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1、第五章 传热,本章的基本要求,了解传热过程的基本原理、影响传热速率的因素及控制传热速率的一般规律，以便根据生产要求来强化热量传递，选择适宜的传热设备及列管式换热器的设计、选型。（1）了解热传导的基本原理、掌握平壁、圆筒壁的热传导计算；（2）了解对流传热的基本原理，掌握对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项；（3）熟练掌握传热过程的计算，传热速率方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径；（5）了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。,本章重点,1、热传导的基本原理、平壁、圆筒壁的热传导计算；2、对流传热的
2、基本原理、及影响对流传热的因素，对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项；3、间壁壁两侧流体热交换传热过程的计算；4、强化传热过程的途径。,本章难点,1、对流表面传热系数的物理意义及经验关联式的用法、使用条件及注意事项；2、间壁壁两侧流体热交换传热过程的计算；,第一节 概述,热是能量的一种形式，热能广泛存在于自然界中，传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种传递过程，凡是有温度差存在的地方就有热量传递。与传热有关的基础知识对于从事化工生产的人员是极其重要的。,一、传热在化工生产过程中的应用,1、提供反应所需的热量或移走反应产生多于的热量。2、化工生产设备的保温保冷。3
3、、生产过程中热量的合理使用以及废热的回收利用。4、某些单元操作如蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等与传热过程密切相关,二、传热的基本方式,1、热传导依靠物体内自由电子运动或分子原位振动，从而导致热量传递的过程2、对流传热对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。3、辐射传热又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间传递，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能的过程。辐射传热与其他两种传热方式的最大区别是其传热不需要任何媒介。,三、工业生产上的换热方法,1、直接接触式换热适用于用水来冷凝水蒸气等允许两股流体直接接触的场合；2、蓄热式换热间歇操作，化工生产中使用不
4、多；3、间壁式换热两股流体需要换热又不允许直接接触的场合,四、间壁式换热器简介,1、套管式换热器由直径不同的两根管子同心套在一起组成。冷热流体流过管芯与环隙，通过管壁传热。2、列管式换热器由壳体、管板、管束、封头组成。一种流体流经管程、一种流体流经壳程。,五、稳定传热和不稳定传热,在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态传热。本章只讨论稳定传热。,第二节 传热计算,一、传热速率方程传热速率：单位时间内传递的热量。用“Q”表示，单位：J/s=w传热速率与传热面积有关，与冷、热二流体的温度差有关，且成正比Q Atm，引入比
5、例系数K，即Q=KAtm K=Q/A tm,二、热负荷和载热体用量的计算,1、热负荷与传热速率的关系热负荷：要求换热器在单位时间内传递的热量。传热速率：换热器单位时间内传递的热量。热负荷是换热器的生产任务，是由工艺条件决定的，是对换热器提出的要求。传热速率是换热器本身的换热能力，是设备的特性，也可以说换热器的生产能力。,1、热负荷的三种计算方法,焓差法：Q=qm热（H1-H2）Q=qm冷（h2-h1）式中：H、h热、冷流体的焓值，kJ/kg 1、2-进出口,显热法,流体在换热过程中仅温度发生变化。Q=qm热 c热（T1-T2）Q=qm冷c冷（t2-t1）式中：c热、c冷在定性温度下流体的比热，
6、KJ/Kg。k T、t 冷、热流本进出口温度，K。,潜热法,流体在换热过程中发生相变。Q=qm热r热Qc=qm冷r冷式中：qm热、qm冷冷热流体的质量流量，kg/hr热、r冷冷热流体的汽化潜热，kJ/kg,2、载热体的选用,1、载热体温度必须满足工艺要求2、载热体的温度调节方便3、载热体具有化学稳定性，不分解4、载热体的毒性小、腐蚀性小5、载热体不易燃、不易爆6、载热体价廉易得,三、平均温度差,由于换热器中沿程流体的温度、物性是变化的，速率方程式中的传热温差（T-t）和传热系数K一般也就会变动，在工程计算中通常用平均传热温差代替，于是得到总的传热速率方程的表达式：Q=KAtm间壁两侧流体平均温
7、度差的计算方法与换热器中两流体的相互流动方向有关，而两流体的温度变化情况，可分为恒温传热和变温传热。,（1）恒温传热时的平均温度差,换热器的间壁两侧流体均有相变化时，例如在蒸发器中，间壁的一侧，液体保持在恒定的沸腾温度t下蒸发，间壁的另一侧，加热用的饱和蒸气在一定的冷凝温度T下进行冷凝，属恒温传热，此时传热温度差（T-t）不变，即：tm=T-t,（2）变温传热时的平均温度差,变温传热时，两流体相互流动的方向不同，则对温度差的影响不同，分述如下：逆流和并流时的平均温度差。在换热器中，冷、热两流体平行而同向流动，称为并流；两者平行而反向的流动，称为逆流。,逆流、并流时温度变化示意图,经推导得,错流
8、和折流时的平均温度差,在大多数的列管换热器中，两流体并非简单的逆流或并流，因为传热的好坏，除考虑温度差的大小外，还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流向，是比较复杂的多程流动，或是相互垂直的交叉流动。,错流、折流示意图,平均温度差计算方法,先按逆流计算对数平均温度差再乘以修正系数，即tm折=tm逆值可以根据R、P值查图获得。,P、R图,传热系数的测定和经验值,1、现场实测根据传热速率方程可知，只需从现场测得换热器的传热面积A平均温度差tm，传热系数K很容易测得。制成新型换热器后，为了检验其传热性能，要通过试验测得。,2、采用经验数据,进行换热器传热
9、计算时常需先估计传热系数。列管式换热器的K值范围如表,3、计算法,两流体通过间壁的传热过程包括以下过程：1、热流体以对流传热方式将热传给间壁2、间壁热传导3、间壁又以对流方式将热传给冷流体。传热过程总阻力为两个对流传热阻力与一个热传导阻力之和。K值为总阻力的倒数,第三节 热传导,1、导热基本方程和热导率实验表明：物体的导热速率与传热过程的温度差、传热面积成正比，与传导的距离成反比，其关系可用数学式子表示为：Q A/（t1-t2）改写为比例式则Q=A/（t1-t2）,热导率,比例系数为热导率=Q/A（t1-t2）单位：W/(m)的物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是表征物质导
10、热能力的一个物性参数，导热越快。导热系数的大小与物质的组成、结构、温度和压强有关。,固体的导热系数,金属的导热系数：纯度增加，金属的导热系数，温度金属的导热系数非金属的导热系数温度非金属的导热系数；密度，非金属的导热系数。,液体的导热系数非金属液体：水最大；纯液体 混合液体温度，金属液体。气体的导热系数随压强的变化较小，可以忽略不计。气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。,二、通过平壁的稳定热传导,1、单层平壁的热传导公式即为：=Q/A（t1-t2）整理为：Q/A=（t1-t2）/（/）=tm/R导R导=（/）即为单层平壁的导热热阻,2、多层平壁的热传导,工业上常用到多种不同材料
11、组成的平壁，各层的传热速率相等，对于三层平壁，下列关系成立：,三、通过圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导也可仿照平壁的热传导来处理，不过传热面积A应用A均 代替，即：Q=A均（t1-t2）/A均=2rlQ=2rl（t1-t2）/（r1-r2）r1、r2、rm圆筒内、外壁、平均半径，m；,2、单层圆筒壁的稳定热传导,以三层圆筒壁为例：假设各层间接触良好，各层的导热系数分别为1、2 和3。仿照多层平面壁的方法，可写出三层圆筒壁的热传导速率方程式为：,第四节 对流传热,对流传热是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况相关
12、。在对流传热的同时伴有流体间的导热现象，通常对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程。,一、对流传热分析,间壁两侧流体沿壁面呈湍流流动时，邻近壁面处总有一层作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层。在滞流内层和湍流主体之间有缓冲层。湍流主体：在远离壁面的湍流主体中，流体质点剧烈运动，充分混合，热量传递主要以对流方式进行。质点相互混合传递热量，热阻较小，温度趋于一致。缓冲层：热传导和热对流同时起作用，流体的温度发生缓慢的变化。滞流内层：流体质点仅有平行,对流传热温度分布示意图,2、对流传热方程,在单位时间内，以对流传热过程传递的热量与固体壁面的大小、壁面温度和流体主体平均温度二者间的差成正比。即 QA（
13、t壁-t）式中：Q单位时间内以对流传热方式传递的热量，W A固体壁面积，m2 t壁壁面的温度，t 流体主体的平均温度,引入比例系数，则上式为：,Q=A（t壁-t）称为对流传热系数单位，w/(m2.)在单位时间内，当壁面与流体主体的温差为1K时，每1 m2固体壁面与流体之间所传递热量的数值与其相当。（即当A=1 m2，t=1K，在数值上=Q）。,对流传热系数,1、影响给热系数的主要因素流体的种类和相变化的情况.流体的物性流体的流动状态流体流动的原因传热面的形状、位置和大小。,2、对流传热系数,特征数关联式,使用经验关联式时应注意的问题,a)应用范围：关联式中Re、Pr、Gr的数值范围。b)特征尺
14、寸：Nu、Re、Gr等准数中 如何选取。c)定性温度：各准数中流体的物性应按什麽温度确定。,（1）流体在圆形直管内作强制湍流,对于低粘度（小于2倍常温水的粘度）的流体,2、有相变情况下的计算式,（1）蒸气冷凝时的给热系数（2）液体沸腾时的给热系数,第五节 传热系数,一、传热系数的计算1、传热面为平壁,1、多层平壁,公式可为：,2、若固体壁面为金属材料,公式可写成,3、壁面的温度,稳定传热过程中热流体对壁面的对流传热量及壁面对冷流体的对刘传热量均相等，即Q/A=1（T-t壁1）=2（t壁2-t）由式可知壁温总是接近值大的那一侧流体的温度。,2、传热面为圆筒壁,当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不
15、相等。分别以A外、A内、A均表示换热管的换热面积,二、污垢热阻,换热器使用一段时间后，传热壁面往往积存一层污垢，对传热形成了附加热阻，称污垢热阻。污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构及运行时间等因素有关。对于一定的流体，增加流速，可以减少污垢在壁面的沉积，降低污垢热阻。,若：管壁内侧的污垢热阻为Rs.i 管壁外侧的污垢热阻为Rs.o若换热器内外结垢，存在污垢热阻Rsi、Rso，则：,第六节 换热器,换热器是化工、石油、食品、动力等许多部门的通用设备。由于生产中对换热器有不同的要求，故换热器的类型很多，设计和选用时可根据生产要求进行选择。,一、间壁式换热器类型,1、管式换热器（1）蛇
16、管式换热器结构：蛇管多以金属管弯制而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中，冷热两流体分别在蛇管内、外流动进行热交换。优点：结构简单，造价低廉、能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点：传热面积小，蛇管外对流传热系数较小，检修和清洗不便。为了提高传热系数，可在容器内按装搅拌器。,蛇管的形状,喷淋式换热器,结构：蛇管成行地固定在支架上，热流体在蛇管内流动，冷却水从最上面的淋水管喷淋下来，被冷却的流体自最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与喷淋而下的冷却水进行热交换。喷淋流下的冷却水可收集再进行重新分配。优点：结构简单、造价低廉，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀影响
17、传热效果。用途：用于冷却或冷凝管内液体。,喷淋式换热器,（2）套管式换热器,结构：由直径不同的直管制成的同心套管，可根据换热要求，将n段套管用U形管连接，目的增加传热面积。冷热流体可以逆流或并流。优点：结构简单，应用方便。能耐高压，传热系数较大。传热面积可根据需要增减，能保持完全逆流使对数平均温度差最大。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，管间接头较多，易泄漏，占地面积较多。用途：适用于流量不大、所需传热面积不多而要求压强较高的场合。,套管式换热器的型式,（3）列管式换热器,列管式换热器是化工生产中应用最广泛，最典型的间壁式换热器，主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。管内流动的流体称管程
18、流体。管外流动的流体称壳程流体。管束的壁面为传热面。,列管式换热器主要型式,（1）固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。,具有补偿圈的固定管板式换热器,（2）U形管式换热器,U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。,U形管式换热器的结构型式,（3
19、）浮头式换热器,换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。,浮头式换热器结构形式,列管的排列方式,管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗方便，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。,折流板,又称折流挡板，安装折流板的目的是为了提高壳程流体的对流传热系数。其常用型式有弓形折流板、圆
20、盘形折流板以及螺旋折流板等。常用型式为弓形折流板。折流板的形状和间距对壳程流体的流动和传热具有重要影响。,通常弓形缺口的高度约为壳体直径的10%40%，一般取20%25%。两相邻折流板的间距也需选择适当，间距过大，则不能保证流体垂直流过管束，流速减小，对流传热系数降低；间距过小，则流动阻力增大，也不利于制造和检修。一般折流板的间距取为壳体内径的20%100%。,2、板式换热器,（1）夹套式换热器结构：夹套安装在容器外部，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质和冷却介质的通道。特点：结构简单，加工方便，传热面积小，传热效率低，广泛用于反应釜的加热和冷却。,夹套式换热器,（2）螺旋板式换热器,由两张间
21、距一定的平行的薄金属板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋流道。冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。优点：结构紧凑，总传热系数较高，不易结垢和堵塞，能利用温度较低的热源。缺点：操作压强和温度不能太高，螺旋板维修困难，流体阻力较大。,螺旋板式换热器的结构,3、翅片式换热器,当两流体的对流传热系数相差很大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。当用水蒸气加热空气时，此传热过程的热阻主要由空气侧的对流传热热阻决定。故在空气侧加装翅片，增加了传热面积，强化了传热效果。特点：管外安装翅片，增加了传热面积，提高了管外流体的湍动，增大了传热效果。,
22、常见的几种翅片型式,4、板翅式换热器,板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。基本结构是由两块平行的薄金属板间夹入波纹状或其它形状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热单元。将各基本单元进行不同的叠积和适当地排列，并用钎焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束（又称芯部）。然后将带有流体进、出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。优点：总传热系数高，传热效率好，结构紧凑，轻巧牢固，适应性强，操作范围广。缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。要求介质对铝无腐蚀性。,优点：总传热系数高，传热效率好，结构紧凑，轻巧牢固，适应性强，操作范围广。缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。要求介质对铝无
23、腐蚀性。,板翅式换热器的翅片形式,5、热管式换热器,热管换热器是一种新型的高效换热器，换热器由热管束构成，中间用隔板把冷热流体隔开。用途：适用于气气、气液和液液间的换热过程。,热管换热器的结构,二、传热过程的强化途径,1、增大总传热面积增大总传热面积，可提高换热器传热速率。具体措施如下：1.直接接触传热可使传热面积A，提高传热速率。2.改进换热器的结构，采用高效新型换热器。各种高效新型换热器，结构紧凑单位体积换热器的传热面积较大。,2、增大传热平均温度差tm,增大传热平均温度差，可提高换热器传热速率。具体措施如下：1当两侧流体变温传热时，尽量采用逆流操作。2提高加热剂T的温度（如用蒸汽加热可提
24、高蒸汽的压力）；降低冷却剂的进口温度。,3、增大传热系数K,增强流体的人工搅动,强化流体的湍流程度，如管内装有麻花铁，螺旋圈等添加物。他们能增大壁面附近流体的搅动程度。减小层流边界层的厚度。,抑制污垢的生成或及时除垢,增加流速，改变流向，增大流体的湍动程度，以减少污垢的沉积；控制冷却水的出口温度，加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂量，减缓和防止R污的形成；及时清洗设备。,三、列管式换热器设计与选用时应考虑的问题,1、流体流经管层或壳层的选择原则 不洁净和易结垢的流体宜走管程，腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；高压流体宜走管程 饱和蒸汽宜走壳程，便于及
25、时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，,2、流体流速的选择,3、流体两端温度的确定,若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端温度的问题。若其中一流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。,4、提高管内膜系数的方法,当流体流量较小，所需传热面积较大为了提高流速，增大管程对流传热系数，可采用多层。在换热器封头内添加隔板列管换热器系列标准中，管层数有1、2、4、6四种。采用多层时尽量使每层的管子数相等。,5、提高管外膜系数的方法,（1）装制纵向挡
26、板在壳层安装与管束平行的挡板，也可通过将几个换热器串联实现。（2）装制横向挡板在垂直于管束的方向装制挡板。,6、管子的规格与管间距,管子的规格包括管长与管径管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、3或6m几种，常用3m或6m的规格。长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D的比例应适当，一般L/D=46。,小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热，易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜采用较大的管径因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是采用小直径管子。,
