熱量傳遞過程

熱量傳遞過程第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20231ProcessSystemprinciple教學(xué)內(nèi)容對流傳熱過程熱傳導(dǎo)過程熱量傳遞過程概述輻射傳熱過程傳熱過程計(jì)算傳熱設(shè)備（換熱器）第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20232ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述熱量傳遞的目的圖4-1典型的換熱流程1---換熱器2---反應(yīng)器（1）加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度。（2）換熱，以回收利用熱量或冷量。（3）保溫，以減少熱量或冷量的損失。第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20233ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述熱量傳遞的方式（2）對流傳熱。（3）輻射傳熱。（1）熱傳導(dǎo)。第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20234ProcessSystemprinciple（1）直接接觸傳熱。圖4-2直接接觸換熱熱量傳遞過程概述冷、熱流體的接觸方式（2）間壁式傳熱。圖4-3間壁式換熱（3）蓄熱式傳熱。圖4-4蓄熱式換熱第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20235ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述載熱體及其選擇（1）載熱體：起加熱作用的載熱體稱為加熱劑；起冷卻作用的載熱體稱為冷卻劑。

載熱體：供給冷流體熱量或?qū)崃黧w的熱量帶走的流體。（2）載熱體的選擇：加熱劑：熱水、飽和水蒸氣、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽和煙道氣等。冷卻劑：水、空氣和各種冷凍劑。

載熱體的選擇要求：加熱時(shí)，溫位越高，價(jià)值越大；冷卻時(shí)，溫位越低，價(jià)值越大。

第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20236ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述載熱體及其選擇其它要求：

①載熱體的溫度應(yīng)易于調(diào)節(jié)；②載熱體的飽和蒸氣壓宜低，加熱時(shí)不會分解；③載熱體毒性要小，使用安全，對設(shè)備應(yīng)基本上沒有腐蝕；④載熱體應(yīng)價(jià)格低廉而且容易得到。

第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20237ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述傳熱速率（1）熱流量Q：單位時(shí)間內(nèi)熱流體通過整個(gè)換熱器的傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量W。單位時(shí)間、通過單位傳熱面積的熱量W/m2。（2）熱流密度（或熱通量）q：第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20238ProcessSystemprinciple熱量傳遞過程概述穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：特點(diǎn)：傳熱系統(tǒng)中，溫度分布不隨時(shí)間而變，且傳熱速率在任何時(shí)間都為常數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多是穩(wěn)態(tài)傳熱。（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱：特點(diǎn)：傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時(shí)間而變。間歇操作的換熱設(shè)備、連續(xù)生產(chǎn)過程中的開工、停工。在傳熱系統(tǒng)中，不積累能量的傳熱過程稱穩(wěn)態(tài)傳熱。在傳熱系統(tǒng)中，有能量積累的傳熱過程稱非穩(wěn)態(tài)傳熱。第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/20239ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)規(guī)律熱傳導(dǎo)（或?qū)幔何矬w各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞。1、熱傳導(dǎo)概念2、熱傳導(dǎo)規(guī)律（1）傅立葉（Fourier）定律：式中：q---熱流密度，w/m2；---法向溫度梯度，℃/m；λ---比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202310ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)規(guī)律（2）導(dǎo)熱系數(shù)λ例：金屬10～102w/(m·℃)建筑材料10-1～10w/(m·℃)絕熱材料10-2～10-1w/(m·℃)λ表征材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)參數(shù)，其值越大，材料導(dǎo)熱性能越好。實(shí)驗(yàn)測得導(dǎo)熱系數(shù)λ與溫度t的關(guān)系：式中：λ---固體在溫度t℃的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；λ0---固體在溫度0℃的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；a---溫度系數(shù)，1/℃，；對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，對大多數(shù)非金屬材料為正值。第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202311ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用1、通過平壁的熱傳導(dǎo)過程：圖4-5平壁的熱傳導(dǎo)平壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見圖4-5所示。由傅立葉（Fourier）定律可知：對上式積分得：又可寫為：第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202312ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用2、通過圓筒壁的熱傳導(dǎo)過程：圖4-6圓筒壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見圖4-6所示。在圓筒壁內(nèi)取同心薄層圓筒并對其作熱量衡算：對于定態(tài)熱傳導(dǎo)：則：第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202313ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用又：所以：對上式進(jìn)行積分得：式中：r---圓筒任一徑向半徑；l---圓筒管長。邊界條件：第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202314ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用將邊界條件帶入上式，得：式子可以改寫為：第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202315ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用若圓筒壁熱阻為：3、多層平壁的熱傳導(dǎo)過程：圖4-7多層平壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁的熱傳導(dǎo)的溫度分布見圖4-7所示。第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202316ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用①推動力和阻力的加和性②各層的溫差第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202317ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用

結(jié)論：對多層圓筒壁同樣適合。即：例：界面溫度的求取。某爐壁由下列三種材料組成：（見圖3-7所示）耐火磚λ1=1.4w/(m·℃)，δ1=225mm保溫磚λ2=0.15w/(m·℃)，δ2=125mm建筑磚λ3=0.8w/(m·℃)，δ3=225mm已測得內(nèi)、外表面溫度分別為930℃和55℃，求單位面積的熱損失和各層間接觸面的溫度。第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202318ProcessSystemprinciple熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)的應(yīng)用解：（1）單位面積的熱損失為：（2）溫差及界面溫度：第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202319ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程的概念流體各部分（或與固體表面）之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為對流傳熱。對流分為自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流：流體中各處的溫度不同而引起的密度差別，使輕者上浮，重者下沉，流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移。強(qiáng)制對流：因泵（風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動。第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202320ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程分析

傳熱過程流動截面的溫度分析：圖4-8流體流過平壁時(shí)的溫度分布

參見圖4-8所示。第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202321ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程分析三種情況流體傳給壁面的熱流密度仍由傅立葉定律確定，即：

結(jié)論：對流傳熱是流體流動載熱與熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的結(jié)果，流體對壁面的熱流密度因流動而增大。流體無相變化的給熱過程流體有相變化的給熱過程強(qiáng)制對流給熱過程自然對流給熱過程蒸汽冷凝給熱過程液體沸騰給熱過程對流傳熱第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202322ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述1、牛頓冷卻定律：式中：Tw，tw---熱或冷壁的溫度，

℃

；T，t---熱或冷流體的溫度，℃；α---給熱系數(shù)，w/(m·℃)流體加熱時(shí)：流體冷卻時(shí)：2、給熱系數(shù)α：三種獲得給熱系數(shù)α的方法：①理論分析法：對流場建立動量傳遞、熱量傳遞衡算方程和速率第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202323ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述方程，聯(lián)立求解流場的溫度分布和壁面熱流密度，然后寫成牛頓冷卻定律的形式，從而獲得α的理論計(jì)算式。②數(shù)學(xué)模型法：對給熱過程作出簡化的物理模型和數(shù)學(xué)描述，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或修正模型，確定模型參數(shù)。③因次分析法：對影響給熱過程的因素?zé)o因次化，通過實(shí)驗(yàn)決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系。3、給熱系數(shù)α的影響因素及無因次化：①影響因素：

液體的物理性質(zhì)：ρ、μ、Cp、λ；固體表面的特征參數(shù)：l；第二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202324ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述強(qiáng)制對流的流速：u；自然對流的特征速度：gβΔt。其中：β---膨脹系數(shù)，℃-1υ---流體比體積，m3/kg，υ=1/ρ；υ2，υ1---對應(yīng)于t2、t1的流體比體積；于是：②無因次化：第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202325ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述式中：-----努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)數(shù)于是，描述給熱過程的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為-----雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)-----普朗特（Prandtl）準(zhǔn)數(shù)-----格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202326ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述討論：各無因次數(shù)群的物理意義α*--給熱過程以純導(dǎo)熱方式進(jìn)行時(shí)的給熱系數(shù)。Nu反映對流給熱系數(shù)增大的倍數(shù)。

Nu準(zhǔn)數(shù)：

Re準(zhǔn)數(shù)：是流體所受的慣性力與粘性力之比，用以表征流體的運(yùn)動狀態(tài)。

Pr準(zhǔn)數(shù)：流體物性對給熱過程的影響。對于氣體，Pr≈1，對于液體，Pr＞＞1。第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202327ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述

Gr準(zhǔn)數(shù)：則Gr是Re的一種變形，表征自然對流的流動狀態(tài)。4、關(guān)于定性溫度和特征尺寸：①定性溫度：根據(jù)定性溫度，確定物性數(shù)據(jù)。一般選用壁溫tw和流體主體溫度t的算術(shù)平均值作為定性溫度，并稱之為平均膜溫。第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202328ProcessSystemprinciple對流傳熱過程對流傳熱過程數(shù)學(xué)描述指對給熱過程產(chǎn)生直接影響的幾何尺寸。②特征尺寸：第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202329ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)1、流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)：當(dāng)ⅰ.Re>104

ⅱ.0.7<Pr<160（不適用液體金屬）ⅲ.流體是低粘度（μ<2μ水）ⅳ.l/d>30～40則A=0.023，a=0.8，加熱時(shí)，b=0.4；冷卻時(shí)，b=0.3即：第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202330ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)其它條件下，需修正α：①高粘度流體：μ---液體在主體平均溫度下的粘度μw---液體在壁溫下的粘度液體加熱時(shí)，則：液體冷卻時(shí)，則：適用于Re>104，0.5<Pr<100各種液體，不適用液體金屬。第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202331ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)②l/d<30～40的短管：③Re=2000～10000的過渡流④流體在彎管中流動α---直管給熱系數(shù)，w/(m·℃)d---管內(nèi)徑，mR---彎管的曲率半徑，m第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202332ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)⑤流體在非圓形管中流動套管：Re=1.2×104～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202333ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)圖4-9列管換熱器

例題：右圖為列管換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由20℃加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸汽進(jìn)行加熱。（2）當(dāng)苯的流量提高一倍，給熱系數(shù)有何變化？（1）試求管壁對苯的給熱系數(shù)。第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202334ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)解：苯的平均溫度所以：根據(jù)該溫度，查得：ρ=860kg/m3，Cp=1.80kJ/（kg·℃）μ=0.45mPa·s；λ=0.12w/(m·℃)第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202335ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)若忽略定性溫度的變化，則：2、流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流的給熱系數(shù)：適合：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202336ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)流體在管外強(qiáng)制對流給熱系數(shù)：直排錯排圖4-10管束的排列流體在管束外橫向流過管束的給熱系數(shù)：c、ε、n的值見后表4-1所示。應(yīng)用范圍：Re=5×103～7×104，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202337ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)表4-1

各排的給熱系數(shù)不等，整個(gè)管束的平均給熱系數(shù)為：式中：αi---各排的給熱系數(shù)；Ai---各排的傳熱面積。第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202338ProcessSystemprinciple對流傳熱過程無相變的對流給熱系數(shù)3、攪拌釜內(nèi)液體與釜壁的給熱系數(shù)：實(shí)驗(yàn)表明：4、大容積自然對流的給熱系數(shù)：

表4-2系數(shù)A和b第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202339ProcessSystemprinciple對流傳熱過程有相變的對流給熱蒸汽冷凝給熱：當(dāng)飽和蒸汽與低于其溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出汽化潛熱的給熱過程。包括滴狀冷凝和膜狀冷凝。液體沸騰給熱：液體與高溫壁面接觸被加熱汽化，并產(chǎn)生氣泡的過程稱為液體沸騰。第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202340ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程輻射傳熱過程的概念絕對溫度不為零度的物體，都會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量；同時(shí)，又不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。這種傳熱方式稱為熱輻射。

在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，有實(shí)際意義的熱輻射波長在0.38～1000μm之間，大部分集中于紅外線區(qū)段：0.76～20μm之間。

第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202341ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

1、黑體的輻射能力和吸收能力：外來輻射投影到物體表面的能量，會發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象，如圖4-11所示。圖4-11輻射能的吸收、反射和穿透

根據(jù)能量守衡定律，有：

式中：Q---投射總能量；Qa、Qr、Qd---吸收、反射、透射的能量。第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202342ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

式中：a、r、d---分別稱為吸收率、反射率和透射率。

固體、液體：d=0，氣體：r=0，黑體輻射能力服從斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律：

當(dāng)a=1，稱該物體為黑體。

式中：Eb---黑體輻射能力，w/m2；σ0---黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8w/（m2·K4）。T---黑體表面的絕對溫度，K。第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202343ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

或：

式中：C0---黑體輻射系數(shù)，5.67w/（m2·K4）。

2、實(shí)際物體的輻射能力和吸收能力：

式中：ε---實(shí)際物體的黑度。實(shí)際物體的輻射能力恒小于同溫度下的黑體輻射能力Eb。第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202344ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

表4-3

3、灰體的輻射能力和吸收能力：

對于灰體：輻射能力ε=吸收能力a實(shí)際物體的吸收能力與投入輻射的波長有關(guān)?；殷w：對各種波長輻射均能同樣吸收的理想物體。

上述規(guī)律稱為克希荷夫（Kirchhoff）定律。第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202345ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

4、黑體間的輻射傳熱A1、T1、φ1A2、T2、φ2圖4-12兩黑體間的輻射傳熱

因?yàn)椋?/p>

所以：第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202346ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射

5、灰體間的輻射傳熱

關(guān)于Φ12和εs，參見表4-4。

例題：遮熱板的作用。

室內(nèi)有一高為0.5m，寬為1m的鑄鐵爐門，表面溫度為600℃，室溫為27℃，試求：（1）爐門輻射散熱的熱流量？第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202347ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射表4-4（2）若在爐門前很近的距離平行放置一塊同樣大小的鋁質(zhì)遮熱板（已氧化），爐門與遮熱板的輻射熱流量為多少？第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202348ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射（2）爐門和遮熱板相距很近，設(shè)鋁板溫度為T3，則：解：鑄鐵的黑度ε1=0.78，鋁的黑度ε3=0.15（1）爐門為四壁包圍，A1/A2≈0，則：第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202349ProcessSystemprinciple輻射傳熱過程固體輻射遮熱板與四周墻壁：因?yàn)椋核?，解得：T3=733K第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202350ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程數(shù)學(xué)描述

1、傳熱速率方程：TTwtwtδ熱流體冷流體q圖4-13微元管段中的熱流密度

式中：T、t---熱、冷流體的主體溫度；Tw、tw---熱、冷流體側(cè)的器壁溫度；α1、α2---熱、冷流體的給熱系數(shù)；σ---器壁的厚度。

根據(jù)推動力和阻力加和原理，得：第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202351ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程數(shù)學(xué)描述

K稱為總的傳熱系數(shù)。

2、傳熱系數(shù)與熱阻：（以套管換熱器為例）①忽略δ/λ：當(dāng)α1>>α2時(shí)，K=α2；α1<<α2時(shí)，K=α1。

內(nèi)表面：外表面：②當(dāng)內(nèi)、外表面積不同時(shí)，第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202352ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程數(shù)學(xué)描述

若為圓管，內(nèi)、外徑為d1、d2：

關(guān)于污垢熱阻：（若內(nèi)、外污垢熱阻為R1、R2）則

式中：第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202353ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程數(shù)學(xué)描述

3、壁溫的計(jì)算：

若Tw=tw，則：第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202354ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程基本方程

1、換熱器的熱量的衡算：圖4-14熱量衡算

總的熱量衡算：第五十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202355ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程基本方程

式中：Wh、Wc----熱、冷流體的質(zhì)量流量；Cph、Cpc----熱、冷流體的比熱；

2、傳熱基本方程式：t1t2tTT1T2(T-t)1(T-t)2(T-t)T=t圖4-15熱量衡算

已知：

又：

上式積分，可得：第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202356ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程基本方程

式中：△tm---對數(shù)平均溫度。傳熱過程的推動力。

3、傳熱過程的推動力：圖4-16傳熱溫差第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202357ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程基本方程

例：并流和逆流對數(shù)平均溫差的比較。

在一臺螺旋板式換熱器中，熱水流量為2000kg/h，冷水流量為3000kg/h，熱水進(jìn)口溫度為T1=80℃，冷水進(jìn)口溫度為t1=10℃。如果要求將冷水加熱到t2=30℃，試求并流和逆流對數(shù)平均溫差。

解：題目條件下，Cph=Cpc=4.2kJ/（kg·℃）

所以：

求得：T2=50℃由于：第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202358ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程基本方程則：并流時(shí)△t1=80℃-10℃=70℃△t2=50℃-30℃=20℃

則：逆流時(shí)△t1=80℃-30℃=50℃△t2=50℃-10℃=40℃第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202359ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算

1、設(shè)計(jì)型計(jì)算①計(jì)算熱負(fù)荷：設(shè)計(jì)任務(wù)：將流量為G1的熱流體自給定溫度T1冷卻至指定溫度T2。

設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)的溫度，即冷流體的進(jìn)口溫度t1。

計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器其他有關(guān)尺寸。

計(jì)算方法：②適當(dāng)選擇并計(jì)算平均推動力：△tm。③即使冷、熱流體的對流給熱系數(shù)及總K。④由傳熱方程計(jì)算傳熱面積。

第六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202360ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算參數(shù)選擇：

①流體流向的選擇（并流、逆流或錯流等）；

②選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度；③冷、熱流體流動線路（管程、殼程）；④流體的流速；⑤污垢熱阻。

2、操作型計(jì)算第一類命題：給定條件：換熱器傳熱面積及相關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)，冷、熱流體的流量、進(jìn)口溫度、流動方式。第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202361ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算計(jì)算目的：冷、熱流體的出口溫度。給定條件：換熱器傳熱面積及相關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)，熱流體的流量以及進(jìn)、出口溫度，冷流體進(jìn)口溫度及流動方式。第二類命題：計(jì)算目的：冷流體的流量及出口溫度。

計(jì)算方法：②

①

第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202362ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算③

例：第一類命題的操作型計(jì)算。

在一逆流操作的換熱器，熱流體為空氣，α1＝100W/(m2·℃)，冷卻水走管內(nèi)，α2＝2000W/(m2·℃)。已測得熱、冷流體進(jìn)、出口溫度為T1=100℃，T2=70℃，t1=20℃，t2=85℃，管壁熱阻可以忽略。當(dāng)水流量增加一倍時(shí)，試求：

（1）空氣和水的出口溫度T2’，t2’?

（2）熱流量Q’比原熱流量Q增加多少?第六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202363ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算

解：（1）原工況：

式中：第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202364ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算新工況：（a）、（b）兩式相除：第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202365ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算或：熱量衡算：聯(lián)立求解（c）、（d）兩式，得：第六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202366ProcessSystemprinciple傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算（2）新、舊工況的熱量之比：即，熱量增加了34％。討論：從計(jì)算結(jié)果中可以得出什么結(jié)論？第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202367ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

結(jié)構(gòu)：夾套裝在容器外部，在夾套和容器壁之間形成密閉空間，成為一種流體的通道。1、夾套換熱器圖4-17夾套換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。

缺點(diǎn)：傳熱面積A小，傳熱效率低。

用途：廣泛用于反應(yīng)器的加熱和冷卻。為了提高傳熱效果，可在釜內(nèi)加攪拌器或蛇管和外循環(huán)。第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202368ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，便于防腐，能承受高壓。

缺點(diǎn)：傳熱面積不大，蛇管外對流傳熱系數(shù)小，為了強(qiáng)化傳熱，容器內(nèi)加攪拌。2、沉浸式蛇管換熱器

結(jié)構(gòu)：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應(yīng)容器所需要的形狀，沉浸在容器內(nèi)，冷熱流體在管內(nèi)外進(jìn)行換熱。圖4-18沉浸式蛇管換熱器第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202369ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型3、噴淋式換熱器

結(jié)構(gòu)：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進(jìn)行換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進(jìn)行重新分配。圖4-19噴淋式換熱器(1)第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202370ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好。

缺點(diǎn)：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。

用途：用于冷卻或冷凝管內(nèi)液體。圖4-20噴淋式換熱器(2)第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202371ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型4、套管式換熱器

結(jié)構(gòu)：由不同直徑組成的同心套管，可根據(jù)換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使平均對數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應(yīng)用方便。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。

用途：廣泛用于超高壓生產(chǎn)過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。圖4-21套管式換熱器第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202372ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型5、列管式換熱器（管殼式換熱器）

主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。圖4-22列管式換熱器第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202373ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型優(yōu)點(diǎn)：單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。圖4-23列管式換熱器折流擋板第七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202374ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型殼體內(nèi)裝有管束，管束兩端固定在管板上。由于冷熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，如兩者溫差較大，管子會扭彎，從管板上脫落，甚至毀壞換熱器。所以，列管式換熱器必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取各種補(bǔ)償?shù)霓k法，消除或減小熱應(yīng)力。

（1）固定管板式

根據(jù)所采取的溫差補(bǔ)償措施，列管式換熱器可分為以下幾個(gè)型式。殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補(bǔ)償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束之間有溫差時(shí)，依靠補(bǔ)償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202375ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。圖4-24固定管板式（有膨脹節(jié)）換熱器

（2）浮頭式

兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202376ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。圖4-25內(nèi)浮頭式換熱器第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202377ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）間壁式換熱器的類型固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。（3）U型管式圖4-26U型管式換熱器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。第七十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202378ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用1、選用步驟（1）根據(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷；（2）計(jì)算平均溫度差；先按單殼程多管程的計(jì)算，如果校正系數(shù)<0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)；（3）依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取總傳熱系數(shù)，估算傳熱面積；（4）確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定流體流速；由流速和流量估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的傳熱面積，估算管子長度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號的換熱器。（5）核算總傳熱系數(shù)；第七十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202379ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用分別計(jì)算管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，確定垢阻，求出總傳熱系數(shù)，并與估算的總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。（6）計(jì)算傳熱面積。根據(jù)計(jì)算的總傳熱系數(shù)和平均溫度差，計(jì)算傳熱面積，并與選定的換熱器傳熱面積相比，應(yīng)有10%～25%的裕量。2、選用換熱器中的有關(guān)問題（1）流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則原則：傳熱效果好；結(jié)構(gòu)簡單；清洗方便?！霾粷崈艋蛞捉Y(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。■腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202380ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用（2）流體的流速流體的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。■壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力?！鲲柡驼羝俗邭こ蹋柡驼羝容^清潔，而且冷凝液容易排出。■流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜?！鲂枰焕鋮s物料一般選殼程，便于散熱。第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202381ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用0.2～1.5>0.53～150.5～0.3>15～30一般液體宜結(jié)垢液體氣體殼程管程流速m/s流體種類列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍：0.60.751.11.51.82.4>15001000～500500～100100～5335～1>1最大流速m/s液體粘度mPa.s不同粘度液體在列管換熱器中流速（在鋼管中）：

流動方式的選擇：除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動。第八十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日3/4/202382ProcessSystemprinciple傳熱設(shè)備（換熱器）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選用（3）換熱器中管子的規(guī)格和排列方式當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，對流傳熱系數(shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動形式復(fù)雜，對數(shù)平均值的溫差要加以修正。管子的規(guī)格19×2mm和25×2.5mm管長：1.5、2.0、3.0、6.0和9.0m等；排列方式：正三角形、正方形直列和錯列