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第五章 传热技术 第一节 传热的主要任务 一、传热在制药生产中的应用 大多数的化学反应都伴随着反应热的释放或吸收（1）（2）蒸发、蒸馏等单元操作伴随着传热过程（3）设备保温 防止热量或冷量的损失 改善劳动条件（4）废热的回收和能量的综合利用 二、传热的基本方式根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：1热传导物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻分子相碰撞，将热能传给温度较低部分的传热方式。其特点：物体中的分子不发生相对位移。12热对流流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 其特点：伴随流体运动，因运动方式不同，又分为 自然对流 强制对流 自然对流：因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移。强制对流：因外力作用，迫使流体的质点沿某个方向流动。3热辐射 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。其特点：不需要任何介质作媒介，它可以在真空中传播 实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式同时出现。本章 重点讨论导热和对流两种传热方式。2三、工业生产上的换热方法参与传热的流体称为载热体 热载热体或加热剂 冷载热体或冷却剂、冷凝剂 冷载热体或冷却剂、冷凝剂 热载热体或加热剂：具有较高温度的放热流体：具有较低温度的吸热流体 冷、热两种流体在换热器内进行热交换，实现热交换的方式有以下三种：1直接接触式换热冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。如图5-1所示利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。如图5-2所示 2蓄热式换热3间壁式换热 参与传热的两种流体被固体间壁隔开，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过 固体间壁进行热量的交换。如图5-3所示 3四、间壁式换热器简介间壁式换热的特点：冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。1套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。2列管式换热器列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。换热管内的通道及与其两端相贯通处称为管程 换热管外的通道及与其相贯通处称为壳程 4流经管程的流体称为管程流体。若管流体一次通过管程，称为单管程 流经壳程的流体称为壳程流体。壳流体一次通过壳程，称为单壳程 五、稳定传热与不稳定传热稳定传热:在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程 不稳定传热:若传热系统中温度分布随时间变化的传热过程 化工生产过程中的传热多为稳定传热，本章只讨论稳定传热 第二节 传热计算 一、传热速率方程传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量。实践证明：两股流体单位时间所交换的热量，与传热面积A成正比，与冷热两种流体的温度差成正比 即 5把上述比例式改写成等式，以 表示比例常数，则得传速率方程式 式中称为传热系数 传热系数的意义是：当温度差为1时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量。显然，值的大小是衡量换热器性能的一个重要指标，值越大，表明在单位传 热面积上在单位时间内传递的热量越多。单位传热面积上的传热速率与传热推动力成正比，与热阻成反比。因此，提高换热器传热速率的途径 为提高传热推动力和降低传热阻力。二、热负荷和载热体用量的计算1热负荷的计算换热器的热负荷：热流体的放热量或冷流体的吸热量 6热负荷与传热速率的区别：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器的要求传热速率是换热器本身的换热能力，是设备的特征一个能满足生产换热要求的换热器，必须使其传热速率等于（或略大于）热负荷。所以，通过计算热负荷，便可确定换热器的传热速率。热负荷的计算有以下三种方法：（1）焓差法 利用流体换热前、后焓值的变化计算热负荷的计算式如下或 焓的数值决定于流体的物态和温度。通常取0为计算基准，规定液体和蒸汽的焓均取0液态的焓为0 J/kg，而气体则取0气态的焓为0 J/kg。7（2）显热法 此法用于流体在换热过程中无相变化的情况。计算式如下 或（3）潜热法 此法用于流体在换热过程中仅发生相变化(如冷凝或气化)的场合。或 2载热体消耗量 当确定了换热器的热负荷以后，载热体的流量可根据热量衡算确定。3载热体的选用 【例题5-1】载热体的选择可参考下列几个原则：载体温度必须满足工艺要求；载热体的温度调节应方便；载热体应具有化学稳定性，不分解；载热体的毒性小，对设备腐蚀性小；载热体不易燃、不易爆；载热体价廉易得。8目前生产中使用得最广泛的载热体是饱和水蒸汽和水（1）饱和水蒸汽 优点：加热均匀、能准确的控制加热温度。缺点：加热温度受到制约。一般水蒸气加热的温度范围在120180，绝对压在200 1000kPa。水蒸汽加热分为直接和间接两种。直接法是将蒸汽用管子直接通入被加热的液体中，蒸汽所含热量可以完全利用，但液体被稀释。间接法是在换热器中进行，加热时必须注意以下两点：要经常排除不凝性气体 要不断排除冷凝水（2）水 是广泛使用的冷却剂。优点：易于获得，价格较低。缺点：水的初温由气候条件决定，一般为425，9：水中含有一定量的污垢杂质，当沉积在换热器壁面上时就会降低换热器的传热效果。冷却水温的确定主要从温度和流速两个方面考虑：水与被冷却的流体之间一般应有535的温度差。冷却水的温度不能超过4050，以避免溶解在水中的各种盐类析出，在传热壁面上形成污垢。水的流速不应小于0.5m/s，否则在传热面上易产生污垢。如果需要把物料加热到180以上，就不用饱和水蒸汽而需要用其他的载热体，这类载热体工业上称为高温载热体；如果把物料冷却到510或更低的温度，就必须采用低温冷却剂。工业上常用的载热体列于表5-1。三、平均温度差 用传热速率方程式计算换热器的传热速率时，因传热面各部位的传热温度差不同，10必须以平均传热温度差 代替 即 的数值与流体流动情况有关。1恒温传热时的平均温度差恒温传热 参与传热的冷、热两种流体在换热器内的任一位置、任一时间，都保持其各自的温度不变，的传热过程。恒温传热时的平均温度差:和流动方向无关。2变温传热时的平均温度差变温传热参与传热的两种流体（或其中之一）有温度变化。变温传热时，其平均温度差的计算方法因流向的不同而异。11（1）单侧变温时的平均温度差 图5-6所示为一侧流体温度有变化，另一侧流体的温度无变化的传热。其温度差的平均值可取其对数平均值，式中取 和为传热过程中最初、最终的两流体之间温度差。在工程计算中，当 时，可近似地采用算术平均值，即 算术平均温度差与对数平均温度差相比较，在 2时，其误差4%。单边变温传热时流体的流动方向对无影响。12（2）双侧变温时的平均温度差 变温传热中，参与热交换的两种流体的流向大致有四种类型，如图5-7所示。并流：两者平行而同向的流动 逆流：两者平行而反向的流动 错流：垂直交叉的流动 折流：一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 变温传热时，其平均温度差的计算方法因流向的不同而异。13 并流和逆流时的平均温度差 错流和折流时的平均温度差 先按逆流计算对数平均温度差，再乘以温度差修正系数，即 各种流动情况下的温度差修正系数，可以根据和两个参数查图5-814由于 的值小于1，故折流和错流时的平均温度差总小于逆流。四、传热系数的测定和经验值 传热系数值的来源有以下三个方面。1现场实测 2采用经验数据3计算法 见表5-2。传热系数的计算公式可利用串联热阻叠加原则导出。对于间壁式换热器，如图5-9所示，两流体通过间壁的传热包括以下过程：（1）热流体在流动过程中把热量传给间壁的对流传热；（2）通过间壁的热传导；（3）热量由间壁另一侧传给冷流体的对流传热。15传热过程的总阻力应等于两个对流传热阻力与一个导热阻力之和。第三节 热传导是传热总阻力的倒数，故可通过串联热阻的方法计算总阻力，进而计算值 一、导热基本方程和热导率（导热系数）1热传导方程式（导热基本方程）如图5-10所示。均匀材料构成的平壁，且实践证明：单位时间内物体以热传导方式传递的热量与传热面积成正比，与壁面两侧的温度差（）成正比，而与壁面厚度成反比，即 引入比例系数，则得 称为热传导方程式，或傅里叶定律 162热导率（导热系数）比例系数称为热导率（又称导热系数）W/（mK）或 W/（m)导热系数的意义是：当间壁的面积为1 m2，厚度为1 m，壁面两侧的温度差为1时，在单位时间内以热传导方式所传递的热量。显然，导热系数值越大，则物质的导热能力越强。各种物质的导热系数通常用实验方法测定。一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。17（1）固体的导热系数 表5-3为常用固体材料的导热系数。金属是良导电体，也是良好的导热体。非金属建筑材料或绝热材料（又称保温材料）的导热系数与物质的组成、结构的致密程度及温度有关。通常值随密度的增加而增大，也随温度的升高而增大。（2）液体的导热系数表5-4列出了几种液体的导热系数。一般，纯液体的导热系数比其溶液的导热系数大。（3）气体的导热系数 表5-5列出了几种气体的导热系数。气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热和保温。18二、通过平壁的稳定热传导 1单层平壁的热传导 把上式改写成下面的形式=式中温度差 是导热过程的推动力 而=，为单层平壁的导热热阻。2多层平壁的热传导 以三层壁为例，如图5-11所示 三种不同材质构成的多层平壁截面积为，各层的厚度为1，2和3，19各层的导热系数 为1，2和3，若各层的温度差分别为，和 则三层的总温度差 稳定传热，各层的传热速率相等，下式的关系成立结论：多层平壁的导热的总推动力等于各层导热的推动力之和；多层平壁的导热的总热阻等于各层导热的热阻之和。该式还可变形为下式20结论：在多层平壁导热中，推动力大的壁面其热阻也大。壁面温度的计算：由 得 同理：三、通过圆筒壁的稳定热传导 1单层圆筒壁的热传导圆筒壁导热与平壁导热区别：平壁导热面积为定值；圆筒壁导热面积随半径发生变化。21假设：圆筒壁传热面积采用导热面积的平均值则圆筒壁的热传导可仿照平壁的热传导来处理，即：式中 带入上式得：圆筒内壁半径，m；圆筒外壁半径，m；圆筒壁的平均半径，m；圆筒长度，m。当时，22单层圆筒壁的导热热阻为：2多层圆筒壁的热传导三层圆筒壁，其公式为：第四节 对流传热 一、对流传热方程1对流传热分析冷热两个流体通过金属壁面进行热量交换时，由流体将热量传给壁面或者由壁 23面将热量传给流体的过程称为对流传热（或给热）。对流传热是层流内层的导热和湍流主体对流传热的统称。图5-14是表示对流传热的温度分 布示意图，由于层流内层的导热热 阻大，所需要的推动力温度差就比 较大，温度曲线较陡，几乎成直线 下降；在湍流主体，流体温度几乎 为一恒定值。一般将流动流体中存 在温度梯度的区域称为温度边界 层，亦称热边界层。2对流传热方程实践证明：在单位时间内，以对流24传热过程传递的热量与固体壁面的面积成正比；与壁面温度和流体主体平均温度差成正比。热流体一侧：冷流体一侧：T、流体主体的平均温度，。单位时间内以对流传热方式传递的热量，W；A面积，m2；壁面两侧的温度，；引入比例系数,上式可写成：对流传热系数（或给热系数）。单位：W/(m2)。又：=则对流传热过程的热阻 为：25二、对流传热系数 1影响对流传热系数的因素 的物理意义是，流体与壁面温度差为1时，在单位时间内通过每m2以对流方式 所传递的热量。值表示对流传热的强度。故，对流传热的速率。（1）流体的种类 液体、气体和蒸汽；（2）流体的物理性质 密度、黏度、导热系数和比热容等；（3）流体的相态变化 在传热过程中有相变发生时的值比没有相变发生时的值大得多；（4）流体对流的状况 强制对流时值大，自然对流时值小；（5）流体的运动状况 湍流时值大，层流时值小；26（6）传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度等。2对流传热系数 由于影响对流传热系数的因素太多，目前工程计算中采用理论分析与实验 相结合的方法建立起来的经验关联式，即准数关联式。常用的准数及物理意义列于 表5-6中。在应用准数关联式时，应注意三个方面：应用范围 特征尺寸 定性温度 介绍常用的对流传热系数关联式来说明关联式的应用。（1）流体在圆形直管内强制湍流无相变发生时适用于气体或低黏度(小于2倍常温水的黏度)液体 或 27当流体被加热时，当流体被冷却时，应用范围：，0.7120 若 60，则需进行修正。将上式求得的值乘以大于1的修正系数，即 特征尺寸：管内径。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。（2）流体有相变化时的对流传热系数 蒸汽的冷凝：当饱和蒸汽与温度较低的固体壁面接触时，蒸汽将放出大量的 潜热，并在壁面上冷凝成液体。蒸汽冷凝的两种方式：膜状冷凝 珠状冷凝 28膜状冷凝壁面上形成一层完整的液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行。珠状冷凝冷凝液在壁面上形成珠状，液滴自壁面滚转而滴落，蒸汽与重新露 出的壁面直接接触。当蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低60%左右。一般换热设备中的冷凝可按膜状冷凝考虑。冷凝的传热系数一般都很大，如水蒸汽作膜状冷凝时的传热系数通常为500015000 W/(m2)。因而传热壁的另一侧热阻相对地大，是传热过程的主要矛盾。因此冷凝器应装有放气阀，以便及时排除不凝性气体。液体的沸腾 由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，影响液体沸腾的因素很多，最 重要的是传热壁与液体的温度差。现以常压下水沸腾的情况为例，说明对流传热的情况。29沸腾曲线：a)自然对流阶段当温度差较小时(AB段)，在加热表面上有少量的汽化核心，加热面附近的液层受到的扰动不大，传热主要以自然对流方式进行。随的增大而略有增大。此阶段称为自然对流区。b)核状沸腾阶段当逐渐升高时（BC段），在加热面上产生的汽化核心数目增加，由于这些蒸气泡的产生、脱离和上升使液体受到剧烈的扰动，使随的 增大而迅速增大，在C点处达到最大值。此阶段称为核状沸腾。C点的温度差称为临界温度差。30c)膜状沸腾阶段当继续增大时（CD段），气泡形成的过快，加热面逐渐被气泡覆盖，形成气膜，使得传热过程中的热阻大，开始减小，到达D点时为最小值。此阶段称为 膜状沸腾。d)若在继续增加（DE段），加热面完全被蒸气泡层所覆盖，通过该蒸气泡层的 热量传递是以导热和热辐射方式进行。再度随的增大而增大 一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作，很少发生膜状沸腾。液体沸腾时的值一般都比流体不相变的值大，如果与沸腾液体换热的另一股流体没有相变化，传热过程的阻力主要是无相变流体的热阻，在这种情况下，值不一定要详细计算，例如，水的沸腾值常取5000 W/(m2)。表5-7中介绍了常用流体值的大致范围。31 流体在传热过程中有相变化时的值比较大；在没有相变化时，水的值最大，油类次之，气体和过热蒸气最小。三、设备热损失计算 许多化工设备的外壁温度常高于周围空气的温度，必然会有热量散失于周围环 境中。这部分散失的热量，除有对流传热方式进行外，还有辐射传热的方式。所以，设备损失的热量应等于对流传热和辐射传热两部分之和。所以，总的热量损失为：对于有保温层的设备、管道等，其外壁对周围环境散热的联合膜系数，可 用下列各式进行估算。1空气自然对流时，当150 在平壁保温层外 在管或圆筒壁保温层外 322空气沿粗糙壁面强制对流时 空气流速5m/s时 空气流速5m/s时 为了减少热量（或冷量）的损失和改善劳动条件等，许多温度较高（或较低）的设备和管道都必须进行隔热保温。保温材料的种类很多，应视具体情况加以选用。保温层厚度一般可查有关手册，依经验选用。第五节 传热系数 一、传热系数的计算（串联热阻法）1传热面为平壁33则式分母中的 一项可以写成，则 讨论分析：多层平壁 若固体壁面为金属材料，固体金属的导热系数大，而壁厚又薄，一项与和相比可略去不计，则式还可写成 当时,值接近与热阻较大一项的值。【例题5-8】34 壁面的温度（1）热流体和圆筒壁内壁面间的对流传热(a)（2）通过圆筒壁的热传导(b)（3）圆筒壁外壁面和冷流体间的对流传热(c)壁温总是比较接近值大的那一侧流体的温度。这一结论对设计换热器是很重要的。2传热面为圆筒壁 冷热流体通过圆筒壁的传热过程：35稳定传热：(a)+(b)+(c)得 结论：传热总推动力等于传热各阶段推动力之和；传热总热阻等于传热各阶段热阻之和。若以为传热基准面积，则 称为以外表面积为基准的传热系数。36同理可得 称为以内表面积为基准的传热系数。称为以平均面积为基准的传热系数。由于计算圆筒壁公式复杂，故一般在管壁较薄时，即2可取近似值：简化为使用平壁计算式。二、污垢热阻 生产中的换热设备，因长期使用在固体壁面上常有污垢积存，对传热产生附加 37热阻，使传热系数降低。某些常见流体的污垢热阻的经验值可查表5-8。间壁两侧流体间传热总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁热阻之和。若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为和，根据串联热阻叠加原则，第六节 换热器 一、间壁式换热器的类型 按照换热面的形式，间壁式换热器主要有管式、板式和特殊形式三种类型。1管式换热器（1）蛇管式换热器 沉浸式换热器 喷淋式换热器 38沉浸式换热器 如图5-16a所示，是将蛇管沉浸在容器内，盘管内通入热流体，管外通过冷却水进行冷却或冷凝；或者用于加热或蒸发容器内的流体。优点：结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造，适用于传热量不太大的场合。缺点：管外对流传热系数小。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器 内液体作强制对流。喷淋式换热器 5-17所示，主要用作冷却器。优点：便于检修和清洗；缺点：喷洒不易均匀，体积庞大，占地面积大。（2）套管式换热器 如图5-18所示 39（3）列管式换热器其构造主要由管束、管板（花板）、壳体和封头三部分组成。形成了管内和管外两个空间，封头与管板之间的分配室空间。管束的表面积就是传热面积。固定管板式 图5-20、图5-21、图5-2所示是三种不同结构的列管式换热器。所谓固定管板是将安装着管束的两块管板直接固定在外壳上。一般来说，传热管与壳体的材质不同，在换热过程中由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大，就可能由于过大的热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂。因此，当两流体的温度差超过50时，就应采取热补偿的措施。具有补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器 这种补偿方法简单，但不宜应用于两流体温度差较大和壳程压力较高的场合。40 U型管式换热器 如图5-21所示，由于管子弯成U型，U型传热管的两端固定在一块 管板上，因此每根管子都可以自由的伸缩。而且整个管束可以拉出壳外进行清洗，但管内的 清洗比较困难，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。41浮头式换热器 图5-22是浮头式换热器，由于一端管板不与壳体固定，是浮头结构，当管子受热或冷却时，管束连同浮头可以自由伸缩。而且管束还可以从壳体中抽出，不仅管 外可以清洗，管内也可以清洗。浮头式换热器的构造较为复杂，与其他形式的换热器相比造 价较高，但目前仍是应用最广泛的换热器。列管换热器中，一般管内空间容易清洗，故不清洁和易结垢的流体走管内，还 有腐蚀性流体、高压流体和高温等流体走管内。但是，蒸汽、沸腾液体走壳方，对 于这种场合壳方不需要挡板。2板式换热器这类换热器一般不能承受高压和高温，但对于压力较低、温度不高或腐蚀性 强而须用贵重材料的场合，各种板式换热器都显示出更大的优越性。（1）夹套式换热器 如图5-25所示。（2）螺旋板式换热器 图5-26所示。42 3特殊形式的换热器（1）翅片式换热器度，从而使传热过程强化。在传热面上加装翅片的措施不仅增大了传热面积，而且增强了流体的扰动程 翅片式换热器有翅片管式换热器和板翅式换热器两类。翅片管式换热器 如图5-27所示。板翅式换热器 如图5-29所示。（2）热管换热器 热管是一种新型换热元件。最简单以某种工作液体，然后将两端封闭。的热管是在抽出不凝气体的金属管内充如图5-31所示。43二、换热器的运行操作1换热器开车前应检查压力表、温度计、液位计以及相关阀门是否正常。2输送加热蒸汽前，先打开冷凝水排放阀门，排出积水和污垢；打开放空阀，排出及其他不凝性气体。3换热器开车时，要先通入冷流体，缓慢或数次通入热流体，做到先预热、后加热，忌骤冷骤热。开、停换热器时，不要将阀门开的太猛，否则容易造成管子和壳冲击，以及局部骤然涨缩，产生热应力，使局部焊缝开裂或管子连接口松4若进入换热器的流体不清洁，需提前过滤、清除，防止堵塞通道。5换热器使用期间，需要巡回检查冷、热流体的进、出口温度和压力，控制在正常指标内。6定期分析流体的成分，以确定换热器有无内漏，以便及时处理。空气切体受到动、脱落。工艺 447巡回检查换热器的阀门、封头、法兰连接处有无渗漏，以便及时处理。8换热器定期进行除垢、清洗。三、换热器常见故障与处理方法列管换热器的常见故障及其处理方法见表5-9板式换热器的常见故障及其处理方法见表5-10 四、传热过程的强化途径 所谓强化传热过程，就是指提高冷、热流体间的传热速率。1增大传热面积2增大平均温度差3增大传热系数要提高值，就必须减小对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻。由于各项热阻所 占比重不同，故应设法减小其中起控制作用的热阻。根据对流传热过程分析，对流传热的热阻主要集中在靠近管壁的层流边界层 45上，减小层流边界层的厚度是减小对流传热热阻的主要途径，通常采用的措施有（1）提高流速 （2）增强流体的人工扰动，强化流体的湍动程度。（3）防止结垢和及时清除垢层，以减小污垢热阻。五、列管式换热器设计或选用时应考虑的问题1流体流经管程或壳程的选择原则2流体流速的选择3流体进、出口温度的确定 4提高管内膜系数的方法多程 5提高管外膜系数的方法装置挡板 6管子的规格和管间距46