1、4.4.4 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用v传热面积的计算：传热面积的计算：vK 为常数时：为常数时：v当当K为变量为变量，但，但K随温度呈线性变化时：随温度呈线性变化时：mmtKQStKQ SQtttdKtd21S)(为为常常数数设设batbaK,4.4.4 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用v传热面积的计算：传热面积的计算：QtttdKtd21S)(12211221212021ln)()(2121tKtKtKtKSQSQtttbtatddSQtttKtdttStt （3）K 随温度不呈线性变化时：随温度不呈线性变化时：若若K 随温度变化不大，可以采用随温度变化不大，可以采用
2、分段计算法：分段计算法：将换热器分段，每段的将换热器分段，每段的K视为常量，将各段视为常量，将各段计算所得的换热面积相加和。计算所得的换热面积相加和。njjjmjiQQtKQ1jS njjmjjtKQS1（3）K 随温度不呈线性变化时：随温度不呈线性变化时：21,0TTphhmStTKdTcqdSS 21,0ttpccmStTKdTcqdSS用图解积分法或数值积分法求得。用图解积分法或数值积分法求得。例例4-10 现要求每小时将现要求每小时将500kg的乙醇饱和蒸气的乙醇饱和蒸气（Tb=78.5）在换热器内冷凝并冷却至）在换热器内冷凝并冷却至30,已知已知其传热系数在冷凝和冷却时分别为其传热系
3、数在冷凝和冷却时分别为 1=3500Wm-2 K-1，2=700Wm-2 K-1，t1=15，t2=35。已知水的传热系数已知水的传热系数 3=1000Wm-2 K-1，cp,c=4.2kJkg-1K-1,忽略管壁和污垢热阻忽略管壁和污垢热阻,求换热求换热器的传热面积。器的传热面积。解：乙醇冷凝放热：解：乙醇冷凝放热：乙醇冷却放热：乙醇冷却放热：WkgJskgrqQhm513,11022.1108803600500 WCCkgJskgtcqQhphm4113,21089.1305.78108.23600500 总放热：总放热：Q1+Q2=1.41 105W冷却水流量冷却水流量v用传热速率方程求
4、传热面积，既有相变传热，用传热速率方程求传热面积，既有相变传热，也有无相变的变温传热，因此将传热面积分段也有无相变的变温传热，因此将传热面积分段求解，分为冷凝段和冷却段，求得两段分界处求解，分为冷凝段和冷却段，求得两段分界处的水温，再求其他。的水温，再求其他。111512,68.1153542001041.1 skgCCkgJWttcQqcpcm78.578.5353015冷凝段冷凝段两段分界处水温：两段分界处水温：t=35-17.3=17.7 78.578.5353015,tcqrqcpcmhm Ccqrqtcpcmhm 3.17420068.11022.15,冷凝段：冷凝段：1231177
5、810001350011111 KmWK 251,11104.36.517781022.1mtKQSm Ctm 6.51355.787.175.78ln355.787.175.781,78.578.535301517.7 冷却段冷却段v换热器传热面积换热器传热面积S=S1+S2=3.04+1.40=4.44m2 Ctm 8.3215307.175.78ln15307.175.782,123224121000170011111 KmWK 242,22240.18.324121089.1mtKQSm 78.578.535301517.7 2.实验测定总传热系数实验测定总传热系数Kv方法：实验测定流
6、体的温度、流量等参数，方法：实验测定流体的温度、流量等参数，通过通过 计算。计算。例例mtKQ S3.换热器的操作型计算换热器的操作型计算v若若qm,c=1.2 qm,c，t1、t2不变，应采取什么措施不变，应采取什么措施?（忽略管壁热阻和污垢热阻）（忽略管壁热阻和污垢热阻）T1T2t1t28020T=116.3P=1.765 105Pa壳间水蒸气冷凝壳间水蒸气冷凝空气湍流空气湍流例例4-11v原流量下：原流量下：v新流量下：新流量下：（2）传热速率）传热速率v原流量下原流量下 ，式中，式中 蒸气蒸气空气空气蒸气蒸气空气空气 111 K 0525(1)热量恒算热量恒算tcqQcpcm ,Qtc
7、qtcqQcpcmcpcm2.12.1,mtKAQ 空气空气 K60002000030000100000T2T1t1t2 12 KmWv新流量下，强制湍流，管径不变，新流量下，强制湍流，管径不变，则则8.01u uu2.1 16.12.12.18.08.08.0 uu空气空气空气空气 16.1mmtKAtAKQ mmmmmttttKAtKAQQQQ 034.116.12.116.12.1原流量下原流量下新流量下新流量下 Ctm 5.61803.116203.116ln803.116203.116Ctm 6.635.61034.1 CTTTTtm 6.638020ln8020CT 2.118只有
8、提高饱和蒸气的压力才能满足要求。只有提高饱和蒸气的压力才能满足要求。Pap510961.1 T1=116.3T2=T1t1=20t2=80P=1.765 105PaT1=？qm,c=1.2 qm,c4.4.5 传热单元数法（传热单元数法（NTU法）法）传热单元法又称传热效率传热单元法又称传热效率-传热系数法（传热系数法（-NTU)一、传热效率一、传热效率maxQQ最大可能传热速最大可能传热速实际传热速率实际传热速率传热效率传热效率 最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差 变化的传热速率。变化的传热速率。理论上最大的温差：理论上最大的温差：11tT
9、17热容流量：热容流量：qmcp 由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化最小值流体：最小值流体：热容流量最小的流体为最小值流体。热容流量最小的流体为最小值流体。)()(12,21,ttcqTTcqQpccmphhm minh,m)(q pmphcqc 当当112111,21,1)()(tTTTtTcqTTcqphhmphhm 18mincm,)(q pmpccqc 当当111211,12,2)()(tTtttTcqttcqpccmpccm 二、传热单元数二、传热单元数dStTKdtcqdTcqdQpchmphhm)(,SpccmttcqKdStTd
10、t0,21cNTU)(基于冷流体的传热单元数基于冷流体的传热单元数 ccttpccmttpccmNTUHLtTdtdKncqLtTdtKcqS 2121,19传热单元数：传热单元数：量纲为量纲为1的函数，反映的函数，反映传热推动力传热推动力和和传热所要求传热所要求的温度变化的温度变化。传热推动力。传热推动力，（，（NTC)c pccmpccmttccqdLnKcqKStTdtNTU,21 传传热热单单元元长长度度 cH 长度量纲，是传热热阻和流体流动状况的函数。长度量纲，是传热热阻和流体流动状况的函数。总传热系数越大，传热单元长度越短，所需传热总传热系数越大，传热单元长度越短，所需传热面积越小
11、。面积越小。同理，对热流体：同理，对热流体：传热单元长度传热单元长度Hc:20 hhTTphhmttpccmNTUHLtTdTdKncqLtTdtKcqS 2121,21三、传热效率与传热单元数的关系三、传热效率与传热单元数的关系根据热量衡算和传热速率方程导出。根据热量衡算和传热速率方程导出。以单程并流换热器为例推导。以单程并流换热器为例推导。并流：并流：maxminmaxminmin1)1(exp1CCCCNTU 1212lntttttm phhmpccmcqCcqC,max,min,令：令：mtKSQ 1122tTtT 22三、传热效率与传热单元数的关系三、传热效率与传热单元数的关系同理，
12、逆流时传热效率和传热单元数的关系：同理，逆流时传热效率和传热单元数的关系：)1(exp1)1(exp1maxminminmaxminmaxminminCCNTUCCCCNTU phhmpccmcqCcqC,min,max,若热流体为最小值流体，则令：若热流体为最小值流体，则令：得出了冷流体为最小值相同的公式。得出了冷流体为最小值相同的公式。绘图绘图)/,(maxminCCNTUf 单程逆流换热器中和 NTU 关系 折流换热器中和 NTU 关系 244.4.6 4.4.6 传热计算示例传热计算示例 例题：用120C的饱和水蒸汽将流量为36m3/h的某稀溶液在双管程列管换热器中从温度为80C上升到
13、95C，每程有直径为252.5mm管子30根，且以管外表面积为基准K=2800 W/m2.C，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求：（1）换热器所需的管长；（2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.C/W，若维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？（定性说明）溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/kg.C。(四四)壁温的计算壁温的计算v对稳态传热过程对稳态传热过程 整理上式可得：整理上式可得：mwmwwwtKAAttAbtTATTQ 2211111 11AQTTw 22AQtAbQTtmww v壁温总是接近壁
14、温总是接近 较大一侧的流体温度；较大一侧的流体温度；v若若 1 2，则壁温则壁温v如果管壁两侧有污垢，则如果管壁两侧有污垢，则(四四)壁温的计算壁温的计算22d211d11R111R1AttAbtTATTQwmwww 2/tTt 例例4-11 在一由在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口入高温气体，进口500,出口出口400。管外为。管外为p=981kN/m2压力压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数a1=250W/m2，水沸腾的对流传热系数，水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/m2。
15、忽略污垢。忽略污垢热阻。试求管内壁平均温度热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均及管外壁平均tw。/24225201000015.2220450025.0250111b112212111kmwddddKm 解：解：(a)总传热系数总传热系数 以管子内表面积以管子内表面积S1为基准为基准 500400(c)(c)计算单位面积传热量计算单位面积传热量 CAQTTw 1882506558045011(d)(d)管壁温度管壁温度 Q/A1=K1tm=242271=65580W/m2 T-热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 T=(500+400)/2=45
16、0 管内壁温度管内壁温度 (b)平均温度差平均温度差 在在p=981 kN/m2，水的饱和温度为，水的饱和温度为179 2712)179400()179500(mt管外壁温度管外壁温度 mwwAQbTt 21111/582905.222065580mwddAQAAAQAQmmm Ctw 8.18458290450025.0188 由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，
17、所以。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。管壁两的温度比较接近。4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径六、六、换热器换热器6.1 间壁式换热器间壁式换热器（一）管式换热器（一）管式换热器1.蛇管换热器：沉浸式和喷淋式蛇管换热器：沉浸式和喷淋式2.套管式换热器套管式换热器3.列管式换热器列管式换热器（二）板式换热器：夹套换热器、螺旋板式换热器（二）板式换热器：夹套换热器、螺旋板式换热器（三）翅片式换热器（三）翅片式换热器（四）热管（四）热管蛇管的形状蛇管的形状（2）沉浸式）沉浸式（3）喷淋式）喷淋式（1）沉浸式蛇管换热器）沉浸式蛇管换热器整体整体v沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器强
18、化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。（2）喷淋式蛇管换热器）喷淋式蛇管换热器 放置在室外空气流通处。管外流体湍动程度较放置在室外空气流通处。管外流体湍动程度较高，故其给热系数较沉浸式为大高，故其给热系数较沉浸式为大;缺点：喷淋不易均匀。缺点：喷淋不易均匀。喷淋式换热器喷淋式换热器2.套管式换热器套管式换热器每一段套管称为每一段套管称为一程一程，长，长46m，程数由传热而定。，程数由传热而定。优点：优点：简单，能耐高压，可严格逆流，有利传热简单，能耐高压，可严格逆流，有利传热缺点：缺点：接头较多易泄露，单位体积传热面积小。接头较多易泄露，单位体积传热
19、面积小。3.列管式换热器列管式换热器a)a)单管程单壳程单管程单壳程结构：一束装在圆柱型壳体内的圆管，两结构：一束装在圆柱型壳体内的圆管，两端再加设封头（端盖）组成。端再加设封头（端盖）组成。b)多程换热器多程换热器v当流体在管束内当流体在管束内(间间)流动的距离流动的距离2个换热器列个换热器列管长度时，称相应的换热器为多管程管长度时，称相应的换热器为多管程(壳程壳程)换换热器。热器。固定管板式固定管板式管壳式换热器管壳式换热器固定管板式换热器：简单，但壳侧不易清洗。固定管板式换热器：简单，但壳侧不易清洗。浮头式换热器：无温差应力，浮头可拆卸；浮头式换热器：无温差应力，浮头可拆卸；U型管式换热
20、器：壳体与管束分开，管内清洗难型管式换热器：壳体与管束分开，管内清洗难填料函式换热器：浮头和壳体之间采用填料函密封填料函式换热器：浮头和壳体之间采用填料函密封浮头式换热器浮头式换热器U型管换热器型管换热器40U型管换热器型管换热器特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。圆缺形圆盘形多管程：增大管内流体多管程：增大管内流体u，提高管内的，提高管内的 加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的（二）板式换热器（二）板式换热器 特点：构造简单，但特点：构造简单，但传热面积受容器壁面传热面积受容器壁面的限制，一般不超过的限制，一般不
21、超过10m2，且传热系数，且传热系数也不高。也不高。为强化传热，可在为强化传热，可在釜内安装搅拌器；为釜内安装搅拌器；为及时移走釜内热量，及时移走釜内热量，可在其中安装蛇管。可在其中安装蛇管。加热蒸汽加热蒸汽冷凝水冷凝水物料物料釜釜夹套夹套搅拌器搅拌器（1）夹套式换热器）夹套式换热器（2）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器特点：传热系数高；不易结垢和堵塞；能利用温特点：传热系数高；不易结垢和堵塞；能利用温度较低的热源；结构紧凑。度较低的热源；结构紧凑。（3）板翅式换热器的板束）板翅式换热器的板束(4)平板式换热器流向示意图平板式换热器流向示意图（三（三)翅片式换热器翅片式换热器（四）热管（四）热管
22、v热管是一个封闭的金属管，管内有毛细吸液液热管是一个封闭的金属管，管内有毛细吸液液芯结构，抽除管内全部不凝性气体并充以定量芯结构，抽除管内全部不凝性气体并充以定量的可气化的工作液体。的可气化的工作液体。蒸汽蒸汽芯网芯网导管导管吸热蒸发端吸热蒸发端放热冷凝端放热冷凝端热管示意图热管示意图6.2 换热器传热过程的强化换热器传热过程的强化（一）强化传热的途径（一）强化传热的途径v增大传热面积增大传热面积A：从改革换热器结构入手，开发单位体积传从改革换热器结构入手，开发单位体积传热面积大的换热器。热面积大的换热器。A金属材料用量金属材料用量 设备费用设备费用 mtKAQ 具体措施：具体措施：v设计制造
23、高效紧凑的换热器：设计制造高效紧凑的换热器：波纹形的平板式换热器板间距波纹形的平板式换热器板间距46mm，其单位体，其单位体积换热面积是列管换热器的积换热面积是列管换热器的6倍；倍；螺旋管为列管的螺旋管为列管的3倍。倍。如：平板式、板翅式及螺旋板式换热器。如：平板式、板翅式及螺旋板式换热器。v 提高传热系数提高传热系数K设法减小对设法减小对K值影响较大的热阻，即可使值影响较大的热阻，即可使K；/对对K影响不大：管壁厚度影响不大：管壁厚度 较薄，金属较薄，金属 大；大；Ri、Ro为管内、外侧污垢层的热阻。为管内、外侧污垢层的热阻。垢层热导率很小，即使很薄垢层热导率很小，即使很薄热阻很大；热阻很大
24、；1mm垢层热阻垢层热阻=40mm厚钢板的热阻厚钢板的热阻对流传热膜系数对流传热膜系数 i、o：v同一数量级，或相差不大同一数量级，或相差不大同时提高两侧同时提高两侧；v相差悬殊时，要相差悬殊时，要K，需重点增加，需重点增加 小的一方的小的一方的 2211111 RRK具体措施：具体措施：vu流体湍动程度流体湍动程度 层流底层厚度层流底层厚度 ，v采用外加脉动或超声波，增加流体的湍动程度。采用外加脉动或超声波，增加流体的湍动程度。v在流体中加入固体颗粒增加传热。在流体中加入固体颗粒增加传热。C Cp p，固体，固体 C Cp p，气体，气体，少量加入即可增加气体的热少量加入即可增加气体的热容量
25、，也可增加气体的湍动程度。容量，也可增加气体的湍动程度。v采用采用 大的流体作载热体，如熔盐、液态金属等，大的流体作载热体，如熔盐、液态金属等，以降低传热边界层的热阻，增大传热速率。以降低传热边界层的热阻，增大传热速率。具体措施：具体措施：v设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，促使形成湍流。如翅片结构，内置各变流动方向，促使形成湍流。如翅片结构，内置各种插物：麻花铁、螺旋圈等。种插物：麻花铁、螺旋圈等。v增大平均温度差增大平均温度差tm两流体采用逆流传热；两流体采用逆流传热；提高热流体的温度或降低冷流体的温度。提高热流体的温度或降
26、低冷流体的温度。根据技术上的可能和经济上的合理性：根据技术上的可能和经济上的合理性：选择加热剂或冷却剂。选择加热剂或冷却剂。554.6.1 4.6.1 换热器的分类换热器的分类按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器按冷热流体热量交换方式分类：混合式、蓄热式和间壁式主要内容：1.根据工艺要求，选择适当的换热器类型；2.通过计算选择合适的换热器规格。564.6.2 4.6.2 间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型一、夹套换热器一、夹套换热器57流体流过折流挡板流体流过折流挡板581.固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。592.浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结
27、构复杂603.U型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。614.6.3 4.6.3 列管换热器的选用列管换热器的选用1.根据工艺任务，计算热负荷2.计算tm3.依据经验选取K，估算A4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数；由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。浙江大学本科生课程化工原理第五章 传热过程计算与换热器62/16根据换热任务，选定一些参数，如流速、K 等试算 A初选换热器型号及规格校核 K、A设计方法及步骤：设计方法及步骤：5.3.1列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热
28、器（管壳式换热器）635.核算K 分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。6.计算A 根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。64选用换热器中的有关问题：选用换热器中的有关问题：(1)流体流经管程或壳程的选择管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体。壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体。原则：传热效果好，结构简单，清洗方便(2)流体uuK，在同Q、tm下A，节省设备费；uHf ，操作费用增加；u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流动。65(3)换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：192mm和2
29、52.5mm 管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形错列66流体垂直流过管束外流动流体垂直流过管束外流动674.6.4 4.6.4 传热过程的强化途径传热过程的强化途径一、增大一、增大 tmmtKAQ 提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度 两侧变温情况下，尽量采用逆流流动为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K。二、增大二、增大A/V 直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q68 采用高效新型换热器改进传热面结构入手来增大A 和湍动程度，使Q(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片69三、增大三、增大K)1()1(12211RbRK 尽可能利
30、用有相变的热载体（大）用大的热载体，如液体金属Na等 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 提高较小一侧有效 提高的方法(无相变)：增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度704.6.5 4.6.5 新型的换热器新型的换热器一、平板式换热器一、平板式换热器7172优点：传热效率高，K大结构紧凑，操作灵活，安装检修方便缺点：耐温、耐压差易渗漏，处理量小73二、螺旋板式换热器二、螺旋板式换热器74优点：传热效率高不易堵塞结构紧凑，成本较低缺点：压力、温度不能太高难以维修75三、翅片管换热器三、翅片管换热器 特点：增加A，增强管外流体的湍流来提高。重要的应用场合：空气冷却器 管外加翅片，大大改善了空气侧的传热效果 翅翅 片片 管管 换换 热热 器器
