第三章傳熱新

第三章傳熱化學(xué)工程學(xué)院第一節(jié)概述

傳熱：由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移。在一種介質(zhì)內(nèi)部或兩種介質(zhì)之間，只要存在溫度差，就必然會(huì)出現(xiàn)傳熱過程。1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實(shí)現(xiàn)傳熱的前提條件或者說是推動(dòng)力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的目的不外乎是以下三種：削弱傳熱過程

強(qiáng)化傳熱過程1、為了使物料滿足生產(chǎn)規(guī)定的操作溫度需要加熱或冷卻；2、物料在輸送或處理過程中有熱量損失時(shí)需要保溫；3、由于節(jié)能的需要,對(duì)冷（熱）量要回收利用。1.2傳熱的三種基本方式（1）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)。特點(diǎn)：沒有物質(zhì)的宏觀位移。

氣體:分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果

固體:導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)

非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的

液體:機(jī)理復(fù)雜，主要靠原子、分子在平衡位置上的熱運(yùn)動(dòng)。（2）對(duì)流*(熱對(duì)流或?qū)α鱾鳠?

流體與固體表面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量傳遞過程。

（3）熱輻射

物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。

能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化

不需要任何物質(zhì)作媒介特點(diǎn)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)流體整體運(yùn)動(dòng)（電磁波傳遞）本章主要介紹導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱，在此基礎(chǔ)上研究冷熱流體透過固體壁面進(jìn)行換熱的過程。自然對(duì)流——溫差導(dǎo)致密度不同強(qiáng)制對(duì)流——外力攪動(dòng)引起的對(duì)流第二節(jié)熱傳導(dǎo)

2.1熱傳導(dǎo)方程

（1）傅立葉（Fourier）定律

或Q：熱流量或?qū)崴俾剩↗·s-1或W）；q：熱流密度（J·m-2·s-1或W·m-2）；A：導(dǎo)熱面積（m2）；

λ：導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）：熱流方向上的溫度梯度（K·m-1）；負(fù)號(hào)：熱能沿溫度降低的方向傳遞。

上式為導(dǎo)熱的基本定律，即傅立葉定律。返回（2）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

λ在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。λ是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，它表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱。λ=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力)

物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。在一定溫度范圍內(nèi)：

λ=λ0(1+at)

式中λ0，λ：0℃,t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

a：溫度系數(shù)，1/℃；對(duì)大多數(shù)金屬材料：a<0，t↑，λ↓。對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0，t↑，λ↑。

規(guī)律：

（a）一般地，導(dǎo)電固體>非導(dǎo)電固體，液體>氣體

t

，氣體，水，其它液體的

。（b）液體：金屬液體λ較高，非金屬液體λ低，水的λ最大。

一般來說，純液體的大于溶液，t↑，λ↓（除水和甘油）。（c）氣體：t↑，λ↑、氣體不利于導(dǎo)熱，可以應(yīng)用在哪里呢？需要提高導(dǎo)熱速率的場(chǎng)合選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，反之，需要減小導(dǎo)熱速率的場(chǎng)合選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。可用來保溫或隔熱。工程上通常根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值來選擇合適的導(dǎo)熱材料。北方的雙層窗戶，多孔的材料，不能使用實(shí)心磚。部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)可從工具書中查閱。物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級(jí)物質(zhì)種類氣體液體非導(dǎo)固體金屬絕熱材料λ/W/(m·℃)0.006～0.60.07～0.70.2～3.015～420<0.25高溫物體的自身升溫比例很小,因此導(dǎo)熱系數(shù)也變小.物體內(nèi)部的分子或者原子一直處于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài).當(dāng)物體溫度低時(shí),內(nèi)部的分子或者原子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)較為緩慢,當(dāng)物體溫度升高時(shí),物體內(nèi)部的分子或者原子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇,分子或原子之間的熱量交換就越快）即導(dǎo)熱越快.但是由于物體此時(shí)本身的溫度已經(jīng)很高,在把它放到更高溫度的環(huán)境中時(shí),高溫物體的自身升溫比例很小,因此導(dǎo)熱系數(shù)也變小.

例如,10度的金屬塊,加熱使之升溫10度,溫度升高100%；40度的金屬塊,加熱使之升溫10度,溫度升高25%.雖然這個(gè)金屬都只是升高的10度,但是在原始溫度不同時(shí),低溫的金屬塊的升溫比例高于高溫金屬塊.同理,低溫物體的導(dǎo)熱系數(shù)大于高溫物體的當(dāng)熱系數(shù).

當(dāng)然,前提是同一材質(zhì)的物體

2.2傳導(dǎo)傳熱計(jì)算

（1）單層平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：材料均勻；溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。

將積分，得：推動(dòng)力：Δt=(t1-t2)

熱阻：（2）多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假設(shè)：(a)材料均勻；(b)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化；(c)各層接觸良好，無能量損失，接觸面兩側(cè)溫度相同。

各層平壁得溫度降與該層得熱阻成正比。

推廣至n層例1、有一平壁燃燒爐,爐壁由三種材料構(gòu)成.最內(nèi)層為耐火磚,厚度為150mm,導(dǎo)熱系數(shù)可取1.05W/(m℃);中間層為保溫磚,厚度為290mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/(m℃);最外層為普通磚,厚度為228mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.81W/(m℃).測(cè)得爐內(nèi)外壁溫度分別為1016℃和34℃,求單位面積上熱損失和各層間接觸界面的溫度.假設(shè)各層接觸良好.

設(shè)t2為耐火磚和保溫磚間界面溫度，t3保溫磚和普通磚間界面溫度。材料溫度差℃熱阻（m2℃/W）耐火磚59.50.1429保溫磚805.11.933普通磚117.40.2815溫度差和熱阻成正比

（3）單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

根據(jù)傅立葉定律：積分，得：通過圓筒壁的導(dǎo)熱量取決于內(nèi)外徑之比，與厚度絕對(duì)值無關(guān)。式中，rm：圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，即：

可改寫為：其中，Am：圓筒壁內(nèi)外表面的對(duì)數(shù)平均面積。

（4）多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

工業(yè)上經(jīng)常遇到多層圓筒壁的導(dǎo)熱，如：在蒸汽管道外包裹絕熱層；在換熱管的內(nèi)、外側(cè)表面上生成垢層，從而構(gòu)成多層圓筒壁。參照多層平壁的處理方法，可得：如果需計(jì)算多層圓筒壁交界面上的溫度，可用下式：例2管外徑d1=273mm的蒸汽管道中輸送著540℃的蒸汽。管外包有水泥蛭石保溫層，最外層又有15mm厚的保護(hù)層。按照規(guī)定保護(hù)層外側(cè)的溫度T3=48℃，熱損失為442W·m-1，求保溫層厚度b。已知水泥蛭石的熱導(dǎo)率λ1為0.105W·m-1K-1，保護(hù)層的熱導(dǎo)率λ2為0.192W·m-1K-1。解：水泥蛭石保溫內(nèi)表的溫度可認(rèn)為與蒸汽溫度相等，為540℃。實(shí)際上此處溫度應(yīng)略低于540℃，因此按照540℃計(jì)算的結(jié)果稍低安全。由于出現(xiàn)了自然對(duì)數(shù)，一般解代數(shù)法難以解決，采用試差法。（1）假定b=200mm，帶入右邊，計(jì)算Q值，得到350W·m-1，小于規(guī)定值。說明假定的b值偏大。（2）重復(fù)上面計(jì)算，最終在假設(shè)b=140mm，得到規(guī)定值440，固保溫層的厚度應(yīng)為140mm。小結(jié)傳熱的三種方式傳熱過程的基本概念及常用術(shù)語(yǔ)傅立葉定律平壁及圓筒壁的導(dǎo)熱計(jì)算第三節(jié)對(duì)流傳熱

3.1對(duì)流傳熱過程分析

對(duì)流是三種基本傳熱方式之一，指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，或者說由于流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移，而引起的熱量傳遞。在工程上，對(duì)流傳熱是指流體與固體壁面間的傳熱過程，即由熱流體將熱傳給壁面，或由壁面將熱傳給冷流體。這種對(duì)流傳熱多是在流體流動(dòng)的過程中發(fā)生的熱量傳遞過程，所以與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。

當(dāng)流體作層流時(shí)，由于各層流體質(zhì)點(diǎn)平行流動(dòng)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（也有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。當(dāng)流體在管道內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，熱量傳遞不完全是以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行的，但是無論湍流程度多大，緊鄰壁面處總有一薄層流底層存在，層流底層內(nèi)的熱量傳遞也是導(dǎo)熱的方式進(jìn)行的。由于大多數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，致使層流底層中的導(dǎo)熱熱阻就很大，因此溫差也較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合，熱量傳遞以對(duì)流為主，可認(rèn)為沒有傳熱阻力，湍流主體中的溫度基本上相同。在層流底層和湍流主體之間存在一個(gè)過渡區(qū)，此區(qū)內(nèi)流體受漩渦運(yùn)動(dòng)而造成流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移，因此熱量傳遞除以傳導(dǎo)方式外，還以對(duì)流方式存在，因此溫度梯度逐漸變小。層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度為零，對(duì)流方式過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式1、層流底層，靠近壁面的流體，由于流體粘度作用，形成一薄層作層流流動(dòng)膜，稱為層流底層，熱量傳遞主要是靠分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以層流的方式進(jìn)行，熱阻主要集中在層流底層中，造成較大的溫度降。2、過渡區(qū)，在層流底層與湍流主體之間存在著一個(gè)過渡區(qū)，該區(qū)的流體由于漩渦運(yùn)動(dòng)，而造成流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱量傳遞除了以傳導(dǎo)方式外，還有對(duì)流方式存在，故溫度梯度逐漸變小。3、湍流主體，流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈碰撞與混合，熱量傳遞以對(duì)流方式為主，可以認(rèn)為無熱阻，溫度梯度為零，各處的溫度相等。

圖示為流體在壁面兩側(cè)的流動(dòng)情況及與流體流動(dòng)方向垂直的某一截面A-A上的溫度分布情況。從圖中可見，對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流底層中，因此該層所需要的傳熱推動(dòng)力(即溫度差)就比較大。如何強(qiáng)化對(duì)流傳熱呢？

層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度為零，對(duì)流方式過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式，有溫差減薄層流底層的厚度，是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。熱邊界層：

流體流過壁面時(shí)，因受壁面影響而形成的一層溫度梯度較大的區(qū)域，叫熱邊界層。（對(duì)流傳熱中有明顯溫度梯度的區(qū)域）①熱邊界層越薄，溫度梯度越大，傳熱速率越大；

②流體向管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，熱邊界層也存在形成和發(fā)展的過程；③破壞熱邊界層，有利于傳熱；④熱邊界層與流動(dòng)邊界層的關(guān)系。說明3.2對(duì)流傳熱速率方程式

由以上分析可知，對(duì)流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過程，其影響因素很多。因此，對(duì)流傳熱的純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的。為了計(jì)算方便起見，目前采用了一種簡(jiǎn)化處理的方法，即將對(duì)流傳熱時(shí)流體的全部熱阻集中在厚度為δt的有效膜內(nèi)。

這樣，就可以用比較簡(jiǎn)單的有效膜內(nèi)導(dǎo)熱來近似表示流體與壁面間的復(fù)雜對(duì)流傳熱。因此，對(duì)流傳熱速率可表示為（只考慮熱流體向壁面?zhèn)鳠岷捅诿嫦蚶淞黧w傳熱時(shí)）

由于有效膜的厚度難以測(cè)定，所以通常以α代替上式中的λ/δt，則：

上式是對(duì)流傳熱速率方程式，又稱牛頓冷卻定律。同樣，此式可表示成：式中，R為對(duì)流傳熱熱阻。上式表明了對(duì)流傳熱速率等于對(duì)流傳熱推動(dòng)力與對(duì)流傳熱熱阻之比。

α的單位為W·m-2K-1熱流體側(cè)

冷流體側(cè)

牛頓冷卻定律并非理論推導(dǎo)的結(jié)果，而是一種推論，即對(duì)流傳熱速率與對(duì)流傳熱面積大小、流體與壁面之間的平均溫度差成正比。大量實(shí)踐證明，這一推論是正確的。但該定律并未揭示對(duì)流傳熱過程的機(jī)理和本質(zhì)，只是把影響對(duì)流傳熱的復(fù)雜因素都集中在對(duì)流傳熱系數(shù)α中了。因此，如何確定各種具體情況下的對(duì)流傳熱系數(shù)α的值，是對(duì)流傳熱計(jì)算的關(guān)鍵。

3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素

影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素很多。實(shí)驗(yàn)證明，主要的影響因素有:(1)流體的狀態(tài):液體、氣體、蒸氣的對(duì)流傳熱系數(shù)α值不同；流體在傳熱過程中是否有相變，其對(duì)流傳熱系數(shù)α值也不同，有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變化時(shí)大得多；

(2)流體的物理性質(zhì)：影響較大的物理性質(zhì)有比定壓熱容CP，導(dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ和粘度μ；

(3)流體的流動(dòng)狀態(tài)：層流、過渡流或湍流；(4)流體對(duì)流的狀況：當(dāng)設(shè)備中的流體因泵、風(fēng)機(jī)或攪拌器等外力作用發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流時(shí),質(zhì)點(diǎn)互相摻混，對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大；自然對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)較小，且與流體由于自然對(duì)流的作用而產(chǎn)生的浮力βgΔt的大小有關(guān)，其中β為體積膨脹系數(shù)，Δt為壁面和流體間溫差。

(5)傳熱表面的形狀、位置及大小:如管、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。綜上所述，對(duì)流傳熱系數(shù)α應(yīng)為各影響因素的函數(shù)，表示為：29一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>503.4無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流努塞特準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)

特征尺寸為管內(nèi)徑di

流體被加熱時(shí)，k＝0.4；被冷卻時(shí)，k＝0.3。雷諾數(shù)流體流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度的影響流體物性的影響對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度30圓形直管內(nèi)的層流d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體強(qiáng)化措施？2．圓形直管內(nèi)的層流要求：Re<2000，RePrL/d>10管內(nèi)徑為當(dāng)量直徑非圓形管道內(nèi)流動(dòng)32二、大空間的自然對(duì)流傳熱

注意：c與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）

n取決于流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

定性溫度：壁面溫度與流體溫度算術(shù)平均值特征尺寸：垂直的管或板取高度，水平管取管外徑自然對(duì)流的格拉曉夫數(shù)3.4對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式各準(zhǔn)數(shù)的名稱和涵義列于下表。

準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式涵義努塞特準(zhǔn)數(shù)Nu包含對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)，亦名對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re確定流體流動(dòng)型態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，亦名流型準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr表示物理性質(zhì)影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名物性準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)，亦名升力準(zhǔn)數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)是在一定的條件下進(jìn)行的，因此由實(shí)驗(yàn)所得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式就要受到實(shí)驗(yàn)條件的制約，那么在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：(a)應(yīng)用范圍主要指Re、Pr和Gr等準(zhǔn)數(shù)的范圍。(b)特征尺寸就是關(guān)聯(lián)式中的各準(zhǔn)數(shù)Nu、Re和Gr中所規(guī)定的尺寸，即其中的l如何取。(c)定性溫度指確定準(zhǔn)數(shù)中流體的物理性質(zhì)如Cp、λ、

μ、ρ等所依據(jù)的溫度。35

例題

一列管式換熱器，由38根25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：（1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（2）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？解：苯的定性溫度Tm=（20+80）/2=50℃解：（1）管內(nèi)流速為u==0.023*0.14/0.028*309600.8*5.790.4=1272w·m-2·K-1K=0.4符合實(shí)驗(yàn)條件（2）管內(nèi)流速增加一倍時(shí)傳熱系數(shù)增加了（2215-1272）/1272=74.14%第四節(jié)輻射傳熱4.1基本概念（1）熱輻射的特性輻射是用電磁波傳遞能量的過程，傳遞的能量，稱為輻射能。目前已發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)小于10-7μm的宇宙射線和波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)20km的無線電波。如下表所示。

其中波長(zhǎng)在0.38-1000μm范圍內(nèi)的電磁波（即紅外線和可見光）能被物體吸收而使物體發(fā)熱，因而這部分射線稱為熱射線。實(shí)驗(yàn)表明，自然界中大部分物體，只要溫度超過0K即向外界發(fā)射熱射線。只有當(dāng)物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收且重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，才叫熱輻射。（0.8-40μm）物體之間通過熱輻射進(jìn)行輻射換熱時(shí)，兩物體不必直接接觸，只要處在相互可見的位置，輻射過程就可以進(jìn)行。即使在真空狀態(tài)下，熱射線也能傳遞，這是熱輻射的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。

熱射線和可見光一樣，同樣具有反射、折射和吸收的特性；服從光的反射和折射定律，在均一介質(zhì)中作直線傳播；在真空和透明氣體中可以完全透過。如右圖所示，投射在物體表面上的總輻射能為Q，其中有一部分能量Qα被吸收，一部分能量Qρ被反射，另一部分能量Qτ則透過物體。由能量守恒得：即：定義：稱為物體的吸收率*absorptivity；稱為物體的反射率；reflectivity

稱為物體的透過率。transmissivity

故：

能全部吸收外界投入輻射能的表面，叫黑表面，具有黑表面的物體，稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。自然界中并沒有黑體，可以用人工的方法制造出十分接近于黑體的模型。黑體模型為一開有小孔的空腔，腔的內(nèi)壁涂有一層吸收率很高的炭黑，或者內(nèi)壁構(gòu)造多個(gè)隔板。當(dāng)熱射線經(jīng)小孔進(jìn)入空腔時(shí)，在空腔內(nèi)要經(jīng)歷多次地吸收和反射，每吸收一次，輻射能量就減弱一次，最終離開小孔的能量就微乎其微了。就輻射特點(diǎn)而言，小孔就好像一個(gè)黑表面一樣。

黑體的吸收率為1，實(shí)驗(yàn)表明，黑體的輻射能力最大。

ρ＝1的物體，稱為全反射體（絕對(duì)白體或鏡體）。同黑體一樣，自然界中并不存在絕對(duì)白體，但有些物體接近于全反射體如表面磨光的金屬鏡面反射率ρ為0.95～0.97；對(duì)于氣體，它的界面反射熱射線非常少，可以忽略不計(jì)，即氣體反射率ρ一般均可看成為0。

τ＝1的物體，稱為透熱體。對(duì)空氣、雙原子或單原子構(gòu)成的氣體（例如H2，O2，N2，He）一般可看成是透熱體。值得注意的是，多原子氣體（例如H2O、CO2、O3）能有選擇地吸收和發(fā)射某些波段范圍的輻射能，這些氣體不能看成透熱體。τ＝0的物體（α+ρ=1)為不透熱體，從熱輻射的角度來講，所有固體均可看成是不透熱體。

α，ρ，τ并不完全由物體本身的性質(zhì)所決定，不但和物體溫度、表面狀況有關(guān)，而且與投入來的輻射射線波長(zhǎng)有關(guān)，例如玻璃，對(duì)投入來的波長(zhǎng)在0.4～0.8μm的可見光，τ＝0.9左右，可近似看成透熱體；而對(duì)投入射線為0.8～1000μm的紅外線，α＝0.9左右，基本上不透過。以上討論了極端情況下的一些特例，自然界中既沒有α=1的絕對(duì)黑體，也沒有ρ=1的全反射體，如后文所描述的那樣，一般的物體多為灰體：能夠以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)范圍輻射能的物體。4.2斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律

工程上，人們往往關(guān)心的是物體的總輻射能力，斯蒂芬-波爾茲曼根據(jù)普朗克定律積分，得到黑體的輻射能力與溫度T之間的關(guān)系：

這里的σ0為黑體的輻射常數(shù)（或Stefan-Boltzmann常數(shù)），其值為5.67×10-8W/m2·K4，C0為5.67。表面溫度升高一倍時(shí)，表面向外輻射的能量增加16倍。由于物體的輻射能力與溫度的4次方成正比，因此在高溫時(shí)，就不能像低溫時(shí)那樣忽略輻射傳熱了。4.3固體的熱輻射

（1）實(shí)際固體的輻射能力及黑度、單色黑度、灰體實(shí)際固體的輻射能力與它的表面溫度、輻射方向、輻射線的波長(zhǎng)以及表面狀況有關(guān)。但是，實(shí)際固體的單色輻射能力隨波長(zhǎng)和溫度的變化不服從普朗克定律；它的輻射能力不服從斯蒂芬—波爾茲曼定律。上一節(jié)已敘述了黑體輻射的各種規(guī)律，并知道自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的輻射能力。為了表示實(shí)際物體輻射能力的大小，可以采用輻射率或黑度來表示，即實(shí)際物體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比值。

用符號(hào)ε表示：黑度

常見物體的黑度見教材。

物體的單色黑度（單色發(fā)射率）ελ：實(shí)際物體的單色輻射能力Eλ與相同溫度下黑體單色輻射能力E0λ的比值，即：

假如某種物體的單色輻射能力Eλ與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射能力E0λ之比等于常數(shù)，即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度ελ＝常數(shù)，這種物體叫作灰體。許多工程材料都可以近似地看作灰體。（2）固體的單色黑度和單色吸收率的關(guān)系－克?；舴?Kirchhoff)定律

克?；舴?Kirchhoff)定律：物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：

ελ＝αλ對(duì)于灰體ελ＝αλ＝ε＝α

注意：灰體的吸收不能任意推廣到對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，因?yàn)樘?yáng)輻射中可見光占整個(gè)輻射的46％左右，在高溫下，物體表面的顏色對(duì)可見光的吸收呈現(xiàn)強(qiáng)烈的選擇性；而在常溫下，物體的顏色對(duì)可見光的吸收則沒有什么差別。例如，白色對(duì)于從太陽(yáng)來的高溫（6000K）輻射，白色顏料的吸收率約為0.12~0.26；而對(duì)于低溫下的熱輻射，白色顏料的吸收率卻為0.9左右。（3）兩固體間的相互輻射：輻射傳熱速率，W：總輻射系數(shù)，W.m-2.K-4：幾何因子或角速度，W.m-2.K-4A：輻射面積T1，T2：高溫和低溫物體溫度A1，A2：被包圍和外圍物體的表面積，m2第五節(jié)傳熱計(jì)算

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要冷熱兩種流體進(jìn)行熱交換，但不允許它們混合，為此需要采用間壁式的換熱器。此時(shí)，冷、熱兩流體分別處在間壁兩側(cè)，兩流體間的熱交換包括了固體壁面的導(dǎo)熱和流體與固體壁面間的對(duì)流傳熱。關(guān)于導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱在前面已介紹過，本節(jié)主要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論間壁式換熱器的傳熱計(jì)算。

總傳熱速率方程式ф=KATm上式稱為傳熱速率方程式或傳熱基本方程式，其中K為總傳熱系數(shù)，Tm平均溫度差。該式是換熱器設(shè)計(jì)最重要的方程式。T1

熱流體T2t1冷流體t2AdATtT+dTt+dt1、冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度分別為t1、t2，T1、T2，2、冷、熱流體的質(zhì)量流量為qm,c、qm,h。3、設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略，則兩流體流經(jīng)換熱器時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出熱等于冷流體吸收熱。5.1換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算（1）無相變：比熱容法QL=qm,hCm,h(T1-T2)=qm,cCm,c(t2-t1)（2）有相變?nèi)魺崃黧w有相變化，如飽和蒸汽冷凝，如下式所示：

若液體沸騰氣化為同溫度的飽和蒸汽吸收的熱量：

熱流體冷凝先冷凝后冷卻QL,c=qm,crc

熱負(fù)荷是由生產(chǎn)工藝條件決定的，是對(duì)換熱器換熱能力的要求；而傳熱速率是換熱器本身在一定操作條件下的換熱能力，是換熱器本身的特性，二者是不相同的。對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器，其傳熱速率值必須等于或略大于熱負(fù)荷值。而在實(shí)際設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，通常將傳熱速率和熱負(fù)荷數(shù)值上認(rèn)為相等，通過熱負(fù)荷可確定換熱器應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)傳熱速率來計(jì)算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過程計(jì)算的基礎(chǔ)是傳熱速率方程和熱量衡算式。1)用傳熱面積校核：換熱器面積為

由計(jì)算出A，若則換熱器適用。2)用傳熱速率校核：若適用換熱器校核5.2傳熱過程推動(dòng)力——平均溫度差

前已述及，在沿管長(zhǎng)方向的不同部分，冷、熱流體溫度差不同，本節(jié)討論如何計(jì)算其平均值tm，就冷、熱流體的相互流動(dòng)方向而言，可以有不同的流動(dòng)型式，傳熱平均溫差tm的計(jì)算方法因流動(dòng)型式而異。按照參與熱交換的冷熱流體在沿?fù)Q熱器傳熱面流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)溫度變化情況，可分為恒溫差傳熱和變溫差傳熱。

恒溫差傳熱：兩側(cè)流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則冷熱流體溫差處處相等，不隨換熱器位置而變的情況。如間壁的一側(cè)液體保持恒定的沸騰溫度T′下蒸發(fā)；而間壁的另一側(cè)，飽和蒸汽在溫度T下冷凝過程，此時(shí)傳熱面兩側(cè)的溫度差保持均一不變，稱為恒溫差傳熱。（1）定態(tài)恒溫傳熱溫度差（2）定態(tài)變溫傳熱溫度差

變溫差傳熱是指?jìng)鳠釡囟入S換熱器位置而變的情況。當(dāng)間壁傳熱過程中一側(cè)或兩側(cè)的流體。沿著傳熱壁面在不同位置點(diǎn)溫度不同，因此傳熱溫度差也必隨換熱器位置而變化，該過程可分為單側(cè)變溫和雙側(cè)變溫兩種情況。（a）單側(cè)變溫如用蒸汽加熱一冷流體，蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫度T不變，而冷流體的溫度由T1′上升到T2′?；蛘邿崃黧w溫度從T1下降T2，放出顯熱去加熱另一較低溫度T′下沸騰的液體，后者溫度始終保持在沸點(diǎn)T′。

（b）雙側(cè)變溫此時(shí)平均溫度差Tm與換熱器內(nèi)冷熱流體流動(dòng)方向有關(guān)，下面先來介紹工業(yè)上常見的幾種流動(dòng)型式。

逆流并流錯(cuò)流折流1：多次錯(cuò)流Ⅱ并流逆流交錯(cuò)Ⅰ

①逆流和并流

t1t2T1T2t2t1T1T2t2tAt1T2T1t2tAt1T2T1逆流并流并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。沿傳熱面的局部溫度差（T-T′）是變化的，所以在計(jì)算傳熱速率時(shí)必須用積分的方法求出整個(gè)傳熱面上的平均溫度差Tm。當(dāng)T1/T2<2，則可用算術(shù)平均值代替（誤差<4%，工程計(jì)算可接受）

T1、T2為換熱器兩端的冷熱流體的溫度差。并流T1=T1-T1′T2=T2-T2′逆流T1=T1-T2′T2=T2-T1′

在大多數(shù)的列管換熱器中，兩流體并非簡(jiǎn)單的逆流或并流，因?yàn)閭鳠岬暮脡模紤]溫度差的大小外，還要考慮到影響傳熱系數(shù)的多種因素以及換熱器的結(jié)構(gòu)是否緊湊合理等。所以實(shí)際上兩流體的流向，是比較復(fù)雜的多程流動(dòng)，或是相互垂直的交叉流動(dòng)。T’2T’1T1T2T’1T’2T1T2例：在一石油裂解裝置中，所得熱裂物的溫度為300℃，現(xiàn)設(shè)計(jì)一換熱器，欲將石油從25℃預(yù)熱倒180℃，熱裂物通過換熱器后終止溫度不低于200℃，試計(jì)算熱裂物與石油在換熱器中采用并流和逆流的對(duì)數(shù)平均溫度差。（2）逆流T1=300℃，T2′=180℃，T2=200℃，T1′=25℃T1=T1-T1′=300-25=275℃，

T2=T2-T2′=200-180=20℃T1=T1-T2′=300-180=120℃，

T2=T2-T1′=200-25=175℃結(jié)論：進(jìn)出口溫度一定時(shí)，逆流時(shí)的平均溫度差比并流時(shí)大。并流T1=T1-T1′T2=T2-T2′逆流T1=T1-T2′T2=T2-T1′解（1）并流：T1=300℃，T1′=25℃，T2=200℃，T2′=180℃300200251802752030020018025120175思考：若兩種情況下?lián)Q熱條件接近，近似認(rèn)為兩者換熱系數(shù)相同，熱負(fù)荷相同時(shí)，為何一般選擇逆流？即同等條件下，逆流所需傳熱面積小于并流的，可減小設(shè)備體積。②錯(cuò)流：兩種流體的流向垂直交叉。③折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)來回折流；或者兩流體都反復(fù)折回。④復(fù)雜流：幾種流動(dòng)型式的組合。對(duì)于這些情況，先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差Tm逆，再乘以校正系數(shù)ε△T

即：Tm=ε△TTm逆

流體流動(dòng)方向的選擇（1）、流向?qū)鳠崞骄鶞夭畹挠绊憿佟㈤g壁兩側(cè)流體為恒溫②、間壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫③、間壁兩側(cè)均為變溫ΔTm并=ΔTm逆主要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)以及操作上的方便①、間壁兩側(cè)流體為恒溫②、間壁一側(cè)恒溫另一側(cè)為變溫③、間壁兩側(cè)均為變溫∵ΔTm并＜ΔTm逆；φ=KA△Tm

當(dāng)φ一定時(shí)，ΔTm增加，A減小，說明逆流時(shí)所需傳熱面積比并流?。?）、流向?qū)d熱體用量的影響由于ΔTm并=ΔTm逆，并流逆流時(shí)的載熱體用量都相等

在其他條件一定時(shí),對(duì)于兩側(cè)均為變溫操作,為什么逆流操作加熱介質(zhì)的用量比并流小?T1′T2′T1并T2并T2逆T1逆分析:(1)、并流時(shí)，加熱介質(zhì)由T1并降到T2并其最低極限出口溫度可以達(dá)到冷流體出口溫度T2′。(2)、逆流時(shí)，加熱介質(zhì)由T1逆降到T2逆其最低極限出口溫度可以達(dá)到冷流體進(jìn)口溫度T1′?！逿2′＞T1′qmh并Cph（T1并

–T2并）=qmh逆Cph（T1逆

–T2逆）=qmCCpc（T2′-T1′）∵T1并=T1逆∴qmh并＞qmh逆在其他條件一定時(shí),逆流操作加熱介質(zhì)的用量比并流小。A)、若換熱的目的僅僅是為了加熱流體,則逆流操作時(shí)就有可能使T2逆＜T2并.B)、若換熱的目的是為了回收熱量,逆流操作時(shí)加熱介質(zhì)的出口溫度較并流時(shí)低,則回收的熱量多一些.

從經(jīng)濟(jì)的角度看，逆流優(yōu)于并流，但并不是所有情況下采用逆流好！以下情況采用并流：①、加熱某些熱敏性物料時(shí)，采用并流較易控制物料出口溫度，從而避免因出口溫度過高而影響物料的質(zhì)量。②、加熱高粘度物料時(shí)，采用并流可使物料進(jìn)入換熱器后迅速升高溫度，從而降低物料粘度，提高熱交換的效果。③、對(duì)于某些高溫?fù)Q熱器，采用逆流操作時(shí)，高溫集中一端，會(huì)使一端的溫度過高，對(duì)設(shè)備材料的耐熱性能要求較高，而采用并流則可以降低該處的溫度，可以延長(zhǎng)換熱器的壽命。5.3總傳熱系數(shù)

三個(gè)來源：一是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備中所用的、經(jīng)過實(shí)踐證明并總結(jié)出來的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)——經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選??；二是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定K值；三是計(jì)算。一、經(jīng)驗(yàn)值

根據(jù)已知K值的生產(chǎn)設(shè)備(設(shè)備類似、雷諾數(shù)和流體的物性等相近時(shí))二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定總傳熱系數(shù)：為與實(shí)測(cè)設(shè)備及操作條件相近的場(chǎng)合使用三、計(jì)算

間壁兩側(cè)流體的熱交換過程包括如下三個(gè)串聯(lián)的傳熱過程，熱量從熱流體傳至管壁一側(cè)，通過間壁再傳至另一側(cè)的冷流體。（1）熱流體一側(cè)傳熱速率（對(duì)流）（2）通過管壁的導(dǎo)熱速率T’2T’1T1T2（傳導(dǎo)）

（3）冷流體一側(cè)傳熱速率（對(duì)流）

總傳熱系數(shù)1、K的推導(dǎo)串聯(lián)的推動(dòng)力和熱阻具有加和性討論①A可取Ai、Ao、Am，工程上習(xí)慣取Ao

(外表面)；②對(duì)于圓管，A可換算為d，則2、污垢熱阻管壁內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管壁外側(cè)污垢熱阻：3、K值計(jì)算的簡(jiǎn)化1）平壁或薄的圓筒壁：di、do、dm、（Ai、Ao、Am）近似相等，則2）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻可忽略，則3）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻及管壁熱阻都忽略4）當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)總熱阻是由熱阻大的一側(cè)對(duì)流傳熱所控制，即當(dāng)兩個(gè)對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，欲提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小的一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。

當(dāng)傳熱面為圓筒壁時(shí)，兩側(cè)的傳熱面積不等，如以外表面為基準(zhǔn)（在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中常如此規(guī)定），則有：

以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：以壁表面為基準(zhǔn)：例3、在一外表面積Ao為300m2的單程管殼式換熱器中，300℃的某種氣體流過殼程并被加熱到430℃，另一種560℃的氣體作為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動(dòng)，流量均為1×104kg/h，平均比熱容均為1.05kJ/kg℃。試求總傳熱系數(shù)。假設(shè)換熱器的熱損失為殼方氣體傳熱量的10%。解：56041743030075一、傳熱效率最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：5.4傳熱效率～傳熱單元數(shù)法K值的獲得1）計(jì)算2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定3）經(jīng)驗(yàn)值四、壁溫的估算試差：假設(shè)一tw，計(jì)算、，用上式近似計(jì)算tw

，壁溫應(yīng)接近于α大的一側(cè)流體的溫度。五、傳熱面積的計(jì)算六、傳熱過程的強(qiáng)化1、增大傳熱平均溫度差1）兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動(dòng)；2）提高加熱劑的溫度或降低冷卻劑的溫度。注：利用來強(qiáng)化傳熱是有限的。2、增大總傳熱系數(shù)K1）盡可能利用有相變的熱載體，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)；2）用大的熱載體，如液體金屬Na等；3）減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻；4）提高較小一側(cè)有效。提高的方法包括：增大流速、管內(nèi)加擾流元件、改變傳熱面形狀和增加粗糙度等。3、增大單位體積的傳熱面積1）直接接觸傳熱：可增大A和湍動(dòng)程度，使Q↑；2）采用高效新型換熱器。如板式換熱器、強(qiáng)化管式換熱器、熱管換熱器、流化床換熱器等例2、換熱器，管組成單程列管式換熱器，初始溫度為10℃的水將機(jī)油由200℃冷卻至100℃，水走管內(nèi)。水和油的質(zhì)量流量分別為，，比熱容分別為，，對(duì)流傳熱系數(shù)為，，逆流流動(dòng)。忽略污垢熱阻和管壁熱阻，核算該換熱器是否適用。解：20010067.410適用例3、在逆流換熱器中，用初溫為20℃的水將1.25kg/s的液體（比熱容為1.9kJ/kg℃、密度為850kg/m3）由80℃冷卻到30℃。換熱器列管直徑為φ25mm×2.5mm，水走管方。水側(cè)和液體側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為0.85kW/m2℃和1.70kW/m2℃，污垢熱阻可以忽略。若水的出口溫度不能高于50℃，試求換熱器的傳熱面積。解：20503080返回返回返回返回殼程管程返回單程列管式換熱器

1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭

6—管板7—擋板返回雙程列管式換熱器1—?dú)んw2—管束3—擋板4—隔板返回返回第六節(jié)熱交換器

熱交換方式：蓄熱、直接和間接式三種。換熱器：蓄熱式、直接混合式和間壁式換熱器三大類。6.1間壁式換熱器熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體?；ぶ袘?yīng)用極為廣泛。有夾套式熱交換器；蛇形式熱交換器；套管式熱交換器；列管式熱交換器。如圖所示。間壁式換熱器——列管換熱器（1）夾套式換熱器夾套空間是加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的通路。這種換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱或冷卻。當(dāng)用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時(shí)，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部接管進(jìn)入，由上部接管流出。夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于其加熱面受容器壁面限制，傳熱面較小，且傳熱系數(shù)不高。6.1間壁式換熱器

夾套式換熱器蛇管的形狀1－容器2－夾套（2）蛇管換熱器（3）噴淋式換熱器噴淋式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器多用作冷卻器。熱流體在管內(nèi)自下而上流動(dòng)，冷水由最上面的淋水管流出，均勻地分布在蛇管上，并沿其表面呈膜狀自上而下流下，最后流入水槽排出。噴淋式換熱器常置于室外空氣流通處。冷卻水在空氣中汽化亦可帶走部分熱量，增強(qiáng)冷卻效果。其優(yōu)點(diǎn)是便于檢修，傳熱效果較好。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻，占地面積大，定期要除垢。

噴淋式換熱器1－彎管2－循環(huán)泵3－控制閥（4）套管式換熱器套管式換熱器的基本部件由直徑不同的直管按同軸線相套組合而成。內(nèi)管用180°的回彎管連接，外管亦需連接。每一段套管為一程，每程有效長(zhǎng)度為4～6m。若管子太長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲，使環(huán)隙中的流體分布不均勻。套管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，內(nèi)管能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減。其缺點(diǎn)是管間接頭較多，接頭處易泄漏，單位換熱器體積具有的傳熱面積較小。故適用于流量不大、傳熱面積要求不大但壓強(qiáng)要求較高的場(chǎng)合。

（5）列管式換熱器列管式換熱器主要由殼體、管束、折流板、管板和封頭等部件組成。外殼管板封頭擋板(折流板)封頭管殼式換熱器

(a)固定管板式結(jié)構(gòu)見模型。管子兩端與管板的連接方式可用焊接法或脹接法固定。殼體則同管板焊接。從而管束、管板與殼體成為一個(gè)不可拆的整體。固定管板式列管換熱器常用“膨脹節(jié)”結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱補(bǔ)償。即在殼體上焊接一個(gè)橫斷面帶圓弧型的鋼環(huán)。該膨脹節(jié)在受到換熱器軸向應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生形變，使殼體伸縮，從而減小熱應(yīng)力。但這種補(bǔ)償方式仍不適用于熱、冷流體溫差較大（大于70℃）的場(chǎng)合，且因膨脹節(jié)是承壓薄弱處，殼程流體壓強(qiáng)不宜超過6atm。(b)浮頭式結(jié)構(gòu)見模型。其特點(diǎn)是有一端管板不與外殼相連，可以沿軸向自由伸縮。這種結(jié)構(gòu)不但完全消除了熱應(yīng)力，而且由于固定端的管板用法蘭與殼體連接，整個(gè)管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。浮頭式換熱式應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。(c)U型管式

U型管式換熱器每根管子都彎成U型，管子的進(jìn)出口均安裝在同一管板上。封頭內(nèi)用隔板分成兩室。這樣，管子可以自由伸縮，與殼體無關(guān)。這種換熱器結(jié)構(gòu)適用于高溫和高壓場(chǎng)合，其主要不足之處是管內(nèi)清洗不易，制造困難。

固定管板式U型管換熱器浮頭式換熱器6.2平板式換熱器

板式換熱器主要由一組長(zhǎng)方形的薄金屬傳熱板片構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝于支架上。兩相鄰板片的邊緣襯以橡膠或石棉墊片。板片四角有圓孔，形成流體通道。冷、熱流體相間地在板片兩側(cè)流過，通過板片傳熱。板片一般壓制成各種槽形或波紋形，既提高了板片的剛度，增強(qiáng)流體的擾流，也增加了傳熱面積和使流體在傳熱面上分布均勻。板式換熱器的組裝流程如圖（a）所示。由圖可見，引入的流體可并聯(lián)流入一組板間通道，而組與組間又為串聯(lián)機(jī)構(gòu)。換熱板的結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。板上的凹凸波紋可增大流體的湍流程度，亦可增加板的剛性。波紋的形式有多種，圖（b）所示的是人字形波紋板。

板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：①傳熱系數(shù)高：因板面上有波紋，在低雷諾數(shù)（Re=200左右）下即可達(dá)到湍流，而且板片厚度又小，故傳熱系數(shù)大。②結(jié)構(gòu)緊湊：一般板間距為4～6mm，單位體積設(shè)備可提供的傳熱面積為250～1000m2/m3（列管換熱器只有40～150m2/m3）。③具有可拆結(jié)構(gòu)：可根據(jù)需要，用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的方法增減傳熱面積。故檢修、清洗都比較方便。板式換熱器的主要缺點(diǎn)是：①操作壓強(qiáng)和溫度不太高：壓強(qiáng)過高容易泄漏，操作壓強(qiáng)不宜超過20atm。操作溫度受墊片材料耐熱性能限制，一般不超過250℃。②處理量小。第七節(jié)列管式換熱器選用計(jì)算中有關(guān)問題（1）流體通道的選擇①不清潔和易結(jié)垢的流體——管內(nèi)（管程）。②腐蝕性的宜走管程，以免殼體同時(shí)腐蝕。③壓力高（低溫或高溫）的宜走管程，以免殼體受壓。④膜系數(shù)小的流體宜走管程——多管程以增加流速。⑤飽和蒸汽宜走殼程；被冷卻的流體走殼程，便于散熱。⑥粘度大的液體宜走殼程——擋板——增大湍動(dòng)程度。

主要矛盾：壓強(qiáng)、腐蝕性及清潔要求。（2）流速選擇

換熱器中流體流速的增加，可使對(duì)流傳熱系數(shù)增加，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大。然而流速的增加又使流體流動(dòng)阻力增大，動(dòng)力消耗增大。因此，適宜的流體流速需通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算來確定。充分利用系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備的允許壓降來提高流速是換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。在選擇流體流速時(shí)，除了經(jīng)濟(jì)核算以外，還應(yīng)考慮換熱器結(jié)構(gòu)上的要求。

表中給出工業(yè)上的常用流速范圍。除此之外，還可按照液體的粘度選擇流速，按材料選擇容許流速以及按照液體的易燃、易爆程度選擇安全允許流速。（3）換熱管規(guī)格和排列方式小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內(nèi)可布置更多的傳熱面?；蛘哒f，當(dāng)傳熱面積一定時(shí)，采用小管徑可使管子長(zhǎng)度縮短，增強(qiáng)傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動(dòng)阻力增加，容易積垢。對(duì)于不清潔、易結(jié)垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。

管長(zhǎng)的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國(guó)產(chǎn)管材的長(zhǎng)度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中換熱管的長(zhǎng)度分為1.5、2、3或6m幾種，常用3m或6m的規(guī)格。長(zhǎng)管不易清洗，且易彎曲。此外，管長(zhǎng)L與殼體D的比例應(yīng)適當(dāng)，一般L/D=4～6。

管子的排列方式有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大；正方形直列比較松散，對(duì)流傳熱系數(shù)較三角形排列時(shí)低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合；正方形錯(cuò)列則介于上述兩者之間，對(duì)流傳熱系數(shù)較直列高。

管子在管板上的間距t跟管子與管板的連接方式有關(guān)：脹管法一般取t=（1.3～1.5）d0，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm；焊接法取t=1.25d0。

換熱器殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。通常是根據(jù)管徑、管數(shù)、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。（4）折流擋板安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板以及螺旋折流板等。常用型式為弓形折流板。折流板的形狀和間距對(duì)殼程流體的流動(dòng)和傳熱具有重要影響。一般折流板的間距取為殼體內(nèi)徑的20%～100%。通常弓形缺口的高度約為殼體直徑的10%～40%，一般取20%～25%。第八節(jié)系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的選用步驟

1.估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)

（1）根據(jù)傳熱任務(wù)，計(jì)算傳熱速率；

（2）確定流體在換熱器中兩端的溫度，并按定性溫度計(jì)算流體物性；

（3）計(jì)算傳熱溫差，并根據(jù)溫差修正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)或調(diào)整加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的終溫；

（4）根據(jù)兩流體的溫差，確定換熱器的型式；

（5）選擇流體在換熱器中的通道；

（6）依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，估取總傳熱系數(shù)值；

（7）依據(jù)傳熱基本方程，估算傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇換熱器的規(guī)格；

（8）選擇流體的流速，確定換熱器的管程數(shù)和折流板間距。

2.計(jì)算管程和殼程流體的流動(dòng)阻力

根據(jù)初選的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程和殼程流體的流動(dòng)阻力，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理和滿足工藝要求。若不符合要求，再調(diào)整管程數(shù)或折流板間距，或選擇其他型號(hào)的換熱器，重新計(jì)算流動(dòng)阻力，直到滿足要求為止。3.計(jì)算傳熱系數(shù)，校核傳熱面積

計(jì)算管程、殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計(jì)算傳熱系數(shù)和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實(shí)際傳熱面積比計(jì)算所需傳熱面積大10%～25%，否則另設(shè)總傳熱系數(shù)，另選換熱器，返回第一步，重新進(jìn)行校核計(jì)算。

第九節(jié)傳熱過程的強(qiáng)化

[分析]依據(jù)Q=KA△t1.△t增大傳熱推動(dòng)力---蒸汽加熱---增大蒸汽壓力(操作)----水冷卻---降低水溫或增加水量(操作)----流體變溫----逆流流動(dòng)2.A擴(kuò)展傳熱面積——合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積，如采用翅片管、波紋管、螺紋管來代替光管等，從改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)和布置的角度出發(fā)加大傳熱面積，以達(dá)到換熱設(shè)備高效、緊湊的目的。而不應(yīng)單純理解為通過擴(kuò)大設(shè)備的體積來增加傳熱面積，或增加換熱器的臺(tái)數(shù)來增加傳熱量。3.增大傳熱系數(shù)——有效途徑污垢熱阻是一個(gè)可變因素。在換熱器投入使用的初期，污垢熱阻很小。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，污垢將逐漸集聚在傳熱面上，成為阻礙傳熱的重要因素。因此，應(yīng)通過增大流體流速等措施減弱污垢的形成和發(fā)展，并注意及時(shí)清除傳熱面上的污垢。

通常，流體的對(duì)流傳熱熱阻是傳熱過程的主要熱阻。當(dāng)間壁兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，應(yīng)設(shè)法強(qiáng)化對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的對(duì)流傳熱。

目前增強(qiáng)對(duì)流傳熱的方法主要有：(1)改變流體的流動(dòng)狀況

（1）提高流速提高流速可增加流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，減薄層流底層，從而強(qiáng)化傳熱。如在列管式換熱器中通過增加管程數(shù)和殼程中的折流板數(shù)來提高流速。

（2）增加人工擾流裝置在管內(nèi)安放或管外套裝如麻花鐵、螺旋圈、盤狀構(gòu)件、金屬絲、翼形物等以破壞流動(dòng)邊界層而增強(qiáng)傳熱。(2)改變流體物性

流體物性對(duì)傳熱有很大影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)與比熱較大的流體，其對(duì)流傳熱系數(shù)也較大。例如空氣冷卻器改用水冷卻后，傳熱效果大大提高。另一種改變流體性能的方法是在流體中加入添加劑。例如在氣體中加入少量固體顆粒以形成氣-固懸浮體系，固體顆?？稍鰪?qiáng)氣流的湍流程度；在液體中添加固體顆粒（如在油中加入聚苯乙烯懸浮物），其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理類似于攪拌完善的液體傳熱；以及在蒸汽中加入硬脂酸等促進(jìn)珠狀冷凝而增強(qiáng)傳熱等。

(3)改變傳熱表面狀況

通過改變傳熱表面的性質(zhì)、形狀、大小以增強(qiáng)傳熱的方法主要有：

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