2-5 综合传热
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也可利用图2-74（P154）计算。
例2-20 见教材。
8
（2）器壁为圆筒壁（利用管道最外壁温度来计算）
ql 1(tw1 t1) d 1
也可利用图2-76（P155）计算。
9
2.5.2 换热器及传热计算
热流体
换热器：实现热量交换的设备，热量从高 温流体传递到低温流体。
换热器是工艺过程必不可少的单 元设备，广泛用于石油、化工、 轻工、制药、食品、机械、冶金、 动力等工程领域中。 冷流体
1 1
26
2) 综合传热系数的计算 对于平壁而言
K
1 1 n i 1 a1 i 1 i a 2
由于综合传热系数要受到温度的影响，一般都采用
换热器的起始端和最终段的综合传热系数的算术平 均值来计算：
K1 K 2 K 2
27
3） 平均温度差的计算
t1 t2 tav t1 ln t2
13
（2）按传热面形状和结构分
1）管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形 式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热 器、翅片式换热器等。应用最广。 2）板式换热器 通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可 分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。 3）特殊形式换热器 根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。 如回转式、热管、同流式换热器等。
q
(t 2 t1)
i 1 1 i 1 i 2
1
n
i 1 Rt 1 2 i 1 i
1
n
7
预先确定α2和t2 较为困难，通常不用窑内气体的温度， 而用窑墙外壁温度来计算散热量：
q 1(tw1 t1)
Tw1 4 T1 4 4.54( ) ( ) 100 100 1 Aw 4 tw1 t1 + tw1 t1
dQ=K(t1-t2)dF
Q K tavF
K－综合传热系数，W/(m2.℃) t1－换热器任一截面上热流体的平均温度，℃ t2－换热器任一截面上冷流体的平均温度，℃ Δtav-整个换热面的平均温差，℃
24
换热器设计计算一般有三个目的：
根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定 换热器的传热面积；
到将热量传向冷流体的目的。
适于高温气体热量的回收或冷却。 如回转式空气预热器。
热流体 冷流体
12
3）间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热 流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。 本章介绍此类换热器。 适于冷、热流体不允许混和的场合。 如各种管壳式、板式结构的换热器。
10
2.5.2.1 换热器的分类
（1）按作用原理分 1）直接接触式换热器(混和式换热器) 冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点 是结构简单，传热效率高。 适于冷、热流体允许混和的场合。 如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等
11
2）蓄热式换热器(蓄热器)
热流体
冷流体
冷热流体交替流过一换热面，达
适用于逆流和顺流式换热器
Δt1 、Δt2 －换热器进出口流体温度差，℃ Δtav－平均温度差，℃
t1 2 如果流体的温度沿换热面变化不大，当 t2
时
可利用下式进行计算：
1 tav (t1 t2 ) 2
28
例2-10 在列管式换热器中，热流体在管外由300℃被冷却到 200℃，冷流体在管内从120℃被加热到180℃，计算并逆 流时的传热平均温差。 解：并流时 逆流时 300℃－－－－→200℃ 300℃ －－－－→ 200℃ 120℃－－－－→180℃ 180℃ －－－－→ 120℃ Δt1=180℃， Δt2=20℃ Δt1=120℃， Δt2=80℃
1）高温流体与平壁内表 面之间的对流换热和辐 射换热； 2）平壁内部的导热；
3）平壁外表面与低温流 体之间的对流换热和辐 射换热。
4
如果传热是稳态传热，即热流不变：
q 2(t 2 tw2)
q (tw 2 tw1) q 1(tw1 t1)
q
1 1 2
21
2）喷淋式蛇管换热器
• 将蛇管成排地固定在支架上，冷却水由最上层管的 喷淋装臵中均匀淋下，沿管表面流过，与管内热流 体换热。其优点是传热效果较沉浸式好，传热面积 大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷淋不 易均匀。 • 主要用于管内流体的冷却，常设臵在室外空气流通 处。 22
（３）套管式换热器
t1 t4
5.单层圆筒壁的稳态导热
t1 t2 t1 t2 Q r2 1 R ln 2l r1
31
6.对流换热、层流、湍流的概念 7.对流换热的基本定律——牛顿冷却定律 8.边界层及其特点
q (tw tf )
9.准数的物理意义： Nu、 Re、 Pr、 Gr
10.无限空间中的自然对流换热 11.沸腾与冷凝换热的特点
t m,并
180 20 72.8 ℃ 180 ln 20
t m,逆
120 80 98.7 ℃ 120 ln 80
29
第二章 重点
1.传热的三种基本方式及其各自的特点 2.热传导基本定律 —— 傅立叶定律 3.单层平壁的稳态导热：
导热系数λ为常数： 导热系数λ不为常数：
t 1
确定器壁的温度，以便选择换热器的材料；
通过阻力计算，确定流体阻力，以便选择通风机。
25
（1）传热面积的计算
Q F K tav
1）传热量Q的计算 传热量可以从高温流体或低温流体在换热器进 出口端的温度变化来计算。
先求Q、Δtav、K。
Q G1(C1''t1'' C1't1' )
G1 —— 低温流体的质量流量，kg/s t1' t1''—— 分别为低温流体进出口温度，℃ ℃ c' c''—— 分别为低温流体进出口温度时的比热，J/kg·
32
12.热辐射的特点
13.黑体、黑度、灰体的概念 14.斯蒂芬-波尔茨曼定律 15.角系数的概念及性质 16.投射辐射、有效辐射的概念 17.两个物体均为无限大平行平板灰体表面的辐射换热 18.遮热板的主要作用 19. 一种流体通过器壁将热量传递给另一种流体（器壁为平壁）
33
第一章 重点
34
16
根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为三种形式： 1）固定管板式换热器
1.挡板 2.补偿圈 3.放气嘴
它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简 单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难， 管外物料应清洁、不易结垢 。
17
2）浮头式换热器
1.管程隔板 2.壳程隔板 3.浮头
• 它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体 固定连接，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但可完 全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从 壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用 较为普遍。
18
3）U型管式换热器
1.U形管 2.壳程隔板 3.管程隔板
• 它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的 两侧，管板用隔板分成两室。这种结构使得每根管子 可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了 热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压， 但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径， 故管板的利用率低。
• 将两种直径不同的直管制成同心套管，根据换热要求将 若干段套管连接组合而成。
其优点是结构简单，能耐高压，传热面积易于增减；缺点 是设备结构不紧凑，金属耗用量大，一般用于换热量不大 的场合。
23
2.5.2.3 换热器的传热计算
通过换热器中任一微元面积dF的间壁两侧流体的传热 速率方程，可仿照对流传热速率方程写出，即：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ14
（3） 按流体流动方向不同分
1）顺流式
1 2
（1）
两种流体平行流动且方向相同；
2）逆流式 两种流体平行流动且方向相反； 3）错流式 两种流体交叉流动
1 2
（2）
2 1
（3）
4）复合流动
15
2.5.2.2换热器的结构形式
（1）列管式换热器(管壳式换热器) 它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大 (40 ～ 150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其 适用于高温、高压和大型装臵中，是管式换热器中应用 最普遍的换热器。 在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管 束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现 差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设 备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。 因此当两流体的温度差超过50℃时，就应从结构上考虑 热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。
1
(t 2 t1)
2 c2 R2 1 c1 R1
对流辐射换热系数
5
q
1 1 2
1
(t 2 t1)
综合传热系数
K
外热阻
1 1 2
1
1
总热阻：
1 1 1 Rt K 1 2
内热阻
6
对于多层平壁：
硅酸盐工业热工基础
第二章 传热原理
1
2.5 综合传热
综合传热：几种基本传热方式同时起作用的过程。
窑内气体通过窑墙壁向周围空间的散热；
换热器内烟气与空气之间的换热； 窑炉内火焰与物料之间的换热等。
2
2.5.1 一种流体通过器壁将热量传递给另一种流体
（1）器壁为平壁 （2）器壁为圆筒壁
3
（1）器壁为平壁 传热过程分为三步：
19
20
（２）蛇管式换热器
1）沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯绕而成，或制成 适应各种容器需要的形状，沉浸在 容器中。两种流体分别在管内外流 动通过蛇管表面进行换热。其优点 是结构简单，制造方便，能承受高 压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是 容器内液体湍动程度低，管外对流 传热系数小，传热效果可通过增设 搅拌提高，此外传热面积有限，主 要用于传热量不大的容器中。
t t1
t1 t2
x
(
1
t1)
2
2qx
0
q (t1 t2 ) t
q
0[1
30
(t1 t 2) ] av 2 (t1 t 2) t
4.多层平壁的稳态导热
q
1 2 3 1 2 3
例2-20 见教材。
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（2）器壁为圆筒壁（利用管道最外壁温度来计算）
ql 1(tw1 t1) d 1
也可利用图2-76（P155）计算。
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2.5.2 换热器及传热计算
热流体
换热器：实现热量交换的设备，热量从高 温流体传递到低温流体。
换热器是工艺过程必不可少的单 元设备，广泛用于石油、化工、 轻工、制药、食品、机械、冶金、 动力等工程领域中。 冷流体
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2) 综合传热系数的计算 对于平壁而言
K
1 1 n i 1 a1 i 1 i a 2
由于综合传热系数要受到温度的影响，一般都采用
换热器的起始端和最终段的综合传热系数的算术平 均值来计算：
K1 K 2 K 2
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3） 平均温度差的计算
t1 t2 tav t1 ln t2
13
（2）按传热面形状和结构分
1）管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形 式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热 器、翅片式换热器等。应用最广。 2）板式换热器 通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可 分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。 3）特殊形式换热器 根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。 如回转式、热管、同流式换热器等。
q
(t 2 t1)
i 1 1 i 1 i 2
1
n
i 1 Rt 1 2 i 1 i
1
n
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预先确定α2和t2 较为困难，通常不用窑内气体的温度， 而用窑墙外壁温度来计算散热量：
q 1(tw1 t1)
Tw1 4 T1 4 4.54( ) ( ) 100 100 1 Aw 4 tw1 t1 + tw1 t1
dQ=K(t1-t2)dF
Q K tavF
K－综合传热系数，W/(m2.℃) t1－换热器任一截面上热流体的平均温度，℃ t2－换热器任一截面上冷流体的平均温度，℃ Δtav-整个换热面的平均温差，℃
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换热器设计计算一般有三个目的：
根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定 换热器的传热面积；
到将热量传向冷流体的目的。
适于高温气体热量的回收或冷却。 如回转式空气预热器。
热流体 冷流体
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3）间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热 流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。 本章介绍此类换热器。 适于冷、热流体不允许混和的场合。 如各种管壳式、板式结构的换热器。
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2.5.2.1 换热器的分类
（1）按作用原理分 1）直接接触式换热器(混和式换热器) 冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点 是结构简单，传热效率高。 适于冷、热流体允许混和的场合。 如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等
11
2）蓄热式换热器(蓄热器)
热流体
冷流体
冷热流体交替流过一换热面，达
适用于逆流和顺流式换热器
Δt1 、Δt2 －换热器进出口流体温度差，℃ Δtav－平均温度差，℃
t1 2 如果流体的温度沿换热面变化不大，当 t2
时
可利用下式进行计算：
1 tav (t1 t2 ) 2
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例2-10 在列管式换热器中，热流体在管外由300℃被冷却到 200℃，冷流体在管内从120℃被加热到180℃，计算并逆 流时的传热平均温差。 解：并流时 逆流时 300℃－－－－→200℃ 300℃ －－－－→ 200℃ 120℃－－－－→180℃ 180℃ －－－－→ 120℃ Δt1=180℃， Δt2=20℃ Δt1=120℃， Δt2=80℃
1）高温流体与平壁内表 面之间的对流换热和辐 射换热； 2）平壁内部的导热；
3）平壁外表面与低温流 体之间的对流换热和辐 射换热。
4
如果传热是稳态传热，即热流不变：
q 2(t 2 tw2)
q (tw 2 tw1) q 1(tw1 t1)
q
1 1 2
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2）喷淋式蛇管换热器
• 将蛇管成排地固定在支架上，冷却水由最上层管的 喷淋装臵中均匀淋下，沿管表面流过，与管内热流 体换热。其优点是传热效果较沉浸式好，传热面积 大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷淋不 易均匀。 • 主要用于管内流体的冷却，常设臵在室外空气流通 处。 22
（３）套管式换热器
t1 t4
5.单层圆筒壁的稳态导热
t1 t2 t1 t2 Q r2 1 R ln 2l r1
31
6.对流换热、层流、湍流的概念 7.对流换热的基本定律——牛顿冷却定律 8.边界层及其特点
q (tw tf )
9.准数的物理意义： Nu、 Re、 Pr、 Gr
10.无限空间中的自然对流换热 11.沸腾与冷凝换热的特点
t m,并
180 20 72.8 ℃ 180 ln 20
t m,逆
120 80 98.7 ℃ 120 ln 80
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第二章 重点
1.传热的三种基本方式及其各自的特点 2.热传导基本定律 —— 傅立叶定律 3.单层平壁的稳态导热：
导热系数λ为常数： 导热系数λ不为常数：
t 1
确定器壁的温度，以便选择换热器的材料；
通过阻力计算，确定流体阻力，以便选择通风机。
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（1）传热面积的计算
Q F K tav
1）传热量Q的计算 传热量可以从高温流体或低温流体在换热器进 出口端的温度变化来计算。
先求Q、Δtav、K。
Q G1(C1''t1'' C1't1' )
G1 —— 低温流体的质量流量，kg/s t1' t1''—— 分别为低温流体进出口温度，℃ ℃ c' c''—— 分别为低温流体进出口温度时的比热，J/kg·
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12.热辐射的特点
13.黑体、黑度、灰体的概念 14.斯蒂芬-波尔茨曼定律 15.角系数的概念及性质 16.投射辐射、有效辐射的概念 17.两个物体均为无限大平行平板灰体表面的辐射换热 18.遮热板的主要作用 19. 一种流体通过器壁将热量传递给另一种流体（器壁为平壁）
33
第一章 重点
34
16
根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为三种形式： 1）固定管板式换热器
1.挡板 2.补偿圈 3.放气嘴
它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简 单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难， 管外物料应清洁、不易结垢 。
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2）浮头式换热器
1.管程隔板 2.壳程隔板 3.浮头
• 它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体 固定连接，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但可完 全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从 壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用 较为普遍。
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3）U型管式换热器
1.U形管 2.壳程隔板 3.管程隔板
• 它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的 两侧，管板用隔板分成两室。这种结构使得每根管子 可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了 热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压， 但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径， 故管板的利用率低。
• 将两种直径不同的直管制成同心套管，根据换热要求将 若干段套管连接组合而成。
其优点是结构简单，能耐高压，传热面积易于增减；缺点 是设备结构不紧凑，金属耗用量大，一般用于换热量不大 的场合。
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2.5.2.3 换热器的传热计算
通过换热器中任一微元面积dF的间壁两侧流体的传热 速率方程，可仿照对流传热速率方程写出，即：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ14
（3） 按流体流动方向不同分
1）顺流式
1 2
（1）
两种流体平行流动且方向相同；
2）逆流式 两种流体平行流动且方向相反； 3）错流式 两种流体交叉流动
1 2
（2）
2 1
（3）
4）复合流动
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2.5.2.2换热器的结构形式
（1）列管式换热器(管壳式换热器) 它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大 (40 ～ 150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其 适用于高温、高压和大型装臵中，是管式换热器中应用 最普遍的换热器。 在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管 束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现 差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设 备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。 因此当两流体的温度差超过50℃时，就应从结构上考虑 热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。
1
(t 2 t1)
2 c2 R2 1 c1 R1
对流辐射换热系数
5
q
1 1 2
1
(t 2 t1)
综合传热系数
K
外热阻
1 1 2
1
1
总热阻：
1 1 1 Rt K 1 2
内热阻
6
对于多层平壁：
硅酸盐工业热工基础
第二章 传热原理
1
2.5 综合传热
综合传热：几种基本传热方式同时起作用的过程。
窑内气体通过窑墙壁向周围空间的散热；
换热器内烟气与空气之间的换热； 窑炉内火焰与物料之间的换热等。
2
2.5.1 一种流体通过器壁将热量传递给另一种流体
（1）器壁为平壁 （2）器壁为圆筒壁
3
（1）器壁为平壁 传热过程分为三步：
19
20
（２）蛇管式换热器
1）沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯绕而成，或制成 适应各种容器需要的形状，沉浸在 容器中。两种流体分别在管内外流 动通过蛇管表面进行换热。其优点 是结构简单，制造方便，能承受高 压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是 容器内液体湍动程度低，管外对流 传热系数小，传热效果可通过增设 搅拌提高，此外传热面积有限，主 要用于传热量不大的容器中。
t t1
t1 t2
x
(
1
t1)
2
2qx
0
q (t1 t2 ) t
q
0[1
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(t1 t 2) ] av 2 (t1 t 2) t
4.多层平壁的稳态导热
q
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