换热器设计总结

主要符号表--传热过程计算与换热器

化工生产中大多数情况不允许冷、热两种流体在换热过程中混合，所以要通过间壁式传热来进行热量交换。间壁式传热由固体内部的热传导及各种流体与固体表面间的对流传热组合而成。对于热传导和各种情况下的对流传热所遵循的规律已在上一章进行了详细阐明，本章将在此基础上进一步讨论传热过程的计算问题，并介绍工业上实现这些传热过程的热交换设备-换热器。

如图5-1所示，热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的

传热过程分为三步进行：

（1）热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面；

（2）热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面；

（3）冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。

在上述三个步骤中，第（2）步通过间壁的传热纯属

热传导，第（1）与（3）步为流体与间壁固体之间的传

热，主要依*对流传热，但是对于高温的多原子气体或含

固体颗粒的气体，流体与壁面之间的辐射传热也不容忽

视。由于在化工生产中经常遇到的是温度不太高的流体

之间的传热过程，因而在传热过程计算中通常忽略流体

与间壁之间的辐射传热。

图5-1中示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温

度分布情况。热流体以对流方式将热量传给间壁的一侧，

如果热流体不发生相变，则热流体的温度逐渐降低；在

间壁中沿热流方向温度降低；当热量传给冷流体后，如

果冷流体也不发生相变，则其温度将逐渐升高。

5.2.1 热量衡算方程

热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化的相互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，若忽略热损失，单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量。图5-2为一稳态逆流操作的套管式换热器，热流体走管内，冷流体走环隙。由于冷、热流体沿壁面平行流动，而流动方向彼此相反，所以称之为逆流（若方向相同，则称为并流）。对于换热器的一个微元段，传热面积为dA，冷热流体之间的热量传递满足

dQ = m h dH h= m c dH c（5-1）

式中m为冷热流体质量流率，kg/s；dH表示单位质量流体焓值增量，kJ/kg；dQ为微元传热面积dA上的传热速率，W。下标h和c分别表示热流体和冷流体。

对于整个换热器，其热量的衡算式为

Q = m h(H h1-H h2) = m c(H c1-H c2)（5-2）

式中Q为整个换热器的传热速率，或称为换热器的热负荷，W；H表示单位质量流体焓值，kJ/kg；下标1和2分别表示流体的进口和出口。

如果换热器中的流体均无相变，且流体的比热容不随流体温度变化而为常数时，式（5-1）和式（5-2）可分别表示为

dQ = m h C ph dt h= m c C pc dt c（5-3）

Q = m h C ph(t h1-t h2) = m c C pc(t c1-t c2)（5-4）

式中cp为流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；th和tc分别为热流体和冷流体的温度，℃。

若换热器中的流体有相变，如冷流体被加热沸腾，冷流体的进口为饱和液体，出口为饱和蒸汽的情况下，式（5-2）可变为

Q = m h C ph(t h1-t h2)=m c r（5-5）

式中r为冷流体的汽化潜热，kJ/kg。如果冷流体在换热器的进出口处存在液体过冷和蒸汽过热，则应加入显热部分，即

Q = m h C ph(t h1-t h2) = m c[C pl(t s-t c1)+r+C pv(t c2-t s)]（5-6）

式中ts为冷流体的饱和温度，℃。

如果在换热器中存在热损失，则在换热器中的传热速率为

Q = m h(H h1-H h2)-Q h'= m c(H c1-H c2)-Q c'（5-7）

式中Q'h为热流体对环境的散热量，W；Q'C为冷流体对环境的散热量，W。

5.2.2 传热速率方程

对于间壁式传热，上一章已经分别介绍了通过固体的热传导方程和对流传热速率方程，然而在应用这些方程进行传热计算时，都需涉及壁面的温度，而壁面温度通常是未知的。为了避免在传热速率方程中出现未知的壁面温度，在实际的传热过程计算中，通常采用以间壁两侧流体的温度差为推动力的总传热速率方程，简称传热速率方程。

如图5-2所示，在换热器中，任取一微元段dl，对应于间壁的微元传热面积dAo，热流体对冷流体传递热量的传热速率可表示为

（5-8）

式（5-8）称为微分传热速率方程。式中K'表示局部传热系数，W/（m2·℃）；th、tc分别为热流体和冷流体的局部平均温度，℃。因为上式仅针对换热器的dl段列出，故式中各量均具有局部的性质。

由于换热器内的冷、热流体的温度和物性是变化的，因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数都是变化的，但在工程计算中，在沿程温度和物性变化不是很大的情况下，通常传热系数K和传热温差Dt均可采用整个换热器上的积分平均值，因此，对于整个换热器，传热速率方程可写为

Q = KΔt m A（5-9）

式中K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传热系数，W/（m2·℃）；A为换热器的总传热面积；tm表示冷热流体的平均传热温差，℃。

由传热热阻的概念，传热速率方程还可以写为

（5-10）

式中R=1/KA为换热器的总传热热阻，℃/W。

5.2.3 总传热系数与壁温计算

总传热系数K是反映换热器传热性能的重要参数，也是对换热器进行传热过程计算的基本依据。它可以通过查阅相关手册、实验测定和分析计算获得。总传热系数K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件和换热器的类型等多方面因素。

一、总传热系数的计算

如图5-2所示，设两流体通过间壁进行换热。在换热器中任取一微元段dl，间壁内、外侧的传热面积分别为dAi和dAo。壁面的导热系数为l，壁厚为b。内、外侧流体的温度分别为th和tc，对流传热系数分别为ai和ao。间壁内侧、外侧的温度分别为twh和twc。

根据牛顿冷却定律和傅立叶定律，有

式中dAm为间壁的平均导热面积，m2。

在稳态条件下，由热流体到冷流体的传热过程中，各个环节的传热速率处处相等，即

dQ i= dQ m= dQ o= dQ （5-12）

利用式（5-11）和（5-12），可得