第03章 传热.ppt

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1、过 程 系 统 原 理第三章 传 热主讲教师：程 明南京工业大学本科系列课程南京工业大学本科系列课程自动化与电气工程学院自动化与电气工程学院 教学内容对流传热过程对流传热过程热传导过程热传导过程热量传递过程概述热量传递过程概述辐射传热过程辐射传热过程传热过程计算传热过程计算1/21/20232Process System principle 热量传递过程概述热量传递的目的热量传递的目的图图4-1 4-1 典型的换热流程典型的换热流程1-1-换热器换热器2-2-反应器反应器 （1 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 2）换热，以回收利用热量或冷量。）换热

2、，以回收利用热量或冷量。（3 3）保温，以减少热量或冷量的损失。）保温，以减少热量或冷量的损失。1/21/20233Process System principle 热量传递过程概述热量传递的方式热量传递的方式 （2 2）对流传热。）对流传热。（3 3）辐射传热。）辐射传热。（1 1）热传导）热传导。1/21/20234Process System principle （1 1）直接接触传热。）直接接触传热。图图4-2 4-2 直接接触换热直接接触换热 热量传递过程概述冷、热流体的接触方式冷、热流体的接触方式（2 2）间壁式传热。）间壁式传热。图图4-3 4-3 间壁式换热间壁式换热 （3 3

3、）蓄热式传热。）蓄热式传热。图图4-4 4-4 蓄热式换热蓄热式换热1/21/20235Process System principle 热量传递过程概述载热体及其选择载热体及其选择 （1 1）载热体载热体：起加热作用的载热体称为加热剂起加热作用的载热体称为加热剂；起冷却作用的载热体称为冷却剂。起冷却作用的载热体称为冷却剂。载热体载热体：供给冷流体热量供给冷流体热量或将或将热流体热流体的热量带走的流体。的热量带走的流体。（2 2）载热体载热体的选择：的选择：加加热热剂剂：热热水水、饱饱和和水水蒸蒸气气、矿矿物物油油、联联苯苯混混合合物物、熔熔盐盐 和和烟烟道道气等。气等。冷却剂冷却剂：水、空气

4、和各种冷冻剂。水、空气和各种冷冻剂。载热体载热体的选择要求：的选择要求：加热加热时，时，温位越高温位越高，价值越大价值越大；冷却冷却时，时，温位越低温位越低，价值越大。价值越大。1/21/20236Process System principle 热量传递过程概述载热体及其选择载热体及其选择 其它要求：其它要求：载热体的温度应易于调节载热体的温度应易于调节；载热体的饱和蒸气压宜低载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解加热时不会分解；载热体毒性要小载热体毒性要小，使用安全使用安全，对设备应基本上没有腐蚀对设备应基本上没有腐蚀；载热体应价格低廉而且容易得到。载热体应价格低廉而且容易得到。1/21/

5、20237Process System principle 热量传递过程概述传热速率传热速率 （1 1）热流量）热流量Q Q：单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量W W。单位时间、通过单位传热面积的热量单位时间、通过单位传热面积的热量W/mW/m2 2。（2 2）热流密度（或热通量）热流密度（或热通量）q q：1/21/20238Process System principle 热量传递过程概述稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热 （1 1）稳态传热：）稳态传热：特特点点：传传热热系系统统中中，温温度度分分布布不不

6、随随时时间间而而变变，且且传传热热速速率率在在任任何何时时间都为常数。间都为常数。连续生产过程中的传热多是稳态传热。连续生产过程中的传热多是稳态传热。（2 2）非）非稳态传热：稳态传热：特点：传热系统中，温度分布随时间而变。特点：传热系统中，温度分布随时间而变。间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。1/21/20239Process System pr

7、inciple 热传导过程热传导规律热传导规律 热热传传导导（或或导导热热）：物物体体各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，仅仅借借分分子子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。1 1、热传导概念、热传导概念 2 2、热传导规律、热传导规律 （1 1）傅立叶（）傅立叶（FourierFourier）定律：定律：式中：式中：q-q-热流密度，热流密度，w/mw/m2 2；-法向温度梯度，法向温度梯度，/m/m；-比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，w/(m w/(m)1/21/202310Process Sy

8、stem principle 热传导过程热传导规律热传导规律 （2 2）导热系数导热系数 例：例：金属金属 101010102 2 w/(m w/(m)建筑材料建筑材料 1010-1-110 w/(m 10 w/(m)绝热材料绝热材料 1010-2-21010-1-1 w/(m w/(m)表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。实验测得导热系数实验测得导热系数与与温度温度t t的关系：的关系：式中：式中：-固体在温度固体在温度t t 的导热系数，的导热系数，w/(m w/(m)；0 0-固体在温度固体在温度0 0 的导热系

9、数，的导热系数，w/(m w/(m)；a-a-温度系数，温度系数，1/1/，；对大多数金属材料为负值，对大多数金属材料为负值，对大多数非金属材料为正值。对大多数非金属材料为正值。1/21/202311Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 1 1、通过平壁的热传导过程：、通过平壁的热传导过程：图图4-5 4-5 平壁的热传导平壁的热传导 平壁的热传导的温度分布见图平壁的热传导的温度分布见图4-54-5所示。所示。由傅立叶（由傅立叶（FourierFourier）定律可知：定律可知：对上式积分得：对上式积分得：又可写为：又可写为：1/21/20231

10、2Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 2 2、通过圆筒壁的热传导过程：、通过圆筒壁的热传导过程：图图4-6 4-6 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导 圆筒壁的热传导的温度分布见图圆筒壁的热传导的温度分布见图4-64-6所示。所示。在在圆圆筒筒壁壁内内取取同同心心薄薄层层圆圆筒筒并并对对其其作作热热量衡算：量衡算：对于定态热传导：对于定态热传导：则则：1/21/202313Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 又：又：所以所以：对上式进行积分得：对上式进行积分得：式中：式中：r-r-圆筒任一径向半径；圆

11、筒任一径向半径；l-l-圆筒管长。圆筒管长。边界条件：边界条件：1/21/202314Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 将边界条件带入上式，得：将边界条件带入上式，得：式子可以改写为：式子可以改写为：1/21/202315Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 若若 圆筒壁热阻为：圆筒壁热阻为：3 3、多层平壁的热传导过程：、多层平壁的热传导过程：图图4 4-7 7 多多层层平平壁壁的的热热传传导导 圆圆筒筒壁壁的的热热传传导导的的温温度度分分布布见图见图4-74-7所示。所示。1/21/2023

12、16Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 推动力和阻力的加和性推动力和阻力的加和性 各层的温差各层的温差1/21/202317Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 结论：对多层圆筒壁同样适合。即：结论：对多层圆筒壁同样适合。即：例：界面温度的求取。例：界面温度的求取。某炉壁由下列三种材料组成：（见图某炉壁由下列三种材料组成：（见图3-73-7所示）所示）耐火砖耐火砖 1 1=1.4 w/(m=1.4 w/(m)，1 1=225 mm=225 mm 保温砖保温砖 2 2=0.15 w/(m=0.15

13、w/(m)，2 2=125 mm=125 mm 建筑砖建筑砖 3 3=0.8 w/(m=0.8 w/(m)，3 3=225 mm=225 mm 已已测测得得内内、外外表表面面温温度度分分别别为为930 930 和和55 55，求求单单位位面面积积的的热热损损失和各层间接触面的温度。失和各层间接触面的温度。1/21/202318Process System principle 热传导过程热传导的应用热传导的应用 解解：（：（1 1）单位面积的热损失为：单位面积的热损失为：（2 2）温差及界面温度：）温差及界面温度：1/21/202319Process System principle 对流传热过

14、程对流传热过程的概念对流传热过程的概念 流流体体各各部部分分（或或与与固固体体表表面面）之之间间发发生生相相对对位位移移所所引引起起的的热热传传递递过过程称为对流传热。程称为对流传热。对流分为对流分为自然对流自然对流和和强制对流强制对流。自自然然对对流流：流流体体中中各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度差差别别，使使轻轻者者上上浮浮，重者下沉，流体质点产生相对位移。重者下沉，流体质点产生相对位移。强制对流强制对流：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。1/21/202320Process System principle 对流

15、传热过程对流传热过程分析对流传热过程分析 传传热热过过程程流流动动截截面的温度分析：面的温度分析：图图4 4-8 8 流流体体流流过过平平壁壁时时的的温温度度分分布布 参见图参见图4-84-8所示。所示。1/21/202321Process System principle 对流传热过程对流传热过程分析对流传热过程分析 三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：结结论论：对对流流传传热热是是流流体体流流动动载载热热与与热热传传导导联联合合作作用用的的结结果果，流流体体对对壁面的热流密度因流动而增大。壁面的热流密度因流动而增大。流

16、体无相变化的给热过程流体无相变化的给热过程流体有相变化的给热过程流体有相变化的给热过程强制对流给热过程强制对流给热过程自然对流给热过程自然对流给热过程蒸汽冷凝给热过程蒸汽冷凝给热过程液体沸腾给热过程液体沸腾给热过程对对流流传传热热1/21/202322Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 1 1、牛顿冷却定律：、牛顿冷却定律：式中：式中：TwTw，twtw-热或冷壁的温度，热或冷壁的温度，；T T，t-t-热或冷流体的温度，热或冷流体的温度，；-给热系数，给热系数，w/(m w/(m)流体加热时：流体加热时：流体冷却时：流体冷却

17、时：2 2、给热系数、给热系数：三种获得给热系数三种获得给热系数的的方法：方法：理论分析法理论分析法：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率1/21/202323Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述方方程程，联联立立求求解解流流场场的的温温度度分分布布和和壁壁面面热热流流密密度度，然然后后写写成成牛牛顿顿冷冷却却定定律的形式，从而获得律的形式，从而获得的理论计算式。的理论计算式。数数学学模模型型法法：对对给给热热过过程程作作出出简简化化的的物物理理模模型型和和数数学学描描述述，用用

18、实验检验或修正模型，确定模型参数。实验检验或修正模型，确定模型参数。因因次次分分析析法法：对对影影响响给给热热过过程程的的因因素素无无因因次次化化，通通过过实实验验决决定定无因次准数之间的关系。无因次准数之间的关系。3 3、给热系数、给热系数的的影响因素及无因次化：影响因素及无因次化：影响因素：影响因素：液体的物理性质：液体的物理性质：、CpCp、；固体表面的特征参数：固体表面的特征参数：l l；1/21/202324Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 强制对流的流速：强制对流的流速：u u；自然对流的特征速度：自然对流的特征

19、速度：gt gt。其中：其中：-膨胀系数，膨胀系数，-1-1-流体比体积，流体比体积，m m3 3/kg/kg，=1/=1/；2 2，1 1-对应于对应于t t2 2、t t1 1的流体比体积的流体比体积 ；于是：于是：无因次化：无因次化：1/21/202325Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 式中：式中：-努塞尔（努塞尔（NusseltNusselt）准数准数 于是于是，描述给热过程的准数关系式为描述给热过程的准数关系式为-雷诺（雷诺（ReynoldsReynolds）准数准数-普朗特（普朗特（PrandtlPrandtl

20、）准数准数-格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（GrashofGrashof）准数准数1/21/202326Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 讨论：各无因次数群的物理意义讨论：各无因次数群的物理意义 *-给给热热过过程程以以纯纯导导热热方方式式进进行行时时的的给给热热系系数数。NuNu反反映映对对流流给给热热系数增大的倍数。系数增大的倍数。NuNu准数：准数：ReRe准准数数：是是流流体体所所受受的的惯惯性性力力与与粘粘性性力力之之比比，用用以以表表征征流流体体的的运运动动状态。状态。PrPr准数准数：流体物性对给热过程的影响。：流体物

21、性对给热过程的影响。对于气体，对于气体，Pr1Pr1，对于液体，对于液体，PrPr1 1。1/21/202327Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 GrGr准数准数：则则GrGr是是ReRe的一种变形，表征自然对流的流动状态。的一种变形，表征自然对流的流动状态。4 4、关于定性温度和特征尺寸：、关于定性温度和特征尺寸：定性温度：定性温度：根根据据定定性性温温度度，确确定定物物性性数数据据。一一般般选选用用壁壁温温twtw和和流流体体主主体体温温度度t t的算术平均值作为定性温度，并称之为平均膜温。的算术平均值作为定性温度，并称

22、之为平均膜温。1/21/202328Process System principle 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。特征尺寸：特征尺寸：1/21/202329Process System principle 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 1 1、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：当当.Re10.Re104 4 .0.7 Pr 160.0.7 Pr 160（不适用液体金属）不适用液体金属）.流体是低粘度（流体是低粘度（2 30.l/d

23、 3040 40 则则 A=0.023 A=0.023 ，a=0.8 a=0.8，加热时，加热时，b=0.4b=0.4；冷却时，冷却时，b=0.3b=0.3 即：即：1/21/202330Process System principle 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 其它条件下，需修正其它条件下，需修正：高粘度流体：高粘度流体：-液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度 w w-液体在壁温下的粘度液体在壁温下的粘度 液体加热时，液体加热时，则：则：液体冷却时，液体冷却时，则：则：适用于适用于Re10Re104 4，0.5 Pr 100 0.5 Pr 100

24、各种液体，不适用液体金属。各种液体，不适用液体金属。1/21/202331Process System principle 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 l/d 30l/d 2 2 时时，K=K=2 2 ；1 1 2 2时时，K=K=1 1 。内内表面：表面：外表面：外表面：当内、外表面积不同时，当内、外表面积不同时，1/21/202352Process System principle 传热过程计算传热过程数学描述传热过程数学描述 若为圆管，内、外径为若为圆管，内、外径为d d1 1、d d2 2：关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为R

25、 R1 1、R R2 2）则则 式中式中：1/21/202353Process System principle 传热过程计算传热过程数学描述传热过程数学描述 3 3、壁温的计算：、壁温的计算：若若 T Tw w=t tw w ，则：则：1/21/202354Process System principle 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 1 1、换热器的热量的衡算：、换热器的热量的衡算：图图4-14 4-14 热量衡算热量衡算 总的总的热量衡算：热量衡算：1/21/202355Process System principle 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 式中：

26、式中：W Wh h、W Wc c-热、冷流体的质量流量；热、冷流体的质量流量；C Cphph、C Cpcpc-热、冷流体的比热；热、冷流体的比热；2 2、传热基本方程式：、传热基本方程式：t1 t2 t t1 t2 tT TT1T1T2T2(T-t)(T-t)1 1(T-t)(T-t)2 2(T-t)(T-t)T=tT=t图图4-15 4-15 热量衡算热量衡算 已知：已知：又：又：上式积分，可得：上式积分，可得：1/21/202356Process System principle 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 式中：式中：t tm m-对数平均温度。传热过程的推动力。对数平

27、均温度。传热过程的推动力。3 3、传热过程的推动力：、传热过程的推动力：图图4-16 4-16 传热温差传热温差1/21/202357Process System principle 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 例：并流和逆流对数平均温差的比较。例：并流和逆流对数平均温差的比较。在在一一台台螺螺旋旋板板式式换换热热器器中中，热热水水流流量量为为2000kg/h2000kg/h，冷冷水水流流量量为为3000kg/h3000kg/h，热热水水进进口口温温度度为为T1=80T1=80，冷冷水水进进口口温温度度为为t1=10t1=10。如如果果要要求将冷水加热到求将冷水加热到t2=3

28、0t2=30，试求并流和逆流对数平均温差。试求并流和逆流对数平均温差。解：题目条件下，解：题目条件下，C Cphph=C Cpcpc=4.2kJ/=4.2kJ/（kg kg ）所以：所以：求得：求得：T2=50 T2=50 由于：由于：1/21/202358Process System principle 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 则：并流时则：并流时 t1=80-10=70t1=80-10=70 t2=50-30=20 t2=50-30=20 则：逆流时则：逆流时 t1=80-30=50t1=80-30=50 t2=50-10=40 t2=50-10=401/21/202

29、359Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 1 1、设计型计算、设计型计算 计算热负荷：计算热负荷：设计任务设计任务：将流量为：将流量为G G1 1的热流体自给定温度的热流体自给定温度T T1 1冷却至指定温度冷却至指定温度T T2 2。设计条件设计条件：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度t t1 1。计算目的计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。计算方法计算方法：适当选择并计算平均推动力：适当选择并计算平均推动力：t tm

30、 m 。即使冷、热流体的对流给热系数及总即使冷、热流体的对流给热系数及总K K。由传热方程由传热方程 计算传热面积。计算传热面积。1/21/202360Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 参数选择：参数选择：流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；选择冷却介质的出口温度；选择冷却介质的出口温度；冷、热流体流动线路（管程、壳程）；冷、热流体流动线路（管程、壳程）；流体的流速；流体的流速；污垢热阻。污垢热阻。2 2、操作型计算、操作型计算 第一类命题：第一类命题：给给定定条条件件：换换热热器器传传热热面面积积及

31、及相相关关尺尺寸寸，冷冷、热热流流体体的的物物性性数数据据，冷、热流体的流量、进口温度、流动方式。冷、热流体的流量、进口温度、流动方式。1/21/202361Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 计算目的计算目的：冷、热流体的出口温度。：冷、热流体的出口温度。给给定定条条件件：换换热热器器传传热热面面积积及及相相关关尺尺寸寸，冷冷、热热流流体体的的物物性性数数据据，热流体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。热流体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。第二类命题：第二类命题：计算目的计算目的：冷流体的流量及出口温度。：冷

32、流体的流量及出口温度。计算方法：计算方法：1/21/202362Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 例：第一类命题的操作型计算。例：第一类命题的操作型计算。在在一一逆逆流流操操作作的的换换热热器器，热热流流体体为为空空气气，1 1100 100 W/(mW/(m2 2)，冷冷却却水水走走管管内内，2 22000 2000 W/(mW/(m2 2)。已已测测得得热热、冷冷流流体体进进、出出口口温温度度为为T T1 1=100=100，T T2 2=70=70，t t1 1=20=20，t t2 2=85=85，管管壁壁热热阻阻可可以以忽忽略略。

33、当当水水流流量增加一倍时，试求：量增加一倍时，试求：（1 1）空气和水的出口温度）空气和水的出口温度T T2 2，t t2 2?（2 2）热流量）热流量QQ比原热流量比原热流量Q Q增加多少增加多少?1/21/202363Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 解：（解：（1 1）原工况：）原工况：式中：式中：1/21/202364Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 新工况：新工况：（a a）、（）、（b b）两式相除：）两式相除：1/21/202365Process System princi

34、ple 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 或：或：热量衡算：热量衡算：联立求解（联立求解（c c）、（）、（d d）两式，得：）两式，得：1/21/202366Process System principle 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 （2 2）新、旧工况的热量之比：）新、旧工况的热量之比：即，热量增加了即，热量增加了 3434 。讨论：从计算结果中可以得出什么结论？讨论：从计算结果中可以得出什么结论？1/21/202367Process System principle过 程 系 统 原 理第四章 热量传递设备主讲教师：程 明南京工业大学本科系列课程南京工业大学本科系列课程自

35、动化与电气工程学院自动化与电气工程学院 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 结结构构：夹夹套套装装在在容容器器外外部部，在在夹夹套套和和容容器器壁壁之之间间形形成成密密闭闭空空间间，成成为为一一种种流流体体的的通通道。道。1 1、夹套换热器、夹套换热器图图4-17 4-17 夹套换热器夹套换热器 优点：优点：结构简单，加工方便。结构简单，加工方便。缺点：缺点：传热面积传热面积A A小，传热效率低。小，传热效率低。用途：用途：广泛用于反应器的加热和冷却。广泛用于反应器的加热和冷却。为为了了提提高高传传热热效效果果，可可在在釜釜内内加加搅搅拌拌器器或蛇管和外循环。或蛇管和外循环

36、。1/21/202369Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优点：优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，为了强化传热，容器内加搅拌。为了强化传热，容器内加搅拌。2 2、沉浸式蛇管换热器、沉浸式蛇管换热器 结结构构：蛇蛇管管一一般般由由金金属属管管子子弯弯绕绕而而制制成成，适适应应容容器器所所需需要要的的形形状状，沉沉浸浸在在容容器器内内，冷冷热热流流体体在在管管内外进行换热。内外进行换热。图图4-18 4-18

37、 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器1/21/202370Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 3 3、喷淋式换热器、喷淋式换热器 结结构构：冷冷却却水水从从最最上上面面的的管管子子的的喷喷淋淋装装置置中中淋淋下下来来，沿沿管管表表面面流流下下来来，被被冷冷却却的的流流体体从从最最上上面面的的管管子子流流入入，从从最最下下面面的的管管子子流流出出，与与外外面面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。图图4 4-1 19 9 喷喷淋淋式式换换热热器器(

38、1 1)1/21/202371Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优优点点：结结构构简简单单、造造价价便便宜宜，能能耐耐高高压压，便便于于检检修修、清清洗洗，传传热热效效果好。果好。缺点：缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用途：用于冷却或冷凝管内液体。用于冷却或冷凝管内液体。图图4-20 4-20 喷淋式换热器喷淋式换热器(2)(2)1/21/202372Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换

39、热器的类型 4 4、套管式换热器、套管式换热器 结结构构：由由不不同同直直径径组组成成的的同同心心套套管管，可可根根据据换换热热要要求求，将将几几段段套套管管用用U U形形管管连连接接，目目的的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。优优点点：结结构构简简单单，加加工工方方便便，能能耐耐高高压压，传传热热系系数数较较大大，能能保保持持完完全全逆逆流流使使平平均均对对数数温温差最大，可增减管段数量应用方便。差最大，可增减管段数量应用方便。缺点：缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用用途途：广

40、广泛泛用用于于超超高高压压生生产产过过程程，可可用用于于流流量量不不大大，所所需需传传热热面面积积不多的场合。不多的场合。图图4-21 4-21 套管式换热器套管式换热器1/21/202373Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 5 5、列管式换热器（管壳式换热器）、列管式换热器（管壳式换热器）主主要要由由壳壳体体、管管束束、管管板板、折折流流挡挡板板和和封封头头等等组组成成。一一种种流流体体在在管管内内流流动动，其其行行程程称称为为管管程程；另另一一种种流流体体在在管管外外流流动动，其其行行程程称称为为壳壳程程。管管束束的的

41、壁壁面面即即为为传传热热面。面。图图4-22 4-22 列管式换热器列管式换热器1/21/202374Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优优点点：单单位位体体积积设设备备所所能能提提供供的的传传热热面面积积大大，传传热热效效果果好好，结结构构坚坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为为提提高高壳壳程程流流体体流流速速，往往往往在在壳壳体体内内安安装装一一定定数数目目与与管管束束相相互互垂垂直直的的折折流流挡挡板板。折折流流挡挡板板不不仅

42、仅可可防防止止流流体体短短路路、增增加加流流体体流流速速，还还迫迫使使流流体体按按规规定定路路径径多多次次错错流流通通过过管管束束，使使湍湍动程度大为增加。动程度大为增加。常常用用的的折折流流挡挡板板有有圆圆缺缺形形和和圆圆盘盘形两种，前者更为常用。形两种，前者更为常用。图图4-23 4-23 列管式换热器折流挡板列管式换热器折流挡板1/21/202375Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 壳壳体体内内装装有有管管束束，管管束束两两端端固固定定在在管管板板上上。由由于于冷冷热热流流体体温温度度不不同同，壳壳体体和和管管束束受

43、受热热不不同同，其其膨膨胀胀程程度度也也不不同同，如如两两者者温温差差较较大大，管管子子会会扭扭弯弯，从从管管板板上上脱脱落落，甚甚至至毁毁坏坏换换热热器器。所所以以，列列管管式式换换热热器器必必须须从从结结构构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。（1 1）固定管板式）固定管板式 根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。壳壳体体与与传传热热管管壁壁温温度度之之差差大大于于5050 C C，加加补补偿偿圈圈，也也称称膨膨胀胀节节，当当壳壳体体

44、和和管管束束之之间间有有温温差差时时，依依靠靠补补偿偿圈圈的的弹弹性性变变形形来来适适应应它它们们之之间间的的不不同的热膨胀。同的热膨胀。1/21/202376Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 特特点点：结结构构简简单单，成成本本低低，壳壳程程检检修修和和清清洗洗困困难难，壳壳程程必必须须是是清清洁洁、不不易易产生垢层和腐蚀的介质。产生垢层和腐蚀的介质。图图4-24 4-24 固定管板式（有膨胀节）换热器固定管板式（有膨胀节）换热器 （2 2）浮头式）浮头式 两两端端的的管管板板，一一端端不不与与壳壳体体相相连连，可可自自

45、由由沿沿管管长长方方向向浮浮动动。当当壳壳体体与与管管束束因因温温度度不不同同而而引引起起热热膨膨胀胀时时，管管束束连连同同浮浮头头可可在在壳壳体体内内沿沿轴轴向向自自由由伸伸缩缩，可可完完全消除热应力。全消除热应力。1/21/202377Process System principle 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 特特点点：结结构构较较为为复复杂杂，成成本本高高，消消除除了了温温差差应应力力，是是应应用用较较多多的的一一种结构形式。种结构形式。图图4-25 4-25 内浮头式换热器内浮头式换热器1/21/202378Process System principle

46、 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 固固定定在在同同一一管管板板上上，每每根根管管子子可自由伸缩，来解决热补偿问题。可自由伸缩，来解决热补偿问题。（3 3）U U型管式型管式 图图4-26 U4-26 U型管式换热器型管式换热器 特特点点：结结构构较较简简单单，管管程程不不易易清清洗洗，常常为为洁洁净净流流体体，适适用用于于高高压压气体的换热。气体的换热。1/21/202379Process System principle 传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用管壳式换热器的设计与选用 1 1、选用步骤、选用步骤 （1 1）根据工艺任务，计算热负荷；）根据工艺任务，

47、计算热负荷；（2 2）计算平均温度差；）计算平均温度差；先按单壳程多管程的计算，如果校正系数先按单壳程多管程的计算，如果校正系数 0.80.50.53 315150.50.50.30.3115 53030一般液体一般液体宜结垢液体宜结垢液体气体气体壳程壳程管程管程流速流速 m/sm/s流体种类流体种类 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：0.60.60.750.751.11.11.51.51.81.82.42.41500150010001000500500500500100100100100535335351 111最大流速最大流速m/sm/s液体粘度液体粘度mPa.smP

48、a.s 不不同同粘粘度度液液体体在在列列管管换换热热器器中流速（在钢管中）：中流速（在钢管中）：流动方式的选择流动方式的选择：除除逆逆流流和和并并流流之之外外，在在列列管管式式换换热热器器中中冷冷、热热流流体体还还可可以以作作各各种种多多管程多壳程的复杂流动。管程多壳程的复杂流动。1/21/202383Process System principle 传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用管壳式换热器的设计与选用 （3 3）换热器中管子的规格和排列方式）换热器中管子的规格和排列方式 当当流流量量一一定定时时，管管程程或或壳壳程程越越多多，对对流流传传热热系系数数越越大大，对对传传热热过过程

49、程越越有有利利。但但是是，采采用用多多管管程程或或多多壳壳程程必必导导致致流流体体阻阻力力损损失失，即即输输送送流流体体的的动动力力费费用用增增加加。因因此此，在在决决定定换换热热器器的的程程数数时时，需需权权衡衡传传热热和和流流体体输输送送两两方方面面的的损损失失。当当采采用用多多管管程程或或多多壳壳程程时时，列列管管式式换换热热器器内内的的流流动动形形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。式复杂，对数平均值的温差要加以修正。管子的规格管子的规格 19192mm2mm和和 25252.5mm2.5mm 管长：管长：1.51.5、2.02.0、3.03.0、6.06.0和和9.0m9.0m等；等

50、；排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列。排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列。1/21/202384Process System principle 传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用管壳式换热器的设计与选用 （4 4）折流挡板）折流挡板 安安装装折折流流挡挡板板的的目目的的是是为为提提高高壳壳程程对对流流传传热热系系数数，为为取取得得良良好好的的效效果，挡板的形状和间距必须适当。果，挡板的形状和间距必须适当。对对圆圆缺缺形形挡挡板板而而言言，弓弓形形缺缺口口的的大大小小对对壳壳程程流流体体的的流流动动情情况况有有重重要要影响。影响。图图4-27 4-27 管子排列方式管子排列