差。例2：某冷、热两种流体在一列管式换热器内换热，已知热流体的进口温度为473K，被降至出口温度为413K，冷流体从303K的进口温度升至出口温度为353K，试分别计算并流和逆流时冷热流体的平均温差，并比较两结果。物料换热操作换热器的热负荷及传热系数的确定一、热负荷与传热速率1.热负荷化工生产中为达一定生产目的，将热流体和冷流体在换热器内进行换热，换热器单位时间内需要（必须）完成的传热量。取决于生产任务，生产任务指标2.传热速率换热器单位时间内能够传递的热量。标志换热器的生产能力3.关系传热速率≥热负荷二、热负荷计算1.热量衡算热流体放出的热量=冷流体吸收的热量Q=Qh=Qc2.显热法（比热容法）Qh=WhCp、h（T1-T2）Qc=WcCp、c（t2-t1）两流体均无相变定压热容：压强不变条件下，1kg物质温度改变1K或1℃所吸收或放出的热量，用Cp表示。Qh=Qc单位：KJ/Kg热流体Wh,Cph,T1,H1冷流体Wc,Cpc,t1,h1t2,h2T2,H2二、热负荷计算3.潜热法Qh=WhrhQc=WcCp、c（t2-t1）一侧流体有相变（如饱和蒸汽冷凝）冷流体无相变潜热：温度不变时，单位质量（1kg）的某液体汽化过程中所吸收的热量，用rh表示。Qh=Qc单位：KJ/Kg·℃或KJ/Kg·K热流体Wh,Cph,T1,H1冷流体Wc,Cpc,t1,h1t2,h2T2,H2108【例1】将0.417㎏/s、80℃的硝基苯，通过一换热器冷却到40℃，冷却水初温为30℃，出口温度不超过35℃。如热损失可以忽略，试求该换热器的热负荷及冷却水用量。解：查得硝基苯和水的比热分别为1.6kJ/(kg·K)和4.187kJ/(kg·K)

Qh＝Wh

cph(T1一T2)

＝0.417×1.6×103×(80－40)＝26.7kW(2)热损失QL可以忽略时，冷却水用量可以Q＝Qh＝Qc计算：

Q＝Whcph(T1一T2)＝Wc

cpc(t2－t1)

26.7×103＝Wc×4.187×103(35－30)

Wc＝1.275㎏/s＝4590㎏/h≈4.59

m3/h【例1】将0.417㎏/s、80℃的硝基苯，通过一换热器冷却到40℃，冷却水初温为30℃，出口温度不超过35℃。如热损失可以忽略，试求该换热器的热负荷及冷却水用量。实例：例1：在换热器中，欲将3000kg/h的乙烯气体从120℃降至60℃，冷却水进口温度为30℃，进出口温差控制在10℃以内，试求该过程中冷却水的消耗量。（已知：C冷=4.183KJ/Kg·℃，C热=1.222KJ/Kg·℃）例2：在一列管式换热器中，用300kPa的饱和水蒸气加热并汽化某溶液（水蒸气仅放出冷凝潜热），液体的比热容为4.2KJ/（Kg·K），,进口温度为50℃，其沸点为80℃，汽化潜热为2200KJ/Kg，液体的流量为1000kg/h，不计热损失，试求加热蒸汽的消耗量。实例：例1：在某冷凝器内，以298K的冷却水来冷凝某精馏塔内上升的有机物的饱和蒸汽，已知有机物蒸汽的温度为368K，冷却水的出口温度为323K，试求冷、热流体的平均温差。例2：某冷、热两种流体在一列管式换热器内换热，已知热流体的进口温度为473K，被降至出口温度为413K，冷流体从303K的进口温度升至出口温度为353K，试分别计算并流和逆流时冷热流体的平均温差，并比较两结果。1.取经验值热流体冷流体传热系数K/〔W/(m2∙K)〕水水850～1700轻油水340～910重油水60～280气体水17～280水蒸汽冷凝水1420～4250水蒸汽冷凝气体30～300低沸点烃类蒸汽冷凝（常压）水455～1140高沸点烃类蒸汽冷凝（减压）水60～170水蒸汽冷凝水沸腾2000～4250水蒸汽冷凝轻油沸腾455～1020水蒸汽冷凝重油沸腾140～425三、传热系数的测定与估算三、传热系数的测定与估算2.生产现场测定

在冷、热流体的进出口管路上各装一温度计，在两种流体的出口处各装一流量计，根据计算出的热负荷Q，平均温度差Δtm，实际测定的传热面积A，通过传热速率方程式Q=KAΔtm，即可计算出该设备的K值。

实验室用蒸汽在一套管换热器中加热空气，空气走管程。测出蒸汽的压力Ｐ，即得其温度Ｔ；测出空气的流量Ｗ及进、出口温度t1、

t2，由三、传热系数的测定与估算2.生产现场测定

例题：列管式换热器中用热空气来加热冷水，其换热面积为10m2，实际测得冷流体的流量为0.8kg/s，进口温度为295K，出口温度为338K，热流体进口温度为370K，出口温度为342K，查得水的平均比热容为4.18KJ/(kg·K)，计算该换热器的传热系数。三、传热系数的测定与估算3.理论计算法

列管式换热器中的管子仁义截面的管壁换热是由热流体的对流传热、间壁（包括垢层）的热传导、冷流体的对流传热三个阶段组成。(假设热流体走管程，冷流体走壳程)（1）热流体对壁面的对流传热

(2)间壁面内的热传导

三、传热系数的测定与估算3.理论计算法（3）壁面对冷流体的对流传热

则总过程：

四、污垢热阻对传热系数的影响

换热器在使用过程中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常，污垢热阻比传热壁面的热阻大得多。影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值。

四、污垢热阻对传热系数的影响讨论：

物料换热操作列管式换热器的选型一、列管式换热器选用应考虑的问题确定流动路径；依据总传热系数经验值范围估算传热面积A计算管程和壳程的压力降计算总的传热系数，核算传热面积二、载热介质的选择（1）允许的温度范围应能满足加热过程的工艺要求；（2）温度应容易调节；（3）腐蚀性应很小，且不易结垢；（4）在热交换过程的温度范围内，化学性质应稳定，不是易燃、易爆

物质；易获得且价格低廉；（5）传热性能好。三、冷、热流体流速的选择液体种类流速/m·s-1管程壳程低黏度液体0.5~30.2～1.5易结垢液体>1>0.5气体5~302~15四、冷、热流体路径的选择⑴不清洁易结垢的物料流过易于清洗的一侧管内易于清洗；⑵需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管程；⑶腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；⑷压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；⑸蒸汽走壳程，冷凝液易于排出；⑹被冷却的流体一般走壳程，