1、第6章 传热Heat Transfer,7/6/2019,2,传热在化工生产中的应用,6.1 概 述(Introduction),6.1.1 化工生产中的传热过程,蒸发、蒸馏、干燥、结晶、化学反应等,传热过程的基本要求1.强化传热（加热或冷却）；2.避免传热（保温）;,热量传递方向：高温传向低温,传热过程的推动力：温度差,7/6/2019,3,冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。,1 直接接触式传热,6.1.2 冷热流体的接触方式,7/6/
2、2019,4,2 蓄热式传热,冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量传递给冷流体，达到换热的目的。优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。,7/6/2019,5,3 间壁式传热,在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管
3、式换热器为典型设备。,7/6/2019,6,6.1.3 载热体及其选择,加热剂： 水及水蒸气（40-180）,联苯混合物（道生油）（255-380 ）,载热体,熔盐（142-530 ）,冷却剂：水，空气，冷冻剂（无机盐水溶液、乙二醇、液氨）,矿物油（180-250 ）,烟道气（500-1000 ）,选择原则： 温度易于调节 饱和蒸汽压低 无毒、无腐蚀 价格低廉,易得,7/6/2019,7,6.1.4 传热中的基本概念,热流密度（热通量）q：单位面积上的传热速率，Wm-2,潜热：物质在发生相变化时伴随的热量变化，J,传热速率Q是指单位时间传递的热量，W。传热速率也称为热负荷,显热：由于温差而传递
4、的热量,传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率,定压比热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，Jkg-1K-1,q=Q/A,7/6/2019,8,定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。,非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。 通常连续生产多为定态传热，间歇操作多为非定态传热。化工过程中连续生产是主要的，因而本章主要讨论定态传热。,6.1.5 定态传热和非定态传热,7/6/2019,9,6.
5、1.6 温度场和温度梯度,t 某点的温度，； x,y,z 某点的坐标； 时间。,温度场：某时刻物体在空间各点的温度分布。,1 温度场和等温面,7/6/2019,10,定态温度场,非定态温度场,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,不同温度的等温面不相交。,7/6/2019,11,2 温度梯度,温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向。,一维定态传热,7/6/2019,12,6.1.7 传热的基本方式（传热机理）,发生在物质内部或静止（或层流）流体内，无物质的宏观位移,发生在流体内，物质发生宏观位移,依靠电磁波传热,7/6/2019,13,6.1
6、.8 本章要解决的问题,传热规律,毛衣外穿合理吗？加热器（致冷器）应装在房间的什么地方？开水壶底有凹槽，为什么？,传热面积计算,换热器的结构,7/6/2019,14,6.2 热传导（Heat Conduct）,热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。导热不依靠物质的宏观位移，起因于物体内部分子微观运动的一种传热方式。,7/6/2019,15,6.2.1 傅立叶定律(Fouriers Law),随传热距离而引起的温度变化，称为温度梯度,7/6/2019,16,物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T
7、、P）有关。 物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每秒经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的越大，导热性能越好。 通常：导电固体非导电固体，液体气体 T升高，气体、水的升高，其它液体的降低 。,导热系数,数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定，也可以查资料、计算,7/6/2019,17,若为常数，则：,当x=0时，t=t1，当x=时， t=t2积分上式：,6.2.2 平面壁的一维定态热传导,1.单层平面壁的热传导,热阻,显然，Q =常数且q =常数,7/6/2019,18,2. 多层平壁的一维定态热传导,显然，通过每一层Q =常
8、数，q =常数,7/6/2019,19,两层壁交界处的温度,7/6/2019,20,例6-1某工业锅炉的炉壁由耐火砖（1=1.3W/m.K）、保温砖（2=0.20W/m.K）普通砖（3=0.95W/m.K）组成，炉膛内壁温度为1000 ，普通砖层厚12 cm，其外表面温度为50，通过炉壁的热损失为1200W/m2, 绝热材料的耐热温度为900 ，求耐火砖的最小厚度及此时绝热层的厚度及其外壁温度。,耐火砖,解得110.83cm,解得t3=201.6 ,解得211.64cm,普通砖,保温砖,7/6/2019,21,1. 单层圆筒壁定态导热,若为常数，则：,-可见温度分布 为对数关系,6.2.3 圆
9、筒壁的一维定态热传导（无内热源）,7/6/2019,22,7/6/2019,23,2. 多层圆筒壁稳态导热,7/6/2019,24,例6-2 外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的保温层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m)。若蒸汽管道外表面温度为 177 ，保温层的外表面温度为 38，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。,解：,由：,保温层的外表面的半径 r30.2130.426=0.639m,温度 t3=38,蒸汽导管外表面的半径 r20.426/2=0.213m, 温度 t2=177,7/6/2019,25,可得每米管道的热损失为：,设保温层内半径
10、 r 处的温度为 t，代入上式：,将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：,t = -126.6 ln r 18.64,筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。,7/6/2019,26,7/6/2019,27,例6-3 有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之比2/1=5，此时单位时间的热损失为Q；若将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为Q，求Q/Q=？,导热系数小的材料应包在内层,解：,7/6/2019,28,保温层的临界厚度,7/6/2019,29,影响因素：接触材料的种类及硬度，接触
11、面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质,6.2.4 接触热阻,接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,7/6/2019,30,6.3 对流传热(Heat Convection),热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。,7/6/2019,31,1 对流传热过程分析,（1）层流边界层（层流内层）内：热 传导，热阻大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同 起作用；（3）湍流区：充满漩涡，混合较好， 对流为主，热阻小。,6.3.1 对流传热速率牛顿冷却定律,7/6/2019,32,2 对流传热速率牛顿冷却定律,流体被加热：,Q 对流传热速率，W； 对流传热
12、系数，W/(m2)； Tw，tW 热、冷流体侧壁温，； T ，t热、冷流体平均温度，； A 传热面积，m2。,流体被冷却：,7/6/2019,33,6.3.2 对流传热系数,（1）引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强 自,（2）流体的物性，cp,1.影响因素,7/6/2019,34,（5）是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变,（4）传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。,（3）流动型态 层流、湍流 湍 层
13、,7/6/2019,35,2 对流传热系数的因次分析,影响对流给热的因素有：,式中 l特性尺寸； u特征流速。通过因次分析，上述8个变量可用4个无因次数群表示。, f(u，l，cp，gt),7/6/2019,36,Nusselt Number ：待定准数,Reynolds Number :流动型态对 对流传热的影响,Prandtl Number :流体物性对 对流传热的影响,Grashof Number :自然对流对 对流传热的影响,Nu=f ( Re, Pr, Gr ),7/6/2019,37,适用范围： Re10000，0.760,6.3.3 无相变时对流传热系数的经验关联式,1圆形管内的
14、强制湍流,流体被加热时，n0.4流体被冷却时，n0.3,定性温度:,特征尺寸为管内径di,7/6/2019,38,强化措施： u, u0.8 d, d-0.2 流体物性的影响：，cp,7/6/2019,39,(1)高粘度流体（2mPa.s）,Re10000，0.760定性温度取tm；特征尺寸为di,7/6/2019,40,(2) l/d60，乘以校正因子f,(3) 过渡流（2000Re膜,7/6/2019,56,2 蒸汽冷凝的,（1） 水平管束外,式中 n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），kJ/kg。,特性尺寸l：管外径do,定性温度：膜温,7/6/2019,57,湍流,（2
15、） 竖壁或竖管上的冷凝,层流,适用条件：Re1800,特性尺寸l：管或板高H,定性温度：膜温,7/6/2019,58,6.4.4 冷凝给热的影响因素和强化措施1 流体物性 冷凝液， ；冷凝液，cp；潜热r 2 温差 液膜层流流动时，t=tstW，温差越大，越大3 不凝气体 不凝气体存在，导致减小，定期排放。,7/6/2019,59,4 蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时， ；反向时， 5 过热蒸汽 包括冷却和冷凝两个过程，仍按饱和蒸汽计算。6 冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽； 水平管束：可采用错列,7/6/2019,60,对流传热系数小结,7/6/
16、2019,61,的量级,空气中,水中,总之：,油类中,7/6/2019,62,6.5 热辐射(Heat Radiation)6.5.1 基本概念,1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。,特点： 能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 不需要任何介质。,7/6/2019,63,热射线在本质上与光射线一样，所不同的是波长范围。从理论上讲，热辐射的波长范围为 0，但具有实际意义的波长为 0.420 m。可见光： 0.40.8 m 很高温度下才有明显作用红外线： 0.820 m 在热辐射中起决定作用,7/6/2019,64,能量
17、守恒定律：,式中 吸收率； 反射率； 透射率。,3. 热辐射对物体的作用总能量Q；被物体吸收Qa ；被反射Qr ；透过物体Qd,7/6/2019,65,黑体：能全部吸收辐射能的物体 a=1；无光泽的黑漆表面 a=0.960.98 雪霜a=0.985, 近似黑体。 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体 r=1；铜r=0.97。黑白之分不据颜色。 透热体：能全部透过辐射能的物体 d=1。例如He 、N2 、H2 、O2等气体。 上面定义的物体多是理想物体，自然界中并不存在，只是作为一种比较标准而建立。实际物体，象一般的固体都能部分吸收所有波长范围的辐射能。 灰体：能以相同的吸收率a吸收全部（0
18、m）波长辐射能的物体。特点：其吸收率不随辐射波长而变，是不透热体，d=0, a+r=1,大多数工程材料可视为灰体。 工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但a不相同，相差不多，可近似视为灰体。,4. 黑体、镜体、透热体和灰体,7/6/2019,66,6.5.2 物体的辐射能力,辐射能E：物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从0到），W/m2。,物体的单色辐射能E0：物体在一定温度下，发射某种波长的能力，单位W/m3。,辐射能与单色辐射能的关系：,普朗克定律,7/6/2019,67,0黑体辐射常数，5.67 10-8W/(m2 .K4)； C0黑体辐射系数
19、，=5.67W/(m2 .K4),斯蒂芬-波尔茨曼定律,1. 黑体,7/6/2019,68,物体的黑度是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度（常见材料的黑度值见下表）。,2. 灰体,辐射能力E：,C灰体的辐射系数，C=0-5.67W/(m2.K4),7/6/2019,69,某些工业材料的黑度,7/6/2019,70,任何物体的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即E/a=Eb=f(T)所以，同一温度下 a=。任何物体的吸收率a可用黑度的数值， 可测。 Kirchhoff定律,克希霍夫定律,7/6/2019,71,结论：（1）任何物体的辐射能力与吸收率的比值均相同，且等于同温度下绝
20、对黑体的辐射能力。物体的辐射能力越强，其吸收率越大。（2）a= 即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。（）a，b，即在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的辐射能力为最大。,7/6/2019,72,蓝贝特 (Lambert) 定律,1 两黑体间的辐射传热和角系数,6.5.3 两固体间的相互辐射传热,：角系数,7/6/2019,73,2 两灰体间的辐射传热,E1, r1, T1,E2, r2, T2,E2,板1(灰体),板2(灰体),T1 T2,E2r1,E2r1r2,E2r12r2,E2r12r22,E1, r1, T1,E2, r2, T2,E1,板1(灰体),板2(灰体),T1 T2,E
21、1r2,E1r1r2,E1r12r22,E1r1r22,辐射能可被多次被吸收和反射,7/6/2019,74,对于定常辐射过程 (温度不变)：,可将灰体理解为对投入辐射全部吸收而辐射能力为 Eout 的“黑体”,Ein,一般情况下：,处于任何相对位置的两灰体间交换的净辐射能为：,7/6/2019,75,对于封闭系统：,s 系统黑度C1-2 总辐射系数,注意有：,7/6/2019,76,A， 和 C1-2 的计算方法,7/6/2019,77,3. 影响辐射传热的因素,(1). 温度的影响 T4 ， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式(2). 几何位置的影响(3). 表面黑度的影响 ，可通过改变黑
22、度的大小强化或减小辐射传热。(4). 辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热屏）。,7/6/2019,78,6.5.4 高温设备及管道的热损失,对流散热：,辐射散热：,总热损失：,式中T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)。,7/6/2019,79,空气自然对流，当tW1500C时平壁保温层外,(2) 空气沿粗糙壁面强制对流空气速度u5m/s时,7/6/2019,80,1 热量衡算,无热损失：,6.6 传热过程计算,6.6.1 传热过程数学描述,7/6/2019,81,（1）.无相变,式中 Q 热冷流体放出或吸收的热量，J/s； qm1, qm2热、冷流体的质
23、量流量，kg/s； cp1,cp2 热、冷流体的比热容， J/(s. ) ；,7/6/2019,82,（2）.相变,式中 r 热流体的汽化潜热，kJ/kg； TS 热流体的饱和温度，。,冷凝传热,（3）冷凝变温传热,7/6/2019,83,热流体间壁侧：热对流： 间壁间壁：热传导：间壁冷流体：热对流：,2 总传热速率方程,三个串联传热环节：,7/6/2019,84,7/6/2019,85,对于圆形管道：当A以外径做基准时，即：,1 总传热系数,6.6.2 总传热系数和传热温度差,7/6/2019,86,若导热热阻很小,总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高K值，关键是提高较小的给热系数
24、。,若12,当管壁较薄时，d1=d2=dm, A1=A2=Am,7/6/2019,87,获取K的途径, 查取K值 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，下表列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。, 实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：,实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。,
25、7/6/2019,88,列管换热器总传热系数K的经验数据,7/6/2019,89,(1) 恒温传热,（2） 变温传热,t与流体流向有关,2 传热温度差,逆流,并流,错流,折流,7/6/2019,90,1) 逆流和并流,逆流,并流,7/6/2019,91,假设： 1）定态传热、定态流动，qm1、 qm2一定,2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的平均值,3）K沿管长不变化。,4）热损失忽略不计。,逆流,并流,7/6/2019,92,沿传热面的局部温度差（T-t）是变化的，所以在计算传热速率时必须用积分的方法求出整个传热面上的平均温度差tm。,如图所示，热流体的质量流量qm1，比热容cp1
26、，进出口温度为T1、T2；冷流体的质量流量qm2，比热容cp2，进出口温度为t1、t2。,现取换热器中一微元段为研究对象，其传热面积为dA，在dA内热流体因放出热量温度下降dT，冷流体因吸收热量温度升高dt，传热量为dQ。,以逆流为例的tm的推导*,7/6/2019,93,dA段热量衡算的微分式：,dA段传热速率方程的微分式：,逆流：,边界条件：,A=0时，A=A时，,7/6/2019,94,对整个换热器做热量衡算：,得：,7/6/2019,95,即：,对数平均温差,进口处的温差。,出口处的温差。,7/6/2019,96,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷
27、却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,7/6/2019,97,解 ：,逆流时：,热流体：,冷流体：,并流时：,热流体 ：,冷流体 ：,7/6/2019,98,例6-4 在套管式油冷却器里，热油在252.5mm的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为216kg/h，油的进、出口温度分别为150和80，水的进口温度为20。油侧对流传热系数为1.5kw /( K) ，水侧的对流传热系数为3.5kw /( K) ，油的比热为2.0kJ /(kg K) ，试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。,7/6/
28、2019,99,解,逆流时（以外表面计算）,7/6/2019,100,并流时：Q、t2、K与逆流时相同,7/6/2019,101,2) 错流和折流,查图求解,7/6/2019,102,温差修正系数1，即tmtm，逆，换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济。增大的一个方法就是改用多壳程。,7/6/2019,103,6.6.3 壁温的计算,（1）大，热阻小，tW=TW,7/6/2019,104,TW接近于T，即热阻小侧流体的温度。,（3）两侧有污垢,（2）当tW=TW，得,7/6/2019,105,设计型计算：在给定的工艺条件下，设计一台新的换热器。 设计原则：技术上可行，经济上合理。,例：热流
29、体的冷却已知：qm1、T1、T2、t1 及物性 求：Atm：需要选定 t2。t2， qm2 ，操作费用，但 tm，A ，设备费用。一般按 tm 不小于10来确定 t2。K： 与流体的流动方式和流速有关。速度 ，K值，传热面积，但流动阻力，动力消耗。基本原则：湍流、逆流。对列管换热器的复杂流动，流向和流动空间的安排以温差修正系数 不低于 0.8 为宜。 A：,6.6.4 传热过程计算,7/6/2019,106,操作型计算 ：核算已有换热器在非设计工况下的传热性能,(1) 产量改变造成工艺流体流量的变化，要求预测现有换热器在冷流体流量和进口温度不变的条件下，工艺流体的出口温度 T2。(2) 上游设
30、备工况改变而引起工艺流体的进口温度发生变化，需预测出口参数的变化。(3) 冷却剂水的进口温度受季节和气候影响，从而会使工艺流体的出口参数产生波动，需预测出口温度的波动值。(4) 新换热器刚投入使用时，垢层尚未形成，其总传热量系数 K 远大于考虑了污垢热阻的设计值，需要预测 K 的这种变化对传热的影响。,7/6/2019,107,1 对数平均温差法,（逆、并流）,（其他流动情况）,7/6/2019,108,例6-5 在双管程列管式换热器中用0.3MPa (表压)的饱和蒸汽将流量为2000kg/h的某溶液从20加热至80，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有46根252.5
31、mm的管子，已知溶液的比热为2.8kJ/(kgK)，密度=850kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2K), 传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定： 溶液在管内的流速； 蒸汽的消耗量； 换热管的长度。,7/6/2019,109,解： 溶液的体积流量：,管程流通截面积：,管内平均流速：, 查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热r=2140kJ/kg, 蒸汽消耗量,7/6/2019,110, 表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度ts=142.9, 传热温差：,根据传热速率方程,换热管长度：,7/6/201
32、9,111,例6-6 有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝温度为40，冷凝传热系数1=7000W/m2K。冷却水走管内，其进、出口温度分别为32和36，污垢及管壁热阻取为0.0009 m2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试校核该换热器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格 252.5mm 管长 l=4m 管程数 m=4 总管数 N=272根 外壳直径 D=700mm附：氨冷凝潜热 r=1099kJ/kg34下水的物性：,7/6/2019,112,7/6/2019,113,7/6/2019,114,
33、7/6/2019,115,（1）传热效率,最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差 变化的传热速率。,理论上最大的温差：,2 传热单元数法,7/6/2019,116,热容流量：qmcp,当热流体为最小值流体(qm1cp1qm2cp2),7/6/2019,118,传热单元数：,传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于 平均温度差的倍数。,同理：,7/6/2019,119,（3）传热效率与传热单元数的关系,逆流：,并流：,当冷流体为最小值流体，令：,7/6/2019,120,逆流：,并流：,当热流体为最小值流体，令：,7/6/2019,121,6.6.4 强化传热的途径,传热过程的强化占有十分重
34、要的地位，设计和开发高效换热设备, 可以达到节能降耗的经济目的。 相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。,不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。,7/6/2019,122,(1) 增加传热温差,用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度；在水冷器中降低水温以增大温差；冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差.,(2)提高传热系数,提高K值，必须设
35、法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。 对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。,7/6/2019,123,(3)增大传热面积,用螺纹管或螺旋槽管代替光管，在圆管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片，称之为扩展表面，都能有效提高传热速率。但是，扩展表面的温度低于基管的温度，传热量的增加率低于传热面积的增加率。,7/6/2019,124,6.7 换热器,换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要
36、地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三类，即间壁式、直接混合式、蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，以下主要讨论此类换热器。,7/6/2019,125,6.7.1 间壁式换热器,7/6/2019,126,沉浸蛇管式,7/6/2019,127,7/6/2019,128,夹套式,7/6/2019,129,7/6/2019,130,列管式换热器（管壳式换热器）,列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头
37、等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。,优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,7/6/2019,131,7/6/2019,132,7/6/2019,133,固定管板式,特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。,7/6/2019,134
38、,壳体与传热管壁温度之差大于50C0，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。,7/6/2019,135,7/6/2019,136,U型管式,把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热,浮头式 两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。,7/6/2019,1
39、37,7/6/2019,138,7/6/2019,139,6.7.2 列管式换热器的设计和选用,7/6/2019,140, 确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。, 依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。, 计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另
40、一规格的设备，重新计算压降至满足要求。,2 列管换热器的选用和设计的步骤, 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数cp1和cp2，确定污垢热阻R1和R2, 计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。,7/6/2019,141,上述设计方法及步骤可用方框图表示如下：,7/6/2019,142,6.7.3 其它热交换器,1、板式换热器2、板翅式换热器3、热管4、蓄热池5、空气冷却塔,7/6/2019,143,7/6/2019,144,7/6/2019,145,螺旋板式换热器,传热效率高传热效率为列管式换热器的13倍阻力小以较低的压力损失，处理大容量蒸气或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其它换热器高。,7/6/2019,146,7/6/2019,147,冷入,冷出,热入,热出,7/6/2019,148,
