第二章傳熱操作技術

知識目標了解各類型換熱器的結構、特點及應用；

理解傳熱的基本方式、機理、特點及影響因素；掌握間壁式換熱器的傳熱計算。能力目標能操作換熱器；

能進行列管式換熱器的選型計算。第二章傳熱操作技術第三節(jié)列管式換熱器的計算與選型第一節(jié)換熱器的分類及結構型式第二節(jié)換熱器基礎知識第四節(jié)換熱器的操作第一節(jié)換熱器的分類及結構型式由于物料的性質和傳熱的要求各不相同，因此，換熱器種類繁多，結構形式多樣。換熱器可按多種方式進行分類。換熱器的分類名稱應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。預熱器用于流體的預熱，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液化換熱器按用途分類1.間壁式換熱器換熱器按作用原理分類2.混合式換熱器干式逆流高位冷凝器換熱器按作用原理分類3.蓄熱式換熱器換熱器按作用原理分類4.中間載熱體式換熱器換熱器按作用原理分類（1）管式換熱器列管式換熱器套管式換熱器蛇管式換熱器翅片管式換熱器固定管板式換熱器U形管式換熱器浮頭式換熱器填料函式換熱器釜式換熱器換熱器按換熱面形狀和結構分類1－活動管板；2－填料壓蓋；3－填料；4－填料函；5－縱向隔板填料函式換熱器釜式換熱器套管換熱器沉浸式蛇管沉浸式蛇管噴淋式蛇管換熱器翅片換熱器平板式換熱器螺旋板式換熱器板翅式換熱器換熱器按換熱面形狀和結構分類（2）板式換熱器板式換熱器內部結構常見板片螺旋板式換熱器（3）特殊型式換熱器回轉式換熱器熱管換熱器同流式換熱器換熱器按換熱面形狀和結構分類第二章傳熱操作技術第三節(jié)列管式換熱器的計算與選型第一節(jié)換熱器的分類及結構型式第二節(jié)換熱器基礎知識第四節(jié)換熱器的操作第一節(jié)換熱器的分類及結構型式熱量傳遞熱量傳遞總是自高溫處至低溫處化工生產中，傳熱過程通過換熱器實現(xiàn)，間壁式換熱器應用最廣冷熱兩種流體經過間壁傳熱的過程包括三個步驟間壁式換熱器內熱量傳遞有兩種基本方式：熱傳導、對流傳熱熱傳導機理借助物質的分子、原子或自由電子的運動將熱量從物體溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位熱傳導可發(fā)生在物體內部或直接接觸的物體之間。熱傳導過程中，沒有物質的宏觀位移。熱傳導不僅發(fā)生在固體中，也是流體內的一種傳熱方式。傅立葉定律是導熱的基本定律，表達式為式中Q——導熱速率，J/s或W；λ——導熱系數(shù)，W/（m·K）；

A——垂直于導熱方向的導熱面積，m2；

dt/dx——溫度梯度，是導熱方向上溫度的變化率。傅立葉定律由于導熱方向為溫度下降的方向，故右端加一負號。物質的導熱系數(shù)通常由實驗測定。導熱系數(shù)導熱系數(shù)是表征物質導熱性能的一個物性參數(shù)，λ越大，導熱性能越好。導熱性能與物質的組成、結構、密度、溫度及壓力等有關。設圓筒壁的內、外半徑分別為r1和r2，長度為l，圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變。若圓筒壁內、外表面溫度分別為tw1和tw2，且tw1＞tw2。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量，等于2πrl；同時通過該薄層的溫度變化為dt傅立葉定律的工業(yè)應用圓筒壁中的導熱問題分離變量積分并整理得單層圓筒壁的導熱速率公式:圓筒壁中的導熱問題根據(jù)傅立葉定律通過該薄層的導熱速率可表示為則圓筒壁的導熱熱阻R為導熱速率可表示為傳熱推動力與傳熱阻力之比:圓筒壁中的導熱問題整理可得式中δ——圓筒壁的厚度，m；

R——單層圓筒壁導熱熱阻，K/W。令圓筒壁平均面積圓筒壁中的導熱問題圓筒壁的對數(shù)平均半徑對流對流，又稱給熱，指利用流體質點在傳熱方向上的相對運動來實現(xiàn)熱量傳遞的過程。強制對流：相對運動由外力作用引起自然對流：相對運動由流體內部密度差異引起流體在發(fā)生強制對流時，往往伴隨著自然對流，但一般強制對流的強度比自然對流的強度大得多。對流傳熱的分析對流傳熱熱阻主要集中在層流內層中，因此，減薄層流內層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。對流傳熱的分析湍流主體:流體質點湍動劇烈，傳熱溫度差極小，各處的溫度基本相同，傳熱方式主要為對流，其熱阻很小，傳熱速度極快。層流底層:在傳熱方向上沒有質點位移，傳熱方式主要為熱傳導，傳熱溫度差大，熱阻大。過渡層：傳熱方式既有對流又有熱傳導，有一定的溫度差及熱阻牛頓冷卻定律式中Q——對流傳熱速率，W；——對流傳熱膜系數(shù)，W／(m2·K);A——對流傳熱面積，m2；t——流體與壁面間溫度差的平均值，K;R——對流傳熱熱阻，K/W；對流傳熱基本方程對流傳熱膜系數(shù)的大小反映了對流傳熱的強弱，取值越大，說明對流強度越大，對流傳熱熱阻越小。

對流傳熱膜系數(shù)(1)對流的形成原因影響對流傳熱膜系數(shù)的因素(2)流體的性質(3)相變情況(4)流體的運動狀態(tài)(5)傳熱壁面的形狀、位置及長短等流體無相變傳熱時的對流傳熱膜系數(shù)的關聯(lián)式為

無相變時流體傳熱膜系數(shù)關聯(lián)式①應用范圍②特征尺寸③定性溫度使用關聯(lián)式時應注意以下幾個方面:（1）低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度）或式中n的取值方法是：當流體被加熱時，n＝0.4；當流體被冷卻時，n＝0.3。無相變流體在圓直管內作強制湍流時的關聯(lián)式取流體進、出口溫度的算術平均值。無相變低粘度流體在圓直管內作強制湍流時的關聯(lián)式應用范圍：Re>10000，0.7＜Pr＜120；管長與管徑之比l/di≥60特征尺寸：取管內徑di。定性溫度：（2）高粘度流體應用范圍、特征尺寸及定性溫度與低粘度流體關聯(lián)式相同無相變流體在圓直管內作強制湍流時的關聯(lián)式為粘度校正系數(shù)，加熱時，＝1.05；冷卻時，＝0.95。發(fā)生在飽和蒸汽和低溫壁面之間的傳熱

膜狀冷凝:冷凝液能夠潤濕壁面，在壁面上形成一層液膜；1.蒸汽的冷凝有相變時流體的對流傳熱

滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，在壁面上形成許多小液滴。膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，冷凝液膜是膜狀冷凝的主要熱阻工程上要保持滴狀冷凝很困難。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經過一段時間后，由于液珠的聚集，大部分都要變成膜狀冷凝。為保持滴狀冷凝，可采用各種不同的壁面涂層和蒸汽添加劑。在進行冷凝計算時，為安全起見一般按膜狀冷凝來處理。膜狀冷凝和滴狀冷凝的比較滴狀冷凝壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，對流傳熱膜系數(shù)很大發(fā)生在沸騰液體與固體壁面之間的傳熱稱為沸騰傳熱。管內沸騰：液體在管內流動時受熱沸騰。2.液體的沸騰有相變時流體的對流傳熱池內沸騰：將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰；第二章傳熱操作技術第三節(jié)列管式換熱器的計算與選型第一節(jié)換熱器的分類及結構型式第二節(jié)換熱器基礎知識第四節(jié)換熱器的操作第一節(jié)換熱器的分類及結構型式式中Q——傳熱速率，W；

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A——傳熱面積，m2；

Δtm——傳熱平均溫度差，K；

R——換熱器的總熱阻，K/W；傳熱基本方程傳熱速率是換熱器的生產能力，由自身性能決定；熱負荷與傳熱速率的關系：換熱器的傳熱速率須大于至少等于其熱負荷.換熱器在單位時間內冷、熱流體所交換的熱量換熱器的熱負荷換熱器的熱負荷：熱負荷是生產上的要求，由生產任務決定；Qh＝Qc＋QL式中Qh——熱流體放出的熱量，W；Qc——冷流體吸收的熱量，W；

QL——熱損失，W。2.熱負荷的確定若熱損失可以忽略不計，則式中Q'——換熱器的熱負荷，W。熱負荷的計算1.熱量衡算Q'=Qh＝Qc3.傳熱量計算（1）焓差法Qh＝Wh（H1－H2）或

Qc＝Wc（h2－h(huán)1）熱負荷的計算式中Wh、Wc——熱、冷流體的質量流量，kg/s；

H1、H2——熱流體的進、出口焓，J/kg；

h2、h1——冷流體的進、出口焓，J/kg。（2）顯熱法若流體在換熱過程中沒有相變化，則

Qh＝Whcph（T1－T2）

或

Qc＝Wccpc（t2－t1）傳熱量計算式中

cph、cpc——熱、冷流體的定壓比熱容，J/(kg·K)；T1、T2——熱流體的進、出口溫度，K；t2、t1——冷流體的進、出口溫度，K。（3）潛熱法若流體在換熱過程中僅僅發(fā)生恒溫相變，則

Qh＝Whrh

或

Qc＝Wcrc傳熱量計算式中

rh、rc——熱、冷流體的汽化潛熱，J/kg。

兩流體均只發(fā)生恒溫相變的傳熱過程各傳熱截面?zhèn)鳠釡囟炔钔耆嗤伊黧w流動方向對其無影響傳熱溫度差計算：（一）恒溫傳熱過程的平均傳熱溫度差傳熱平均溫差恒溫傳熱：特點：Δtm＝T－t

間壁一側或兩側流體溫度沿換熱器管長變化的傳熱過程對于兩側流體的溫度均發(fā)生變化的傳熱過程，傳熱平均溫度差的大小還與兩流體間的相對流動方向有關。（二）變溫傳熱時的平均溫度差傳熱平均溫差變溫傳熱：復雜折流間壁兩側流體相對運動方式并流：兩流體在換熱器內的流動方向相同；逆流：兩流體在換熱器內的流動方向相反；錯流：兩流體在換熱器內的流動方向垂直交叉；折流：簡單折流一側恒溫、一側變溫傳熱，各傳熱截面的傳熱溫度差不同，傳熱溫度差大小與流向無關。一側流體變溫傳熱特點：冷、熱流體的溫度均沿著傳熱面發(fā)生變化，其傳熱溫度差也是變化的，并且平均溫度差的大小與兩流體間的相對流動方向有關。兩側流體變溫傳熱特點：（1）一側變溫及兩側變溫并、逆流時Δtm式中Δtm——對數(shù)平均溫度差，K；

Δt1、Δt2——換熱器兩端冷熱兩流體的溫差，K。變溫傳熱平均溫度差計算一般取換熱器兩端Δt中數(shù)值較大者為Δt1（2）兩側變溫錯流和折流時Δtm先按逆流計算對數(shù)平均溫度差Δtm逆，再乘以校正系數(shù)，即變溫傳熱平均溫度差計算式中為溫度差校正系數(shù)，其大小與流體的溫度變化有關，一般不宜小于0.8。Δtm＝Δtm逆可表示為兩參數(shù)P和R的函數(shù)：，具體取值根據(jù)P和R兩參數(shù)的值由圖查取。溫度差校正系數(shù)折流過程溫度差校正系數(shù)圖錯流過程溫度差校正系數(shù)圖對于兩側變溫傳熱，若熱、冷流體的進出口溫度相同，則：不同流向傳熱溫度差的比較Δtm逆＞Δtm錯，折＞Δtm并（1）熱敏性物料的加熱并流適用場合（2）高粘度物料的加熱（3）高溫換熱器為避免一側壁溫過高，采用并流為使換熱器結構緊湊合理，實際中多采用錯流和折流錯、折流特點（一）總傳熱系數(shù)的計算1.基本公式式中Ao、Ai、Am——傳熱壁的外表面積、內表面積、平均表面積，m2；αi、αo——間壁兩側流體的對流傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)；λ——固體間壁的導熱系數(shù)，W/(m·K)；δ——固體間壁的厚度，m?？倐鳠嵯禂?shù)若A取Ao，則有若A取Ai，則有若A取Am，則有式中Ki、Ko、Km——基于Ao、Ai、Am的傳熱系數(shù)，W／(m2·K)?？倐鳠嵯禂?shù)基本公式討論污垢熱阻：影響因素主要有流體性質、傳熱壁面材料、操作條件、清洗周期等通常污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多，計算中應加以考慮污垢熱阻通常選用經驗值污垢熱阻的影響換熱器傳熱壁面形成的污垢對傳熱產生的附加熱阻常見流體的污垢熱阻式中RSi、RSo——管內、外壁面的污垢熱阻，(m2·K)/W。含有污垢熱阻的總傳熱系數(shù)公式若傳熱壁面為平壁或薄管壁，則Ao、Ai、Am相等或近似相等，則總傳熱系數(shù)公式的簡化現(xiàn)場測定有關數(shù)據(jù)(如設備的尺寸、流體的流量和進出口溫度等)；根據(jù)測定數(shù)據(jù)求得傳熱速率Q、傳熱溫度差Δtm和傳熱面積A；由傳熱基本方程計算K值?？倐鳠嵯禂?shù)的現(xiàn)場測定具體方法：實測K值，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?？倐鳠嵯禂?shù)的經驗值（一）列管式換熱器選型時應考慮的問題

1．流動空間的選擇2．流速的選擇3．加熱劑(或冷卻劑)進、出口溫度的確定方法4．列管類型的選擇5．單程與多程6．管子規(guī)格7．流體通過換熱器的流動阻力(壓力降)的計算列管式換熱器的選型（二）列管式換熱器選型的步驟1．根據(jù)換熱任務，確定兩流體的流量，進出口溫度，操作壓力，物性數(shù)據(jù)等。2．確定換熱器的結構形式，確定流體在換熱器內的流動空間。3．計算熱負荷，計算平均溫度差，選取總傳熱系數(shù)，并根據(jù)傳熱基本方程初步算出傳熱面積，以此作為選擇換熱器型號的依據(jù)，并確定初選換熱器的實際換熱面積S實，以及在S實下所需的傳熱系數(shù)K需。4．壓力降校核5．核算總傳熱系數(shù)6．計算傳熱面積S需，再與換熱器的實際換熱面積S實比較，若S實/S需在1.1～1.25之間（也可以用K計/K需），則認為合理，否則需另選K選，重復上述計算步驟，直至符合要求。列管式換熱器的選型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。列管式換熱器的型號與規(guī)格1．基本參數(shù)1——換熱器代號；2——公稱直徑DN，mm；3——管程數(shù)Np，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ；4——公稱壓力pN，MPa；5——公稱換熱面積SN，m2。列管式換熱器的型號與規(guī)格2．型號表示方法列管換熱器的型號由五部分組成，形如：

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—12345第二章傳熱操作技術第三節(jié)列管式換熱器的計算與選型第一節(jié)換熱器的分類及結構型式第二節(jié)換熱器基礎知識第四節(jié)換熱器的操作第一節(jié)換熱器的分類及結構型式從傳熱速率基本方程Q＝KAΔtm可以看出，傳熱速率與傳熱面積A、傳熱溫度差Δtm以及傳熱系數(shù)K有關。因此，改變這些因素，均對傳熱速率有影響。傳熱速率影響因素分析傳熱面積增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱速率增大傳熱面積會使設備的體積增大，金屬耗用量增加應改進設備結構，增加單位體積的傳熱面積傳熱溫度差增大傳熱平均溫度差，可以提高換熱器的傳熱速率。傳熱平均溫度差的大小取決于兩流體的溫度大小及流動形式。物料的溫度不能隨意變動，加熱劑或冷卻劑的溫度可以改變。例如：用飽和水蒸汽作為加熱劑時，增加蒸汽壓力可以提高其溫度；在水冷器中增大冷卻水流量或以冷凍鹽水代替普通冷卻水，可以降低冷卻劑的溫度，等等。但需要注意的是，改變加熱劑或冷卻劑的溫度，必須考慮到技術上的可行性和經濟上的合理性。另外，采用逆流操作或增加殼程敷，均可得到較大的平均傳熱溫度差不同情況下，各項分熱阻所占比例不同，故應具體問題具體分析，設法減小占比例較大的分熱阻。傳熱系數(shù)增大傳熱系數(shù)，可以提高換熱器的傳熱速率。增大傳熱系數(shù)，實際上就是降低換熱器的總熱阻?？偀嶙璧扔趯α鱾鳠釤嶙琛⑽酃笩嶙杓肮鼙趯釤嶙柚?。要降低總熱阻，必須減小各項分熱阻。金屬換熱器管壁面較薄且導熱系數(shù)高，不會成為