模塊四傳熱技術教案(中級)

1、青島海灣集團企業(yè)新型學徒制教案（化工總控工中級）模塊四傳熱技術授課時間2016年 月 日 2016 年 月 日典型任務傳熱技術學習目標1、掌握傳熱的基本概念2、了解傳熱過程的基本方程式3、掌握常見的傳熱方法4、掌握企業(yè)常見的換熱器及其特點5、掌握強化傳熱的方法建議課時32課時任課教師侯可寧本模塊教學內容子模塊一 傳熱基本概念子模塊二 傳熱基本方程式子模塊三 換熱方法子模塊四 換熱器子模塊五 強化傳熱子模塊一傳熱基本概念授課時間年 月 日 學習目標1、了解傳熱、載熱體、熱載熱體、冷載熱體、加熱劑、冷載流體的定義2、掌握穩(wěn)定傳熱、不穩(wěn)定傳熱、熱量、比熱容、顯熱、潛熱的定義3、熟悉溫度、內能的表示方

2、法任課教師侯可寧課時 2課時學習過程設計 一、教學準備 講義、教材、PPt二、課程引入 以學員在工作過程中常見的傳熱過程為例進行，以提問的形式引出傳熱的概念是什么？三、任務實施1、傳熱：指熱傳遞，即由于溫度差而產生的能量由高溫區(qū)向低溫區(qū)的轉移；在化學工程角度講，是指傳熱過程，即由于存在溫度差而發(fā)生熱傳遞的化工過程。2、載熱體：參與傳熱的流體稱為載熱體3、熱載熱體：溫度較高并在傳熱過程中失去熱量的流體。4、冷載流體：溫度較低并在傳熱過程中得到熱量的流體。5、加熱劑：傳熱的目的是將冷載熱體加熱或汽化，則所用的熱載熱體稱為加熱劑。6、冷卻劑：傳熱的目的是將熱載熱體冷卻或凝結，則所用的冷載熱體稱為冷卻

3、劑或冷凝劑。7、穩(wěn)定傳熱：在傳熱過程中，溫度僅隨傳熱面上個點的聞之變化而不隨時間變化。（重點講述）8、不穩(wěn)定傳熱：在傳熱過程中，溫度不僅隨位置變化，而且隨時間變化。其單位時間所傳遞的熱量隨時間而變化。（重點講述）9、熱現(xiàn)象：是物質運動的一種表現(xiàn)，它是物體內部大量分子無規(guī)則運動的宏觀表現(xiàn)。10、物體的內能：物體內部所有分子無規(guī)則運動的動能和分子勢能的總和。11、溫度：表示物體冷熱程度的物理量12、熱量：熱傳遞過程中傳遞能量的多少。13、比熱容：單位質量的某種物質溫度升高或降低1K時吸收或放出的熱量（C,kJ/kgK）（重點講述）14、顯熱：物質在沒有相變的情況下溫度變化時所吸收或放出的熱量。（重

4、點講述）15、潛熱：在溫度壓力不變時物質發(fā)生相變所吸收或放出的熱量。（重點講述）學徒活動子模塊二傳熱基本方程式授課時間年 月 日 學習目標1、掌握傳熱過程基本方程式的表示方法2、掌握傳熱速率的計算方法3、掌握平均溫差的求算方法4、了解傳熱系數(shù)的物理意義任課教師侯可寧課時 8課時學習過程設計 一、教學準備 講義、教材、PPt二、課程引入 從傳熱基本方程 或 可知，要強化傳熱過程主要應著眼于增加推動力和減少熱阻，也就是設法增大或者增大傳熱面積和傳熱系數(shù)。在生產上，無論是選用或設計一個新的換熱器還是對已有的換熱器進行查定，都是建立在上述基本方程的基礎上的，傳熱計算則主要解決基本方程中的及有關量的計算

5、。傳熱基本方程是傳熱章中最主要的方程式。三、任務實施1、傳熱速率的計算 冷、熱流體進行熱交換時，當熱損失忽略，則根據(jù)能量守恒原理，熱流體放出熱量，必等于冷流體所吸收的熱量，即，稱之熱量衡算式。（1）無相變化時熱負荷的計算 比熱法 式中 熱負荷或傳熱速率，J.s-1或W； 熱、冷流體的質量流量，kg.s-1； 冷、熱流體的定壓比熱，取進出口流體溫度的算術平均值下的比熱，k.（kg.k）-1； 熱流體進、出口溫度，（C）； 冷流體的進出口溫度，（C）。（）熱焓法 式中 物料始態(tài)的焓，k.kg-1； 物料終態(tài)的焓，k.kg-1。有相變化時熱負荷計算 式中 發(fā)生相變化流體的質量流量，kg.s-1； 液

6、體汽化（或蒸汽冷凝）潛熱，k.kg-1。注意：在熱負荷計算時，必須分清有相變化還是無相變化，然后根據(jù)不同算式進行計算。對蒸汽的冷凝、冷卻過程的熱負荷，要予以分別計算而后相加。當要考慮熱損失時，則有： 通常在保溫良好的換熱器中可取2、平均溫度差的計算在間壁式換熱器中，的計算可分為以下幾種類型：（1）兩側均為恒溫下的傳熱兩側流體分別為蒸汽冷凝和液體沸騰時，溫度不變，則：t常數(shù)（2）一側恒溫一側變溫下的傳熱可推得計算式為： 式中為進出口處傳熱溫度差的對數(shù)平均值，溫差大的一端為，溫差小的一端為，從而使上式中分子分母均為正值。 當時，則：，即可用算術平均值。（3）兩側均為變溫下的穩(wěn)定傳熱（4）復雜流動時

7、的計算流體是復雜錯流和折流時，其的計算較為復雜，一般用下式計算： 式中 為按逆流操作情況下的平均溫度差, 為校正系數(shù)，為P，R兩因數(shù)的函數(shù)，即：=f（P，R），對于各種換熱情況下的值，可在有關手冊中查到。（5） 的計算要注意：計算通常用式（4-15）所示的對數(shù)平均溫度差，當時，可用算術平均值代替。 為避免不同操作條件下的計算錯誤，最好用圖示出流動方向并注明溫度： 當冷、熱流體操作溫度一定時，總大于。當要求傳熱速率一定時，逆流所需的設備投資費用及操作費用均少于并流，故工業(yè)生產的換熱設備一般采用逆流操作。3、總傳熱系數(shù)K的確定總傳熱系數(shù)K值有三個來源：一是選取經驗值；二是實驗測定值；三是計算。（1

8、）現(xiàn)場測定總傳熱系數(shù)根據(jù)傳熱速率方程式，當傳熱量Q、傳熱面積A及平均溫度差為已知時，則可測出某換熱設備在該工藝條件下的K值。（2） 總傳熱系數(shù)的計算兩流體通過間壁的傳熱過程是由熱流體對管壁對流管壁熱傳導管壁對冷流體的對流所構成的串聯(lián)傳熱過程，利用串聯(lián)熱阻的關系，即可導出總傳熱系數(shù)K的計算式。若以傳熱管外表面積為基準，其對應的總傳熱系數(shù)K為： （3-17）同理，若以傳熱管內表面積為基準，其對應的總傳熱系數(shù)K為： （3-18）若以傳熱管壁的平均面積為基準，其對應的總傳熱系數(shù)K為 （3-19） 由此可見，所取基準傳熱面積不同，K值也不同，即。 當傳熱面積為平壁時，則：，此時的總傳熱系數(shù)K為： （3-

9、20） 當壁阻較小的多時，可忽略不計，此時K為： （3-21）注意：（1）總傳熱系數(shù)和傳熱面積的對應關系。所選基準面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。手冊中所列的K值，無特殊說明，均視為以管外表面為基準的K值。（2）管壁薄或管徑較大時，可近似取，即圓筒壁視為平壁計算。（3）總傳熱系數(shù)K值比兩側流體中值小者還小。（4）當時，壁阻可忽略不計時，則且 當時，壁阻可忽略不計時，則且 由此可知，總熱阻是由熱阻大的那一側的對流傳熱所控制的，即兩個對流傳熱系數(shù)相差較大時，要提高K值，關鍵在于提高較小的；若兩側相差不大時，則必須同時提高兩側的值，才能提高K值。4、污垢熱阻污垢的存在，將增大傳熱阻力，污垢熱阻一般

10、由實驗測定，對傳熱面按平壁處理時，其總的熱阻為： （4-19）式中為管壁兩側的流體的污垢熱阻。5、壁溫的計算壁溫可按下式計算： （5-20） （5-21） （5-22）壁溫總是接近對流傳熱系數(shù)值大的一側流體的溫度。壁溫的具體計算過程需進行試差。學徒活動子模塊三換熱方法授課時間年 月 日 學習目標1、掌握工業(yè)上傳熱過程的三種形式2、掌握傳熱的基本方式及其特點3、了解傳熱系數(shù)對傳熱速率的影響4、了解傳熱負荷的計算方法任課教師侯可寧課時 8課時學習過程設計 一、教學準備 講義、教材、PPt二、課程引入 復習提問三、任務實施1、工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸有三種方式。 （1）直接接觸式 在

11、某些傳熱過程中，例如熱氣體的直接水冷卻及熱水的直接空氣冷卻等，采用冷、熱流體直接接觸進行換熱。這種方式傳熱面積大，設備亦簡單。典型的直接接觸式換熱設備是由塔型的外殼及若干促進冷、熱流體密切接觸的內件（如填料）等構成。 （2）間壁式 在大多數(shù)情況下，工藝上不允許冷、熱流體直接混合，而往往是將冷、熱流體用間壁隔開來，通過間壁進行換熱，所采用的設備叫間壁式換熱器，其型式很多，稍后專門介紹。 （3）蓄熱式 這種傳熱過程中，首先使熱流體流過換熱器，將器內固體填充物（如耐火磚等）加熱，然后停止熱流體，使冷流體流過蓄熱器內已被熱流體加熱的固體填充物，吸取熱量而被加熱，如此周而復始，達到冷、熱流體之間的傳熱目

12、的。一般來說，蓄熱式換熱只適用于氣體，對于液體會有一層液膜粘附在固體表面上，從而造成冷、熱流體之間的少量摻混，如果這種摻混也是不允許的話，便不能采用蓄熱式換熱器。2傳熱基本方式 熱量傳遞的基本方式有傳導傳熱、對流傳熱和輻射傳熱三種。（1）傳導傳熱 系統(tǒng)溫度較高部分的粒子（氣體、液體的分子，固體的原子，導電固體的自由電子）因熱運動與相鄰的粒子碰撞將熱量傳遞給溫度較低粒子的過程稱為傳導傳熱，簡稱熱傳導或導熱。熱傳導過程的特點是，粒子只是在平衡位置附近振動而不發(fā)生宏觀位移。 （2）對流傳熱 對流傳熱也稱熱對流，是指流體中粒子發(fā)生相對宏觀位移和混合，將熱量由一處傳至另一處的過程。工程上，對流傳熱是指流

13、體流經固體壁面與該表面發(fā)生的熱量交換，又稱給熱。 流體的對流因其粒子產生相對宏觀位移的原因不同分為兩種，一種是由于流體內部各處溫度不同而造成密度差異所引起的粒子宏觀位移，稱為自然對流；另一種是由于外界機械能量的介入迫使其粒子宏觀位移，稱為強制對流。強制對流較自然對流傳熱效果好。（3）輻射傳熱 輻射傳熱亦稱熱輻射，是一種熱量以電磁波傳遞的方式。當物體受熱而引起內部原子激發(fā)，熱能變?yōu)檩椛淠芤噪姶挪ㄐ问较蛑車臻g發(fā)射，射到另一物體時輻射能部分或全部被吸收又重新變?yōu)闊崮?，這種能量傳播過程稱為熱輻射。 熱輻射的特點是不需要任何傳熱介質，而可在真空中傳遞。 物體的溫度只要在絕對零度以上，都可以發(fā)射電磁波形

14、式的熱射線。高溫物體向低溫物體發(fā)射熱射線，低溫物體也同時向高溫物體發(fā)射熱射線，只不過高溫物體向低溫物體輻射的能量多而已。實驗證明，物體的溫度高于400才有明顯的熱輻射，而化工生產中一般間壁式換熱器中的傳熱過程溫度都不很高，過程中因輻射而傳遞的熱量大多情況下可忽略不計，主要討論熱傳導和熱對流。 需要指出的是，實際化工生產中的傳熱過程很少以一種方式進行，而往往是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換熱就是熱對流和熱傳導的串聯(lián)過程。（4）傳導傳熱熱傳導基本方程傅里葉定律 如圖44所示，當均勻物體兩側有溫度差（t1一t2）時，熱量以傳導的方式通過物體由高溫向低溫傳遞。實驗證明：單位時間物體的導熱量dQd

15、與導熱面積A和溫度梯度dtd呈正比。寫為等式： 該式為熱傳導基本方程，也稱為傅里葉（Fourier）定律。定態(tài)傳熱時：= 式中dtd溫度梯度，Km-1，表示傳熱方向上因距離而引起溫度變化的程度，其方向垂直于傳熱面，并以溫度增加的方向為正，由于熱量傳遞方向與溫度梯度相反，故在式中加一個負號； A導熱面積，m2； 比例系數(shù)，熱導率，也稱為導熱系數(shù)，Wm-1K-1。 熱導率是表征物質導熱能力的一個參數(shù)，為物質性質之一。熱導率越大，物質的導熱能力越強。熱導率的大小與物質的組成、結構、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強）等因素有關。各種物質的熱導率由實驗測定，一般而言，金屬的熱導率大，非金屬固體材料的熱導率小，液體

16、的熱導率更小，氣體的熱導率最小（約為液體的110）。各種物質的熱導率可從附錄或化工手冊中查取。 間壁式換熱器壁面的熱傳導 化工生產中間壁式換熱器的傳熱面有平面壁和圓筒壁兩種結構形式之分，同時也有單層和多層之別。 平面壁的定態(tài)熱傳導平面壁指間壁幾何結構為平面的傳熱面，有時亦將直徑很大的圓筒壁面近視似地當平面壁處理，如夾套式反應釜的傳熱面、爐灶的傳熱面等。平面壁熱傳導的特點是沿傳熱方向導熱面積A不發(fā)生變化。 如圖45所示的同一材料的單層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其熱導率不隨時間發(fā)生變化，傳熱面的溫度僅沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化、但不隨時間變化。按傅里葉定律分離變量并積分可得：=Q/=-A/ 依

17、據(jù)：過程速率過程推動力/過程阻力，單層平面壁的熱流量也可寫為：=t/R 式中/A稱為熱阻，記作R, KW-1圓筒壁的定態(tài)熱傳導圓筒壁的熱傳導在化工生產中極為普遍，各種管式換熱器的傳熱面均為圓筒壁面等。圓筒壁面熱傳導的特點是傳熱面積A沿熱量傳遞方向而變化，即傳熱面積A隨圓筒的半徑而變化。 如圖46所示，熱量由管內壁面向管外壁面定態(tài)傳導，考察厚度為dr的薄層，由博里葉定律有：=-Adtd=-2rl分離變量并積分：整理得： 改寫之， 式中為圓筒壁厚，為半徑的對數(shù)平均值，為面積的對數(shù)平均值，當圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，即2的情況下，可以用算術平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的rm和Am，其計算誤

18、差4，可以滿足工藝要求。 比較可知，圓筒壁面熱阻為： 多層壁面的定態(tài)熱傳導實際生產中，間壁式換熱器的傳熱面往往是多層的。 如圖47所示為三層不同材料組成的復合平面壁。定態(tài)導熱時各分層的傳熱速率分別為：該式為多層平面壁的熱流量式，可以看出，過程的總推動力為各層推動力之和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性。 由過程分析還可得到：或 此式說明多層壁面的定態(tài)熱傳導，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。 這些結論也適用于多層圓筒壁的定態(tài)熱傳導。按以上相同方法可推得多層圓筒壁的熱流量式為： 應注意的是，對多層壁面的定態(tài)熱傳導，無論多層平壁還是多層圓筒壁，各層熱流量

19、均相等且等于總過程的熱流量。但對多層平壁，各層的面積熱流量相等，而多層圓筒壁各層的面積熱流量不相同，這是由于后者傳熱面積沿傳熱方向發(fā)生變化之故。 各層交界面上的溫度求?。菏街袑Χ鄬悠奖谝蚋鲗拥膫鳠崦娣e相等，Al，A2，A3可消去；對多層圓筒壁，式中各層厚度，各層面積。 （5）對流傳熱對流傳熱機理對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞，顯然與流體流動的狀態(tài)有密切的關系。工業(yè)過程的流動多為湍流狀態(tài)，湍流流動時，流體主體中質點充分擾動與混合，所以在與流體流動方向垂直的截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。但無論流體的湍流程度有多大，由于壁面的約束和流體內部的摩擦作用，在緊靠壁面處總存在滯流底層，層內流體平

20、行流動，垂直于流動方向的熱量傳遞以熱傳導方式進行。由于流體的熱導率很小，故主要熱阻及溫度差都集中在滯流底層。同時在湍流主體和滯流底層之間還存在一個過渡區(qū)域，其中溫度是逐步連續(xù)的變化。 由上圖所示為熱流體與壁面對流傳熱及壁面與冷流體的對流傳熱，在某垂直于流體流動方向上AA截面的溫度分布情況?？梢姡瑢α鱾鳠崾且粋€復雜的過程嚴格的數(shù)學描述十分困難。工程上將湍流主體和過渡區(qū)的熱阻予以虛擬，折合為相當厚度為t的滯流底層熱阻，這樣，圖48中曲線由虛線代替，流體與壁面之間的溫度變化可認為全部發(fā)生在厚度為t的一個膜層內，通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層。如此處理將整個對流傳熱的熱阻集于傳熱邊界層中，

21、且層內傳熱方式為熱傳導，而在傳熱邊界層以外，溫度是一致的、沒有熱阻，這樣將湍流狀態(tài)復雜的對流傳熱歸結為通過傳熱邊界層的熱傳導，并可用熱傳導基本方程來描述對流傳熱過程： 式中流體的熱導率，； 傳熱邊界層厚度，m； 對流傳熱溫度差，或者是； 實際上對流傳熱過程中傳熱邊界層厚度難以測定，以1/h代替，則： 該式稱為牛頓（Newton）冷卻定律或給熱方程，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，或稱為對流傳熱系數(shù)，亦稱給熱系數(shù)，單位為。 對流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取 牛頓冷卻定律似乎簡單，但它并未揭示對流傳熱的本質也未減少計算的困難，實際上它將復雜矛盾集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h之中，所以，如何確定在各種條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，成

22、為表面?zhèn)鳠岬闹行膯栴}。影響h的因素很多，主要有以下幾個方面： 流體的種類和性質 不同的流體或不同狀態(tài)的流體，如液體、氣體、蒸氣，其密度、比熱容、粘度等不同，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h也不同。 流體的流動形態(tài) 滯流、過渡流或湍流時h各不相同。主要表現(xiàn)在流速u對h的影響上，u增大減小即熱阻降低，則h增大。 流體的對流狀態(tài) 強制對流較自然對流時h為大。 傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸 傳熱壁面是圓管還是平面，是翅片壁面還是套管環(huán)隙；管徑、管長、管束排列方式，水平還是垂直放置等都影響h的大小。 影響h的主要因素可用下式表示： 流體無相變過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取 由于影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素很多，無法建立一個普遍適用

23、的數(shù)學解析式。類似于流體湍流阻力系數(shù)關聯(lián)公式的建立，工程上采用量綱分析的方法，將影響h諸多因素歸納為較少的幾個量綱為一的特征數(shù)群，然后按照實際情況進行實驗，確定這些特征數(shù)在不同情況下的相互聯(lián)系，從而得到經驗性的關聯(lián)公式，用以求取特定條件下的h值。 用量綱分析方法將式轉化為量綱為一的特征數(shù)，如表41所示。 描述對流傳熱過程的特征數(shù)關系為： 式中m是為了校正傳熱方向對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的影響。當流體被加熱時，m0.4；當流體被冷卻時，m0.3。 式（416）適用范圍：，管長與管徑比 Ld50，適用于低粘度流體（大多數(shù)氣體和粘度小于2倍水粘度的液體），且過程中無相變化。 式（416）也適用于流體在無折流

24、板的列管式換熱器殼程流動時h的計算，只是式中的特性尺寸須用當量直徑e代替。 化工手冊中有求取各種情況下h的特征數(shù)關聯(lián)式，供選擇使用。但要注意各特征數(shù)關聯(lián)式的適用范圍，還要注意定性溫度和特性尺寸的選取。定性溫度是確定特征數(shù)中流體物性參數(shù)的溫度。不同的關聯(lián)式確定定性溫度的方法不同，有的用流體在換熱器的進、出口溫度的算術平均值,如：流體在間壁式換熱器中對流傳熱的定性溫度;有的用膜溫（流體進、出口溫度的算術平均值與壁面溫度的平均值，再取兩者的平均值）等，這要取決于建立關聯(lián)式時采用什么方法而定。特性尺寸指換熱器中對傳熱過程起主要影響的幾何結構尺寸，它決定了特征數(shù)中用或用和分別代表那一個尺寸。如：管內對流

25、傳熱過程的特性尺寸是管徑；非圓形管道對流傳熱時特性尺寸是當量直徑e等。（2）流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 化工生產中多見的相變給熱是液體受熱沸騰和飽和水蒸氣的冷凝。液體的沸騰 液體通過固體壁面被加熱的對流傳熱過程中，若伴有液相變?yōu)闅庀?，即在液相內部產生氣泡或氣膜的過程稱為液體沸騰，又稱沸騰傳熱。液體沸騰的情況因固體壁面（加熱面）溫度tw與液體飽和溫度ts之間的差值而變化，圖 49所示為水的沸騰曲線：當溫度差較?。ǎr，加熱面上的液體僅產生自然對流在液體表面蒸發(fā)，如圖中AB段曲線；當上t逐漸增高（）時，加熱面上液體局部位置產生氣泡且不斷離開壁面上升至水蒸氣空間，由于氣泡的產生、脫離和上升對液體劇

26、烈擾動，加劇了熱量轉移，使面積熱流量q和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h均增大，如圖中BC段曲線所示，此段情況稱為泡核沸騰；若繼續(xù)增大t（）時，加熱面上產生的氣泡大大增多且產生的速度大于脫離加熱表面的速度，加熱面上形成一層不穩(wěn)定的水蒸氣膜將其與液體隔開，由于水蒸氣的導熱性差，氣膜的附加熱阻使q和h均急劇下降，以致達到D點時傳熱面幾乎全部被氣膜覆蓋，且開始形成穩(wěn)定的氣膜，一般將CD段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰，將DE段稱為膜狀沸騰。 由于泡狀沸騰較膜狀沸騰的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，工業(yè)生產中總是設法維持在泡狀沸騰下操作。 其它液體在不同壓強下的沸騰曲線與水的沸騰曲線形狀相似，僅C點的數(shù)值有所差異。 水蒸氣冷凝 飽和水蒸氣與溫度較

27、低的固體壁面接觸時，水蒸氣放出熱量并在壁面上冷凝成液體。若水蒸氣或壁面上存在油脂和雜質，冷凝液不能潤濕壁面，由表面張力的作用而形成許多液滴沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝。若水蒸氣和壁面潔凈，冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。在膜狀冷凝時，水蒸氣的冷凝只能在冷凝液膜的表面進行，即冷凝水蒸氣放出的熱量必須通過液膜的傳遞才能傳給冷凝面，所以冷凝液膜往往是膜狀冷凝給熱過程主要熱阻之所在；而在滴狀冷凝時，壁面大部分直接暴露于水蒸氣中，由于無液膜之熱阻存在，滴狀冷凝的給熱系數(shù)比膜狀冷凝的給熱系數(shù)可高出數(shù)倍乃至數(shù)十倍。 然而，工業(yè)冷凝器中，即使采用促進滴狀冷凝的措施也不能持久

28、，加之，膜狀冷凝之冷凝液潔凈質量高，故工業(yè)中遇到的大多是膜狀冷凝。 間壁式換熱器傳熱面兩側的流體中，無論是沸騰或冷凝，發(fā)生相變一側流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比無相變一側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都高，其熱阻在總傳熱過程中往往也很小。一些常見流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大致范圍如表42所示。（6）問壁式熱交換的計算 如前所述，間壁式換熱器是化工生產中的常見換熱器，間壁式傳熱過程的計算是工程設計和計算的重要內容。傳熱總方程如圖410所示，間壁式換熱器中，傳熱過程是熱流體給熱間壁導熱冷流體給熱的串聯(lián)過程。在連續(xù)化的工業(yè)生產中，換熱器內進行的大都是定態(tài)傳熱過程，這時，則有：（4一17） 該式為間壁式換熱器的傳熱總方程，亦稱傳熱基本

29、方程，適用于傳熱面為等溫面的間壁式熱交換過程。傳熱總方程中，T-t是間壁式熱交換各步驟溫度差加和的結果，是過程總推動力。是各步驟熱阻的加和，為過程總熱阻。說明定態(tài)傳熱總過程的推動力和阻力亦具加和性： 令，則傳熱總方程為： (418)式中K傳熱系數(shù)稱總傳熱系數(shù)，。 傳熱系數(shù)K K是衡量換熱器性能的重要指標之一。其大小主要取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等。化工中常見傳熱過程的K值范圍如表43所示：當換熱器的間壁為單層平面壁（或可近似為平面壁的薄圓筒壁）時，因=A，則傳熱系數(shù)為： （419）若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時，因A，則總傳熱方程中須分別代入各分過程的傳熱面積,，即傳

30、熱系數(shù)與傳熱面積對應時： （420）顯然，以圓管內壁面、外壁面和平均壁面為基準的K值各不相同。通常換熱器的規(guī)格用外表面作為計算的基準，各種手冊中的K值若無特殊說明，均為基于管外表面積的K2，其計算式為： （421）若間壁為多層平面壁以及間壁兩側有污垢積存時，傳熱系數(shù)為： （422） 式中分別表示壁面兩側污垢熱阻系數(shù)，m2KW-1 傳熱系數(shù)K的獲得除可用（419）、（420）、（4ZI）等公式計算外，還可通過查取相關手冊選用經驗K值，對已有換熱器，還可通過實驗測定。 計算結果表明，主要熱阻在垢層和有機物（）這一側，其中垢層熱阻占總熱阻的31.9%,有機物熱阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金屬釜壁的熱

31、阻只占總熱阻的1.75%和2.55%。若忽略金屬間壁的熱阻q=5.73 kWm-2，只相差2.6%。因此，比較多的情況下，尤其液一液熱交換過程中，金屬間壁的熱阻通?？梢院雎?，而污垢層的熱阻不可忽略。計算結果表明，K值總是接近熱阻大(h值?。┮粋鹊膆值，即K的大小為h小的一側流體所控制。因此，欲提高K值，應當從h小的一側流體入手，提高其對流傳熱效果，以達到強化傳熱目的。 （6）傳熱過程的平均溫度差 在傳熱過程中，冷、熱流體溫度差沿換熱器壁面的分布情況，決定了整個換熱過程的溫度差。 （1）定態(tài)恒溫傳熱 定態(tài)恒溫傳熱是指換熱器間壁兩側冷、熱兩流體溫度在壁面的任何位置、任何時間都不變化，即兩流體的溫度

32、差沿換熱面處處相等，恒定不變。例如蒸發(fā)過程，間壁一側是液體在恒定沸騰溫度下的蒸發(fā)，另一側為飽和水蒸氣在一定冷凝溫度下的冷凝，此時兩流體的傳熱溫度差就是Tt。 （2）定態(tài)變溫傳熱 定態(tài)變溫傳熱時，換熱器間壁一側流體或兩側流體的溫度沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體間的溫度差t沿換熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對流向有關。工業(yè)上冷、熱流體在換熱器內的相對流向主要有逆流和并流。逆流傳熱為間壁兩側流體以相反方向流動，并流傳熱為間壁兩側流體以相同的方向流動。圖411（a）、(b)分別為逆流和并流傳熱時t隨換熱器壁面位置的變化，無論哪種情況，壁面兩側流體的溫度均沿傳熱面而變化，過程推動力（溫度差）相應地

33、也發(fā)生變化。由于溫度差與冷、熱流體溫度呈線性關系，采用圓筒壁定態(tài)熱傳導速率式（45）的推導類似的方法，由過程的熱量衡算結合傳熱速率方程，可得到間壁式換熱器并流（或逆流）傳熱時的積分結果，其結果是用換熱器兩端冷,熱流體溫度差的對數(shù)平均值tm表示傳熱平均推動力。 （424） 對數(shù)平均溫差比算術平均溫差精確，前者計算值總小于后者計算值，尤其是換熱器兩端溫度差相差懸殊時更是如此。這兩種方法對逆、并流傳熱都適用，但要注意換熱器兩端溫度差t大的為t1，小的為t2，以避免計算出錯。 例 硫酸生產中 SO2的轉化系統(tǒng)，用轉化氣在外部列管換熱器中預熱 SO2氣體。若轉化氣溫度由440降至320，SO2氣體由22

34、0被加熱至280，試求流傳熱和逆流傳熱的平均溫度差，并作比較，選定推動力較大的傳熱流向（設兩氣體進出口溫度在并、逆流時相同）。 計算結果表明，在相同情況下(K及工藝熱負荷相同），逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差，這意味著滿足相同工藝換熱能力要求，采用逆流傳熱要比并流傳熱相應減少傳熱面積或載熱體使用量，故該題選擇逆流傳熱。 并流傳熱時，冷流體的出口溫度t2的極限溫度是熱流體的出口溫度T2，而逆流傳熱時，冷流體的出口溫度t2的極限溫度是熱流體的進口溫度T1，說明并流傳熱時被加熱或冷卻流體的出口溫度易控制，這對于一些熱敏物料的加熱或冷卻等具有實用意義。 4熱負荷及熱量衡算 （1）熱負荷

35、生產工藝對換熱器換熱能力的要求稱為換熱器的工藝熱負荷。對于一個能滿足工藝要求的換熱器而言，其傳熱速率應等于或略大于工藝熱負荷，即。在實際計算中往往將二者看作相等，但意義不同，也是生產工藝所要求的，是換熱器一定條件下的換熱能力，是設備特性。 通過熱負荷的計算，可以確定換熱器所應具有的傳熱速率，再依據(jù)此傳熱速率可計算換熱器所需的傳熱面積等。 熱負荷的計算根據(jù)工藝特點有兩種情況： 流體在傳熱中只有相變的場合 (425)式中 流體的質量流量，kgs-1；L流體的相變熱kJkg-1，；流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變的場合=qmcp(t2-t1) （426） 式中流體的比定壓熱容，kJkg-1K-1；

36、 流體傳熱前后的溫度，K； （2）熱量衡算 換熱器中冷、熱兩種流體進行熱交換，若忽略熱損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，即熱冷，稱之為熱量衡算式。熱量衡算式與傳熱總方程是換熱器計算的兩個基本公式。 若換熱器中兩種流體無相變化，且流體的比定壓熱容不隨溫度變化或可取平均溫度下的比定壓熱容時： （427）式中換熱器的熱負荷，kJs-1；分別指熱、冷流體的比定壓熱容，kJkg-1K-1；分別指熱流體的進、出口溫度和冷流體的進、出口溫度，K。 若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣的冷凝時： （428） 例49 在列管換熱器中，水以0.8ms-1的流速流過內徑為25mm，長為5m的管束。若管內

37、壁面平均溫度為50，水的進口溫度為20，試求水的出口溫度。設管壁對水的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 1850 Wm-2K-1，熱損失可以忽略。 解：設水的出口溫度為t2，密度取=1000kgm-3，比定壓熱容取cp=4.187 kJkg-1K-1 換熱器的一根管子傳熱面積Ai和流通面積Si；分別為：根據(jù)熱量衡算和對流熱流量方程有： 由，即上二式相等，代入已知數(shù)據(jù)求解可得：水的出口溫度t230.9。 例410 某精餾塔頂氣體的全凝器采用的是列管式換熱器，其管束是由直徑較大、厚度為3mm的鋼管(=49Wm-1K-1)組成的，換熱器中是用水（管程）以逆流方式將塔頂出來的有機物蒸氣（殼程）全部冷凝下來。有機物蒸

38、氣是以丙酮為主要組分的混合物，溫度為75，其被冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可取h1=1 300 Wm-2K-1，有機物蒸氣全部冷凝下來的熱流量為 422.2 kW；冷卻水的質量流量為41.5x103kgh-1，其進口溫度 t進=30，水的比定壓熱容取cp=4.18kJkg-1K-1，水側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2=1 000 Wm-2K-1。試計算該全凝器需要多大的傳熱面積才能滿足換熱要求？解：求冷卻水的出口溫度t出根據(jù)熱量平衡進） 即求得 求平均溫度差若換熱器取單程，逆流換熱方式，則753045，753936因為 /=1.252，可用算術平均值：=40.5 求傳熱系數(shù)K 因傳熱面為直徑較大、管壁較薄的鋼管，可

39、按平面壁計，則=546 Wm-2K-1 求傳熱面積A 根據(jù)式（418） 代入已知數(shù)據(jù)計算有 A19 m2計算表明：在題設條件下，冷凝器需要有 19 m2的換熱面積才能使精餾塔頂?shù)臍馊坷淠聛?。學徒活動子模塊四換熱器授課時間年 月 日 學習目標1、掌握常見的換熱器種類及其特點2、掌握流體流程選擇的原則3、理解流體流速對傳熱速率的影響4、了解換熱器管束的排列方式5、了解換熱器選擇的原則6、掌握換熱器開車的規(guī)程及換熱器仿真開停車過程任課教師侯可寧課時 24課時學習過程設計 一、教學準備 講義、教材、PPt二、課程引入 復習提問三、任務實施1、換熱器的種類及其特點固定管板式剛性結構：用于管殼溫差較小

40、的情況(一般50C)，管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補償能力，殼程只能承受較低壓力浮頭式管內外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合管殼式U型管式管內外均能承受高壓，管內清洗及檢修困難填料函式外填料函：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、易爆易燃及壓力較高的介質管內填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合式釜式殼體上都有個蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離套管式雙套管式結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合，或固定床反應器中套管式能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器螺旋浸沒式用于管內流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的加熱盤管式噴淋式只用于管內流體的冷卻或冷凝板式拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性

41、較大的液體間換熱螺旋板可進行嚴格的逆流操作，有自潔作用，可回收低溫熱能板式傘板式傘形傳熱板結構緊湊，拆洗方便，通道較小，易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高擴展板翅式結構十分緊湊，傳熱效率高，流體阻力大表面式管翅式適用于氣體和液體之間傳熱，傳熱效率高，用于化工、動力、空調、制冷工業(yè)回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫煙氣冷卻等蓄熱鼓式用于空氣預熱器等式固定格緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件室式非緊湊式可用于高溫及腐蝕性氣體場合2、流體流程選擇原則：傳熱效果好，結構簡單，清洗方便。管程：不清潔或易結垢、腐蝕性、壓力高的流體；殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體

42、。3、流體流速的選擇u選擇是經濟權衡，要避免層流流動！4、換熱器中管子的規(guī)格和排列方式5、換熱器的選擇 換熱器的選擇，是在換熱器系列化標準中確定合適的換熱器類型和規(guī)格的過程。工藝要求、操作條件以及不同類型換熱器的優(yōu)缺點，是選擇適當類型和大小的換熱器的依據(jù)。 換熱器的選擇首先要考慮以下事項。 （1）了解換熱任務，掌握基本數(shù)據(jù)及特點。 冷、熱流體的流量、進出口溫度、操作壓力等； 冷、熱流體的物性參數(shù)； 冷、熱流體的工藝特點、腐蝕性、懸浮物的含量等。 （2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。如選定列管換熱器，對換熱流體流動空間可按下列原則確定。 不清潔的流體或易結垢、沉淀、結晶的流體走管程，

43、因管程易清洗； 需提高流速以增大對流傳熱系數(shù)的流體走管程，管程u一般較高； 腐蝕性流體走管程，以免對殼體和管束的同時腐蝕； 壓力高的流體走管程，管子耐壓性好； 飽和蒸氣宜走管程，便于排出冷凝液； 粘度大或流量較小的流體宜走殼程，可在低 Re（Re100）達到湍流； 需冷卻的流體一般選殼程，便于散熱。 在換熱器型式和規(guī)格確定中，選型計算貫穿于以上二步驟之中，通常需要反復試算，計算的主要內容有： 流體定性溫度，查取或計算定性溫度下有關物性數(shù)據(jù)； 由傳熱任務計算熱負荷； 作出適當選擇，并計算對數(shù)平均溫度差； 選取總傳熱系數(shù)、估計換熱面積，由此可試選適當型號的換熱器； 核算總傳熱系數(shù)：分別計算管程、殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，求出K值并與估算的K值比較，如果相差太大，則需重新估算再核算，直到相差不大則可； 估算傳熱面積：根據(jù)核算的K值，由總傳熱方程求出A，并考慮1025的富裕量。 由以上可以看出，化工生產對換熱器的要求是多種多樣的，換熱器的選擇也較為復雜。選擇何種類型和規(guī)格的換熱器，要視實際情況，綜合考慮多種因素，擇優(yōu)而定。關于選型計算的內容可參考有關設計手冊或專著。6、換熱器單元操作規(guī)程（實操和仿真）學徒活動子模塊四傳熱過程的強化授課時間年 月 日 學習目標1、掌握強化傳熱的主要途徑2、掌握提高傳熱系數(shù)K的方法任課教師侯可寧課時 4課時學習過程設計 一、教學準備 講義、