传热原理及换热器设计详解

传热速率：换热器在单位时间内所交换的热量， 是设备特性，反映的是换热器本身具有的换热能力 总传热速率方程如下：
t m 总传热推动力 Q KAt m 1 / KA 总热阻
式中 K──总传热系数，W/(m2· ℃)或W/(m2· K)； Q──传热速率，W或J/s；
A──总传热面积，m2；
H in
Temperature
H out C out
C in Length

H in
Temperature
C out H out
C in
Length
传热平均温差的计算 -对数平均温差
变温传热：在换热过程中， 冷热两流体或其中一种流 体沿壁面任何位置的温度 在不断的变化 根据流体在换热器内的流 动方向不同，变温传热平 均温差的计算方法不同
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传热系数

传热系数的影响因素
– 冷、热测流体湍动程度
• 传热膜系数
– 流体物性
• 粘度、导热系数、比热容
– 换热表面热阻
• 污垢系数
– 金属壁热阻
• 金属导热系数 • 金 1 1 RfH RfC K H c

符号说明：
K- 总传热系数 α -热侧传热膜系数 α -热侧传热膜系数 δ –金属壁厚度 λ –金属导热系数 Rf -热侧壁面污垢系数 Rf -冷侧壁面污垢系数
计算

某厂房面积35000m2需要供暖,按照相关 规范，厂房供暖标准为60W/m2,一次网供 水温度130 ℃ ，回水70 ℃ ，二次网回 水温度55 ℃，出水温度65 ℃ 。水的比 热均按照4.18kJ/kg ℃,试计算：
– 供暖热负荷多少千瓦？ – 所需一次侧水量、二次侧水量多少吨/小时？
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假设一台单流程逆流换热板式换热器， 热侧进口温度T1出口温度T2,冷侧进口温 度t1出口温度t2 传热平均温差（即对数平均温差）的计 算公式：

tH tC (T 1 t 2) (T 2 t1) LMTD ln(tH / tC ) ln((T 1 t 2) /(T 2 t1))
传热基本理论
概念
传热:从化工角度讲，是传热过程，即由 于存在温度差而发生热传递的化工过程。 热现象:物质运动的一种表现,物体内部大 量分子做无规则运动的宏观表现 物体的内能物体内部所有分子做无规则 运动的动能和分子势能的总和。内能是 不同于机械能的一种能量,可以与机械能, 电能等其他形式能量相互转化. 温度越高,内能越大,人们通常把内能称为 热能.
板式换热器可以实现温度交叉
板式换热器可以达到1度传热对数温差 根据需要板式换热器可以通过增减板片调整换热面积 板式换热器可以拆卸机械清洗全部换热表面
间壁式换热器的种类





列管式 最典型的换热器，主要有管束和壳体构成， 它具有坚固，处理量大，适应性强等优点，管子的表 面积之和就是它的传热面积 套管式 由直径大小不同的直管焊成的同心圆套组 成，内管的表面积可视为其传热面积 蛇管式 主要部件是盘成螺旋型或者其他形状的直 管，它又分为沉浸式和喷淋式 夹套式 容器的外部装有夹套，加热剂和冷却剂在 器壁与夹套间流动，容器内壁就是它的传热面积 板式 由一组金属薄板和外部夹紧板、拉紧螺栓、 橡胶密封垫组成，传热效率高，单位体积换热面积大， 节省材料等优点，特别适合小对数温差换热工况以及 需要昂贵的特殊合金及金属场合。

温度:表示物体冷热程度的物理量 热量:在热传递过程中,高温物体放热,温 度降低,内能减少,低温物体吸热,温度升 高,内能增加,这部分增加或者减少的内能 就是热量.热量指的是热传递过程中传递 能量的多少.热量是与过程有联系的量,有 传热过程才有热量


比热容:单位质量的某种物质温度升高或 降低1K时所吸收或者放出的热量,叫做这 种物质的比容热,用符号Cp表示.

如水的比热容为4.18kJ/Kg.K.则表示1千 克的水当其温度升高1K时,需要吸收的热 量是4.18千焦耳.
热量的基本计算公式（无相变）
Q=Cpm（T高-T低） Q：不发生相变时，物体吸收或者放出 的热量,单位：kJ Cp：物体的比热容，单位：kJ/Kg.K m：物体的质量，单位：kg T高，T低：热传递过程先后物体的温 度差单位：K
2、 间壁式换热器的传热过程
一、基本概念
热负荷Q：工艺上要求换热器具有的换热能力，同
种流体需要升温或温降时，吸收或放出的热量，
单位 J/s或W。
传热速率Q：换热器本身具有的换热能力，单位时
间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位
J/s或W。
2、冷热流体通过间壁的传热过程
T1 Q t2
对流 导热 对流 冷 流 体


对流传热在生产中应用相当广泛，例如： 气流干燥器，喷雾干燥器，厢式干燥器， 都是以对流为主的干燥器，锅炉水暖系 统主要利用对流原理将热量从锅炉传递 到散热器，换热器则充分运用对流原理 实现热交换
层流流动与湍流流动
流体在流道内的流动分为层流流 动、过渡流动和湍流流动三种状 态。 自然对流通常是层流流动或过渡 流动，强制对流通常是湍流流动。 湍流流动是最强烈的流动方式， 最有利于传热，因此任何换热器 的设计都希望流体在其中是充分 发展的湍流流动。 板式换热器由交错波纹板片构成 的复杂流道，使得流体在较小的 流速下既可以进入湍流状态，因 此可以强化传热，得到更高的传 热效率。 返回 20
先得到热量，温度升高，受热膨胀，密度减小， 就向上流动，而壶上部水温较低，密度较大，
自动下降，由于水的上下循环流动，将热量从
流体的一部分传到另一部 分，这种现象就对流传热。
对流传热分为自然对流和强制对流 自然对流是由于流体各处温度不同引起密度差 别而引起的对流，像前面讲的水壶烧水的过程， 以及大气因下层受热而产生的上下循环流动都 是自然对流 强制对流是由于受到外力的作用而产生的对流， 像用泵把流体送到换热器，用搅拌使反应釜内 液体产生的对流 工业上由于强制对流能够取得好的传热效果。 因此多采用强制对流
热 流 T2 体
t1
Q1 ( 对流 )
(1)热流体 壁左侧 (2)壁左侧 壁右侧
Q2 ( 热传导 )
(3)壁右侧 冷流体
Q3 ( 对流 )
3.传热过程的基本计算
传热过程的热量衡算 输入的能量=输出的能量+能量损失 Q进=Q出+Q损 Q热=Q冷+Q损 在工程传热过程设计计算中，板式换热器 的热量损失非常小，通常忽略不计！

直接接触式是把冷，热流体直接接触， 在混合过程中传热，像凉水塔，喷洒式 冷却塔，混合式冷凝器 结构简单，传热效果好，但是只适用于 两股流体可以直接接触的场合，适用范 围小

二、蓄热式
低温流体
优点：
•结构较简单 •耐高温 缺点：
高温流体
•设备体积大 •有一定程度的混合
间壁式换热
冷热两种流体被固体壁面隔开，传热时， 热量从高温流体传给壁面，壁面再传给 冷流体 这种方法适用于冷，热两种流体不允许 直接接触的场合，在绝大多数情况下， 冷热两种流体都不允许直接接触，因此 间壁式换热是应用最广泛的换热方法
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传热的三种基本方式
一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递
T1
到温度较低的部分，或传递到与之接
触的另一物体的过程称为热传导，又 称导热。 特点：没有物质的宏观位移
T2
物质的导热性能和导热系数
把刚开的水倒进铝饭盒,因其烫手而不能 直接去端,如果是把开水倒进瓷碗,因其不 烫手而可以直接端,这种现象说明铝比瓷 的导热性能好 导热性能强的物质叫热的良导体,导热性 能弱的物质叫热的不良导体,物质导热性 能的好坏用导热系数表示.导热系数越大, 表明物质的导热能力越强

每一种物质都有其对应的导热系数 固体的导热系数虽温度的升高而升高 一般金属的导热系数最大,固体非金属次之,液 体较小,气体的导热系数最小 化工厂在选用设备材料时,就要参考各物质的导 热系数,在需要传热的地方,如锅炉的水管,换热 器的换热管,用传热系数大的材料,而需要阻止 传热的场合如设备管路的保温层,则用导热系数 小的材料
层流流动
湍流流动




三、热辐射 借助电磁波以发射和吸收辐射 线的形式进行的热传递，称为 辐射传热或热辐射。 特点：1能量转移、能量形式的 转化 2电磁波是热量传递的媒 介 3辐射传热不是单方面的 能量传递，而是物体间电磁波 的相互交换的结果
工业上常用的热交换方式
直接混合式 蓄热式 间壁式
削弱传热
只要设备与环境存在温度差，就会有热 损失，温差越大，热损失越大，因此必 须设法降低设备与环境之间的传热速率， 即削弱传热，具体方法是在设备或者管 道的表面敷以导热系数小的材料，以增 加传热热阻，达到降低传热速率，削弱 传热的目的 应用：设备保温

并流与逆流传热

并流传热：在换热过程中， 两种流体在换热器壁两面 平行同向流动，在冷热侧 温度差推动下，将热量从 热侧传递到冷侧。 逆流传热：在换热过程中， 两种流体在换热器壁两面 平行逆向流动，在冷热侧 温度差推动下，将热量从 热侧传递到冷侧。
热量的基本计算公式（有相变）
Q=mΔH Q：发生相变时，介质吸收或者 放出的热量,单位：kJ ΔH：相变介质的潜热，也叫做 焓差，单位：kJ/Kg.K m：物体的质量，单位：kg
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显热:物质在没有发生相变的情况下温度 变化时所吸收或放出的热量.例如,将一壶 冷水加热,随着时间的推移,水吸收热量, 温度升高,在水没有烧开之前,水的相态没 有变,它所吸收的热量称为显热
tm──两流体的平均温差，℃或K。
强化传热的途径

从传热速率方程式可以看出，提高传热系数， 传热面积，传热平均温差中的任何一项都可以 提高传热速率 1）增大传热面积 2）增大传热平均温差，在条件允许的情 况下，尽量的提高热流体的温度，降低冷流体 的温度，当冷热流体的进出口温度一定时，采 用逆流操作可以获得较大的平均温度差 3）增大传热系数K，提高两流体的给热系 数，加大湍动程度，增加管程或壳程数，加装 折流挡板，增加搅拌，改变流体流向，防止结 垢并及时的清除污垢层。
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基本介绍


传热在化工生产中占据重要的位置,设备投 资就占全部设备投资的30%-40% 热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温 差存在的地方，热量总是自发地由高温向 低温传递。 传热即是我们平常所说的热传递,由于温度 差而造成能量由高温区向低温区的转移. 传热是化工生产中使用的非常普遍的单元操 作。加热和冷却都属于传热

常见物质的导热系数
金属铜 384 W/C m
金属钛
不锈钢
9
4
W/C m
W/C m
水
木材
0.58
0.116
W/C m
W/C m
无机盐
0.1~0.3
W/C m
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二、对流传热
流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
用水壶烧水，虽然炉火只加热壶的底部，但是
最后全壶水都被烧开，这是因为靠近壶底的水

注意：当T1 -t2= T2 –t1时， LMTD= T1 -t2= T2 –t1
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计算：
– 某换热站板式换热器，一次侧进水温度130 C ，出水温度70 C ，二次侧进水温度55 C，出水温度65 C。 该换热器的传热对数温差是多少？
– 某大楼中央空调板式换热器，冷侧进水温度 7 C ，出水温度12 C ，热侧进水温度13 C，出水温度8 C。 该换热器的传热对数温差是多少？ 返回

潜热:在温度压力不变时物质相变所吸收 或放出的热量.例如:1个大气压下，当 373K(100 ℃)时水达到沸腾,虽继续加热, 水温仍保持不变,这时,所提供的热量都被 用于水变成蒸汽的相变,此时水吸收的热 量就是潜热.潜热的具体表现形式有汽化 潜热或冷凝潜热
热流体与冷流体
参与传热的流体称为载热体,温度较高在传 热过程中失去热量的流体,称为热流体,温度 较低并在过程中得到热量的流体称为冷流 体 传热过程通常是在两种流体间进行的

热侧流体 冷侧流体
间壁式
套管换热器
热流体T1
t2 T2
冷流体t1
传热面为内管壁的表面积
列管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为壳内所有管束壁的表面积
板式换热器
传热面为一组金属薄板
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板式换热器与管壳式换热器的比较
板式换热器传热系数更高，占地更小 板式换热器耗用金属材料更少，特别是采用昂贵的合金或者贵金属时，板 式换热器更经济