1、第四章傳熱過(guò)程及換熱器4.1化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程及常見(jiàn)換熱器工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通常要求在一定的溫度下進(jìn)行，為此，必須實(shí)時(shí)地輸入或輸出熱量。此外，在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，也都需要按一定的速率輸入或輸出熱量。1、化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程1）系統(tǒng)內(nèi)溫度的差異使熱量高溫想低溫轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱之為熱量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱過(guò)程。2）化工生產(chǎn)中傳熱過(guò)程的應(yīng)用生產(chǎn)中原料的加熱，成品的冷卻或冷凝。控制化學(xué)反應(yīng)所需要的一定溫度范圍二采取的加熱、冷卻或保溫。某些稀溶液的加熱蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥和蒸餾等操作或某些濃溶液稀釋而放熱冷卻生產(chǎn)中熱量的合理利用和廢熱的回收，以節(jié)省熱能。3）工業(yè)上的傳熱過(guò)程中，冷、熱流

2、體的接觸有三種方式：直接換熱：冷、熱兩流體在傳熱器中以直接混合的方式進(jìn)行熱量交換也成混合式換熱。要求兩種流體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或其他不良影響。如H2SO4生產(chǎn)中，將冷水噴入喉管與高溫SO2爐氣直接混合，可以達(dá)到降溫除塵的目的，是爐氣溫度由400以上降至70以下。間壁換熱：冷、熱統(tǒng)體被一固體隔開(kāi)，分別在壁的兩側(cè)流動(dòng)，不相混合，通過(guò)固體壁進(jìn)行熱量傳遞。傳熱過(guò)程分為三步：A、熱流體將熱量傳給固體壁間。B、熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)。C、熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體。蓄熱式換熱：蓄熱式換熱器是由熱容量圈套的蓄熱至構(gòu)成，室內(nèi)填充耐火磚作為填料，用蓄熱式換熱器換熱是一種間歇的換熱成片，行讓熱流體通過(guò)換熱器，將熱量傳

3、給蓄熱室的填料，然后停止通往熱流體，而改通冷流體，再由蓄熱室的填料把所吸收的熱量仁慈給冷流體，使冷流體的溫度升高，從而達(dá)到換熱之目的。2、傳熱基本方式熱量傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱1）傳導(dǎo)傳熱：熱量從物體內(nèi)部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過(guò)程，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。特點(diǎn)：物體間沒(méi)有宏觀位移，只發(fā)生在靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。從微觀來(lái)看：傳導(dǎo)傳熱是依靠物體的分子熱振動(dòng)和自由電子的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的，高溫部分的分子熱運(yùn)動(dòng)，碰撞相鄰的溫度較低的分子從而將熱量由高溫部分傳向低溫部分。2）對(duì)流傳熱：流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移將熱量由統(tǒng)體的某一處傳遞至另一處的傳熱

4、過(guò)程，稱為對(duì)流傳熱過(guò)程。對(duì)流只能發(fā)生在流體中，流體的對(duì)流由于產(chǎn)生原因不同，可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部各點(diǎn)溫度不同，引起受熱部分流體密度變小而浮起，與較冷而密度大的部分流體對(duì)換位置稱為自然對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流：用機(jī)械能（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等）或者流體相對(duì)位差使流體發(fā)生對(duì)流而傳熱。3）輻射傳熱：是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程，物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過(guò)程，稱為熱輻射。高溫傳熱主要以熱輻射方式進(jìn)行，物體的溫度只有大于400時(shí)，才能有明顯的熱輻射。輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨能量開(kāi)工的轉(zhuǎn)化。輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播。化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程很少以一種方式

5、進(jìn)行，二往往是兩種或三種基本方式的聯(lián)合。3、間壁式換熱器間壁式換熱器中；熱量至熱流體傳給冷流體的過(guò)程包括三個(gè)步驟：1） 熱流體將熱量傳導(dǎo)壁面一側(cè)2） 熱量通過(guò)固體壁面的熱傳導(dǎo)；3） 壁面的另一側(cè)將熱量傳給冷流體，即整個(gè)熱交換為給熱導(dǎo)熱的串聯(lián)過(guò)程。分類：根據(jù)傳熱面得結(jié)構(gòu)可分為管式換熱器和板式換熱器，管式換熱器：其傳熱面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、螺旋式和翅片式等，板式換熱器：其傳熱面是由板材做成的，包括夾套式、螺紋板式、螺旋板式等。單程列管式換熱器，雙程列管式換熱器。熱流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)傳熱面的熱量，其單位為W或KW；換熱器傳熱性能的優(yōu)劣一般用面積熱流量q來(lái)評(píng)價(jià)，面積熱流量亦稱熱

6、流密度，是指單位傳熱面積的熱流量，其單位為W·m-2。 4.2 傳 導(dǎo) 傳 熱熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動(dòng)的一種傳熱方式。但熱傳導(dǎo)的機(jī)理很復(fù)雜，難以弄清，不過(guò)這一基本傳熱方式的宏觀規(guī)律可以用傅立葉定律加以描述。1、熱傳導(dǎo)基本方程傅里葉定律 基本概念1）溫度場(chǎng)：物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點(diǎn)溫度分布的總和穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而改變不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變2）等溫面：溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)組成的面3）溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率或沿?zé)崃鞣较驕囟茸兓膹?qiáng)度，用（一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)）溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向如圖21所示，均質(zhì)的固體壁面厚度為，

7、面積為A壁面兩側(cè)的溫度分別為t1和t2，且t1t2。熱量由高溫向低溫傳遞。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)固體壁面的傳熱量Q與溫度降（沿固體壁厚度變化）溫度梯度、固體壁傳熱面積A和時(shí)間成正比，而與傳熱壁厚度與成反比，其關(guān)系為： -A· 將其寫(xiě)成等式： =-·A· (4-1) (傅里葉定律)式中：表示單位時(shí)間傳遞的熱量，稱傳熱速率（q）表示溫度覆蓋率，其越大，沿?zé)崃鞣较騿挝婚L(zhǎng)度上的溫度降越大。“”表示熱量沿溫度降低方向傳遞。與溫度梯度方向相反，故在式中加負(fù)號(hào) 導(dǎo)熱系數(shù)（ 1）、定義：當(dāng)物體傳熱面積為1m2，傳熱的兩側(cè)面（等溫面）間的溫度差為1k，傳熱壁厚為1m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱

8、量（單位為J），是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。2）不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不同，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，一般，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，流體的較小，氣體的最小。3）同一種物質(zhì)當(dāng)其所含雜質(zhì)的量，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、濕度、溫度不同時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)值也有差別。書(shū)后附錄中給出了一些常見(jiàn)的的導(dǎo)熱系數(shù)值。2、間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo)1）平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo) 平面壁指間壁幾何結(jié)構(gòu)為平面的傳熱面，有時(shí)亦將直徑很到的圓通壁面近似地當(dāng)平面壁處理，平面壁熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)是沿傳熱方向?qū)崦娣eA不發(fā)生變化。如圖所示的同一材料的單層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其導(dǎo)熱率不隨時(shí)間發(fā)生變化，即：傳熱面的溫度僅沿垂直于壁面的熱量傳遞方向

9、變化，但不隨時(shí)間變化。按傅里葉定律可得 單層平面壁如圖所示，邊界條件為：時(shí)，t=t1; 時(shí)，t=t2,由分離變量積分：=- =-·A·（t1- t2）·A·（t1- t2） （4-3）若將式（4-3）改寫(xiě)為： 過(guò)程速率=推動(dòng)力/阻力 稱為熱阻，傳導(dǎo)距離越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳導(dǎo)熱阻越大。 2、多層平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)。在化工生產(chǎn)中，為了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備保溫，常用多層保溫材料。圖三層不同材料組成的多層平面壁。若三層磚間接觸完好，各層傳熱面積均相等，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，各層的傳熱速率也相等，但是各層的厚度，導(dǎo)熱系數(shù)和溫度不相等。由式（23）可以得到各層由高溫側(cè)

10、到低溫側(cè)的溫度差分別為：第一層： 第二層：第三層：因?yàn)楦鲗用娣e相等，A1=A2=A3；穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程傳熱速率相等，即q1= q2= q3，那么上述三個(gè)式子相加可得： 推廣到幾層平壁有： 多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的導(dǎo)熱過(guò)程，串聯(lián)導(dǎo)熱過(guò)程的推動(dòng)力為各分子過(guò)程，溫度差之和，即總溫度差，總熱溫度差，總熱阻為各分過(guò)程熱阻之和，也就是串聯(lián)電阻疊加原則。由過(guò)程分析還可得到： t1: t2: t3=可以通過(guò)上面例子的溫度差來(lái)比較比那種熱阻較大。熱阻愈大，分配在該層上的溫度降也愈大。3、圓筒壁通過(guò)圓管壁的熱傳導(dǎo)與通過(guò)平面壁的熱傳導(dǎo)所不同之處，就在于圓筒壁的內(nèi)表面積與外表面積不相等，傳熱面積和溫度方向隨半徑而變化的。

11、如有一單層圓筒壁軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，內(nèi)半徑為r1，溫度為t1，外半徑為r2，外表面溫度為t2,取圓筒壁某一局部，如圖所示。（圓筒壁與平面壁的差別在面積的計(jì)算上。圓筒的傳熱面積） 分離變量積分 整理得： （4-5）改寫(xiě)為： （4-6）式中=r2-r1為圓筒壁厚, rm = （r2-r1）/ln(r2/r1)為半徑的對(duì)數(shù)平均值，Am = （A2-A1）/ln(A2/A1)為面積的對(duì)數(shù)平均值，當(dāng)圓筒壁面的半徑較大且厚度較薄時(shí)，即r2/r12的情況下，可以用算術(shù)平均值取代對(duì)數(shù)平均值圓筒壁的rm和Am,其計(jì)算誤差<4%，可以滿足工藝要求。比較式（4-4）、（4-5）和（4-6）可知，圓筒壁面熱阻為：R

12、=ln(r2/r1)/(2l)=/(m)4.3對(duì)流傳熱化工生產(chǎn)中處理的物料多數(shù)是流體，因此，對(duì)流傳熱在傳熱過(guò)程中占重要的地位。產(chǎn)熱的對(duì)流方式是由于流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)位置相互碰撞，熱量又能量較高的質(zhì)點(diǎn)傳遞給能量較低的質(zhì)點(diǎn)，從而使熱量傳播。引流體質(zhì)點(diǎn)位置變動(dòng)而形成的對(duì)流還有兩種形式：因流體本身各點(diǎn)溫度不同，引起密度差異而形成的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)，稱為自然對(duì)流；借助與機(jī)械攪拌或機(jī)械作用而引起的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)，稱為強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流比自然對(duì)流有較好的傳熱效果。1、對(duì)流傳熱機(jī)理對(duì)流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換，對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，有運(yùn)動(dòng)著的流體起熱量傳遞作用。在工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體在流過(guò)固體

13、表面時(shí)與該表發(fā)生的熱交換。這種交換是流體的對(duì)流熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的結(jié)果。對(duì)流傳熱主要是依靠質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)和混合來(lái)完成，故對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。在第一章中曾指出，流體流經(jīng)固體壁面時(shí)形成流動(dòng)邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度；當(dāng)流體呈湍流時(shí)，形成湍流邊界層，但靠近壁面處總有一層層流內(nèi)層存在，在此波層內(nèi)流體呈層流。層流流動(dòng)時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)只在流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主要依靠熱傳導(dǎo)方式來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，但由于流體內(nèi)部存在溫差，還會(huì)有少量的自然對(duì)流，此時(shí)傳熱速率小，應(yīng)盡是避免此種情況。流體作湍流流動(dòng)時(shí)，靠近壁面處流體分別為層流底層，過(guò)渡層（緩沖層），湍流層。流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)大多

14、數(shù)情況為湍流，下面我們來(lái)分析流體作湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱情況：1）層流底層：流體質(zhì)點(diǎn)沿流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)的混合，溫度變化大，傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。導(dǎo)熱為主，熱阻大，溫差大。2）湍流層：在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻小），傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。質(zhì)點(diǎn)相走混合交換熱量，溫差小。3）過(guò)渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱兩種方式進(jìn)行。質(zhì)點(diǎn)混合，分子運(yùn)動(dòng)共同作用溫度變化平緩。根據(jù)在熱傳導(dǎo)中的分析，溫差大熱阻就大。所以，流體作湍流流動(dòng)時(shí)，熱阻主要集中在層流底層中。如果要加強(qiáng)傳熱，必須采取措施來(lái)減少層流底層的厚

15、度。（過(guò)渡）由以上分析可知，對(duì)流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò)程。影響對(duì)流傳熱的因素很多，因此，對(duì)流傳熱的理論計(jì)算是相當(dāng)困難的。目前。主要采用一種個(gè)簡(jiǎn)化的處理方法，計(jì)假設(shè)將對(duì)流傳熱的全部溫度差集中在厚度為的有效薄層內(nèi)，膜內(nèi)以導(dǎo)熱方式傳熱。影響對(duì)流傳熱的因素相當(dāng)多，工程上將他們歸納起來(lái)，用牛頓傳熱方程來(lái)計(jì)算。當(dāng)熱流體被冷卻時(shí)，即熱流體將熱量傳給低溫固體壁時(shí)，如圖2-5所示左邊的熱流體，以T=T-Tw的溫差為推動(dòng)力，傳熱給壁面，根據(jù)傳遞過(guò)程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對(duì)流傳熱速率： 對(duì)流傳熱速率=對(duì)流傳熱推動(dòng)力/對(duì)流傳熱阻力=系數(shù)×推動(dòng)力推動(dòng)力：壁面和流體間的溫度差阻力：導(dǎo)熱中 ，影響因素很多

16、，但與壁的表面積成反比。所以 但由于的厚度很難測(cè)知。故令則可簡(jiǎn)化為： h-對(duì)流給熱系數(shù) A-對(duì)流傳熱面積 T-熱流體湍流全體平均溫度 Tw 低溫固體壁面溫度。式為牛頓冷卻定律，把復(fù)雜總是簡(jiǎn)單化，把影響對(duì)流傳熱的諸多因素對(duì)流傳熱系數(shù)中，如果冷流體被加熱，則把式寫(xiě)為：tw高溫固體壁面溫度 t冷流體的平均溫度而流體的加熱和冷卻都是在換熱器中進(jìn)行的，換熱器中，換熱器壁面和流體的溫度都隨流體流動(dòng)方向上不同位置而變。因此，在熱交換計(jì)算中，把T、T、tw、t簡(jiǎn)化為流體進(jìn)出換熱器的平均溫度和換熱器壁面平均溫度，此時(shí)計(jì)算出的對(duì)流給熱系數(shù)值也應(yīng)該是流體在該平均溫度下的值。 2、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取表示當(dāng)

17、傳熱溫度差為1k時(shí)，單位時(shí)間通過(guò)單位傳揚(yáng)面積所傳遞的熱量。單位:w·m-2·k-11、影響對(duì)流給熱系數(shù)的因素 流體物性的影響(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱等) ； Cp的影響：Cp 單位體積流體的熱容量大，則較大； 流體的流動(dòng)類型和對(duì)流狀況：Re(湍流程度越大) ， （層流底層薄），。強(qiáng)制對(duì)流作功，一般 v 流速較大，。自然對(duì)流：依靠流體自身密度差造成的循環(huán)過(guò)程，一般v較小，流體的相態(tài)變化流體的給熱系數(shù)比氣體的大，流體沸騰和蒸氣鄰凝的給熱系數(shù)都很大，有相變化時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，機(jī)理各不相同，復(fù)雜。傳熱溫度因溫度能夠影響流體的物理性質(zhì)，因此，流體和固體壁面的溫度給熱系數(shù)也會(huì)有影

18、響，傳熱壁面形狀，排列位置及尺寸大小。不同的壁面形狀，尺寸影響流型，管子的垂直和平等于流體流動(dòng)方向時(shí)的給熱系數(shù)也不同，管子直徑大小及管-敵對(duì) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有決定性影響。 對(duì)流傳熱系數(shù)可以直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或按經(jīng)驗(yàn)沿用，但由于影響因素眾多，因此得到的數(shù)據(jù)難以推廣應(yīng)用。采用量綱分析對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果予以整理，如同流體流動(dòng)中決定流動(dòng)形態(tài)的雷諾數(shù)一樣，可以將若干有關(guān)的影響因素綜合為一些相互有聯(lián)系的量綱一的數(shù)群，在將某些數(shù)群連成為一定的特征數(shù)方程，這些特征數(shù)方程有較廣泛的實(shí)用意義。對(duì)流傳熱過(guò)程中有影響的某些特征數(shù)及其物理意義，下面列出一些常見(jiàn)條件下用的相當(dāng)廣泛的儲(chǔ)熱系數(shù)的計(jì)算式，有相應(yīng)的特征數(shù)和經(jīng)驗(yàn)系

19、數(shù)組成。對(duì)這些計(jì)算式并不要求記住，只要了解它們各自適用的條件和怎樣去選取計(jì)算式所需物性和操作參數(shù)，以備需用時(shí)能查閱、選擇和對(duì)照，1） 流體無(wú)相變過(guò)程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取流體在間壁式換熱器圓形直管內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱是的h的關(guān)聯(lián)式為： 或 式中m是為了校正傳熱方向?qū)Ρ砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)h的影響。當(dāng)流體被加熱時(shí)，m=0.4;當(dāng)流體被冷卻時(shí)，m=0.3。上式的使用范圍：Re>104,0.6<Pr<160,管長(zhǎng)與管徑比L/d>50,適用于低粘度流體（大多數(shù)氣體和粘度的液體），且過(guò)程中無(wú)相變化。2） 流體有相變過(guò)程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 液體的沸騰沸騰傳熱時(shí)，因傳熱面與流體間的溫差不同而有以下幾種情

20、況：當(dāng)傳熱溫差小時(shí)，傳熱面上的液體僅在少數(shù)點(diǎn)上形成氣泡核心，液體沸騰并不劇烈；隨著傳熱溫差的增大，氣泡在傳熱面上迅速地連續(xù)形成并脫開(kāi)，液體受到強(qiáng)烈攪拌，新傳熱面也不斷暴露，傳熱膜系數(shù)隨之不斷增大并達(dá)到一最大值，這范圍稱為泡狀沸騰區(qū)；繼續(xù)增大傳熱溫差，蒸汽在傳熱面上大量形成，以致傳熱面與液體間形成蒸汽膜層，這樣的沸騰稱為膜狀沸騰。因?yàn)檎羝膶?dǎo)熱系數(shù)比液體小，所以膜狀沸騰的傳熱膜系數(shù)反而比泡核沸騰有所降低。水蒸氣冷凝飽和水蒸氣冷凝時(shí)釋出氣化潛熱而凝結(jié)成為液體，冷凝液的溫度與蒸汽溫度相同。蒸氣冷凝時(shí)也有兩種情況，冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，形成液體下流，這種冷凝稱為滴狀冷凝；壁面潔凈時(shí)，冷凝液濕潤(rùn)壁面二形成

21、液膜，液膜聚厚后液體下流，這種冷凝稱為膜狀冷凝。膜狀冷凝時(shí)化工生產(chǎn)中遇到較多的情況，膜狀冷凝時(shí)，熱量要通過(guò)液膜才能進(jìn)一步傳熱，增加了傳熱的熱阻，使膜狀冷凝時(shí)的傳熱系數(shù)值比滴狀冷凝時(shí)為小。無(wú)論沸騰或冷凝，傳熱是發(fā)生相變這一側(cè)的傳熱膜系數(shù)都有較高的值，有它們組成的傳熱阻力在很多對(duì)流傳熱總過(guò)程中往往是很小的。4.4間壁式熱交換的計(jì)算 間壁式換熱器是化工生產(chǎn)中的常見(jiàn)換熱器，間壁式傳熱過(guò)程的計(jì)算式工程設(shè)計(jì)和計(jì)算的主要內(nèi)容。1、 傳熱總方程如圖，間壁式 換熱器中，傳熱過(guò)曾是熱流體給熱間壁導(dǎo)熱冷流體給熱的串聯(lián)過(guò)程。在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器內(nèi)進(jìn)行的大都是定態(tài)傳熱過(guò)程，這時(shí)1=2=2=，則有： 或該式為間壁

22、式換熱器的傳熱總方程，亦稱傳熱的基本方程，適用于傳熱面位等溫面的間壁式熱交換過(guò)程。令1/KA，則傳熱總方程為：=KAt式中K傳熱系數(shù)稱總傳熱系數(shù)，w·m-2·K2、傳熱系數(shù)K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。七大小主要取決與流體的物性、傳熱過(guò)程的操作條件及換熱器的類型等。總傳熱系數(shù)值可以通過(guò)三個(gè)途徑獲得：1）選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)化工中常見(jiàn)的換熱過(guò)程的K至范圍如表4-3所示。各種流體傳熱系數(shù)大小為：冷凝蒸汽水油氣體。這從該表的數(shù)值上可以得到印證。2）根據(jù)公式計(jì)算總傳熱系數(shù)。當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁（或近似委平面壁的薄圓筒壁）時(shí)，因A1=A2=A，則傳熱系數(shù)為： 若換熱器的傳熱面為單層

23、圓筒壁面時(shí)，因面積不相等，則總傳熱方程中須分別代入各分過(guò)程的傳熱面積A1=2lr1，A2=2lr2，Am=2lrm,即傳熱系數(shù)與傳熱面積對(duì)應(yīng)時(shí)： 通常換熱器的規(guī)格用外表面作為計(jì)算的基準(zhǔn)，各種手冊(cè)中的K值若無(wú)特殊說(shuō)明，均為基于管外表面積的K2，其計(jì)算式為：若間壁為多層平面壁以及間壁兩側(cè)有污垢積存時(shí)，傳熱系數(shù)為： 式中Rh2、Rh1分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2·K·w-1。換熱器在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，在傳熱管的內(nèi)、外兩側(cè)都會(huì)有不同程度的污垢沉積，使傳熱速率減小。實(shí)踐證明，表面污垢會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱阻，在傳熱計(jì)算中，污垢熱阻常常不能忽略。由于污垢熱阻的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)難以測(cè)量，工程

24、計(jì)算時(shí)，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用污垢熱阻值。對(duì)于易結(jié)垢的流體，換熱器使用過(guò)久，污垢熱阻會(huì)增加到使傳熱速率嚴(yán)重下降的程度，所以換熱器要根據(jù)工作條件，定期清洗。3） 對(duì)已有換熱器，還可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。根據(jù)總傳熱方程，其中現(xiàn)在換熱器或?qū)嶒?yàn)裝置的傳熱面積A是已知的；熱流體和冷流體進(jìn)出換熱器的溫度分別為及質(zhì)量流量均可以實(shí)際測(cè)定；查出流體在測(cè)定范圍內(nèi)的定壓比熱容時(shí)可以從有關(guān)手冊(cè)中查到；可以計(jì)算得到，熱負(fù)荷可通過(guò)熱量衡算求得。從而根據(jù)總傳熱方程，由測(cè)定所得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出傳熱系數(shù)值，即：3、 傳熱過(guò)程的平均溫度差在傳熱過(guò)程中，冷熱流體溫度差沿?fù)Q熱器壁面的分布情況，決定了整個(gè)換熱過(guò)程的溫度差。在由傳熱基本方程qk

25、83;A·tm計(jì)算傳熱量時(shí)，要求取兩個(gè)參數(shù)k和t(對(duì)于某個(gè)換熱裝置A一定)。K的求取前面已作了介紹，下面介紹t的求取。連續(xù)穩(wěn)態(tài)傳熱可以包括恒溫傳熱和變溫傳熱兩種情況。1） 定態(tài)恒溫傳熱定態(tài)的恒溫傳熱：指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換時(shí)，沿?fù)Q熱壁的不同位置，任何時(shí)間兩種流體的溫度都不發(fā)生變化，即兩流體的溫度差沿?fù)Q熱面處處相等，恒定不變。 (不變)常見(jiàn)為一側(cè)為液體恒溫沸騰，另一側(cè)為飽和蒸氣冷凝。2） 定態(tài)變溫傳熱 定態(tài)變溫傳熱時(shí)，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫度沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體將的溫度差沿?fù)Q熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對(duì)流向有關(guān)。 換熱器中兩種流體的流向可

26、分為并流、逆流兩種，其壁面兩側(cè)流體的溫度均沿傳熱面而變化，過(guò)程推動(dòng)力相應(yīng)地發(fā)生變化，因此，平均溫度差是換熱器進(jìn)、出口處兩種流體溫度差的對(duì)數(shù)平均值，故稱為對(duì)數(shù)平均溫度差。 在以上各式推導(dǎo)過(guò)程中，并未對(duì)流向是并流或逆流作出規(guī)定，故這個(gè)結(jié)果對(duì)并流和逆流都適用，只要用換熱器兩端熱、冷流體的實(shí)際溫度差代入Dt1和Dt2就可計(jì)算出Dtm。通常，將兩端溫度差較大的一個(gè)作為Dt1，較小的一個(gè)作為Dt2，計(jì)算時(shí)比較方便。逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差，這意味著滿足相同工藝換熱能力的要求，才用逆流傳熱要比并流傳熱相應(yīng)減少傳熱面積或載熱體使用量，故該題選擇題逆流傳熱。 并流傳熱時(shí)，冷流體的出口溫度t2

27、的極限溫度是熱流體的出口溫度T2，而逆流傳熱時(shí)，冷流體的出口溫度t2的極限溫度是熱流體的進(jìn)口溫度T1，說(shuō)明并流傳熱時(shí)被加熱或冷卻流體的出口溫度易控制，這對(duì)于一些熱敏物料的加熱或冷卻具有實(shí)用意義。4、 熱負(fù)荷及熱量衡算1） 熱負(fù)荷熱負(fù)荷：生產(chǎn)工藝上完成某一加熱或冷卻任務(wù)需要在單位時(shí)間內(nèi)供給或取走的熱量，用L，對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器而言，其傳熱速率應(yīng)等于或大于工藝熱負(fù)荷，及L。在實(shí)際計(jì)算中往往二者看做相等，但意義不同。通過(guò)熱負(fù)荷的計(jì)算，可以確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率，在依據(jù)此傳熱速率可計(jì)算換熱器所虛的傳熱面積等。熱負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)工藝特點(diǎn)有兩種情況： 流體在傳熱中只有相變的場(chǎng)合L=qmL式

28、中qm流體的質(zhì)量流量L流體的相變熱 流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變的場(chǎng)合 L=qmcp(t2-t1)2)熱量衡算 換熱器冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換，若忽略熱損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，及熱=冷，稱之為熱量衡算式。熱量衡算式與傳熱總方程是換熱器計(jì)算的兩個(gè)基本公式。 若換熱器的兩種流體無(wú)相變化，且流體的比定壓熱容不隨溫度變化或可取平均溫度下的比定壓熱容時(shí)：L=qm，hcp,h(T1-T2) =qm，ccp,c(t2-t1)若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣冷凝時(shí)：L= qmL=qm，ccp,c(t2-t1)4.5換熱器的選擇及傳熱過(guò)程的強(qiáng)化1、換熱器的選擇 換熱器的選擇首先要考慮以下事項(xiàng):1） 了解換熱任務(wù)，掌握基本數(shù)據(jù)及特點(diǎn)。 冷、熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、操作壓力等。 冷熱流體的物性參數(shù) 冷熱流體的工藝特點(diǎn)、腐蝕性、懸浮物的含量等 如選定列管換熱器，對(duì)換熱流體流動(dòng)空間課按下列原則確定。2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動(dòng)空間。 不清潔的流體或以結(jié)垢、沉淀、結(jié)晶的流體走管程，因管程易清洗。 需要提高流速以增大對(duì)流傳熱系數(shù)的流體走管程，管程u一般較高； 腐蝕性流體走管程，以免對(duì)殼體和管束的同時(shí)腐蝕。 壓力高的流體走管程，管子耐壓性好； 飽和蒸氣宜走管程，便于