第三章 传热过程第三讲

③作出适当选择，并计算对数平均温度差；
④选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选 适当型号的换热器； ⑤核算总传热系数； ⑥估算传热面积。
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2．传热过程的强化 传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器 单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小 体积的换热器完成一定的传热任务。 强化传热过程的主要途径有三条。 （1）增大传热面积A
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式中QL—换热器的热负荷，kJ· s-1；
c p , h , c p ,c
—分别指热、冷流体的比定压热容，kJ· kg-1· K-1；
T1 , T2 , t2 , t1 —分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口
温度，K。 若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝同温 度冷凝液时：
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tm
t1 t2
t1 t 2
Δt2=T2-t1=100℃
Δt1 /Δt2 =1.6<2
127.7 o C
计算结果表明: 在相同情况下，逆流传热的平均温度差大于并流传
热的平均温度差，这意味着采用逆流传热要比并流
传热相应减少传热面积或载热体使用量。
Q KAt
t
1 1 A1
bA 21A2
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当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A， 则传热系数为：
K
1
b 1 1 2 1
若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若 A1≠A2≠A，即传热系数与传热面积对应时：
KA
1
1 1 A1 b 1 A 2 A2 m
Δt1=T1-t2=160℃
tm
t1 t2
t1 t 2
105.6o C
只能采用对 数平均值
对数平均值
ln t1 t 2 采用对数平均值和 算术平均值 tm 130 o C 算术平均值均可 2 tm tm 0.018 t1 / t2 2 误差为 tm
（2）定态变温传热（换热器常见情况）
定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温 度沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差Δt沿换 热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。
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工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流。
图分别为逆流和并流传热时Δt随换热器壁面位置的变化图
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T1
热 冷
T2
t1
t2
并流
T1 t2
热 冷
T2
t1
逆流
t1 T1 t1 t2 T2 t2
t1 T1 t2
t2 T2 t1
tm
t1 t2 ln
t1 t 2
Q KAtm
t1 t 2 当 t1 / t2 2 用算术平均值 t m 2
T t 或 Q 1 b 1 1 A1 A 2 A2
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间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面 的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性
t Q R
i i
t 总推动力 R 总阻力
3. 传热系数K
t Q KAt 1 KA
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K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要 取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的 类型等。 化工中常见传热过程的K值范围
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例题：某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为 1.0m，釜壁铜板厚8mm（λ=50W·m-1· K-1）若釜内壁面结有垢层 厚2mm（Rh1=0.002 W-1· m2 · K）夹套中用115℃的饱和水蒸气进 行加热（1＝9000 W· m-2· K-1），釜内有机物温度为80℃（2＝ 250 W· m-2· K-1）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分 率。
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T1=440℃ Δt1 t2=280℃
T2=320℃ Δt2 t1=220℃
t2=280℃
Δt2=T2-t2=40℃
对数平均值
逆流传热
ln t1 t 2 算术平均值 tm 130 o C 2 tm 误差为 tm 0.231 t1 / t2 2 tm
解：因反应釜内径1.0 m与外径1.16 m相差不大，可近 2 时： A 1.0 m 似地当作平面壁来处理.取传热面积为
求得
1
1
1.110
4
W-1· m2· K
1 1.6 10 4 W-1· m2· K 1
1
m2· K Rh1 2 103 W-1·
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Q
Q

Q
Q Q W
Q
QL W r
W
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例题：硫酸生产中 SO2的转化系统，用转化气在外部列管换 热器中预热 SO2气体。若转化气温度由440℃降至320℃，SO2气 体由220℃被加热至280℃，试求并流传热和逆流传热的平均温 度差，并作比较，选定推动力较大的传热流向（设两气体进出 口温度在并、逆流时相同） 解: T1=440℃ T2=320℃ Δt2 Δt1 t1=220℃ 并流传热时 Δt1=T1-t1=220℃ Δt1 /Δt2 =5.5>2
增大间壁式换热器传热面积A，可提高过程的传
热速率。但增大A，设备投资费用增大。改进传热面
结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型
换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热 面积增大的效果。
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（2）增大平均温度差Δtm 当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获
得较大的Δtm，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋 板换热器实现Δtm的增大。 （3）增大传热系数K 增大传热系数K是强化传热过程最有效的途径。 1 1 1 K h1 h2 提高和λ、降低δ都能使K值增大。提高K值的具 体办法，可以从以下几个方面考虑。
⑤饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；
⑥粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低 Re（Re ＞100）达到湍流； ⑦需冷却的流体一般选壳程，便于散热。
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在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有： ①流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物 性数据； ②由传热任务计算热负荷；
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§ 3-5 换热器的选择及传热过程的强化
1．换热器的选择 换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定 合适的换热器类型和规格的过程。 换热器的选择首先要考虑以下事项。
（1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。
①冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等； ②冷、热流体的物性参数； ③冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。
QL Wh r Wc c p,c t2 t1
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2．传热总方程 如图，传热过程是热流体给 热→间壁导热→冷流体给热 的串联过程。 换热器内进行的大都是定态 传热过程：
Q T Tw
1 1 A1

Tw t w
b A

tw t
1 2 A2
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①增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高h值。
a．提高流体流速、增加湍流程度、减小滞流底层厚度，可有 效地提高无相变流体的值。 b．改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过 程中不断改变流动方向，提高湍流程度。
②尽量选择大的流体给热状态。例如，有相变的蒸 气冷凝维持在滴状冷凝状态等。 ③提高λ、降低δ。 a．尽量选择λ较大的载热体； b．换热器金属壁面一般较λ值大，热阻小；但污垢层 热阻很大，应防止或减缓垢层形成并及时清除之。 提高K值的途径在具体实施时要综合考虑。
②流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合
QL=W· cp(t2-t1)
式中cp——流体的比定压热容，kJ· kg-1· K-1； t1，t2——流体传热前后的温度，K；
（2）热量衡算 若换热器中两种流体无相变化，且流体的定压比热不随温度变 化或可取平均温度下的定压比热时：
QL Wh c p,h T1 T2 Wc c p,c t2 t1
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（2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。 如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原 则确定。 ①不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；
②需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程； ③腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束； ④压力高的流体走管程，管子耐压性好；
1 K RA
得 K=159 W· m-2· K-1 kW· m-2
反应釜的面积热流为 q K t 5.58
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冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个 换热过程的温度差。
4．传热过程的平均温度差
（1）定态恒温传热
定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁 面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热 面处处相等，恒定不变。
2
4 103 W-1· m2· K
7
3 1 -1· R 6 . 27 10 传热总阻力为：R 1 W K h 1
1 1 1 2
计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物这一侧， 其中垢层热阻占总热阻的31.9%，有机物热阻占63.8%； 而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的1.75%和 2.55%。