《化工原理》課件第五章

化工原理第五章

傳熱

第一節(jié)

概述二、傳熱的基本方式熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總是由高溫處自動(dòng)地向低溫處移動(dòng)。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以，傳熱過程的推動(dòng)力是溫度差。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。第一節(jié)

概述

1．熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱。物體中溫度較高部分的分子因振動(dòng)而與相鄰分子相碰撞，將熱能傳給溫度較低部分的傳熱方式。在熱傳導(dǎo)中，物體中的分子不發(fā)生相對位移。如果把一根鐵棒的一端放在火中加熱，另一端會(huì)逐漸變熱，這就是熱傳導(dǎo)的緣故。固體、液體和氣體都能以這種方式傳熱。2．熱對流熱對流是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。熱對流可分為自然對流和強(qiáng)制對流。強(qiáng)制對流傳熱狀況比自然對流好。熱對流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。

第一節(jié)

概述3．熱輻射熱輻射是以電磁波的形式發(fā)射的一種輻射能，當(dāng)此輻射能遇到另一物體時(shí)，可被其全部或部分的吸收而變?yōu)闊崮堋Ｒ虼溯椛鋫鳠?，不僅是能量的傳遞，還同時(shí)伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。另外，輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，它可以在真空中傳播。這是輻射傳熱與熱傳導(dǎo)及對流傳熱的根本區(qū)別。實(shí)際上，以上三種傳熱方式很少單獨(dú)存在，一般都是兩種或三種方式同時(shí)出現(xiàn)。在一般換熱器內(nèi)，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計(jì)，只需考慮熱傳導(dǎo)和對流兩種傳熱方式。本章將重點(diǎn)討論后面兩種傳熱方式。第一節(jié)

概述三、工業(yè)生產(chǎn)上的換熱方法

參與傳熱的流體稱為載熱體。在傳熱過程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體或加熱劑；溫度較低而得到熱能的載熱體稱為冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑。冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱交換的方式有以下三種：

第一節(jié)

概述

1．直接接觸式換熱直接接觸式換熱的特點(diǎn)是冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖5-1所示。在混合過程中進(jìn)行傳熱，故也稱為混合式換熱?；旌鲜綋Q熱器適用于用水來冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場合。第一節(jié)

概述2．蓄熱式換熱蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)裝有耐火磚等固體填充物，如圖5-2所示。操作時(shí)冷、熱流體交替的流過蓄熱室，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。由于這類換熱設(shè)備的操作是間歇交替進(jìn)行的，并且難免在交替時(shí)發(fā)生兩股流體的混合，所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用的不太多。第一節(jié)

概述3．間壁式換熱這是生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式。間壁式換熱器的特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體壁面隔開，分別在壁面的兩側(cè)流動(dòng)，不相混合。傳熱時(shí)熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。間壁式換熱器適用于兩股流體間需要進(jìn)行熱量交換而又不允許直接相混的場合?；どa(chǎn)中最常遇到的換熱過程是間壁式換熱，本章重點(diǎn)討論間壁式換熱器。第一節(jié)

概述四、間壁式換熱器簡介用來實(shí)現(xiàn)冷、熱流體之間熱量交換的設(shè)備都可稱為熱交換器或換熱器。在換熱器內(nèi)可以是單純地進(jìn)行物料的加熱或冷卻；也可以進(jìn)行有相變化的沸騰和冷凝等過程。間壁式換熱器的種類很多，下面僅介紹典型的套管式、列管式換熱器。

1．套管式換熱器它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起組成的。冷、熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙，通過內(nèi)管壁而進(jìn)行熱的交換。

第一節(jié)

概述2．列管式換熱器列管式換熱器主要有殼體、管束、管板（花板）和封頭等部件組成。一種流體由封頭處的進(jìn)口管進(jìn)入分配室空間（封頭與管板之間的空間）分配至各管內(nèi)（稱為管程），通過管束后，從另一封頭的出口管流出換熱器。另一種流體則由殼體的進(jìn)口管流入，在殼體與管束間的空隙流過（稱為殼程），從殼體的另一端出口管流出。圖5-4所示為流體在換熱器管束內(nèi)只通過一次，稱為單管程列管式換熱器。若在換熱器的分配室空間設(shè)置隔板，將管束的全部管子平均分成若干組，流體每次只通過一組管子，然后折回進(jìn)入另一組管子，如此反復(fù)多次，最后從封頭處的出口管流出換熱器。

這種換熱器稱為多管程列管式換熱器。圖5-5所示為雙管程列管式換熱器。第一節(jié)

概述

第一節(jié)

概述

第一節(jié)

概述五、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱。若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間變化的傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的啟動(dòng)和停車過程，都為不穩(wěn)定的傳熱過程?；どa(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

一、傳熱速率方程

在換熱器中傳熱的快慢用傳熱速率表示。傳熱速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，單位為W。在間壁式換熱器中，熱量是通過兩股流體間的壁面?zhèn)鬟f的，這個(gè)壁面稱為傳熱面，單位是m2。兩股流體間所以能有熱量交換，是因?yàn)樗鼈冇袦囟炔?。如果以表示熱流體的溫度，t表示冷流體的溫度，那么溫度差就是熱量傳遞的推動(dòng)力，用表示，單位為K或℃。實(shí)踐證明：兩股流體單位時(shí)間所交換的熱量與傳熱面積成正比，與溫度差成正比，即

第二節(jié)

傳熱計(jì)算把上述比例式改寫成等式，以表示比例常數(shù)，則得

（5-1）式（5-1）稱為傳熱速率方程式。式中稱為傳熱系數(shù)，其單位可由式（5-1）移項(xiàng)推導(dǎo)得

W/（m2·K）或

W/（m2·℃）

從的單位可以看出，傳熱系數(shù)的意義是：當(dāng)溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量。顯然，值的大小是衡量換熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，值越大，表明在單位傳熱面積上在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量越多。第二節(jié)

傳熱計(jì)算從單位可以看出，傳熱系數(shù)的意義是：當(dāng)溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量。顯然，值的大小是衡量換熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，值越大，表明在單位傳熱面積上在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量越多。

將式（5-1）改寫為(5-2)

式中表示傳熱過程的總阻力，簡稱熱阻，用表示。即

第二節(jié)

傳熱計(jì)算由式（5-2）可知，單位傳熱面積上的傳熱速率與傳熱推動(dòng)力成正比，與熱阻成反比。因此，提高換熱器傳熱速率的途徑為提高傳熱推動(dòng)力和降低傳熱阻力。二、熱負(fù)荷和載熱體用量的計(jì)算1．熱負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)能量守恒定律，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，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。即，稱為熱量衡算式。第二節(jié)

傳熱計(jì)算生產(chǎn)上的換熱器內(nèi)，冷、熱兩股流體間每單位時(shí)間所交換的熱量是根據(jù)生產(chǎn)上換熱任務(wù)的需要提出的，熱流體的放熱量或冷流體的吸熱量，稱為換熱器的熱負(fù)荷。熱負(fù)荷是要求換熱器具有的換熱能力。一個(gè)能滿足生產(chǎn)換熱要求的換熱器，必須使其傳熱速率等于（或略大于）熱負(fù)荷。所以，我們通過計(jì)算熱負(fù)荷，便可確定換熱器的傳熱速率。必須注意，傳熱速率和熱負(fù)荷雖然在數(shù)值上一般看作相等，但其含意卻不同。熱負(fù)荷是由工藝條件決定的，是對換熱器的要求；傳熱速率是換熱器本身的換熱能力，是設(shè)備的特征。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算熱負(fù)荷的計(jì)算有以下三種方法：（1）焓差法利用流體換熱前、后焓值的變化計(jì)算熱負(fù)荷的計(jì)算式如下或（5-3）式中——熱負(fù)荷，W；——熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；——熱流體進(jìn)、出口的焓，J/kg；——冷流體進(jìn)、出口的焓，J/kg。

焓的數(shù)值決定于流體的物態(tài)和溫度。通常取0℃為計(jì)算基準(zhǔn)，規(guī)定液體和蒸汽的焓均取0℃液態(tài)的焓為0J/kg，而氣體則取0℃氣態(tài)的焓為0J/kg。第二節(jié)

傳熱計(jì)算

（2）顯熱法

此法用于流體在換熱過程中無相變化的情況。計(jì)算式如下

或

（5-4）

式中——熱、冷流體的平均定壓比熱容，J/(kg·℃)；——熱流體進(jìn)、出口溫度，℃；——冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

（3）潛熱法

此法用于流體在換熱過程中僅發(fā)生相變化(如冷凝或氣化)的場合。

或

（5-5）式中——熱流體和冷流體的相變熱（蒸發(fā)潛熱），J/kg。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

2．載熱體消耗量

換熱器中當(dāng)物料需要冷卻時(shí)，它所放出的熱量由冷流體帶走；當(dāng)物料需要加熱時(shí)，必須由熱流體供給熱量。當(dāng)確定了換熱器的熱負(fù)荷以后，載熱體的流量可根據(jù)熱量衡算確定。

3．載熱體的選用

在化工生產(chǎn)中，若要加熱一種冷流體，同時(shí)又要冷卻另一種熱流體，只要兩者溫度變化的要求能夠達(dá)到，就應(yīng)盡可能讓這兩股流體進(jìn)行換熱。利用生產(chǎn)過程中流體自身的熱交換，充分回收熱能，對于降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能源都具有十分重要的意義。但是當(dāng)工藝換熱條件不能滿足要求時(shí)，就需要采用外來的載熱體與工藝流體進(jìn)行熱交換。載熱體有許多種，應(yīng)根據(jù)工藝流體溫度的要求，選擇一種合適的載熱體。載熱體的選擇可參考下列幾個(gè)原則：①載體溫度必須滿足工藝要求；②載熱體的溫度調(diào)節(jié)應(yīng)方便；③載熱體應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，不分解；④載熱體的毒性小，對設(shè)備腐蝕性??；⑤載熱體不易燃、不易爆；⑥載熱體價(jià)廉易得。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算目前生產(chǎn)中使用得最廣泛的載熱體是飽和水蒸汽和水。

（1）

飽和水蒸汽

由于飽和水蒸汽冷凝時(shí)放出大量的熱，加熱均勻，不會(huì)有局部過熱的現(xiàn)象，依據(jù)飽和溫度與蒸汽壓力的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)壓力能很方便、準(zhǔn)確的控制加熱溫度。飽和水蒸汽加熱的缺點(diǎn)是加熱溫度不太高，因?yàn)樗魵獾娘柡驼羝麎弘S溫度升高而增大，對鍋爐、管路和設(shè)備的耐壓、密閉要求也大大提高，帶來許多困難。所以，一般水蒸氣加熱的溫度范圍在120~180℃，絕對壓在200~1000kPa。這一溫度范圍能滿足大部分化工工業(yè)的需要，蒸發(fā)、干燥等單元操作大多也在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。第二節(jié)

傳熱計(jì)算水蒸汽加熱分為直接和間接兩種。直接法是將蒸汽用管子直接通入被加熱的液體中，蒸汽所含熱量可以完全利用，但液體被稀釋，這往往是工藝條件不允許的；間接法是在換熱器中進(jìn)行，加熱時(shí)必須注意以下兩點(diǎn)：

①要經(jīng)常排除不凝性氣體，否則會(huì)降低蒸汽的傳熱效果。不凝性氣體的來源為溶于原來水中的空氣，另外是管路或換熱器連接處不嚴(yán)密而漏入。排除方法可在加熱室的上端裝一放空閥門，借蒸汽的壓強(qiáng)將混入的不凝性氣體間歇排除。②要不斷排除冷凝水，否則冷凝水積聚于換熱器內(nèi)占據(jù)了一部分傳熱面積，使傳熱效果降低。排除的方法是在冷凝水排出管上安裝冷凝水排出器（也稱疏水器），它的作用是在排除冷凝水的同時(shí)阻止蒸汽逸出。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算（2）水

是廣泛使用的冷卻劑。水的初溫由氣候條件所決定，一般為4~25℃，因此水的用量主要決定于經(jīng)過換熱器之后的出口溫度；其次水中含有一定量的污垢雜質(zhì)，當(dāng)沉積在換熱器壁面上時(shí)就會(huì)降低換熱器的傳熱效果。所以冷卻水溫的確定主要從溫度和流速兩個(gè)方面考慮：①水與被冷卻的流體之間一般應(yīng)有5~35℃的溫度差。②冷卻水的溫度不能超過40~50℃，以避免溶解在水中的各種鹽類析出，在傳熱壁面上形成污垢。③水的流速不應(yīng)小于0.5m/s，否則在傳熱面上易產(chǎn)生污垢。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

如果需要把物料加熱到180℃以上，就不用飽和水蒸汽而需要用其他的載熱體，這類載熱體工業(yè)上稱為高溫載熱體；如果把物料冷卻到5~10℃或更低的溫度，就必須采用低溫冷卻劑?，F(xiàn)把工業(yè)上常用的載熱體列于表5-1。第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算三、平均溫度差

用傳熱速率方程式計(jì)算換熱器的傳熱速率時(shí)，因傳熱面各部位的傳熱溫度差不同，必須算出平均傳熱溫度差代替，即

的數(shù)值與流體流動(dòng)情況有關(guān)。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

1．恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差

參與傳熱的冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)的任一位置、任一時(shí)間，都保持其各自的溫度不變，此傳熱過程稱為恒溫傳熱。例如用水蒸汽加熱沸騰的液體，器壁兩側(cè)的冷、熱流體因自身發(fā)生相變化而溫度都不變，恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差等于

（5-6）

流體的流動(dòng)方向?qū)o影響。2．變溫傳熱時(shí)的平均溫度差

工業(yè)上最常見的是變溫傳熱，即參與傳熱的兩種流體（或其中之一）有溫度變化。在變溫傳熱時(shí)，換熱器各處的傳熱溫度差隨流體溫度的變化而不同，計(jì)算時(shí)必須取其平均值。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算（1）單側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差圖5-6所示為一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)流體的溫度無變化的傳熱。圖5-6a熱流體溫度無變化，而冷流體溫度發(fā)生變化。例如在生產(chǎn)中用飽和水蒸汽加熱某冷流體，水蒸汽在換熱過程中由汽變液放出熱量，其溫度是恒定的，但被加熱的冷流體溫度從生至，此時(shí)沿著傳熱面的傳熱溫度差是變化的。圖5-6b冷流體溫度無變化，而熱流體的溫度發(fā)生變化。例如生產(chǎn)中的廢熱鍋爐用高溫流體加熱恒定溫度下沸騰的水，高溫流體的溫度從降至，而沸騰的水溫始終保持為沸點(diǎn)，此時(shí)的傳熱溫度差也是變化的。其溫度差的平均值可取其對數(shù)平均值，即按下式計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

（5-7）

式中取。和為傳熱過程中最初、最終的兩流體之間溫度差。在工程計(jì)算中，當(dāng)時(shí)，可近似地采用算術(shù)平均值，即

（5-8）算術(shù)平均溫度差與對數(shù)平均溫度差相比較，在＜2時(shí)，其誤差＜4%。第二節(jié)

傳熱計(jì)算（2）雙側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差

工廠中常用的冷卻器和預(yù)熱器等，在換熱過程中間壁的一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體，熱流體沿間壁的一側(cè)流動(dòng)，溫度逐漸下降，而冷流體沿間壁的另一側(cè)流動(dòng)，溫度逐漸升高。這種情況下，換熱器各點(diǎn)的

也是不同的，屬雙側(cè)變溫傳熱。在此種變溫傳熱中，參與熱交換的兩種流體的流向大致有四種類型，如圖5-7所示。兩者平行而同向的流動(dòng)，稱為并流；兩者平行而反向的流動(dòng)，稱為逆流；垂直交叉的流動(dòng)，稱為錯(cuò)流；一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流，稱為折流。變溫傳熱時(shí)，其平均溫度差的計(jì)算方法因流向的不同而異。第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

①并流和逆流時(shí)的平均溫度差

并流與逆流兩種流向的平均溫度差計(jì)算式與式（5-7）完全一樣，即

應(yīng)當(dāng)注意，在計(jì)算時(shí)取冷、熱流體在換熱器兩端溫度差大的作為，小的為，以使式（5-7）中的分子與分母都是正數(shù)。如遇＜2時(shí)，仍可用算術(shù)平均值計(jì)算，即

不難看出，當(dāng)一側(cè)流體變溫而另一側(cè)流體恒溫時(shí)，并流和逆流的平均溫度差是相等的；當(dāng)兩側(cè)流體都變溫時(shí)，由于流動(dòng)方向的不同，兩端的溫度差也不相同，因此并流和逆流時(shí)的是不相等的。第二節(jié)

傳熱計(jì)算逆流的另一優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量。例如：若要求將一定流量的冷流體從120℃加熱到160℃，而熱流體的進(jìn)口溫度為245℃，出口溫度不作規(guī)定。此時(shí)若采用逆流，熱流體的出口溫度可以降至接近于120℃，而采用并流時(shí)，則只能降至接近于160℃。這樣，逆流時(shí)的加熱劑用量就較并流時(shí)為少。

由以上分析可知，逆流優(yōu)于并流，因而工業(yè)生產(chǎn)中換熱器多采用逆流操作。但是在某些生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，如要求冷流體被加熱時(shí)不能超過某一溫度，或熱流體被冷卻時(shí)不能低于某一溫度，則宜采用并流操作。

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

②錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差

為了強(qiáng)化傳熱，列管式換熱器的管程或殼程常常為多程，流體經(jīng)過兩次或多次折流后再流出換熱器，這使換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的型式偏離純粹的逆流和并流，因而使平均溫度差的計(jì)算更為復(fù)雜。錯(cuò)流或折流時(shí)的平均溫度差是先按逆流計(jì)算對數(shù)平均溫度差，再乘以溫度差修正系數(shù)，即各種流動(dòng)情況下的溫度差修正系數(shù)，可以根據(jù)和兩個(gè)參數(shù)查圖

（5-9）

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

的值可根據(jù)換熱器的型式，由圖5-8查取。由于的值小于1，故折流和錯(cuò)流時(shí)的平均溫度差總小于逆流。采用折流和其他復(fù)雜流動(dòng)的目的是為了提高傳熱系數(shù)，其代價(jià)是使平均溫度差相應(yīng)減小。綜合利弊，一般在設(shè)計(jì)時(shí)最好使＞0.9，至少也不應(yīng)低于0.8，否則經(jīng)濟(jì)上不合理。第二節(jié)

傳熱計(jì)算四、傳熱系數(shù)的測定和經(jīng)驗(yàn)值

傳熱系數(shù)值的來源有以下三個(gè)方面。第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第二節(jié)

傳熱計(jì)算

1．現(xiàn)場實(shí)測

根據(jù)傳熱速率方程可知，只需從現(xiàn)場測得換熱器的傳熱面積，平均溫度差及熱負(fù)荷后，傳熱系數(shù)就很容易計(jì)算出來。其中傳熱面積可由設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸算出，可從現(xiàn)場測定兩股流體的進(jìn)出口溫度及它們的流動(dòng)方式而求得，熱負(fù)荷可由現(xiàn)場測得流體的流量，由流體在換熱器進(jìn)出口的狀態(tài)變化而求得。

制成新型換熱器后，為了檢驗(yàn)其傳熱性能，也需通過實(shí)驗(yàn)，測定其值。第二節(jié)

傳熱計(jì)算2．采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在進(jìn)行換熱器的傳熱計(jì)算時(shí)，常需要先估計(jì)傳熱系數(shù)。表5-2列出了常見的列管式換熱器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的大致范圍。

由表可見，值變化范圍很大，化工技術(shù)人員應(yīng)對不同類型流體間換熱時(shí)的值有一數(shù)量級(jí)概念。表5-2

列管式換熱器中傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值

第二節(jié)

傳熱計(jì)算3．計(jì)算法傳熱系數(shù)的計(jì)算公式可利用串聯(lián)熱阻疊加原則導(dǎo)出。對于間壁式換熱器，如圖5-9所示，兩流體通過間壁的傳熱包括以下過程：（1）

熱流體在流動(dòng)過程中把熱量傳給間壁的對流傳熱；（2）

通過間壁的熱傳導(dǎo)；（3）

熱量由間壁另一側(cè)傳給冷流體的對流傳熱。顯然，傳熱過程的總阻力應(yīng)等于兩個(gè)對流傳熱阻力與一個(gè)導(dǎo)熱阻力之和。前已述及，是傳熱總阻力的倒數(shù)，故可通過串聯(lián)熱阻的方法計(jì)算總阻力，進(jìn)而計(jì)算值。以下分別討論熱傳導(dǎo)和對流傳熱的規(guī)律及其熱阻的計(jì)算。第二節(jié)

傳熱計(jì)算

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)

一、導(dǎo)熱基本方程和導(dǎo)熱系數(shù)1．熱傳導(dǎo)方程在一個(gè)均勻固體物質(zhì)組成的平壁如圖5-10所示，面積為，單位是m2。壁厚為δ，單位是m。平壁兩側(cè)壁面溫度分別為和，單位為K或℃。且＞熱量以熱傳導(dǎo)方式沿著與壁面垂直的方向，從高溫壁面?zhèn)鬟f到低溫壁面。實(shí)踐證明：單位時(shí)間內(nèi)物體以熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量與傳熱面積成正比，與壁面兩側(cè)的溫度差（－）成正比，而與壁面厚度δ成反比，即：

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)把上述比例式改寫成等式，以表示比例系數(shù)，則得

（5-10）

式（5-10）稱為熱傳導(dǎo)方程式，或稱為傅里葉定律。2．熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)），式（5-10）可改寫成：

W/（m·K）或

W/（m·℃)第三節(jié)

熱傳導(dǎo)從λ的單位可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)的意義是：當(dāng)間壁的面積為1m2，厚度為1m，壁面兩側(cè)的溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)以熱傳導(dǎo)方式所傳遞的熱量。顯然，導(dǎo)熱系數(shù)值越大，則物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。所以導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標(biāo)志，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。通常，需要提高導(dǎo)熱速率時(shí)，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料；反之，要降低導(dǎo)熱速率時(shí)，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測定。導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大，一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小。各類物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值范圍大致為第三節(jié)

熱傳導(dǎo)金

屬101~102

W/（m·K）或

W/（m·℃)建筑材料10-1~100

W/（m·K）或W/（m·℃)絕熱材料10-2~10-1

W/（m·K）或

W/（m·℃)液

體10-1W/（m·K）或W/（m·℃)氣

體10-2~10-1W/（m·K）或

W/（m·℃)工程中常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可從有關(guān)手冊中查得。本章表5-3，5-4，5-5中列出某些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，供查用。下面對固體、液體和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)分別進(jìn)行討論。

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)（1）固體的導(dǎo)熱系數(shù)表5-3為常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。金屬是良導(dǎo)電體，也是良好的導(dǎo)熱體。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低，金屬的純度對導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，合金的導(dǎo)熱系數(shù)一般比純金屬要低。非金屬建筑材料或絕熱材料（又稱保溫材料）的導(dǎo)熱系數(shù)與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)的致密程度及溫度有關(guān)。通常值隨密度的增加而增大，也隨溫度的升高而增大。第三節(jié)

熱傳導(dǎo)表5-3常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)（2）液體的導(dǎo)熱系數(shù)表5-4列出了幾種液體的導(dǎo)熱系數(shù)。非金屬液體以水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而略有減小。一般，純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的導(dǎo)熱系數(shù)大。表5-4液體的導(dǎo)熱系數(shù)

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)（3）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

表5-5列出了幾種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對導(dǎo)熱不利，但有利于絕熱和保溫。工業(yè)上所用的保溫材料，如軟木、玻璃棉等的導(dǎo)熱系數(shù)之所以很小，就是因?yàn)樵谄淇障吨写嬖诖罅靠諝獾木壒?。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。但在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，壓力對導(dǎo)熱系數(shù)無明顯影響。

應(yīng)予指出，在熱傳導(dǎo)過程中，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度各不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也隨之而異，在工程計(jì)算中常取導(dǎo)熱系數(shù)的平均值。

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)表5-5氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

二、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1．單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)方程式與式（5-10）完全一樣，即第三節(jié)

熱傳導(dǎo)

把上式改寫成下面的形式(5-11)

本式與導(dǎo)電的歐姆定律相似，式中溫度差，是導(dǎo)熱過程的推動(dòng)力，而，為單層平壁的導(dǎo)熱熱阻。第三節(jié)

熱傳導(dǎo)2．多層平壁的熱傳導(dǎo)

工業(yè)上常遇到由多種不同材料組成的平壁，稱為多層平壁。如鍋爐墻壁是由耐火磚、保溫磚和普通磚組成。以三層壁為例，如圖5-11所示

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)由三種不同材質(zhì)構(gòu)成的多層平壁截面積為，各層的厚度為δ1，δ2和δ3，各層的導(dǎo)熱系數(shù)為1，2和3，若各層的溫度差分別為，和，則三層的總溫度差。因是穩(wěn)定傳熱，式(5-11)對于各層的傳熱速率均適用。而且，各層的傳熱速率也都相等，下式的關(guān)系成立

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)即多層平壁的傳熱速率由推動(dòng)力總溫度差與各層的熱阻之和的比值求得。式（5-12）與串聯(lián)熱阻時(shí)的導(dǎo)電公式同形，該式還可變形為下式，，

（5-13）由式（5-13）可以看出，利用總溫度差和各層的熱阻值，可以較為簡便的求出各層的溫度差。在多層平壁中，溫度差大的壁層，則熱阻也大。第三節(jié)

熱傳導(dǎo)三、通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1．單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)在化工生產(chǎn)的熱交換器中，常采用金屬管道作為簡壁，以隔開冷、熱兩種載熱體進(jìn)行傳熱，如圖5-12所示。此時(shí)，熱流的方向是從筒內(nèi)到桶外，而與熱流方向垂直的圓筒面積（傳熱面積）（為圓筒半徑，為圓筒長度）?？梢?，傳熱面積不再是固定不變的常量，而是隨半徑而變，同時(shí)溫度也隨半徑而變。這就是圓筒壁熱傳導(dǎo)與平壁熱傳導(dǎo)的不同之處。但傳熱速率在穩(wěn)定時(shí)依然是常量。圓筒壁的熱傳導(dǎo)也可仿照平壁的熱傳導(dǎo)來處理，可將圓筒壁的熱傳導(dǎo)方程式寫成于平壁熱傳導(dǎo)方程相類似的形式，不過其中的傳熱面積應(yīng)采用平均值。即

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)（5-14）式中，帶入上式得（5-15）式中——圓筒內(nèi)壁半徑，m；——圓筒外壁半徑，m；——圓筒壁的平均半徑，m；——圓筒長度，m。

第三節(jié)

熱傳導(dǎo)式中在工程計(jì)算中，采用對數(shù)平均值

（5-16）

當(dāng)時(shí)，使用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值的誤差僅為4%在工程計(jì)算上是允許的。因此，當(dāng)時(shí)，可用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。算術(shù)平均值為由式（5-14）可以得出單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻為

（5-18）

（5-17）第三節(jié)

熱傳導(dǎo)

2．多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)由不同材質(zhì)構(gòu)成的多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)也可按多層平壁的熱傳導(dǎo)處理，由式（5-12）計(jì)算傳熱速率。但是，作為計(jì)算各層熱阻的傳熱面積不再相等，而應(yīng)采用各層的對數(shù)平均面積。對于圖5-13所示的三層圓筒壁，其公式為

（5-19）第三節(jié)

熱傳導(dǎo)

第四節(jié)

對流傳熱

一、對流傳熱方程1．對流傳熱分析

冷熱兩個(gè)流體通過金屬壁面進(jìn)行熱量交換時(shí)，由流體將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過程稱為對流傳熱（或給熱）。對流傳熱是層流內(nèi)層的導(dǎo)熱和湍流主體對流傳熱的統(tǒng)稱。

在第一章中已知，流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，無論流動(dòng)主體湍動(dòng)的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層層流內(nèi)層。由于在層流內(nèi)層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直方向的流體對流混合，所以固體壁面與流體間進(jìn)行傳熱時(shí)，熱量只能以熱傳導(dǎo)方式通過層流內(nèi)層。雖然層流內(nèi)層的厚度很薄，但導(dǎo)熱的熱阻值卻很大，因此層流內(nèi)層產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面，在湍流主體中，由于對流使流體混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中的溫度差極小。

第四節(jié)

對流傳熱

圖5-14是表示對流傳熱的溫度分布示意圖，由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大，所需要的推動(dòng)力溫度差就比較大，溫度曲線較陡，幾乎成直線下降；在湍流主體，流體溫度幾乎為一恒定值。一般將流動(dòng)流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層，亦稱熱邊界層。

第四節(jié)

對流傳熱

2．對流傳熱方程

大量實(shí)踐證明：在單位時(shí)間內(nèi)，以對流傳熱過程傳遞的熱量與固體壁面的大小、壁面溫度和流體主體平均溫度二者間的差成正比。即

式中——單位時(shí)間內(nèi)以對流傳熱方式傳遞的熱量，W；

A——固體壁面積，m2；——壁面的溫度，℃；——流體主體的平均溫度，℃。引入比例系數(shù),則上式可寫成

（5-20）

第四節(jié)

對流傳熱稱為對流傳熱系數(shù)（或給熱系數(shù)），其單位為W/(m2·℃)。的物理意義是，流體與壁面溫度差為1℃時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過每m2傳遞的熱量。所以值表示對流傳熱的強(qiáng)度。

式（5-20）稱為對流傳熱方程式，也稱為牛頓冷卻定律。牛頓冷卻定律以很簡單的形式描述了復(fù)雜的對流傳熱過程的速率關(guān)系，其中的對流傳熱系數(shù)包括了所有影響對流傳熱過程的復(fù)雜因素。

將式（5-20）改寫成下面的形式

第四節(jié)

對流傳熱則對流傳熱過程的熱阻為

（5-21）二、對流傳熱系數(shù)1．影響對流傳熱系數(shù)的因素

影響對流傳熱系數(shù)的因素是很多的，凡是影響邊界層導(dǎo)熱和邊界層外對流的條件都和有關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明，影響的因素主要有：

第四節(jié)

對流傳熱（1）流體的種類

液體、氣體和蒸汽；

（2）流體的物理性質(zhì)

密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等；

（3）流體的相態(tài)變化

在傳熱過程中有相變發(fā)生時(shí)的值比沒有相變發(fā)生時(shí)的值大得多；

（4）流體對流的狀況

強(qiáng)制對流時(shí)值大，自然對流時(shí)值??；

（5）流體的運(yùn)動(dòng)狀況

湍流時(shí)值大，層流時(shí)值??；

（6）傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長度和高度等。

由上所述，如何確定不同情況下的對流傳熱系數(shù)，是對流傳熱的中心問題。第四節(jié)

對流傳熱

2．對流傳熱系數(shù)

由于影響對流傳熱系數(shù)的因素太多，要建立一個(gè)通式來求各種條件下的是很困難的。目前工程計(jì)算中采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法建立起來的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，即準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。常用的準(zhǔn)數(shù)及物理意義列于表5-6中。準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，所以應(yīng)用這種關(guān)聯(lián)式求解時(shí)就不能超出實(shí)驗(yàn)條件的范圍，使用時(shí)就必須注意它的適用條件。具體說來，主要指下面三個(gè)方面。

第四節(jié)

對流傳熱表5-6準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號(hào)和含義

第四節(jié)

對流傳熱（1）應(yīng)用范圍

指關(guān)聯(lián)式中、等準(zhǔn)數(shù)可適用的數(shù)值范圍。

（2）特征尺寸

關(guān)聯(lián)式中、等準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸應(yīng)如何取定。

（3）定性溫度

關(guān)聯(lián)式中各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度查定。

關(guān)于對流傳熱系數(shù)前人進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究工作，對于各種傳熱情況分別提出了進(jìn)行計(jì)算的關(guān)聯(lián)式，下面僅介紹常用的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式來說明關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用。

第四節(jié)

對流傳熱（1）流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流無相變發(fā)生時(shí)

適用于氣體或低黏度(小于2倍常溫水的黏度)液體

或

（5-22）

當(dāng)流體被加熱時(shí)，式中；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，應(yīng)用范圍：，0.7＜＜120，管長與管徑之比，若的短管，則需進(jìn)行修正，可將（5-22）式求得的值乘以大于1的短管修正系數(shù)，即（5-23）

第四節(jié)

對流傳熱

特征尺寸：管內(nèi)徑。

定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

（2）流體有相變化時(shí)的對流傳熱系數(shù)

流體在換熱器內(nèi)發(fā)生相變化的情況有冷凝和沸騰兩種。現(xiàn)分別將兩種有相變化的傳熱進(jìn)行介紹。①蒸汽的冷凝當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的固體壁面接觸時(shí)，蒸汽將放出大量的潛熱，并在壁面上冷凝成液體。蒸汽冷凝有膜狀冷凝和珠狀冷凝兩種方式，膜狀冷凝時(shí)，冷凝液容易潤濕冷卻面，珠狀冷凝時(shí)，冷凝液不容易潤濕冷卻面。第四節(jié)

對流傳熱

在膜狀冷凝過程中，壁面上形成一層完整的液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進(jìn)行。而珠狀冷凝過程，冷凝液在壁面上形成珠狀，液滴自壁面滾轉(zhuǎn)而滴落，蒸汽與重新露出的壁面直接接觸，因而珠狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大得多。

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般換熱設(shè)備中的冷凝可按膜狀冷凝考慮。冷凝的傳熱系數(shù)一般都很大，如水蒸汽作膜狀冷凝時(shí)的傳熱系數(shù)通常為5000~15000W/(m2·℃)。因而傳熱壁的另一側(cè)熱阻相對的大，是傳熱過程的主要矛盾。

當(dāng)蒸汽中有空氣或其他不凝性氣體存在時(shí)，則將在壁面上生成一層氣膜。由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)很小，使傳熱系數(shù)明顯下降。例如，當(dāng)蒸汽中不凝性氣體的含量為1%時(shí)，可降低60%左右。因此冷凝器應(yīng)裝有放氣閥，以便及時(shí)排除不凝性氣體。

第四節(jié)

對流傳熱

第四節(jié)

對流傳熱②

液體的沸騰

高溫加熱面與沸騰液體間的傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的。由于液體沸騰的對流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過程，影響液體沸騰的因素很多，最重要的是傳熱壁與液體的溫度差?，F(xiàn)以常壓下水沸騰的情況為例，說明對流傳熱的情況。

圖5-15所示是常壓下水在鉑電熱絲表面上沸騰時(shí)與的關(guān)系曲線。當(dāng)溫度差較小，為5以下時(shí)，傳熱主要以自然對流方式進(jìn)行，如圖中AB線段所示，隨的增大而略有增大。此階段稱為自然對流區(qū)。當(dāng)逐漸升高越過B點(diǎn)時(shí)，在加熱面上產(chǎn)生許多蒸氣泡，由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到劇烈的擾動(dòng)，使隨的增大而迅速增大，在C點(diǎn)處達(dá)到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點(diǎn)的溫度差稱為臨界溫度差。水的臨界溫度差約為25。

第四節(jié)

對流傳熱當(dāng)逐漸升高越過B點(diǎn)時(shí)，在加熱面上產(chǎn)生許多蒸氣泡，由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到劇烈的擾動(dòng)，使隨的增大而迅速增大，在C點(diǎn)處達(dá)到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點(diǎn)的溫度差稱為臨界溫度差。水的臨界溫度差約為25。當(dāng)超過C點(diǎn)繼續(xù)增大時(shí)，加熱面逐漸被氣泡覆蓋，由于傳熱過程中的熱阻大，開始減小，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)為最小值。此時(shí)，若在繼續(xù)增加，加熱面完全被蒸氣泡層所覆蓋，通過該蒸氣泡層的熱量傳遞是以導(dǎo)熱和熱輻射方式進(jìn)行。此階段稱為膜狀沸騰。第四節(jié)

對流傳熱一般的傳熱設(shè)備通?？偸强刂圃诤藸罘序v下操作，很少發(fā)生膜狀沸騰。由于液體沸騰時(shí)要產(chǎn)生氣泡，所以一切影響氣泡生成、長大和脫離壁面的因素對沸騰對流傳熱都有重要影響。如此復(fù)雜的影響因素使液體沸騰的傳熱系數(shù)計(jì)算式至今都不完善，誤差較大。但液體沸騰時(shí)的值一般都比流體不相變的值大，例如，水沸騰時(shí)值一般在1500~30000W/(m2·℃)。如果與沸騰液體換熱的另一股流體沒有相變化，傳熱過程的阻力主要是無相變流體的熱阻，在這種情況下，值不一定要詳細(xì)計(jì)算，例如，水的沸騰值常取5000W/(m2·℃)。綜上所述，由于影響對流傳熱系數(shù)的因素很多，所以的數(shù)值范圍很大。表5-7中介紹了常用流體值的大致范圍。由此表可看出，流體在傳熱過程中有相變化時(shí)的值比較大；在沒有相變化時(shí)，水的值最大，油類次之，氣體和過熱蒸氣最小。

第四節(jié)

對流傳熱三、設(shè)備熱損失計(jì)算

許多化工設(shè)備的外壁溫度常高于周圍空氣的溫度，必然會(huì)有熱量散失于周圍環(huán)境中。這部分散失的熱量，除有對流傳熱方式進(jìn)行外，還有輻射傳熱的方式。所以，設(shè)備損失的熱量應(yīng)等于對流傳熱和輻射傳熱兩部分之和。所以，總的熱量損失為：

（5-24）式中——聯(lián)合膜系數(shù)，W/(m2·℃)；——設(shè)備壁面面積，m2；——壁溫，℃；——周圍介質(zhì)的溫度，℃。第四節(jié)

對流傳熱對于有保溫層的設(shè)備、管道等，其外壁對周圍環(huán)境散熱的聯(lián)合膜系數(shù)，可用下列各式進(jìn)行估算。1．空氣自然對流時(shí)，當(dāng)＜150℃

在平壁保溫層外

（5-25）

在管或圓筒壁保溫層外

（5-26）

第四節(jié)

對流傳熱

2．空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對流時(shí)

空氣流速≤5m/s時(shí)

（5-27）

空氣流速＞5m/s時(shí)

（5-28）

為了減少熱量（或冷量）的損失和改善勞動(dòng)條件等，許多溫度較高（或較低）的設(shè)備和管道都必須進(jìn)行隔熱保溫。保溫材料的種類很多，應(yīng)視具體情況加以選用。保溫層厚度一般可查有關(guān)手冊，依經(jīng)驗(yàn)選用。

第五節(jié)

傳熱系數(shù)

一、傳熱系數(shù)的計(jì)算如第二節(jié)所述，傳熱過程是熱量從熱流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到冷流體的過程。此熱量的傳遞包括三個(gè)連續(xù)的過程，即器壁兩側(cè)的對流傳熱和通過壁面的熱傳導(dǎo)。這三個(gè)過程都有熱阻，傳熱的總熱阻是熱阻串聯(lián)的結(jié)果。而傳熱系數(shù)與總熱阻成反比關(guān)系，即利用串聯(lián)熱阻疊加原則求算值。當(dāng)熱流體通過傳熱壁面將熱量傳給冷流體時(shí)的傳熱過程可用圖5-9來說明，在熱流體一邊溫度從變化到，經(jīng)過壁厚后溫度降到，而在冷流體一邊溫度從變化到。

第五節(jié)

傳熱系數(shù)設(shè)和分別表示從熱流體傳給壁面以及從壁面?zhèn)鹘o冷流體的對流傳熱系數(shù)，而固體壁面的導(dǎo)熱系數(shù)為。

1．傳熱面為平壁

（5-24）則

（5-25）

現(xiàn)根據(jù)式（5-25）進(jìn)一步說明以下幾個(gè)問題：①多層平壁式（5-25）分母中的一項(xiàng)可以寫成

第五節(jié)

傳熱系數(shù)則式（5-25）還可寫成

（5-25a）

②

若固體壁面為金屬材料，固體金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大，而壁厚又薄，一項(xiàng)與和

相比可略去不計(jì)，則式（5-25）還可寫成

（5-25b）③當(dāng)＞＞時(shí),值接近與熱阻較大一項(xiàng)的值。當(dāng)兩個(gè)值相差很懸殊時(shí)，則值與小的值很接近，如果＞＞，則≈；＜＜，則≈，下面的例子可以充分說明這一結(jié)論。第五節(jié)

傳熱系數(shù)

④壁面的溫度

穩(wěn)定傳熱過程中熱流體對壁面的對流傳熱量及壁面對冷流體的對流傳熱量均相等，即

由上式可以看出，對流傳熱系數(shù)值大的那一側(cè)，其壁溫與流體溫度之差就小。換句話說，壁溫總是比較接近值大的那一側(cè)流體的溫度。這一結(jié)論對設(shè)計(jì)換熱器是很重要的。2．傳熱面為圓筒壁當(dāng)傳熱面為圓筒壁時(shí)，兩側(cè)的傳熱面積不相等。在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中傳熱面積均指換熱管的外表面積，若以表示換熱管的內(nèi)表面積，表示換熱管的平均面積，則第五節(jié)

傳熱系數(shù)

(5-26a)式(5-26a)中稱為以外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，。同理可得

（5-26b）式(5-26c)中稱為以平均面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，第五節(jié)

傳熱系數(shù)

(5-26c)由此可見，對于圓管沿?zé)崃鞣较騻鳠崦娣e變化的換熱器，其傳熱系數(shù)必須注明是以那個(gè)傳熱面為基準(zhǔn)。由于計(jì)算圓筒壁公式復(fù)雜，故一般在管壁較薄時(shí)，即可取近似值：，則式(5-26a)、（5-26b）和(5-26c)可以簡化為使用平壁計(jì)算式（5-25），因此，平壁計(jì)算式應(yīng)用很廣泛。第五節(jié)

傳熱系數(shù)

二、污垢熱阻

實(shí)際生產(chǎn)中的換熱設(shè)備，因長期使用在固體壁面上常有污垢積存，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，使傳熱系數(shù)降低。因此，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，應(yīng)預(yù)先考慮污垢熱阻問題，由于污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以測定，通常只能根據(jù)污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值作為參考來計(jì)算傳熱系數(shù)。某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查表5-8。第五節(jié)

傳熱系數(shù)表5-8常見流體的污垢熱阻第五節(jié)

傳熱系數(shù)若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻分別為和，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，式（5-25）可變?yōu)?/p>

（5-27）

式（5-27）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、污垢熱阻及管壁熱阻之和。

一般垢層的導(dǎo)熱系數(shù)都比較小，即使是很薄的一層也會(huì)形成比較大的熱阻。在生產(chǎn)上應(yīng)盡量防止和減少污垢的形成：如提高流體的流速，使所帶懸浮物不致沉積下來；控制冷卻水的加熱程度，以防止有水垢析出；對有垢層形成的設(shè)備必須定期清洗除垢，以維持較高的傳熱系數(shù)。表5-2列出常見列管式換熱器中傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的大致范圍。

由表可見，值變化范圍很大，生產(chǎn)技術(shù)人員應(yīng)對不同類型流體間換熱時(shí)的值有一數(shù)量級(jí)概念。第六節(jié)

換熱器換熱器是制藥、化工等其他許多工程領(lǐng)域中的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有很重要的地位。按照傳熱的用途可分為加熱器、預(yù)熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器和蒸發(fā)器等。雖然換熱器的名稱不同，但設(shè)備的構(gòu)造與形式卻大多完全相同。下面對具有代表性的間壁式換熱器的特征和構(gòu)造進(jìn)行簡略說明。

一、間壁式換熱器的類型

按照換熱面的形式，間壁式換熱器主要有管式、板式和特殊形式三種類型。

第六節(jié)

換熱器1．管式換熱器（1）蛇管式換熱器

蛇管式換熱器的構(gòu)造很簡單，可以用管件將直管連接成排管形；也可根據(jù)容器的形狀盤成各種不同的形狀，如圖5-16b所示。為防止蛇管變形，通常將蛇管固定在支架上。在高壓操作時(shí)，也可以將蛇管鑄在或焊在容器壁上。

蛇管換熱器又可分為沉浸式和噴淋式兩種。

第六節(jié)

換熱器

①沉浸式換熱器

如圖5-16a所示，是將蛇管沉浸在容器內(nèi)，盤管內(nèi)通入熱流體，管外通過冷卻水進(jìn)行冷卻或冷凝；或者用于加熱或蒸發(fā)容器內(nèi)的流體。

沉浸式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造，適用于傳熱量不太大的場合；其缺點(diǎn)是管外對流傳熱系數(shù)小。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體作強(qiáng)制對流。

第六節(jié)

換熱器②噴淋式換熱器

這種換熱器一般作成排管狀，如圖5-17所示，整個(gè)排管固定在鋼架上。主要用作冷卻器。被冷卻的流體自下而上在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水由管子上方的噴淋裝置中均勻淋下，噴灑在下層蛇管表面，并沿其兩側(cè)逐排流經(jīng)下面的管子表面，冷卻水最后匯集在底盤中。該裝置通常放置在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時(shí)可帶走部分熱量，，以提高冷卻效率。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果要好得多。同時(shí)它還具有便于檢修和清洗等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是噴灑不易均勻，體積龐大，占地面積大。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器（2）套管式換熱器

對于流體流量較小或高壓流體的場合大多使用如圖5-18所示的套管式換熱器。該換熱器是一種流體在套管的內(nèi)管中流動(dòng)，另一種流體在外管與內(nèi)管之間的環(huán)狀通道中流動(dòng)，從而進(jìn)行熱量交換的設(shè)備。內(nèi)管的壁面為傳熱面。套管換熱器以適宜長度（4~6m）的套管為單位，通過增減套管的連接數(shù)目能夠改變傳熱面積。套管內(nèi)的冷、熱流體可以同方向流動(dòng)，即并流流動(dòng)；但一般采用兩流體相反方向的逆流流動(dòng)。流體中通常選擇值較大的流體走套管環(huán)隙。如果由于操作條件限制或其他的理由，必須使值較小的流體走套管環(huán)隙時(shí)，為了增大內(nèi)管外側(cè)的傳熱面積，也可使用如圖5-19所示的翅片管作為傳熱管。（3）列管式換熱器

列管式或管殼式換熱器，是在圓形外殼內(nèi)裝入由許多根傳熱管組成的管束構(gòu)成的設(shè)備。其構(gòu)造主要由管束、管板（花板）、殼體和封頭三部分組成。管束兩端固定在管板上，管子在管板上的固定方法一般采用焊接法或脹管法。兩塊管板分別焊于殼體的兩端，封頭與殼體用螺栓固定。這樣形成了管內(nèi)和管外兩個(gè)空間，封頭與管板之間的分配室空間。管束的表面積就是傳熱面積。

冷、熱兩流體間進(jìn)行熱交換時(shí)，一種流體走管內(nèi)，另一種流體在管束和殼體之間的空隙內(nèi)流動(dòng)。由于列管換熱器體積較小，造價(jià)較低，作為代表性的傳熱設(shè)備是目前應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備。圖5-20、圖5-21、圖5-2所示是三種不同結(jié)構(gòu)的列管式換熱器。

第六節(jié)

換熱器第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器①固定管板式

固定管板式換熱器如圖5-20所示，是結(jié)構(gòu)上最簡單的換熱設(shè)備。所謂固定管板是將安裝著管束的兩塊管板直接固定在外殼上，由于結(jié)構(gòu)所致，殼方管的外表面不易清洗。一般來說，傳熱管與殼體的材質(zhì)不同，在換熱過程中由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度差較大，就可能由于過大的熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂。因此，當(dāng)兩流體的溫度差超過50℃時(shí)，就應(yīng)采取熱補(bǔ)償?shù)拇胧Ｔ诠潭ü馨迨皆O(shè)備中，如圖5-20所示在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)），當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或收縮），以適應(yīng)外殼和管束不同的熱膨脹。這種補(bǔ)償方法簡單，但不宜應(yīng)用于兩流體溫度差較大和殼程壓力較高的場合。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

②U型管式換熱器

如圖5-21所示，由于管子彎成U型，U型傳熱管的兩端固定在一塊管板上，因此每根管子都可以自由的伸縮。而且整個(gè)管束可以拉出殼外進(jìn)行清洗，但管內(nèi)的清洗比較困難，只適用于潔凈而不易結(jié)垢的流體，如高壓氣體的換熱。

第六節(jié)

換熱器③浮頭式換熱器

圖5-22是浮頭式換熱器，由于一端管板不與殼體固定，是浮頭結(jié)構(gòu)，

第六節(jié)

換熱器當(dāng)管子受熱或冷卻時(shí)，管束連同浮頭可以自由伸縮。而且管束還可以從殼體中抽出，不僅管外可以清洗，管內(nèi)也可以清洗。浮頭式換熱器的構(gòu)造較為復(fù)雜，與其他形式的換熱器相比造價(jià)較高，但目前仍是應(yīng)用最廣泛的換熱器。

列管的排列方式有如圖5-23所示的各種方式。一般多采用三角形排列。三角形排列的特點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。其缺點(diǎn)是與正方形排列相比流動(dòng)阻力較大，管外表面的清洗較困難。在圖5-20換熱器中殼內(nèi)管束被分配室內(nèi)設(shè)置的隔板分為上下兩部分，管方流體在換熱器內(nèi)能通過兩次。隔板是為了提高管內(nèi)流體的流速從而增大對流傳熱系數(shù)而設(shè)置的，這樣將管束分為若干組，管內(nèi)流體在換熱器內(nèi)往返數(shù)次進(jìn)行流動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的換熱器稱為多程列管換熱器。第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器為了提高殼方流體的流速，從而增大殼方對流傳熱系數(shù)，可以在殼體內(nèi)與管束平行的插入擋板，把殼體隔成多程；或垂直與管束在殼體設(shè)置擋板。圖5-24所示為垂直與管束的擋板種類，其中以圓缺型擋板最為常用。

列管換熱器中，一般管內(nèi)空間容易清洗，故不清潔和易結(jié)垢的流體走管內(nèi)，還有腐蝕性流體、高壓流體和高溫等流體走管內(nèi)。但是，蒸汽、沸騰液體走殼方，對于這種場合殼方不需要擋板。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器2．板式換熱器

進(jìn)行熱交換的兩種流體分別在若干層重合在一起的板縫間隙流過，并通過板面交換熱量的換熱器。板式換熱器可以緊密排列，因此各種板式換熱器都具有結(jié)構(gòu)緊湊、材料消耗低、傳熱系數(shù)大的特點(diǎn)。這類換熱器一般不能承受高壓和高溫，但對于壓力較低、溫度不高或腐蝕性強(qiáng)而須用貴重材料的場合，各種板式換熱器都顯示出更大的優(yōu)越性。第六節(jié)

換熱器（1）夾套式換熱器

夾套式換熱器是最簡單的板式換熱器，如圖5-25所示。它是在容器外壁安裝夾套制成，夾套與器壁之間形成的空間為載熱體的通道。這種換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，為了便于排除冷凝水，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管流出。在加熱蒸汽進(jìn)口處應(yīng)安裝壓力表以便觀察蒸汽的壓力和溫度，在夾套上方應(yīng)留有不凝性氣體排除口。對于直徑較大的夾套式換熱器，加熱蒸汽應(yīng)從不同方向的幾個(gè)入口引入，如果只從一個(gè)口進(jìn)入，蒸汽易走短路，使傳熱不均勻，增多蒸汽入口，可提高傳熱效果。作為冷卻器時(shí)，當(dāng)夾套內(nèi)通入的是冷卻介質(zhì)（如冷卻水、冷凍鹽水），為了便于排除夾套中的空氣以及使冷卻劑充滿夾套，通常入口在底部，而出口在夾套上方。

第六節(jié)

換熱器

夾套式換熱器構(gòu)造簡單，內(nèi)壁易搪瓷，在生產(chǎn)中常用作反應(yīng)器、貯液槽和結(jié)晶器等，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用很廣。但其加熱面受容器壁面的限制，且傳熱系數(shù)也不高。為了提高傳熱系數(shù)，可在器內(nèi)安裝攪拌器，為了補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在器內(nèi)安裝蛇管。第六節(jié)

換熱器（2）螺旋板式換熱器

圖5-26所示，螺旋板式換熱器是由兩張金屬薄板卷成螺旋狀而構(gòu)成傳熱壁面，在其內(nèi)部形成一對同心的螺旋形通道。換熱器中央設(shè)有隔板，將兩個(gè)螺旋形通道隔開。兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷、熱流體分別由兩螺旋形通道流過，通過薄板進(jìn)行換熱。

螺旋板換熱器優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，水對水換熱時(shí)值可達(dá)2000~3000W/(m2·℃)，而管殼式換熱器一般為1000~2000W/(m2·℃)；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的傳熱面約為列管式的3倍；冷、熱流體間為純逆流流動(dòng)，傳熱推動(dòng)力大；由于流速較高以及離心力的作用，在較低的數(shù)下即可達(dá)湍流，使流體對器壁有沖刷作用而不宜結(jié)垢和堵塞。其缺點(diǎn)為制造復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求高；因整個(gè)換熱器焊成一體，一旦損壞不易修復(fù)；操作壓力和溫度不能太高，一般壓力不超過2MPa，溫度不超過300~400℃。第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

3．特殊形式的換熱器

（1）翅片式換熱器

在傳熱面上加裝翅片的措施不僅增大了傳熱面積，而且增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)程度，從而使傳熱過程強(qiáng)化。翅片式換熱器有翅片管式換熱器和板翅式換熱器兩類：

①翅片管式換熱器

翅片管式換熱器又稱管翅式換熱器，如圖5-27所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在換熱管的外表面或內(nèi)表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類，圖5-28所示是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的幾種翅片形式。

第六節(jié)

換熱器管翅式換熱器通常是用來加熱空氣或其他氣體。因?yàn)橛蔑柡驼羝訜峥諝鈺r(shí)，氣體的對流傳熱系數(shù)值很小，而飽和蒸汽的對流傳熱系數(shù)值很大。所以，這一傳熱過程的主要熱阻便集中在氣體一側(cè)，要提高傳熱速率，就必須設(shè)法降低氣體一側(cè)的熱阻。當(dāng)氣體在管外流動(dòng)時(shí)，在管外增設(shè)翅片，既可以增加傳熱面積，又可以強(qiáng)化氣體的湍動(dòng)程度，使氣體的對流傳熱系數(shù)提高。

在化工生產(chǎn)中，常采用氣流干燥和沸騰干燥干燥物料。干燥時(shí)使用的熱空氣多是用風(fēng)機(jī)使空氣通過管翅式換熱器用蒸汽加熱得到。對于管翅式換熱器另一重要應(yīng)用是空氣冷卻器（簡稱空冷器），它是利用空氣在翅管外流過時(shí)冷卻或冷凝管內(nèi)通過的流體。近年來用翅片管制成的空冷器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣。用空冷代替水冷，不僅在缺水地區(qū)適用，對水源充足的地方，采用空冷也可取得較大的經(jīng)濟(jì)效果。第六節(jié)

換熱器②

板翅式換熱器

板翅式換熱器是一種更為高效緊湊的換熱器，板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板之間，加入波紋狀或其他形狀的金屬片，將兩側(cè)面封死，即成為一個(gè)換熱基本元件。將各基本元件進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕校⒂免F焊固定，制成常用的逆流或錯(cuò)流板翅式換熱器的板束，如圖5-29所示。把板束焊在帶有流體進(jìn)