叶世超

1. 第七章 传 热 叶世超

2. 概述 • 化工生产的传热问题 • 化学工业与传热过程的关系 • 热量传递的方式 • 典型的换热设备 • 热量交换-间壁式换热 • 套管换热器 • 列管式换热器

3. 套管式换热器 1—内管 2—外管

4. 单程列管式换热器 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板

5. 双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板

6. 传热面积 流通截面积 式中m为管程数。 载热体：加热剂或冷却剂

7. 传热过程的基本问题 • 载热体用量的确定； • 设计新的换热器； • 核算现有换热器的传热性能； • 强化或削弱传热的方法。

8. 两个基本关系式 热量恒算式 热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 由热量平衡求完成既定传热任务所需的载热体的消耗量 传热速率关系—传热基本方程式 传热速率或热流量，用Q表示，因次为W。 传热通量或热流密度，用q表示，因次为W/m2。

9. 换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差⊿tm成正比换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差⊿tm成正比 K称为总传热系数，因次W/(m2·K)。 运用两个基本关系解决换热四个问题，范围限于稳态传热。

10. 传热过程的计算 • 传热负荷 • 传热温差 • 总传热系数 • 污垢热阻 • 换热器计算的变量分析 • 设计型计算 • 校核型计算 • 换热器调节 • 传热单元数法

11. 传热负荷 • 加热-冷却 蒸发-冷凝 显热-潜热 • 传热任务-热负荷 • 换热能力

12. 热流体冷却放出的热量 冷流体加热需要得到的热量 物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是 过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热

13. Q—传热速率，W； W1、W2—分别为热流体和冷流体的质量流率，kg/s； Cp1、Cp2—分别为热流体和冷流体的比热，J/(kg·K)； T1、T2—分别为热流体的进口温度和出口温度，℃； t1、t2—分别为冷流体的进口温度和出口温度，℃； r —流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。

14. 热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量 根据热量恒算式，可由既定的传热任务求得载热体的消耗量。

15. 【例】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f 25×2.5mm的管子，已知溶液的比热CP=2.8kJ/(kg·K)，密度r=850kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2·K), 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： ⑴ 溶液在管内的流速； ⑵ 蒸汽的消耗量； ⑶ 换热管的长度。

16. 解：⑴溶液的体积流量： 管程流通截面积： 管内平均流速： ⑵查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热r=2140kJ/kg, 蒸汽消耗量

17. ⑶ 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：

18. 传热温差 • 参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表面各点是不同的。 • 当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。 • 平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。

19. 并流 逆流

20. 逆流或并流时的平均温差 假定： ⑴在传热过程中，热损失忽略不计； ⑵两流体的比热为常数，不随温度而变； ⑶总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。 逆流 并流

21. 平均温差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。平均温差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。 【例】在套管换热器中用20℃的冷却水将某溶液从100℃冷却至60℃，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.5kJ/(kg·℃)，已测得水出口温度为40℃，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。

22. 解：逆流和并流的平均温差分别是： 传热负荷为： 逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：

23. 当T1、T2、t1和t2不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。当T1、T2、t1和t2不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。 采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量，以物料的加热为例，加热剂的用量

24. 并流时T2恒大于t2，但逆流时T2有可能低于t2，逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少。一般都采用逆流操作。并流时T2恒大于t2，但逆流时T2有可能低于t2，逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少。一般都采用逆流操作。 但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。

25. 参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。

26. 参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。

27. 错流和折流时的平均温差 两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。 一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。 简单折流 错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直； 错流 若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。 复杂折流

28. 错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正 ψ称为温差修正系数，表示为P和R两参数的函数 式中 式(7.2-23)表示的温差修正曲线绘于图7-5(a)、(b) 和 (c)中。

29. 温差修正系数ψ＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，换热器设计时ψ值不应小于0.8，否则不经济。增大ψ的一个方法就是改用多壳程。温差修正系数ψ＜1，即⊿tm＜⊿tm，逆，换热器设计时ψ值不应小于0.8，否则不经济。增大ψ的一个方法就是改用多壳程。

30. 总传热系数 总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数1/K称为传热过程的总热阻。 冷、热两流体的温度分别为T和t，给热系数分别为h2和h1，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw, 间壁两侧面积分别为A1和A2，流体通过间壁的热交换经过“对流—传导—对流”三个串联步骤。

31. 冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。

32. 根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算 式中 为管壁的对数平均直径 当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等

33. 若导热热阻很小，则 0 管内流体对流传热控制。 若 ，则 ， ， 若 ，则 ， ， 管外流体对流传热控制。 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。

34. 例：某空气加热器，蒸汽在管间冷凝，以加热管内流动的例：某空气加热器，蒸汽在管间冷凝，以加热管内流动的 空气，已知空气侧给热系数h1＝50W/m2·K ，蒸汽冷凝给 热系数h2＝5000W/m2·K，为强化传热，现 （1）将蒸汽给热系数提高1倍，求总传热系数； （2）将空气给热系数提高1倍，求总传热系数。 解： 计算表明： 提高大给热系数， 总传热系数基本 不变； 提高小给热系数 1倍，总传热系数 提高近1倍。

35. 获取K的其他途径： ⑴ 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，表7-1列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。 ⑵ 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：

36. 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h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。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h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。

37. 流体种类 总传热系数K W/(m2·K) 水—气体 12~60 水—水 800~1800 水—煤油 350左右 水—有机溶剂 280~850 气体—气体 12~35 饱和水蒸气—水 1400~4700 饱和水蒸气—气体 30~300 饱和水蒸气—油 60~350 饱和水蒸气—沸腾油 290~870 列管换热器总传热系数K的经验数据

38. 污垢热阻 换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。 若垢层厚度为⊿s，垢层导热系数为λs，则垢层热阻为Rs=⊿s/λs。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足够重视。 由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2，则总热阻

39. 用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则 式中K2为清洁表面的总传热系数，K2′是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定Rf值。

40. 流 体 种 类 污垢热阻 m2·℃/W 流体种类 污垢热阻 m2·℃/W 水(u<1m/s, t<50℃) 蒸气 海水 0.0001 有机蒸汽 0.0002 河水 0.0006 水蒸气(不含油) 0.0001 井水 0.00058 水蒸气废气(含油) 0.0002 蒸馏水 0.0001 制冷剂蒸汽(含油) 0.0004 锅炉给水 0.00026 气体 未处理的凉水塔用水 0.00058 空气 0.0003 经处理的凉水塔用水 0.00026 压缩气体 0.0004 多泥沙的水 0.0006 天然气 0.002 盐水 0.0004 焦炉气 0.002 污垢热阻的大致数值