项目二传热装置操作技术

列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的，故平均管壁 总面积即为它的传热面积。
单程列管式换热器：管程流体在换热器管束内只流过一次。 双程列管式换热器：管程流体在换热器管束内流经两次。 多程列管式换热器：管程流体在换热器管束内来回流过多次。 列管式换热器的传热面为管束的壁面：S=nπdL
2.混合式换热 混合式换热：直接接触式换热器进行的换热 混合式换热器（直接接触式换热器） 特点：两流体直接接触，相互混合进行换热。该类型换热器结
n层圆筒壁的热传导速率方程式为：
Q＝总总推热动阻力 n
i 1
t1 tn1 1
In 2Li
ri1 ri
写成平壁的导热形式：
Q＝
t1
n
tn1 bi
i1 i Sm
注意（1） 圆筒壁的热传导速率： Q1=Q2=Q3=…….=Qn 圆筒壁的热通量：q1≠q2≠q3≠……≠ qn (各层S不同) （2） 将圆筒壁的热传导速率方程式写成平壁的导热形式，加
密程度以及温度有关。 T↑，非金属↑；ρ↑，非金属↑。 （3）对大多数固体，其热导率与温度呈线性关系。
2 液体的导热系数 非金属液体：水最大；纯液体>混合液体 金属液体：金属液体较高，但T↑时，金属液体↓。 3 气体的导热系数 气体温度升高，增大。随压强的变化较小，可以忽略不计。
气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。 但只有在严格限制了空气运动（对流传热）的情况下，空气才
Q t1 t2 t3 R1 R2 R3
b1
t1 t4 b2 b3
总推动力 总热阻
1S 2S 3S
推广至n层平壁： 注意：
Q
t1 tn1 n bi i1 i S
t1 tn1
n
Ri
i 1
（1）传热推动力要与阻力相对应。
（2）串联传热过程的总推动力（温度差）是各分过程温度差
圆筒壁: S=f(r); t=Ф(r)
S=2πrL
热传导速率： Q S dt 2rl dt
dr
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r=r1 t=t1
r=r2 t=t2
单层圆筒壁的热传导速率方程式
Q
2
L(t1 ln r2
t2 )
(t1 t2 ) t 1 ln r2 R
圆筒壁导热热阻：R 1 In r2
r1
2L r1
4 流体流动的原因 因流体流动的原因不同，对流传热分为自然对流传热和强制对
流传热。 自然对流：由于流体内部存在温度差引起密度差产生浮升力，
使流体内部质点产生移动和混合，流速较小，α值不大。 强制对流：在机械搅拌的外力作用下引起的流体流动。流速较
小，α较大。 故：α强制α自然 5 传热面的形状、位置和大小。 传热管、板、管束等不同的传热面的形状；管子的排列方式；
3 传热案例
热得快
油汀式取暖器
冷却装置管道保温图
隔热材料保温结构示意图
二、工业换热方式 热流体：在换热过程中，温度较高放出热量的流体。 冷流体：温度较低吸收热量的流体。 加热剂：换热目的为将冷流体加热的热流体。水蒸气。 冷却剂（冷凝剂）：换热目的为将热流体冷却或者冷凝。冷却
水、冷冻食盐、空气。
（热量交换器）换热器：在工业换热中，产生热量交换的设备。
冷溶液出
热溶液出
② 列管换热器
典型的列管式换热器
列管式换热器内部结构图
通常把流体流经管束称为管程，将该流体称为管程 流体；把流体流经管间环隙称为壳程，将该流体称为壳 程流体。由于管程流体在管束内只流过一次，故称为单 程列管式换热器。
由于管程流体在管束内流经两次，故称为双程列 管式换热器。管程流体在管束内来回流过几次，就称 为与次数相同程数的换热器。
三、传热的基本方式 传热的基本方式有：热传导、热对流和热辐射。 1 热传导（导热） 热传导：由于物质分子、原子或电子的运动，将热量从物体内
高温处向低温处的传递过程。 热传导是静止物体内的一种传热方式。 注意：热传导不能在真空中进行。 2 热对流 （对流传热） （1） 热对流：流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量
好坏。
Q S dt
dx
的物理意义：
↑，导热越快。导热系数的大小与物质的组成、结构、温
度和压强有关。
通常由实验测定，各种物质数值上差别很大。
导热系数的大小顺序： (金属固体) > (非金属固体) >
(液体) > (气体)。
1 固体的导热系数 固体的导热系数随着组成和结构的不同而有很大差别 （1） 金属的导热系数： 纯度增加，金属↑，纯金属>合金，T↑，金属↓ 选用导热系数时常取算术平均温度下的导热系数。 （2） 非金属的导热系数 非金属的建筑材料或绝缘材料的导热材料与其组成、结构的致
热流体在换热器管内流动： dQ=αi（T-TW）dSi 冷流体在换热器管外流动： dQ=αo（tw-t）dS0
Si、So——换热器的管内表面积和管外表面积，m2； ai、αo——换热器管内侧和外侧流体的对流传热系数，(w/m2
℃)；
2 对流传热系数
定义式： Q
St
物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积 的对流传热速率； W/（m2.℃）其值反映了对流 传热的效果。α↑，对流传热越快。
构简单，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。 常见的这类换热器有凉水塔、洗涤塔、喷射冷凝器等。
混合式自动稳压换热器
3.蓄热式换热 蓄热式换热：借助于热容量较
大的固体蓄热体，将热量 由热流体传给冷流体。 蓄热式换热器（回流式换热器）： 热、冷流体交替进入换热器， 热流体将热量储存在蓄热体 中，然后由冷流体取走，从而 达到换热的目的。
△t──导热推动力（温度差）℃。 平壁的厚度b↑，传热面积S↓，导热系数λ↓，则导热热阻R↑
2 多层平壁的定态热传导 以三层平壁为例：
Q
Q1
1S(t1 b1
t2 )
Q
Q2
2S(t2 b2
t3 )
Q＝Q3
3S(t3 b3
t4 )
△t1=t1-t2=Qb1/（λ1S）=QR1 △t2=t2-t3=Qb2/（λ2S）=QR2 △t3=t3-t4=Qb3/（λ3S）=QR3
不同的等温面不会相交。
温度梯度：两相邻等温面的温度（t+t）与t之间的温度差 t，与该两面的垂直距离Δx之比值的极限。
gradt lim t dt n0 x dx
注意：温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，它的正方向是 指向温度增加的方向。与热量传递方向相反。
一、傅立叶定律
Q S dt
dx
式中
水平或垂直放置；管径、管长或管板的高度等都会影响流 体在换热器附近壁面的流动状况，因此影响α值。对于一 种类型的传热面常用一个对α有决定性影响的特征尺寸L 来表示其大小。。
四、对流传热系数经验公式的建立
1 几种常用的准数 准数名称
符号 准数式 意义
努塞尔特准数 Nu （给热准数）
雷诺准数（流型 Re 准数）
根据换热器结构不同换热方法分类： （1）间壁式换热 间壁式换热：流体在间壁两侧流过，借助壁面导热作用实现二
者的热量交换。 间壁式换热器：使用的换热器，又称表面式换热器、间接式换
热器。 特点：两流体在换热过程中不混合。
典型的间壁式换热器： ① 套管换热器：内管壁面面积即为传热面积。
热溶液进
冷溶液进
2L r1
仿平壁热传导速率方程：
Q Sm (t1 t2 ) Sm(t1 t2 )
b
r2 r1
Sm 2rm L
rm
(r2 r1 ) ln r2
r1
rm ──圆筒壁的对数平均半径，m；
Sm ──圆筒壁的内、外表面的对数平均面积，m2。
注意：当
r2 2 r1
时，可用算术平均值
rm
r1 r2 21
四、传热速率和热通量 传热速率Q：单位时间内通过传热面传递的热量， J/S或W。 热通量q：指单位时间内通过单位传热面传递的热量，
J/（S.m2）或W/m2。 传热速率的通式：
传热速率
传热推动力 传热阻力
温度差 热阻
t R
五、 定态传热和非定态传热
7.2 传导传热 传导主要发生在固体和静止流体中。 温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布的总和。 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面。温度
项目07 换热器的分类与结构类型
7.1 概 述 热量传递（传热）：系统内温度的差异使热量从高温向低温转
移的过程。 一、传热在化工生产中的应用 1 应用 （1） 创造并维持需要的温度条件 （2） 提高能量利用的合理性 （3） 隔热与节能 传递环境中的热量称为热损失。 2 化工生产对传热过程的要求 （1）如何强化传热过程 （2）如何减少或抑制（削弱）传热过程
普兰特准数（物 Pr 性准数）
格拉斯霍夫准数 Gr （l升力准数）
l
lu
cp
gtl3 2 2
表示对流传热 系数的准数
确定流动状态 的准数
表示物性影响 的准数
传递，对流传热仅发生在流体中。 （2） 分类 自然对流传热、强制对流传热 习惯上把流体与固体壁面间的传热统称为对流传热。
3 热辐射（辐射传热） 热辐射：因热的原因物体发出辐射能的过程。 热辐射是一种以电磁波传递热能的方式。 辐射传热不仅有能量的传递，而且伴有能量形式的转换。 注意：热辐射不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。 实验证明，物体的温度高于400℃才有明显的热辐射。 实际上，传热过程是两种或三种传热方式的组合。 例如：间壁式换热是热传导和热对流相结合的方式进行的。
之和；总的热阻为各分过程热阻之和，这一规律称为热阻
叠加原理。
（3）在定态多层平壁导热过程中，热阻大，对应的温度差就
大；总温度差一定时，Q的大小取决于总热阻的大小。
例2.2
四、圆筒壁热传导
1 通过单层圆筒壁的定态热传导
圆筒壁：指圆筒形容器、设备和管道。
圆筒壁的热传导与平壁热传导的区别如下：
平壁：S=常数
能适用于隔热。
三、平壁导热
1 单层平壁导热 傅立叶定律可以表示：
Q
S
dt dx
若λ不随温度而变化，积分的边界条件为
x=0时 x=b时
t=t1 t=t2。
积分上式 或 Q
b
s(t1
t2 )或Q
t1
t2 b
t R
S
q Q t t S b R1
b ──平壁的厚度，m；
R=b/（λS）──导热热阻，℃/m； R′=b/λ──单位传热面积上的导热热阻m2℃/w；
代替对数
平均值作近似计算。r当2 2
r1
时，取对数平均值。
2 多层圆筒壁的定态热传导
λ1 λ2 …… λn
厚度分别为：b1=r2-r1
b2=r3-r2
b3=r4-r3
热传导速率方程：Q t1 t2 t3
t1 t4
R1 R2 R3
ln r2
ln r3
ln r4
r1 r2 r3
2L1 2L2 2L3
深了对圆筒壁热传导的理解和记忆。
7.3对流传热概述 对流传热：流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。 对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况有关。 在对流传热的同时伴有流体间的导热现象，通常对流传热是指流
体与固体壁面间的传热过程。 一、对流传热分析
湍流主体：主要以对流方式进行。 缓冲层：热传导和热对流同时起作用。 滞流内层：主要以热传导方式进行。
对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热现象。对流 传热的热阻主要集中在滞流内层。因此减薄滞流内层的厚度、 增加流体的湍动是强化对流传热的主要途径。
二、对流传热速率方程和对流传热系数 1 对流传热速率方程 牛顿冷却定律： Q St t
1
S
α——平均对流传热系数，w/(m2. ℃) S——总传热面积，m2； ∆t——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃； 1/αS——对流传热热阻。
Q ── 热传导速率，W或J/s；
S ── 等温表面的面积，m2；
dt ── 温度梯度，℃/m或K/m；
dx
── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
负号表示热流方向与温度梯度的方向相反。
二、导热系数（热导率）
善于传导热的物体叫做热的良导体，把不
善于传导热的物体叫做热的不良导体。
工程上用导热系数来衡量物质导热性能的
注意：导热系数是物性，对流传热系数α不是物性，它是受多 种因素影响的一个物理量。
三、对流传热系数主要影响因素 1 流体的种类和相变化的情况 流体的种类不同，其对流传热系数各不相同，流体有相变化时
出现气泡，对内部流体产生扰动作用，导致对流传热系数 比无相变时为大。 2 流体的物性 流体的导热系数、比热容、粘度、密度等物性对α的影响较大， 其中μ， α↓； （ρ、、Cp） ， α。 3 流体的流动状态 滞流：流体在热流方向上无附加的脉动，其传热形式主要是流 体滞流内层的导热，故α值较小。 湍流：Re，滞流内层的厚度减薄,α。