第二章傳熱操作技術(shù)

1、第二章 傳熱操作技術(shù) 知識目標(biāo)： 了解各類型換熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用；理解傳熱的基本方式、機(jī)理、特點(diǎn)及影響因素；掌握間壁式換熱器的傳熱計算；能力目標(biāo)： 能操作換熱器； 能進(jìn)行列管式換熱器的選型計算；在化工生產(chǎn)中，通常需對原料進(jìn)行加熱或冷卻，在化學(xué)反應(yīng)中，對于放熱或吸熱反應(yīng)，為了保持最佳反應(yīng)溫度，又必須及時移出或補(bǔ)充熱量；對某些單元操作，如蒸發(fā)、結(jié)晶、蒸餾和干燥等，也需要輸入或輸出熱量，才能保證操作的正常進(jìn)行；此外，設(shè)備和管道的保溫，生產(chǎn)過程中熱量的綜合利用及余熱回收等都涉及傳熱問題。因此，傳熱設(shè)備不僅在化工廠的設(shè)備投資中占有很大的比例，而且它們所消耗的能量也是相當(dāng)可觀的。化工生產(chǎn)過程中對傳熱的

2、要求可分為兩種情況：一是強(qiáng)化傳熱，如各種換熱設(shè)備中的傳熱；二是削弱傳熱，如設(shè)備和管道的保溫。第一節(jié) 換熱器的分類及結(jié)構(gòu)型式在化工生產(chǎn)過程中，傳熱通常是在兩種流體間進(jìn)行的，故稱換熱。要實現(xiàn)熱量的交換，必須要采用特定的設(shè)備，通常把這種用于交換熱量的設(shè)備通稱為換熱器。一、換熱器的分類由于物料的性質(zhì)和傳熱的要求各不相同，因此，換熱器種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣。換熱器可按多種方式進(jìn)行分類。(一)按換熱器的用途分類見表2-1。表2-1 換熱器的用途分類名稱應(yīng)用加熱器用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。預(yù)熱器用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的效率過熱器用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀

3、態(tài)蒸發(fā)器用于加熱液體，使之蒸發(fā)汽化再沸器是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于加熱塔底液體，使之受熱汽化冷卻器用于冷卻流體，使之達(dá)到所需的溫度冷凝器用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化（二）按換熱器的作用原理分類見表2-2。表2-2 換熱器的用途分類名稱特點(diǎn)應(yīng)用間壁式換熱器兩流體被固體壁面分開，互不接觸，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流體適用于兩流體在換熱過程中不允許混合的場合。應(yīng)用最廣，形式多樣。混合式換熱器兩流體直接接觸，相互混合進(jìn)行換熱。結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備及操作費(fèi)用均較低，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場合，常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器借助蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷

4、流體。結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，其缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，傳熱效率低且不能完全避免兩流體的混合。煤制氣過程的氣化爐、回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器中間載熱體式換熱器將兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體（又稱熱媒）連接起來，載熱體在高溫流體換熱器中從熱流體吸收熱量后，帶至低溫流體換熱器傳給冷流體。多用于核能工業(yè)、冷凍技術(shù)及余熱利用中。熱管式換熱器即屬此類。（三）按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類（1）管式換熱器 管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱，按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用最廣。（2）板式換熱器 是通過板面進(jìn)行傳熱，按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式，可分為平板式換

5、熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和板式換熱器等幾種。（3）特殊型式換熱器 這類換熱器是指根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。二、間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)型式（一）列管換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、用材廣泛、清洗方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在換熱設(shè)備中占主導(dǎo)地位。列管換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種，見表2-3。表2-3 列管換熱器的分類名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用固定管板式換熱器由殼體、封頭、管束、管板等部件構(gòu)成，管束兩端固定在兩管板上。如圖2-1所示 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、管內(nèi)便于清

6、洗；缺點(diǎn)是殼程不能進(jìn)行機(jī)械清洗，且當(dāng)殼體與換熱管的溫差較大（大于50）時產(chǎn)生的溫差應(yīng)力（又叫熱應(yīng)力）具有破壞性，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)度限制不能太高。適用于殼程流體清潔且不結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一端管板不與殼體固定連接，可以在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，消除了熱應(yīng)力；管束可以從管內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用材量大，造價高。應(yīng)用十分廣泛，適用于殼體與管束溫差較大或殼程流體容易結(jié)垢的場合U形管式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-

7、3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個管板，管子成U形，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，解決了熱補(bǔ)償問題。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，造價低；管間清洗較方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗較困難；管板利用率低。適用于管、殼程溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢的場合填料函式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，造價低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管、殼程均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏。適用于管殼程溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢需要經(jīng)常清洗且殼程

8、壓力不高的場合。釜式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置蒸發(fā)空間。管束可以為固定管板式、浮頭式或U形管式。清洗方便，并能承受高溫、高壓適用于液-氣式換熱（其中液體沸騰汽化），可作為簡單的廢熱鍋爐。圖2-1 固定管板式換熱器圖2-2 浮頭式換熱器圖2-3 U形管式換熱器圖2-4 填料函式換熱器1活動管板；2填料壓蓋；3填料；4填料函；5縱向隔板圖2-5 釜式換熱器為改善換熱器的傳熱，工程上常用多程換熱器。若流體在管束內(nèi)來回流過多次，則稱為多管程，一般除單管程外，管程數(shù)為偶數(shù)，有二、四、六、八程等，但隨著管程數(shù)的增加，流動阻力迅速增大，因此管程數(shù)不宜過多，一般為二、四管程。在殼體內(nèi)

9、，也可在與管束軸線平行方向設(shè)置縱向隔板使殼程分為多程，但是由于制造、安裝及維修上的困難，工程上較少使用，通常采用折流擋板，以改善殼程傳熱。（二）套管換熱器圖2-6 套管換熱器套管換熱器是由兩種直徑不同的直管套在一起組成同心套管，然后將若干段這樣的套管連接而成，其結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)所需傳熱面積的多少而增減。換熱時一種流體走內(nèi)管，另一種流體走環(huán)隙，傳熱面為內(nèi)管壁。套管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減。其缺點(diǎn)是單位傳熱面積的金屬耗量大，管子接頭多，檢修清洗不方便。此類換熱器適用于高溫、高壓及流量較小的場合。（三）蛇管換熱器蛇管換熱器根據(jù)操作方式

10、不同，分為沉浸式和噴淋式兩類，見表2-4。表2-4 蛇管換熱器名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用沉浸式蛇管換熱器以金屬管彎繞而成，制成適應(yīng)容器的形狀，沉浸在容器內(nèi)的液體中。管內(nèi)流體與容器內(nèi)液體隔著管壁進(jìn)行換熱。幾種常用的蛇管形狀如圖2-7所示。結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、便于防腐、能承受高壓。為提高傳熱效果，常需加攪拌裝置。噴淋式蛇管換熱器各排蛇管均垂直地固定在支架上，結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，冷卻水由蛇管上方的噴淋裝置均勻地噴灑在各排蛇管上，并沿著管外表面淋下優(yōu)點(diǎn)是檢修清洗方便、傳熱效果好，蛇管的排數(shù)根據(jù)所需傳熱面積定。缺點(diǎn)是體積龐大，占地面積多；冷卻水耗用量較大，噴淋不均勻。置于室外通風(fēng)處，常用于冷卻管內(nèi)熱流體。圖2-7

11、 沉浸式蛇管的形式 圖2-8 噴淋式蛇管換熱器（四）夾套換熱器夾套換熱器的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。它由一個裝在容器外部的夾套構(gòu)成，與反應(yīng)器或容器構(gòu)成一個整體，器壁就是換熱器的傳熱面。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容易制造。其缺點(diǎn)是傳熱面積小，器內(nèi)流體處于自然對流狀態(tài)，傳熱效率低；夾套內(nèi)部清洗困難。夾套內(nèi)的加熱劑和冷卻劑一般只能使用不易結(jié)垢的水蒸氣、冷卻水和氨等。夾套內(nèi)通蒸氣時，應(yīng)從上部入，冷凝水從底部排出；夾套內(nèi)通液體載熱體時，應(yīng)從底部進(jìn)入，從上部流出。 圖2-9 夾套換熱器 圖2-10 螺旋板式換熱器（五）其他類型換熱器見表2-5。表2-5 其他類型換熱器名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用螺旋板

12、式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，由焊在中心隔板上的兩塊金屬薄板卷制而成，兩薄板之間形成螺旋形通道，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，螺旋板的兩端焊有蓋板。兩流體分別在兩通道內(nèi)流動，通過螺旋板進(jìn)行換熱。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊；單位體積傳熱面積大；流體在換熱器內(nèi)作嚴(yán)格的逆流流動，可在較小的溫差下操作，能充分利用低溫能源；由于流向不斷改變，且允許選用較高流速，故傳熱效果好；又由于流速較高，同時有慣性離心力的作用，污垢不易沉積。其缺點(diǎn)是制造和檢修都比較困難；流動阻力較大；操作壓力和溫度不能太高，一般壓力在2MPa以下，溫度則不超過400。翅片式換熱器在換熱管的外表面或內(nèi)表面或同時裝有許多翅片，常用翅片有縱向和橫

13、向兩類，如圖2-11所示。氣體的加熱或冷卻，當(dāng)換熱的另一方為液體或發(fā)生相變時，在氣體一側(cè)設(shè)置翅片，即可增大傳熱面積，又可增加氣體的湍動程度，提高傳熱效率。平板式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。它是由若干塊長方形薄金屬板疊加排列，夾緊組裝于支架上構(gòu)成。兩相鄰板的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成流體通道。板片是板式換熱器的核心部件，常將板面沖壓成各種凹凸的波紋狀優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大；組裝靈活方便；有較高的傳熱效率，可隨時增減板數(shù)，有利于清洗和維修。其缺點(diǎn)是處理量??；受墊片材料性能的限制，操作壓力和溫度不能過高。適用于需要經(jīng)常清洗、工作環(huán)境要求十分緊湊，操作壓力在2.5MPa以下，溫度在352

14、00的場合。板翅式換熱器基本單元體由翅片、隔板及封條組成，如圖2-13(a)所示。翅片上下放置隔板，兩側(cè)邊緣由封條密封，即組成一個單元體。將一定數(shù)量的單元體組合起來，并進(jìn)行適當(dāng)排列，然后焊在帶有進(jìn)出口的集流箱上，如圖2-13(b)、(c)、(d)所示。一般用鋁合金制造是一種輕巧、緊湊、高效的換熱裝置，優(yōu)點(diǎn)是單位體積傳熱面積大，傳熱效果好；操作溫度范圍較廣，適用于低溫或超低溫場合；允許操作壓力較高，可達(dá)5MPa。其缺點(diǎn)是易堵塞，流動阻力大；清洗檢修困難，故要求介質(zhì)潔凈。其應(yīng)用領(lǐng)域已從航空、航天、電子等少數(shù)部門逐漸發(fā)展到石油化工、天然氣液化、氣體分離等更多的工業(yè)部門。圖2-11 常用翅片的類型 圖

15、2-12 板式換熱器及常見板片的形狀圖2-13 翹片式換熱器活動建議進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，了解換熱器的結(jié)構(gòu)類型。閱讀資料 熱管換熱器熱管換熱器是用一種稱為熱管的新型換熱元件組合而成的換熱裝置。目前使用的熱管換熱器多為箱式結(jié)構(gòu)，由殼體、熱管和隔板組成，把一組熱管組合成一個箱形，中間用隔板分為熱、冷兩個流體通道，一般熱管外壁上裝有翅片，以強(qiáng)化傳熱效果，如圖2-14所示。熱管是主要的傳熱元件，具有很高的導(dǎo)熱性能。主要由密封管子、吸液芯及蒸汽通道三部分組成。熱管的種類很多，但其甚本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。以吸液芯熱管為例，如圖2-15所示。在一根密閉的金屬管內(nèi)充以適量的工作液，緊靠管子內(nèi)壁處裝有金屬絲網(wǎng)或纖維

16、等多孔物質(zhì)，稱為吸液芯。熱管沿軸向分成三段：蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。在蒸發(fā)段，當(dāng)熱流體從管外流過時，熱量通過管壁傳給工作液，使其汽化，蒸汽在壓差作用下，沿管子的軸向流動，在冷凝段向冷流體放出潛熱而凝結(jié)，冷凝液在吸液芯內(nèi)流回?zé)岫耍購臒崃黧w處吸收熱量而汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量便不斷地從熱流體傳給冷流體。絕熱段的作用是當(dāng)熱源與冷源隔開時，使管內(nèi)的工作液不與外界進(jìn)行熱量交換。 圖2-14 熱管式換熱器圖 圖2-15 熱管結(jié)構(gòu)示意圖熱管換熱器的傳熱特點(diǎn)是熱量傳遞汽化、蒸汽流動和冷凝三步進(jìn)行，由于汽化和冷凝的對流強(qiáng)度都很大，蒸汽的流動阻力又較小，因此熱管的傳熱熱阻很小，即使在兩端溫度差很小的情況下，也能

17、傳遞很大的熱流量。因此，它特別適用于低溫差傳熱的場合。熱管換熱器具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，以應(yīng)用于化工、電子、機(jī)械等工業(yè)部門中。第二節(jié) 換熱器基礎(chǔ)知識在化工生產(chǎn)中，傳熱過程是通過換熱器實現(xiàn)的，而以間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛，冷熱兩種流體經(jīng)過間壁傳熱過程，在傳熱方向上熱量傳遞過程包括三個步驟：熱流體將熱量傳遞到間壁的一側(cè)；熱量自間壁一側(cè)傳遞至另一側(cè)；熱量由壁面向冷流體傳遞?？傊疅崃總鬟f總是自高溫處至低溫處傳遞。間壁式換熱器內(nèi)熱量傳遞有兩種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流。一、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，借助物質(zhì)的分子、原子或自由電子的運(yùn)動將熱量從物體溫度較高的部位傳遞到溫度較低

18、的部位的過程。熱傳導(dǎo)可發(fā)生在物體內(nèi)部或直接接觸的物體之間。在熱傳導(dǎo)過程中，沒有物質(zhì)的宏觀位移。1傅立葉定律傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律，表達(dá)式為Q A （2-1）式中 Q導(dǎo)熱速率，J/s或W；導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK）；A垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積，m2；dt/dx溫度梯度，是導(dǎo)熱方向上溫度的變化率。由于導(dǎo)熱方向為溫度下降的方向，故右端須加一負(fù)號。2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個物性參數(shù)，越大，導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱性能的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓力等有關(guān)。物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常由實驗測定。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值差別極大，一般而言，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最小

19、，見表2-6。工程上常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可從有關(guān)手冊中查得。書后附錄中提供了一些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。應(yīng)予指出，在導(dǎo)熱過程中，固體壁面內(nèi)的溫度沿傳熱方向發(fā)生變化，其導(dǎo)熱系數(shù)也應(yīng)變化，但在工程計算中，為簡便起見通常使用平均導(dǎo)熱系數(shù)，即取壁面兩側(cè)溫度下的平均值或平均溫度下的值。3傅立葉定律的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。如圖2-16所示，設(shè)圓筒壁的內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長度為l，可以看出圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變。 圖2-16 單層圓筒壁熱傳導(dǎo) 若圓筒壁內(nèi)、外表面溫度分別為tw1和tw2，且tw1tw2。若在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的薄層圓筒，其傳熱面積可視為常

20、量，等于2rl；同時通過該薄層的溫度變化為dt，則根據(jù)傅立葉定律通過該薄層的導(dǎo)熱速率可表示為Q=將上式分離變量積分并整理得Q= （2-2）式（2-2）即為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式。與其他傳遞過程類似，傳熱速率可表示為傳熱推動力與傳熱阻力之比，即Q= （2-3）則圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻R為R= （2-4）令圓筒壁平均面積Am為Am=2 （2-5）其中rm= （2-6）當(dāng)r2/r12時，上式中的對數(shù)平均值可用算術(shù)平均值代替。式中 Am圓筒壁的對數(shù)平均面積，m2；rm圓筒壁的對數(shù)平均半徑，m；由式（2-4）至（2-6）整理可得R= （2-7）式中 圓筒壁的厚度，m；R=單層圓筒壁導(dǎo)熱熱阻，K/W。由式（2

21、-4）可以看出，在溫度差一定時，提高傳熱速率的關(guān)鍵在于減小傳熱熱阻。導(dǎo)熱壁面越厚、導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱阻越大?！纠?-1】 已知323.5mm，長6m的鋼管，內(nèi)壁溫度為100，外壁溫度為90，試求該管在單位時間內(nèi)的散熱量。解 已知r10.0125m，r20.016m，tw1100， tw290，l=6m，查得45W/(m.K)Q=68690W應(yīng)用圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式可以確定導(dǎo)熱速率、壁面溫度及估算壁面厚度。在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)熱情況也比較常見，例如在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量損失（或冷量損失）；在反應(yīng)器或其他容器內(nèi)襯以工程塑料或其他材料以減小腐蝕；在換

22、熱器內(nèi)換熱管的內(nèi)、外表面形成污垢等等，其導(dǎo)熱速率公式可查閱相關(guān)資料。想一想平壁導(dǎo)熱與圓筒壁的區(qū)別是什么？ 二、對流傳熱對流又稱給熱，是指利用流體質(zhì)點(diǎn)在傳熱方向上的相對運(yùn)動，將熱量由一處傳遞至另一處。對流中總是伴有熱傳導(dǎo)。根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動的原因不同，又可分為強(qiáng)制對流和自然對流。若相對運(yùn)動是由外力作用（如泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等）而引起的，稱為強(qiáng)制對流；若相對運(yùn)動是由流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對運(yùn)動的，則稱為自然對流。在間壁式換熱器內(nèi)，熱量從熱流體傳到固體壁面，或從固體壁面?zhèn)鞯嚼淞黧w，傳熱方式既有對流又伴隨熱傳導(dǎo)，因此工程上把流體與壁面之間的熱量傳遞統(tǒng)稱為對流傳熱

23、。（一）對流傳熱的分析我們已經(jīng)知道，當(dāng)流體沿壁面作湍流流動時，在靠近壁面處總有一層流內(nèi)層存在，在層流內(nèi)層和湍流主體之間有一過渡層。如圖2-17。在湍流主體內(nèi)，由于流體質(zhì)點(diǎn)湍動劇烈，所以在傳熱方向上，流體的溫度差極小，各處的溫度基本相同，熱量傳遞主要依靠渦流傳熱，其熱阻很小，傳熱速度極快。而在層流底層中，流體僅沿壁面平行流動，在傳熱方向上沒有質(zhì)點(diǎn)位移，所以熱量傳遞主要依靠傳導(dǎo)進(jìn)行，由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，故熱阻主要集中在層流內(nèi)層中，因此溫度差也主要集中在該層內(nèi)。因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。圖2-17 對流傳熱的分析（二）對流傳熱基本方程牛頓冷卻定律對流傳熱與流體的流動情況及

24、流體的性質(zhì)等有關(guān)，其影響因素很多。其傳熱速率可用牛頓冷卻定律表示Q （2-8）式中 Q對流傳熱速率，W；對流傳熱膜系數(shù)(或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)、給熱系數(shù))，W(m2K)A對流傳熱面積，m2；t流體與壁面間溫度差的平均值，K；當(dāng)流體被加熱時，ttWt；當(dāng)流體被冷卻時，tTTW。R1/()對流傳熱熱阻，K/W；牛頓冷卻定律是將復(fù)雜的對流傳熱問題，用一簡單的關(guān)系式來表達(dá)，實質(zhì)上是將矛盾集中在上，因此，研究的影響因素及其求取方法，便成為解決對流傳熱問題的關(guān)鍵。（三）對流傳熱膜系數(shù)對流傳熱膜系數(shù)反映了對流傳熱的強(qiáng)度，越大，說明對流強(qiáng)度越大，對流傳熱熱阻越小。是受諸多因素影響的一個參數(shù)，表2-6列出了幾種對流傳熱

25、情況下的值，從中可以看出，氣體的值最小，載熱體發(fā)生相變時的值最大，且比氣體的值大得多。表2-6 值的經(jīng)驗范圍 1影響對流傳熱膜系數(shù)的因素影響對流傳熱膜系數(shù)的因素有以下方面。(1)對流的形成原因 自然對流與強(qiáng)制對流的流動原因不同，其傳熱規(guī)律也不相同。一般強(qiáng)制對流傳熱時的值較自然對流傳熱的為大。(2)流體的性質(zhì) 影響的物理性質(zhì)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘度和密度等。對同種流體，這些物性又是溫度的函數(shù)，有些還與壓力有關(guān)。(3)相變情況 在對流傳熱過程中，流體有無相變對傳熱有不同的影響，一般流體有相變時的較無相變時的為大。(4)流體的運(yùn)動狀態(tài) 流體的Re值越大，湍動程度越高，層流內(nèi)層的厚度越薄，越大；反之，

26、則越小。(5)傳熱壁面的形狀、位置及長短等 傳熱壁面的形狀（如管內(nèi)、管外、板、翅片等）、傳熱壁面的方位、布置(如水平或垂直放置、管束的排列方式等)及傳熱面的尺寸(如管徑、管長、板高等)都對有直接的影響。2無相變傳熱對流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式由于影響的因素很多，要建立一個通式求各種條件下的是不可能的。通常是采用實驗關(guān)聯(lián)法獲得各種條件下的關(guān)聯(lián)式。流體無相變傳熱時的對流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為Nu=ARemPrnGrh (2-9)表2-7列出了有關(guān)各特征數(shù)的名稱、符號及意義。表2-7 特征數(shù)的名稱及意義在使用關(guān)聯(lián)式時應(yīng)注意以下幾個方面。應(yīng)用范圍。關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等特征數(shù)的數(shù)值范圍。特征尺寸。Nu、R

27、e等特征數(shù)中l(wèi)應(yīng)如何取定。定性溫度。確定各特征數(shù)中流體的物性參數(shù)所依據(jù)的溫度。隨不同的條件，的關(guān)聯(lián)式有多種。每一個關(guān)聯(lián)式對上述三個方面都有明確的規(guī)定和說明。無相變流體在圓直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時的關(guān)聯(lián)式如下。（1）低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度） （2-10）或 （2-10a）式中n的取值方法是：當(dāng)流體被加熱時，n0.4；當(dāng)流體被冷卻時，n0.3。應(yīng)用范圍：Re10000，0.7Pr120；管長與管徑之比l/di60。若l/di60，將由式（2-10a）算得的乘以1（di/ l）0.7加以修正。特征尺寸l：取管內(nèi)徑di。定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。（2）高粘度液體 （2-11）應(yīng)用范

28、圍和特征尺寸與式（2-10）相同。定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。為粘度校正系數(shù)，當(dāng)液體被加熱時，1.05；當(dāng)流體被冷卻時，0.95。查一查 其他不同情況下對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。（四）流體有相變化時的對流傳熱流體相變傳熱有兩種情況：一種是蒸汽的冷凝，一種是液體的沸騰?；どa(chǎn)中，流體在換熱過程中發(fā)生相變的情況很多，例如，在蒸發(fā)過程中，作為加熱劑的蒸汽會冷凝成液體，被加熱的物料則會沸騰汽化。由于流體在對流傳熱過程中伴隨有相態(tài)變化，因此有相變比無相變時的對流傳熱過程更為復(fù)雜。1蒸汽冷凝如果蒸汽處于比其飽和溫度低的環(huán)境中，將出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。在換熱器內(nèi)，當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的壁面接觸時，蒸汽將

29、釋放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體，發(fā)生在蒸汽冷凝和壁面之間的傳熱稱為冷凝對流傳熱，簡稱冷凝傳熱。冷凝傳熱速率與蒸汽的冷凝方式密切相關(guān)。蒸汽冷凝主要有兩種方式：膜狀冷凝和滴狀冷凝。如果冷凝液能夠潤濕壁面，則會在壁面上形成一層液膜，稱之為膜狀冷凝；如果冷凝液不能潤濕壁面，則會在壁面上雜亂無章地形成許多小液滴，稱為滴狀冷凝。在膜狀冷凝過程中，壁面被液膜所覆蓋，此時蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進(jìn)行，即蒸汽冷凝放出的潛熱必須通過液膜后才能傳給壁面。因此冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動時，其厚度不斷增加，所以壁面越高或水平放置的管子管徑越大，則整個壁面的平均也就越小。在

30、滴狀冷凝過程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于在這些部位沒有液膜阻礙熱流，故其很大，是膜狀冷凝的十倍左右。盡管如此，但是要保持滴狀冷凝是很困難的。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經(jīng)過一段時間后，由于液珠的聚集，大部分都要變成膜狀冷凝。為了保持滴狀冷凝可采用各種不同的壁面涂層和蒸汽添加劑，但這些方法還處于研究和實驗中。故在進(jìn)行冷凝計算時，為安全起見一般按膜狀冷凝來處理。2液體沸騰將液體加熱到操作條件下的飽和溫度時，整個液體內(nèi)部，都將會有氣泡產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為液體沸騰。發(fā)生在沸騰液體與固體壁面之間的傳熱稱為沸騰對流傳熱，簡稱為沸騰傳熱。工業(yè)上液體沸騰的方法主要有兩種：一種是將加熱壁面浸沒在液體中，

31、液體在壁面處受熱沸騰，稱為池內(nèi)沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。后者機(jī)理更為復(fù)雜。目前，對有相變時的對流傳熱的研究還不是很充分，盡管迄今已有一些對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式可供使用，但其可靠程度并不很高。想一想在有相變傳熱的換熱器中通常安裝有排除不凝性氣體的閥門，為什么？ 第三節(jié) 列管式換熱器的計算與選型前已述及，工業(yè)上以間壁式換熱器應(yīng)用最廣，而間壁傳熱過程是由固體間壁內(nèi)部的導(dǎo)熱及間壁兩側(cè)流體與固體表面之間的對流傳熱組合而成的。在學(xué)習(xí)了熱傳導(dǎo)和對流傳熱的基礎(chǔ)上，本節(jié)討論傳熱全過程的計算，以解決工業(yè)列管式換熱器選型和操作分析問題。一、傳熱基本方程間壁式換熱涉及壁面的溫度，而通常壁面

32、溫度是未知的。為解決這一問題，在實際傳熱計算中，常采用換熱器中熱、冷流體的溫度差作為傳熱推動力的總傳熱速率方程，又稱為傳熱基本方程，即QKAtm （2-12）式中 Q傳熱速率，W；K總傳熱系數(shù)，W/ (m2K)；A傳熱面積，m2；tm傳熱平均溫度差，K；R換熱器的總熱阻，K/W；對于一定的傳熱任務(wù)，確定換熱器所需傳熱面積是選擇換熱器型號的核心。傳熱面積由傳熱基本方程計算確定。由式(2-12)有A由上式可知，要計算傳熱面積，必須先求得傳熱速率Q、傳熱平均溫度差tm以及傳熱系數(shù)K，下面將逐一進(jìn)行介紹。二、換熱器的熱負(fù)荷為了達(dá)到一定的換熱目的，要求換熱器在單位時間內(nèi)傳遞的熱量稱為換熱器的熱負(fù)荷。（一

33、）熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系傳熱速率是換熱器單位時間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力；主要由換熱界自身的性能決定。熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時間傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)。為確保換熱器能完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱速率須大于至少等于其熱負(fù)荷。 在換熱器的選型過程中，可用熱負(fù)荷代替?zhèn)鳠崴俾?，求得傳熱面積后再考慮一定的安全裕量，然后進(jìn)行選型或設(shè)計。（二）熱負(fù)荷的確定對于間壁式換熱器，若當(dāng)換熱器保溫性能良好，熱損失可以忽略不計時，在單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，即 QQhQc （2-13）式中 Qh熱流體放出的熱量，W；Qc冷流體吸收的熱量， W； 想一想 熱損失不能忽略時，熱負(fù)

34、荷如何確定？1焓差法由于工業(yè)換熱器中流體的進(jìn)、出口壓力差不大，故可近似為恒壓過程。根據(jù)熱力學(xué)定律，恒壓過程熱等于物系的焓差，則有QhWh（H1H2） (2-14)或 QcWc（h2h1） (2-14a)式中 Wh、Wc熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；H1、H2熱流體的進(jìn)、出口焓，J/kg；h2、h1冷流體的進(jìn)、出口焓，J/kg。焓差法較為簡單，但僅適用于流體的焓可查取的情況，本教材附錄中列出了空氣、水及水蒸氣的焓，可供讀者參考。2顯熱法若流體在換熱過程中沒有相變化，且流體的比熱容可視為常數(shù)或可取為流體進(jìn)、出口平均溫度下的比熱容時，其傳熱量可按下式計算。 QhWh cph（T1T2） (2-15

35、)或 QcWc cpc（t2t1） (2-15a)式中 cph、cpc熱、冷流體的定壓比熱容，J(kgK)；T1、T2熱流體的進(jìn)、出口溫度，K；t2、t1冷流體的進(jìn)、出口溫度，K。注意cp的求?。阂话阌闪黧w換熱前后的平均溫度（即流體進(jìn)出換熱器的平均溫度）（T1T2）/2或（t2t1）/2查得。教材附錄中列有關(guān)于比熱容的圖（表），供讀者使用。必須指出，在SI單位制中，溫度的單位是K，但就溫度差而言，其單位用K或是等效的，兩者均可使用。3潛熱法若流體在換熱過程中僅僅發(fā)生恒溫相變，其傳熱量可按下式計算 QhWh rh (2-16)或 QcWc rc (2-16a)式中 rh、rc熱、冷流體的汽化潛熱

36、，Jkg?！纠?-2】在一套管換熱器內(nèi)用0.16MPa的飽和蒸汽加熱空氣，飽和蒸汽的消耗量為10kg/h，冷凝后進(jìn)一步冷卻到100，試求換熱器的熱負(fù)荷。解 從附錄中查得p0.16MPa的飽和蒸汽的有關(guān)參數(shù)：飽和水蒸氣溫度TS113，H12698.1kJ/kg100水的焓H2418.68kJ/kg。則 QhWh（H1H2）（10/3600）（2698.1418.68）6.33kW想一想 試用顯熱法及潛熱法進(jìn)行此題的計算。三、傳熱平均溫度差在傳熱基本方程中，tm為換熱器的傳熱平均溫度差，隨著冷、熱兩流體在傳熱過程中的溫度變化情況不同，傳熱平均溫度差的大小及計算也不同，就換熱器中冷、熱流體溫度變化情

37、況而言，有恒溫傳熱與變溫傳熱兩種，現(xiàn)分別予以討論。（一）恒溫傳熱時的平均溫度差當(dāng)兩流體在換熱過程中均發(fā)生相變時，熱流體溫度T和冷流體溫度t始終保持不變，稱為恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱過程。此時，冷、熱流體的溫度均不隨位置變化，兩者間的溫度差處處相等。因此，換熱器的傳熱推動力可取任一傳熱截面上的溫度差，即tmTt （2-17）（二）變溫傳熱時的平均溫度差當(dāng)換熱器中間壁一側(cè)或兩側(cè)流體的溫度通常沿?fù)Q熱器管長而變化，對此類傳熱則稱為變溫傳熱。1一側(cè)流體變溫傳熱例如，用飽和蒸汽加熱冷流體，蒸汽冷凝溫度不變，而冷流體的溫度不斷上升，如圖2-18（a）所示；用煙道氣加熱沸騰的液體，煙道

38、氣溫度不斷下降，而沸騰的液體溫度始終保持在沸點(diǎn)不變，如圖2-18（b）所示。圖2-18 一側(cè)變溫傳熱過程的溫差變化2兩側(cè)流體變溫傳熱冷、熱流體的溫度均沿著傳熱面發(fā)生變化，即兩流體在傳熱過程中均不發(fā)生相變，其傳熱溫度差顯然也是變化的，并且流動方向不同，傳熱平均溫度差也不同，即平均溫度差的大小與兩流體間的相對流動方向有關(guān)，如圖2-19所示。在間壁式換熱器中，兩流體間可以有四種不同的流動方式。若兩流體的流動方向相同，稱為并流；若兩流體的流動方向相反，稱為逆流；若兩流體的流動方向垂直交叉，稱為錯流；若一流體沿一方向流動，另一流體反復(fù)折流，稱為簡單折流；若兩流體均作折流，或既有折流，又有錯流，稱為復(fù)雜折

39、流。套管換熱器中可實現(xiàn)完全的并流或逆流。圖2-19 兩側(cè)變溫傳熱過程的溫差變化3并、逆流時的傳熱平均溫度差由熱量衡算和傳熱基本方程聯(lián)立即可導(dǎo)出傳熱平均溫度差計算式如下tm （2-18）式中 tm對數(shù)平均溫度差，K； t1、t2換熱器兩端冷熱兩流體的溫差，K。式(2-19)是并流和逆流時傳熱平均溫度差的計算通式，對于各種變溫傳熱都適用。當(dāng)一側(cè)變溫時，不論逆流或并流，平均溫度差相等；當(dāng)兩側(cè)變溫傳熱時，并流和逆流平均溫度差不同。在計算時注意，一般取換熱器兩端t中數(shù)值較大者為t1，較小者為t2。 此外，當(dāng)t1t22時，可近似用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，即tm 【例2-3】 在套管換熱器內(nèi)，熱流體溫度由

40、180冷卻140，冷流體溫度由60上升到120。試分別計算：(1)兩流體作逆流和并流時的平均溫度差；(1)若操作條件下，換熱器的熱負(fù)荷為585kW，其傳熱系數(shù)K為300W(m2K)，兩流體作逆流和并流時的所需的換熱器的傳熱面積。解 (1)傳熱平均推動力逆流時 熱流體溫度 180140冷流體溫度 12060兩端溫度差 60 80所以tm69.5并流時 熱流體溫度 180140冷流體溫度 60120兩端溫度差 120 20所以tm55.8(2) 所需傳熱面積逆流時 Am2并流時 Am2想一想 為什么換熱器中兩流體應(yīng)盡可能采用逆流？什么時候采用并流？4.錯、折流時的傳熱平均溫度差列管式換熱器中，為了

41、強(qiáng)化傳熱等原因，兩流體并非作簡單的并流和逆流，而是比較復(fù)雜的折流或錯流，如圖2-20所示。圖2-20 折流和錯流示意圖對于錯流和折流時傳熱平均溫度差的求取，由于其復(fù)雜性，不能像并、逆流那樣，直接推導(dǎo)出其計算式。計算方法通常先按逆流計算對數(shù)平均溫度差tm，再乘以一個恒小于1的校正系數(shù)，即tmtm （2-19）式中稱為溫度差校正系數(shù)，其大小與流體的溫度變化有關(guān)，可表示為兩參數(shù)P和R的函數(shù)，即f（P，R）P （2-20）R （2-21）可根據(jù)P和R兩參數(shù)由圖2-21查取。圖2-21中(a)、(b)、(c)、(d)為折流過程的：算圖，分別為1、2、3、4殼程，每個殼程內(nèi)的管程可以是2、4、6、8程；圖

42、2-21(e)為錯流過程的算圖。圖2-21 溫差校正系數(shù)圖想一想 錯流或折流的特點(diǎn)是什么？四、總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)是描述傳熱過程強(qiáng)弱的物理量，傳熱系數(shù)越大，傳熱熱阻越小，則傳熱效果越好。在工程上總傳熱系數(shù)是評價換熱器傳熱性能的重要參數(shù)，也是對傳熱設(shè)備進(jìn)行工藝計算的依據(jù)。影響傳熱系數(shù)K值的因素主要有換熱器的類型、流體的種類和性質(zhì)以及操作條件等。獲取傳熱系數(shù)的方法主要有以下幾種。（一）總傳熱系數(shù)的計算1. 總傳熱系數(shù)的計算公式前已述及，間壁式換熱器中，熱、冷流體通過間壁的傳熱由熱流體的對流傳熱、固體壁面的導(dǎo)熱及冷流體的對流傳熱三步串聯(lián)過程。對于穩(wěn)定傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)傳熱速率相等，過程的總熱阻等于

43、各分熱阻之和，可聯(lián)立傳熱基本方程，對流傳熱速率方程及導(dǎo)熱速率方程得出， （2-22）式（2-22）即為計算K值的基本公式。計算時，等式左邊的傳熱面積A可分別選擇傳熱面(管壁面)的外表面積Ao或內(nèi)表面積Ai或平均表面積Am，但傳熱系數(shù)K必須與所選傳熱面積相對應(yīng)。若A取Ao，則有Ko (2-23)同理，若A取Ai，則有Ki (2-24)若A取Am，則有Km (2-25)式中 Ao、Ai、Am傳熱壁的外表面積、內(nèi)表面積、平均表面積，m2；Ki、Ko、Km基于Ao、Ai、Am的傳熱系數(shù)，W(m2K)。2.污垢熱阻的影響換熱器在實際操作中，傳熱壁面常有污垢形成，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，該熱阻稱為污垢熱阻。通

44、常污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多，因而在傳熱計算中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響。影響污垢熱阻的因素很多，主要有流體的性質(zhì)、傳熱壁面的材料、操作條件、清洗周期等。由于污垢熱阻的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計，因此通常選用經(jīng)驗值，表2-8列出于一些常見流體的污垢熱阻RS的經(jīng)驗值。表2-8 常見流體的污垢熱阻設(shè)管內(nèi)、外壁面的污垢熱阻分別為RS i、RS o，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，則式（2-23）可寫為Ko (2-26)上式表明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻之和。應(yīng)予指出，在傳熱計算中，選擇何種面積作為計算基準(zhǔn)，結(jié)果完全相同。但工程上，大多以外表面積為基準(zhǔn)，除特別說

45、明外，手冊中所列K值都是基于外表面積的傳熱系數(shù)，換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中的傳熱面積也是指外表面積。因此，傳熱系數(shù)K的通用計算式為式(2-26)，此時，傳熱基本方程式的形式為QKoAotm若傳熱壁面為平壁或薄管壁時，Ao、Ai、Am相等或近似相等，則式(2-26)可簡化為K （2-27）【例2-4】 有一用25mm2.5mm無縫鋼管制成的列管換熱器，45W/(mK)，管內(nèi)通以冷卻水，1000W/(m2K)，管外為飽和水蒸氣冷凝，10000W/(m2K)，污垢熱阻可以忽略。試計算：(1)傳熱系數(shù)K；(2)將提高一倍，其他條件不變，求K值；(3)將提高一倍，其他條件不變，求K值。解 (1) K749.0 W

46、/(m2K) (2)將提高一倍，即=2000W/(m2K)K1376.7 W/(m2K)增幅：(3)將提高一倍，即=20000W/(m2K)K768.4 W/(m2K)增幅：（二）總傳熱系數(shù)的現(xiàn)場測定對于已有換熱器，傳熱系數(shù)K可通過現(xiàn)場測定法來確定。具體方法如下?，F(xiàn)場測定有關(guān)的數(shù)據(jù)(如設(shè)備的尺寸、流體的流量和進(jìn)出口溫度等)；根據(jù)測定數(shù)據(jù)求得傳熱速率Q、傳熱溫度差tm和傳熱面積A；由傳熱基本方程計算K值。這樣得到的K值可靠性較高，但是其使用范圍受到限制，只有與所測情況相一致的場合(包括設(shè)備的類型、尺寸、流體性質(zhì)、流動狀況等)才準(zhǔn)確。但若使用情況與測定情況相似，所測K值仍有一定參考價值。實測K值，

47、不僅可以為換熱器計算提供依據(jù)，而且可以幫助分析換熱器的性能，以便尋求提高換熱器傳熱能力的途徑。（三）總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值在換熱器的工藝設(shè)計過程中，由于換熱器的尺寸未知，因此傳熱系數(shù)K無法通過實測或計算公式來確定。此時，K值通常借助工具手冊選取。表2-9列出了列管換熱器對于不同流體在不同情況下的傳熱系數(shù)的大致范圍，供讀者參考。 表2-9 列管換熱器中K值的大致范圍想一想由表2-9可見，K值的變化范圍很大，如何從操作實際情況及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，合理地確定K值？【例2-5】 在一逆流操作的換熱器中，用冷水將質(zhì)量流量為1.25kg/s的某液體比熱容為1.9kJ/(kgK)從80冷卻到50。水在管內(nèi)流動，

48、進(jìn)、出口溫度分別為20和40。換熱器的管子規(guī)格為25mm2.5mm，若已知管內(nèi)、外的分別為1.70kW/(m2K)和0.85kW/(m2K)，試求換熱器的傳熱面積。假設(shè)污垢熱阻、壁面熱阻及換熱器的熱損失均可忽略。解 （1）換熱器的熱負(fù)荷QQhWh cph（T1T2）1.251.9(8050)71.25kW（2）平均傳熱溫度差8050 402040 30tm（3）傳熱系數(shù)Ko0.52kW/(m2K)（4）傳熱面積A4.33m2五、列管式換熱器的選型列管換熱器有系列標(biāo)準(zhǔn)，所以使用時工程上一般只需選型即可，只有在實際要求與標(biāo)準(zhǔn)系列相差較大的時候，方需要自行設(shè)計。下面僅介紹列管式換熱器的選型。（一）列

49、管式換熱器選型時應(yīng)考慮的問題1流動空間的選擇流體流經(jīng)管程或殼程，以固定管板式換熱器為例，一般確定原則如下。不潔凈或易結(jié)垢的流體宜走管程，因為管程清洗較方便。腐蝕性流體宜走管程，以免管子和殼體同時被腐蝕，且管子便于維修和更換。壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，以節(jié)省殼體金屬消耗量。被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。高溫加熱劑與低溫冷卻劑宜走管程，以減少設(shè)備的熱量或冷量的損失。有相變的流體宜走殼程，如冷凝傳熱過程，管壁面附著的冷凝液厚度即傳熱膜的厚度，讓蒸汽走殼程有利于及時排除冷凝液，從而提高冷凝傳熱膜系數(shù)。有毒害的流體宜走管程，以減少泄漏量。粘度大的液體或流量小的流體宜走殼程，因流

50、體在有折流擋板的殼程中流動，流速與流向不斷改變，在低Re100的情況下即可達(dá)到湍流，以提高傳熱效果。若兩流體溫差較大時，對流傳熱系數(shù)較大的流體宜走殼程。因管壁溫接近于較大的流體，以減小管子與殼體的溫差，從而減小溫差應(yīng)力。在選擇流動路徑時，上述原則往往不能同時兼顧，應(yīng)視具體情況分析。一般首先考慮操作壓力、防腐及清洗等方面的要求。2流速的選擇流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響傳熱膜系數(shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對含有較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗，表2-10、

51、表2-11列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。表2-10 列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速，m/s管程殼程一般液體易結(jié)垢液體氣體0.5315300.21.50.5315表2-11 液體在列管換熱器中的流速（鋼管）液體粘度，mPa.s最大流速，m/s150015005005001001003535110.60.751.11.51.82.43加熱劑(或冷卻劑)進(jìn)、出口溫度的確定方法通常，被加熱(或冷卻)流體進(jìn)、出換熱器的溫度由工藝條件決定，但對加熱劑（或冷卻劑）而言，進(jìn)、出口溫度則需視具體情況而定。為確保換熱器在所有氣候條件下均能滿足工藝要求，加熱劑的進(jìn)口溫度應(yīng)按所在地的冬季狀況確定；冷卻劑的進(jìn)口溫度應(yīng)按所在地的夏季狀況確定。若綜合利用系統(tǒng)流體作加熱劑(或冷卻劑)時，因流量、入口溫度確定，故可由熱量衡算直接求其出口溫度。用蒸汽作加熱劑時，為加快傳熱，通常宜控制為恒溫冷凝過程，蒸汽入口溫度的確定要考慮蒸汽的來源、鍋爐的壓力等。在用水作冷卻劑時，為便于循環(huán)操作、提高傳熱推動力，冷卻水的進(jìn)、出口溫度差一般宜控制在510左右。4列管類型的選擇對熱、冷流體的溫差在50以內(nèi)時，不需要熱補(bǔ)