學(xué)習(xí)情境四、換熱操作

學(xué)習(xí)情境四、換熱操作化學(xué)工程系

05二月2023李麗

學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）了解工業(yè)換熱設(shè)備的構(gòu)造、適用場合。（2）熟悉換熱設(shè)備的工作原理。（3）掌握熱量衡算、傳熱基本方程、增強(qiáng)傳熱速率的途徑。

傳熱是在化工中很多過程傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實(shí)現(xiàn)傳熱的前提條件或者說是推動(dòng)力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用概述熱力學(xué)第二定律：只要存在溫度差，熱量會(huì)自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向：傳熱極限：傳熱推動(dòng)力：高溫→低溫溫度相等溫度差傳熱應(yīng)用：科研、生產(chǎn)、生活、化工、醫(yī)藥、能源、動(dòng)力、冶金等部門。傳熱在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用：1）化學(xué)反應(yīng)中的供熱、移熱；2）化工單元操作中的供熱、移熱；3）化工生產(chǎn)中熱能的綜合利用和余熱回收；4）隔熱與節(jié)能。二、傳熱過程的類型穩(wěn)態(tài)傳熱：各點(diǎn)溫度分布不隨時(shí)間而改變；

非穩(wěn)態(tài)傳熱：各點(diǎn)溫度隨位置和時(shí)間而變；

說明：連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱要求傳熱速率大要求傳熱速率小類型傳熱過程三、載熱體及其選擇

載熱體及其選擇

：加熱劑，冷卻劑任務(wù)一、

換熱流程與換熱設(shè)備的認(rèn)識(shí)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(shí)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、換熱流程圖4-2多段中間換熱式轉(zhuǎn)化器1-催化劑床層；2-內(nèi)部換熱器；3-外部換熱器（一）換熱器的分類1.按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、換熱設(shè)備2.按換熱器的作用原理分類名稱特點(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(gè)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。（1）間壁式換熱器（2）混合式換熱器干式逆流高位冷凝器（3）蓄熱式換熱器（4）中間載熱體式換熱器

熱管式換熱器

3.按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類（1）管式換熱器（2）板式換熱器（3）特殊型式換熱器（二）間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)型式

1.列管換熱器

U形管式換熱器填料函式換熱器1－活動(dòng)管板；2－填料壓蓋；3－填料；4－填料函；5－縱向隔板釜式換熱器2.套管換熱器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(shí)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。3.蛇管換熱器蛇管換熱器根據(jù)操作方式不同，分為沉浸式和噴淋式兩類。沉浸式蛇管的形式

噴淋式蛇管換熱器4.夾套換熱器主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。它由一個(gè)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(gè)整體，器壁就是換熱器的傳熱面。夾套內(nèi)通蒸氣時(shí)，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(shí)，應(yīng)從底部進(jìn)入，從上部流出。夾套換熱器（三）其他類型換熱器螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(dòng)，通過螺旋板進(jìn)行換熱。螺旋板式換熱器翅片式換熱器在換熱管的外表面或內(nèi)表面或同時(shí)裝有許多翅片，常用翅片有縱向和橫向兩類。平板式換熱器板式換熱器及常見板片的形狀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。內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見板片板翅式換熱器任務(wù)二

傳熱方式一---熱傳導(dǎo)熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。根據(jù)傳熱機(jī)理不同，熱量傳遞有3種基本方式。（二）對(duì)流傳熱（三）熱輻射（一）熱傳導(dǎo)任務(wù)二重點(diǎn)

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(dòng)將熱量從物體溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位的過程。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。傅里葉（JeanBaptisteJosephFourier，1768～1830））數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。最早使用定積分符號(hào)，改進(jìn)符號(hào)法則及根數(shù)判別方法。傅立葉級(jí)數(shù)（三角級(jí)數(shù)）創(chuàng)始人。1768年3月21日，生于法法國中部歐塞爾的一個(gè)裁縫家庭，8歲時(shí)淪為孤兒，就讀于地方軍校，1795年任巴黎綜合工科大學(xué)助教，傅里葉在1807年就寫成關(guān)于熱傳導(dǎo)的基本論文，推導(dǎo)出著名的熱傳導(dǎo)方程。由于對(duì)熱傳導(dǎo)理論的貢獻(xiàn)于1817年當(dāng)選為巴黎科學(xué)院院士，1822年成為科學(xué)院終身秘書。

熱傳導(dǎo)時(shí)在傳熱方向上熱量傳遞過程包括三個(gè)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。一、傅里葉定律二、導(dǎo)熱系數(shù)1.導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個(gè)物性參數(shù)，λ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。2.有關(guān)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常由實(shí)驗(yàn)測定。3.在工程計(jì)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λ的平均值或平均溫度下的λ值。

1.固體的導(dǎo)熱系數(shù)

2.液體的導(dǎo)熱系數(shù)

一般液體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，水和水溶液相對(duì)稍高，液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比水要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體更小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于保溫、絕熱。三、導(dǎo)熱速率的計(jì)算【例4-2】某爐壁由內(nèi)向外依次為耐火磚、保溫磚和普通建筑磚組成。耐火磚：λ1=1.4w/(m.k),δ1=220mm;保溫磚：λ2=0.15w/(m.k),δ2=120mm建筑轉(zhuǎn)：λ3=0.8w/(m.k),δ3=230mm。已測得爐壁內(nèi)外表面溫度為900℃和60℃.求單位面積的熱損失和各層間接觸面的溫度。

解：w/（m2）℃℃℃℃1）單層圓筒壁熱傳導(dǎo)傳熱多涉及圓筒壁中的導(dǎo)熱問題薄層的溫度變化為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

積分整理后，得該式為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式。

單層圓筒壁熱傳導(dǎo)2.圓筒壁的導(dǎo)熱速率2）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)對(duì)于層與層之間接觸良好的多層圓筒壁定常熱傳導(dǎo)，與多層平壁類似，也是串聯(lián)熱傳遞過程。對(duì)n層圓筒壁四、保溫1.保溫材料

對(duì)保溫材料的要求是導(dǎo)熱系數(shù)??；密度小、吸濕性小、機(jī)械強(qiáng)度大、膨脹系數(shù)小；化學(xué)穩(wěn)定性好；經(jīng)濟(jì)、耐用、施工方便。2.保溫結(jié)構(gòu)

保溫層主要由絕熱層及保護(hù)層組成。

保溫層結(jié)構(gòu)示意圖

伴熱管1-金屬絲網(wǎng)；2-保護(hù)層；3-金屬薄板；

1-絕熱層；薄鋁片；保護(hù)層；4-箍帶；5-鐵絲；6-絕熱層

4-間隙；5-主管道；6-蒸汽伴熱管3.保溫層厚度

保溫層越厚，熱損失就越小，但費(fèi)用也隨之增加。確定保溫層厚度時(shí)，應(yīng)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮。設(shè)備或管路的表面溫度℃50100150200250300允許熱損失（W/m2）5893116140163186設(shè)備或管路的表面溫度℃50100150200250300允許熱損失（W/m2）116163203244279308常年運(yùn)行設(shè)備或管路的允許熱損失季節(jié)運(yùn)行設(shè)備或管路的允許熱損失任務(wù)三、熱對(duì)流（對(duì)流傳熱）一、對(duì)流傳熱的分析熱對(duì)流與流體運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。二、對(duì)流傳熱基本方程—牛頓冷卻（Newton）定律對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)情況及流體的性質(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三、對(duì)流傳熱膜系數(shù)①對(duì)流的形成原因②流體的性質(zhì)③相變情況④流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)⑤傳熱壁面的形狀、位置及長短等1.影響對(duì)流傳熱膜系數(shù)的因素1）無相變傳熱對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式流體無相變傳熱時(shí)的對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為2.對(duì)流傳熱系數(shù)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu=；

雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=；

普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=；

格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gr=。ⅱ.高粘度液體ⅰ.低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度）或無相變流體在圓直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù):2)流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)在管徑較小和溫差不大的情況下，即Gr＜25000，Re＜2300,0.6＜Pr＜6700，RePrd/l＞10的情況下，當(dāng)Gr＞25000時(shí)，上式乘以校正系數(shù)f。3)流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)當(dāng)2300≤Re≤10000時(shí)，屬于過渡區(qū)，對(duì)流傳熱系數(shù)可以先按照湍流計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)φ，4）無相變流體在管外強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)或管子正方形排列[如圖4-]時(shí)：正三角形排列[如圖4-]時(shí)：

5）流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱低粘度流體：

，流體被冷卻時(shí)，應(yīng)用條件：1）

2)特性尺寸l=d內(nèi)

3）定性溫度當(dāng)流體被加熱時(shí)，圓形管內(nèi)過渡流時(shí)的對(duì)流給熱系數(shù)為：

高粘度流體：

若流體為氣體，則若流體被加熱，則若流體被冷卻，則<1>膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，形成液膜，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液籍重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之越小。<2>滴狀冷凝：凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾下。沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的5~10倍甚至更高。

(1)蒸汽冷凝的方式發(fā)生在蒸汽冷凝和壁面之間的傳熱稱為冷凝對(duì)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。四、液體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱（2）液體沸騰將液體加熱到操作條件下的飽和溫度時(shí)，整個(gè)液體內(nèi)部，都將會(huì)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(duì)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，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(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。任務(wù)四、傳熱方式三----熱輻射

熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)不停地向外界的其他物體輻射能量，同時(shí)，又不斷地吸收來自其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體與外界就必然產(chǎn)生熱量傳遞，這種傳熱方式稱為輻射傳熱。一、基本概念

理論上講，物體可同時(shí)發(fā)射從0～∞的各種電磁波。但是，在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，有實(shí)際意義的熱輻射波長位于0.38～1000之間，而且大部分集中在紅外線區(qū)段的0.76～20范圍內(nèi)。和可見光一樣，來自外界的輻射能投射到物體表面時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象。

圖4-23輻射能的吸收、反射和透射1．物體的吸收率，表示物體吸收輻射能的能力。

，表示落在物體表面上的輻射能全部被物體吸收，這種物體稱為絕對(duì)黑體或簡稱黑體。如純黑的煤和黑絲絨接近于黑體，其吸收率最高可達(dá)97%；再如油煙、霜等。值得注意的是，黑體并非黑色物體。2．物體的反射率，表示落在物體表面上的輻射能全部被反射出去，此時(shí)，若正常反射（即入射角等于反射角），該物體稱為鏡體；若反射的情況是漫反射，該物體稱為絕對(duì)白體或簡稱白體。如磨光的銅表面接近于鏡體，其反射率可達(dá)97%

。3．物體的透射率

，表示落在物體表面上的輻射能全部穿透物體，這種物體稱為絕對(duì)透熱體或簡稱透熱體。單原子和對(duì)稱的雙原子氣體，可視為透熱體。其透射率為D=1。二、基本定律1．斯蒂芬—玻爾茲曼定律斯蒂芬—玻爾茲曼定律表達(dá)了黑體的輻射能力與其表面絕對(duì)溫度的四次方成正比，即式中：

——黑體的輻射能力，W/m2；——黑體的輻射系數(shù)，W/（m2·K）；——黑體表面的絕對(duì)溫度，K。由斯蒂芬—玻爾茲曼定律可得實(shí)際物體（灰體）的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系

2．克?；舴蚨煽讼；舴蚨山沂玖嘶殷w輻射能力與其吸收率之間的關(guān)系：一切灰體的輻射能力與其吸收率之間的比值均相等，且等于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射能力，即

三、兩固體間的輻射傳熱

工業(yè)上常遇到兩物體間的相互輻射，可以近似地按灰體處理。在兩灰體間的相互輻射中，其最終結(jié)果總是輻射能由溫度高的物體傳向溫度低的物體，其過程是一個(gè)反復(fù)輻射、反復(fù)吸收的過程。兩固體間輻射傳熱計(jì)算式：

物體在放熱時(shí)，熱能變?yōu)檩椛淠?，以電磁波的形式發(fā)射而在空間傳播，當(dāng)遇到另一物體，則部分地或全部地被吸收，重新又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽蚨椛洳粌H是能量的轉(zhuǎn)移，而且伴有能量形式的轉(zhuǎn)化，這是熱輻射區(qū)別于熱傳導(dǎo)和對(duì)流的特點(diǎn)之一。此外，輻射能可以在真空中傳播，不需要任何物質(zhì)做媒介。物體(固體、液體和某些氣體)雖能以輻射的方式傳遞熱量，但是，只有在高溫下輻射才能成為主要的傳熱方式。任務(wù)五、傳熱過程的計(jì)算一、傳熱基本方程二、傳熱速率1.熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系傳熱速率是換熱器單位時(shí)間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力；主要由換熱器自身的性能決定。

熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)。

為保證換熱器完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱速率應(yīng)大于至少等于其熱負(fù)荷。2.熱負(fù)荷的確定1）能量衡算Qh＝Qc

+Q12）熱負(fù)荷的確定對(duì)于間壁式換熱器，

當(dāng)換熱器保溫性能良好，熱損失可以忽略不計(jì)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，及Q＝Qh＝Qc3）傳熱量的計(jì)算(1)焓差法(2)顯熱法(3)潛熱法三、平均傳熱溫度差的計(jì)算在傳熱基本方程中，

為換熱器的傳熱溫度差，代表整個(gè)換熱器的傳熱推動(dòng)力。但大多數(shù)情況下，換熱器在傳熱過程中各傳熱截面的傳熱溫度差是不相同的，各截面溫差的平均值就是整個(gè)換熱器的傳熱推動(dòng)力，此平均值稱為平均溫度差（或稱傳熱平均推動(dòng)力）。1.恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差：Δtm＝T－t2.變溫傳熱時(shí)的平均溫度差(1)一側(cè)流體變溫傳熱(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(dòng)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(duì)流動(dòng)方向有關(guān)。(3)并、逆流時(shí)的傳熱平均溫差若兩流體的流動(dòng)方向相反，稱為逆流；若兩流體的流動(dòng)方向相同，稱為并流；(4)錯(cuò)、折流時(shí)的傳熱平均溫差ψ稱為溫差修正系數(shù)，表示為P和R兩參數(shù)的函數(shù)式中錯(cuò)流或折流時(shí)的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據(jù)流動(dòng)型式加以修正溫差修正系數(shù)ψ＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，換熱器設(shè)計(jì)時(shí)ψ值不應(yīng)小于0.8，否則不經(jīng)濟(jì)。增大ψ的一個(gè)方法就是改用多殼程。

四、總傳熱系數(shù)1．現(xiàn)場測定對(duì)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。（1）現(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)；（2）根據(jù)測定數(shù)據(jù)求得傳熱速率、傳熱溫度差和傳熱面積A；（3）由傳熱基本方程計(jì)算K值。2．取經(jīng)驗(yàn)值熱流體冷流體傳熱系數(shù)K/〔W/m2·K〕熱流體冷流體傳熱系數(shù)K/〔W/m2·K〕水水850～1700水蒸氣冷凝水沸騰2000～4250清油水340～910水蒸氣冷凝輕油沸騰455～1020重油水60～280水蒸氣冷凝重油沸騰140～425氣體水17～280低沸點(diǎn)烴類蒸氣冷凝（常壓）水455～1140水蒸氣冷凝水1420～4250高沸點(diǎn)烴類蒸氣冷凝（常壓）水60～170水蒸氣冷凝氣體30～300表4-15列管換熱器中K值的大致范圍3．

公式計(jì)算（1）計(jì)算公式

間壁式換熱器中，熱、冷流體通過間壁的傳熱由熱流體的對(duì)流傳熱、固體壁面的導(dǎo)熱及冷流體的對(duì)流傳熱三步串聯(lián)過程。對(duì)于穩(wěn)定傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)傳熱速率相等，過程的總熱阻等于各分熱阻之和，可聯(lián)立傳熱基本方程、對(duì)流傳熱速率方程及導(dǎo)熱速率方程得出，

上式即為計(jì)算傳熱系數(shù)K值的基本公式。計(jì)算時(shí)，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(duì)應(yīng)。若

，則有即

同理，若，則有

若

，則有在傳熱計(jì)算中，選擇何種面積作為計(jì)算基準(zhǔn)，結(jié)果完全相同。但工程上，大多以外表面積作為基準(zhǔn)，除了特別說明外，手冊(cè)中的值K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(jì)算式為（2）污垢熱阻的影響換熱器在實(shí)際操作中，傳熱壁面常有污垢形成，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，該熱阻稱為污垢熱阻。通常污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多，因而在傳熱計(jì)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。一些常見流體的污垢熱阻

的經(jīng)驗(yàn)值。流體Rs/〔（m2·K）/kW〕流體Rs/〔（m2·K）/kW〕水（＞50℃）蒸餾水海水清凈的河水未處理的涼水塔用水已處理的涼水塔用水已處理的鍋爐用水硬水、井水氣體空氣溶劑蒸氣0.090.090.210.580.260.260.580.26～0.530.172水蒸氣優(yōu)質(zhì)不含油劣質(zhì)不含油液體鹽水有機(jī)物熔鹽植物油燃料油重油焦油0.0520.090.1720.1720.0860.520.172～0.520.861.72表4-16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

、

，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，則有

相等或近似相等，則上式可簡化為：當(dāng)使用金屬薄壁管時(shí)，管壁熱阻可略；若為清潔流體，污垢熱阻也可忽略，則上式表明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻之和。若傳熱壁面為平壁或薄管壁時(shí)，

、、五、強(qiáng)化與削弱傳熱（一）強(qiáng)化傳熱的途徑所謂強(qiáng)化傳熱過程，就是指提高冷、熱流體間的傳熱速率。從傳熱速率方程

不難看出，增大總傳熱系數(shù)

、傳熱面積

和平均溫度差

都可提高傳熱速率

。在換熱器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作中，或換熱器的改進(jìn)中，大多從以下三方面來考慮強(qiáng)化傳熱過程。1．增大傳熱面積A2．提高傳熱推動(dòng)力

3．提高傳熱系數(shù)K

（二）削弱傳熱任務(wù)六換熱方案的分析與評(píng)價(jià)換熱方案的分析與評(píng)價(jià)問題的實(shí)質(zhì)是換熱方案的選取和評(píng)價(jià)問題，也就是換熱器的選取和評(píng)價(jià)問題。選用換熱方案時(shí)總是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，選定一些參數(shù)，通過試算初選換熱器的類型和型號(hào)以及換熱器的大致尺寸，然后再進(jìn)一步校核計(jì)算，直到符合工藝要求。然后參考國家系列化標(biāo)準(zhǔn)，盡可能選用已有的定型產(chǎn)品。一、傳熱過程的類型

強(qiáng)化傳熱削弱傳熱各種換熱設(shè)備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好設(shè)備和管道的保溫，要求傳熱速率慢，以減少熱量（或冷量）的損失二、熱載體及其選擇

熱流體冷卻劑加熱劑冷流體兩流體溫度高低換熱的目的三、工業(yè)換熱方法1.間壁式換熱2.直接接觸式換熱3.蓄熱式換熱器四、傳熱速率與熱阻（1）熱流量：位時(shí)間內(nèi)通過全部傳熱面積傳遞的熱量，以Q表示。傳熱面積與流量方向垂直，類似于與流體流動(dòng)方向垂直的橫截面積。（2）熱通量（或熱流密度）單位時(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，以q表示.傳熱面上不同局部面積的熱通量可以不相同。（一）分析

（1）不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程，因管內(nèi)清洗方便；（2）腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕；（3）壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體承受壓力；（4）飽和蒸氣宜走殼程，因飽和蒸汽比較清凈，對(duì)流傳熱系數(shù)與流速無關(guān)而且冷凝液容易排出；（5）被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱；（6）若兩流體溫差較大，對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大流體通入殼程，可減少熱應(yīng)力；（7）流量小而粘度大的流體一般以走殼程為宜，因在殼程Re＞100即可達(dá)到湍流。(8)有毒害流體走管程，以減少泄漏量（9）有相變得流體走殼程五、換熱方案的分析與評(píng)價(jià)．冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇2．流體進(jìn)出口溫度的確定如果換熱器以冷卻為目的，熱流體的進(jìn)出口溫度已由工藝條件確定，而冷卻介質(zhì)的出口溫度需要選擇。3．換熱器內(nèi)管規(guī)格和排列的選擇換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體，管徑可取得小些。但對(duì)于不潔凈及易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞。管子的排列方式有直列和錯(cuò)列兩種，而錯(cuò)列又有正三角形和正方形兩種4．管、殼程流體流速的選擇增加流速不但可加大對(duì)流傳熱系數(shù)而且能降低污垢熱阻從而使總傳熱系數(shù)加大。但增加流速后，流體流動(dòng)阻力增大，動(dòng)力消耗增多，此外還要從結(jié)構(gòu)上考慮對(duì)傳熱的影響。5．列管類型的選擇熱、冷流體的溫差在50℃以內(nèi)時(shí)，不需要熱補(bǔ)償，可選用結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉且易清洗的固定管板式換熱器。當(dāng)熱、冷流體的溫差在50℃以上時(shí)，需要熱補(bǔ)償，在溫度差系數(shù)φΔt小于0.8的前提下，若管程流體為潔凈時(shí)，宜選用價(jià)格相對(duì)便宜的U型管式換熱器，反之，選用浮頭式換熱器。6．管程與殼程數(shù)的確定管程數(shù)N按下式計(jì)算

式中u——管程內(nèi)流體的適宜流速，m/s；

u'——管程內(nèi)流體的實(shí)際流速，m/s。當(dāng)溫度差校正系數(shù)低于0.8時(shí)應(yīng)采用多程，即將兩個(gè)單程換熱器串聯(lián)。7．折流擋板的選擇安裝折流擋板的目的是為了提高管外對(duì)流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。由圖可以看出，弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生“死區(qū)”，既不利于傳熱又往往增加流體流動(dòng)阻力（a）切除過少（b）切除適當(dāng)（c）切除過多8．殼徑的確定殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。可按計(jì)算的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法用作圖法確定內(nèi)徑。此外，在初步設(shè)計(jì)中可按下式計(jì)算。式中

——管中心距，m；——橫過管束中心線的管數(shù)；——管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般

，m。管子按正三角形排列：管子按正方形排列：9．主要附件10．材料的選用封頭、緩沖擋板、導(dǎo)流筒、放氣孔、排液孔、接管列管式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度以及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降，同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少有的。

11．流體流動(dòng)阻力的計(jì)算（1）管程流動(dòng)阻力的計(jì)算、管程阻力包括各程的直管阻力、回彎阻力以及換熱器進(jìn)、出口阻力等。式中

（2）殼程阻力的計(jì)算

（二）計(jì)算與選用1．計(jì)算傳熱量和對(duì)數(shù)平均溫度差推動(dòng)力（1）由已知Wh、T1、T2按Q=Whcph（T1－T2）計(jì)算傳熱量Q。（2）按總費(fèi)用最低的原則，選則冷卻介質(zhì)出口溫度t2。（3）按冷、熱流體為純逆流計(jì)算Δtm逆。（4）初步選擇換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)方式，由熱、冷流體進(jìn)、出口溫度計(jì)算流體流動(dòng)方向上的溫度校正系數(shù)，應(yīng)大于0.8，否則改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。（5）按

計(jì)算此時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫度差推動(dòng)力。2．初選換熱器的尺寸規(guī)格及型號(hào)（1）選定換熱器型式；（2）確定冷、熱流體的流動(dòng)通道；（3）選擇冷、熱流體的合適流速；（4）根據(jù)流速，確定管、殼程數(shù)和折流擋板間距；（5）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或表4-15估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，按Q=KAΔtm計(jì)算傳熱面積A估。（6）根據(jù)A估的數(shù)值參照系列標(biāo)準(zhǔn)選定換熱管直徑、長度、排列，進(jìn)而選擇適當(dāng)?shù)膿Q熱器型號(hào)。3．計(jì)算管程的壓降和對(duì)流傳熱系數(shù)（1）管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得（2）比較Δpi與允許壓降Δpi允，若Δpi＞Δpi允，必須調(diào)整管程數(shù)目，重新計(jì)算至Δpi＜Δpi允。（3）計(jì)算管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)a1。（4）比較α1與K估，若α1＜K估，則應(yīng)改變管程數(shù)重新計(jì)算。若改變管程數(shù)不能同時(shí)滿足Δpi＜Δpi允、α1＞K估的要求，則應(yīng)重新估計(jì)K估值，另選一換熱器型號(hào)進(jìn)行試算，直至滿足要求。4．計(jì)算殼程壓降和對(duì)流傳熱系數(shù)（1）殼程流動(dòng)阻力（2）比較Δp0與Δp0允，若Δp0＞Δp0允，可增大擋板間距。（3）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)α2，如α2太小則可減小擋板間距。5．計(jì)算總傳熱系數(shù)、校核傳熱面積（1）根據(jù)流體的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙鑂S，由RS和對(duì)流傳熱系數(shù)α1、α2，根據(jù)式（4-39）計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)。（2）由傳熱速率基本方程式（4-26）計(jì)算所需傳熱面積A計(jì)。（3）比較S計(jì)與實(shí)際換熱器所具有的傳熱面積A實(shí)，若A計(jì)＜A實(shí)，原則上上述的選用及計(jì)算均可行，否則需重新估計(jì)一個(gè)K估。考慮到計(jì)算及選用的準(zhǔn)確性和其它未預(yù)料到因素，一般應(yīng)使換熱器的傳熱面積比需要的傳熱面積A計(jì)大10%~25%。（三）確定例題所選換熱器1．試算和初選換熱器的規(guī)格

當(dāng)不計(jì)熱損失時(shí)，換熱器的熱負(fù)荷為

柴油的出口溫度為

℃

逆流平均溫度差為℃初估

值

初步?jīng)Q定采用單殼程，偶數(shù)管程的浮頭式換熱器。由圖4-27查得：

。所以

℃

初步?jīng)Q定采用單殼程，偶數(shù)管程的浮頭式換熱器。由圖4-27查得：

。所以

℃參照表4-15，初步估計(jì)傳熱系數(shù)=250W/（m2·℃）m2由于兩流體溫差較大，同時(shí)為了便于清洗，參照有關(guān)手冊(cè)中的換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中，初步選定BES-600-1.6-90-6/25-4Ⅰ型浮頭式換熱器，有關(guān)參數(shù)如下：外殼直徑/mm公稱面積/m2公稱壓強(qiáng)/MPa管子尺寸/mm管長/m600901.625×2.56管程數(shù)NP管數(shù)NT管子排列方法管中心距/mm計(jì)算換熱面積/m24188正方形斜轉(zhuǎn)45°3286.92．計(jì)算管、殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)和壓降（1）管程

為充分利用熱量，選擇柴油走換熱器的管程，原油走殼程。管程流通面積

m2

管內(nèi)柴油流速

m/s

管程柴油被冷卻，故由式（4-11）得取管壁粗糙度為

mm，

，查圖2-33可得摩擦系數(shù)，由式（4-48），管程壓降為（2）殼程

選用缺口高度為25%的弓形擋板，取折流板間距

為300mm，故折流板數(shù)目為

殼程流道面積

殼程中原油流速正方形排列的當(dāng)量直徑為殼程中原油被加熱，取。所以按式（4-16a）

殼程壓降3．計(jì)算傳熱面積

傳熱系數(shù)取

m2·℃/W，

m2·℃/W，忽略管壁熱阻，則

因?yàn)?/p>

，，原因在于殼程傳熱系數(shù)過低。調(diào)整折流擋板間距為200mm，重新計(jì)算可得W/（m2·℃），

W/（m2·℃），m2，與原估值相符。六、列管式換熱器的型號(hào)與規(guī)格1．基本參數(shù)①公稱換熱面積SN；②公稱直徑DN；③公稱壓力pN；④換熱管規(guī)格；⑤換熱管長度L；⑥管子數(shù)量n；⑦管程數(shù)Np；2．型號(hào)表示方法列管換熱器的型號(hào)由五部分組成。

—

—123451——換熱器代號(hào)；2——公稱直徑DN，mm；3——管程數(shù)Np，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ