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第三章 传 热
第3章 传热
Heat transfer
一、 间壁传热过程：
热量:
热流体
冷流体
th
tc
th,w
tc,w
Q
Q
3.3 间壁传热
各部分传热速率方程：
管内侧流体：
管壁导热：
管外侧流体
：对稳态传热
热流体
冷流体
th
tc
th,w
tc,w
Q
Q
式中，K — 总传热系数，W/m2·K。
注意： K 与 S 对应，选Si、Sm 或 S0
式中 Q－－传热速率，W； q－－热通量，W/m2； K－－比例系数，称为传热系数，W/(m2·K)； S－－传热面积，m2； Δtm－－换热器的传热推动力，或称传热平均温度差，K； R=1/(KS)－－换热器的总热阻，K/W； R'=1/K－－换热器的总热阻， m2·K/W。
传热系数K
K — 传热系数，表示换热设备性能的重要参数
K的物理意义:当冷热两流体之间的温度差为1℃时,在单位时间内通过单位传热面积的传热量.
K的来源： 实验测定；
取生产实际的经验数据；
计算求得。
化工过程的传热问题可分为两类：一类是设计型问题，即根据生产要求，选定（或设计）换热器；另一类是操作型问题，即计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者均以传热基本方程为基础。下面以设计型问题为例分析解决传热问题要涉及到的有关内容。
对于一定的传热任务，确定换热器所需传热面积是选择（或设计）换热器的主要任务。由传热方程式可知，要计算传热面积，必须先求得传热速率
Q、传热平均温度差Δtm以及传热系数K，这些项目的求取涉及到热量衡算、传热推动力、各种传热方式的规律等有关理论和计算。
二、热负荷的计算
(一)热负荷与传热速率
1、热负荷：换热器单位时间内冷热流体所交换的热量。
传热速率：单位时间内通过传热面传递的热量。
2、热负荷与传热速率的区别：
热负荷是生产上要求换热器单位时间传递的热量，是换热器的生产任务。传热速率是换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力，主要由换热器自身的性能决定。为保证换热器完成传热任务，应使换热器的传热速率大于至少等于其热负荷。
(二)热量衡算与热负荷的确定
1、热量衡算
以单位时间为基准
Qh=Qc+QL
Qh ——热流体放出的热量，kJ/s或kW
Qc ——冷流体吸收的热量，kJ/s或kW
QL ——热热损失，kJ/s或kW
2、热负荷的确定
若忽略热损失，热负荷取Qh或Qc
若有热损失，哪种流体走管程，就应取哪种流体的传热量作为换热器的热负荷。
3、热负荷的计算方法
（1）焓差法
Qh=qm,h(H1-H2)
Qc=qm,c(h2-h1)
若无热损失， Qh= Qc
0℃的液体的焓为零J/kg
蒸汽的焓取0℃的液体的焓为零J/kg作计算基准。
此法使用时受到限制，有些液体的焓很难查到。
（2）显热法（无相变时）
Qh=qm,hCp,h(T1-T2)
Qc=qmcCp,c(t2-t1)
若无热损失， Qh= Qc
Cp,h、 Cp,c：冷热流体进出口温度范围内的平均比热，亦是进出口平均温度下的比热。
（3）潜热法（有相变）
Qh=qm,hγh
Qc=qm,cγc
若无热损失， Qh= Qc
注意：a.通过上式可计算载热体或冷流体的热量。
b.若有热损失
Q= Qc= Qh+ QL 热损失在热流体一侧
Q= Qh= Qc+ QL 热损失在冷流体一侧
三、传热温度差的计算
当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。
传热平均温度差的大小及计算方法与换热器中两流体的相互流动方向及温度变化情况有关。换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿程升高，故冷热流体温度差在换热器表面各点不同。
换热器中两流体间有不同的流动型式 。
若两流体的流动方向相同，称为并流；若两流体的流动方向相反，称为逆流；若两流体的流动方向垂直交叉，称为错流；若一流体沿一方向流动，另一流体反复折流，称为简单折流；若两流体均作折流，或既有折流，又有错流，称为复杂折流。
当两流体在换热过程中均只发生相变时，热流体温度T和冷流体温度t都始终保持不变，称为恒温传热。
换热器的传热推动力可取任一传热截面上的温度差，即Δtm=T－t。
大多数情况下，间壁一侧或两侧的流体温度沿换热器管长而变化，称为变温传热。变温传热时，各传热截面的传热温度差各不相同。由于两流体的流向不同，对平均温度差的影响也不相同，故需分别讨论。
(1) 恒温传热
两侧流体温度恒定：
(2) 变温传热
①　一侧有温度变化
T
t
②　两侧流体均有温度变化
t1
t2
T1
T2
t1
t2
T1
T2
逆流
并流
说明：
① 逆流：
并流：
②
③　进、出口条件相同时，
工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。
思考:逆流操作的Δtm一定大于并流操作的Δtm
④　一侧流体温度有变化，另一侧恒温时,
1
1
2
1
2
错流和折流
⑤　错流、折流时平均温差
图算法
c）当ε△t值小于0.8时，则传热效率低， 经济上不合理，
操作不稳定。
a）校正系数ε△t可根据R和P两参数从相应的图中查得。
b）温差校正系数ε△t恒小于1。
原因: 换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。
避免措施: 采用多个换热器串联或采用多壳程结构，
换热器个数或所需的壳程数,可用图解法确定。
说明：
th1
tc2
th2
tc1
A
Ns=2
无相变换热器设计计算
变温传热时流体流向的选择
T1、T2、t1、t2 相同时，逆流平均温差大于并流平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。
逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。
在换热器中，若参与换热的两流体都变温，则一般都采用逆流操作，但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。但需要注意，倘若采用逆流代替并流而节省了载热体，则其平均温差就未必仍比并流的大。
例 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）
T1=440℃
T2=320℃
t1=220℃
t2=280℃
Δt1
Δt2
T1=440℃
T2=320℃
t2=280℃
t1=220℃
Δt1
Δt2
解:
Δt1=T1-t1=220℃
Δt2=T2-t2=40℃
Δt1 /Δt2 =5.5>2
并流传热时
对数平均值
算术平均值
只能采用对数平均值
逆流传热
误差为
Δt1=T1-t2=160℃
Δt2=T2-t1=100℃
Δt1 /Δt2 =1.6<2
对数平均值
算术平均值
误差为
采用对数平均值和算术平均值均可
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。
四、传热系数的计算
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
K推导:
根据
得
意义:传热的总热阻,等于间壁两边对流传热热阻与间壁本身导热热阻之和.
当换热器的间壁为单层平面壁时，因Si=So=S，则传热系数为：
若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存时，传热系数为：
式中 Rαi 、 Rαo分别表示壁面两侧污垢热阻系数，m2 K W-1
若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若Si≠So≠S，即传热系数与传热面积对应时：
以管壁内表面为基准：
或
则：
以管壁外表面为基准：
或
则
实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：
圆管中：
平壁：
(2) 污垢热阻 Rdi和 Rdo
污垢热阻影响：使α↓，热流量↓。
污垢热阻取值： 经验数据。
注意：传热系数、污垢热阻的单位。
(3) 壁温计算 忽略污垢热阻，稳态传热时：
结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。
例题 某列管换热器的管束由Φ25mmX2.5mm的钢管（λ=45 W·m-1·K-1）组成，热空气流经管程，冷却水在管外和空气逆流流动。已知管内空气侧的 αi为 50 W·m-2·K-1，管外水侧的 α0为 1000 W·m-2·K-1，试求基于管外表面的传热系数 Ko和基于内表面的传热系数Ki，并比较KoAo和KiAi。
解：
按圆管公式计算时
代入已知数据计算 得
计算结果表明，选取不同的传热表面，计算所得K值不同。
若以内表面为参考 得
对一根管取单位长度有：
例 在上例中，如果管壁热阻可忽略。为提高传热系数，在其它条件不变前提下，将α1、α2提高一倍的效果如何？
解: (1)将α1提高一倍
增加54.1%
(2)将α2提高一倍
增加1.56%
表明，K值接近热阻大一侧的α值，K受α小的一侧流
体所控制。
欲提高K值，应从α小的一侧入手。
分析:
取基准传热面不同,K值不同.
当αi与α0相差较大时,以α小的一侧传热面为基准(一般情况)
当αi与α0相差不大时,以Sm为基准.
当b很小,d较大,即Si≈SO≈Sm
若αi ﹥﹥ α0,λ很大,b很小,K ≈α
五、换热器的选择及传热过程的强化
1．换热器的选择
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。
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。
（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；
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。
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；
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。
在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：
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
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
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。
提高α和λ、降低b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。
（2）增大平均温度差Δtm
增大传热系数K是强化传热过程最有效的途径。
（3）增大传热系数K
①增加湍流程度、减小对流传热的热阻、
提高α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α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α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b.
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。
一单壳程单管程列管式换热器，由长3m ,直径为Φ25×2.5mm的钢管束组成。苯在换热管内流动，流量为1.8kg/s，由80℃被冷却到30℃。冷却水在管外流动，进口温度为20℃，出口温度为50℃。已知水侧和苯侧的给热系数分别为1700W/m2·K和900W/m2·K，苯的比热为1.9kJ/kg·K,钢的导热系数为45 W/m·K，污垢热阻和热损失均忽略不计。试求该列管换热器的管子数目。
一定量的流体在圆形直管内作层流流动，若管长及物性均不变，而管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍。
一单壳程单管程列管式换热器，由204根规格为Φ25×2.5mm的钢管束组成。苯在换热管内流动，流量为1.5kg/s，由80℃被冷却到30℃。冷却水在管外流动，流量为4068 kg/h，进口温度为20℃。已知水侧和苯侧的给热系数分别为1700W/m2·K和900W/m2·K，苯的比热为1.9kJ/kg·K,水的比热为4.2 kJ/kg·K，钢的导热系数为45 W/m·K，污垢热阻和热损失均忽略不计。试求该列管换热器的每根换热管长度。

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