第四章 传 热

149
1 第第第

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第四章 传 热. 要求 : 1. 掌握热传导的基本原理、傅立利定律、平壁与圆筒壁的稳定热传导计算; 2. 掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律; 3. 掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均温度差、总传热系数进行传热计算 ;. 4. 理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用条件; 5. 了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途径。. 重点: 对数平均温度差、总传热系数的计算、换热器的计算。. 4.1 概述. 传热: 由于温度差引起的能量转移,又称热传递。 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 第四章  传  热

1

第四章 传 热

Page 2: 第四章  传  热

2

要求:1.掌握热传导的基本原理、傅立利定律、平壁与

圆筒壁的稳定热传导计算;

2.掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律;

3.掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均

温度差、总传热系数进行传热计算;

Page 3: 第四章  传  热

3

4.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用

条件;

5.了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途

径。

Page 4: 第四章  传  热

4

重点:对数平均温度差、总传热系数的计算、换热器的

计算。

Page 5: 第四章  传  热

5

4.1 概述

传热:传热:由于温度差引起的能量转移,又称热传递。

稳态传热:稳态传热:传热系统中无能量积累。其特点是:

传热速率在任何时刻为常数,且系统中各点的温度

仅随位置变化,不随时间而变。

非稳态传热:非稳态传热:传热系统中各点的温度不仅随位置

变化,而且随时间而变。

Page 6: 第四章  传  热

6

4.1.1 4.1.1 传热的基本方式传热的基本方式

分类:(传热机理)

1.热传导

1)定义:物体各部分之间不发生相对位移,仅借

分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引

起的热量传递,又称导热。

2)条件:系统两部分之间存在温度差。

Page 7: 第四章  传  热

7

2.热对流

1)定义:物体各部分之间发生相对位移所引起

的热传递过程,简称对流传热。

2)产生原因:

流体温度中各处温度的不同而引起密度的差

别,使流体质点产生位移,称自然对流;

外力所致流体质点的强制运动,称强制对流。

Page 8: 第四章  传  热

8

3) 说明:

同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对

流;

化工过程中,流体流过固体表面时的传热是包

含了热传导和热对流的联合过程,称对流传热;

对流传热与流体流动状况密切相关。

Page 9: 第四章  传  热

9

3.热辐射

1.定义:由于热原因而产生的电磁波在空间的传递。

2.说明:

任何物体只要在绝对零度以上,都能进行热辐射;

物体只有在温度较高时,热辐射才能成为主要的传热方式。

Page 10: 第四章  传  热

10

4.1.2 传热过程中热、冷流体(接触)热

交换的方式(自学)

Page 11: 第四章  传  热

11

4.2 热传导

4.2.1 基本概念和傅立叶定律

,,, zyxft

1.温度场和温度梯度

1) 温度场

某一时刻物体或系统内各点的温度分布。

Page 12: 第四章  传  热

12

2) 等温面:温度场中同一时刻下相同温度各点所

组成的面。等温面不能相交。

3) 温度梯度:两相邻等温面的温度差与两面间的

垂直距离之比。

稳态温度场: 0,,

t

zyxft

00

z

t

y

ttxft

稳态一维温度场:

Page 13: 第四章  传  热

13

tt+t

Qds

n

t-t

Page 14: 第四章  传  热

14

n

t

n

t

n

tgradt

n

0lim温度梯度:

dx

dtgradt 稳态一维温度梯度:

Page 15: 第四章  传  热

15

:导热系数,w/(m﹒oC);

Q:导热速率,w;

S:等温面的面积,m2 。

n

tdSdQ

2.傅立叶定律

通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积

成正比,即:

n

tdS dQ

Page 16: 第四章  传  热

16

nt

dS

dQ

表 4-1 物质导热系数的数量级

物质种类 气体 液体 非导固体 金属 绝热材料

W/(m﹒oC)

0.006~0.6

0.07~0.7

0.2~ 3.0 15~ 420 ﹤0.25

Page 17: 第四章  传  热

17

4.2.2 导热系数

taat 100 1

1.固体的导热系数

金属: t,

非金属: t,

对大多数固体:

Page 18: 第四章  传  热

18

2.液体的导热系数

大多数液态金属: t,

液体(除水和甘油): t,

3.气体的导热系数

t,

Page 19: 第四章  传  热

19

4.2.3 平壁的温态热传导

1.单层平壁的热传导

b:平均壁厚, m ; t:温度差, oC;

Qt1

t2

b

tt1

b x0

t2

Page 20: 第四章  传  热

20

稳态的一维平壁热传导:

dx

dtSQ

对上式积分可得:

Page 21: 第四章  传  热

21

R1:导热热阻, m2﹒oC/

w。

121

R

tb

tt

S

Qq

R:导热热阻, oC/

w。

R

t

S

btt

ttSb

Q

2121 )(

Page 22: 第四章  传  热

22

传热阻力传热推动力

传热速率

Page 23: 第四章  传  热

23

2.多层平壁的热传导

b1 b2 b3

Q

t

x

t1t2

t3t4

Page 24: 第四章  传  热

24

以三层平壁为例:

321 QQQQ

S

btt

S

btt

S

btt

Q

2

2

43

2

2

32

1

1

21

321

321

2

2

2

2

1

1

41

RRR

ttt

S

b

S

b

S

btt

Page 25: 第四章  传  热

25

多层平壁:

R

t

S

btt

Q n

i i

i

n

1

11

Page 26: 第四章  传  热

26

4.2.4 圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导(稳态)

Qr1 r

drr2t 2 t 1

L

Page 27: 第四章  传  热

27

dr

dtrL

dr

dtSQ 2

1

2

21

ln

2

r

rttL

Q

上式积分可得:

1

2

21

ln2

1

r

r

L

tt

mS

btt

21

Page 28: 第四章  传  热

28

面积的对数平均值

半径的对数平均值

12 rrb

L

Qq

Lr

r

rrrL

S mm

2ln

2

1

2

12

1

2

12

lnr

rrr

rm

Page 29: 第四章  传  热

29

2.多层圆筒壁的热传导(稳态)

t 2

t 1

t 3

t 4

r1 r2 r3

r4

Page 30: 第四章  传  热

30

以三层圆筒壁为例:

33

3

22

2

11

1

41

mmm S

b

S

b

S

btt

Q

3

4

32

3

21

2

1

41

ln2

1ln

2

1ln

2

1

r

r

Lr

r

Lr

r

L

ttQ

321

321

RRR

ttt

Page 31: 第四章  传  热

31

n

i mii

i

n

S

btt

Q

1

11

对多层圆筒壁:

n

i i

i

i

n

r

r

L

ttQ

1

1

11

ln2

1

Page 32: 第四章  传  热

32

3.保温层临界直径

t 1 t 2 t f

r i

ro

Page 33: 第四章  传  热

33

Lrr

r

L

tt

RR

ttQ

i

ff

0

0

1

21

1

2

1ln

2

1

0

1/ln

112

2

0

0

200

21

0

r

rr

rrttL

dr

dQ

i

cr 2

cd 保温层的临界直径

Page 34: 第四章  传  热

34

4.3 对流传热 4.3.1 对流传热的分析

温度

T

Tw

tw

t

距离

传热壁面

滞流内层

热流体

冷流体

Page 35: 第四章  传  热

35

4.3.2 壁面和流体间的对流传热速率

牛顿冷却定律:以热流体和壁面间的对流传热为例

dSTT

dS

TTdQ w

w

1

:局部对流传热系数

:平均对流传热系数

tSQ

Page 36: 第四章  传  热

36

热流体在管内流动,冷流体在管间流动,则对

流传热速率方程可表示为 :

ow

iwi

dSttdQ

dSTTdQ

o

Si, So:换热器管内侧和外侧表面积, m2;

i, o:内侧和外侧流体对流传热系数, w/

(m2﹒oC)。

Page 37: 第四章  传  热

37

表 4-3 值的范围

换热方式

空气自然对流

气体强制对流

水自然对流

水强制对流

水蒸气冷凝

有机蒸气冷凝

水沸腾

w/(m2

﹒oC)

5~26

20~100

20~1000

1000~15000

5000~15000

500~2000

2500~25000

Page 38: 第四章  传  热

38

4.3.3 热边界层(了解)

Page 39: 第四章  传  热

39

4.4 传热计算

设计计算:

→生产要求的热负荷 换热器的传热面积

校核计算:

→换热器 换热器传热量、流体流量或温度

Page 40: 第四章  传  热

40

4.4.1 能量衡算

假设换热器绝热良好,热损失可忽略,则单位时

间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量,即:

1221 ccchhh HHWHHWQ

若换热器中两流体无相变:

1221 ttcWTTcWQ pccphh

Page 41: 第四章  传  热

41

若换热器中热(冷)流体仅发生相变:

21

12

TTcWrWQ

ttcWrWQ

phhcc

pcchh

若换热器中热(冷)流体发生相变,且发生冷却(加热):

2112

1221

TTcWttcrWQ

ttcWTTcrWQ

phhpccc

pccphhh

Page 42: 第四章  传  热

42

4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数

1.总传热速率微分方程

tdSKdStTKdQ

K :总传热系数, w/(m2﹒oC)。工程上大

多以外表面积为基准的。

mmiioo dStTKdStTKdStTKdQ

Page 43: 第四章  传  热

43

o

i

o

i

i

o

d

d

dS

dS

K

K

圆 管:

o

m

o

m

m

o

d

d

dS

dS

K

K

Page 44: 第四章  传  热

44

2.总传热系数

1)总传热系数的计算式

两流体通过管壁的传热过程可分解为:

热流体在流动过程中把热量传给管壁的对流

传热;

通过管壁的热传导;

管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。

Page 45: 第四章  传  热

45

oo

w

m

ww

ii

w

dS

tt

dS

btT

dS

TTdQ

11

比较上面两式可得:

oo

oo

dSK

tTdStTKdQ

1

oomii dSdS

b

dS

tT

11

Page 46: 第四章  传  热

46

圆 管:om

o

ii

o

o d

bd

d

d

K 11

oomiioo dSdS

b

dSdSK 111

om

o

ii

o

o dS

bdS

dS

dS

K 11

om

o

ii

oo

d

bd

d

dK

1

1

Page 47: 第四章  传  热

47

2)污垢热阻

oso

m

o

i

osi

ii

o

o

Rd

bd

d

dR

d

d

K 11

Rsi, Rso:管内,外侧表面上的污垢热阻

3)总传热系数的数值范围(见书)

Page 48: 第四章  传  热

48

例 4-4:

oso

m

o

i

osi

ii

o

o

Rd

bd

d

dR

d

d

K 11

1000

1102.0

0225.045

025.00025.0

02.0

025.0105.0

02.050

025.0 33

33333 101102.0100617.010625.01025

21069.2

Page 49: 第四章  传  热

49

K0=37.2 W/(m2C)

%7.230 K

KK

按平壁计算结果: K0=46 W/(m2C)

Page 50: 第四章  传  热

50

例 4-5:

oii

o

o d

d

K 11

i提高一倍:

C)w/(m74 020 K

2

33

1035.1

101105.12

1000

1

02.0100

025.0

Page 51: 第四章  传  热

51

0提高一倍:

oii

o

o d

d

K 11

C)w/(m39 020 K

2

33

1055.2

105.01025

2000

1

02.050

025.0

Page 52: 第四章  传  热

52

4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程

tdSKdStTKdQ

为了对上式积分,作如下假定:

( 1)传热为稳态过程;

( 2)两流体的比热均为常量;

( 3 )总传热系数 K 为常量;

( 4)换热器的热损失可以忽略。

Page 53: 第四章  传  热

53

1.恒温传热时的平均温度差

tKSQ

Page 54: 第四章  传  热

54

2.变温传热时的平均温度差

s

T1

t2T2

t1

s

t2T2

t1

T1

(a) (b)

Page 55: 第四章  传  热

55

t2

T2

t1

T1

t1

t2

0 Q

T

t

温度

传热量

t=T- t

Page 56: 第四章  传  热

56

1)逆流和并流时的平均温度差

mtKSQ

对数平均温度差

90 6020 40

9.39 mt

90 6040 20

8.44 mt

1

2

12

lnt

ttt

tm

Page 57: 第四章  传  热

57

工程计算中,当 t2 /t1 < 2时,可用算术平均

温度差代替对数平均温度差。

当一侧流体变温时: 并逆 mm tt

并逆 mm tt 当两侧流体变温时:

Page 58: 第四章  传  热

58

2)错流和折流时的平均温差

1

2

1

2

1

(a) (b)

(a) 错流

(b) 折流

Page 59: 第四章  传  热

59

计算:

mtKSQ

tm可采用安德伍德( Underwood)和鲍

曼 Bowman的算法图来计算。

按逆流计算平均温度差: tm1

计算温度差校正系数: t

Page 60: 第四章  传  热

60

1mtm tt

两流体的最初温升冷流体的温升

11

12

tT

ttP

RPft ,

冷流体的温升热流体的温降

12

21

tt

TTR

Page 61: 第四章  传  热

61

Page 62: 第四章  传  热

62

例 4-8:在一传热面积为 15.8m2的逆流套管换热器

中,用油加热冷水。油的流量为 2.85kg/s、进口温度

为 1100C;水的流量为 0.667 85kg/s、进口温度为

350C。油和水的平均比热分别为 1.9及 4.18kJ/(kg0C)

。换热器的总传热系数为 320W/(m20C)。试求水的出

口温度及传热量。

1221 ttcWTTcWQ pccphh

mtKSQ

Page 63: 第四章  传  热

63

解法:

。正确,否则重新假设相等则初设

是否相等与

初设

22

12

2

2

,

tt

tKSttcW

t

t

mpcc

m

T

解得 t2 = 89.8 0C, Q = 160.3 kw

1221 ttcWTTcW pccphh

Page 64: 第四章  传  热

64

4.4.4 总传热速率方程的应用

1. 传热面积的计算

1 )总传热系数 K 为常数

2 )总传热系数 K 不为常数

( 1) K与温度呈线性变

化: 12

21

1221

lntK

tKtKtK

SQ

( 2) K与温度不呈线性变化:分段计算;

( 3) K与温度变化较大时:采用图解积

分。

mtK

QS

Page 65: 第四章  传  热

65

2. 实验测定总传热系数 K

例 4-9( P236)

3.换热器的操作型计算

例 4-10( P237)

Page 66: 第四章  传  热

66

4.4.5 传热单元数法

传热单元数( NTU —)法又称传热效率 传热单元

数(— NTU)法。主要用于换热器的校核计算

等。 1221 ttcWTTcWQ pccphh

Page 67: 第四章  传  热

67

将换热器实际热流量 Q与其无限大传热面积时的最大可能传热量 Qmax之比,称为换热器的传热效率 ε。

T1

t2

T2

t1

t1

T2

T1=t2 T1

t2

T2=t1

(a)传热实际情况

(b)冷流体(W 相对小的理论极限情况 (c)冷流体(W 相对小的理论极限情况

Page 68: 第四章  传  热

68

1. 传热效率

maxQ

Q

最大可能的传热量实际的传热量

WC p:流体的热容量流率。

1minmax tTWQ p C

Page 69: 第四章  传  热

69

如果热流体为最小值流体,则:

11

21

11

21

tT

TT

tTcW

TTcW

phh

phhh

如果冷流体为最小值流体,则:

11

12

11

12

tT

tt

tTcW

ttcW

pcc

pccc

Page 70: 第四章  传  热

70

2.传热单元数 NTU

dStTKdtcWdTcWdQ pccphh

对冷流体:

dStTKdtcW pcc

pcccW

KdS

tT

dt

pcc

t

t

S

pccc cW

KS

cW

KdS

tT

dtNTU

2

1 0)(

Page 71: 第四章  传  热

71

(NTU)C:基于冷流体的传热单元数,反映了:

传热温度差与传热推动力之比;

10C平均温度差的传热速率与冷(或热)流

体每升高(或降低) 10C所吸收(或放出)的

热量之比。

Page 72: 第四章  传  热

72

列管换热器:

基于冷流体的传热单元长度

2

1

t

tpccpcc tT

dt

cW

dLnK

cW

KS

cc

t

t

pcc NTUHtT

dt

dKn

cWL

2

1

dKn

cWH pcc

c

Page 73: 第四章  传  热

73

1CNTU若

mCC

t

tC tT

tt

tT

dtNTU

C

C

122

1

传热单元数物理意义: 列管换热器中的列管可视

为 (NTU)段,每段的长度为 H,每段内流体的温

度变化等于传热平均温度差。

Page 74: 第四章  传  热

74

3.传热效率和传热单元数的关系

Page 75: 第四章  传  热

75

Page 76: 第四章  传  热

76

Page 77: 第四章  传  热

77

4.5 对流传热系数关联式

4.5.1 对流传热系数的影响因素

1.流体的种类和相变化的情况

换热方式

空气自然对流

气体强制对流

水自然对流

水强制对流

水蒸气冷凝

有机蒸气冷凝

水沸腾

w/(m2﹒oC)

5~26

20~100

20~1000

1000~15000

5000~15000

500~2000

2500~25000

表 4-3 值的范

Page 78: 第四章  传  热

78

2.流体的物性

1 )导热系数 大, 大;

2 )粘度 大, 小;

3 )比热和密度 Cp 大,

大;

4 )体积膨胀系数 大, 大。

Page 79: 第四章  传  热

79

3.流体的温度

流体物性、附加自然对流

4.流体的流动状态

滞流小、湍流大

Page 80: 第四章  传  热

80

5.流体流动的原因

自然对流小、强制对流大

6.传热面的形状、位置和大小

形状:管、板、环隙、翅片等

位置:水平、垂直、管束的排列方式

大小:管径、管长、板高、进口效应

Page 81: 第四章  传  热

81

4.5.2 对流传热过程的因次分析

1.流体无相变时的强制对流传热过程

Pr,eRfNu

关联对流传热系数的准数l

Nu

p

r

cP

lu

Re

反映物性影响的准数

反映流动状态影响的准数

Page 82: 第四章  传  热

82

2

23

tgl

Gr

2.自然对流传热过程

反映自然对流影响的准数

Pr,GrfNu

Page 83: 第四章  传  热

83

3.应用准数关联式应注意的问题1)定性温度

流体的平均温度(常用)

壁面的平均温度

流体和壁面的平均温度(膜温)

2)特征尺寸

圆管内取管内径

非圆管取当量直径= 4流动截面积 /传热周边

3)应用条件

Page 84: 第四章  传  热

84

4.5.3 流体无相变时的对流传热系数

1.流体在管内作强制对流

1)流体在圆形管内作强制湍流

Page 85: 第四章  传  热

85

( 1)低粘度流体

n

pi

i

ne

cud

dor

RNu

8.0

8.0

023.0

Pr023.0

当流体被加热时, n=0.4,

当流体被冷却时, n=0.3。

Page 86: 第四章  传  热

86

特征尺寸:取管内径;

定性温度:流体进出口温度的算术平均值。

进行校正。乘以,若

应用范围:

7.0

4

160

60120Pr7.010

L

d

d

L

d

LR

i

i

ie

Page 87: 第四章  传  热

87

( 2)高粘度流体14.0

318.0 Pr023.0

weRNu

14.0

w

318.0 Pr023.0 eRNu

Page 88: 第四章  传  热

88

特征尺寸:取管内径;

定性温度:流体进出口温度的算术平均值。

60120Pr7.0104 i

e d

LR应用范围:

Page 89: 第四章  传  热

89

2)流体在圆形管内作强制滞流

3)流体在圆形管内作过渡流

Page 90: 第四章  传  热

90

2.流体在管外作强制对流

1)流体在管束外作强制垂直流动

Page 91: 第四章  传  热

91

2)流体在换热器的管间流动

Page 92: 第四章  传  热

92

3.自然对流

nGrcNu Pr

Page 93: 第四章  传  热

93

4.5.4 流体有相变时的对流传热系数

1.蒸气冷凝

1)蒸气冷凝方式

( 1)膜状冷凝

传热面为冷凝液膜面,故膜状冷凝的热阻主

要集中在冷凝液膜内。

Page 94: 第四章  传  热

94

( 2)滴状冷凝

传热面主要为固体壁面,故滴状冷凝传热系

数比膜状冷凝大得多(几倍甚至几十倍),但工

业上遇到的大多是膜状冷凝。

Page 95: 第四章  传  热

95

Page 96: 第四章  传  热

96

2)膜状冷凝对流传热系数

努塞尔特( Nusselt)理论公式及实验结果。

Page 97: 第四章  传  热

97

3)影响冷凝传热的因素

( 1)冷凝液膜两侧的温度差

液膜滞流时,温度差加大,冷凝传热系数降低。

( 2)流体物性

液膜的密度、粘度、导热系数、蒸汽的冷凝潜热

( 3)蒸气的流速和流向

( 4)蒸气中不凝性气体的含量

( 5)冷凝壁面

Page 98: 第四章  传  热

98

2.液体的沸腾

工业上液体沸腾方式:大容积沸腾、管内沸腾。

大容积沸腾:加热壁面浸没在液体中,液体在壁面

受热沸腾。

管内沸腾:液体在管内流动时受热沸腾。

Page 99: 第四章  传  热

99

1)液体沸腾曲线

Page 100: 第四章  传  热

100

由图可知:

( 1) t50C时:和 q较低,原因是液体内部产

生自然对流,液体表面发生蒸发;

( 2) t= 5~ 250C : 和 q急剧增大,原因是

壁面不断有气泡产生、脱离和上升,使液体受到剧

烈的扰动,此段称泡核沸腾或泡状沸腾;

( 3) t>250C : 和 q急剧下降,然后稳定,原

因是气泡数急剧增加,在壁面形成一层气膜,此段

称膜状沸腾。

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101

2)沸腾传热系数的计算

3)影响沸腾传热的因素

( 1)液体的性质:液体的导热系数、密度、粘度

和表面张力;

( 2)温度差;

( 3)操作压强:压强提高,增加;

( 4)加热壁面:材料、粗糙度。

Page 102: 第四章  传  热

102

4.5.5 壁温的估算

例 4-16 结果表明:

管壁温度接近热阻小的那侧流体的温度。

Page 103: 第四章  传  热

103

4.6 辐射传热(自学)

Page 104: 第四章  传  热

104

4.7 换热器

1.间壁式换热器

热流方向

冷流体

热流体

对流

导热

对流

dLnS

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105

2.混合式

Page 106: 第四章  传  热

106

3.蓄热式换热器

Page 107: 第四章  传  热

107

4.7.1 间壁式换热器的类型

1.管式换热器

1)蛇管式换热器

Page 108: 第四章  传  热

108

( 1)沉浸式

Page 109: 第四章  传  热

109

结构:这种换热器多以金属管子绕成,或制成各种

与容器相适应的情况,并沉浸在容器内的液体中。

优点:结构简单,便于防腐,能承受高压。

缺点:由于容器体积比管子的体积大得多 ,因此管

外流体的表面传热系数较小。为提高传热系数,容器

内可安装搅拌器。

Page 110: 第四章  传  热

110

( 2)喷淋式

Page 111: 第四章  传  热

111

结构:多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排

地固定于钢架上,被冷却的流体在管内流动,冷

却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下,故又称喷

淋式冷却器。

优点:传热推动力大,传热效果好,便于检修

和清洗。

缺点:喷淋不易均匀。

Page 112: 第四章  传  热

112

2)套管式换热器(逆流)

Page 113: 第四章  传  热

113

结构:将两种直径大小不同的直管装成同心套管,

可用 U形肘管把管段串联起来,每一段直管称作一

程。

优点:进行热交换时使一种流体在内管流过,另一

种则在套管间的环隙中通过。流速高,表面传热系数

大,逆流流动,平均温差最大,结构简单,能承受高

压,应用方便。

缺点:管间接头较多,易发生泄漏;单位长度具有

的传热面积小。

Page 114: 第四章  传  热

114

3)管壳式换热器

( 1)固定管板式

优点:结构简单 ,成本低;

缺点:壳程不易机械清洗 ,可能产生较大的热应

力;

使用场合 :壳程流体不易结垢或容易化学清洗 ,壳

体与传热管壁温度之差小于 50度,否则加膨胀节

(低于 60~ 70度 ,压力低于 600kPa)。

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115

Page 116: 第四章  传  热

116

( 2) U型管换热器

特点:管内清洗困难

Page 117: 第四章  传  热

117

( 3)浮头式换热器

结构较为复杂 ,成本高 ,消除了温差应力,应用广

泛。

Page 118: 第四章  传  热

118

2.板式换热器

1)夹套式换热

Page 119: 第四章  传  热

119

结构:夹套式换热器主要用于反应过程的加热

或冷却,是在容器外壁安装夹套制成。

优点:结构简单。

缺点:传热面受容器壁面限制,传热系数小。

为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜

内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。

Page 120: 第四章  传  热

120

2)板式换热器

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121

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122

Page 123: 第四章  传  热

123

3)螺旋板式换热器(逆流)

Page 124: 第四章  传  热

124

Page 125: 第四章  传  热

125

3.翅片式换热器

1)翅片式管换热器

Page 126: 第四章  传  热

126

Page 127: 第四章  传  热

127

静态混合器

Page 128: 第四章  传  热

128

2)板翅式换热器

Page 129: 第四章  传  热

129

4.热管换热器

( 1)由传热管、壳体、隔板构成。

( 2)通过工作液的沸腾气化、蒸气流动、蒸气

冷凝实现传热。

( 3)特别适用低温差的传热。

Page 130: 第四章  传  热

130

Page 131: 第四章  传  热

131

( 2)型号表示方法

X XXXX X -XX -

XXX

1 2 3 4 5

1:换热器的代号

2:公称直径

3:管程数

4:公称压强

5:公称换热面积

2)管壳式换热器的系列标准

Page 132: 第四章  传  热

132

2. 管壳式换热器设计时应考虑的问题

1)流体流径的选择

在换热器中,哪一种流体流经管程,哪一种流

经壳程,下列几点可作为选择的一般原则:

不洁净或易结垢的液体宜在管程;

腐蚀性流体宜在管程,以免管束和壳体同时受到

腐蚀;

压力高的流体宜在管内,以免壳体承受压力;

Page 133: 第四章  传  热

133

饱和蒸汽宜走壳程,因饱和蒸汽比较清洁,表

面传热系数与流速无关,而且冷凝液容易排出;

流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜,因在

壳程 Re>1000即可达到湍流。但这不是绝对的,

如流动阻力损失允许,将这类流体通入管内并采用

多管程结构,亦可得到较高的表面传热系数;

Page 134: 第四章  传  热

134

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;

需要被冷却物料一般选壳程,便于散热。

Page 135: 第四章  传  热

135

以上各点常常不可能同时满足,应抓住主要

方面,例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等

要求来考虑,然后再从对阻力降低或其他要求予

以校核选定。

Page 136: 第四章  传  热

136

2)流体流速的选择

Page 137: 第四章  传  热

137

3)流体两端温度的选择

4)管子的规格和排列方式

规格: 252.5 , 192

长度: 1.5, 2, 3, 4.5, 6

和 9m

长径比: 4~ 6

排列方式:等边三角形、正方形

Page 138: 第四章  传  热

138

Page 139: 第四章  传  热

139

5)管程和壳程数的确定

u

um

8.0t 要求:

:管内流体实际流速。:管内流体适宜流速;:管程数;

u

u

m

Page 140: 第四章  传  热

140

6)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。

我国系列标准中采用的挡板间距为:

固定管板式有

100, 150, 200, 300, 450, 600, 70

0mm 七种

浮头式有

100, 150, 200, 250, 300, 350, 45

0(或 480), 600mm 八种。

Page 141: 第四章  传  热

141

挡板的形状和间距必须适当。

Page 142: 第四章  传  热

142

7)外壳直径的确定

bntD c 21

nn

nn

c

c

19.1

1.1

正方形排列:

正三角形排列:

Page 143: 第四章  传  热

143

8)主要附件

封头、缓冲挡板、导流筒、放气孔、排液孔、接管

9)材料的选用

10)流体流动阻力的计算

Page 144: 第四章  传  热

144

3.列管式换热器的选用和设计计算步骤

1)试算并初选设备规格

确定流体在换热器中的流动途径;

根据传热任务计算热负荷 Q;

确定流体在换热器两端的温度,选择换热器

型式,计算定性温度,并确定流体在定性温度

下的物性数据;

计算平均温度差,决定壳程数;

Page 145: 第四章  传  热

145

初选总传热系数;

由传热速率方程,初步计算出传热面积,并确

定换热器的基本尺寸。

Page 146: 第四章  传  热

146

2)计算管、壳程压强降

3)核算总传热系数

根据选择的换热器,再计算总传热系数 K1,

要求 K1 / K = 1.15 - 1.25 ,否则,另选 K,直

至满足要求为止。

Page 147: 第四章  传  热

147

4.7.3 各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径

1.各种间壁式换热器的比较

视具体情况,综合考虑择优选定。

Page 148: 第四章  传  热

148

2.传热的强化途径

1)增大单位体积的传热面积;

2)增大平均温度差:提高逆流程度;

3 )增大总传热系数 K

Page 149: 第四章  传  热

149

( 1)加大流速;

( 2)增强流体的扰动;

( 3)在流体中加固体颗粒;

( 4)采用短管技术;

( 5)防止结垢和及时清除垢层。

原则:抓住影响强化传热的主要矛盾,结合设备结

构、动力消耗、检修操作等,采取经济合理的强化

方法。