物料換熱操作（化工單元操作技術(shù)課件）

物料換熱操作傳熱過程基本認(rèn)知2一、傳熱概述1、定義：熱量傳遞簡稱為傳熱，是自然界普遍存在的現(xiàn)象。2、傳熱推動力：物體內(nèi)部或物系之間，只要存在溫度差，就會發(fā)生從高溫處向低溫處的熱量傳遞。3、傳熱方向：熱量自動的從高溫處傳到低溫處，即熱傳遞的方向指向溫度梯度減小的方向。（高溫→低溫）4、傳熱極限：溫度相等自然界和生產(chǎn)領(lǐng)域中普遍存在著這種以溫度差為推動力的熱量傳遞現(xiàn)象。3二、傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱或冷卻換熱/能量回用保溫

強(qiáng)化傳熱過程削弱傳熱過程

4能量回收：節(jié)能減排、資源回用！同時，是化工廠提高經(jīng)濟(jì)效益的一個重要措施！余熱資源被認(rèn)為是繼煤、石油、天然氣和水力之后的又一常規(guī)能源。例如：鋼鐵行業(yè)煙氣余熱回收對比余熱沒有回收熱交換器進(jìn)行余熱回收51、物料加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度；

——要求傳熱效果好，傳熱速率大

62、生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收，通過換熱回收利用熱量；

——也需要傳熱效果好、傳熱速率大的傳熱設(shè)備73、化工設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。

——要求保溫層的傳熱速率低8三、傳熱過程的類型1、強(qiáng)化傳熱和削弱傳熱

化工生產(chǎn)過程中對傳熱的要求可分為兩種情況：

（1）強(qiáng)化傳熱:

如各種換熱設(shè)備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好

（2）削弱傳熱:如設(shè)備和管道的保溫，要求傳熱速率慢，以減少熱量（或冷量）的損失。

92、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱

化工傳熱過程既可連續(xù)進(jìn)行也可間歇進(jìn)行。

（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：

傳熱系統(tǒng)（例如換熱器）中的溫度僅與位置有關(guān)而與時間無關(guān)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中不積累能量（即輸入的熱量等于輸出的熱量），傳熱速率（單位時間傳遞的熱量）為常數(shù)。

（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱：

傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既與位置有關(guān)又與時間有關(guān)，間歇生產(chǎn)過程中的傳熱和連續(xù)生產(chǎn)過程中的開、停車階段的傳熱一般屬于不穩(wěn)定傳熱。

化工生產(chǎn)中的傳熱大多可視為穩(wěn)態(tài)傳熱。101、設(shè)計傳熱設(shè)備；2、計算傳熱量；3、減少熱損失四、傳熱計算問題的應(yīng)用11(一)熱傳導(dǎo)1、定義熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱，物體中溫度較高部分的分子、原子或電子因運(yùn)動或振動，而將熱量從物體內(nèi)高溫處向低溫處傳遞的過程。2、特點(diǎn)物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的位移，熱傳導(dǎo)在固體、氣體、液體中均可發(fā)生。（1）必須有溫差；（2）物體直接接觸；（3）依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而傳遞熱量；（4）物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的位移。五、傳熱的基本方式12123熱傳導(dǎo)實例分析一長條形鐵塊（一端燒熱）A兩塊鐵塊（一塊燒熱，另一塊不燒）靠在一起B(yǎng)C兩塊鐵塊（一塊燒熱，另一塊不燒）間隔15CM熱傳導(dǎo)發(fā)生在靜止物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間133、機(jī)理（1）氣體：熱傳導(dǎo)是由不規(guī)則的分子熱運(yùn)動引起的；（2）液體和不良導(dǎo)體的固體：熱傳導(dǎo)是由分子或晶格的振動傳遞動量來實現(xiàn)的；（3）金屬固體：熱傳導(dǎo)主要依靠自由電子的遷移來實現(xiàn)。因此，良好的導(dǎo)電體也是良好的導(dǎo)熱體。14(二)對流傳熱1、定義

對流傳熱也叫熱對流，是指流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀位移而引起的熱量傳遞。152、機(jī)理熱對流僅發(fā)生在流體中。由于引起流體質(zhì)點(diǎn)宏觀位移的原因不同，對流又可分為強(qiáng)制對流和自然對流。（1）強(qiáng)制對流：由于外力（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等作用）而引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動。（2）自然對流：由于流體內(nèi)部各部分溫度不同而產(chǎn)生密度的差異，造成流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動。3、實質(zhì)流體質(zhì)點(diǎn)攜帶著熱能在不斷的流動中，放熱或吸熱的過程。4、特點(diǎn)：只發(fā)生在流體中。導(dǎo)熱自然對流16123對流傳熱實例分析半杯熱水中加入冷水（ρ冷水>ρ熱水）A半杯熱水中加入冷水，并不斷攪拌B水壺?zé)ㄗ匀粚α鬟€是強(qiáng)制對流？）C17熱量如何從太陽傳送至地球？18（三）熱輻射

1、定義

因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。它是一種通過電磁波傳遞能量的方式。

高溫物體之間的主要傳熱形式。

2、機(jī)理物體將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進(jìn)行傳送，當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

193、特點(diǎn)：

（1）熱輻射不需要任何媒介，換言之，可以在真空中傳播；

（2）任何物體，只要溫度大于絕對0K，就可發(fā)生熱輻射；（3）只有物體溫度較高時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。三種傳熱方式比較2021熱量傳遞的基本方式熱傳導(dǎo)對流傳熱熱輻射強(qiáng)制對流自然對流三種傳熱方式一般不單獨(dú)存在，往往相互伴隨，同時出現(xiàn)。六、工業(yè)換熱方式

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(nèi)進(jìn)行熱交換，實現(xiàn)熱交換主要有三種方式。231．直接接觸式換熱

（1）特點(diǎn)：冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖所示，在混合過程中進(jìn)行傳熱，故也稱為混合式換熱。（2）適用場合：用水來冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場合。2425（3）優(yōu)點(diǎn)：傳熱速度快，效率高，設(shè)備簡單。（4）典型設(shè)備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器廢蒸氣冷水熱水淋灑式換熱器262.間壁式換熱

生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式，化工生產(chǎn)中最常遇到的換熱過程是間壁式換熱。

（1）特點(diǎn)：

冷、熱流體被一固體壁面隔開，分別在壁面的兩側(cè)流動，互不接觸，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。

（2）適用場合：兩股流體間需要進(jìn)行熱量交換而又不允許直接相混的場合。

2728293.蓄熱式換熱

蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)裝有耐火磚等固體填充物，如圖所示。

特點(diǎn)：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(dá)到換熱的目的。

由于這類換熱設(shè)備的操作是間歇交替進(jìn)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(shè)備在化工生產(chǎn)中使用的較少。30七、生產(chǎn)中常用的加熱和冷卻方法參與換熱的流體稱為載熱體。（1）熱流體-----冷流體；（2）加熱劑-----冷卻劑（或冷凝劑）1.載熱體的選用原則①載熱體應(yīng)能滿足所要求達(dá)到的溫度。②載熱體的溫度調(diào)節(jié)應(yīng)方便。③載熱體的比熱容或潛熱應(yīng)較大。④載熱體應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，使用過程中不會分解或變質(zhì)。⑤為了操作安全起見，載熱體應(yīng)無毒或毒性較小，不易燃易爆，對設(shè)備腐蝕性小。⑥價格低廉，來源廣泛。31加熱劑：熱水、飽和水蒸氣

礦物油或有機(jī)載熱體等低熔混合物、熔鹽、煙道氣等

用電加熱直接熱源間接熱源加熱劑煙道氣電加熱高溫載熱體水蒸汽溫度高、經(jīng)濟(jì)、溫度不易控制、加熱不均勻、帶有明火及灰塵溫度高、加熱均勻、易控制、清潔衛(wèi)生、成本高熔鹽混合物最廣的熱源、加熱均勻、溫度高時壓力過大、不安全2.常用加熱劑和加熱方法32（1）飽和水蒸氣加熱

它的主要優(yōu)點(diǎn)是：①可以通過調(diào)節(jié)蒸汽壓力，準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)溫度；②蒸汽冷凝時的膜系數(shù)很大，換熱器的傳熱面積可以小一些；③蒸汽的汽化潛熱很大，且加熱均勻，在傳熱量一定時，所需蒸汽用量較小。飽和水蒸氣加熱的主要缺點(diǎn)是加熱溫度不高，通常不超過180℃，相應(yīng)的壓力為1003kPa。33（2）礦物油加熱

優(yōu)點(diǎn)：來源容易、加熱均勻、不需加壓。常壓下加熱溫度可達(dá)到225℃（超過250℃易分解）。

缺點(diǎn)：油的黏度大，且黏度隨使用時間增大而增大，膜系數(shù)逐漸減小。加熱效果不如水蒸氣，易著火，只能利用顯熱。如采用機(jī)油、汽缸油等。34

（3）有機(jī)載熱體加熱有機(jī)載熱體即聯(lián)苯混合物，它是26.5%的聯(lián)苯和73.5%二苯醚的混合物，俗稱導(dǎo)生。沸點(diǎn)高（258℃）。導(dǎo)生具有化學(xué)穩(wěn)定性，在380℃以下可長期使用不變質(zhì)（370℃可使用750～1100天）。其加熱溫度范圍很廣，用常壓液體加熱可達(dá)255℃；用飽和水蒸氣加熱可達(dá)380℃。導(dǎo)生的粘度比礦物油小，故傳熱效果較好。導(dǎo)生具有可燃性，但無爆炸危險，其毒性很輕微。主要缺點(diǎn)是它極易滲透軟性石棉填料，使用時所有管道連接處需用金屬墊片采用焊接。35（4）熔鹽加熱

常用熔鹽為7%NaNO3、40%NaNO2和53%KNO3組成的低熔點(diǎn)混合物，其熔點(diǎn)為142℃，當(dāng)要求加熱溫度超過380℃時，可考慮選用這種載體。它的最高加熱溫度達(dá)530℃。但比熱容小，僅為1.3kJ/(kg·K)。（5）煙道氣加熱

加熱溫度超過500℃時，大多采用煙道氣，溫度可高達(dá)1000℃或更高。使用煙道氣加熱應(yīng)防止局部過熱，當(dāng)用氣體或液體燃料時，可采用自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制溫度。36（6）電加熱

使用電加熱可達(dá)較高溫度，而且清潔、方便、易于控制?；どa(chǎn)中常用電阻加熱和電感加熱。

①電阻加熱:將電阻絲繞在被加熱的設(shè)備上，通電后能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，即達(dá)到加熱目的。其最高加熱溫度可達(dá)1100℃，但在防火防爆的環(huán)境中使用很不安全。

②電感加熱:

當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。若為交流電，則在導(dǎo)體四周產(chǎn)生的磁場為交變磁場。在這交變磁場的感應(yīng)下，金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)的交變渦電流，渦流損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，稱為電感加熱。37冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等空氣、水鹽水溶液常用冷卻劑冷卻溫度≥5oCNaCl、CaCl2等；冷卻溫度0～-45oC有機(jī)物乙醇、乙二醇、丙醇等；冷卻溫度要求更低373.常用冷卻劑與冷卻方法38（1）水

水是化工生產(chǎn)中使用最廣泛的冷卻劑，用量很大，約占總耗水量的80%。水的比熱容和膜系數(shù)都比較大，能夠?qū)⒘黧w冷卻到較低的溫度，因此得到廣泛應(yīng)用。冷卻水可以是江水、河水、海水、井水或循環(huán)水等。水溫隨地區(qū)和季節(jié)而變化，所以只適用于冷卻溫度在15～30℃以上的場合。為了防止溶解在水中鹽類的析出，在換熱器傳熱表面形成水垢，一般控制冷卻水的終溫不超過40～50℃。若需要將流體冷卻到5～10℃或更低溫度時，則需要采用經(jīng)冷卻降溫的低溫水（如冷凍鹽水或冷凍劑）作冷卻劑。39（2）空氣

空氣是取之不竭的冷卻劑，用空氣代替水作冷卻劑可以減少污水處理的問題。在水源不足的地區(qū)，更顯出它的優(yōu)越性?？諝獾臏囟入S地區(qū)和季節(jié)而變化，所以只適用于冷卻溫度在30℃以上的場合。由于空氣的對流傳熱效果差，要求龐大的換熱設(shè)備。大型企業(yè)中采用空氣冷卻在經(jīng)濟(jì)上是合理的，所以正得到逐步推廣。物料換熱操作換熱器結(jié)構(gòu)認(rèn)知41

換熱器在我國石油化工、煉油、冶金、輕工、制藥、食品等行業(yè)應(yīng)用極為普遍，占全部工藝設(shè)備投資的20－40％。流體在換熱設(shè)備中進(jìn)行熱量傳遞將低溫流體加熱或?qū)⒏邷亓黧w冷卻，將液體汽化成汽體或?qū)⑵w冷凝成液體，這些過程都與熱量傳遞密切相關(guān)----傳熱設(shè)備實現(xiàn)。

傳熱設(shè)備-----換熱器42一、換熱器分類冷熱流體直接接觸，傳熱直接、效率高、熱阻小冷熱流體隔一固體壁面，傳熱效率不如直接接觸式。工業(yè)應(yīng)用最廣。（一）

按照接觸方式低溫流體高溫流體結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻43①直接接觸式換熱器兩流體直接混合進(jìn)行的換熱。

結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場合。4445②

間壁式換熱器兩流體被固體壁面分開，互不接觸。

冷流體t1t2熱流體T1T2熱流體T1T2冷流體t1t246冷溶液進(jìn)冷溶液出熱溶液進(jìn)熱溶液出間壁式換熱器

47低溫流體高溫流體優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單耐高溫缺點(diǎn)：設(shè)備體積大有一定程度的混合③蓄熱式換熱器

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。48（二）按換熱器的用途分類1.加熱器

用于把流體加熱到所需的溫度，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，使之蒸發(fā)汽化。5.再沸器

是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于加熱已冷凝的液體，使之再受熱汽化。6.冷卻器

用于冷卻流體，使之達(dá)到所需的溫度。7.冷凝器

用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化。49(三)按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類1.管式換熱器

管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱。按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用最廣。2.板式換熱器

板式換熱器通過板面進(jìn)行傳熱。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器等幾種。3.特殊形式換熱器

這類換熱器是指根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。50(四)按換熱器所用材料分類1.金屬材料換熱器

金屬材料換熱器是由金屬材料制成，常用金屬材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。由于金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，故該類換熱器的傳熱效率較高，生產(chǎn)中用到的主要是金屬材料換熱器。2.非金屬材料換熱器

非金屬材料換熱器由非金屬材料制成，常用非金屬材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。該類換熱器主要用于具有腐蝕性的物料。由于非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，所以其傳熱效率較低。51二、間壁換熱器的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)52二、間壁換熱器的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)(一)管式換熱器1.套管換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減。缺點(diǎn)：單位傳熱面積的金屬耗量大，管子接頭多，檢修清洗不方便。532.蛇管換熱器(1)沉浸式蛇管換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，便于防腐，能承受高壓。缺點(diǎn)：管外對流傳熱系數(shù)小，常需加攪拌裝置(2)噴淋式蛇管換熱器優(yōu)點(diǎn)：檢修清洗方便，傳熱效果好等。缺點(diǎn)：體積龐大，占地面積多，冷卻水耗用量較大，噴淋不均勻等。54

3.列管換熱器

又稱管殼換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱器。具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，用材廣泛、清洗方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用?；窘Y(jié)構(gòu)：殼體、封頭、管束、管板、折流擋板折流擋板：（1）增強(qiáng)流體在管間流動的湍動程度，增大傳熱系數(shù)，提高傳熱效率；（2）還起到支撐管束的作用管程：管外的通道及其貫通的部分，即一種流體走管內(nèi)，稱為管程；殼程：管內(nèi)的通道及其相貫通的部分，即另一種流體走管外，稱為殼程。一程：管內(nèi)流體從換熱器一端流向另一端一次，稱為一程；兩程：對U形管換熱器，管內(nèi)流體從換熱器一端經(jīng)過U形彎曲段流向另一端一次。5657585960

4.翅片管換熱器

化工生產(chǎn)中常遇到氣體的加熱或冷卻問題。因氣體的對流傳熱系數(shù)較小，所以當(dāng)換熱的另一方為液體或發(fā)生相變時，換熱器的傳熱熱阻主要在氣體一側(cè)。此時，在氣體一側(cè)設(shè)置翅片，既可增大傳熱面積，又可增加氣體的湍動程度，減少了氣體側(cè)的熱阻，提高了傳熱效率。

61(二)板式換熱器1.夾套換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，可與反應(yīng)器或容器構(gòu)成一個整體。缺點(diǎn)：傳熱面積小，器內(nèi)流體處于自然對流狀態(tài)，傳熱效率低，夾套內(nèi)部清洗困難。

622.平板式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；組裝靈活，可隨時增減板數(shù)；板面波紋使流體湍動程度增強(qiáng)，從而具有較高的傳熱效率；裝拆方便，有利于清洗和維修。

缺點(diǎn)：處理量小；受墊片材料性能的限制，操作壓力和溫度不能過高。63平板式換熱器64增加剛性；提高湍動程度；增加A；易于液體均勻分布653.螺旋板式換熱器

4.板翅式換熱器66螺旋板式換熱器67優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊不易結(jié)垢,堵塞

K大保持逆流,tm大缺點(diǎn)：壓力,溫度不能太高難以維修68板翅式換熱器優(yōu)點(diǎn)：流體湍動程度高，K大；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的A較大；缺點(diǎn)：易堵塞，清洗困難；構(gòu)造復(fù)雜69(三)熱管換熱器

特點(diǎn)是熱量傳遞分汽化、蒸汽流動和冷凝三步進(jìn)行，由于汽化和冷凝的對流強(qiáng)度都很大，蒸汽的流動阻力又較小，因此熱管的傳熱熱阻很小。因此，它特別適用于低溫差傳熱的場合。熱管換熱器具有傳熱能力大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

70物料換熱操作換熱器換熱面積的確定一、熱傳導(dǎo)的基本定律1、傳熱速率Q：

單位時間通過傳熱面的熱量，單位W。實例分析：左手摸鐵，同時右手摸木頭，會感覺到左手比右手冷；在外界條件相同

的情況下用鐵鍋和鋁鍋燒水，鋁鍋中的水先沸騰，這是為什么？表示換熱器本身所具有的換熱能力說明三種物質(zhì)的傳熱效果：鋁最好，鐵次之，木頭最差。物質(zhì)導(dǎo)熱性能的好壞與本身的某種物理性質(zhì)有關(guān)。2、熱通量q：

又稱熱流密度，單位時間單位傳熱面積上傳遞的熱量，單位W/m2。一、熱傳導(dǎo)的基本定律

熱量傳遞：高溫低溫溫度梯度：低溫高溫（規(guī)定）負(fù)號表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（1）定義：傳熱面積為1m2，壁厚為1m，兩壁面之間的溫度差為1K時，單位時間內(nèi)以

導(dǎo)熱方式所傳遞的熱量，用λ表示，單位W/(m?K)。（2）物理意義：表示物質(zhì)導(dǎo)熱性能的好壞，數(shù)值越大，表示該材料的導(dǎo)熱越快。（3）應(yīng)用：

強(qiáng)化傳熱——選熱導(dǎo)率大的材料

削弱傳熱——選熱導(dǎo)率小的材料一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（1）固體的熱導(dǎo)率

在所有固體中，金屬的導(dǎo)熱能力最強(qiáng)，純金屬的熱導(dǎo)率一般隨溫度的升高而降低，隨純度的降低而降低，所以合金的熱導(dǎo)率比純金屬小。一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：（2）液體的熱導(dǎo)率

金屬液體熱導(dǎo)率較高，如：水銀；非金屬液體熱導(dǎo)率較低，在非金屬液體中，水的熱導(dǎo)率最大。一般，純液體的熱導(dǎo)率大于溶液的熱導(dǎo)率。一、熱傳導(dǎo)的基本定律3、熱導(dǎo)率：思考：1.北方寒冷地區(qū)，采用雙層玻璃窗

2.暖瓶塞保溫的原理（3）氣體的熱導(dǎo)率

氣體的熱導(dǎo)率很小，不利于傳熱，因此用來保溫或隔熱。

如工業(yè)上用玻璃棉作保溫材料，就是因為其空隙率大而使里面有空氣的緣故。一、熱傳導(dǎo)的基本定律4、影響熱導(dǎo)率的因素：金屬的熱導(dǎo)率最大，固體非金屬的次之，液體較小，氣體最小。（1）物質(zhì)的組成狀態(tài)（2）溫度溫度升高，金屬的熱導(dǎo)率降低，非金屬的升高，液體的降低（水、甘油除外），氣體的升高。二、單層平壁的熱傳導(dǎo)t2t1x/mt/℃單層平壁導(dǎo)熱溫度分布Q由傅立葉定律得：

注：Q—單層平壁的傳熱速率，WA—平壁的導(dǎo)熱面積，m2

λ—熱導(dǎo)率，W/m?K

δ—單層平壁的厚度將上式兩邊同除于A，可變形為：

例1：有一單層平面壁厚度是500mm，一側(cè)面壁面溫度是500K，另一側(cè)壁溫為300K，已知平壁的平均熱導(dǎo)率為0.95W/m?K，導(dǎo)熱面積為2m2，試求（1）該平面壁的導(dǎo)熱速率Q；（2）平面壁距高溫側(cè)200mm處的溫度。例2：有一單層平面壁厚度是10mm，面積為1m2，內(nèi)壁面溫度為473K，外壁面溫度為353K，設(shè)已知壁面物質(zhì)在平均溫度下的熱導(dǎo)率為0.6W/m?K，試求該壁面的導(dǎo)熱速率Q。（作業(yè)）三、多層平壁的熱傳導(dǎo)工程計算中，常遇到多層平壁導(dǎo)熱，即由幾種不同材料組成的平壁，如鍋爐的爐壁，最內(nèi)層為耐火材料層，中間層為隔熱層，最外層為鋼板。x/mt2t1t/℃t2t3t4多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布Q如圖所示，表示由三層不同材料組成的平壁，壁厚分別為δ1，δ2和δ3，熱導(dǎo)率分別為λ1，λ2和λ3，平壁的表面積為A，各接觸面的溫度分別為t1，t2，t3和t4，且t1＞t2＞t3＞t4，各層傳熱速率為Q。

單位時間數(shù)量相等的熱量依次通過各層平壁（相當(dāng)于串聯(lián)傳熱）

三、多層平壁的熱傳導(dǎo)x/mt2t1t/℃t2t3t4多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布Q

注：Q—多層平壁的傳熱速率，WA—平壁的導(dǎo)熱面積，m2

λ—各層平壁的熱導(dǎo)率，W/m?K

δ—各層平壁的厚度mt1，t4—最內(nèi)側(cè)喝最外側(cè)的溫度例1：有一工業(yè)爐，如圖所示，其爐壁由以下三種材料由里向外組成：耐火磚，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為1.2W/m?K；保溫磚，厚度為120mm，熱導(dǎo)率為0.2W/m?K；建筑轉(zhuǎn)，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為W/m?K，已知耐火磚內(nèi)壁表面溫度為1243K，建筑磚外壁溫度為323K，求單位面積的爐壁因?qū)崴⑹У臒崃?，并求出各層磚接觸面的溫度。例1：有一工業(yè)爐，如圖所示，其爐壁由以下三種材料由里向外組成：耐火磚，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為1.2W/m?K；保溫磚，厚度為120mm，熱導(dǎo)率為0.2W/m?K；建筑轉(zhuǎn)，厚度為240mm，熱導(dǎo)率為W/m?K，已知耐火磚內(nèi)壁表面溫度為1243K，建筑磚外壁溫度為323K，求單位面積的爐壁因?qū)崴⑹У臒崃?，并求出各層磚接觸面的溫度。例2：某燃燒爐由耐火磚、保溫磚喝建筑磚按順序由內(nèi)到外砌成，其壁厚分別為220mm、110mmm和220mm，熱導(dǎo)率分別為0.9、0.2和0.7W/m?K，燃燒穩(wěn)定后，爐膛內(nèi)壁的溫度為1320K，最外層溫度為320K，試求單位時間單位面積爐壁損失的熱量，并求出各層磚接觸面的溫度。（作業(yè)）引入：伴有流體流動時，流體流過固體表面與表面之間發(fā)生的熱量交換為對流傳熱。工業(yè)上冷、熱流體之間的換熱通常為間壁式換熱，流體與固體壁面之間的傳熱屬于對流傳熱，利用流體質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動，將熱量從一處傳至另一處。間壁傳熱三步驟：1.熱流體以對流傳熱方式將熱量傳給壁面；

2.熱量以熱傳導(dǎo)方式通過間壁；

3.間壁另一邊的壁面以對流傳熱方式傳熱給冷流體。四、對流傳熱分析

對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞。工業(yè)過程的流動多為湍流狀態(tài)，湍流流動時，流體主體中質(zhì)點(diǎn)充分?jǐn)_動與混合，所以在與流體流動方向垂直的截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。

1.流體流動情況熱冷流體通過間壁傳熱過程流體的流動型態(tài)：層流和湍流流體流動時在靠近壁面處總有一層滯流層湍流主體緩沖層層流內(nèi)層四、對流傳熱分析（1）湍流主體：流體質(zhì)點(diǎn)湍動劇烈，速度很快，傳熱方向上，流

體溫差很小，各處溫度基本相同，以對流傳熱為主。（2）過渡層（緩沖層）：流體溫度發(fā)生緩慢變化，以傳導(dǎo)和對流

傳熱共同作用?！獰嶙栊。?）滯流內(nèi)層：無質(zhì)點(diǎn)位移，以熱傳導(dǎo)為主。

2.傳熱分析流體熱導(dǎo)率很小，導(dǎo)熱熱阻大，溫差較大四、對流傳熱分析四、對流傳熱分析

3.強(qiáng)化途徑對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層（1）減小層流內(nèi)層的厚度——加大流體的湍動程度（2）破壞層流內(nèi)層強(qiáng)化對流傳熱的主要途徑五、對流傳熱基本方程牛頓冷卻定律1.內(nèi)容：對流傳熱速率與傳熱面積成正比，與流體與避免之間的溫差成正比。2.表達(dá)式：

α—對流傳熱系數(shù)?t—該截面上的對流傳熱溫差

對熱流體：

?t=T-TW

對冷流體：?t=tw-t六、對流傳熱系數(shù)1.表達(dá)式：

2.物理意義：

反映對流傳熱的強(qiáng)度，表示流體與壁面溫差為1K或1℃時，單位時間通過單位傳熱面積的熱量。3.影響因素：傳熱系數(shù)越大，表明對流傳熱速率越高，在對流傳熱中，傳熱系數(shù)越大越好。三、對流傳熱系數(shù)3.影響因素：（1）流體的種類及性質(zhì)：

α液體＞α氣體（2）對流形成的原因：

α強(qiáng)制對流＞α自然對流（3）流體相變情況：

α有相變＞α無相變（4）流體的流動狀態(tài)：

α湍流＞α層流六、對流傳熱系數(shù)流體有相變時的對流傳熱蒸汽冷凝膜狀冷凝滴狀冷凝影響冷凝傳熱的因素液體的沸騰

膜狀冷凝滴狀冷凝六、對流傳熱系數(shù)液體沸騰管外沸騰1atm下水的沸騰曲線管內(nèi)沸騰傳熱七、傳熱基本方程

1.內(nèi)容：傳熱過程中的傳熱速率與傳熱面積成正比，與傳熱平均溫差成正比。

2.表達(dá)式：

注：Q—傳熱速率K—總傳熱系數(shù)，無量綱A—傳熱面積，m2

Δtm—傳熱平均溫差，KR—傳熱熱阻1/KAK值越大，傳熱熱阻越小，傳熱效果越好。三要素：K，A，Δtm八、傳熱平均溫差1.換熱器中流體的流動方向（1）并流：流動方向相同（2）逆流：流動方向相反（3）錯流：流動方向垂直交叉（4）折流：一流體沿一方向流動，另一流

體反復(fù)折流八、傳熱平均溫差并流和逆流時傳熱平均溫差的求算

注：一般規(guī)定熱流體的進(jìn)口端為換熱器的進(jìn)口端101

【例2】在套管換熱器內(nèi)，熱流體溫度由90℃冷卻70℃，冷流體溫度由20℃上升到60℃。試分別計算：①兩流體作逆流和并流時的平均溫度差；②若操作條件下，換熱器的熱負(fù)荷為585kW，其傳熱系數(shù)K為300W/(m2K)，兩流體作逆流和并流時的所需的換熱器的傳熱面積。由于50/30<2，也可近似取算術(shù)平均值法，即：

tm＝40℃解：①傳熱平均推動力逆流時熱流體溫度T90℃ 70℃

冷流體溫度t60℃ 20℃

兩端溫度差

t30℃ 50℃102②所需傳熱面積

并流時熱流體溫度T90℃ 70℃

冷流體溫度t20℃ 60℃

兩端溫度差

t70℃ 10℃所以逆流并流實例：例1：在某冷凝器內(nèi)，以298K的冷卻水來冷凝某精餾塔內(nèi)上升的有機(jī)物的飽和蒸汽，已知有機(jī)物蒸汽的溫度為368K，冷卻水的出口溫度為323K，試求冷、熱流體的平均溫差。例2：某冷、熱兩種流體在一列管式換熱器內(nèi)換熱，已知熱流體的進(jìn)口溫度為473K，被降至出口溫度為413K，冷流體從303K的進(jìn)口溫度升至出口溫度為353K，試分別計算并流和逆流時冷熱流體的平均溫差，并比較兩結(jié)果。物料換熱操作換熱器的熱負(fù)荷及傳熱系數(shù)的確定一、熱負(fù)荷與傳熱速率1.熱負(fù)荷化工生產(chǎn)中為達(dá)一定生產(chǎn)目的，將熱流體和冷流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，換熱器單位時間內(nèi)需要（必須）完成的傳熱量。取決于生產(chǎn)任務(wù)，生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)2.傳熱速率換熱器單位時間內(nèi)能夠傳遞的熱量。標(biāo)志換熱器的生產(chǎn)能力3.關(guān)系傳熱速率≥熱負(fù)荷二、熱負(fù)荷計算1.熱量衡算熱流體放出的熱量=冷流體吸收的熱量Q=Qh=Qc2.顯熱法（比熱容法）Qh=WhCp、h（T1-T2）Qc=WcCp、c（t2-t1）兩流體均無相變定壓熱容：壓強(qiáng)不變條件下，1kg物質(zhì)溫度改變1K或1℃所吸收或放出的熱量，用Cp表示。Qh=Qc單位：KJ/Kg熱流體Wh,Cph,T1,H1冷流體Wc,Cpc,t1,h1t2,h2T2,H2二、熱負(fù)荷計算3.潛熱法Qh=WhrhQc=WcCp、c（t2-t1）一側(cè)流體有相變（如飽和蒸汽冷凝）冷流體無相變潛熱：溫度不變時，單位質(zhì)量（1kg）的某液體汽化過程中所吸收的熱量，用rh表示。Qh=Qc單位：KJ/Kg·℃或KJ/Kg·K熱流體Wh,Cph,T1,H1冷流體Wc,Cpc,t1,h1t2,h2T2,H2108【例1】將0.417㎏/s、80℃的硝基苯，通過一換熱器冷卻到40℃，冷卻水初溫為30℃，出口溫度不超過35℃。如熱損失可以忽略，試求該換熱器的熱負(fù)荷及冷卻水用量。解：查得硝基苯和水的比熱分別為1.6kJ/(kg·K)和4.187kJ/(kg·K)

Qh＝Wh

cph(T1一T2)

＝0.417×1.6×103×(80－40)＝26.7kW(2)熱損失QL可以忽略時，冷卻水用量可以Q＝Qh＝Qc計算：

Q＝Whcph(T1一T2)＝Wc

cpc(t2－t1)

26.7×103＝Wc×4.187×103(35－30)

Wc＝1.275㎏/s＝4590㎏/h≈4.59

m3/h【例1】將0.417㎏/s、80℃的硝基苯，通過一換熱器冷卻到40℃，冷卻水初溫為30℃，出口溫度不超過35℃。如熱損失可以忽略，試求該換熱器的熱負(fù)荷及冷卻水用量。實例：例1：在換熱器中，欲將3000kg/h的乙烯氣體從120℃降至60℃，冷卻水進(jìn)口溫度為30℃，進(jìn)出口溫差控制在10℃以內(nèi)，試求該過程中冷卻水的消耗量。（已知：C冷=4.183KJ/Kg·℃，C熱=1.222KJ/Kg·℃）例2：在一列管式換熱器中，用300kPa的飽和水蒸氣加熱并汽化某溶液（水蒸氣僅放出冷凝潛熱），液體的比熱容為4.2KJ/（Kg·K），,進(jìn)口溫度為50℃，其沸點(diǎn)為80℃，汽化潛熱為2200KJ/Kg，液體的流量為1000kg/h，不計熱損失，試求加熱蒸汽的消耗量。實例：例1：在某冷凝器內(nèi)，以298K的冷卻水來冷凝某精餾塔內(nèi)上升的有機(jī)物的飽和蒸汽，已知有機(jī)物蒸汽的溫度為368K，冷卻水的出口溫度為323K，試求冷、熱流體的平均溫差。例2：某冷、熱兩種流體在一列管式換熱器內(nèi)換熱，已知熱流體的進(jìn)口溫度為473K，被降至出口溫度為413K，冷流體從303K的進(jìn)口溫度升至出口溫度為353K，試分別計算并流和逆流時冷熱流體的平均溫差，并比較兩結(jié)果。1.取經(jīng)驗值熱流體冷流體傳熱系數(shù)K/〔W/(m2?K)〕水水850～1700輕油水340～910重油水60～280氣體水17～280水蒸汽冷凝水1420～4250水蒸汽冷凝氣體30～300低沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝（常壓）水455～1140高沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝（減壓）水60～170水蒸汽冷凝水沸騰2000～4250水蒸汽冷凝輕油沸騰455～1020水蒸汽冷凝重油沸騰140～425三、傳熱系數(shù)的測定與估算三、傳熱系數(shù)的測定與估算2.生產(chǎn)現(xiàn)場測定

在冷、熱流體的進(jìn)出口管路上各裝一溫度計，在兩種流體的出口處各裝一流量計，根據(jù)計算出的熱負(fù)荷Q，平均溫度差Δtm，實際測定的傳熱面積A，通過傳熱速率方程式Q=KAΔtm，即可計算出該設(shè)備的K值。

實驗室用蒸汽在一套管換熱器中加熱空氣，空氣走管程。測出蒸汽的壓力Ｐ，即得其溫度Ｔ；測出空氣的流量Ｗ及進(jìn)、出口溫度t1、

t2，由三、傳熱系數(shù)的測定與估算2.生產(chǎn)現(xiàn)場測定

例題：列管式換熱器中用熱空氣來加熱冷水，其換熱面積為10m2，實際測得冷流體的流量為0.8kg/s，進(jìn)口溫度為295K，出口溫度為338K，熱流體進(jìn)口溫度為370K，出口溫度為342K，查得水的平均比熱容為4.18KJ/(kg·K)，計算該換熱器的傳熱系數(shù)。三、傳熱系數(shù)的測定與估算3.理論計算法

列管式換熱器中的管子仁義截面的管壁換熱是由熱流體的對流傳熱、間壁（包括垢層）的熱傳導(dǎo)、冷流體的對流傳熱三個階段組成。(假設(shè)熱流體走管程，冷流體走殼程)（1）熱流體對壁面的對流傳熱

(2)間壁面內(nèi)的熱傳導(dǎo)

三、傳熱系數(shù)的測定與估算3.理論計算法（3）壁面對冷流體的對流傳熱

則總過程：

四、污垢熱阻對傳熱系數(shù)的影響

換熱器在使用過程中，傳熱壁面常有污垢形成，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，該熱阻稱為污垢熱阻。通常，污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多。影響污垢熱阻的因素很多，主要有流體的性質(zhì)、傳熱壁面的材料、操作條件、清洗周期等。由于污垢熱阻的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計，因此通常選用經(jīng)驗值。

四、污垢熱阻對傳熱系數(shù)的影響討論：

物料換熱操作列管式換熱器的選型一、列管式換熱器選用應(yīng)考慮的問題確定流動路徑；依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值范圍估算傳熱面積A計算管程和殼程的壓力降計算總的傳熱系數(shù)，核算傳熱面積二、載熱介質(zhì)的選擇（1）允許的溫度范圍應(yīng)能滿足加熱過程的工藝要求；（2）溫度應(yīng)容易調(diào)節(jié)；（3）腐蝕性應(yīng)很小，且不易結(jié)垢；（4）在熱交換過程的溫度范圍內(nèi)，化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定，不是易燃、易爆

物質(zhì)；易獲得且價格低廉；（5）傳熱性能好。三、冷、熱流體流速的選擇液體種類流速/m·s-1管程殼程低黏度液體0.5~30.2～1.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體5~302~15四、冷、熱流體路徑的選擇⑴不清潔易結(jié)垢的物料流過易于清洗的一側(cè)管內(nèi)易于清洗；⑵需要通過增大流速以提高給熱系數(shù)的流體應(yīng)選管程；⑶腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；⑷壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；⑸蒸汽走殼程，冷凝液易于排出；⑹被冷卻的流體一般走殼程，