化工原理第五章

傳熱

第一節(jié)

概述二、傳熱的基本方式熱量傳遞是由于物體內或系統(tǒng)內的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總是由高溫處自動地向低溫處移動。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以，傳熱過程的推動力是溫度差。根據(jù)傳熱機理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導、熱對流和熱輻射。第一節(jié)

概述

1．熱傳導熱傳導簡稱導熱。物體中溫度較高部分的分子因振動而與相鄰分子相碰撞，將熱能傳給溫度較低部分的傳熱方式。在熱傳導中，物體中的分子不發(fā)生相對位移。如果把一根鐵棒的一端放在火中加熱，另一端會逐漸變熱，這就是熱傳導的緣故。固體、液體和氣體都能以這種方式傳熱。2．熱對流熱對流是指流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。熱對流可分為自然對流和強制對流。強制對流傳熱狀況比自然對流好。熱對流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。

第一節(jié)

概述3．熱輻射熱輻射是以電磁波的形式發(fā)射的一種輻射能，當此輻射能遇到另一物體時，可被其全部或部分的吸收而變?yōu)闊崮?。因此輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還同時伴隨有能量形式的轉化。另外，輻射傳熱不需要任何介質作媒介，它可以在真空中傳播。這是輻射傳熱與熱傳導及對流傳熱的根本區(qū)別。實際上，以上三種傳熱方式很少單獨存在，一般都是兩種或三種方式同時出現(xiàn)。在一般換熱器內，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計，只需考慮熱傳導和對流兩種傳熱方式。本章將重點討論后面兩種傳熱方式。第一節(jié)

概述三、工業(yè)生產(chǎn)上的換熱方法

參與傳熱的流體稱為載熱體。在傳熱過程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體或加熱劑；溫度較低而得到熱能的載熱體稱為冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑。冷、熱兩種流體在換熱器內進行熱交換，實現(xiàn)熱交換的方式有以下三種：

第一節(jié)

概述

1．直接接觸式換熱直接接觸式換熱的特點是冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖5-1所示。在混合過程中進行傳熱，故也稱為混合式換熱?；旌鲜綋Q熱器適用于用水來冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場合。第一節(jié)

概述2．蓄熱式換熱蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構成，室內裝有耐火磚等固體填充物，如圖5-2所示。操作時冷、熱流體交替的流過蓄熱室，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達到換熱的目的。由于這類換熱設備的操作是間歇交替進行的，并且難免在交替時發(fā)生兩股流體的混合，所以這類設備在化工生產(chǎn)中使用的不太多。第一節(jié)

概述3．間壁式換熱這是生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式。間壁式換熱器的特點是冷、熱流體被一固體壁面隔開，分別在壁面的兩側流動，不相混合。傳熱時熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。間壁式換熱器適用于兩股流體間需要進行熱量交換而又不允許直接相混的場合?；どa(chǎn)中最常遇到的換熱過程是間壁式換熱，本章重點討論間壁式換熱器。第一節(jié)

概述四、間壁式換熱器簡介用來實現(xiàn)冷、熱流體之間熱量交換的設備都可稱為熱交換器或換熱器。在換熱器內可以是單純地進行物料的加熱或冷卻；也可以進行有相變化的沸騰和冷凝等過程。間壁式換熱器的種類很多，下面僅介紹典型的套管式、列管式換熱器。

1．套管式換熱器它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起組成的。冷、熱流體分別流經(jīng)內管和環(huán)隙，通過內管壁而進行熱的交換。

第一節(jié)

概述2．列管式換熱器列管式換熱器主要有殼體、管束、管板（花板）和封頭等部件組成。一種流體由封頭處的進口管進入分配室空間（封頭與管板之間的空間）分配至各管內（稱為管程），通過管束后，從另一封頭的出口管流出換熱器。另一種流體則由殼體的進口管流入，在殼體與管束間的空隙流過（稱為殼程），從殼體的另一端出口管流出。圖5-4所示為流體在換熱器管束內只通過一次，稱為單管程列管式換熱器。若在換熱器的分配室空間設置隔板，將管束的全部管子平均分成若干組，流體每次只通過一組管子，然后折回進入另一組管子，如此反復多次，最后從封頭處的出口管流出換熱器。

這種換熱器稱為多管程列管式換熱器。圖5-5所示為雙管程列管式換熱器。第一節(jié)

概述

第一節(jié)

概述

第一節(jié)

概述五、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時間而改變的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱。若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時間變化的傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設備和連續(xù)生產(chǎn)時設備的啟動和停車過程，都為不穩(wěn)定的傳熱過程?；どa(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱。

第二節(jié)

傳熱計算

一、傳熱速率方程

在換熱器中傳熱的快慢用傳熱速率表示。傳熱速率是指單位時間內通過傳熱面的熱量，單位為W。在間壁式換熱器中，熱量是通過兩股流體間的壁面?zhèn)鬟f的，這個壁面稱為傳熱面，單位是m2。兩股流體間所以能有熱量交換，是因為它們有溫度差。如果以表示熱流體的溫度，t表示冷流體的溫度，那么溫度差就是熱量傳遞的推動力，用表示，單位為K或℃。實踐證明：兩股流體單位時間所交換的熱量與傳熱面積成正比，與溫度差成正比，即

第二節(jié)

傳熱計算把上述比例式改寫成等式，以表示比例常數(shù)，則得

（5-1）式（5-1）稱為傳熱速率方程式。式中稱為傳熱系數(shù)，其單位可由式（5-1）移項推導得

W/（m2·K）或

W/（m2·℃）

從的單位可以看出，傳熱系數(shù)的意義是：當溫度差為1時，在單位時間內通過單位面積所傳遞的熱量。顯然，值的大小是衡量換熱器性能的一個重要指標，值越大，表明在單位傳熱面積上在單位時間內傳遞的熱量越多。第二節(jié)

傳熱計算從單位可以看出，傳熱系數(shù)的意義是：當溫度差為1時，在單位時間內通過單位面積所傳遞的熱量。顯然，值的大小是衡量換熱器性能的一個重要指標，值越大，表明在單位傳熱面積上在單位時間內傳遞的熱量越多。

將式（5-1）改寫為(5-2)

式中表示傳熱過程的總阻力，簡稱熱阻，用表示。即

第二節(jié)

傳熱計算由式（5-2）可知，單位傳熱面積上的傳熱速率與傳熱推動力成正比，與熱阻成反比。因此，提高換熱器傳熱速率的途徑為提高傳熱推動力和降低傳熱阻力。二、熱負荷和載熱體用量的計算1．熱負荷的計算根據(jù)能量守恒定律，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，單位時間內熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。即，稱為熱量衡算式。第二節(jié)

傳熱計算生產(chǎn)上的換熱器內，冷、熱兩股流體間每單位時間所交換的熱量是根據(jù)生產(chǎn)上換熱任務的需要提出的，熱流體的放熱量或冷流體的吸熱量，稱為換熱器的熱負荷。熱負荷是要求換熱器具有的換熱能力。一個能滿足生產(chǎn)換熱要求的換熱器，必須使其傳熱速率等于（或略大于）熱負荷。所以，我們通過計算熱負荷，便可確定換熱器的傳熱速率。必須注意，傳熱速率和熱負荷雖然在數(shù)值上一般看作相等，但其含意卻不同。熱負荷是由工藝條件決定的，是對換熱器的要求；傳熱速率是換熱器本身的換熱能力，是設備的特征。

第二節(jié)

傳熱計算熱負荷的計算有以下三種方法：（1）焓差法利用流體換熱前、后焓值的變化計算熱負荷的計算式如下或（5-3）式中——熱負荷，W；——熱、冷流體的質量流量，kg/s；——熱流體進、出口的焓，J/kg；——冷流體進、出口的焓，J/kg。

焓的數(shù)值決定于流體的物態(tài)和溫度。通常取0℃為計算基準，規(guī)定液體和蒸汽的焓均取0℃液態(tài)的焓為0J/kg，而氣體則取0℃氣態(tài)的焓為0J/kg。第二節(jié)

傳熱計算

（2）顯熱法

此法用于流體在換熱過程中無相變化的情況。計算式如下

或

（5-4）

式中——熱、冷流體的平均定壓比熱容，J/(kg·℃)；——熱流體進、出口溫度，℃；——冷流體的進、出口溫度，℃。

（3）潛熱法

此法用于流體在換熱過程中僅發(fā)生相變化(如冷凝或氣化)的場合。

或

（5-5）式中——熱流體和冷流體的相變熱（蒸發(fā)潛熱），J/kg。

第二節(jié)

傳熱計算

2．載熱體消耗量

換熱器中當物料需要冷卻時，它所放出的熱量由冷流體帶走；當物料需要加熱時，必須由熱流體供給熱量。當確定了換熱器的熱負荷以后，載熱體的流量可根據(jù)熱量衡算確定。

3．載熱體的選用

在化工生產(chǎn)中，若要加熱一種冷流體，同時又要冷卻另一種熱流體，只要兩者溫度變化的要求能夠達到，就應盡可能讓這兩股流體進行換熱。利用生產(chǎn)過程中流體自身的熱交換，充分回收熱能，對于降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能源都具有十分重要的意義。但是當工藝換熱條件不能滿足要求時，就需要采用外來的載熱體與工藝流體進行熱交換。載熱體有許多種，應根據(jù)工藝流體溫度的要求，選擇一種合適的載熱體。載熱體的選擇可參考下列幾個原則：①載體溫度必須滿足工藝要求；②載熱體的溫度調節(jié)應方便；③載熱體應具有化學穩(wěn)定性，不分解；④載熱體的毒性小，對設備腐蝕性??；⑤載熱體不易燃、不易爆；⑥載熱體價廉易得。

第二節(jié)

傳熱計算目前生產(chǎn)中使用得最廣泛的載熱體是飽和水蒸汽和水。

（1）

飽和水蒸汽

由于飽和水蒸汽冷凝時放出大量的熱，加熱均勻，不會有局部過熱的現(xiàn)象，依據(jù)飽和溫度與蒸汽壓力的對應關系，通過調節(jié)壓力能很方便、準確的控制加熱溫度。飽和水蒸汽加熱的缺點是加熱溫度不太高，因為水蒸氣的飽和蒸汽壓隨溫度升高而增大，對鍋爐、管路和設備的耐壓、密閉要求也大大提高，帶來許多困難。所以，一般水蒸氣加熱的溫度范圍在120~180℃，絕對壓在200~1000kPa。這一溫度范圍能滿足大部分化工工業(yè)的需要，蒸發(fā)、干燥等單元操作大多也在此溫度范圍內進行。第二節(jié)

傳熱計算水蒸汽加熱分為直接和間接兩種。直接法是將蒸汽用管子直接通入被加熱的液體中，蒸汽所含熱量可以完全利用，但液體被稀釋，這往往是工藝條件不允許的；間接法是在換熱器中進行，加熱時必須注意以下兩點：

①要經(jīng)常排除不凝性氣體，否則會降低蒸汽的傳熱效果。不凝性氣體的來源為溶于原來水中的空氣，另外是管路或換熱器連接處不嚴密而漏入。排除方法可在加熱室的上端裝一放空閥門，借蒸汽的壓強將混入的不凝性氣體間歇排除。②要不斷排除冷凝水，否則冷凝水積聚于換熱器內占據(jù)了一部分傳熱面積，使傳熱效果降低。排除的方法是在冷凝水排出管上安裝冷凝水排出器（也稱疏水器），它的作用是在排除冷凝水的同時阻止蒸汽逸出。

第二節(jié)

傳熱計算（2）水

是廣泛使用的冷卻劑。水的初溫由氣候條件所決定，一般為4~25℃，因此水的用量主要決定于經(jīng)過換熱器之后的出口溫度；其次水中含有一定量的污垢雜質，當沉積在換熱器壁面上時就會降低換熱器的傳熱效果。所以冷卻水溫的確定主要從溫度和流速兩個方面考慮：①水與被冷卻的流體之間一般應有5~35℃的溫度差。②冷卻水的溫度不能超過40~50℃，以避免溶解在水中的各種鹽類析出，在傳熱壁面上形成污垢。③水的流速不應小于0.5m/s，否則在傳熱面上易產(chǎn)生污垢。

第二節(jié)

傳熱計算

如果需要把物料加熱到180℃以上，就不用飽和水蒸汽而需要用其他的載熱體，這類載熱體工業(yè)上稱為高溫載熱體；如果把物料冷卻到5~10℃或更低的溫度，就必須采用低溫冷卻劑?，F(xiàn)把工業(yè)上常用的載熱體列于表5-1。第二節(jié)

傳熱計算

第二節(jié)

傳熱計算三、平均溫度差

用傳熱速率方程式計算換熱器的傳熱速率時，因傳熱面各部位的傳熱溫度差不同，必須算出平均傳熱溫度差代替，即

的數(shù)值與流體流動情況有關。

第二節(jié)

傳熱計算

1．恒溫傳熱時的平均溫度差

參與傳熱的冷、熱兩種流體在換熱器內的任一位置、任一時間，都保持其各自的溫度不變，此傳熱過程稱為恒溫傳熱。例如用水蒸汽加熱沸騰的液體，器壁兩側的冷、熱流體因自身發(fā)生相變化而溫度都不變，恒溫傳熱時的平均溫度差等于

（5-6）

流體的流動方向對無影響。2．變溫傳熱時的平均溫度差

工業(yè)上最常見的是變溫傳熱，即參與傳熱的兩種流體（或其中之一）有溫度變化。在變溫傳熱時，換熱器各處的傳熱溫度差隨流體溫度的變化而不同，計算時必須取其平均值。

第二節(jié)

傳熱計算（1）單側變溫時的平均溫度差圖5-6所示為一側流體溫度有變化，另一側流體的溫度無變化的傳熱。圖5-6a熱流體溫度無變化，而冷流體溫度發(fā)生變化。例如在生產(chǎn)中用飽和水蒸汽加熱某冷流體，水蒸汽在換熱過程中由汽變液放出熱量，其溫度是恒定的，但被加熱的冷流體溫度從生至，此時沿著傳熱面的傳熱溫度差是變化的。圖5-6b冷流體溫度無變化，而熱流體的溫度發(fā)生變化。例如生產(chǎn)中的廢熱鍋爐用高溫流體加熱恒定溫度下沸騰的水，高溫流體的溫度從降至，而沸騰的水溫始終保持為沸點，此時的傳熱溫度差也是變化的。其溫度差的平均值可取其對數(shù)平均值，即按下式計算

第二節(jié)

傳熱計算

第二節(jié)

傳熱計算

（5-7）

式中取。和為傳熱過程中最初、最終的兩流體之間溫度差。在工程計算中，當時，可近似地采用算術平均值，即

（5-8）算術平均溫度差與對數(shù)平均溫度差相比較，在＜2時，其誤差＜4%。第二節(jié)

傳熱計算（2）雙側變溫時的平均溫度差

工廠中常用的冷卻器和預熱器等，在換熱過程中間壁的一側為熱流體，另一側為冷流體，熱流體沿間壁的一側流動，溫度逐漸下降，而冷流體沿間壁的另一側流動，溫度逐漸升高。這種情況下，換熱器各點的

也是不同的，屬雙側變溫傳熱。在此種變溫傳熱中，參與熱交換的兩種流體的流向大致有四種類型，如圖5-7所示。兩者平行而同向的流動，稱為并流；兩者平行而反向的流動，稱為逆流；垂直交叉的流動，稱為錯流；一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復折流，稱為折流。變溫傳熱時，其平均溫度差的計算方法因流向的不同而異。第二節(jié)

傳熱計算

第二節(jié)

傳熱計算

①并流和逆流時的平均溫度差

并流與逆流兩種流向的平均溫度差計算式與式（5-7）完全一樣，即

應當注意，在計算時取冷、熱流體在換熱器兩端溫度差大的作為，小的為，以使式（5-7）中的分子與分母都是正數(shù)。如遇＜2時，仍可用算術平均值計算，即

不難看出，當一側流體變溫而另一側流體恒溫時，并流和逆流的平均溫度差是相等的；當兩側流體都變溫時，由于流動方向的不同，兩端的溫度差也不相同，因此并流和逆流時的是不相等的。第二節(jié)

傳熱計算逆流的另一優(yōu)點是可以節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量。例如：若要求將一定流量的冷流體從120℃加熱到160℃，而熱流體的進口溫度為245℃，出口溫度不作規(guī)定。此時若采用逆流，熱流體的出口溫度可以降至接近于120℃，而采用并流時，則只能降至接近于160℃。這樣，逆流時的加熱劑用量就較并流時為少。

由以上分析可知，逆流優(yōu)于并流，因而工業(yè)生產(chǎn)中換熱器多采用逆流操作。但是在某些生產(chǎn)工藝有特殊要求時，如要求冷流體被加熱時不能超過某一溫度，或熱流體被冷卻時不能低于某一溫度，則宜采用并流操作。

第二節(jié)

傳熱計算

②錯流和折流時的平均溫度差

為了強化傳熱，列管式換熱器的管程或殼程常常為多程，流體經(jīng)過兩次或多次折流后再流出換熱器，這使換熱器內流體流動的型式偏離純粹的逆流和并流，因而使平均溫度差的計算更為復雜。錯流或折流時的平均溫度差是先按逆流計算對數(shù)平均溫度差，再乘以溫度差修正系數(shù)，即各種流動情況下的溫度差修正系數(shù)，可以根據(jù)和兩個參數(shù)查圖

（5-9）

第二節(jié)

傳熱計算

的值可根據(jù)換熱器的型式，由圖5-8查取。由于的值小于1，故折流和錯流時的平均溫度差總小于逆流。采用折流和其他復雜流動的目的是為了提高傳熱系數(shù)，其代價是使平均溫度差相應減小。綜合利弊，一般在設計時最好使＞0.9，至少也不應低于0.8，否則經(jīng)濟上不合理。第二節(jié)

傳熱計算四、傳熱系數(shù)的測定和經(jīng)驗值

傳熱系數(shù)值的來源有以下三個方面。第二節(jié)

傳熱計算

第二節(jié)

傳熱計算

第二節(jié)

傳熱計算

1．現(xiàn)場實測

根據(jù)傳熱速率方程可知，只需從現(xiàn)場測得換熱器的傳熱面積，平均溫度差及熱負荷后，傳熱系數(shù)就很容易計算出來。其中傳熱面積可由設備結構尺寸算出，可從現(xiàn)場測定兩股流體的進出口溫度及它們的流動方式而求得，熱負荷可由現(xiàn)場測得流體的流量，由流體在換熱器進出口的狀態(tài)變化而求得。

制成新型換熱器后，為了檢驗其傳熱性能，也需通過實驗，測定其值。第二節(jié)

傳熱計算2．采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)在進行換熱器的傳熱計算時，常需要先估計傳熱系數(shù)。表5-2列出了常見的列管式換熱器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗值的大致范圍。

由表可見，值變化范圍很大，化工技術人員應對不同類型流體間換熱時的值有一數(shù)量級概念。表5-2

列管式換熱器中傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值

第二節(jié)

傳熱計算3．計算法傳熱系數(shù)的計算公式可利用串聯(lián)熱阻疊加原則導出。對于間壁式換熱器，如圖5-9所示，兩流體通過間壁的傳熱包括以下過程：（1）

熱流體在流動過程中把熱量傳給間壁的對流傳熱；（2）

通過間壁的熱傳導；（3）

熱量由間壁另一側傳給冷流體的對流傳熱。顯然，傳熱過程的總阻力應等于兩個對流傳熱阻力與一個導熱阻力之和。前已述及，是傳熱總阻力的倒數(shù)，故可通過串聯(lián)熱阻的方法計算總阻力，進而計算值。以下分別討論熱傳導和對流傳熱的規(guī)律及其熱阻的計算。第二節(jié)

傳熱計算

第三節(jié)

熱傳導

一、導熱基本方程和導熱系數(shù)1．熱傳導方程在一個均勻固體物質組成的平壁如圖5-10所示，面積為，單位是m2。壁厚為δ，單位是m。平壁兩側壁面溫度分別為和，單位為K或℃。且＞熱量以熱傳導方式沿著與壁面垂直的方向，從高溫壁面?zhèn)鬟f到低溫壁面。實踐證明：單位時間內物體以熱傳導方式傳遞的熱量與傳熱面積成正比，與壁面兩側的溫度差（－）成正比，而與壁面厚度δ成反比，即：

第三節(jié)

熱傳導把上述比例式改寫成等式，以表示比例系數(shù)，則得

（5-10）

式（5-10）稱為熱傳導方程式，或稱為傅里葉定律。2．熱導率（導熱系數(shù)）比例系數(shù)稱為熱導率（又稱導熱系數(shù)），式（5-10）可改寫成：

W/（m·K）或

W/（m·℃)第三節(jié)

熱傳導從λ的單位可以看出，導熱系數(shù)的意義是：當間壁的面積為1m2，厚度為1m，壁面兩側的溫度差為1時，在單位時間內以熱傳導方式所傳遞的熱量。顯然，導熱系數(shù)值越大，則物質的導熱能力越強。所以導熱系數(shù)是物質導熱能力的標志，為物質的物理性質之一。通常，需要提高導熱速率時，可選用導熱系數(shù)大的材料；反之，要降低導熱速率時，應選用導熱系數(shù)小的材料。各種物質的導熱系數(shù)通常用實驗方法測定。導熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大，一般來說，金屬的導熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小。各類物質導熱系數(shù)的數(shù)值范圍大致為第三節(jié)

熱傳導金

屬101~102

W/（m·K）或

W/（m·℃)建筑材料10-1~100

W/（m·K）或W/（m·℃)絕熱材料10-2~10-1

W/（m·K）或

W/（m·℃)液

體10-1W/（m·K）或W/（m·℃)氣

體10-2~10-1W/（m·K）或

W/（m·℃)工程中常見物質的導熱系數(shù)可從有關手冊中查得。本章表5-3，5-4，5-5中列出某些物質的導熱系數(shù)，供查用。下面對固體、液體和氣體的導熱系數(shù)分別進行討論。

第三節(jié)

熱傳導（1）固體的導熱系數(shù)表5-3為常用固體材料的導熱系數(shù)。金屬是良導電體，也是良好的導熱體。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低，金屬的純度對導熱系數(shù)影響很大，合金的導熱系數(shù)一般比純金屬要低。非金屬建筑材料或絕熱材料（又稱保溫材料）的導熱系數(shù)與物質的組成、結構的致密程度及溫度有關。通常值隨密度的增加而增大，也隨溫度的升高而增大。第三節(jié)

熱傳導表5-3常用固體材料的導熱系數(shù)

第三節(jié)

熱傳導（2）液體的導熱系數(shù)表5-4列出了幾種液體的導熱系數(shù)。非金屬液體以水的導熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度升高而略有減小。一般，純液體的導熱系數(shù)比其溶液的導熱系數(shù)大。表5-4液體的導熱系數(shù)

第三節(jié)

熱傳導（3）氣體的導熱系數(shù)

表5-5列出了幾種氣體的導熱系數(shù)。氣體的導熱系數(shù)很小，對導熱不利，但有利于絕熱和保溫。工業(yè)上所用的保溫材料，如軟木、玻璃棉等的導熱系數(shù)之所以很小，就是因為在其空隙中存在大量空氣的緣故。氣體的導熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高，氣體分子熱運動增強。但在相當大的壓力范圍內，壓力對導熱系數(shù)無明顯影響。

應予指出，在熱傳導過程中，物質內不同位置的溫度各不相同，因而導熱系數(shù)也隨之而異，在工程計算中常取導熱系數(shù)的平均值。

第三節(jié)

熱傳導表5-5氣體的導熱系數(shù)

二、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導1．單層平壁的熱傳導單層平壁的熱傳導方程式與式（5-10）完全一樣，即第三節(jié)

熱傳導

把上式改寫成下面的形式(5-11)

本式與導電的歐姆定律相似，式中溫度差，是導熱過程的推動力，而，為單層平壁的導熱熱阻。第三節(jié)

熱傳導2．多層平壁的熱傳導

工業(yè)上常遇到由多種不同材料組成的平壁，稱為多層平壁。如鍋爐墻壁是由耐火磚、保溫磚和普通磚組成。以三層壁為例，如圖5-11所示

第三節(jié)

熱傳導由三種不同材質構成的多層平壁截面積為，各層的厚度為δ1，δ2和δ3，各層的導熱系數(shù)為1，2和3，若各層的溫度差分別為，和，則三層的總溫度差。因是穩(wěn)定傳熱，式(5-11)對于各層的傳熱速率均適用。而且，各層的傳熱速率也都相等，下式的關系成立

第三節(jié)

熱傳導即多層平壁的傳熱速率由推動力總溫度差與各層的熱阻之和的比值求得。式（5-12）與串聯(lián)熱阻時的導電公式同形，該式還可變形為下式，，

（5-13）由式（5-13）可以看出，利用總溫度差和各層的熱阻值，可以較為簡便的求出各層的溫度差。在多層平壁中，溫度差大的壁層，則熱阻也大。第三節(jié)

熱傳導三、通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導1．單層圓筒壁的熱傳導在化工生產(chǎn)的熱交換器中，常采用金屬管道作為簡壁，以隔開冷、熱兩種載熱體進行傳熱，如圖5-12所示。此時，熱流的方向是從筒內到桶外，而與熱流方向垂直的圓筒面積（傳熱面積）（為圓筒半徑，為圓筒長度）?？梢?，傳熱面積不再是固定不變的常量，而是隨半徑而變，同時溫度也隨半徑而變。這就是圓筒壁熱傳導與平壁熱傳導的不同之處。但傳熱速率在穩(wěn)定時依然是常量。圓筒壁的熱傳導也可仿照平壁的熱傳導來處理，可將圓筒壁的熱傳導方程式寫成于平壁熱傳導方程相類似的形式，不過其中的傳熱面積應采用平均值。即

第三節(jié)

熱傳導（5-14）式中，帶入上式得（5-15）式中——圓筒內壁半徑，m；——圓筒外壁半徑，m；——圓筒壁的平均半徑，m；——圓筒長度，m。

第三節(jié)

熱傳導式中在工程計算中，采用對數(shù)平均值

（5-16）

當時，使用算術平均值代替對數(shù)平均值的誤差僅為4%在工程計算上是允許的。因此，當時，可用算術平均值代替對數(shù)平均值。算術平均值為由式（5-14）可以得出單層圓筒壁的導熱熱阻為

（5-18）

（5-17）第三節(jié)

熱傳導

2．多層圓筒壁的熱傳導由不同材質構成的多層圓筒壁的熱傳導也可按多層平壁的熱傳導處理，由式（5-12）計算傳熱速率。但是，作為計算各層熱阻的傳熱面積不再相等，而應采用各層的對數(shù)平均面積。對于圖5-13所示的三層圓筒壁，其公式為

（5-19）第三節(jié)

熱傳導

第四節(jié)

對流傳熱

一、對流傳熱方程1．對流傳熱分析

冷熱兩個流體通過金屬壁面進行熱量交換時，由流體將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過程稱為對流傳熱（或給熱）。對流傳熱是層流內層的導熱和湍流主體對流傳熱的統(tǒng)稱。

在第一章中已知，流體沿固體壁面流動時，無論流動主體湍動的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層層流內層。由于在層流內層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直方向的流體對流混合，所以固體壁面與流體間進行傳熱時，熱量只能以熱傳導方式通過層流內層。雖然層流內層的厚度很薄，但導熱的熱阻值卻很大，因此層流內層產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面，在湍流主體中，由于對流使流體混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中的溫度差極小。

第四節(jié)

對流傳熱

圖5-14是表示對流傳熱的溫度分布示意圖，由于層流內層的導熱熱阻大，所需要的推動力溫度差就比較大，溫度曲線較陡，幾乎成直線下降；在湍流主體，流體溫度幾乎為一恒定值。一般將流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層，亦稱熱邊界層。

第四節(jié)

對流傳熱

2．對流傳熱方程

大量實踐證明：在單位時間內，以對流傳熱過程傳遞的熱量與固體壁面的大小、壁面溫度和流體主體平均溫度二者間的差成正比。即

式中——單位時間內以對流傳熱方式傳遞的熱量，W；

A——固體壁面積，m2；——壁面的溫度，℃；——流體主體的平均溫度，℃。引入比例系數(shù),則上式可寫成

（5-20）

第四節(jié)

對流傳熱稱為對流傳熱系數(shù)（或給熱系數(shù)），其單位為W/(m2·℃)。的物理意義是，流體與壁面溫度差為1℃時，在單位時間內通過每m2傳遞的熱量。所以值表示對流傳熱的強度。

式（5-20）稱為對流傳熱方程式，也稱為牛頓冷卻定律。牛頓冷卻定律以很簡單的形式描述了復雜的對流傳熱過程的速率關系，其中的對流傳熱系數(shù)包括了所有影響對流傳熱過程的復雜因素。

將式（5-20）改寫成下面的形式

第四節(jié)

對流傳熱則對流傳熱過程的熱阻為

（5-21）二、對流傳熱系數(shù)1．影響對流傳熱系數(shù)的因素

影響對流傳熱系數(shù)的因素是很多的，凡是影響邊界層導熱和邊界層外對流的條件都和有關，實驗表明，影響的因素主要有：

第四節(jié)

對流傳熱（1）流體的種類

液體、氣體和蒸汽；

（2）流體的物理性質

密度、黏度、導熱系數(shù)和比熱容等；

（3）流體的相態(tài)變化

在傳熱過程中有相變發(fā)生時的值比沒有相變發(fā)生時的值大得多；

（4）流體對流的狀況

強制對流時值大，自然對流時值??；

（5）流體的運動狀況

湍流時值大，層流時值??；

（6）傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長度和高度等。

由上所述，如何確定不同情況下的對流傳熱系數(shù)，是對流傳熱的中心問題。第四節(jié)

對流傳熱

2．對流傳熱系數(shù)

由于影響對流傳熱系數(shù)的因素太多，要建立一個通式來求各種條件下的是很困難的。目前工程計算中采用理論分析與實驗相結合的方法建立起來的經(jīng)驗關聯(lián)式，即準數(shù)關聯(lián)式。常用的準數(shù)及物理意義列于表5-6中。準數(shù)關聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式，所以應用這種關聯(lián)式求解時就不能超出實驗條件的范圍，使用時就必須注意它的適用條件。具體說來，主要指下面三個方面。

第四節(jié)

對流傳熱表5-6準數(shù)的名稱、符號和含義

第四節(jié)

對流傳熱（1）應用范圍

指關聯(lián)式中、等準數(shù)可適用的數(shù)值范圍。

（2）特征尺寸

關聯(lián)式中、等準數(shù)中的特征尺寸應如何取定。

（3）定性溫度

關聯(lián)式中各準數(shù)中流體的物性應按什么溫度查定。

關于對流傳熱系數(shù)前人進行了許多實驗研究工作，對于各種傳熱情況分別提出了進行計算的關聯(lián)式，下面僅介紹常用的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式來說明關聯(lián)式的應用。

第四節(jié)

對流傳熱（1）流體在圓形直管內強制湍流無相變發(fā)生時

適用于氣體或低黏度(小于2倍常溫水的黏度)液體

或

（5-22）

當流體被加熱時，式中；當流體被冷卻時，應用范圍：，0.7＜＜120，管長與管徑之比，若的短管，則需進行修正，可將（5-22）式求得的值乘以大于1的短管修正系數(shù)，即（5-23）

第四節(jié)

對流傳熱

特征尺寸：管內徑。

定性溫度：取流體進、出口溫度的算術平均值。

（2）流體有相變化時的對流傳熱系數(shù)

流體在換熱器內發(fā)生相變化的情況有冷凝和沸騰兩種?，F(xiàn)分別將兩種有相變化的傳熱進行介紹。①蒸汽的冷凝當飽和蒸汽與溫度較低的固體壁面接觸時，蒸汽將放出大量的潛熱，并在壁面上冷凝成液體。蒸汽冷凝有膜狀冷凝和珠狀冷凝兩種方式，膜狀冷凝時，冷凝液容易潤濕冷卻面，珠狀冷凝時，冷凝液不容易潤濕冷卻面。第四節(jié)

對流傳熱

在膜狀冷凝過程中，壁面上形成一層完整的液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進行。而珠狀冷凝過程，冷凝液在壁面上形成珠狀，液滴自壁面滾轉而滴落，蒸汽與重新露出的壁面直接接觸，因而珠狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大得多。

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般換熱設備中的冷凝可按膜狀冷凝考慮。冷凝的傳熱系數(shù)一般都很大，如水蒸汽作膜狀冷凝時的傳熱系數(shù)通常為5000~15000W/(m2·℃)。因而傳熱壁的另一側熱阻相對的大，是傳熱過程的主要矛盾。

當蒸汽中有空氣或其他不凝性氣體存在時，則將在壁面上生成一層氣膜。由于氣體導熱系數(shù)很小，使傳熱系數(shù)明顯下降。例如，當蒸汽中不凝性氣體的含量為1%時，可降低60%左右。因此冷凝器應裝有放氣閥，以便及時排除不凝性氣體。

第四節(jié)

對流傳熱

第四節(jié)

對流傳熱②

液體的沸騰

高溫加熱面與沸騰液體間的傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的。由于液體沸騰的對流傳熱是一個復雜的過程，影響液體沸騰的因素很多，最重要的是傳熱壁與液體的溫度差?，F(xiàn)以常壓下水沸騰的情況為例，說明對流傳熱的情況。

圖5-15所示是常壓下水在鉑電熱絲表面上沸騰時與的關系曲線。當溫度差較小，為5以下時，傳熱主要以自然對流方式進行，如圖中AB線段所示，隨的增大而略有增大。此階段稱為自然對流區(qū)。當逐漸升高越過B點時，在加熱面上產(chǎn)生許多蒸氣泡，由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到劇烈的擾動，使隨的增大而迅速增大，在C點處達到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點的溫度差稱為臨界溫度差。水的臨界溫度差約為25。

第四節(jié)

對流傳熱當逐漸升高越過B點時，在加熱面上產(chǎn)生許多蒸氣泡，由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到劇烈的擾動，使隨的增大而迅速增大，在C點處達到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點的溫度差稱為臨界溫度差。水的臨界溫度差約為25。當超過C點繼續(xù)增大時，加熱面逐漸被氣泡覆蓋，由于傳熱過程中的熱阻大，開始減小，到達D點時為最小值。此時，若在繼續(xù)增加，加熱面完全被蒸氣泡層所覆蓋，通過該蒸氣泡層的熱量傳遞是以導熱和熱輻射方式進行。此階段稱為膜狀沸騰。第四節(jié)

對流傳熱一般的傳熱設備通?？偸强刂圃诤藸罘序v下操作，很少發(fā)生膜狀沸騰。由于液體沸騰時要產(chǎn)生氣泡，所以一切影響氣泡生成、長大和脫離壁面的因素對沸騰對流傳熱都有重要影響。如此復雜的影響因素使液體沸騰的傳熱系數(shù)計算式至今都不完善，誤差較大。但液體沸騰時的值一般都比流體不相變的值大，例如，水沸騰時值一般在1500~30000W/(m2·℃)。如果與沸騰液體換熱的另一股流體沒有相變化，傳熱過程的阻力主要是無相變流體的熱阻，在這種情況下，值不一定要詳細計算，例如，水的沸騰值常取5000W/(m2·℃)。綜上所述，由于影響對流傳熱系數(shù)的因素很多，所以的數(shù)值范圍很大。表5-7中介紹了常用流體值的大致范圍。由此表可看出，流體在傳熱過程中有相變化時的值比較大；在沒有相變化時，水的值最大，油類次之，氣體和過熱蒸氣最小。

第四節(jié)

對流傳熱三、設備熱損失計算

許多化工設備的外壁溫度常高于周圍空氣的溫度，必然會有熱量散失于周圍環(huán)境中。這部分散失的熱量，除有對流傳熱方式進行外，還有輻射傳熱的方式。所以，設備損失的熱量應等于對流傳熱和輻射傳熱兩部分之和。所以，總的熱量損失為：

（5-24）式中——聯(lián)合膜系數(shù)，W/(m2·℃)；——設備壁面面積，m2；——壁溫，℃；——周圍介質的溫度，℃。第四節(jié)

對流傳熱對于有保溫層的設備、管道等，其外壁對周圍環(huán)境散熱的聯(lián)合膜系數(shù)，可用下列各式進行估算。1．空氣自然對流時，當＜150℃

在平壁保溫層外

（5-25）

在管或圓筒壁保溫層外

（5-26）

第四節(jié)

對流傳熱

2．空氣沿粗糙壁面強制對流時

空氣流速≤5m/s時

（5-27）

空氣流速＞5m/s時

（5-28）

為了減少熱量（或冷量）的損失和改善勞動條件等，許多溫度較高（或較低）的設備和管道都必須進行隔熱保溫。保溫材料的種類很多，應視具體情況加以選用。保溫層厚度一般可查有關手冊，依經(jīng)驗選用。

第五節(jié)

傳熱系數(shù)

一、傳熱系數(shù)的計算如第二節(jié)所述，傳熱過程是熱量從熱流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到冷流體的過程。此熱量的傳遞包括三個連續(xù)的過程，即器壁兩側的對流傳熱和通過壁面的熱傳導。這三個過程都有熱阻，傳熱的總熱阻是熱阻串聯(lián)的結果。而傳熱系數(shù)與總熱阻成反比關系，即利用串聯(lián)熱阻疊加原則求算值。當熱流體通過傳熱壁面將熱量傳給冷流體時的傳熱過程可用圖5-9來說明，在熱流體一邊溫度從變化到，經(jīng)過壁厚后溫度降到，而在冷流體一邊溫度從變化到。

第五節(jié)

傳熱系數(shù)設和分別表示從熱流體傳給壁面以及從壁面?zhèn)鹘o冷流體的對流傳熱系數(shù)，而固體壁面的導熱系數(shù)為。

1．傳熱面為平壁

（5-24）則

（5-25）

現(xiàn)根據(jù)式（5-25）進一步說明以下幾個問題：①多層平壁式（5-25）分母中的一項可以寫成

第五節(jié)

傳熱系數(shù)則式（5-25）還可寫成

（5-25a）

②

若固體壁面為金屬材料，固體金屬的導熱系數(shù)大，而壁厚又薄，一項與和

相比可略去不計，則式（5-25）還可寫成

（5-25b）③當＞＞時,值接近與熱阻較大一項的值。當兩個值相差很懸殊時，則值與小的值很接近，如果＞＞，則≈；＜＜，則≈，下面的例子可以充分說明這一結論。第五節(jié)

傳熱系數(shù)

④壁面的溫度

穩(wěn)定傳熱過程中熱流體對壁面的對流傳熱量及壁面對冷流體的對流傳熱量均相等，即

由上式可以看出，對流傳熱系數(shù)值大的那一側，其壁溫與流體溫度之差就小。換句話說，壁溫總是比較接近值大的那一側流體的溫度。這一結論對設計換熱器是很重要的。2．傳熱面為圓筒壁當傳熱面為圓筒壁時，兩側的傳熱面積不相等。在換熱器系列化標準中傳熱面積均指換熱管的外表面積，若以表示換熱管的內表面積，表示換熱管的平均面積，則第五節(jié)

傳熱系數(shù)

(5-26a)式(5-26a)中稱為以外表面積為基準的傳熱系數(shù)，。同理可得

（5-26b）式(5-26c)中稱為以平均面積為基準的傳熱系數(shù)，第五節(jié)

傳熱系數(shù)

(5-26c)由此可見，對于圓管沿熱流方向傳熱面積變化的換熱器，其傳熱系數(shù)必須注明是以那個傳熱面為基準。由于計算圓筒壁公式復雜，故一般在管壁較薄時，即可取近似值：，則式(5-26a)、（5-26b）和(5-26c)可以簡化為使用平壁計算式（5-25），因此，平壁計算式應用很廣泛。第五節(jié)

傳熱系數(shù)

二、污垢熱阻

實際生產(chǎn)中的換熱設備，因長期使用在固體壁面上常有污垢積存，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，使傳熱系數(shù)降低。因此，在設計換熱器時，應預先考慮污垢熱阻問題，由于污垢層厚度及其導熱系數(shù)難以測定，通常只能根據(jù)污垢熱阻的經(jīng)驗值作為參考來計算傳熱系數(shù)。某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗值可查表5-8。第五節(jié)

傳熱系數(shù)表5-8常見流體的污垢熱阻第五節(jié)

傳熱系數(shù)若管壁內、外側表面上的污垢熱阻分別為和，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，式（5-25）可變?yōu)?/p>

（5-27）

式（5-27）表明，間壁兩側流體間傳熱總熱阻等于兩側流體的對流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁熱阻之和。

一般垢層的導熱系數(shù)都比較小，即使是很薄的一層也會形成比較大的熱阻。在生產(chǎn)上應盡量防止和減少污垢的形成：如提高流體的流速，使所帶懸浮物不致沉積下來；控制冷卻水的加熱程度，以防止有水垢析出；對有垢層形成的設備必須定期清洗除垢，以維持較高的傳熱系數(shù)。表5-2列出常見列管式換熱器中傳熱系數(shù)經(jīng)驗值的大致范圍。

由表可見，值變化范圍很大，生產(chǎn)技術人員應對不同類型流體間換熱時的值有一數(shù)量級概念。第六節(jié)

換熱器換熱器是制藥、化工等其他許多工程領域中的通用設備，在生產(chǎn)中占有很重要的地位。按照傳熱的用途可分為加熱器、預熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器和蒸發(fā)器等。雖然換熱器的名稱不同，但設備的構造與形式卻大多完全相同。下面對具有代表性的間壁式換熱器的特征和構造進行簡略說明。

一、間壁式換熱器的類型

按照換熱面的形式，間壁式換熱器主要有管式、板式和特殊形式三種類型。

第六節(jié)

換熱器1．管式換熱器（1）蛇管式換熱器

蛇管式換熱器的構造很簡單，可以用管件將直管連接成排管形；也可根據(jù)容器的形狀盤成各種不同的形狀，如圖5-16b所示。為防止蛇管變形，通常將蛇管固定在支架上。在高壓操作時，也可以將蛇管鑄在或焊在容器壁上。

蛇管換熱器又可分為沉浸式和噴淋式兩種。

第六節(jié)

換熱器

①沉浸式換熱器

如圖5-16a所示，是將蛇管沉浸在容器內，盤管內通入熱流體，管外通過冷卻水進行冷卻或冷凝；或者用于加熱或蒸發(fā)容器內的流體。

沉浸式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造，適用于傳熱量不太大的場合；其缺點是管外對流傳熱系數(shù)小。為了提高其傳熱性能，可在容器內安裝攪拌器，使器內液體作強制對流。

第六節(jié)

換熱器②噴淋式換熱器

這種換熱器一般作成排管狀，如圖5-17所示，整個排管固定在鋼架上。主要用作冷卻器。被冷卻的流體自下而上在管內流動，冷卻水由管子上方的噴淋裝置中均勻淋下，噴灑在下層蛇管表面，并沿其兩側逐排流經(jīng)下面的管子表面，冷卻水最后匯集在底盤中。該裝置通常放置在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時可帶走部分熱量，，以提高冷卻效率。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果要好得多。同時它還具有便于檢修和清洗等優(yōu)點，其缺點是噴灑不易均勻，體積龐大，占地面積大。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器（2）套管式換熱器

對于流體流量較小或高壓流體的場合大多使用如圖5-18所示的套管式換熱器。該換熱器是一種流體在套管的內管中流動，另一種流體在外管與內管之間的環(huán)狀通道中流動，從而進行熱量交換的設備。內管的壁面為傳熱面。套管換熱器以適宜長度（4~6m）的套管為單位，通過增減套管的連接數(shù)目能夠改變傳熱面積。套管內的冷、熱流體可以同方向流動，即并流流動；但一般采用兩流體相反方向的逆流流動。流體中通常選擇值較大的流體走套管環(huán)隙。如果由于操作條件限制或其他的理由，必須使值較小的流體走套管環(huán)隙時，為了增大內管外側的傳熱面積，也可使用如圖5-19所示的翅片管作為傳熱管。（3）列管式換熱器

列管式或管殼式換熱器，是在圓形外殼內裝入由許多根傳熱管組成的管束構成的設備。其構造主要由管束、管板（花板）、殼體和封頭三部分組成。管束兩端固定在管板上，管子在管板上的固定方法一般采用焊接法或脹管法。兩塊管板分別焊于殼體的兩端，封頭與殼體用螺栓固定。這樣形成了管內和管外兩個空間，封頭與管板之間的分配室空間。管束的表面積就是傳熱面積。

冷、熱兩流體間進行熱交換時，一種流體走管內，另一種流體在管束和殼體之間的空隙內流動。由于列管換熱器體積較小，造價較低，作為代表性的傳熱設備是目前應用最廣泛的傳熱設備。圖5-20、圖5-21、圖5-2所示是三種不同結構的列管式換熱器。

第六節(jié)

換熱器第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器①固定管板式

固定管板式換熱器如圖5-20所示，是結構上最簡單的換熱設備。所謂固定管板是將安裝著管束的兩塊管板直接固定在外殼上，由于結構所致，殼方管的外表面不易清洗。一般來說，傳熱管與殼體的材質不同，在換熱過程中由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度差較大，就可能由于過大的熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂。因此，當兩流體的溫度差超過50℃時，就應采取熱補償?shù)拇胧?。在固定管板式設備中，如圖5-20所示在外殼的適當部位焊上一個補償圈（或稱膨脹節(jié)），當外殼和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或收縮），以適應外殼和管束不同的熱膨脹。這種補償方法簡單，但不宜應用于兩流體溫度差較大和殼程壓力較高的場合。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

②U型管式換熱器

如圖5-21所示，由于管子彎成U型，U型傳熱管的兩端固定在一塊管板上，因此每根管子都可以自由的伸縮。而且整個管束可以拉出殼外進行清洗，但管內的清洗比較困難，只適用于潔凈而不易結垢的流體，如高壓氣體的換熱。

第六節(jié)

換熱器③浮頭式換熱器

圖5-22是浮頭式換熱器，由于一端管板不與殼體固定，是浮頭結構，

第六節(jié)

換熱器當管子受熱或冷卻時，管束連同浮頭可以自由伸縮。而且管束還可以從殼體中抽出，不僅管外可以清洗，管內也可以清洗。浮頭式換熱器的構造較為復雜，與其他形式的換熱器相比造價較高，但目前仍是應用最廣泛的換熱器。

列管的排列方式有如圖5-23所示的各種方式。一般多采用三角形排列。三角形排列的特點是傳熱系數(shù)大，相同的殼徑內可排列更多的管子。其缺點是與正方形排列相比流動阻力較大，管外表面的清洗較困難。在圖5-20換熱器中殼內管束被分配室內設置的隔板分為上下兩部分，管方流體在換熱器內能通過兩次。隔板是為了提高管內流體的流速從而增大對流傳熱系數(shù)而設置的，這樣將管束分為若干組，管內流體在換熱器內往返數(shù)次進行流動，這種結構的換熱器稱為多程列管換熱器。第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器為了提高殼方流體的流速，從而增大殼方對流傳熱系數(shù)，可以在殼體內與管束平行的插入擋板，把殼體隔成多程；或垂直與管束在殼體設置擋板。圖5-24所示為垂直與管束的擋板種類，其中以圓缺型擋板最為常用。

列管換熱器中，一般管內空間容易清洗，故不清潔和易結垢的流體走管內，還有腐蝕性流體、高壓流體和高溫等流體走管內。但是，蒸汽、沸騰液體走殼方，對于這種場合殼方不需要擋板。

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器2．板式換熱器

進行熱交換的兩種流體分別在若干層重合在一起的板縫間隙流過，并通過板面交換熱量的換熱器。板式換熱器可以緊密排列，因此各種板式換熱器都具有結構緊湊、材料消耗低、傳熱系數(shù)大的特點。這類換熱器一般不能承受高壓和高溫，但對于壓力較低、溫度不高或腐蝕性強而須用貴重材料的場合，各種板式換熱器都顯示出更大的優(yōu)越性。第六節(jié)

換熱器（1）夾套式換熱器

夾套式換熱器是最簡單的板式換熱器，如圖5-25所示。它是在容器外壁安裝夾套制成，夾套與器壁之間形成的空間為載熱體的通道。這種換熱器主要用于反應過程的加熱和冷卻。在用蒸汽進行加熱時，為了便于排除冷凝水，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管流出。在加熱蒸汽進口處應安裝壓力表以便觀察蒸汽的壓力和溫度，在夾套上方應留有不凝性氣體排除口。對于直徑較大的夾套式換熱器，加熱蒸汽應從不同方向的幾個入口引入，如果只從一個口進入，蒸汽易走短路，使傳熱不均勻，增多蒸汽入口，可提高傳熱效果。作為冷卻器時，當夾套內通入的是冷卻介質（如冷卻水、冷凍鹽水），為了便于排除夾套中的空氣以及使冷卻劑充滿夾套，通常入口在底部，而出口在夾套上方。

第六節(jié)

換熱器

夾套式換熱器構造簡單，內壁易搪瓷，在生產(chǎn)中常用作反應器、貯液槽和結晶器等，在化工生產(chǎn)中應用很廣。但其加熱面受容器壁面的限制，且傳熱系數(shù)也不高。為了提高傳熱系數(shù)，可在器內安裝攪拌器，為了補充傳熱面的不足，也可在器內安裝蛇管。第六節(jié)

換熱器（2）螺旋板式換熱器

圖5-26所示，螺旋板式換熱器是由兩張金屬薄板卷成螺旋狀而構成傳熱壁面，在其內部形成一對同心的螺旋形通道。換熱器中央設有隔板，將兩個螺旋形通道隔開。兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側焊有蓋板。冷、熱流體分別由兩螺旋形通道流過，通過薄板進行換熱。

螺旋板換熱器優(yōu)點是傳熱系數(shù)大，水對水換熱時值可達2000~3000W/(m2·℃)，而管殼式換熱器一般為1000~2000W/(m2·℃)；結構緊湊，單位體積的傳熱面約為列管式的3倍；冷、熱流體間為純逆流流動，傳熱推動力大；由于流速較高以及離心力的作用，在較低的數(shù)下即可達湍流，使流體對器壁有沖刷作用而不宜結垢和堵塞。其缺點為制造復雜，焊接質量要求高；因整個換熱器焊成一體，一旦損壞不易修復；操作壓力和溫度不能太高，一般壓力不超過2MPa，溫度不超過300~400℃。第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

第六節(jié)

換熱器

3．特殊形式的換熱器

（1）翅片式換熱器

在傳熱面上加裝翅片的措施不僅增大了傳熱面積，而且增強了流體的擾動程度，從而使傳熱過程強化。翅片式換熱器有翅片管式換熱器和板翅式換熱器兩類：

①翅片管式換熱器

翅片管式換熱器又稱管翅式換熱器，如圖5-27所示。其結構特點是在換熱管的外表面或內表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類，圖5-28所示是工業(yè)上廣泛應用的幾種翅片形式。

第六節(jié)

換熱器管翅式換熱器通常是用來加熱空氣或其他氣體。因為用飽和蒸汽加熱空氣時，氣體的對流傳熱系數(shù)值很小，而飽和蒸汽的對流傳熱系數(shù)值很大。所以，這一傳熱過程的主要熱阻便集中在氣體一側，要提高傳熱速率，就必須設法降低氣體一側的熱阻。當氣體在管外流動時，在管外增設翅片，既可以增加傳熱面積，又可以強化氣體的湍動程度，使氣體的對流傳熱系數(shù)提高。

在化工生產(chǎn)中，常采用氣流干燥和沸騰干燥干燥物料。干燥時使用的熱空氣多是用風機使空氣通過管翅式換熱器用蒸汽加熱得到。對于管翅式換熱器另一重要應用是空氣冷卻器（簡稱空冷器），它是利用空氣在翅管外流過時冷卻或冷凝管內通過的流體。近年來用翅片管制成的空冷器在工業(yè)生產(chǎn)中應用很廣。用空冷代替水冷，不僅在缺水地區(qū)適用，對水源充足的地方，采用空冷也可取得較大的經(jīng)濟效果。第六節(jié)

換熱器②

板翅式換熱器

板翅式換熱器是一種更為高效緊湊的換熱器，板翅式換熱器的結構形式很多，但其基本結構元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板之間，加入波紋狀或其他形狀的金屬片，將兩側面封死，即成為一個換熱基本元件。將各基本元件進行不同的疊積和適當?shù)呐帕校⒂免F焊固定，制成常用的逆流或錯流板翅式換熱器的板束，如圖5-29所示。把板束焊在帶有流體進