1、化工基礎之傳熱過程及換熱器第1頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二概述1、生活中的傳熱過程2、化工生產中傳熱過程 物料的加熱與冷卻 熱量和冷量的回收利用 設備與管路的保溫3、傳熱中的一些基本方式：1）傳導傳熱2）對流傳熱3）輻射傳熱4、工業上的傳熱方式第2頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二熱傳導可以在存在溫差的一個物體內部或兩個直接接觸的物體之間進行。靠質點在平衡位置附近的振動完成熱傳導的過程，不發生宏觀位移。熱傳導是固體進行熱傳遞的一種典型方式。但在氣體和液體中同樣存在熱傳導。熱傳導一定要有介質才能進行。第3頁，共64頁，2022年，5月20日，0點

2、52分，星期二對流傳熱靠傳熱質點發生宏觀位移和混合，完成熱量的傳遞自然對流強制對流 有外力作用強制對流的效果較自然對流好。第4頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二熱輻射熱量以電磁波的形式傳遞。不需要任何傳熱介質，可以在真空中傳遞任何物體，只要溫度在絕對零度以上，就會輻射能量。只有溫度較高時，熱輻射才能成為主要的熱傳遞方式大多數的熱傳遞過程是兩種或三種傳熱方式同時進行的第5頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傳導傳熱1、fourier定律2、化工生產中間壁式換熱器的傳熱面有平面壁和圓筒壁兩種結構形式之分平面壁定態傳熱圓筒壁的傳導傳熱第6頁，共64頁，202

3、2年，5月20日，0點52分，星期二定態傳熱（穩態傳熱）物體中各點溫度不隨時間發生變化的熱量傳遞過程。也就是說在定態傳熱系統中，不存在熱量積累，輸入熱量輸出熱量，定點溫度不隨時間變化。即同一熱流方向上的傳熱速率為常量。第7頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傅立葉定律熱傳導基本方程 如圖，物體均勻，兩側存在溫差 ，熱傳遞方式：傳導 實驗證明：單位時間物體的導熱量 與導熱面積A和溫度梯度 成正比。負號的說明傅立葉定律第8頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二定態傳熱時，即為傳熱速率單位時間通過傳熱面的熱量熱導率的大小與物質的組成、結構、狀態（溫度、濕度、壓強

4、）等因素有關,主要取決于物質種類(固、液、氣)和溫度熱導率是表征物質導熱能力的一個參數，為物質性質之一。熱導率越大，物質的導熱能力越強比例系數是熱導率第9頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二 2間壁式換熱器壁面的熱傳導 化工生產中間壁式換熱器的傳熱面有平面壁和圓筒壁兩種結構形式之分，同時也有單層和多層之別。1）平面壁的定態熱傳導單層平壁t1t2第10頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二多層平壁熱傳導 工程上常常遇到多層不同材料組成的平壁，例如工業用的窯爐，其爐壁通常由耐火磚、保溫磚以及普通建筑磚由里向外構成，其中的導熱則稱為多層平壁導熱。下面以三層平壁導

5、熱計算為例，介紹多層平壁導熱的計算方法。在穩態傳熱時，通過上述串聯平壁的導熱速率都是相等的。即 b1b2b3Qtt1t2t3t4x根據等比定律則有第11頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二化簡得若由三層平壁導熱向n層平壁推廣，其導熱速率方程式則為：式中下標i為平壁的序號。C第12頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二2）圓筒壁的定態熱傳導 化工生產中的導熱問題大多是圓筒壁中的導熱問題。例如，管式換熱器、蒸汽及液氨導管壁面中的傳熱過程等均屬于此類。它與平壁導熱的不同之處在于：溫度隨半徑而變；此時傅立葉定律應改寫為圓筒壁的導熱面積隨半徑而變，A2rL 。第13

6、頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二如圖所示，設圓筒壁的內、外半徑分別為r1和r2長度為L；內、外表面溫度分別為t1和t2，且t1 t2 ；管材導熱系數為。則由傅立葉定律有：因穩定過程導熱體的導熱速率為常數，導熱體的導熱系數可視為常數或可取平均值，則上式中僅包含溫度t和半徑r兩個變量。 第14頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二將上式分離變量，并根據r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的邊界條件積分。即：積分得： 式中 即為圓筒壁的導熱熱阻。 上式即為單層圓筒壁的導熱速率方程式，該式也可以改寫成類似單層平壁的導熱速率計算式的形式。 第15頁，共64頁，

7、2022年，5月20日，0點52分，星期二由上式中 ，為圓筒壁的厚度，m。若令上式中的 ，稱為圓筒壁的對數平均半徑；又根據圓筒壁的導熱面積計算式，可令 ，稱為圓筒壁的平均導熱面積。故上式可改寫為：跟傳熱平均溫度差計算相類似地，當r2/r12時，上式中的對數平均半徑也可用算術平均值代替。 第16頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二在工程上，多層圓筒壁的導熱情況比較常見。例如，在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量（或冷量）損失；在反應器或其他容器內襯以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內換熱管的內、外表面形成污垢等等。對于多層圓筒壁，其導熱速率方程可

8、以表示為：2、多層圓筒壁導熱計算第17頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對流傳熱對流傳熱過程分析對流傳熱速率影響對流傳熱速率系數的因素對流傳熱吸收經驗關聯式的建立無相變時對流傳熱有相變時對流傳熱第18頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對流傳熱湍流主體：溫差：很大熱阻：很大傳熱方式：熱傳導層流底層：溫差：較小熱阻：較層流底層小很多傳熱方式：熱傳導和熱對流緩沖層：溫差：很小熱阻：很小傳熱方式：熱對流第19頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二膜模型的建立工程計算上常常假設把傳熱過程的熱阻全部疊加到邊界層的熱阻中。假設靠近壁面處有一流體膜

9、，厚度為t。膜內為層流，膜外為湍流。將所以熱阻全部集中到膜內。膜內傳熱方式：熱傳導。t=e+_總有效膜厚度te湍流區虛擬膜厚度層流底層膜厚度第20頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對流傳熱速率方程牛頓冷卻定律仿照平壁熱傳導速率方程，得到對流傳熱速率方程：實際上，膜的厚度很難測定，所以引入一個系數h，使該系數中既包括熱阻系數，又包含膜的厚度：對流傳熱速率方程為：牛頓冷卻定律第21頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二A傳熱面積t溫差對熱流體：t=TTw對冷流體：t=twt注：由于傳熱過程的進行，間壁兩側流體的溫度是變化的，計算時流體的溫度T和t均采用平均溫

10、度進行計算。第22頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對流傳熱系數的影響因素牛頓冷卻定律實際上是將所以復雜因素全部都集中在對流傳熱系數中。如何確定各種條件下的對流傳熱系數成為對流傳熱的中心問題。影響流體對流傳熱系數的因素：1、流體的流動狀態2、流體流動產生的原因 3、流體的物理性質4、傳熱表面的情況5、流體有無相變化發生第23頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二流動狀態對對流傳熱的影響層流 無質點徑向脈動，徑向傳熱方式為熱傳導湍流 湍流主體和過渡層有質點脈動，以對流傳熱為主。 層流底層的傳熱方式為熱傳導 湍流程度越大，對流傳熱速率越大第24頁，共64頁，

11、2022年，5月20日，0點52分，星期二流動產生的原因強制對流 流體在外界作用下產生的宏觀流動 傳熱速率主要取決于流動狀態（流體主體與層流底層） 工程上采取相應手段對該傳熱過程進行強化 如攪拌、換熱器中加入干擾元件等方法。自然對流 由于冷熱部分密度不同引起的流體流動 溫差存在于壁面與流體主體之間的整個范圍 傳熱速率遠小于強制對流第25頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二流體的性質主要影響熱傳導和自然對流中的環流速度粘度 如石油加工過程中對高溫重油熱能的回收密度比熱容熱導率 氣體對流傳熱系數與液體的比較 原子能工業采用低沸點液態金屬作為加熱劑第26頁，共64頁，2022年，

12、5月20日，0點52分，星期二傳熱面情況傳熱面形狀傳熱面擺放方式流道尺寸 傳熱面形狀直接影響流體湍流程度 做成波紋狀、翅片狀及其他異型表面 在流道中加入添加物截面較小流道更有利于傳熱短的流道更有利于傳熱傳熱面擺放方式不同會影響環流速度，從而影響自然對流效果第27頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二經驗關聯式的建立因次分析=f(u,l,CP,gt)式中，l特性尺寸 u特征流速基本因次：長度L，時間T，質量M，溫度變量總數：8個有定律（8-4）=4，可知4個無因次數群Nu=CRemPrnGri第28頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對流傳熱系數的一般關聯式

13、努塞爾準數 Nu = l/ 待定準數雷諾準數 Re = du/ 流動形態對對流傳熱的影響普蘭特準數 Pr = Cp/ 流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫準數 Gr = gt l32/2 自然對流的影響Nu=CRemPrnGri第29頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二液體有相變時的對流傳熱系數1、蒸氣冷凝膜狀冷凝；若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝。工業上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設計總是按膜狀冷凝來處理，下面介紹純凈的

14、飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數的計算方法 。第30頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二間壁式熱交換的計算間壁式熱交換包括三個過程：熱流體間壁一側壁面 對流一側壁面另一側壁面 傳導另一側壁面冷流體 對流在連續化的工業生產中，換熱器內進行的大都是定態傳熱過程，這時，則有： 傳熱基本方程第31頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二說明定態傳熱總過程的推動力和阻力亦具加和性：令 ，則傳熱總方程為： 式中K傳熱系數稱總傳熱系數， 。第32頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傳熱系數K由傳熱基本方程和傳熱總方程進行對照：對于平面壁，A1=A2=A第33

15、頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二對于單層圓筒壁，以A1為基準：以A2為基準：若間壁為多層平面壁以及間壁兩側有污垢積存時，傳熱系數為：傳熱系數K的獲得除可用公式計算外，還可通過查取相關手冊選用經驗K值，對已有換熱器，還可通過實驗測定。 12(A1)(A1)(A1)(A1)(A2)(A2)(A2)(A2)第34頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傳熱過程熱阻分析若其中一項值遠大于其他項，在該項為控制熱阻。通過實驗可測出控制熱阻如果管程流體流量的變化能使總熱阻顯著變化，而殼程流體流量對總熱阻影響很小，則管程流體熱阻為控制熱阻若兩流體流量變化均對總熱阻有顯著

16、影響，則兩熱阻均對傳熱過程控制若兩流體流量變化均對總熱阻無顯著影響，則污垢熱阻為控制熱阻第35頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傳熱過程的平均溫度差流體在管道中流動時，壁面兩側流體的溫度均沿傳熱面而變化，過程推動力（溫度差）相應地也發生變化。 第36頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二傳熱過程的平均溫度差 恒溫傳熱間壁兩側冷熱流體溫度不隨其在換熱器中的位置而變，溫差處處相等，均為Tt如間壁一側為飽和蒸汽冷凝，冷凝溫度恒為T； 另一側為液體沸騰，沸騰溫度恒為t。變溫傳熱采用對數平均值的方法來求平均溫差1）并流2）逆流第37頁，共64頁，2022年，5月2

17、0日，0點52分，星期二例：熱流體溫度由250冷卻到180 冷流體溫度由100 加熱到160 分別計算兩流體作并流和逆流時的平均溫差第38頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二在相同情況下(K及工藝熱負荷相同），逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差即滿足相同工藝換熱能力要求，采用逆流要比并流相應減少傳熱面積或載熱體使用量工藝上對冷流體或熱流體有溫度控制要求時，宜采用并流如熱量回收，宜采用逆流有一流體發生相變，則無所謂逆流、并流因此時并流、逆流，進出口溫度相同，平均溫差相等第39頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二熱負荷及熱量衡算 這里主要介紹化工計

18、算中常見的通過換熱器進行熱交換的計算方法。以列管式換熱器為例。冷流體走管外，熱流體走管內，冷熱流體通過管壁進行熱交換。Q冷Q熱熱量衡算式Q換熱器的工藝熱負荷，又稱傳熱量熱負荷的大小由傳熱任務的要求決定 傳熱速率,設備特性 傳熱速率熱負荷第40頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二注意：是否存在相變？ 無相變：冷 t1 t2熱 T1 T2 有相變：第41頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二換熱例題有一碳鋼制造的套管換熱器,其內徑為89mm3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內管從80 冷卻到50 。冷卻水在環隙從15升到35 。苯的對流傳熱系數為330W

19、 /(m2K)，水的對流傳熱系數為290W /(m2K)。忽略污垢熱阻。試求：1）冷卻水用量2）并流和逆流操作時所需傳熱面積第42頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二熱交換過程的強化措施 KATm，要增大熱流量，可通過提高K，增大A，增大Tm來實現。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二1、增大總傳熱系數K1. 防止結垢和及時清垢；2. 提高對流傳熱系數h或盡可能利用有相變的熱載體（h或大）無相變傳熱，增大湍流程度：（1）增大流速；（2）管內加擾流元件；3）改變傳熱面形狀和增加粗糙度方法：尤其從h或小的一側考慮；3. 選大的熱載體；第44頁，共64頁

20、，2022年，5月20日，0點52分，星期二例題擬用150飽和水蒸氣將流量為90000kg/h的某溶液產品由25 升溫到35 。現有一臺單管程列管式換熱器，換熱管規格為25mm2.5mm，傳熱面積為15m2。已知蒸氣在其殼程冷凝，傳熱系數為12000W/(m2K)。溶液走管程，其對流傳熱系數估計為330W /(m2K)，比熱容為1.9kJ /(kg K)。殼程污垢熱阻和管壁熱阻忽略不計，管程污垢熱阻估計為0.0001 m2 K /W。試問這臺換熱器是否能夠滿足上述換熱要求？如不能，采用加隔板的方式將該換熱器變為雙管程換熱器，問能否滿足換熱要求？（由于粘度較大，溶液在管程流動為層流，故其對流傳熱

21、系數與流速1/3次方成正比）第45頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二增加管程數，使管程流速增加，使對流傳熱系數增加不利影響：1）對數平均推動力減小（兩側流體均無相變時）；2）流動阻力大大增加第46頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二2、 增大單位體積的傳熱面積1. 采用小直徑管、用波紋管、螺旋管代替光滑管；采用翅片式換熱器等；2. 采用高效、緊湊式換熱器。如各種板狀換熱表面。第47頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二第48頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二板式換熱器優點： 傳熱系數K大 結構緊湊 操作靈活性大

22、安裝檢修方便第49頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二優點： 傳熱系數K大 結構緊湊 操作靈活性大 安裝檢修方便板式換熱器第50頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二第51頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二工程案例分析KA值換熱器工作能力的綜合反映第52頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二3、增大傳熱平均溫度差Tm 兩側無相變時，盡量采用逆流流動或接近逆流的流動排布形式； 提高加熱劑T1的溫度（如用蒸汽加熱，可提高蒸汽的壓力來達到提高其飽和溫度的目的）。 降低冷卻劑的溫度第53頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二注：（1）利用提高Tm來強化傳熱是有限的。（2）強化傳熱應權衡利弊，在采用強化傳熱時，對設備結構、制造費用、動力消耗、檢修操作等方面作綜合考慮，以便獲得經濟而合理的強化傳熱方案。第54頁，共64頁，2022年，5月20日，0點52分，星期二 換熱器類別化工生產中，根據用途可將換熱器分：為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。 第55頁