模块二传热ppt.ppt

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1、化工单元操作教学课件,制作：何灏彦,模块二 传热,任务一 了解传热过程及其应用 一、传热在化工生产中的应用 根据热力学第二定律可知，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。 为化学反应创造必要的条件 为单元操作创造必要的条件 提高热能的综合利用率 隔热与节能,二、传热过程的类型 化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失。 化工传热过程既可连续进行也可间歇进行。 若传热系统（例如换热器）中的温度仅与位置有关而与时间无关，此种传热称为稳态传热

2、，其特点是系统中不积累能量（即输入的热量等于输出的热量），传热速率（单位时间传递的热量）为常数。若传热系统中各点的温度既与位置有关又与时间有关，此种传热称为非稳态传热，间歇生产过程中的传热和连续生产过程中的开、停车阶段的传热一般属于不稳定传热。化工生产中的传热大多可视为稳态传热，因此，本模块只讨论稳态传热。,三、载热体及其选择 参与换热的流体称为载热体 。 热流体 -冷流体 ；加热剂 、冷却剂（或冷凝剂） 1. 载热体的选用原则 载热体应能满足所要求达到的温度。 载热体的温度调节应方便。 载热体的比热容或潜热应较大。 载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。 为了操作安全起见，载热体

3、应无毒或毒性较小，不易燃易爆，对设备腐蚀性小。 价格低廉，来源广泛。,2. 常用加热剂和冷却剂 工业中常用的加热剂有热水（40100）、饱和水蒸气（100180）、矿物油（180250）、导生油（联苯或二苯醚的混合物）（255380）、熔盐（142530）、烟道气（5001000）等，除此外还可用电来加热。 当要求温度小于180时，常用饱和水蒸汽作加热剂。其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便；饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热远大于显热，因此所需的蒸汽量小；蒸汽冷凝时的膜系数很大，对流传热的阻力小；价廉、无毒、无失火危险。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温

4、度受压强的限制，不能太高（一般180）。 常用的冷却剂有水（2030）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4）等。水的来源广泛，热容量大，应用最为普遍。,四、传热的基本方式,(一) 传导传热 1、定义 传导传热又称热传导或导热，是由于物质的分子、原子或电子的运动或振动，而将热量从物体内高温处向低温处传递的过程。 2、机理 在气体中，热传导是由不规则的分子热运动引起的；在大部分液体和不良导体的固体中，热传导是由分子或晶格的振动传递动量来实现的；在金属固体中，热传导主要依靠自由电子的迁移来实现，因此，良好的导电体也是良好的导热体。,(二) 对流传热 1、定义 对流传热也叫热对流，是指流体中质点发生宏观

5、位移而引起的热量传递。 2、机理 热对流仅发生在流体中。由于引起流体质点宏观位移的原因不同，对流又可分为强制对流和自然对流。由于外力（泵、风机、搅拌器等作用）而引起的质点运动，称为强制对流。由于流体内部各部分温度不同而产生密度的差异，造成流体质点相对运动，称为自然对流。 结论：强制对流 PK 自然对流（？）,（三）热辐射 1、定义 因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的方式。 2、机理 物体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，即被其部分或全部吸收并转变为热能。 热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播。 只

6、有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式。,注意：传热过程往往不是以某种传热方式单独出现，而是两种或三种传热方式的组合。,任务二 认知传热设备,一、换热器的分类 (一) 按作用原理分类 1. 直接接触式换热器 两流体直接混合进行的换热。,结构简单，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。,2. 间壁式换热器 两流体被固体壁面分开，互不接触。,优点： 结构较简单 耐高温 缺点： 设备体积大 有一定程度的混合,3.蓄热式换热器 借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。,（二）按换热器的用途分类 1. 加热器 用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在 加热过程中不发生相变。

7、2. 预热器 用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。 3. 过热器 用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。 4. 蒸发器 用于加热液体，使之蒸发汽化。 5. 再沸器 是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液 体，使之再受热汽化。 6. 冷却器 用于冷却流体，使之达到所需的温度。 7. 冷凝器 用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。,(三) 按换热器传热面的形状和结构分类 1. 管式换热器 管式换热器通过管子壁面进行传热。按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。 2. 板式换热器 板式换热器通过板面进行传热。按传热板的结

8、构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。 3. 特殊形式换热器 这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。,(四)按换热器所用材料分类 1. 金属材料换热器 金属材料换热器是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。由于金属材料的导热系数较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。 2. 非金属材料换热器 非金属材料换热器由非金属材料制成，常用非金属材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料。由于非金属材料

9、的导热系数较小，所以其传热效率较低。,二、间壁换热器的结构与性能特点,(一) 管式换热器 1. 套管换热器,优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减。 缺点是单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。,2. 蛇管换热器 (1) 沉浸式蛇管换热器 优点是结构简单，造价低廉，便于防腐，能承受高压。其缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置 (2) 喷淋式蛇管换热器 优点是检修清洗方便，传热效果好等。其缺点是体积庞大，占地面积多，冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等。,3.列管换热器 当壳体与换热管的温差较大（大于50）时，产生的温差应力（又叫热应力）具有破坏性，易引起设备变形，或使管

10、子弯曲、从管板上松脱，甚至造成管子破裂或设备毁坏。因此必须从结构上考虑这种热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。常见的温差补偿措施有：补偿圈补偿、浮头补偿和U形管补偿。,4. 翅片管换热器 化工生产中常遇到气体的加热或冷却问题。因气体的对流传热系数较小，所以当换热的另一方为液体或发生相变时，换热器的传热热阻主要在气体一侧。此时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，减少了气体侧的热阻，提高了传热效率。,(二) 板式换热器 1.夹套换热器,优点是结构简单，容易制造，可与反应器或容器构成一个整体。缺点是传热面积小，器内流体处于自然对流状态，传热效率低，夹套内部

11、清洗困难。,2. 平板式换热器,优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；组装灵活，可随时增减板数；板面波纹使流体湍动程度增强，从而具有较高的传热效率；装拆方便，有利于清洗和维修。其缺点是处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。,3. 螺旋板式换热器,4. 板翅式换热器,(三) 热管换热器 特点是热量传递分汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小。因此，它特别适用于低温差传热的场合。热管换热器具有传热能力大、结构简单、工作可靠等优点。,三、列管换热器的型号,列管换热器的型号由五部分组成： 1换热器代号； 2公

12、称直径DN ，mm； 3管程数NP ，有、 四种； 4公称压力PN ，MPa； 5公称换热面积SN ，m2。 例如，公称直径为600mm、公称压力为1.6MPa、公称换热面积为55m2、双管程固定管板式换热器的型号为：G6001.655，其中G为固定管板式换热器的代号。,任务三 获取传热知识,一、传热速率方程及其应用 （一） 间壁式换热器内的传热过程,传热面积： ：,（二） 总传热速率方程及其应用,式中 Q传热速率，W； K比例系数，称为传热系数，W/(m2K)； S传热面积，m2； tm换热器的传热推动力，或称冷、热流体的传热平均温度差，K； R换热器的总热阻，K/W。,二、传热速率与热负荷

13、 (一)热负荷与传热速率的关系 热负荷：生产上要求换热器单位时间传递的热量，即换热器的生产任务 传热速率：换热器单位时间能够传递的热量，即换热器的生产能力 关系：传热速率热负荷 应用：在换热器的选型或设计中，先设传热速率=热负荷，依 Q=KStm 计算出面积，把面积作适当放大，据此选型或设计。,（二）热负荷的确定 1.热量衡算 对间壁式换热器，由热量守恒知 Qh= Qc QL Qh 热流体放出的热量，kw Qc冷流体吸收的热量，kw QL热损失，kw,2.热负荷的确定 若热损失较小， QL可忽略不计，则 Qh= Qc 若热损失较大， QL不可忽略不计，则 Qh Qc 有两种情形：（蓝箭头代表Q

14、L、黄色线代表换热面）,热流体,冷流体,热流体,冷流体,Qh,(a)热流体走管内,(b)冷流体走管内,Qc,结论,换热器的传热速率指经过换热面积的热量，故： 图（a）：Q=Qh=Qc+QL 图（b）：Q=Qc= Qh-QL 即哪种流体走管程，就可取该流体的传热量作为换热器的热负荷。,3. 载热体传热量的计算,（1）显热法（温差法） 流体在换热过程中无相变化时 Qh=Wh cph (T1-T2) Qc=Wc cpc (t2-t1) cph 、cpc热、冷流体的定压比热容 kJ/(kg K) T1、T2热流体的进、出口温度，K t1 、t2冷流体的进、出口温度，K 定性温度的确定：流体进、出口温度

15、的平均值：(T1+T2)/2或(t1+t2)/2,（2）潜热法（相变法） 流体在换热过程中仅有相变化时 Qh=Wh rh Qc=Wc rc rh、rc热、冷流体的汽化潜热， kJ/kg,注意： 流体在换热过程中即有相变化，又有温度变化时，可综合使用显热法、潜热法。,（3）焓差法 Qh=Wh(H1 H2) Qc=Wc(h2 h1) Wh、 Wc热、冷流体的质量流量， kg/s H1、 H2 热流体的进、出口焓， kJ/kg h1 、 h2冷流体的进、出口焓， kJ/kg 附录中列出了空气、水、水蒸气的焓，可查取。,式中 Bm混合物中的CPm或rm或Im； Bi混合物中i 组分的CP或r或I； x

16、i混合物中i组分的分数，CP或r或I如果是以kg计，用质量分数；如果是以Kmol计，则用摩尔分数。,混合物,【例2-1】 将0.417/s、80的硝基苯，通过一换热器冷却到40，冷却水初温为30，出口温度不超过35 。如热损失可以忽略 ，试求该换热器的热负荷及冷却水用量。 解：(1) 从附录查得硝基苯和水的比热分别为1.6 kJ/(kgK)和4.187kJ/(kgK) 由式(2-7)得； QhWh cph(T1一T2) 0.4171.6103(8040)26.7kW (2) 热损失QL可以忽略时，冷却水用量可以 QQhQc计算： QWh cph (T1一T2) Wc cpc ( t2t1) 2

17、6.7103Wc 4.187103 (3530) Wc1.275/s 4590/h 4.59 m3/h,【例2-2】在一套管换热器内用0.16MPa的饱和蒸汽加热空气,饱和蒸汽的消耗量为10kg/h,冷凝后进一步冷却到100 ,空气流量为420kg/h,进、出口温度分别为30 和80 ，空气走管程，蒸汽走壳程。试求 1）热损失；2）换热器的热负荷？,解：1）蒸汽的传热量 焓差法 查得P= 0.16MPa的饱和蒸汽的有关参数： Ts=113，1=2698.1 kJ/kg。 查得100 时水的焓2=418.68 kJ/kg Qh=Wh(1-2) =(10/3600) (2698.1 - 418.6

18、8)=6.33 kw 空气的传热量 空气的进出口平均温度为tm=（30+80）/2=55 查得55 空气的比热容Cpc=1.005 kJ/（kgK）. Qc=WcCpc (t2-t1) =(420/3600)1.005(80-30)=5.86 kw 故热损失为QL=Qh - Qc=6.33 - 5.86=0.47 kw 2)因为空气走管程，所以换热器的热负荷应为空气的传热量，即： Q=Qc=5.86kW,三、传热推动力平均温度差,1、tm-传热平均温度差 ，它的大小及计算方法与换热器中两流体的相互流动方向及温度变化情况有关。,2、流动型式 若两流体的流动方向相同，称为并流； 若两流体的流动方向

19、相反，称为逆流； 若两流体的流向垂直交叉，称为错流； 若一流体沿一方向流动，另一流体反复折流，称为简单折流 。,图2-26 错流和折流示意图,（一）恒温传热时的传热平均温度差,当两流体在换热过程中均只发生相变时，热流体温度T和冷流体温度t都始终保持不变，称为恒温传热。(如蒸发),tm=Tt,（二）变温传热时的传热平均温度差,1、并、逆流时的传热平均温度差,tm对数平均温度差，K。 t1、t2分别为换热器两端热、冷流体温度差，K 。 当t1/t22时，可近似用算术平均值(t1+t2)/2代替对数平均值，其误差不超过4。,【例2-3】 在套管换热器内，热流体温度由90冷却70，冷流体温度由20上升

20、到60。试分别计算：两流体作逆流和并流时的平均温度差；若操作条件下，换热器的热负荷为585kW，其传热系数K为300W/(m2K)，两流体作逆流和并流时的所需的换热器的传热面积。,解：传热平均推动力 逆流时 热流体温度T 90 70 冷流体温度t 60 20 两端温度差t 30 50,由于50/302，也可近似取算术平均值法，即： tm40,并流时 热流体温度T 90 70 冷流体温度t 20 60 两端温度差t 70 10 所以,所需传热面积,逆流时,逆流,并流,2、错、折流时的传热平均温度差 先按逆流计算对数平均温度差tm，再乘以校正系数 t，即：,式中 t为温度差校正系数，其大小与流体的

21、温度变化有关，可表示为两参数R和P的函数 ；要求 t大于0.8。,补充例题 在一单壳程、二管程的列管换热器中，用水冷却热油。水走管程，进口温度为20，出口温度为40，热油走壳程，进口温度为100，出口温度为50。试求传热平均温度差。,解：先按逆流计算，即：,由图2-27a查得： t0.89,3、不同流向传热温度差的比较及流向的选择 前提：热、冷流体的始、终温度相同。 一侧恒温、一侧变温 此种情况下，平均温度差的大小与流向无关，即tm逆tm错，折tm并 两侧均变温 此种情况下，平均温度差逆流时最大，并 流时最小，tm逆tm错，折tm并。,生产中为提高传热推动力，应尽量采用逆流。但出于某些其他方面

22、的考虑时，也采用其他流向。采用错流或折流可以有效地降低传热热阻，降低热阻往往比提高传热推动力更为有利，所以工程上多采用错流或折流。,【例2-5】 在一传热面积S为50m2的列管换热器中，采用并流操作，用冷却水将热油从110冷却至80，热油放出的热量为400KW，冷却水的进、出口温度分别为30和50。忽略热损。计算并流时冷却水用量和传热平均温度差；如果采用逆流，仍然维持油的流量和进、出口温度不变，冷却水进口温度不变，试求冷却水的用量和出口温度。（假设两种情况下换热器的传热系数K不变）,解：并流时 从附录中查得(30+50)/2=40下，水的比热容为4.174kJ/(kgK)，则冷却水用量为：,采

23、用逆流 在此题中，采用逆流后，换热器的传热面积S、传热系数K及热负荷Q均不变，则其传热平均温度差也和并流时相同，故有：tm51 假设此时t1/t22，则可用算术平均值，即：,解得： t258 则 t11105852，t2803050，t1/t252/502，假设正确。,四、传热系数,（一） 热传导 1. 物体的导热规律 傅立叶定律,式中 Q导热速率，J/s或W； 比例系数，称为热导率或导热系数，W/(mK)； S导热面积，m2； dt/dx温度梯度。,热导率是表征物质导热性能的一个物性参数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。 物质的热导率通常由实验测定。各

24、种物质的热导率数值差别极大，一般而言，金属的热导率最大，非金属的次之，液体的较小，而气体的最小。各种物质的热导率的大致范围如下：金属2.3420W/(mK)；建筑材料0.253W/(mK)；绝热材料0.0250.25W/(mK)；液体0.090.6W/(mK)；气体0.0060.4W/(mK)。 与液体和固体相比，气体的热导率最小，对导热不利，但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料，如玻璃棉等，就是因为其空隙中有大量空气，所以其导热系数很小，适用于保温隔热。,2. 导热速率的计算,(1) 平壁导热速率的计算,式中 平壁厚度，m； tt1t2温度差，导热推动力，K； R导热热阻，K/W；,

25、【例2-6】 普通砖平壁厚度为500mm，一侧为300，另一侧温度为30，已知平壁的平均导热系数为0.9W/(m)，试求： 通过平壁的导热通量，W/m2； 平壁内距离高温侧300mm处的温度。 解：,多层平壁导热,由于是平壁，各层壁面面积可视为相同，设均为S；各层壁面厚度分别为b1、b2和b3；导热系数分别为1、 2和 3；假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同，各表面温度分别为t1、t2、t3和t4，则在稳态导热时，通过各层的导热速率必定相等，即：Q1=Q2=Q3=Q,串联传热 Q1=Q2=Q3=Q,导热速率等于任一分热阻的分推动力与对应的分热阻之比，也等于总推动力与总热阻之比;

26、总推动力等于各分推动力之和，总热阻等于各分热阻之和。,对n层平壁，其导热速率方程式为：,串联电阻,U=U1+U2+U3 R=R1+R2+R3 I = I1 = I2 = I3,【例2-7】 某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其热导率分别为0.9 W/(mK)及0.7 W/(mK)。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700，外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm，热导率为0.06 W/(mK)的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740，外表面温度为90。设两层材料的热导率不变。计算加保温层后炉壁的热损失比

27、原来减少百分之几？ 解：,热损失减少的百分数 （2240 - 707）/2240 = 68.4%,(2) 圆筒壁导热速率的计算,圆筒壁的内、外表面积的平均值Sm可分别采用对数平均值（S2/S12时）或算术平均值(S2/S12时)加以计算。,三层圆筒壁,n层圆筒壁,【例2-8】 某工厂用1705mm的无缝钢管输送水蒸汽，管长50m,钢管的热导率为45 W/(mK)。为减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为0.065 W/(mK)；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率为0.21 W/(mK)。管内壁温度为300，保温层外表面温度为40。试求该管路的散热量？

28、解：,(二)对流传热,对流传热分析: 在对流传热（或称给热）时，热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。,1.对流传热基本方程牛顿冷却定律,Q对流传热（或给热）速率，W； S对流传热面积，m2； t流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，K； 对流传热系数（或给热系数），W/m2K； 1/(S)对流传热热阻，K/W。,表2-1 值的范围,结论: 气体的值最小，载热体发生相变时的值最大，且比气体的值大得多。,2.影响对流传热系数的因素 流体的种类及相变情况 液体、气体和蒸汽；流体有无相变 流体的性质 导热系数、比热容、黏度和密度 流体的流动状态 滞流 、湍流 流体

29、流动的原因 强制对流 、自然对流 传热面的形状、位置及大小 管内、管外、板、翅片 ；水平或垂直放置、管束的排列方式等 ；管径、管长、板高,3. 对流传热系数的特征数关联式,4.流体无相变时的对流传热系数关联式 (1)流体在圆形直管内作强制湍流 低黏度（小于2倍常温水的黏度）流体,式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，n0.4，当流体被冷却时，n0.3。 应用范围：Re10000，0.7Pr120；管长与管径比L/dI60。 特征尺寸：Nu、Pr准数中的l取为管内径di。 定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。,W为热流方向校正系数，当液体被加热时，W1.05；当液体被冷却时，W0.95

30、。,补充例题 常压空气在内径为50mm、长度为3m的管内由20加热到80，空气的平均流速为15m/S，试求管壁对空气的对流传热系数。,解：定性温度,在附录中查得50下空气的物性如下： 1.96105Pa.S =2.8310-2W/(mK) 1.093Kg/m3 Pr=0.698,（2）高黏度液体,Pr、Re及L/dI值均在式1-36应用范围内，故可用该式计算。又气体被加热，取n0.4，则：,5.流体有相变时的对流传热,(1)蒸汽冷凝过程的对流传热 蒸汽冷凝主要有两种方式：膜状冷凝和珠状冷凝（或称滴状冷凝） 在滴状冷凝过程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于在这些部位没有液膜阻碍热流，故其对流

31、传热系数很大，是膜状冷凝的十倍左右。,图2-33,影响冷凝传热的因素 蒸汽冷凝时，在壁面形成液膜，液膜的厚度及其流动状态是影响冷凝传热的关键。凡有利于减薄液膜厚度的因素都可以提高冷凝传热系数。 蒸汽的流速和流向 u10m/s;同向 蒸汽中不凝气体的含量 若空气中含有空气或其他不凝性气体，由于气体的导热系数小，气体聚集成薄膜附着在壁面后，将大大降低传热效果。研究表明，当蒸汽中含有1%的不凝性气体时，对流传热系数将下降60。 流体的物性 冷凝液密度大、粘度低、大；蒸汽的冷凝潜热r高 冷凝壁面的形状和位置,(2)液体沸腾过程的对流传热,6. 对流辐射联合传热系数,式中 T对流辐射联合传热系数，W/(

32、m2K)； SW设备或管道的外壁面积，m2； tW、t设备或管道的外壁温度和周围环境温度，K。 对流辐射联合系数T可用如下经验式估算： 室内（tW150，自然对流） 对圆筒壁（D1m） T=9.42+0.052(tW-t) 对平壁（或D1m的圆筒壁） T=9.77+0.07(tW-t) 室外,(三) 传热系数的获取方法,1. 取经验值,2.现场测定,实验室用蒸汽在一套管换热器中加热空气，空气走管程。测出蒸汽的压力，即得其温度；测出空气的流量及进、出口温度t1、 t2，由,例 在一套管换热器中，苯在管内流动，流量为3000kg/h，进、出口温度分别为80和30，在平均温度下，苯的比热容可取1.9

33、kJ/(kgK)。水在环隙中流动，进、出口温度分别为15和30。逆流操作，换热器的传热面积为2m2，热损可以忽略不计。试求换热器的传热系数。,解：换热器的传热量： Q=WhCPh(T1T2)=(3000/3600)1.9(8030)21.93kW 平均温度差：,3.公式计算 热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流”的串联过程。(假设热流体走管程，冷流体走壳程) (1)热流体对壁面的对流传热,(2)壁面内的导热,(3)壁面对冷流体的对流传热,则总过程：,具体计算时，等式左边的传热面积S可选传热面（管壁面）的外表面积So或内表面积Si或平均表面积Sm，但传热系数K必须与所选传热面积相对应

34、。,Ki、Ko、Km基于Si、So、Sm的传热系数，W/(m2K)。,但工程上，大多以外表面积为基准，手册中所列K值都是基于外表面积的传热系数，换热器标准系列中的传热面积也是指外表面积。,污垢热阻的影响,换热器在使用过程中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常，污垢热阻比传热壁面的热阻大得多。 影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值。,表2-4 常见流体的污垢热阻R S (m2K)/kW,若传热壁面为平壁或薄管壁时，Si、So、Sm相等或近似相等，则可简化为：,

35、(四)壁温的计算,【例2-12】有一换热器，管内通90的热流体，膜系数为1100w/m，管外有某种液体沸腾，沸点为50，膜系数为5800 w/m 。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005 m /w。设管壁热阻可以忽略。,解：因管壁热阻可以忽略，故换热管内、外侧的壁温相等，设为Tw。 （1）当壁很薄时，SiSO，又管壁清洁无垢，由式（2-48）得,（2）同理，当外侧有污垢时,结论:壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。当不计污垢热阻时，壁温接近膜系数值大的那个流体的温度。,五、强化与削弱传热,（一） 强化传热途径 Q=KStm,1.增大传热

36、面积 如图所示的几种带翅片或异形表面的传热管，它们不仅使传热表面有所增加，且强化了流体的湍动程度，提高了对流传热系数，使传热速率显著提高。,2.提高传热推动力 传热平均温度差的大小取决于两流体的温度大小及流动型式。一般来说，物料的温度由工艺条件所决定，不能随意变动，而加热剂或冷却剂的温度，可以通过选择不同介质和流量加以改变。改变加热剂或冷却剂的温度，必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。 另外，采用逆流操作或增加壳程数，均可得到较大的平均传热温度差。,3.提高传热系数,一般来说，在金属换热器中，壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻； 污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻

37、很小，可不予考虑，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为阻碍传热的主要因素； 对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，必须重点考虑。,（1）降低对流传热热阻 当壁面热阻（b/）和污垢热阻（RSi、RSo）很小，可以忽略时,若io，则Ko，此时，欲提高K值，关键在于提高管外侧的对流传热系数；若oi，则Ki，此时，欲提高K值，关键在于提高管内侧的对流传热系数。总之，当两 相差很大时，欲提高K值，应该采取措施提高 小的那一侧的对流传热系数。 若i与o较为接近，此时，必须同时提高两侧的对流传热系数，才能提高K值。, 无相变时的对流传热 增大流速和减小管径都能增大对流传热系数。不断改变流体的流动方向

38、，也能使 得到提高。 在管程，采用多程结构，可使流速成倍增加，流动方向不断改变，从而大大提高了，但当程数增加时，流动阻力会随之增大，故需全面权衡。 在壳程，广泛采用折流挡板，不仅可以局部提高流体在壳程内的流速，而且迫使流体多次改变流向。 通过内置螺旋条、扭曲带、网栅等湍流促进器。 有相变时的对流传热 对于冷凝传热，除了及时排除不凝性气体和冷凝液外，还可以采取一些其他措施，例如在管壁上开一些纵向沟槽或装金属网，以阻止液膜的形成。 对于沸腾传热，实践证明：设法使表面粗糙化，或在液体中加入如乙醇、丙酮等添加剂，均能有效地提高对流传热系数。,（2）降低污垢热阻 换热器在运行中，往往会因流体介质的腐蚀、

39、冲刷及流体所夹带的固体颗粒的沉积，在换热器传热表面上形成结垢或积污，甚至堵塞，从而降低换热器的传热能力，因此必须设法减缓污垢的形成，并及时清除污垢。 减小污垢热阻的具体措施： 提高流体的流速和扰动，以减弱垢层的沉积； 加强水质处理，尽量采用软化水； 加入阻垢剂，防止和减缓垢层形成； 定期采用机械、高压水或化学的方法清除污垢。,例2-13 有一用252mm无缝钢管（46.5W/(mK)）制成的列管换热器，管内通以冷却水， i 400W/(m2K)，管外为饱和水蒸汽冷凝，o10000 W/(m2K)，忽略污垢热阻。试计算： 传热系数K及各分热阻所占总热阻的比例； 将 i 提高一倍（其他条件不变）后

40、的K值； 将o提高一倍（其他条件不变）后的K值；,解：由于壁面较薄，此处按平壁近似计算。根据题意：RSIRSo0，,将 i提高一倍（其他条件不变）,即 i 800 W/(m2K),增幅为：,将o提高一倍，即o20000W/(m2K),增幅为：,例2-14 在例2-13中，当换热器使用一段时间后，形成了垢层，需要考虑污垢热阻，试计算此时的传热系数K值。 解：取水的污垢热阻RSI=0.58(m2K)/kW，水蒸汽的RSo=0.09 (m2K)/kW。,由于垢层的产生，使传热系数下降了,(二) 削弱传热 削弱传热，就是设法减少热量传递，主要用于隔热。在化工生产中，只要设备(或管道)与环境(周围空气)

41、存在温度差，就会有热损失(或冷损失)出现。 利用导热系数很低，导热热阻很大的保温隔热材料对高温和低温设备进行保温隔热，以减少设备与环境间的热交换，从而减少热损失。,表2-5 常见的保温隔热材料,六、传热计算案例,【例2-15】 在一单壳程、四管程的列管换热器中，用冷水将1.25kg/s的某液体（比热容为1.9kJ/(kgK)）从80冷却到50。水在管内流动，进、出口温度分别为20和40。换热器的管子规格为252.5mm，若已知管内、外的对流传热系数分别为1.70 kW/(m2K)和0.85kW/(m2K)，试求换热器的传热面积。假设污垢热阻、壁面热阻及换热器的热损均可忽略。,解：换热器的传热量为：,平均温度差先按逆流计算，然后校正，即：,查图：t0.91,tm=ttm0.9134.831.67K 依题意，传热系数的计算只需考虑两个对流热阻，即：,