傳熱操作技術(shù)

1、掌握間壁式換熱器的傳熱計(jì)算;第二章傳熱操作技術(shù)f知識(shí)目標(biāo)：III了解各類型換熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用；II理解傳熱的根本方式、機(jī)理、特點(diǎn)及影響因素;II1能力目標(biāo)：I' .一 _能操作換熱器；一能進(jìn)行列管式換熱器的選型計(jì)算;在化工生產(chǎn)中，通常需對(duì)原料進(jìn)行加熱或冷卻，在化學(xué)反響中，對(duì)于放熱或吸熱反響， 為了保持最正確反響溫度，又必須及時(shí)移出或補(bǔ)充熱量；對(duì)某些單元操作，如蒸發(fā)、結(jié)晶、蒸 餾和枯燥等，也需要輸入或輸出熱量，才能保證操作的正常進(jìn)行；此外，設(shè)備和管道的保溫, 生產(chǎn)過程中熱量的綜合利用及余熱回收等都涉及傳熱問題。因此，傳熱設(shè)備不僅在化工廠的 設(shè)備投資中占有很大的比例，而且它們所消耗的

2、能量也是相當(dāng)可觀的?；どa(chǎn)過程中對(duì)傳熱的要求可分為兩種情況：一是強(qiáng)化傳熱，如各種換熱設(shè)備中的傳 熱；二是削弱傳熱，如設(shè)備和管道的保溫。第一節(jié)換熱器的分類及結(jié)構(gòu)型式在化工生產(chǎn)過程中，傳熱通常是在兩種流體間進(jìn)行的，故稱換熱。要實(shí)現(xiàn)熱量的交換， 必須要采用特定的設(shè)備，通常把這種用于交換熱量的設(shè)備通稱為換熱器。一、換熱器的分類由于物料的性質(zhì)和傳熱的要求各不相同，因此，換熱器種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣。換熱 器可按多種方式進(jìn)行分類。一按換熱器的用途分類見表2-1 o表2-1換熱器的用途分類名稱應(yīng)用加熱器用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。預(yù)熱器用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的

3、效率過熱器用于加熱飽和蒸汽，使其到達(dá)過熱狀態(tài)蒸發(fā)器用于加熱液體，使之蒸發(fā)汽化再沸器是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于加熱塔底液體，使之受熱汽化冷卻器用于冷卻流體，使之到達(dá)所需的溫度冷凝器用于冷凝飽和蒸汽，使之放岀潛熱而凝結(jié)液化二按換熱器的作用原理分類見表2-2。表2-2換熱器的用途分類名稱特點(diǎn)應(yīng)用間壁式換熱器兩流體被固體壁面分開，互不接觸，熱量由熱流體通過 壁面?zhèn)鹘o冷流體適用于兩流體在換熱過程中不允 許混合的場(chǎng)合。應(yīng)用最廣，形式多 樣?；旌鲜綋Q熱器兩流體直接接觸，相互混合進(jìn)行換熱。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備 及操作費(fèi)用均較低，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場(chǎng)合，常 見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏 管及噴射冷凝

4、器等。蓄熱式換熱器借助蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可 耐高溫，其缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，傳熱效率低且不能完 全防止兩流體的混合。煤制氣過程的氣化爐、回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器中間載熱體式換熱器將兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體又稱熱媒 連接起來，載熱體在高溫流體換熱器中從熱流體吸收熱 量后，帶至低溫流體換熱器傳給冷流體。多用于核能工業(yè)、冷凍技術(shù)及余熱 利用中。熱管式換熱器即屬此類。三按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類1管式換熱器 管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱，按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用最廣。2板式換熱器是通過板面進(jìn)行

5、傳熱，按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和板式換熱器等幾種。3 特殊型式換熱器這類換熱器是指根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。二、間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)型式一列管換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鞏固 耐用、用材廣泛、清洗方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在換熱設(shè)備中占主 導(dǎo)地位。列管換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種，見表2-3。表2-3列管換熱器的分類名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用固定 管板 式換 熱器由殼體、封頭、管束、管板 等部件構(gòu)成，管束兩端固定 在兩管板上。如圖

6、2-1所示優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、管內(nèi)便于清洗；缺點(diǎn)是 殼程不能進(jìn)行機(jī)械清洗， 且當(dāng)殼體與換熱管的溫 差較大大于50C時(shí)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力又叫熱 應(yīng)力具有破壞性，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因 而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)度限制不能太高。適用于殼程流體清 潔且不結(jié)垢，兩流體 溫差不大或溫差較 大但殼程壓力不高 的場(chǎng)合。浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是一端管板不與殼體 固定連接，可以在殼體內(nèi)沿 軸向自由伸縮，該端稱為浮 頭。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，消除了熱應(yīng)力；管束可以 從管內(nèi)抽岀，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高。應(yīng)用十分廣泛，適用 于

7、殼體與管束溫差 較大或殼程流體容 易結(jié)垢的場(chǎng)合U形管式 換熱 器結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。其結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是只有一個(gè)管板，管子 成U形，管子兩端固定在同 一管板上。管束可以自由伸 縮，解決了熱補(bǔ)償問題。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，造價(jià)低；管間清洗 較方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗較困難；管板利用率 低。適用于管、殼程溫差較大或殼程介質(zhì)易 結(jié)垢而管程介質(zhì)不 易結(jié)垢的場(chǎng)合填料 函式 換熱 器結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。其結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是管板只有一端與殼 體固定，另一端采用填料函 密封。管束可以自由伸縮， 不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)低；管束 可以從殼體內(nèi)抽岀，管、殼程均能進(jìn)行清洗，維 修方便。其缺點(diǎn)是填料函

8、耐壓不高，一般小于 4.0MPa;殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏。適用于管殼程溫差 較大或介質(zhì)易結(jié)垢 需要經(jīng)常清洗且殼 程壓力不高的場(chǎng)合。釜式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。其結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置蒸 發(fā)空間。管束可以為固定管 板式、浮頭式或U形管式。清洗方便，并能承受高溫、高壓適用于液-氣式換熱其中液體沸騰汽 化，可作為簡(jiǎn)單的 廢熱鍋爐。圖2-1固定管板式換熱器圖2-2 浮頭式換熱器圖2-3 U形管式換熱器圖2-4填料函式換熱器1活動(dòng)管板；2 填料壓蓋；3填料；4 填料函；5縱向隔板圖2-5釜式換熱器為改善換熱器的傳熱，工程上常用多程換熱器。假設(shè)流體在管束內(nèi)來回流過屢次，那么稱為多管程，一般除單管

9、程外，管程數(shù)為偶數(shù)，有二、四、六、八程等，但隨著管程數(shù)的增加，流動(dòng)阻力迅速增大，因此管程數(shù)不宜過多，一般為二、四管程。在殼體內(nèi)，也可在與管束軸線平行方向設(shè)置縱向隔板使殼程分為多程，但是由于制造、安裝及維修上的困難，工程上較少使用，通常采用折流擋板，以改善殼程傳熱。二套管換熱器套管換熱器是由兩種直徑不同的直管套圖2-6套管換熱器在一起組成同心套管，然后將假設(shè)干段這樣的套 管連接而成，其結(jié)構(gòu)如圖 2-6所示。每一段套 管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)所需傳熱面積的多少 而增減。換熱時(shí)一種流體走內(nèi)管，另一種流體 走環(huán)隙，傳熱面為內(nèi)管壁。套管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減。其缺點(diǎn)是單位

10、傳熱面積的金屬耗量大，管子接頭多，檢修清洗不方便。此類換熱器適用于高溫、高壓及流量較小的場(chǎng)合。三蛇管換熱器蛇管換熱器根據(jù)操作方式不同，分為沉浸式和噴淋式兩類，見表2-4。表2-4蛇管換熱器名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用沉浸以金屬管彎繞而成，制成適應(yīng)容器的形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、便于防腐、能式蛇狀，沉浸在容器內(nèi)的液體中。管內(nèi)流體承受高壓。為提高傳熱效果，常需加管換與容器內(nèi)液體隔著管壁進(jìn)行換熱。幾種攪拌裝置。熱器常用的蛇管形狀如圖 2-7所示。噴淋各排蛇管均垂直地固定在支架上，結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是檢修清洗方便、傳熱效果好，置于室外通風(fēng)處，常式蛇如圖2-8所示，冷卻水由蛇管上方的噴蛇管的排數(shù)根據(jù)所需傳熱面積定。缺用于冷卻管內(nèi)

11、熱流管換淋裝置均勻地噴灑在各排蛇管上，并沿點(diǎn)是體積龐大，占地面積多；冷卻水體。熱器著管外外表淋下耗用量較大，噴淋不均勻。圖2-7沉浸式蛇管的形式圖2-8噴淋式蛇管換熱器四夾套換熱器夾套換熱器的結(jié)構(gòu)如圖 2-9所示，主要用于反響器的加熱或冷卻。它由一個(gè)裝在容器外部的夾套構(gòu)成，與反響器或容器構(gòu)成一個(gè)整體，器壁就是換熱器的傳熱面。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 容易制造。其缺點(diǎn)是傳熱面積小，器內(nèi)流體處于自然對(duì)流狀態(tài)，傳熱效率低；夾套內(nèi)部清洗困難。夾套內(nèi)的加熱劑和冷卻劑一般只能使用不易結(jié)垢的水蒸氣、冷卻水和氨等。夾套內(nèi)通蒸氣時(shí)，應(yīng)從上部入，冷凝水從底部排出；夾套內(nèi)通液體載熱體時(shí)，應(yīng)從底部進(jìn)入，從上部流出。、一圖2

12、-9夾套換熱器A-A圖2-10螺旋板式換熱器(五) 其他類型換熱器見表2-5。表2-5其他類型換熱器名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用螺旋 板式 換熱 器結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，由焊在中心隔板上 的兩塊金屬薄板卷制而成，兩薄板之間形 成螺旋形通道，兩板之間焊有定距柱以維 持通道間距，螺旋板的兩端焊有蓋板。兩 流體分別在兩通道內(nèi)流動(dòng)， 通過螺旋板進(jìn) 行換熱。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊；單位體積傳熱面積大；流體在換熱器內(nèi) 作嚴(yán)格的逆流流動(dòng)，可在較小的溫差下操作， 能充分利用 低溫能源；由于流向不斷改變，且允許選用較高流速，故 傳熱效果好；又由于流速較高，同時(shí)有慣性離心力的作用， 污垢不易沉積。其缺點(diǎn)是制造和檢修都比擬困難；流動(dòng)

13、阻 力較大；操作壓力和溫度不能太高，一般壓力在2MPa以 下，溫度那么不超過 400'C。翅片式換熱器在換熱管的外外表或內(nèi)外表或同時(shí)裝有 許多翅片，常用翅片有縱向和橫向兩類， 如圖2-11所示。氣體的加熱或冷卻，當(dāng)換熱的另一方為液體或發(fā)生相變 時(shí)，在氣體一側(cè)設(shè)置翅片，即可增大傳熱面積，又可增加氣體的湍動(dòng)程度，提高傳熱效率。平板式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。它是由假設(shè)干塊長(zhǎng)方 形薄金屬板疊加排列，夾緊組裝于支架上 構(gòu)成。兩相鄰板的邊緣襯有墊片，壓緊后 板間形成流體通道。板片是板式換熱器的 核心部件，常將板面沖壓成各種凹凸的波 紋狀優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大；組裝靈活方便； 有較高

14、的傳熱效率，可隨時(shí)增減板數(shù)，有利于清洗和維修。 其缺點(diǎn)是處理量?。皇軌|片材料性能的限制，操作壓力和 溫度不能過高。適用于需要經(jīng)常清洗、工作環(huán)境要求十分 緊湊，操作壓力在2.5MPa以下，溫度在35200C的場(chǎng) 合。板翅式換熱器根本單元體由翅片、隔板及封條組成，如 圖2-13(a)所示。翅片上下放置隔板，兩側(cè) 邊緣由封條密封，即組成一個(gè)單元體。將 一定數(shù)量的單元體組合起來，并進(jìn)行適當(dāng) 排列，然后焊在帶有進(jìn)岀口的集流箱上， 如圖2-13(b)、(c)、(d)所示。一般用鋁合 金制造是一種輕巧、緊湊、高效的換熱裝置，優(yōu)點(diǎn)是單位體積傳 熱面積大，傳熱效果好；操作溫度范圍較廣，適用于低溫 或超低溫場(chǎng)合；

15、允許操作壓力較高，可達(dá)5MPa。其缺點(diǎn)是易堵塞，流動(dòng)阻力大；清洗檢修困難，故要求介質(zhì)潔凈。 其應(yīng)用領(lǐng)域已從航空、航天、電子等少數(shù)部門逐漸開展到 石油化工、天然氣液化、氣體別離等更多的工業(yè)部門。圖2-11常用翅片的類型圖2-12板式換熱器及常見板片的形狀精蟲謫式圖2-13翹片式換熱器活動(dòng)建議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，了解換熱器的結(jié)構(gòu)類型。閱讀資料熱管換熱器熱管換熱器是用一種稱為熱管的新型換熱元件組合而成的換熱裝置。目前使用的熱管換 熱器多為箱式結(jié)構(gòu)，由殼體、熱管和隔板組成，把一組熱管組合成一個(gè)箱形，中間用隔板分圖2-14所示。fn1 m;圖2-15 熱管結(jié)構(gòu)示意圖為熱、冷兩個(gè)流體通道，一般熱管外壁上裝有翅片

16、，以強(qiáng)化傳熱效果，如熱管是主要的傳熱元件，具有很高的導(dǎo)熱性能。主要由密封管子、吸液芯及蒸汽通道三 局部組成。熱管的種類很多，但其甚本結(jié)構(gòu)和工作原理根本相同。以吸液芯熱管為例，如圖 2-15所示。在一根密閉的金屬管內(nèi)充以適量的工作液，緊靠管子內(nèi)壁處裝有金屬絲網(wǎng)或纖維 等多孔物質(zhì)，稱為吸液芯。熱管沿軸向分成三段：蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。在蒸發(fā)段，當(dāng) 熱流體從管外流過時(shí)，熱量通過管壁傳給工作液，使其汽化，蒸汽在壓差作用下，沿管子的 軸向流動(dòng)，在冷凝段向冷流體放出潛熱而凝結(jié)，冷凝液在吸液芯內(nèi)流回?zé)岫耍購(gòu)臒崃黧w處 吸收熱量而汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量便不斷地從熱流體傳給冷流體。絕熱段的作用是當(dāng)熱 源與冷

17、源隔開時(shí)，使管內(nèi)的工作液不與外界進(jìn)行熱量交換。 lllS 諭 iii 笳簡(jiǎn) iiiiiii；iiiiiiii§ 屋 乂第；：胡剛歸聶工：益也;I皿為盤叼 SiiHimtHiLii! 11111!1111111»11111!| E isRkl圖2-14 熱管式換熱器圖熱管換熱器的傳熱特點(diǎn)是熱量傳遞汽化、蒸汽流動(dòng)和冷凝三步進(jìn)行，由于汽化和冷凝的 對(duì)流強(qiáng)度都很大，蒸汽的流動(dòng)阻力又較小，因此熱管的傳熱熱阻很小，即使在兩端溫度差很 小的情況下，也能傳遞很大的熱流量。因此，它特別適用于低溫差傳熱的場(chǎng)合。熱管換熱器 具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，以應(yīng)用于化工

18、、電子、 機(jī)械等工業(yè)部門中。第二節(jié)換熱器根底知識(shí)在化工生產(chǎn)中，傳熱過程是通過換熱器實(shí)現(xiàn)的，而以間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛，冷熱 兩種流體經(jīng)過間壁傳熱過程，在傳熱方向上熱量傳遞過程包括三個(gè)步驟：熱流體將熱量傳遞 到間壁的一側(cè)；熱量自間壁一側(cè)傳遞至另一側(cè)；熱量由壁面向冷流體傳遞?？傊疅崃總鬟f總是自高溫處至低溫處傳遞。間壁式換熱器內(nèi)熱量傳遞有兩種根本方式： 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流。一、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，借助物質(zhì)的分子、原子或自由電子的運(yùn)動(dòng)將熱量從物體溫度較高的部 位傳遞到溫度較低的部位的過程。熱傳導(dǎo)可發(fā)生在物體內(nèi)部或直接接觸的物體之間。在熱傳 導(dǎo)過程中，沒有物質(zhì)的宏觀位移。1.傅立葉定律傅里葉定律是導(dǎo)熱的

19、根本定律，表達(dá)式為dtQ =入 A(2-1)dx式中 Q導(dǎo)熱速率，J/s或W;入導(dǎo)熱系數(shù)，W/ ( m K);A 垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積，m2；dt/dx溫度梯度，是導(dǎo)熱方向上溫度的變化率。由于導(dǎo)熱方向?yàn)闇囟认陆档姆较颍视叶隧毤右回?fù)號(hào)。2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個(gè)物性參數(shù)，入越大，導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱性能的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓力等有關(guān)。物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值差異極大，一般而言，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最小，見表2-6。工程上常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可從有關(guān)手冊(cè)中查得。書后附錄中提供了一些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。應(yīng)予

20、指出，在導(dǎo)熱過程中，固體壁面內(nèi)的溫度沿傳熱方向發(fā)生變化，其導(dǎo)熱系數(shù)也應(yīng)變化，但在工程計(jì)算中，為簡(jiǎn)便起見通常使用平均導(dǎo)熱系數(shù)，即取壁面兩側(cè)溫度下入的平均值或平均溫度下的入值。3 .傅立葉定律的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。如圖2-16所示，設(shè)圓筒壁的內(nèi)、夕卜半徑分別為ri和長(zhǎng)度為I，可以看出圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變。圖2-i6單層圓筒壁熱傳導(dǎo)假設(shè)圓筒壁內(nèi)、外外表溫度分別為twi和tw2，且twi> tw2。假設(shè)在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的薄層圓筒，其傳熱面積可視為常量，等于2 n rl;同時(shí)通過該薄層的溫度變化為dt，那么根據(jù)傅立葉定律通過該薄層的導(dǎo)

21、熱速率可表示為Q= - Adr將上式別離變量積分并整理得(2-2)(2-3)2瑙丸(twi -tw2 )Q=Inri式(2-2)即為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式。與其他傳遞過程類似，傳熱速率可表示為傳熱推動(dòng)力與傳熱阻力之比，即2刃丸(twi -tw2 ) At Q=沾 Rri那么圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻 R為riR= -( 2-4)2 二I 令圓筒壁平均面積 Am為Am='-r ml( 2-5)其中(2-6)r2 - rirm=.2Inri當(dāng)r/riW 2時(shí)，上式中的對(duì)數(shù)平均值可用算術(shù)平均值代替。式中 Am圓筒壁的對(duì)數(shù)平均面積，m2;rm圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑,m；由式2-4至2-6 整理可得R=5

22、Am(2-7)式中S圓筒壁的厚度，m;R= 一一單層圓筒壁導(dǎo)熱熱阻，K/W。由式2-4可以看出，在溫度差一定時(shí)，提高傳熱速率的關(guān)鍵在于減小傳熱熱阻。導(dǎo)熱壁面越厚、導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱阻越大?！纠?-1】 $ 32 x 3.5mm，長(zhǎng)6m的鋼管，內(nèi)壁溫度為100C，外壁溫度為 90 C,試求該管在單位時(shí)間內(nèi)的散熱量。解 ri = 0.0125m ,匕=0.016m, twi= 100 C, tw2= 90C, l=6m，查得 X= 45W/m.K廠 2二1 tw1 -tw22二 645100 -900.016In0.0125Q= 一 =68690WInr1應(yīng)用圓筒壁的導(dǎo)熱速率公式可以確定

23、導(dǎo)熱速率、壁面溫度及估算壁面厚度。在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)熱情況也比擬常見，例如在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量損失或冷量損失;在反響器或其他容器內(nèi)襯以工程塑料或其他材料以減小腐蝕；在換熱器內(nèi)換熱管的內(nèi)、外外表形成污垢等等，其導(dǎo)熱速率公式可查 閱相關(guān)資料。- 想一想平壁導(dǎo)熱與圓筒壁的區(qū)別是什么?、對(duì)流傳熱對(duì)流又稱給熱，是指利用流體質(zhì)點(diǎn)在傳熱方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將熱量由一處傳遞至另一 處。對(duì)流中總是伴有熱傳導(dǎo)。根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因不同，又可分為強(qiáng)制對(duì)流和 自然對(duì)流。假設(shè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由外力作用如泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等而引起的，稱為強(qiáng)制對(duì)流； 假設(shè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由流體內(nèi)部各局

24、部溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的， 那么稱為自然對(duì)流。在間壁式換熱器內(nèi)，熱量從熱流體傳到固體壁面，或從固體壁面?zhèn)鞯嚼淞黧w，傳熱方式 既有對(duì)流又伴隨熱傳導(dǎo)，因此工程上把流體與壁面之間的熱量傳遞統(tǒng)稱為對(duì)流傳熱。一對(duì)流傳熱的分析我們已經(jīng)知道，當(dāng)流體沿壁面作湍流流動(dòng)時(shí)，在靠近壁面處總有一層流內(nèi)層存在，在層流內(nèi)層和湍流主體之間有一過渡層。如圖2-17。在湍流主體內(nèi)，由于流體質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)劇烈，所以在傳熱方向上，流體的溫度差極小，各處的溫度根本相同，熱量傳遞主要依靠渦流傳熱，其熱阻很小，傳熱速度極快。而在層流底層中，流體僅沿壁面平行流動(dòng)，在傳熱方向上沒有 質(zhì)點(diǎn)位移，所以熱量傳遞主要依靠傳導(dǎo)

25、進(jìn)行，由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，故熱阻主要集中在 層流內(nèi)層中，因此溫度差也主要集中在該層內(nèi)。因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱 的重要途徑。A 面上的珮度甘布圖2-17對(duì)流傳熱的分析二對(duì)流傳熱根本方程 牛頓冷卻定律對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)情況及流體的性質(zhì)等有關(guān)，其影響因素很多。其傳熱速率可用牛 頓冷卻定律表示.譏“ AtR(2-8)Q = : At =-1:A),W/(m1 2 K)式中 Q 對(duì)流傳熱速率， W;:- 對(duì)流傳熱膜系數(shù)(或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)、給熱系數(shù)2 A對(duì)流傳熱面積，m ； t流體與壁面間溫度差的平均值，K ;當(dāng)流體被加熱時(shí)， t = tw- t;當(dāng)流體被冷卻時(shí)， t = T Tw。R

26、 = 1/( : A)對(duì)流傳熱熱阻， K/W ;牛頓冷卻定律是將復(fù)雜的對(duì)流傳熱問題，用一簡(jiǎn)單的關(guān)系式來表達(dá)，實(shí)質(zhì)上是將矛盾集中在上，因此，研究:-的影響因素及其求取方法，便成為解決對(duì)流傳熱問題的關(guān)鍵。(三) 對(duì)流傳熱膜系數(shù)對(duì)流傳熱膜系數(shù)反映了對(duì)流傳熱的強(qiáng)度，:越大，說明對(duì)流強(qiáng)度越大，對(duì)流傳熱熱阻越小。:是受諸多因素影響的一個(gè)參數(shù)，表2-6列出了幾種對(duì)流傳熱情況下的：值，從中可以看出，氣體的：值最小，載熱體發(fā)生相變時(shí)的值最大，且比氣體的：值大得多。表2-6:-值的經(jīng)驗(yàn)范圍對(duì)流惜熱類型對(duì)洗傳熱類爭(zhēng)吒體機(jī)熱庶褂卻5-100" 有機(jī)離弋掙稚5OU-2OTO油加熱碰曲制如17W水幕汽掙從500

27、0-15000200-1500025DO-2MOO:-越大;流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流體的Re值越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層的厚度越薄, 反之，那么越小。5傳熱壁面的形狀、位置及長(zhǎng)短等傳熱壁面的形狀如管內(nèi)、管外、板、翅片等、傳熱壁面的方位、布置如水平或垂直放置、管束的排列方式等及傳熱面的尺寸如管徑、管長(zhǎng)、板高等都對(duì)有直接的影響。2 無相變傳熱對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式由于影響:的因素很多，要建立一個(gè)通式求各種條件下的:是不可能的。通常是采用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)法獲得各種條件下:的關(guān)聯(lián)式。流體無相變傳熱時(shí)的對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為Nu=ARe 中rnGrh2-9表2-7列出了有關(guān)各特征數(shù)的名稱、符號(hào)及意義。表2-7特征數(shù)

28、的名稱及意義特征數(shù)客群帶號(hào)腦式意Xai/k表赤口昭特征數(shù)lup/fAPr表示勒性略響的特紙翹將掠網(wǎng)饕夫茲Gr農(nóng)示自熾對(duì)氓誓瞰的特怔進(jìn)在使用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。 應(yīng)用范圍。關(guān)聯(lián)式中 Re、Pr、Gr等特征數(shù)的數(shù)值范圍。 特征尺寸。Nu、Re等特征數(shù)中I應(yīng)如何取定。 定性溫度。確定各特征數(shù)中流體的物性參數(shù)所依據(jù)的溫度。隨不同的條件，:的關(guān)聯(lián)式有多種。每一個(gè) :關(guān)聯(lián)式對(duì)上述三個(gè)方面都有明確的規(guī)定和 說明。無相變流體在圓直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的:關(guān)聯(lián)式如下。1低粘度流體小于 2倍常溫水的粘度(2-10)Nu =0.023Re°.8 Prn(2-10a)式中n的取值方法是：當(dāng)流體被加熱時(shí)，

29、n= 0.4;當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n= 0.3。應(yīng)用范圍：Re>10000, 0.7v Prv 120;管長(zhǎng)與管徑之比l/di>60。假設(shè)l/djv 60,將由式(2-10a) 算得的：乘以1+( di/ |) 0.7加以修正。特征尺寸I:取管內(nèi)徑di。定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。(2)高粘度液體Nu =0.027Re0.8Pr0.33 W(2-11)應(yīng)用范圍和特征尺寸與式(2-10)相同。定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。:w為粘度校正系數(shù)，當(dāng)液體被加熱時(shí)，'w = 1.05;當(dāng)流體被冷卻時(shí)，；w = 0.95。查一一查 其他不同情況下對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)

30、式。(四) 流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱流體相變傳熱有兩種情況：一種是蒸汽的冷凝，一種是液體的沸騰。化工生產(chǎn)中，流體 在換熱過程中發(fā)生相變的情況很多，例如，在蒸發(fā)過程中，作為加熱劑的蒸汽會(huì)冷凝成液體, 被加熱的物料那么會(huì)沸騰汽化。由于流體在對(duì)流傳熱過程中伴隨有相態(tài)變化，因此有相變比無 相變時(shí)的對(duì)流傳熱過程更為復(fù)雜。1 蒸汽冷凝如果蒸汽處于比其飽和溫度低的環(huán)境中，將出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。在換熱器內(nèi)，當(dāng)飽和蒸汽與 溫度較低的壁面接觸時(shí)，蒸汽將釋放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體，發(fā)生在蒸汽冷凝和壁 面之間的傳熱稱為冷凝對(duì)流傳熱，簡(jiǎn)稱冷凝傳熱。冷凝傳熱速率與蒸汽的冷凝方式密切相關(guān)。 蒸汽冷凝主要有兩種方式：膜狀冷凝

31、和滴狀冷凝。如果冷凝液能夠潤(rùn)濕壁面，那么會(huì)在壁面上 形成一層液膜，稱之為膜狀冷凝；如果冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，那么會(huì)在壁面上雜亂無章地形成 許多小液滴，稱為滴狀冷凝。在膜狀冷凝過程中，壁面被液膜所覆蓋，此時(shí)蒸汽的冷凝只能在液膜的外表進(jìn)行，即蒸 汽冷凝放出的潛熱必須通過液膜后才能傳給壁面。因此冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱 阻。冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)時(shí)，其厚度不斷增加，所以壁面越高或水平放置 的管子管徑越大，那么整個(gè)壁面的平均 也就越小。在滴狀冷凝過程中，壁面的大局部直接暴露在蒸汽中，由于在這些部位沒有液膜阻礙熱流，故其:很大，是膜狀冷凝的十倍左右。盡管如此，但是要保持滴狀冷凝是很困難

32、的。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經(jīng)過一段 時(shí)間后，由于液珠的聚集，大局部都要變成膜狀冷凝。為了保持滴狀冷凝可采用各種不同 的壁面涂層和蒸汽添加劑，但這些方法還處于研究和實(shí)驗(yàn)中。故在進(jìn)行冷凝計(jì)算時(shí)，為平安 起見一般按膜狀冷凝來處理。2 液體沸騰將液體加熱到操作條件下的飽和溫度時(shí)，整個(gè)液體內(nèi)部，都將會(huì)有氣泡產(chǎn)生，這種現(xiàn)象 稱為液體沸騰。發(fā)生在沸騰液體與固體壁面之間的傳熱稱為沸騰對(duì)流傳熱，簡(jiǎn)稱為沸騰傳熱。工業(yè)上液體沸騰的方法主要有兩種：一種是將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受 熱沸騰，稱為池內(nèi)沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。后者機(jī)理更 為復(fù)雜。目前，對(duì)有相變時(shí)的對(duì)流傳熱的研

33、究還不是很充分，盡管迄今已有一些對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式可供使用，但其可靠程度并不很高。想一想在有相變傳熱的換熱器中通常安裝有排除不凝性氣體的閥門，為什么？第三節(jié)列管式換熱器的計(jì)算與選型前已述及，工業(yè)上以間壁式換熱器應(yīng)用最廣，而間壁傳熱過程是由固體間壁內(nèi)部的導(dǎo)熱 及間壁兩側(cè)流體與固體外表之間的對(duì)流傳熱組合而成的。在學(xué)習(xí)了熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱的根底 上，本節(jié)討論傳熱全過程的計(jì)算，以解決工業(yè)列管式換熱器選型和操作分析問題。一、傳熱根本方程間壁式換熱涉及壁面的溫度，而通常壁面溫度是未知的。為解決這一問題，在實(shí)際傳熱 計(jì)算中，常采用換熱器中熱、冷流體的溫度差作為傳熱推動(dòng)力的總傳熱速率方程，又稱為傳 熱根本方

34、程，即(2-12)'tmQ = KA A tm =-1 RKA式中 Q 傳熱速率， W;K 總傳熱系數(shù)， W/ m 2 K;A傳熱面積，m2; tm傳熱平均溫度差，K ；R換熱器的總熱阻，K/W ;對(duì)于一定的傳熱任務(wù)，確定換熱器所需傳熱面積是選擇換熱器型號(hào)的核心。傳熱面積由 傳熱根本方程計(jì)算確定。由式2-12有由上式可知，要計(jì)算傳熱面積，必須先求得傳熱速率 Q、傳熱平均溫度差 tm以及傳熱系 數(shù)K，下面將逐一進(jìn)行介紹。二、換熱器的熱負(fù)荷為了到達(dá)一定的換熱目的，要求換熱器在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量稱為換熱器的熱負(fù)荷。一熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系傳熱速率是換熱器單位時(shí)間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生

35、產(chǎn)能力；主要由換熱界自身 的性能決定。熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)。為確 保換熱器能完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱速率須大于至少等于其熱負(fù)荷。在換熱器的選型過程中，可用熱負(fù)荷代替?zhèn)鳠崴俾剩蟮脗鳠崦娣e后再考慮一定的平安 裕量，然后進(jìn)行選型或設(shè)計(jì)。二熱負(fù)荷確實(shí)定(2-13)對(duì)于間壁式換熱器，假設(shè)當(dāng)換熱器保溫性能良好，熱損失可以忽略不計(jì)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi) 熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，即Q= Qh= Qc式中 Qh熱流體放出的熱量，W;Qc冷流體吸收的熱量，W;熱損失不能忽略時(shí)，熱負(fù)荷如何確定?1焓差法由于工業(yè)換熱器中流體的進(jìn)、出口壓力差不大，故可近似為恒壓過程

36、。根據(jù)熱力學(xué)定律,恒壓過程熱等于物系的焓差，那么有Qh= Wh ( Hi H2)(2-14)或Qc = Wc ( h2 hi)(2-14a)式中 Wh、Wc熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s;Hi、H2熱流體的進(jìn)、出口焓，J/kg ;h2、hi冷流體的進(jìn)、出口焓，J/kg。焓差法較為簡(jiǎn)單，但僅適用于流體的焓可查取的情況，本教材附錄中列出了空氣、水及 水蒸氣的焓，可供讀者參考。2顯熱法 假設(shè)流體在換熱過程中沒有相變化，且流體的比熱容可視為常數(shù)或可取為流體進(jìn)、出口平 均溫度下的比熱容時(shí)，其傳熱量可按下式計(jì)算。Qh= Wh cph (Ti T2)(2-15)或Qc= Wc Cpc ( t2 ti)(2-

37、I5a)式中 Cph、cpc熱、冷流體的定壓比熱容，J/ (kg K);Ti、T2熱流體的進(jìn)、出口溫度，K;t2、ti冷流體的進(jìn)、出口溫度，K。注意cp的求?。阂话阌闪黧w換熱前后的平均溫度(即流體進(jìn)出換熱器的平均溫度)(+T2) /2 或( t2ti) /2 查得。教材附錄中列有關(guān)于比熱容的圖(表) ，供讀者使用。必須指出，在SI單位制中，溫度的單位是K，但就溫度差而言，其單位用K或C是等效的，兩者均可使用。3潛熱法 假設(shè)流體在換熱過程中僅僅發(fā)生恒溫相變，其傳熱量可按下式計(jì)算Qh= Wh rh(2-I6)或Qc= Wc rc(2-I6a)式中作、rc熱、冷流體的汽化潛熱，J/ kg?！纠?2-

38、2】在一套管換熱器內(nèi)用 0.i6MPa 的飽和蒸汽加熱空氣，飽和蒸汽的消耗量為 i0kg/h，冷凝后進(jìn)一步冷卻到IOOC，試求換熱器的熱負(fù)荷。解 從附錄中查得p= O.I6MPa的飽和蒸汽的有關(guān)參數(shù)：飽和水蒸氣溫度Ts= II3C, Hi=2698.1kJ/kg100C水的焓 H2= 418.68kJ/kg。貝U Qh = Wh ( Hi H2)= ( 10/3600)X( 2698.1 418.68)= 6.33kW想一想 試用顯熱法及潛熱法進(jìn)行此題的計(jì)算。三、傳熱平均溫度差在傳熱根本方程中， tm為換熱器的傳熱平均溫度差，隨著冷、熱兩流體在傳熱過程中的溫度變化情況不同，傳熱平均溫度差的大小

39、及計(jì)算也不同，就換熱器中冷、熱流體溫度變化 情況而言，有恒溫傳熱與變溫傳熱兩種，現(xiàn)分別予以討論。(一) 恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差當(dāng)兩流體在換熱過程中均發(fā)生相變時(shí)，熱流體溫度T和冷流體溫度t始終保持不變，稱為恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱過程。此時(shí)，冷、熱流體的溫度均不 隨位置變化，兩者間的溫度差處處相等。因此，換熱器的傳熱推動(dòng)力可取任一傳熱截面上的 溫度差，即 tm= T t( 2-17 )(二) 變溫傳熱時(shí)的平均溫度差當(dāng)換熱器中間壁一側(cè)或兩側(cè)流體的溫度通常沿?fù)Q熱器管長(zhǎng)而變化，對(duì)此類傳熱那么稱為變 溫傳熱。1 .一側(cè)流體變溫傳熱例如，用飽和蒸汽加熱冷流體，蒸汽冷凝溫度不變，而冷

40、流體的溫度不斷上升，如圖2-18(a)所示；用煙道氣加熱沸騰的液體，煙道氣溫度不斷下降，而沸騰的液體溫度始終保持在沸點(diǎn)不變，如圖2-18 ( b)所示。圖2-18一側(cè)變溫傳熱過程的溫差變化2 .兩側(cè)流體變溫傳熱冷、熱流體的溫度均沿著傳熱面發(fā)生變化，即兩流體在傳熱過程中均不發(fā)生相變，其傳 熱溫度差顯然也是變化的，并且流動(dòng)方向不同，傳熱平均溫度差也不同，即平均溫度差的大 小與兩流體間的相對(duì)流動(dòng)方向有關(guān)，如 圖2-19所示。在間壁式換熱器中，兩流體間可以有四種不同的流動(dòng)方式。假設(shè)兩流體的流動(dòng)方向相同， 稱為并流；假設(shè)兩流體的流動(dòng)方向相反，稱為逆流；假設(shè)兩流體的流動(dòng)方向垂直交叉，稱為錯(cuò)流; 假設(shè)一流體

41、沿一方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)折流，稱為簡(jiǎn)單折流；假設(shè)兩流體均作折流，或既有折 流，又有錯(cuò)流，稱為復(fù)雜折流。套管換熱器中可實(shí)現(xiàn)完全的并流或逆流。并流圖2-19兩側(cè)變溫傳熱過程的溫差變化3 并、逆流時(shí)的傳熱平均溫度差由熱量衡算和傳熱根本方程聯(lián)立即可導(dǎo)出傳熱平均溫度差計(jì)算式如下 tm(2-18)匚匕-氏2,tiInt2式中 tm對(duì)數(shù)平均溫度差，K ； ti、 t2換熱器兩端冷熱兩流體的溫差，K。式(2-19)是并流和逆流時(shí)傳熱平均溫度差的計(jì)算通式，對(duì)于各種變溫傳熱都適用。當(dāng)一側(cè) 變溫時(shí)，不管逆流或并流，平均溫度差相等；當(dāng)兩側(cè)變溫傳熱時(shí)，并流和逆流平均溫度差不 同。在計(jì)算時(shí)注意，一般取換熱器兩端 t中數(shù)

42、值較大者為 t1,較小者為 t2。此外，當(dāng) 11/ t2< 2時(shí)，可近似用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值，即 tm =【例2-3】在套管換熱器內(nèi)，熱流體溫度由180C冷卻140C，冷流體溫度由 60C上升到120 C。試分別計(jì)算：1兩流體作逆流和并流時(shí)的平均溫度差；1假設(shè)操作條件下，換熱器的熱負(fù)荷為585kW，其傳熱系數(shù)K為300W/m2 K，兩流體作逆流和并流時(shí)的所需的換熱 器的傳熱面積。 tm=120-20120In20=55.8 C解1傳熱平均推動(dòng)力逆流時(shí)熱流體溫度180 C宀 140 C冷流體溫度120 C一 60C兩端溫度差60 C80 C所以 tm=AtAt2 =80 -60 =6

43、9.5 C|出In t280 In60并流時(shí)熱流體溫度180 C宀 140 C冷流體溫度60C-> 120C兩端溫度差120 C20 C所以2所需傳熱面積3Q 585 102逆流時(shí) A =28.06 mK也tm300 匯 69.53并流時(shí) A = = 585 1034.95 m2K&m300 江 55.8想一想為什么換熱器中兩流體應(yīng)盡可能采用逆流？什么時(shí)候采用并流?4.錯(cuò)、折流時(shí)的傳熱平均溫度差列管式換熱器中，為了強(qiáng)化傳熱等原因，兩流體并非作簡(jiǎn)單的并流和逆流，而是比擬復(fù)雜的折流或錯(cuò)流，如圖2-20所示。圖2-20折流和錯(cuò)流示意圖對(duì)于錯(cuò)流和折流時(shí)傳熱平均溫度差的求取，由于其復(fù)雜性，

44、不能像并、逆流那樣，直接推導(dǎo)出其計(jì)算式。計(jì)算方法通常先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差 tmZ,再乘以一個(gè)恒小于1的校正系數(shù)；：t，即 tm = tm' t( 2-19)式中稱為溫度差校正系數(shù)，其大小與流體的溫度變化有關(guān)， 可表示為兩參數(shù) P和R的函數(shù), 即;：.t = f (P, R)(2-20)(2-21)_ t2 7冷流體的溫升P T| -匕兩流體的最初溫度差Ti -T2熱流體的溫降R =R t2 -t,冷流體的溫升;：.t可根據(jù)P和R兩參數(shù)由圖2-21查取。圖2-21中(a)、(b)、(c)、(d)為折流過程的;：.t :算圖，分別為1、2、3、4殼程，每個(gè)殼程內(nèi)的管程可以是2、4、6

45、、8程；圖2-21(e)為錯(cuò)流過程的算圖。1.0oo.o 0 J10Fl1.0I O-o.J1,005)9 X07060Wl 05 0.3 0.4 05 0,6 07 0,8 0 9 10圖2-21溫差校正系數(shù)圖想一想錯(cuò)流或折流的特點(diǎn)是什么?四、總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)是描述傳熱過程強(qiáng)弱的物理量，傳熱系數(shù)越大，傳熱熱阻越小，那么傳熱效果 越好。在工程上總傳熱系數(shù)是評(píng)價(jià)換熱器傳熱性能的重要參數(shù)，也是對(duì)傳熱設(shè)備進(jìn)行工藝計(jì) 算的依據(jù)。影響傳熱系數(shù) K值的因素主要有換熱器的類型、流體的種類和性質(zhì)以及操作條件 等。獲取傳熱系數(shù)的方法主要有以下幾種。一總傳熱系數(shù)的計(jì)算1.總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式前已述及，間壁式換

46、熱器中，熱、冷流體通過間壁的傳熱由熱流體的對(duì)流傳熱、固體壁 面的導(dǎo)熱及冷流體的對(duì)流傳熱三步串聯(lián)過程。對(duì)于穩(wěn)定傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)傳熱速率相等, 過程的總熱阻等于各分熱阻之和，可聯(lián)立傳熱根本方程，對(duì)流傳熱速率方程及導(dǎo)熱速率方程 得出，KA: i AiAm : oAo(2-22)式2-22即為計(jì)算K值的根本公式。計(jì)算時(shí)，等式左邊的傳熱面積A可分別選擇傳熱面管壁面的外外表積Ao或內(nèi)外表積Ai或平均外表積 Am,但傳熱系數(shù) K必須與所選傳熱面積相對(duì)應(yīng)。假設(shè)A取Ao,那么有(2-23)同理，假設(shè)A取Ai,那么有Ki =丄A -r- i “A mA：o Ao(2-24)假設(shè)A取Am,那么有Km-Am 丸

47、a。A。(2-25)式中 Ao、Ai、Am傳熱壁的外外表積、內(nèi)外表積、平均外表積，m2;Ki、K。、Km基于 A。、Ai、Am 的傳熱系數(shù)， W/(m2 K)。2.污垢熱阻的影響換熱器在實(shí)際操作中，傳熱壁面常有污垢形成，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，該熱阻稱為污垢 熱阻。通常污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多，因而在傳熱計(jì)算中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響。影響污垢熱阻的因素很多，主要有流體的性質(zhì)、傳熱壁面的材料、操作條件、清洗周期等。由于污垢熱阻的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計(jì)，因此通常選用經(jīng)驗(yàn)值，表2-8列出于些常見流體的污垢熱阻Rs的經(jīng)驗(yàn)值。表2-8常見流體的污垢熱阻流槨R, /(in2/K(>5or)0.

48、09優(yōu)匱不含油0 052海水0,09D.的清潔的何木O.ZL車處埋的床水塔用水0+580.L72已處理的涼朋塔用粧0.26有機(jī)物0,172處理的鍋爐用朮IhOK0.580,520.2fiD.530 恥落利贏弋0.1721.72設(shè)管內(nèi)、外壁面的污垢熱阻分別為Rs i、Rs。，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，那么式(2-23)可寫Ko=+ Rs +A + Rs。+ 丄:iAiAm:' oAo(2-26)上式說明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻之和。應(yīng)予指出，在傳熱計(jì)算中，選擇何種面積作為計(jì)算基準(zhǔn)，結(jié)果完全相同。但工程上，大多以外外表積為基準(zhǔn)，除特別說明外，

49、手冊(cè)中所列K值都是基于外外表積的傳熱系數(shù)，換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中的傳熱面積也是指外外表積。因此，傳熱系數(shù)K的通用計(jì)算式為式(2-26)，此時(shí),傳熱根本方程式的形式為Q = KoAo A tm假設(shè)傳熱壁面為平壁或薄管壁時(shí)，Ao、Ai、Am相等或近似相等，那么式(2-26)可簡(jiǎn)化為1K = 1 二 1 (2-27)RSiRso: i：o【例2-4】 有一用$ 25mm x 2.5mm無縫鋼管制成的列管換熱器， 入=45W/(m K)，管內(nèi)通以冷卻水，:-i = 1000W/(m 2 K)，管外為飽和水蒸氣冷凝，:-° = 10000W/(m 2 K)，污垢熱阻可以忽略。試計(jì)算：(1)傳熱系數(shù)K

50、 ； (2)將二提高一倍，其他條件不變，求K值；將°提高一倍，其他條件不變，求 K值。解(1)10.0250.0025 0.02512=749.0 W/(mK)1000 0.0245100002=1376.7 W/(m K)0.0250.0025 0.02512000 0.02451 0000增幅:1376.7749.0100% _ 83.8%749.02將：o 提高一倍，即：。/ =20000W/m KK "= 768.4 W/m2 K0.0250.0025X 0.0251+1000 0.024520000768 4 一749 0增幅：7684 7490 100% =2.

51、5%749.0二總傳熱系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定對(duì)于已有換熱器，傳熱系數(shù)K可通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法來確定。具體方法如下。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定有關(guān)的數(shù)據(jù)如設(shè)備的尺寸、流體的流量和進(jìn)出口溫度等; 根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)求得傳熱速率Q、傳熱溫度差 tm和傳熱面積A; 由傳熱根本方程計(jì)算 K值。這樣得到的K值可靠性較高，但是其使用范圍受到限制，只有與所測(cè)情況相一致的場(chǎng)合 包 括設(shè)備的類型、尺寸、流體性質(zhì)、流動(dòng)狀況等才準(zhǔn)確。但假設(shè)使用情況與測(cè)定情況相似，所測(cè)K值仍有一定參考價(jià)值。實(shí)測(cè)K值，不僅可以為換熱器計(jì)算提供依據(jù)，而且可以幫助分析換熱器的性能，以便尋 求提高換熱器傳熱能力的途徑。三總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值在換熱器的工藝設(shè)計(jì)過程中，由于換熱器的尺

52、寸未知，因此傳熱系數(shù)K無法通過實(shí)測(cè)或計(jì)算公式來確定。此時(shí)，K值通常借助工具手冊(cè)選取。表2-9列出了列管換熱器對(duì)于不同流體在不同情況下的傳熱系數(shù)的大致范圍，供讀者參考。表2-9列管換熱器中K值的大致范圍傳鶴薪數(shù)K水低糙點(diǎn)烽黨asr凝(骨壓)水斗 55-U40呂油340-910高棉點(diǎn)爆類燕r他離(比壓)水60-170*水渕r冷咂20OT-425G水I7-2S0水黑吒掙軽455-1020水1420-4250140-42S30-300由表2-9可見，K值的變化范圍很大，如何從操作實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，合理地 確定K值?【例2-5】在一逆流操作的換熱器中， 用冷水將質(zhì)量流量為 1.25kg/s的某

53、液體比熱容為1.9kJ/(kg K)從80 C冷卻到50 C。水在管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)、出口溫度分別為20C和40 C。換熱器的管子規(guī)格為0 25mm x 2.5mm ,假設(shè)管內(nèi)、外的_：分別為1.70kW/(m 2 K)和 0.85kW/(m 2 K)，試求換熱器的傳熱面積。假設(shè)污垢熱阻、壁面熱阻及換熱器的熱損失均可忽略。解 (1)換熱器的熱負(fù)荷q= Qh = Wh cph (一T2)= 1.25 x 1.9X (80 50)= 71.25kW(2 )平均傳熱溫度差80 50C40" 20C40C 30C tm2t240 _ 30 =34.8 C ln4030(3 )傳熱系數(shù)Ko =do1""I：o1 2 =0.52kW/(m 2 K