《第四章传热》PPT课件.ppt

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1、2 2 传热的目的传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。保温，以减少热损失。问题：提高或降低温度的方法问题：提高或降低温度的方法 明火或电加热、通风、水冷、两流体换热等明火或电加热、通风、水冷、两流体换热等典型换热设备：典型换热设备： 间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备）间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备） 例：列管式换热器例：列管式换热器3、本章研究的主要问题本章研究的主要问题1 1）三种传热机理）三种传热机理（传热速率计算）（传热速率计算）2 2）换热器计算）换热器

2、计算3 3）换热设备简介）换热设备简介4.1.14.1.1传热的基本方式传热的基本方式 根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。热传导、热对流和热辐射。 1 1热传导热传导 热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。起的热量传递。热传导的条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温热传导的条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差。度差。 热能从物体的温

3、度较高部分传到温度较低部分。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。 热传导存在于静止物质内或垂直于热流方向的层流底层中。热传导存在于静止物质内或垂直于热流方向的层流底层中。金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰撞传递热量。气体：分子的不规则运动而引起依靠原子、分子碰撞传递热量。气体：分子的不规则运动而引起的。的。2 2热对流热对流 热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的 传递热量的方式。传递热量的方式。热对流过程中往往伴

4、有热传导。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型：对流类型：强制对流强制对流：流体的运动是由于受到外力的作用：流体的运动是由于受到外力的作用 ( (如风机、水泵或其它外界压力等如风机、水泵或其它外界压力等) )所引起；所引起； 自然对流：自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分的流体的运动是由于流体内部冷、热部分的 密度不同而引起密度不同而引起工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热。 3 3热辐射热辐射热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结

5、果。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结果。方向：高温方向：高温 低温低温热辐射的电磁波波长范围热辐射的电磁波波长范围0.380.38100m100m，可见光和红外线范围。，可见光和红外线范围。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。4.1.2 传热过程中热冷流体（接触）热交换的方式传热过程中热冷流体（接触）热交换的方式1 直接接触式换热和混合换热器直接接触式换热和混合换热器 P207 图图4-1直接接触式换热方式优点：传热效果好，设备结构简单。直接接触式换热方式优点：传热效果好，设备结构简单。采用该换热方式的前提是：工艺上允许两种流体相互混合。采用该换

6、热方式的前提是：工艺上允许两种流体相互混合。2 蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热和蓄热器 P207 图图4-2蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖）蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖）换热的方式：热、冷流体交替地流过蓄热器。换热的方式：热、冷流体交替地流过蓄热器。特点：结构简单，可耐高温，但设备体积大，两种流体有一定特点：结构简单，可耐高温，但设备体积大，两种流体有一定的混合。的混合。3 3间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器特点：冷热两流体不直接接触，由管壁隔开。特点：冷热两流体不直接接触，由管壁隔开。 热量传递热量传递：管壁内热流体对流传热管外壁热传导 冷流体对流传热(1)(1)热流体以

7、对流方式将热量传递热流体以对流方式将热量传递到间壁的左侧到间壁的左侧Q Q1 1 (2) (2)热量从间壁的左侧以热传导的热量从间壁的左侧以热传导的方式方式 传递到右侧传递到右侧Q Q2 2 (3) (3)以对流方式将热量从右侧壁面以对流方式将热量从右侧壁面传递给冷流体传递给冷流体Q Q3 3稳态传热：稳态传热：Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 34.1.3 典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器1 套管式换热器套管式换热器2 列管式换热器列管式换热器4.1.4 4.1.4 传热速率与热通量传热速率与热通量传热速率传热速率（热流量）（热流量）Q Q：单位时间内通过传热面的热量。单位时间内通过

8、传热面的热量。表示表示换热器传热的快慢。换热器传热的快慢。热流密度热流密度（热通量）（热通量）q q：是指单位时间内通过单位传热面积的是指单位时间内通过单位传热面积的热量。热量。单位传热面积的传热速率，单位为单位传热面积的传热速率，单位为W/mW/m2 2。 传热阻力传热推动力（温度差）传热速率 RtQRtq4.1.5 4.1.5 稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化。稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化。 连续的化工生产过程大都属于稳态传热。连续的化工生产过程大都属于稳态传热。非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化。非稳态传

9、热：在传热过程中物系各点温度随时间变化。 间歇操作传热过程和开、停车或改变操作参数间歇操作传热过程和开、停车或改变操作参数时的传热过程属于非稳态传热。时的传热过程属于非稳态传热。SQq 4.2 热 传 导4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 1. 1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 温度场：在某一瞬间，物系内所有各点温度分布的总和。温度场：在某一瞬间，物系内所有各点温度分布的总和。 t=f(xt=f(x，y y，z z， ) t) t温度，温度，； x x，y y，zz空间坐标；空间坐标； 时间时间,s,s一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温

10、度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。 t =f(xt =f(x， ) ) 非稳态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。非稳态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。 t=f(xt=f(x，y y，z z， ) )稳态温度场：若温度不随时间而改变。稳态温度场：若温度不随时间而改变。t = f (xt = f (x，y y，z)z) 一维稳定温度场：若温度仅沿一个坐标方向发生变化。一维稳定温度场：若温度仅沿一个坐标方向发生变化。 t = f (x) t = f (x) 等温面等温面 指指：具有相同温度的点组成的面具有相同温度的点组成的面 特点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。特

11、点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。温度梯度温度梯度 指指：沿等温面法线方向的温度变化率沿等温面法线方向的温度变化率 方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直一维的温度场，温度梯度可表示为一维的温度场，温度梯度可表示为 lim0ttgradtnnn dtgradtdx2. 2. 傅立叶定律傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度它表示热传导的速率与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。 QQ传热速率，传热速率，W W； 导热系数，导热系数，W/W/（mKm

12、K） 或或W/W/（mm）；）； SS导热面积，垂直于热流方向的截面积，导热面积，垂直于热流方向的截面积，m m2 2； 负号表示热流方向与温度梯度方向相反负号表示热流方向与温度梯度方向相反 ntSQntq或：ntQSQ ，热传导中， 4.2.2 4.2.2 导热系数导热系数 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 ：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数， W/W/（mKmK）或）或W/W/（mm）。）。 ，导热能力，导热能力。=f(=f(种类种类( (固、液、气固、液、气)

13、 )、组成、结构、温度、压力）、组成、结构、温度、压力）：实验测定。：实验测定。 金属金属非金属非金属 液体液体 溶液溶液 气体气体1. 1. 固体的固体的 金属是最好的导热体。金属是最好的导热体。 纯金属纯金属 合金合金 t t , , 非金属：非金属： t t , , 2. 2. 液体的液体的 金属液体：金属液体：t t , , 非金属液体：非金属液体：t t , , 。金属液体金属液体 非金属液体非金属液体ntq 纯液体纯液体 溶液溶液 溶液的溶液的：经验公式，查手册。：经验公式，查手册。3. 3. 气体的导热系数气体的导热系数 =f(T=f(T），）， t t , , 气体的导热系数很

14、小，故对导热不利，但对保温有利。气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。4.2.3 4.2.3 通过平壁的稳态热传导通过平壁的稳态热传导1. 1. 单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 导热系数导热系数=const;=const;温度只沿着垂直于壁面的温度只沿着垂直于壁面的x x轴方向变化，轴方向变化， 等温面皆为垂直于等温面皆为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。 一维稳态的热传导一维稳态的热传导当当x=0 x=0时，时，t=tt=t1 1；x=bx=b时，时，t= tt= t2 2，且，且t t1 1 t t2 2，分离变量积分分离变量积分 RR导热的热阻，导热的热阻，K/

15、WK/W； r r 单 位 传 热 面 积 的单 位 传 热 面 积 的 导 热 的 热 阻 ，导 热 的 热 阻 ，(m(m2 2K)/WK)/W（重点）（重点）dxdtSQ210ttbdtSQdx积分：)(12ttbSQ得：RtSbtt21结论：结论： Q Q正比于正比于tt，反比于热阻，反比于热阻 R R R=b/S b R=b/S b，R; ,RR; ,R 例例4-1 4-1 现有一平壁厚度为现有一平壁厚度为400mm400mm，内壁温度为，内壁温度为500500，外壁温度为，外壁温度为100100。试求：（。试求：（1 1）通过平壁的导热热量，）通过平壁的导热热量，W/mW/m2 2

16、；（；（2 2）平壁内距）平壁内距内壁内壁150mm150mm处的温度。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数处的温度。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数=0.6W/=0.6W/（mm）。）。 解解 （1 1） （2 2） 212500 100600/0.40.6ttQqW mbA16005000.153500.6qttb2.2.多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 三层平壁，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等三层平壁，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等 厚度分别为厚度分别为b b1 1、b b2 2、b b3 3，导热系数为，导热系数为1 1、2 2、3 3， 对于稳态热

17、传导过程对于稳态热传导过程123QQQQSbtQ111Sbt222Sbt333SbSbSbtttQ332211321和比定理：SbSbSbttQ33221141iiRt11nitttt其中，SbRRiiiP216 例例4-2例例4-2 4-2 有一锅炉的墙壁由三种保温材料组成。最内层是耐火砖，厚度有一锅炉的墙壁由三种保温材料组成。最内层是耐火砖，厚度b b1 1=150mm=150mm，导热系数导热系数1 1=1.06W/=1.06W/（mm）；中间为保温砖，厚度）；中间为保温砖，厚度b b2 2=310mm=310mm，导热系数，导热系数2 2=0.15W/=0.15W/（mm）；最外层为建

18、筑砖，厚度）；最外层为建筑砖，厚度b b3 3=240mm=240mm，导热系数，导热系数3 3=0.69W/=0.69W/（mm）。测得炉的内壁温度为）。测得炉的内壁温度为10001000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946946。试求：。试求：(1)(1)单位面积的热损失；单位面积的热损失；(2)(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；保温砖与建筑砖之间界面的温度；(3)(3)建筑砖外侧温度。建筑砖外侧温度。 解解 t t3 3为保温砖与建筑砖的界面温度，为保温砖与建筑砖的界面温度，t t4 4为建筑砖的外侧温度。为建筑砖的外侧温度。 （1 1）热损失）热

19、损失q q (2) (2) 保温砖与建筑砖的界面温度保温砖与建筑砖的界面温度t t3 3 由于是稳态热传导，所以由于是稳态热传导，所以 q q1 1=q=q2 2=q=q3 3=q =q 解得解得 t3=157.3 (3) (3) 建筑砖外侧温度建筑砖外侧温度t t4 4 解得解得 t4=24.6 21121Q1.06q=(1000-946) =381.6W/mA0.15ttb223320.15q381.6(946-t ) 0.31ttb334430.69q381.6(157.3-t ) 0.24ttb各层温度差与热阻的数值：各层温度差与热阻的数值： 温度差温度差 t /t / 热阻热阻 R/

20、 /WR/ /W耐火砖耐火砖tt1 1=1000-946=54=1000-946=54 0.1420.142保温砖保温砖tt2 2=946-157.3=788.7=946-157.3=788.7 2.072.07建筑砖建筑砖tt3 3=157.3-24.6=132.7 =157.3-24.6=132.7 0.3480.348结论：多层平壁的稳态热传导中，热阻大的保温层，分配于该结论：多层平壁的稳态热传导中，热阻大的保温层，分配于该层的温度差亦大，层的温度差亦大，即温度差与热阻成正比。即温度差与热阻成正比。4.2.4 4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导通过圆筒壁的稳态热传导 1. 1. 单层圆筒

21、壁的稳态热传导单层圆筒壁的稳态热传导 22112rtrtdrQLdtr RtrrttLQ1221ln12问题：与平壁稳态导热的异同点问题：与平壁稳态导热的异同点相同点：一维稳态导热，相同点：一维稳态导热，Q=Q=常数常数不同点：不同点：1 1、热流方向不同、热流方向不同 2 2、传热面积沿径向不同、传热面积沿径向不同rLS2）不同、热流通量（SQq/3drdtrLdrdtSQ)2( bb圆筒壁的厚度，圆筒壁的厚度，b= rb= r2 2- r- r1 1，m m； S Sm m称为对数平均面积，称为对数平均面积，m m2 2。当当S S2 2/S/S1 122时，可用算术平均值近似计算。时，可

22、用算术平均值近似计算。LrLrrrttrrLQ22ln)()(212122112变形：121221ln)(SSbSStt1212lnSSSSSm对数平均面积：mSbtt21 2. 2. 多层圆筒壁的稳态热传导多层圆筒壁的稳态热传导以三层圆筒壁为例。以三层圆筒壁为例。各层壁厚分别为各层壁厚分别为b1= r2- r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；各层材料的导热系数各层材料的导热系数1、2、3皆视为常数，皆视为常数，1121212()lnLttQrr 2232322()lnLttQrr 3343432()lnLttQrr 143241122332()111lnlnlnL ttQrrrrr

23、r 3 2 1niiiinrrttLQ1111ln1)(2例例4-3 4-3 为了减少热损失，在为了减少热损失，在1331334mm4mm的蒸汽管道外层包的蒸汽管道外层包扎一层厚度扎一层厚度50mm50mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.2W/=0.2W/（mm）。蒸汽管道内壁温度为）。蒸汽管道内壁温度为180180，要求石棉层外，要求石棉层外侧温度为侧温度为5050，管壁的导热系数，管壁的导热系数=45W/m=45W/m。试求每。试求每米管长的热损失及蒸汽管道外壁的温度。米管长的热损失及蒸汽管道外壁的温度。4.3 对 流 传 热 概 述1、对流对流 机理机理：流动中，流

24、体质点碰撞、混合，传递热量。流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。 是流体的主要传热方式。是流体的主要传热方式。 问题：与流体流动状况是否相关问题：与流体流动状况是否相关 对流与流体流动状况密切相关对流与流体流动状况密切相关 湍动程度越高，对流的传热速率越大。湍动程度越高，对流的传热速率越大。 层流流体层流流体：热传导为主；热传导为主； 湍流流体：对流为主湍流流体：对流为主 2、分类、分类 自然对流：自然对流： 强制对流强制对流：温差引起密度差，造成流体流动。温差引起密度差，造成流体流动。流体靠外加动力流动，造成对流。流体靠外加动力流动，造成对流。4.3.1 4.3.1 对流传热方程与对流传热

25、对流传热方程与对流传热系数系数湍流流动时湍流流动时: :层流底层，以热传导层流底层，以热传导方式为主。方式为主。由于流体由于流体较小，热阻较大。温度较小，热阻较大。温度差也主要集中在该层中。差也主要集中在该层中。简化：传热边界层，简化：传热边界层，t t又难以测又难以测定，以定，以代替代替/t t牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： t对流传热温度差，对流传热温度差， ；21图4-14 平壁两侧对流传热时沿热流方向的温度分布情况TwTtwttsQSt1KmW2/：对流传热膜系数，牛顿冷却定律牛顿冷却定律说明说明： 1、实验定律； 2、对壁面两侧流体（冷、热），均适用；热流体：热流体：)(whhTTSQ

26、STThw1)(ttSQwcc冷流体冷流体：Sttcw1是计算关键，一般是计算关键，一般由实验测定由实验测定4.3.2 对流传热机理简介对流传热机理简介热边界层的概念热边界层的概念 1、热边界层、热边界层 近壁处，流体温度近壁处，流体温度 显著变化的区域显著变化的区域1tyu twtttttwtw-t=0.99(tw-t)图4-13 流体流过平壁被加热时的温度边界层示意2、热边界层的厚度、热边界层的厚度)(99. 0ttttww3、热边界层内（近壁处）、热边界层内（近壁处） 认为认为：集中全部的温差和热阻热边界层外（流体主体）热边界层外（流体主体）认为：认为：等温区，无温差和热阻0dydt0d

27、ydt4.4 传热过程计算传热过程计算两类计算两类计算 设计型计算 操作型计算；基本理论：基本理论：热量衡算方程热量衡算方程和和传热速率方程传热速率方程4.4.1 热量衡算热量衡算稳态传热，忽略热损失时， 冷流体吸收热量冷流体吸收热量 = 热流体放出热量热流体放出热量 1、无相变传热、无相变传热T1T2t1t2)(21TTcWQPhh热流体：)(12ttcWQPcc冷流体：取定性温度下数值其中，Pc 2、有相变传热、有相变传热 rWttcWQhPc)(12c)()(212cTTcrWttcWQSphhPc例例4-4 4-4 试计算压力为试计算压力为147.1kPa147.1kPa，流量为，流量

28、为1500kg/h1500kg/h的饱和的饱和水蒸汽冷凝后并降温至水蒸汽冷凝后并降温至5050时所放出的热量。时所放出的热量。 4.4.2 总传热速率方程和总传热系数总传热速率方程和总传热系数1 总传热速率方程总传热速率方程mtKSQ、总传热速率方程：1K：总传热系数，W/m2K 注意注意：K与S相对应，同选Si、Sm或So oommiiSKSKSK总传热系数总传热系数获取方法：获取方法： 选取经验值选取经验值P229P229 实验测定实验测定K K值；值； Q S tQ S tm mKK 计算。计算。1）总传热系数的计算总传热系数的计算两流体通过管壁的传热包括以下过程：两流体通过管壁的传热包

29、括以下过程： 热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧；热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧； 通过管壁的热传导；通过管壁的热传导； 由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。T1T2t2t1Twtw各部分传热速率方程：各部分传热速率方程： 管内侧流体： 管壁导热： 管外侧流体：对稳态传热对稳态传热，)(wiiTTSQ)(wwmtTSbQ)(00ttSQwomiQQQQT1T2t2t1TwtwmwwiiwSbtTSTTQ1001Sttw0011SSbStTQmii因此，Rt00111SSbSKSmii令：000111SSbSKSmiiomo

30、iiodbdddK110ooimiiidddbdK11oomiimmddbddK1oommiiSKSKSK如果考虑污垢热阻如果考虑污垢热阻 工程上规定，以传热管外表工程上规定，以传热管外表面积面积So为基准为基准000111SomioSiiioRddbddRddKioiomdddddln其中，）（一般取：iomddd21若传热面为平壁或薄管壁时：若传热面为平壁或薄管壁时： moiSSSSoSiimioRbRKKK2111112111ioK（忽略管壁热阻和污垢热阻）（忽略管壁热阻和污垢热阻）结论：结论：K值总是接近热阻大的一侧流体的值总是接近热阻大的一侧流体的a值（值（a小小），），总热阻由热阻

31、较大一侧流体控制，如果要提高总热阻由热阻较大一侧流体控制，如果要提高K，首先，首先要提高要提高a小小。ai、ao相差不太大时，两者必须同时提高。相差不太大时，两者必须同时提高。圆筒壁：圆筒壁：SoSiSm，SO=dOL，Si=diL，Sm=dmL。 例例4-5 一列管换热器，列管由一列管换热器，列管由 的无缝钢管组成，钢管的的无缝钢管组成，钢管的导热系数为导热系数为45 ，管内为冷却水，对流传热系数为，管内为冷却水，对流传热系数为450 ，管外为饱和水蒸汽冷凝，对流传热系数为，管外为饱和水蒸汽冷凝，对流传热系数为 ，试求：（，试求：（1）总传热系数）总传热系数K；（；（2）若将水侧的）若将水侧

32、的对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。（对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。（3）若将蒸汽侧）若将蒸汽侧的对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。的对流传热系数增大一倍，总传热系数有何变化。mm5 . 225/()Wm K2/()WmK421 10/()WmK 4.4.3 4.4.3 传热平均温度差的计算传热平均温度差的计算 1.1.恒温传热恒温传热 恒温传热恒温传热: :热交换时，冷热流体在壁面两侧温度不变化热交换时，冷热流体在壁面两侧温度不变化间壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾间壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾 T-热流体的温度热流体的温度； t -冷流体的温

33、度冷流体的温度。 2.2.变温传热变温传热 流体变温流体变温thtc1tc2th1tcth2(a ) (b) 一侧流体变温时的温差变化一侧流体恒温另一侧流体变温一侧流体恒温另一侧流体变温tTt(1)(1)流动型式流动型式并流：换热的两种流体以相同的方向流动。并流：换热的两种流体以相同的方向流动。 逆流：换热的两种流体在以相对的方向流动。逆流：换热的两种流体在以相对的方向流动。 错流：换热的两种流体呈垂直方向流动。错流：换热的两种流体呈垂直方向流动。 折流：即有逆流又有并流折流：即有逆流又有并流(2)(2)并流和逆流时的平均温并流和逆流时的平均温度差度差ttm m1212lnmttttt （非常

34、重要）（非常重要）T2T1t1t2T2t1T1L （ 管 长 ）(a) 逆 流T2t1T1t2t2t1T2t2T1(b) 并 流L （ 管 长 ） 两 侧 流 体 变 温 下 的 温 差 变 化tm：对数平均温度差，进、出口处两种流体温度差的对数平对数平均温度差，进、出口处两种流体温度差的对数平均值。均值。 当当t1/t22： 算术平均值算术平均值 tm = (t1+t2)/2当一侧变温另一侧流体恒温：并流或逆流的平均温度差相等；当一侧变温另一侧流体恒温：并流或逆流的平均温度差相等；当两侧流体变温传热：并流和逆流时的平均温度差则不同。当两侧流体变温传热：并流和逆流时的平均温度差则不同。常取两端

35、温度差中大者作为常取两端温度差中大者作为t1，小者作为，小者作为t2，以使式中，以使式中分子与分母都是正数。分子与分母都是正数。进、出口条件相同时 并逆,mmtt例例4-6 4-6 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为度为100,100,出口温度为出口温度为160160；某反应物在管内流动，进口温度为；某反应物在管内流动，进口温度为250250，出口温度为，出口温度为180180。分别计算并流与逆流时的平均温度差。分别计算并流与逆流时的平均温度差。 解解 并流：并流： 250180 250180 100160 100160 1

36、50 20 150 20 逆流：逆流： 250180250180 160100 160100 90 80 90 80 逆流操作时，因逆流操作时，因tt1 1/t/t2 2=90/802=90/80100即可达到湍流。即可达到湍流。（6）) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。（7） 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。(二）流体流速的选择二）流体流速的选择列管换热器内常用的流速范围列管换热器内常用的流速范围(P280）（

37、三）流体两端温度的确定（三）流体两端温度的确定(P280）（四）管子的规格和排列方法（四）管子的规格和排列方法目前我国试行的系列标准规定采用目前我国试行的系列标准规定采用192 和和252.5 两种规格，两种规格，对一般流体是适用的。此外，还有对一般流体是适用的。此外，还有38 2.5 ，572.5的无缝钢管的无缝钢管和和252, 38 2.5的耐酸不锈钢管。的耐酸不锈钢管。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。系列标准中管长有子长度。系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和和9m六种，其中以六种，其中以

38、3m和和6m更为普遍。更为普遍。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45安装，可在一定安装，可在一定程度上提高表面传热系数。程度上提高表面传热系数。 （五）流动方式的选择（五）流动方式的选择*除逆流和并流之外

39、，在列管式换热器中冷、热流体还可以除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复当采用多管

40、程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。杂，对数平均值的温差要加以修正。（六）折流挡板（六）折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。 对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图可以看出，弓形缺口太大或太小都会产况有重要影响。由图可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生生死区死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。，既不利于传热，又往往增加流体阻力。

41、 a.切除过少切除过少 b.切除适当切除适当 c.切除过多切除过多挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的间距为壳体内径的0.21.0倍。倍。4-7-3 换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径依总传热速率方程：依总传热速率方程： 强化方法：提高强化方法：提高 K、S、 均可强化传热。均可强化传热。（一）增大传热面积（一）

42、增大传热面积S 关于传热面积关于传热面积A的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积的尺寸来加大传热面积S，而是通过对传热面的改造，如开槽，而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。以强化传热过程。(二）增大传热平均温度差二）增大传热平均温度差 （如采用逆流操作）（如采用逆流操作）（三）增大总传热系数（三）增大总传热系数K （设法减小对（设法减小对K值影响较大的热阻）值影响较大的热阻）减小热阻的主要方法有减小热阻的主要方法有(1) 加大流速；（加大流速；（2）防止结垢和及时地）防止结垢和及时地清除垢层。清除垢层。 mtKSQmtmt