1、化工基础化工基础ElementaryChemicalEngineering本章主要内容：本章主要内容：1.主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式及其应用；及其应用；2.冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算；冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算；3.强化或削弱传热的途径；强化或削弱传热的途径；4.列管式换热器的基本结构和性能。列管式换热器的基本结构和性能。第第2章章传传热热2-1 2-1 概概 述述一一.化工生产中的传热过程化工生产中的传热过程传热：传热：就是指就是指由于温度差引起的能量转移由于温度差引起的能量转移,热量从高热量从
2、高温处传递到低温处。是自然界和工程技术领域中温处传递到低温处。是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。传热现象几乎无处不在。极普遍的一种传递过程。传热现象几乎无处不在。绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。取出放出的热量或补充需要吸收的热量。化工生产中传热主要运用于：化工生产中传热主要运用于：生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。生产中原料的加热、成品
3、的冷却或冷凝。控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或保温。保温。某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的冷却。冷却。生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。二二.传热的基本方式传热的基本方式根据机理的不同，传热有三种基本方式：根据机理的不同，传热有三种基本方式：传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。传热方式传热方式热辐射热辐射热对流热对流热传导热传导1.1.传导传热传导
4、传热 又称热传导，是又称热传导，是借助物质的分子或原子振动借助物质的分子或原子振动（非金属）（非金属）、自由电子的热运动自由电子的热运动（金属）（金属）而与相邻粒子碰撞来传递热量的而与相邻粒子碰撞来传递热量的过程过程。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。在静止流体内部以及在作在静止流体内部以及在作层流运动层流运动的流体层中垂直于流的流体层中垂直于流动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，这动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实
5、现的，这两类传热过程也应属于传导的范畴。两类传热过程也应属于传导的范畴。可见，固体和静止流体中的传热以及作可见，固体和静止流体中的传热以及作层流运动层流运动的流体的流体层中层中垂直于流动方向上的传热垂直于流动方向上的传热均属于传导传热。均属于传导传热。传导过程的特点是：传导过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点的在传热过程中传热方向上无质点的宏观迁移宏观迁移。2.对流传热对流传热 又称热对流，是流体中又称热对流，是流体中质点发生相对位移和混合质点发生相对位移和混合而引起的而引起的热量传递。对流传热只发生在流体中，与流动状况密切相关。热量传递。对流传热只发生在流体中，与流动状况密切相关。强制
6、对流：强制对流：自然对流：自然对流：用机械能（泵、风机等）使流体发生用机械能（泵、风机等）使流体发生 对流而传热。对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热。生对流而传热。3.3.热辐射热辐射 热辐射是一种热辐射是一种通过电磁波来传递热量通过电磁波来传递热量的方式。具体地的方式。具体地说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能
7、的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。根据赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物根据赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去同时接体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去同时接受电磁波的能力。物体的辐射能力大致与物体的绝对温度受电磁波的能力。物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的的4 4次方成正比。通常物体温度大于次方成正比。通常物体温度大于400400时，才会有明显时，才会有明显的热辐射传递。的热辐射传递。热辐射可在真空中传播，不需要任何介质热辐射可在真空中传播，不需要任何介质，这是
8、热辐，这是热辐射与热传导、热对流的主要区别。射与热传导、热对流的主要区别。换热方式换热方式 三三.两流体换热的基本方式两流体换热的基本方式 蓄热式间壁式直接接触式1 直接接触式传热直接接触式传热在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直直接混合的方式接混合的方式进行热量交换，又称为进行热量交换，又称为混合式传热。混合式传热。优点：优点：方便、有效，设备结构较简单，常用于热方便、有效，设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。气体的水冷或热水的空气冷却。缺点：缺点：工艺上必须允许两种流体能够相互混合。工艺上必须允许两种流体能够相互混合。t T 直
9、接接触式这种传热方式是这种传热方式是冷、热两种流冷、热两种流体交替体交替通过同一蓄热室时，即可通通过同一蓄热室时，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。给冷流体，达到换热的目的。优点：优点：结构较简单，可耐高温，结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：缺点：由于填料需要蓄热，所由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。通替时难免会有一定程度的混合。通常只能用于气体介质。常只能用于气体介质。2 蓄热式传热蓄热式传热在多数情况下，化
10、工工艺上在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触不允许冷热流体直接接触，故直接接触式，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间壁式传热过过程。这类换热器的程。这类换热器的特点是特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热或石墨等导热性能好的非金属壁性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传不相混合的情况下进行热量传递递。这类换热器中以。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器套管式换热器和列管式换热器为典型设备。为典型设
11、备。3 间壁式传热间壁式传热 四四.传热中的一些基本物理量和单位传热中的一些基本物理量和单位热量热量Q：是能量的一种形式，是能量的一种形式，J传热速率传热速率 是指单位时间传递的热量，是指单位时间传递的热量，W传热速率也称为传热速率也称为热流量热流量，或，或热负荷热负荷常用q表示热流密度热流密度q：单位面积上的传热速率，单位面积上的传热速率，Wm-2潜热：潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化J/kg比定压热容比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时时所需的热量，所需的热量，JK-1kg-1显
12、热：显热：tcmp 五五.稳定传热和不稳定传热稳定传热和不稳定传热稳定传热：稳定传热：在传热体系中各点的在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。率为常量，热通量不一定为常数。不稳定传热：不稳定传热：若传热体系中各点的若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。通常连续生产多为稳定传热，间歇操
13、作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。热。22 传传 导导 传传 热热一一.热传导基本方程傅立叶定律热传导基本方程傅立叶定律dddtAdQdtt1t2tdtoodtn在一个均匀（各部位化学组成物在一个均匀（各部位化学组成物理状态相同）的物体内，如图，理状态相同）的物体内，如图，t1t1 t2t2，热量以传导方式沿着单方向，热量以传导方式沿着单方向n（单向传导）通过物体。取热流方（单向传导）通过物体。取热流方向的微分厚度为向的微分厚度为d d，在，在dd的瞬间的瞬间内传递的热量为内传递的热量为dQdQ。实验证明，
14、实验证明，单位时间内的传热量单位时间内的传热量与温度梯度及导热面积与温度梯度及导热面积A成正比。成正比。比例系数，比例系数，称为导热系数称为导热系数。单位：。单位：w/mk 傅立叶定律傅立叶定律 在稳定导热时在稳定导热时,导热量不随时间而改变导热量不随时间而改变,即单位时间内的导热即单位时间内的导热量为定值。量为定值。引入一个比例系数引入一个比例系数,将上式变为一个等式将上式变为一个等式温度梯度温度梯度,单位为单位为.m-1,表示热流方向温度变化的表示热流方向温度变化的强度强度,温度梯度越大温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上说明在热流方向单位长度上的温度差就越大。的温度差就越大。ddtAd
15、dQdq负号表示传热的方向与温度升高的负号表示传热的方向与温度升高的方向相反方向相反ddt导热系数导热系数：一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。的较小，气体的最小。（金属）（金属）（非金属）（非金属）（固体）（固体）（液体）（液体）（气体）（气体）（紧密）（紧密）（疏松）（疏松）ddtAq 物性之一：物性之一：是物质是物质导热能力导热能力的标志，与物质种类、热力学状态的标志，与物质种类、热力学状态（T T、P P）有关。）有关。物理含义：物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，代表单位温度梯度下的热通量大小，即：
16、当物体两个即：当物体两个面（等温面）间温差为面（等温面）间温差为1K1K，厚度为，厚度为1m1m时，每经过时，每经过1m1m2 2传热面积所能传热面积所能传导的热量。传导的热量。故物质的故物质的 越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。在数值上等于单在数值上等于单位温度梯度下的传热强度，是物质的物理性质之一。位温度梯度下的传热强度，是物质的物理性质之一。固体的导热系数固体的导热系数 纯金属的导热系数一般纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低随温度的升高而降低，金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增非金属的建
17、筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也大，也随温度升高而增大随温度升高而增大。液体的导热系数液体的导热系数 液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数的导热系数随温度的升高而略有减小随温度的升高而略有减小。气体的导热系数气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而加大随温度升高而加大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意注意：在传热过程中，物
18、质内不同位置的温度可能不相同，：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平 均值。均值。1 1）单层平壁的稳定热传导）单层平壁的稳定热传导 21ttAq 二二.平面壁的稳定热传导平面壁的稳定热传导热阻推动)(21力RtAttR导热热阻，传导距离导热热阻，传导距离越大，传热面越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。积和导热系数越小，传导热阻越大。t：壁面两侧的温度差。：壁面两侧的温度差。t1t2对于稳定传热，导热速率对于稳定传热，导热速率q不随时间而变不随时间而变。021dAqdttt
19、Aqtt122 2）多层平壁的稳定热传导）多层平壁的稳定热传导 12111ttAqAt11111Rt23222ttAqAt22222Rt34333ttAqAt33333Rtt1t2t3t4123假设一锅炉墙由耐火砖假设一锅炉墙由耐火砖11、保温砖、保温砖2 2 和和青砖青砖3 3构成，层构成，层与层之间接触良好，即相接触的两表面具有相同的温度。与层之间接触良好，即相接触的两表面具有相同的温度。321qqqq11QRt,22QRt 33QRt 321321RRRtttqAAAtt33221141推广到推广到n层平壁有：层平壁有：niiinniinAttRttq111111 多层平壁导热是一种串联
20、的导热过程，串联导热过程多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程 的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为 各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。三三.圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导1 1）单层圆筒壁的稳定热传导）单层圆筒壁的稳定热传导 tz,Or1t2ttdtt 1r2rrdrLbd圆筒壁导热的特殊性：圆筒壁导热的特殊性：1 1、温度沿半径方向而改变、温度沿半径方向而改变2 2、导热面积（、导热面积（A=2rL）随半径而变随半径而变drdtrldrdtAq)2(分离变量积分，
21、分离变量积分，21212rrttrdrlqdt1212ln2rrlqtt1221ln2rrttlq1221ln2rrlqtt（1）在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积Am ，或与，或与Am对应对应的平均半径的平均半径rm ，这样圆筒壁的导热速率就可按平壁来处理。，这样圆筒壁的导热速率就可按平壁来处理。将（将（1 1）式分子分母同乘以（）式分子分母同乘以（r2-r1）211221121212121221ln22ln)()(2ttArrttAAAAlrlrrrrrttlqm式中：式中：为为对数平均面积对数平均面积 ，1212lnAAAAAm12rr)(2ln2211
22、21221ttrrlrrrttlm1212lnrrrrrm对数平均半径对数平均半径若筒壁较薄，若筒壁较薄，Am和和rm可用可用算术平均值算术平均值代替，代替，误差不超过误差不超过4%，在工程上是允许的。，在工程上是允许的。2 2）多层圆筒壁的稳定热传导）多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的传热，可以看成是各多层圆筒壁的传热，可以看成是各单层壁串联进行的热量传递。单层壁串联进行的热量传递。tz,Or1t2t1r2rL3t4t3r4r123Q12121ln1)(2rrttlqniiiinrrttlq1111ln1)(2对第对第1 1层：层：对对1-n层：层：2-3 对对 流流 传传 热热 23.1
23、对流传热过程分析对流传热过程分析热冷bf上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。：传热边界层厚度：传热边界层厚度 b：层流内层：层流内层 f：虚拟厚度：虚拟厚度热量从热流体通过固体传热壁面传给冷流体，这种传热量从热流体通过固体传热壁面传给冷流体，这种传热过程称为热过程称为给热给热。它分三个阶段它分三个阶段:（1）热量自热流体传到固体壁面的一侧（热量自热流体传到固体壁面的一侧（2 2）从壁）从壁面的一侧传到另一侧；（面的一侧传到另一侧；（3 3）从壁面的一侧传到冷流体。）从壁面的一侧传到冷流体。该层中温差较大，即该层中温
24、差较大，即温度梯度较大。温度梯度较大。通过实验测定：通过实验测定：b内的温度变化占一侧流体温度变化的内的温度变化占一侧流体温度变化的90%以以上。所以对传热速率具有决定性的影响。上。所以对传热速率具有决定性的影响。在层流内层以外的在层流内层以外的过渡区过渡区，流体质点的运，流体质点的运动开始出现混合，但仍有温度梯度存在，是热动开始出现混合，但仍有温度梯度存在，是热传导和热对流共同作用的结果。传导和热对流共同作用的结果。在在湍流主体湍流主体内，流体质点剧烈混合，可认内，流体质点剧烈混合，可认为无传热阻力，温度梯度已消失。为无传热阻力，温度梯度已消失。由上所述，由上所述，对流传热是层流内层的传导传
25、对流传热是层流内层的传导传热和层流内层以外的对流传热的总称。热和层流内层以外的对流传热的总称。bf在靠近壁面有一厚度为在靠近壁面有一厚度为b的的层流内层层流内层，层内，层内相邻层间没有流体的宏观运动。相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流仅为流体的热传导体的热传导。对流传热是一个复杂的过程对流传热是一个复杂的过程,为了便于处理，把对流传热为了便于处理，把对流传热看作相当于通过厚度为看作相当于通过厚度为的的传热边界层传热边界层的热传导过程（将温的热传导过程（将温度梯度有显著变化的区域称为传热边界层）度梯度
26、有显著变化的区域称为传热边界层）,这一传热边界层这一传热边界层称为称为有效膜有效膜。有效膜中包括了真实的层流内层的厚度。有效膜中包括了真实的层流内层的厚度b和与和与层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度f。=bf即把层流内层之外的热阻折合成的即把层流内层之外的热阻折合成的厚度厚度f。必须指出：必须指出：f是不存在的，它完全是不存在的，它完全是为了处理问题的方便而假设的。是为了处理问题的方便而假设的。即：即：有效膜是虚拟的，而层流内层有效膜是虚拟的，而层流内层是真实存在的是真实存在的。bf23.2牛顿冷却定律牛顿冷却定律 把流体对流传热过程看作是通过传热边界层（即有
27、效膜）把流体对流传热过程看作是通过传热边界层（即有效膜）的传导传热，可以把复杂的对流传热用理论上较为成熟的热的传导传热，可以把复杂的对流传热用理论上较为成熟的热传导原理来处理。传导原理来处理。对流传热基本方程，对流传热基本方程，也称牛顿冷却定律也称牛顿冷却定律 ttAqw)(1ttAqw当壁面向冷流体给热时当壁面向冷流体给热时实际上传热边界层的厚度实际上传热边界层的厚度不能测定，因为不能测定，因为包括虚拟的厚度包括虚拟的厚度f。令。令=/=/为传热膜系数，则为传热膜系数，则当热流体对壁面传热时当热流体对壁面传热时)(2wTTAqtAq的物理意义的物理意义：单位时间内，单位传热面积上，温差为：单
28、位时间内，单位传热面积上，温差为1k时，时，所能传递的热量。所以所能传递的热量。所以是对流给热强度的标志。是对流给热强度的标志。，传热效，传热效果好。果好。流体的状态：气、液、蒸气、相变化等；流体的状态：气、液、蒸气、相变化等；流体的物理性质：密度、比热、导热系数、粘度等；流体的物理性质：密度、比热、导热系数、粘度等；流体的流动形态：层流或湍流；流体的流动形态：层流或湍流；流体的流体的对流状况：自然对流、强制对流；对流状况：自然对流、强制对流；传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。方式、垂直或水平放置等。1、影响
29、因素、影响因素 23.3 对流传热膜系数对流传热膜系数 牛顿冷却定律似乎简单，实际上并未减少计算上的困难，而是将难牛顿冷却定律似乎简单，实际上并未减少计算上的困难，而是将难以测定的传热边界层厚度以测定的传热边界层厚度等所有复杂因素概括在传热膜系数等所有复杂因素概括在传热膜系数中了。中了。实验证明：影响实验证明：影响的因素很多，概括起来可用下列未定方程来表示。的因素很多，概括起来可用下列未定方程来表示。)(lvcf，2、传热过程的特征数、传热过程的特征数 对流给热系数的因素如此之多，要建立一个普遍适用的对流给热系数的因素如此之多，要建立一个普遍适用的计算式计算式是十分困难的。工程上采用因次分析和
30、实验的方法确定不同影响因素是十分困难的。工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。准数名称准数名称符符 号号意意 义义努塞尔特准数努塞尔特准数（NusseltNusselt）Nu=d/Nu=d/表示对流传热系表示对流传热系数的准数数的准数雷诺准数雷诺准数 （ReynoldsReynolds）Re=du/Re=du/确定流动状态的确定流动状态的准数准数普兰特准数普兰特准数 （PrandtlPrandtl）Pr=cPr=cp p/表示物性影响的表示物性影响的准数准数格拉斯
31、霍夫准数格拉斯霍夫准数（GrashofGrashof）Gr=gtdGr=gtdi i3 32 2/2 2 表示自然对流影表示自然对流影响的准数响的准数 24 热交换计算热交换计算 化工生产中最常用的传热操作是热流体经管壁（或器壁）化工生产中最常用的传热操作是热流体经管壁（或器壁）向冷流体传热的过程，该过程称为热交换或换热。向冷流体传热的过程，该过程称为热交换或换热。tw1tw2t（管 内）给 热（管 外）T给 热导 热 24.1 总传热速率方程总传热速率方程 热量的传递属于：对流热量的传递属于：对流导热导热对流类型对流类型即即,热流体的热量热流体的热量管外壁管外壁管内壁管内壁冷流体冷流体热流体
32、向外壁对流传热：热流体向外壁对流传热：)(111wTTAq管壁热传导：管壁热传导：)(wwmtTAq内壁向冷流体对流传热：内壁向冷流体对流传热：)(222ttAqw对于稳定传热：对于稳定传热：21qqqq总热阻总推动力221122111111AAAtTAttAtTATTqmwmwww1 1当传热面为平壁时，当传热面为平壁时，A=AA=A1 1=A=A2 2=A=Am m，则：，则：tKAtTKAtTAq)(11)(2121111K换热器的传热总系数换热器的传热总系数K换热器的传热总系数，单位：换热器的传热总系数，单位：wm-2K-1。物理意义：物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的
33、传热速率。在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。K值越大，则单位传热面积所传递的热量就越多值越大，则单位传热面积所传递的热量就越多。当间壁为复合壁时当间壁为复合壁时2当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：221122111111AAAtTAttAtTATTqmwmwww211111niiiKlrA112lrA222lrAmm2对数平均面积对数平均面积22121122111ln11)(211)(2rrrrtTLrrrtTLqm1212ln)(rrrrrm 对数平均半径对数平均半径，当，当r2/r12时时 221rrrm 算术平均半径算
34、术平均半径 当圆筒壁厚度不大时（薄壁），当圆筒壁厚度不大时（薄壁），r1r2rm2111)(2tTLrqm（平面壁）（平面壁）传热总系数传热总系数K表示传热壁面两侧传热温差为表示传热壁面两侧传热温差为1K时，单位时间通时，单位时间通过过1m2传热面积传递的热量。传热面积传递的热量。由由可知可知 24.2 传热总系数传热总系数tAKAAAtTqm221111当以外管表面积当以外管表面积A A2 2为基准时：为基准时：22112211mAAAAK当以内管表面积当以内管表面积A A1 1为基准时：为基准时：以平均传热面积以平均传热面积AmAm为基准时：为基准时：22111111AAAAKm22111
35、AAAAKmmm 212121111K 可见，圆筒壁换热器可见，圆筒壁换热器K值与传热面积有关，值与传热面积有关，K1K2Km但但 K1A1=K2A2=KmAm （t相同）相同）当当A1=A2=Am时，换热变成平面壁换热时，换热变成平面壁换热21111K若传热壁面是新的，且壁面本身热阻较小，则若传热壁面是新的，且壁面本身热阻较小，则可可忽略忽略112221,K，；K则若则若 在传热过程中，在传热过程中，要提高要提高K值，应设法提高值，应设法提高值最小的一值最小的一项项，才会有显著的效果，才对传热更有利。，才会有显著的效果，才对传热更有利。冷吸热放QQ 24.3 热负荷计算热负荷计算流体温度变化
36、所放出或吸收的热量称为热负荷流体温度变化所放出或吸收的热量称为热负荷。若忽略热损失，则若忽略热损失，则1 1、无相变的显热换热无相变的显热换热（只有温度变化引起的热量交换）（只有温度变化引起的热量交换）)()(Q1221ttCWTTCWpccphh式中：式中：W Wh h、W Wc c为热、冷流体质量流量，为热、冷流体质量流量，kg/skg/s C Cphph、C Cpcpc为热、冷流体平均定压比热容，为热、冷流体平均定压比热容，J/J/（kgkgK K）2 2、有相变的潜热换热有相变的潜热换热（相变热即为潜热）（相变热即为潜热）)(Q12ttCWrWpcch如饱和蒸气冷凝成如饱和蒸气冷凝成1
37、00100的水：的水：式中：式中：W Wh h为饱和蒸气的冷凝速率，为饱和蒸气的冷凝速率，kg/skg/s r r为为饱和蒸气的冷凝潜热饱和蒸气的冷凝潜热，J/kgJ/kg2 24.4 4.4 传热度温差传热度温差1.1.定态恒温传热的传热温差：定态恒温传热的传热温差：两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，间壁的一侧是饱称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，间壁的一侧是饱和水蒸汽在一定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温和水蒸汽在一
38、定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温度下沸腾，两侧流体温度沿传热面无变化，两流体的度下沸腾，两侧流体温度沿传热面无变化，两流体的温度差亦处处相等，可表示为温度差亦处处相等，可表示为tm=T-t 式中式中T热流体的温度热流体的温度；t-冷流体的温度冷流体的温度。)(tTKAq2.变温传热温度差变温传热温度差 传热温度差随位置而改变的传热。传热温度差随位置而改变的传热。在传热过程中，间壁一在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的
39、变温传热过程。T2T1t1t2饱和蒸汽冷凝冷流体被加热T2t2t1T1逆流一侧变温一侧变温 两侧变温两侧变温 T1T2t1t2热流体被冷却，沸腾液体被气化流动形式 并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体 反复折流 T1T2t1t2并流对于间壁两侧都变温的传热过程，平均温度差随着换热器内流体对于间壁两侧都变温的传热过程，平均温度差随着换热器内流体流向的不同而不同。流向的不同而不同。变温时变温时逆流和并流的传热温差逆流和并流的传热温差 换热器（换热器（1）：在稳定情况）：在稳定情况下操作下操作,内管走冷流体内
40、管走冷流体,温度由温度由t1升到升到t2,套管环隙走热流体套管环隙走热流体,温度由温度由T1降到降到T2，两流体以，两流体以相反方向流动。相反方向流动。-逆流逆流以两个套管式换热器为例，研究以两个套管式换热器为例，研究t的变化的变化（1）换热器（换热器（2）：内管走的冷流）：内管走的冷流体温度由体温度由t1升到升到t2，环隙热流，环隙热流体温度由体温度由T1降到降到T2，只是两，只是两流体的流向相同。流体的流向相同。-并流并流（2）我们分别求它们的平均温度差我们分别求它们的平均温度差:算术平均值算术平均值:t=(t1+t2)/2逆流时逆流时:t1=T1t2;t2=T2t1;并流时并流时:t1=
41、T1t1;t2=T2t2;算术平均值只有当算术平均值只有当t1/t22时才能适用时才能适用,这时误差小于这时误差小于4%(2)对数平均温度差对数平均温度差;当当t1/t22时时,要用对数平均温度差要用对数平均温度差,才能比较确切地反才能比较确切地反映温度变化的实际情况。其计算式为：映温度变化的实际情况。其计算式为：2121lntttttm推导：假设热交换器没有热损失，在稳定传热时，传推导：假设热交换器没有热损失，在稳定传热时，传热速率不随温度而变化，也就是：热速率不随温度而变化，也就是：dtdqq=常数1t进口处的温差进口处的温差。2t出口处的温差。出口处的温差。dtdqq mct常数常数由于
42、在流动中，流体的质量由于在流动中，流体的质量m，和热容，和热容c均不发生改变，均不发生改变，所以对热流体：所以对热流体：qmc（）对于冷流体：对于冷流体：qm”c”（tt）上式说明传热速率与热流体及冷流体上式说明传热速率与热流体及冷流体温度之间的关系是直线关系，以温度之间的关系是直线关系，以tt代表一截面上冷热流体的温代表一截面上冷热流体的温度差，则度差，则q与与t之间也成线性关系之间也成线性关系由于qttdqtd21)(tKdAdq代入上式：qtttKdAtd21)(KdAqttttd21)(整理得到：将上式积分得到：1212lnttAKqtt1212lnttttAKq1212lnttttt
43、m对数平均温度差对数平均温度差 mtAK2121lntttttm逆流逆流T1t1T2t2t1t2并流并流T1t2T2t1t1t2注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两 端温度差端温度差t中数值小的写成中数值小的写成t2，大的写成，大的写成t1，可以计，可以计算较为方便。算较为方便。221tt当时，时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差可用算术平均温度差代替对数平均温度差。例：例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，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用冷却水将热流体由100冷却至冷却至40，冷却水进口
44、，冷却水进口温度温度15，出口温度，出口温度30，试求在这种温度条件下，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。逆流和并流的平均温度差。解解：热流体：热流体：冷流体：冷流体：40100 15 30 逆流时：逆流时：70 251212,lntttttm逆2570ln2570C07.43并流时：并流时：热流体热流体：40100 冷流体冷流体：301585 101212,lntttttm并1085ln1085C035结论：在相同条件下，结论：在相同条件下，并并逆逆,mmtt 并逆mmtt 3.3.流体流向的选择流体流向的选择（1 1）从平均温度差考虑）从平均温度差考虑假定，假定，T1 1、T2
45、 2、t1 1、t2 2、q q、K K均为定值均为定值（2 2）从载热介质的用量考虑，达到同一传热效果（加热或）从载热介质的用量考虑，达到同一传热效果（加热或冷却），逆流比并流所用载热介质要少。冷却），逆流比并流所用载热介质要少。由于由于根据根据 知知 换热面积小，设备就小。换热面积小，设备就小。mtKAq并逆AAT1T2t1t2T2 t2或接近T1T2t2t1T1 t2T2 t2或接近热能利用充分在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的的tm比并流的大。因此在换热器的传热量比并流的大。因此在换热器的传热量Q及总传热系数及
46、总传热系数K值相值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积。同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积。逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如，逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如，将一定流量的冷流体从将一定流量的冷流体从20加热到加热到60，而热流体的进口温度为，而热流体的进口温度为90，出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温，出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温度可以降至接近度可以降至接近20，而采用并流时，则只能降至接近于，而采用并流时，则只能降至接近于60。这样，逆流时加热介质用量就较并流时的为少。这样，逆流时加热介质用量就较并流
47、时的为少。由以上分析可知，由以上分析可知，逆流优于并流逆流优于并流，因而工业生产中换热器多，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。但并不是说逆流处处比并流优越，并流初期传热速采用逆流操作。但并不是说逆流处处比并流优越，并流初期传热速率大，后期小，对于粘稠冷液体的加热，若采用并流，使其在进入率大，后期小，对于粘稠冷液体的加热，若采用并流，使其在进入换热器后迅速提高温度，降低粘度，有利于提高传热效果。另外，换热器后迅速提高温度，降低粘度，有利于提高传热效果。另外，并流容易控制加热或冷却的温度。并流容易控制加热或冷却的温度。强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。强化传热的目的是以最小的传
48、热设备获得最大的生产能力。1 1）增大传热面积增大传热面积A A。实践中换热管可加装翅片或改用螺旋翅片管。实践中换热管可加装翅片或改用螺旋翅片管2 2）增大传热推动力增大传热推动力ttm m 。当工艺条件确定后，。当工艺条件确定后，tm tm 只能通过采用逆流操只能通过采用逆流操作方式来加以提高。作方式来加以提高。3 3）提高总传热系数提高总传热系数KK减少传热阻力减少传热阻力 减少壁厚或使用导热系数较大的材料；防止污垢形成或经常清除污垢；减少壁厚或使用导热系数较大的材料；防止污垢形成或经常清除污垢；加大流速，提高湍动程度，减少层流底层的厚度等均有利于提高对流传加大流速，提高湍动程度，减少层流
49、底层的厚度等均有利于提高对流传热系数。热系数。强化传热途径有：强化传热途径有：4 44.3 4.3 强化传热的途径强化传热的途径 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，只有针对针对传热过程的传热过程的薄弱环节薄弱环节采取强化措施采取强化措施，才能收到预期的效果。，才能收到预期的效果。mtKA26 列管式换热器列管式换热器 热交换器也热交换器也称换热器称换热器，是化工、石油、动力、食，是化工、石油
50、、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、要地位。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、混合式、蓄热式。在基本上可分为三类，即间壁式、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。论此类换热器。列管式
