第六章

換熱器換熱器：實(shí)現(xiàn)熱量交換的設(shè)備。換熱器是工藝過程必不可少的單元設(shè)備，廣泛用于石油、化工、輕工、制藥、食品、機(jī)械、冶金、動(dòng)力等工程領(lǐng)域中。6.1換熱器的分類與結(jié)構(gòu)形式6.1.1換熱器的分類6.1.1.1按作用原理分1.直接接觸式換熱器(混和式換熱器)冷、熱流體直接接觸，相互混和傳遞熱量。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高。適于冷、熱流體允許混和的場合。如涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。熱流體冷流體2024/1/112.蓄熱式換熱器(回流式換熱器、蓄熱器)借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然后與冷流體接觸，將熱量傳遞給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，體積龐大，不能完全避免兩種流體的混和。適于高溫氣體熱量的回收或冷卻。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。熱流體熱流體冷流體冷流體2024/1/123.間壁式換熱器(表面式換熱器、間接式換熱器)冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鬟f給冷流體。形式多樣，應(yīng)用廣泛。本章介紹此類換熱器。適于冷、熱流體不允許混和的場合。如各種管殼式、板式結(jié)構(gòu)的換熱器。6.1.1.2按用途分1.加熱器：用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。2.預(yù)熱器：用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的效率。3.過熱器：用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀態(tài)。4.蒸發(fā)器：用于加熱液體，使其蒸發(fā)汽化。5.再沸器：用于加熱已被冷凝的液體，使其再受熱汽化。為蒸餾過程專用設(shè)備。6.冷卻器：用于冷卻流體，使其達(dá)到所需溫度。7.冷凝器：用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結(jié)液化。2024/1/136.1.1.3按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分1.管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片式換熱器等。應(yīng)用最廣。2.板式換熱器通過板面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式、熱板式換熱器等。3.特殊形式換熱器根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式、熱管、同流式換熱器等。2024/1/146.1.1.4按所用材料分1.金屬材料換熱器由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大，故此類換熱器的傳熱效率高。2.非金屬材料換熱器有非金屬材料制成的換熱器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，故此類換熱器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。2024/1/156.1.2換熱器的結(jié)構(gòu)形式6.1.2.1管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式6.1.2.1.1列管式換熱器(管殼式換熱器)它結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積所具有的傳熱面積較大(40～150m2/m3)，傳熱效果好，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，尤其適用于高溫、高壓和大型裝置中，是管式換熱器中應(yīng)用最普遍的換熱器。在列管式換熱器中，由于管內(nèi)外流體溫度不同，使管束和殼體的受熱程度不同，導(dǎo)致它們的熱膨脹程度出現(xiàn)差別。若兩流體溫差較大，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，管子彎曲甚至破裂，嚴(yán)重時(shí)從管板上脫落。因此當(dāng)兩流體的溫度差超過50℃時(shí)，就應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取相應(yīng)的熱補(bǔ)償措施。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同，列管式換熱器分為三種形式：2024/1/161.固定管板式換熱器它是將兩端管板和殼體連接在一起，因而具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于殼程清洗和檢修困難，管外物料應(yīng)清潔、不易結(jié)垢。對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊上補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))，通過補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度，如圖示。這種補(bǔ)償方法簡單但有限，只適用于兩流體溫差小于70℃，殼程流體壓強(qiáng)小于0.6MPa的場合。1.擋板2.補(bǔ)償圈3.放氣嘴2024/1/172.浮頭式換熱器它是將一端管板與殼體相連，而另一端管板不與殼體固定連接，可以沿軸向自由浮動(dòng)，如圖示。這種結(jié)構(gòu)不但可完全消除熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時(shí)整個(gè)管束可以從殼體中抽出。因而盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，但應(yīng)用較為普遍。1.管程隔板2.殼程隔板3.浮頭2024/1/183.U型管式換熱器它是將每根管子都彎成U型狀，兩端固定在同一管板的兩側(cè)，管板用隔板分成兩室，如圖示。這種結(jié)構(gòu)使得每根管子可以自由伸縮，與其它管子和殼體無關(guān)，從而解決了熱補(bǔ)償問題。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可用于高溫高壓，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低。1.U形管2.殼程隔板3.管程隔板2024/1/196.1.2.1.2蛇管式換熱器1.沉浸式蛇管換熱器蛇管多以金屬管彎繞而成，或制成適應(yīng)各種容器需要的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在管內(nèi)外流動(dòng)通過蛇管表面進(jìn)行換熱，如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流傳熱系數(shù)小，傳熱效果可通過增設(shè)攪拌提高，此外傳熱面積有限，主要用于傳熱量不大的容器中。2024/1/1102.噴淋式蛇管換熱器如圖示，將蛇管成排地固定在支架上，冷卻水由最上層管的噴淋裝置中均勻淋下，沿管表面流過，與管內(nèi)熱流體換熱。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果較沉浸式好，傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗方便。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。主要用于管內(nèi)流體的冷卻，常設(shè)置在室外空氣流通處2024/1/1116.1.2.1.3套管式換熱器將兩種直徑不同的直管制成同心套管，根據(jù)換熱要求將若干段套管連接組合而成，如圖示。每段套管稱為一程，長約4～6m，每程的內(nèi)管依次與下一程的內(nèi)管用U型彎頭連接，外管之間也由管子連通，可同時(shí)幾排并列，每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，而且兩種流體可始終保持逆流換熱，Δtm大。適當(dāng)選擇兩管的直徑，兩流體可得到較高的流速，故一般具有較高的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積易于增減；缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬耗用量大，一般用于換熱量不大的場合。2024/1/1126.1.2.1.4翅片管式換熱器它是在管的表面上加裝一定形式的翅片，有橫向和縱向兩類。常見的幾種型式見P398圖10。翅片管換熱器主要用于兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，在h小的一側(cè)加裝翅片，從而增大傳熱面積，提高流體的湍動(dòng)程度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。2024/1/1136.1.2.2板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式為了使換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高單位體積的傳熱面積，增加傳熱效果，以及適應(yīng)某些工藝過程的需要等，開發(fā)了以板狀作為傳熱面積的換熱器，稱為板式換熱器。

1.平板式換熱器由一組長方形的金屬薄板平行排列在一起，采用夾緊裝置組裝于支架上而構(gòu)成，見圖。而相鄰板間的邊緣襯有墊片(橡膠或壓縮石棉等)，壓緊后板內(nèi)形成密封的液體通道。每塊板的4個(gè)角上有圓孔，其中一對(duì)圓孔和板間相通，而另外一對(duì)圓孔通過加裝墊片和板內(nèi)相隔，在相鄰板上錯(cuò)開以分別形成兩流體通道，從而使兩流體交錯(cuò)地流過板片兩側(cè)通過板片進(jìn)行換熱。板厚通常為0.5～3mm，板面壓制成波紋狀，兩板間距4～6mm，材質(zhì)一般為不銹鋼。2024/1/114板式換熱器的主要特點(diǎn)是：(1)總傳熱系數(shù)高。因板面壓制成波紋狀，流動(dòng)湍動(dòng)程度大，污垢熱阻小，在低雷諾數(shù)(Re=200左右)下即達(dá)到湍流，而且板薄，因而K值可達(dá)到1200～1500W/m

2·K。(2)結(jié)構(gòu)緊湊。由于板薄而且兩板間距小，因而單位體積提供的傳熱面積大，可達(dá)到250～1000m

2/m

3，金屬耗用量少。(3)操作靈活性大。因具有可拆結(jié)構(gòu)，根據(jù)生產(chǎn)需要通過調(diào)節(jié)板數(shù)增減傳熱面積，檢修和清洗方便。(4)兩流體嚴(yán)格成逆流，Δtm大，傳熱推動(dòng)力大。主要缺點(diǎn)是允許的操作壓強(qiáng)和溫度低。因板薄壓強(qiáng)高容易變形，墊片壓強(qiáng)高時(shí)容易滲漏，所以操作壓強(qiáng)不超過2MPa，因受墊片材料的耐熱性限制，操作溫度對(duì)橡膠墊不超過130℃，石棉墊不超過250℃。此外流通截面積小，故處理量小。自20世紀(jì)50年代以來，主要應(yīng)用于輕工、食品等行業(yè)。2024/1/1152.螺旋板式換熱器它是由兩張互相平行的薄金屬板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央設(shè)置隔板將兩通道隔開，兩板間焊有定距柱以維持通道間距，螺旋板兩側(cè)焊有蓋板和接管。兩流體分別在兩通道內(nèi)流動(dòng)，通過螺旋板進(jìn)行換熱，見圖。分為I型、II型、III型和G型等幾種形式，見P400圖6-132024/1/116螺旋板換熱器的特點(diǎn)是：(1)總傳熱系數(shù)高

由于流體在螺旋形通道內(nèi)受到慣性離心力的作用和定距柱的干擾，低雷諾數(shù)(Re=1400～1800)下即可達(dá)到湍流，允許流速大(液體為2m/s，氣體為20m/s)，故傳熱系數(shù)大。如水對(duì)水換熱過程K=2000～3000W/m2·K。(2)不易結(jié)垢和堵塞

由于流速較高且在螺旋形通道中流過，有自行沖刷作用，故流體中的懸浮物不易沉積下來。(3)能利用低溫?zé)嵩?/p>

由于流道長而且兩流體可達(dá)到完全逆流，因而傳熱溫差大，能充分利用溫度較低的熱源。(4)結(jié)構(gòu)緊湊

由于板薄2～4mm，單位體積的傳熱面積可達(dá)到150～500m2/m3。主要缺點(diǎn)是操作壓強(qiáng)不能超過2MPa，操作溫度在300～400℃以下，另外因整個(gè)換熱器焊為一體，一旦損壞檢修困難。螺旋板換熱器直徑在1.5m之內(nèi)，板寬200～1200mm，板厚2～4mm，兩板間距5～25mm，可用普通鋼板和不銹鋼制造，目前廣泛用于化工、輕工、食品等行業(yè)。2024/1/1173.板翅式換熱器板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，但是基本結(jié)構(gòu)是由平行隔板和各種型式的翅片構(gòu)成的板束組裝而成，如圖示。在兩塊平行薄金屬之間，夾入波紋狀或其它形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組成為一個(gè)換熱單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕?，并用釬焊固定，成為并流、逆流、錯(cuò)流的板束(或稱蕊部)。然后再將帶有流體進(jìn)出口接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。常用的翅片為光直型、鋸齒型和多孔型三種型式。板翅式換熱器一般用鋁合金制造，結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，單位體積傳熱面積可達(dá)到2500～4000m2/m3，傳熱系數(shù)高，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)可達(dá)到350W/m2·K，承壓可達(dá)5MPa。但容易堵塞，清洗困難，不易檢修，適用于清潔和無腐蝕性流體的換熱。現(xiàn)已在石油化工、氣體分離等工業(yè)中得到應(yīng)用。2024/1/1186.2換熱器的傳熱計(jì)算化工原理中所涉及的傳熱計(jì)算分兩類：設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)生產(chǎn)過程要求的傳熱量和其它工藝條件，確定換熱器的傳熱面積，進(jìn)而設(shè)計(jì)或選用合適的換熱器；操作計(jì)算：對(duì)給定的換熱器計(jì)算其在一定操作條件下的傳熱量、流體的流量、溫度或某項(xiàng)參數(shù)變化時(shí)對(duì)其傳熱能力的影響等。兩者計(jì)算的依據(jù)：熱量衡算方程和傳熱速率方程。6.2.1總傳熱速率方程6.2.1.1總傳熱速率方程的微分形式通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程，可仿照對(duì)流傳熱速率方程寫出，即：

dQ=K(T-t)dS=KΔtdS式中：K－局部總傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)T－換熱器任一截面上熱流體的平均溫度，℃

t－換熱器任一截面上冷流體的平均溫度，℃上式為總傳熱速率微分方程式，也是總傳熱系數(shù)的定義式2024/1/119〖說明〗1.K的物理意義當(dāng)Δt=1℃時(shí)，K=dQ/dS物理意義：冷熱流體溫度差為1℃時(shí)，單位面積單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入(或?qū)С?的熱量，J或：總傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下的總傳熱通量。2.K的倒數(shù)的含義總傳熱系數(shù)倒數(shù)1/K代表間壁兩側(cè)流體傳熱的總熱阻。3.K須和所選擇的傳熱面積相對(duì)應(yīng)所選傳熱面積不同，K的數(shù)值也不同：dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm∵dQ、(T-t)與選擇的基準(zhǔn)面積無關(guān)2024/1/1206.2.1.2傳熱量的計(jì)算－熱量衡算方程換熱器的傳熱計(jì)算中，首先需計(jì)算換熱器的傳熱量。傳熱量(熱負(fù)荷)：單位時(shí)間內(nèi)通過換熱器任一截面的熱量。通過熱量衡算獲得：假設(shè)換熱器保溫良好，熱損失可以忽略，則在單位時(shí)間換熱器中熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。對(duì)換熱器微元面積dS：dQ=-WhdIh＝WcdIc對(duì)整個(gè)換熱器：Q=Wh(Ih1-Ih2)=Wc(Ic2-Ic1)2024/1/1211.無相變時(shí)的熱負(fù)荷計(jì)算若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱不隨溫度而變或去平均比熱時(shí)，焓可通過比熱計(jì)算，則：

Qh=Wh(Ih1-Ih2)＝WhCph(T1-T2)Qc=Wc(Ic2-Ic1)＝WcCpc(t2-t1)Cph：熱流體平均比熱，根據(jù)(T1+T2)/2查取Cpc：冷流體平均比熱，根據(jù)(t1+t2)/2查取2.有相變時(shí)的熱負(fù)荷計(jì)算換熱器中熱流體有相變化分兩種情況：1.冷凝液溫度為飽和溫度(特定環(huán)境下，液體蒸發(fā)為氣體或氣體冷凝為液體時(shí)的溫度)熱負(fù)荷Q=Whr＝WcCpc(t2-t1)2.冷凝液溫度低于飽和溫度熱負(fù)荷Q=Wh[r+Cph(Ts-T2)]＝WcCpc(t2-t1)Ts：飽和溫度2024/1/1226.2.1.3總傳熱系數(shù)1.總傳熱系數(shù)K的計(jì)算式如前述，兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程：熱流體在流動(dòng)過程中把熱量傳遞給管壁的對(duì)流傳熱通過管壁的熱傳導(dǎo)管壁與流動(dòng)中的冷流體之間的對(duì)流傳熱以上過程用微分方程表示，即：管程熱流體殼程冷流體TTWttWb2024/1/123整理以上三式，得各過程推動(dòng)力并相加，即：2024/1/124以上三式均為總傳熱系數(shù)的計(jì)算式。2024/1/125總傳熱系數(shù)也可以表示為熱阻的形式，即：〖說明〗間壁兩側(cè)流體間傳熱的總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱的熱阻及管壁熱傳導(dǎo)的熱阻之和。2024/1/1262.污垢熱阻換熱器操作一段時(shí)間后，由于溫度的關(guān)系或流體的不潔凈等，傳熱面上常有污垢積存。這些垢層雖然不厚，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱熱阻很大，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，稱為污垢熱阻。因此計(jì)算總傳熱系數(shù)時(shí)要考慮到污垢熱阻的影響，因垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以確定，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用污垢熱阻來作為計(jì)算依據(jù)。若管壁兩側(cè)污垢熱阻分別用Rsi和Rso表示時(shí)，總熱阻為：

常見流體在壁面產(chǎn)生的污垢熱阻大致數(shù)值范圍見附表。實(shí)際選用時(shí)還要考慮操作條件以及使用時(shí)間對(duì)其的影響，在換熱器使用過程中，為保證其應(yīng)有的傳熱速率，應(yīng)進(jìn)行定期清洗。2024/1/1273.幾點(diǎn)討論(1)傳熱計(jì)算時(shí)，總傳熱系數(shù)K的來源有三個(gè)方面：選用生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在有關(guān)手冊(cè)或傳熱的專業(yè)書中，都列有某些情況下K的經(jīng)驗(yàn)值，可供初步設(shè)計(jì)時(shí)參考?！甲⒁狻綉?yīng)選用與工藝條件相仿、傳熱設(shè)備類似而且較為成熟的經(jīng)驗(yàn)K值作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)測定：對(duì)現(xiàn)有的換熱器，通過實(shí)驗(yàn)測定有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，再用傳熱速率方程計(jì)算K值。實(shí)驗(yàn)測定可獲得較為可靠的K值。實(shí)測k值的意義不僅可提供設(shè)計(jì)換熱器的依據(jù)，且可了解傳熱設(shè)備的性能，從而尋求提高設(shè)備生產(chǎn)能量的途徑。K值的計(jì)算：通過前述公式計(jì)算。但計(jì)算得到的K值往往與實(shí)際值相差很大，主要是由于h關(guān)聯(lián)式有一定誤差及污垢熱阻不易估計(jì)準(zhǔn)確等原因?qū)е?。總之，在采用?jì)算得到的K值時(shí)應(yīng)慎重，最好與前述兩種方法對(duì)照，以確定合適的K值。2024/1/128(2)在總傳熱速率方程式中，應(yīng)注意K和S的對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇的S不同，K的數(shù)值也不同。通常換熱器的規(guī)格是用管外表面積So表示的，故基于So的Ko應(yīng)用較多。各種手冊(cè)中所列的K值，如無特殊說明，可視為Ko。(3)對(duì)平壁時(shí)或薄圓筒壁(管徑大而管壁又薄)，di=do=dm，則：

(4)欲提高K值，必須設(shè)法減小起決定作用的熱阻。若薄圓筒壁，且污垢、管壁熱阻(k大)不計(jì)時(shí)：可見，總熱阻是由熱阻大(局部對(duì)流傳熱系數(shù)小)的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制若提高K值：兩側(cè)h相差很大時(shí)，提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小以側(cè)的h兩側(cè)h相差不大時(shí)，同時(shí)提高兩側(cè)的h2024/1/129例4-8列管換熱器由φ25×2.5mm鋼管組成，已知管內(nèi)外側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為50W/m2·℃和1000W/m2·℃，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·℃，若不計(jì)兩側(cè)污垢熱阻，試算Ko以及將兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)加倍時(shí)Ko的變化情況。解：α變化對(duì)K影響示例2024/1/1306.2.2傳熱計(jì)算方法

6.2.2.1平均溫度差法dQ=KΔtdS是總傳熱速率的微分方程式，積分后才有實(shí)際意義。積分結(jié)果將用平均溫度差代替局部溫度差。故需考慮兩流體在換熱其的溫度變化情況及流體的流動(dòng)方向。為積分上式，特作如下假定：傳熱為穩(wěn)態(tài)操作過程，即Q=C兩流體的比熱均為常量或取換熱器進(jìn)、出口下的平均值總傳熱系數(shù)不隨換熱器的管長而變化，即K=C換熱器的熱損失可忽略2024/1/1311.恒溫傳熱指換熱的兩種流體沿傳熱面方向溫度不發(fā)生變化，其特點(diǎn)是在任一處兩流體溫度恒定，因而在整個(gè)壁面上溫度差亦為常數(shù)，即：Δt=T-t

如水溶液的蒸發(fā)過程及精餾中的再沸器屬于此。積分總傳熱速率微分方程式：2024/1/1322.變溫傳熱若壁面兩側(cè)流體或其中一側(cè)流體沿傳熱面方向溫度發(fā)生變化時(shí)的傳熱過程稱為變溫傳熱，這時(shí)傳熱溫差沿壁面亦發(fā)生變化，因而需計(jì)算其傳熱平均溫度差。而且，流動(dòng)方向不同，傳熱溫度差亦不同，應(yīng)分別計(jì)算。(1)變溫傳熱分類并流：參與換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)以相同的方向流動(dòng)；逆流：參與換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)以相反的方向流動(dòng)；錯(cuò)流：參與換熱的兩種流體垂直交叉流過傳熱面兩側(cè)；折流：其中一側(cè)流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一側(cè)流體來回作折流流動(dòng)。1212并流逆流錯(cuò)流折流2024/1/133(2).并流和逆流時(shí)平均溫度差的計(jì)算現(xiàn)以逆流為例進(jìn)行推導(dǎo)。在換熱器中取一微元體，其微元面積為dS，傳熱速率為dQ，熱流體溫度變化dT，冷流體溫度變化dt。據(jù)熱量衡算方程式：吸收熱量：dQ=WcCpcdt放出熱量：dQ=-WhCphdT

整理：上三式說明以t、T、Δt～Q作圖均為直線2024/1/134用Δt～Q直線的兩端點(diǎn)表示其斜率：Q0T1T2t1t2Δt1Δt2此為適用于整個(gè)換熱器的總傳熱速率方程式。是傳熱計(jì)算的基本方程式。Δtm稱為對(duì)數(shù)平均溫度差，為換熱器兩端流體溫度差的對(duì)數(shù)平均值。

2024/1/135〖說明〗(1)此式也同樣適用于并流，只不過其中Δt1=T1-t1，Δt2=T2-t2；(2)若冷熱兩流體進(jìn)、出口溫度相同時(shí)，Δtm，逆>Δtm，并；(3)若換熱過程一側(cè)流體恒溫時(shí)，Δtm，逆=Δtm，并；(4)若1/2<Δt1/Δt2<2時(shí)，可用算術(shù)平均溫度差來代替對(duì)數(shù)平均溫度差，其誤差<4%。即:2024/1/136傳熱平均溫度差計(jì)算示例例4-9在列管式換熱器中，熱流體在管外由300℃被冷卻到200℃，冷流體在管內(nèi)從120℃被加熱到180℃，計(jì)算并逆流時(shí)的傳熱平均溫差。

解：并流時(shí)逆流時(shí)300℃－－－－→200℃300℃－－－－→

200℃120℃－－－－→180℃180℃－－－－→

120℃Δt1=180℃，

Δt2=20℃Δt1=120℃，

Δt2=80℃其算術(shù)平均值為100℃，并流時(shí)由于Δt1/Δt2=9，相差37%；而逆流時(shí)由于Δt1/Δt2=4/3，相差1.3%。由計(jì)算結(jié)果可知：Δtm，逆>Δtm，并。2024/1/137由于Δtm，逆>Δtm，并，因而兩流體的進(jìn)出口溫度確定時(shí)，若K值也相同，則根據(jù)傳熱速率方程Q=KSΔtm可推出，傳遞相同熱量時(shí)逆流所需要的傳熱面積較并流時(shí)要小。

逆流的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省冷卻劑或加熱劑的用量。因并流時(shí)t2總是小于T2，而逆流時(shí)t2卻可以大于T2，所以逆流冷卻時(shí)冷卻劑的溫升(t2-t1)比并流時(shí)大，對(duì)傳遞相同的熱量，就可節(jié)省冷卻劑用量。同理逆流加熱時(shí)，加熱劑溫度降低(T1-T2)比并流時(shí)大，因而傳熱量相同時(shí)，可降低加熱劑消耗量。故生產(chǎn)中多采用逆流。在某些生產(chǎn)過程有特殊要求，如冷流體被加熱溫度或熱流體被冷卻溫度不得超過某一規(guī)定值時(shí)，并流較易控制；當(dāng)加熱粘度大的液體時(shí)，并流可使其迅速升溫流動(dòng)性好等，這時(shí)宜采用并流操作。T1t1T2t2T1T2t1t22024/1/1383錯(cuò)流和折流時(shí)Δtm的計(jì)算對(duì)于折流或錯(cuò)流，常采用安德伍德(Underwood)和鮑曼(Bowman)提出的圖算法。其方法是先按逆流計(jì)算Δtm，逆，再乘以考慮流動(dòng)型式的溫差校正系數(shù)φΔt，即：Δtm=φΔtΔtm,逆溫差校正系數(shù)φΔt與兩流體溫度變化有關(guān)，分別表示為兩參數(shù)P和R的函數(shù)，即：φΔt=f(P，R)φΔt值可根據(jù)P和R兩參數(shù)從圖4-19中查得。(a)(b)(c)(d)分別適用于殼程為1，2，3，4程，每個(gè)殼程內(nèi)管程可以是2、4、6或8程；對(duì)于1-2型(單殼程，雙管程)換熱器，φΔt

還可用下式計(jì)算，即：2024/1/139對(duì)流傳熱計(jì)算示例例4-10列管換熱器由φ25×2.5mm鋼管組成，空氣在管內(nèi)由20℃被加熱到55℃，對(duì)流傳熱系數(shù)為100W/m2·℃，水在管外從100℃冷卻到70℃，對(duì)流傳熱系數(shù)為2000W/m2·℃，兩流體逆流換熱，并達(dá)到了湍流，計(jì)算當(dāng)空氣流量增加50%時(shí)水和空氣的出口溫度(設(shè)物性維持不變)。2024/1/1402024/1/1412024/1/142例4-11某氣體冷卻器傳熱面積20m2，用其將流量為1.4kg/s的氣體從80℃冷卻到45℃，冷卻水初溫為25℃，與氣體并流流動(dòng)。換熱器總傳熱系數(shù)為230W/(m2·℃)，氣體平均比熱為1.0kJ/(kg·℃)，求冷卻水用量和出口水溫。對(duì)流傳熱計(jì)算示例2024/1/1436.2.2.2傳熱單元數(shù)法由上例知，當(dāng)給定兩流體流量、進(jìn)口溫度以及傳熱面積、傳熱系數(shù)時(shí)，要計(jì)算兩流體出口溫度時(shí)往往需要試差法。對(duì)這類操作型計(jì)算，若采用傳熱效率及傳熱單元數(shù)法則可方便地計(jì)算而避免試差。

1.傳熱效率ε定義：若換熱器中流體無相變，熱損失忽略，則實(shí)際傳熱量：

Q=WhCph(T1-T2)＝WcCpc(t2-t1)換熱器中可能達(dá)到的最大溫度差為(T1-t1)。據(jù)能量衡算，冷流體吸收的熱量等于熱流體放出的熱量，故兩流體中(WCp)值較小的流體具有較大的溫度差，則最大可能的傳熱量：

Qmax=(WCp)min(T1-t1)2024/1/144其中稱為流體的熱容量流率C；下標(biāo)min表示兩流體中熱容量流率較小者，將此流體稱為最小值流體。2.傳熱單元數(shù)NTU對(duì)換熱器微元段進(jìn)行熱量衡算和傳熱速率計(jì)算：dQ=-WhCphdT＝WcCpcdt=K(T-t)dS2024/1/1453.ε與NTU的關(guān)系以并流為例。2024/1/1462024/1/1472024/1/148〖說明〗1.傳熱單元數(shù)NTU是溫度的無量綱函數(shù)，反映傳熱推動(dòng)力和傳熱所要求的溫度變化。2.前式同樣適用于熱流體為最小值流體，此時(shí)Cmin=WhCph，Cmax=WcCpc，(NTU)min=KS/Cmin3.逆流時(shí)：2024/1/1494.若兩流體之一有相變，即Δt或ΔT＝0，Cmax=∞，則：ε=1-exp[-(NTU)min]5.若Cmin=Cmax，則：〖說明〗(續(xù))：6.已知冷熱流體進(jìn)口溫度，求解出口溫度。步驟：判別最小值流體。Cmin=min(WhCph,WcCpc)計(jì)算(NTU)min，(NTU)min＝KS/Cmin據(jù)并流或逆流選擇公式計(jì)算傳熱效率ε

據(jù)熱量衡算方程計(jì)算另一出口溫度t2或T22024/1/150傳熱單元數(shù)法示例例4-12在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進(jìn)口溫度為110℃；水的流量為0.667kg/s，進(jìn)口溫度為35℃。油和水的平均比熱分別為1.9kJ/(kg·℃)及4.1879kJ/(kg·℃)

。換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/(m2·℃)。求水的出口溫度。解：WhCph=2.85×1900=5415W/℃

WcCpc=0.667×4180=2788W/℃故冷流體水為最小值流體，則：Cmin/Cmax=2788/5415=0.515(NTU)min=KS/Cmin=320×15.8/2788=1.82024/1/1515.1.3工業(yè)換熱方式

化工生產(chǎn)中常見的傳熱大多是冷、熱兩種流體之間進(jìn)行熱量交換，按照實(shí)現(xiàn)熱量交換的方式分為：5.1.3.1.直接混合式換熱當(dāng)工業(yè)過程可以允許兩種流體混合時(shí)，可使冷、熱兩種流體直接進(jìn)行接觸，在混合過程中進(jìn)行的熱交換稱為直接混合式換熱。這種換熱方式方便有效，其設(shè)備結(jié)構(gòu)也簡單，常用于氣體、液體的冷卻和蒸汽的冷凝等。2024/1/1525.1.3.2.蓄熱式換熱當(dāng)要求兩種流體不能完全混合時(shí)，可使冷、熱兩種流體交替地通過充填耐火磚等填料的蓄熱室，利用填料將熱量儲(chǔ)存起來由熱流體傳給冷流體，這種方式設(shè)備簡單、耐高溫，缺點(diǎn)是體積大，且兩流體難免存在混合，通常用于高溫氣體換熱。5.1.3.3.間壁式換熱指參與換熱的兩種流體通過一固體壁面進(jìn)行換熱，這時(shí)兩流體分別在壁面兩側(cè)流動(dòng)，熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o冷流體，避免了兩流體的混合，為化工中最常用的換熱方式。2024/1/1536.3換熱器傳熱過程的強(qiáng)化

6.3.1傳熱過程的強(qiáng)化途徑所謂傳熱過程的強(qiáng)化，是指從分析影響傳熱的各種因素出發(fā)，采取某些技術(shù)措施提高換熱器單位體積的傳熱面積，使設(shè)備趨于高效、緊湊、節(jié)省金屬用量以及降低動(dòng)力消耗等。在設(shè)計(jì)、操作和改進(jìn)中只能從K、Δtm、S三方面考慮。1.增大傳熱面積方法：提高單位體積內(nèi)的傳熱面積，采用小管徑、板狀換熱表面，改變傳熱面形狀等；增大對(duì)流傳熱系數(shù)小的一側(cè)的面積，如肋片管、波紋管、翅片管等，使換熱器傳熱系數(shù)提高以及增加單位體積的傳熱面積，能收到高效緊湊的效果。2024/1/1542.提高傳熱推動(dòng)力Δtm

方法：平均溫度差Δtm的大小主要取決于兩流體的溫度條件，常受到工藝條件的限制。但加熱劑或冷卻劑溫度由于選擇的不同，可以有很大的差別，如適當(dāng)提高加熱蒸汽壓強(qiáng)，降低冷卻水進(jìn)口溫度，確定適宜的出口溫度等都可提高Δtm。當(dāng)兩流體無相變化時(shí)，盡可能從結(jié)構(gòu)上采用逆流或接近逆流的操作，可提高Δtm。2024/1/1553.增大傳熱系數(shù)K影響K大小的因素主要是對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻，其中各項(xiàng)熱阻所占比重不同，應(yīng)從熱阻較大者方面考慮。一般金屬壁面較薄且導(dǎo)熱系數(shù)很大，故管壁熱阻較小，可不作為考慮對(duì)象。方法：降低污垢熱阻通過增大流速?zèng)_刷管壁防止污垢沉積，或采用阻垢劑等化學(xué)和機(jī)械方法來抑制污垢的生成速度，并注意及時(shí)清除等措施。提高對(duì)流傳熱系數(shù)特別是h小的一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，主要途徑是增加湍動(dòng)程度、減小層流底層的厚度，具體措施是：提高流速，增大雷諾數(shù)。如增加列管式換熱器中的管程數(shù)和在管外加裝擋板；2024/1/156(2)增加流動(dòng)的擾動(dòng)，減薄層流底層。如采用螺旋流動(dòng)，在異形管內(nèi)流動(dòng)或在管內(nèi)設(shè)置添加物，采用波紋狀或粗糙面等，使流動(dòng)方向和大小不斷改變等，都可提高對(duì)流傳熱強(qiáng)度；(3)利用傳熱進(jìn)口段換熱較強(qiáng)的特征，采用短管換熱器，利用機(jī)械或電的方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振動(dòng)，采用射流方法造成噴射傳熱面等。

總之強(qiáng)化傳熱的方式很多，但同時(shí)又帶來一定的弊病，如使設(shè)備復(fù)雜、流動(dòng)阻力增大、操作調(diào)節(jié)困難等問題。因此要權(quán)衡利弊，綜合考慮，在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，又要兼顧設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造費(fèi)用、動(dòng)力消耗和檢修操作等方面，做到技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，生產(chǎn)運(yùn)行操作可靠。2024/1/1576.4列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用換熱器的設(shè)計(jì)指在傳熱計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定換熱器的有關(guān)尺寸。換熱器的選用是根據(jù)生產(chǎn)上傳熱任務(wù)的要求，選擇合適的換熱器。兩者所需考慮的一些問題和計(jì)算步驟基本是一致的，無論設(shè)計(jì)還是選用，都以換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)作為參考，因而需要考慮到多方面的因素，進(jìn)行一系列的選擇和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，因此實(shí)際為一試算過程。6.4.1列管式換熱器設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)考慮的問題1流程的選擇在列管換熱器中，哪種流體在什么條件下走管程(或殼程)，選擇的一般原則為：(1)不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因管內(nèi)清洗方便；(2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕，且清洗、檢修方便；2024/1/158(3)壓強(qiáng)高的流體宜走管程，以免殼體同時(shí)受壓；(4)有毒流體宜走管程，使泄漏機(jī)會(huì)減少；(5)被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果；(6)飽和蒸汽宜走殼程，便于排出冷凝液和不凝氣，且蒸汽潔凈不污染；(7)流量小或粘度大的流體宜走殼程，因折流檔板的作用可使在低雷諾數(shù)(Re＞100)下即可達(dá)到湍流，但也可在管內(nèi)采用多管程；(8)若兩流體溫差較大，宜使α大的流體走殼程，使管壁和殼壁溫差減小。在具體選擇時(shí)，上述原則經(jīng)常不能同時(shí)兼顧，會(huì)互相矛盾，這時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，抓住主要問題，作為選擇的依據(jù)。2024/1/1592流體流速的選擇流速的大小不僅直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響總傳熱系數(shù)，但同時(shí)又和流動(dòng)阻力有關(guān)。應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡選擇適宜的流速，但相當(dāng)復(fù)雜，表4-14至表4-16列出常用的流速范圍，可供參考。充分利用系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備允許的壓強(qiáng)降來提高流速是換熱器設(shè)計(jì)和選用的一個(gè)重要原則，但應(yīng)全面考慮，照顧到結(jié)構(gòu)上的要求，但所選的流速，不應(yīng)使流體在滯流狀態(tài)下流動(dòng)。2024/1/1603冷卻劑或加熱劑出口溫度的選擇在換熱器設(shè)計(jì)中加熱劑或冷卻劑出口溫度需由設(shè)計(jì)者確定。如冷卻水進(jìn)口溫度需依當(dāng)?shù)貤l件而定，但出口溫度需通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡作出選擇。在缺水地區(qū)可使出口溫度高些，這樣操作費(fèi)用低，但使傳熱平均溫差下降，需傳熱面積增加使得投資費(fèi)用提高，反之亦然。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般應(yīng)使Δtm大于10℃為宜，此外若工業(yè)用水作為冷卻劑出口溫度不宜過高，因工業(yè)用水中所含的鹽類(主要CaCO3,MgCO3,CaSO4、MgSO4等)的溶解度隨溫度升高而減小，若出口溫度過高，鹽類析出，形成垢層使傳熱過程惡化，因此一般出口溫度不超過45℃。所以應(yīng)根據(jù)水源條件，水質(zhì)情況等加以綜合考慮后確定。水源嚴(yán)重缺乏地區(qū)可采用空氣作為冷卻劑，但使傳熱系數(shù)下降。對(duì)于加熱劑可按同樣原則選擇出口溫度。2024/1/1614.換熱管規(guī)格和排列方法傳熱管徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積就越大。對(duì)潔凈的流體可取小管徑，而對(duì)不潔凈或易結(jié)垢的流體管徑應(yīng)大些。目前我國列管式換熱器標(biāo)準(zhǔn)中采用Φ19×2mm、Φ25×2mm、Φ25×2.5mm等規(guī)格。管長的選用應(yīng)考慮管材的合理使用和清洗方便，因我國生產(chǎn)的鋼管長度多為6m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中的管長有1.5，2，3或6m四種，其中以3m和6m最為普遍。此外管長L和殼體直徑D的比例應(yīng)適當(dāng)，一般以L/D＝4～6為宜。管板上管子的排列方法常用的為等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列三種，見圖4-40。等邊三角形排列比較緊湊，管板利用率高，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形直列管外清洗方便，但對(duì)流傳熱系數(shù)較小，適用于易結(jié)垢的流體；正方形錯(cuò)列則介于兩者之間。管子在管板上排列的間距t和管子與管板的連接方法有關(guān)。通常焊接法取t=1.25do；而脹管法取t=(1.3～1.5)do，且t≥(do+6)mm。

2024/1/1625.折流擋板換熱器安裝折流擋板是為了提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，為了獲得良好的效果，折流擋板的尺寸和間距必須適當(dāng)。對(duì)常用的圓缺形擋板，弓形切口過大或過小，都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)“死區(qū)”，均不利于傳熱，見P431圖6-30。一般弓形缺口高度與殼體內(nèi)徑之比為0.15～0.45，常采用0.20和0.25兩種。擋板的間距過大，就不能保證流體垂直流過管束，使流速減小，管外對(duì)流傳熱系數(shù)下降；間距過小不便于檢修，流動(dòng)阻力也大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍，我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有150，300和600mm三種；浮頭式有150，200，300，480和600mm五種。

2024/1/1636管程和殼程數(shù)為了提高流速增大對(duì)流傳熱系數(shù)，可采用多管程。但程數(shù)增加將導(dǎo)致流動(dòng)阻力加大，平均溫度差下降，管板利用率差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1，2，4和6四種，采用多管程時(shí)，應(yīng)使各程管數(shù)大致相同。當(dāng)列管換熱器的溫差校正系數(shù)Δt<0.8時(shí)，可采用多殼程。如在殼內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼內(nèi)流經(jīng)兩次稱為兩殼程。但因在殼體內(nèi)安裝隔板比較困難，一般是將殼體分成多個(gè)，將所需管數(shù)分裝在直徑相等而較小的殼體中，然后將這些換熱器串聯(lián)使用。2024/1/1647換熱器外殼直徑的確定換熱器殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板直徑，通常是根據(jù)管徑，管數(shù)和管子的排列方法，用作圖法確定。當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，可參考系列標(biāo)準(zhǔn)或通過估算初選外殼直徑，待設(shè)計(jì)完成后再用作圖法畫出管子的排列圖。為使管子均勻排列，防止流體走“短路”，可以適當(dāng)增減一定數(shù)目的管子或安排一些拉桿。初步設(shè)計(jì)中，可采用下式估算外殼直徑：D=t(nc-1)+2b′式中：

D——

殼體內(nèi)徑，m；t——

管中心距，m；b′

——

管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，m，一般取b′=(1～1.5)do；nc

——

位于管束中心線上管數(shù)，其值可由以下公式計(jì)算：管子按等邊三角形排列時(shí)，nc=1.1n0.5

管子按正方形排列時(shí)，nc=1.19n0.5

式中：

n——

換熱器的總管數(shù)。根據(jù)計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。2024/1/1658流體通過換熱器壓強(qiáng)降的計(jì)算(1)管程壓強(qiáng)降

管程產(chǎn)生的阻力可按一般摩擦阻力公式計(jì)算，對(duì)于多程換熱器，管程壓強(qiáng)降ΣΔpi為各程直管壓強(qiáng)降Δp1和局部阻力產(chǎn)生壓強(qiáng)降Δp2之和，因而：ΣΔpi=(Δp1+Δp2)FtNpNs

式中：

Ft

——

結(jié)垢校正系