食品工程原理传热

1、 1 1、传热：、传热：因温度差的存在而产生的能量传递。因温度差的存在而产生的能量传递。 2 2、传热在食品工程中的应用、传热在食品工程中的应用 （1 1）食品的加热或冷却）食品的加热或冷却 食品加工中的加热灭菌过程、冷冻降温过程食品加工中的加热灭菌过程、冷冻降温过程以及某些单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶以及某些单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）需传热，要求传热速度越快越好。等）需传热，要求传热速度越快越好。 （2 2）回收热量或冷量，节约能源。）回收热量或冷量，节约能源。 （3 3）保温或保冷：）保温或保冷：要求传热速度越慢越好，如冰要求传热速度越慢越好，如冰箱冷藏食品或保温。箱冷藏

2、食品或保温。 根据传热机理不同，传热的基本方式有根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：三种： 热传导热传导 热对流热对流 热辐射热辐射 又称导热，又称导热，物质在不发生宏观位移的物质在不发生宏观位移的情况下，热量从物体内部的高温处向低温情况下，热量从物体内部的高温处向低温处传递，或从高温物体向一个与它直接接处传递，或从高温物体向一个与它直接接触的低温物体的传递过程。触的低温物体的传递过程。 传热机理复杂，存在传热机理复杂，存在分子振动学说分子振动学说和和自由电子迁移学说自由电子迁移学说等。等。 又称又称对流传热对流传热，是流是流体质点发生相对位移所引体质点发生相对位移所引起的热量传递过程，或

3、者起的热量传递过程，或者流动的流体与固定壁面之流动的流体与固定壁面之间间的热量交换。的热量交换。 对流传热伴有热传导对流传热伴有热传导。强制对流：强制对流： 因泵（或风机）或搅拌等外力作用所导因泵（或风机）或搅拌等外力作用所导致的对流称为强制对流。致的对流称为强制对流。 在同一流体中有可能同时发生在同一流体中有可能同时发生自然对流自然对流和和强制对流强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流体各处的温度不均匀而引起的密由于流体各处的温度不均匀而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。称为自然对流。 因热的

4、原因而产生的电磁波在空间的传因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为递，称为热辐射热辐射。 所有物体都能将热以电磁波的形式发射所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。但是只有在物体出去，而不需要任何介质。但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。热辐射既有能量热形式。热辐射既有能量转移转移，也有，也有转化转化。 实际上，上述三种传热方式而往实际上，上述三种传热方式而往往是相互伴随着出现的。往是相互伴随着出现的。 1 1、间壁式换热器：、间壁式换热器：冷热流体热交换时冷热流体热交换时不直接接触，用固体壁面隔开，这种换热器

5、不直接接触，用固体壁面隔开，这种换热器称为间壁式换热器。称为间壁式换热器。 2 2、并流与逆流、并流与逆流 球形冷凝管球形冷凝管 3 3、套管换热器的传热过程、套管换热器的传热过程 （1 1）对流（热流体）对流（热流体间壁）间壁） （2 2）导热（通过间壁）导热（通过间壁） （3 3）对流（间壁）对流（间壁冷流体）冷流体） （1 1）加热剂）加热剂 饱和水蒸气饱和水蒸气（100100180180） 热水（热水（4040100100） 矿物油等低熔混合物（矿物油等低熔混合物（180180540540） 烟道气（烟道气（50050010001000）等。）等。 （2 2）冷却剂）冷却剂 水水（20

6、203030） 空气空气 冷冻盐水冷冻盐水 液氨（液氨（-33.4-33.4） 氟利昂等。氟利昂等。 热流量热流量（热流率）（热流率）：单位时间内通：单位时间内通过整个传热面传递的热量，过整个传热面传递的热量，W W（J/sJ/s）。）。 热流密度热流密度q q（热通量）：（热通量）：单位时间内通单位时间内通过单位面积传热面传递的热量，过单位面积传热面传递的热量，W/mW/m2 2。 热流量热流量T(T(推动力推动力)/R()/R(热阻热阻) ) 热交换：热交换：两个温度不同的物体由于传热，两个温度不同的物体由于传热，进行热量的交换。进行热量的交换。 结果：结果：温度较高的物体焓减小，温度较低

7、温度较高的物体焓减小，温度较低的物体焓增加，涉及物质的焓变代数和为的物体焓增加，涉及物质的焓变代数和为0 0。 基本原则：基本原则：能量守恒定律能量守恒定律 H=mcH=mcp pT T 热交换器：热交换器：用于热交换的设备用于热交换的设备 （一）温度场与温度梯度（一）温度场与温度梯度 1 1、温度场：、温度场：某一时刻空间各点温度分布，是空某一时刻空间各点温度分布，是空间坐标和时间的函数。温度只延一个坐标方向间坐标和时间的函数。温度只延一个坐标方向变化，为变化，为“一维温度场一维温度场”。 稳定温度场（不随时间变化）稳定温度场（不随时间变化） 不稳定温度场（随时间变化）不稳定温度场（随时间变

8、化） 2 2、等温线和等温面：、等温线和等温面：某一时刻，将温度场中具某一时刻，将温度场中具有相同温度的点连接起来所形成的线或面。有相同温度的点连接起来所形成的线或面。 等温面不能相交，热交换发生在不同的温等温面不能相交，热交换发生在不同的温度面之间。度面之间。 3 3、温度梯度：、温度梯度：向量，在等温面法线上，指向温向量，在等温面法线上，指向温度增加的方向度增加的方向 1 1、傅里叶定律、傅里叶定律 是热传导的基本定律，它指出：在温是热传导的基本定律，它指出：在温度场中，由于导热形成的热流密度正比于度场中，由于导热形成的热流密度正比于该时刻某一点的该时刻某一点的温度梯度温度梯度。 式中式中

9、为热导率（导热系数）。为热导率（导热系数）。 热导率（导热系数）热导率（导热系数）是某物质在单位是某物质在单位温度梯度时所通过的热流密度。温度梯度时所通过的热流密度。 表征物质导热能力的大小，是物质的表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为物理性质之一，单位为W/(m.)W/(m.)，与，与物质物质组成、结构、密度、温度及压力等有关。组成、结构、密度、温度及压力等有关。 金属金属热导率热导率大于非金属，液体较小，大于非金属，液体较小，气体最小。热导率随温度变化而变化。气体最小。热导率随温度变化而变化。如图所示：如图所示：平壁壁厚为平壁壁厚为，壁面积为壁面积为A A；壁的材质均匀，热

10、导率壁的材质均匀，热导率不随温度不随温度变化，视为常数；变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的平壁的温度只沿着垂直于壁面的x x轴方向变化，故等温面皆为垂直于轴方向变化，故等温面皆为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。（一）单层平壁稳态导热（一）单层平壁稳态导热RtAttttAQ2121)(结论：结论：热传导距离越小，材料导热系数越大热传导距离越小，材料导热系数越大，导热面积越大，则热阻越小，当传热推动，导热面积越大，则热阻越小，当传热推动力一定时，热流量越大。力一定时，热流量越大。根据傅立叶定律根据傅立叶定律 对稳

11、态导热，对稳态导热，q q为常量，分离变量后积分，积为常量，分离变量后积分，积分边界条件：当分边界条件：当x x=0=0时，时，t= tt= t1 1；x=x= 时，时，t= tt= t2 2，t=tt=t1 1-t-t2 2为导热的推动力为导热的推动力而而R=/AR=/A则为导热的热则为导热的热阻阻如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为假定各层壁的厚度分别为1 1，2 2，3 3，各层材质均匀，热导各层材质均匀，热导率分别为率分别为1 1，2 2，3 3，皆视为皆视为常数；常数；层与层之间接触良好，相互接层与层之间接触良好，相

12、互接触的表面上温度相等，各等温面触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于亦皆为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。壁的面积为壁的面积为A A，在稳定导热过在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。)(21111ttAQ121111tttAQ33133tAQ2222tAQ第一层第一层 第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：1 1=2 2=3 3=1123 对三层平壁，且对三层平壁，且t t1 1tt2 2tt3 3tt4 4则：则： 推广至推广至n n层平壁：层平壁：RttAttQnniiiin11011结论：结论：在稳定多层平壁导热过程中，哪

13、层热阻在稳定多层平壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，热流量的大小热阻一定大。当总温差一定时，热流量的大小取决于总热阻的大小。取决于总热阻的大小。 )()(33221141332211321AAAttAAAtttQ 例例5 52 2：某冷库壁内、外层砖壁厚均为某冷库壁内、外层砖壁厚均为1212cmcm，中间夹层填以绝热材料，厚中间夹层填以绝热材料，厚1010cmcm，砖墙的热导率为砖墙的热导率为0.700.70W/mkW/mk，绝缘材料的绝缘材料的热导率为热导率为0.040.04W/mkW/mk，墙外

14、表面温度为墙外表面温度为10 10 ，内表面为，内表面为-5 -5 ，试计算进入冷库，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。上的温度。 解：根据题意，已知解：根据题意，已知t t1 1=10=10，t t4 4=-5=-5，1 1=3 3=0.12m=0.12m，2 2=0.10m=0.10m，1 1= =3 3= = 0.70w/mk0.70w/mk，2 2=0.04w/mk=0.04w/mk。 233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算按温度差分配计

15、算t t2 2、t t3 31 .970.012.027.5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r r1 1，内内壁温度为壁温度为t t1 1，外半径为外半径为r r2 2，外壁温度为外壁温度为t t2 2。温度只沿半径方向变化，温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半壁与平壁不同点是其面随半径而变化。径而变化。在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的的薄层，若

16、圆筒的长度为薄层，若圆筒的长度为L L，则则半 径 为半 径 为 r r 处 的 传 热 面 积 为处 的 传 热 面 积 为A=2rLA=2rL。1 1、通过单层圆筒壁的稳态导热、通过单层圆筒壁的稳态导热drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得 根据傅立叶定律，对此薄圆筒层传导的热量为：根据傅立叶定律，对此薄圆筒层传导的热量为：令令A Am m=2r=2rm mL L，则圆筒壁热流量可表示为，则圆筒壁热流量可表示为122121)()(rrttAbttAQmm 以三层圆筒壁为例。以三层圆筒壁为例。 假定各层壁内外半径由内假定各层壁

17、内外半径由内至外依次为至外依次为r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4； 各层材料的导热系数各层材料的导热系数1 1，2 2，3 3皆视为常数；皆视为常数； 层与层之间接触良好，相层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，互接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。各等温面皆为同心圆柱面。r1r2r3r4t1t2t3t412211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ 当稳态导热时，通过各层的热流量当稳态导热时，通过各层的热流量相等，对相等，对于第一、二、三层圆筒壁有：于第一、二、三层圆筒壁有：根据各层温度差之和等于总温度差的原则，则根据

18、各层温度差之和等于总温度差的原则，则34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，对于同理，对于n n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为 注：注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热流量都是相同的，但是热流密度却不相等。流量都是相同的，但是热流密度却不相等。 例例5-35-3：用用 89894mm4mm的不锈钢管输送热油，管的热的不锈钢管输送热油，管的热导率为导率为=17W/m=17W/m，其内壁表面温度为，其内壁表面温度为130130，管外包管外包40

19、mm40mm的保温材料，热导率为的保温材料，热导率为=0.035W/m=0.035W/m，其外层表面温度为其外层表面温度为2525，试求，试求：（1 1）每米管长的热损失；（每米管长的热损失；（2 2）两层保温层交界处）两层保温层交界处的温度。的温度。 解：解：r r1 1=0.089/2=0.089/20.004=0.0405m0.004=0.0405m； r r2 2=0.089/2=0.0445m=0.089/2=0.0445m；r r3 3=0.0445+0.04=0.0845m=0.0445+0.04=0.0845m 1 1=17W/m=17W/m；2 2=0.035W/m=0.03

20、5W/m，t t1 1=130, =130, t t2 2=25,L=25,L1m1m，则热损失的热流量为：，则热损失的热流量为： 结论：结论：温度降几乎都发生在保温层中，保温层较大温度降几乎都发生在保温层中，保温层较大的导热热阻避免了较大的热损失。的导热热阻避免了较大的热损失。RtATTQw1上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律。其中。其中为对流传热系为对流传热系数，表示影响对流传热的所有复杂因素。数，表示影响对流传热的所有复杂因素。 对流给热是指流体流过固体壁面时与该表面发对流给热是指流体流过固体壁面时与该表面发生的热量交换，很复杂，基本关系描述为：生的热量交换，很复杂，基本关系描述为

21、： Q= A（T-Tw） 是在流体流动进程中发生的热量传递现是在流体流动进程中发生的热量传递现象，与流体的流动情况密切相关。象，与流体的流动情况密切相关。 当流体作层流流动时，在垂直于流体流当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以动方向上的热量传递，主要以热传导热传导的方式的方式进行。进行。 当流体作湍流流动时，传热速度快，主当流体作湍流流动时，传热速度快，主体靠体靠对流传热对流传热，层流底层靠，层流底层靠传导传热传导传热，热阻，热阻集中于此。集中于此。传热过程传热过程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体

22、湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：热边界层热边界层：温度边界层，温度梯度温度边界层，温度梯度较大的区域。较大的区域。传热的热阻即主要集传热的热阻即主要集中在此层中中在此层中。温度温度距距离离TTwtwt热流热流体体冷流冷流体体传热壁面传热壁面湍 流 主湍 流 主体体湍 流 主湍 流 主体体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传 热 方传 热 方向向对流传热示意图对流传热示意图2 2、流体的性质：、流体的性质：影

23、响较大的如密度影响较大的如密度、比比定压热容定压热容c cp p、热导率热导率、黏度黏度，体胀系数，体胀系数v等；等； （一）影响对流传热系数的主要因素（一）影响对流传热系数的主要因素1 1、流体的状态：、流体的状态：流体相态及相变化对流体相态及相变化对影影响很大。有相变时对流传热系数比无相变化响很大。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多。时大的多。 3 3、流体的流动状况：、流体的流动状况：湍流的对流传热系数湍流的对流传热系数比层流大得多。强制对流的对流传热系数比比层流大得多。强制对流的对流传热系数比自然对流大的多；自然对流大的多；4 4、传热壁面的形状、位置及大小：、传热壁面的形状、位置

24、及大小：形状如形状如管、板、翅片；位置如管束的排列方式、垂管、板、翅片；位置如管束的排列方式、垂直放置或水平放置；尺寸如管径、管长等。直放置或水平放置；尺寸如管径、管长等。 cbaGrANuPrRe通过量纲分析，对流传热过程的特征数关联通过量纲分析，对流传热过程的特征数关联式可用下式表示：式可用下式表示：即即C准数名称准数名称符号符号意义意义努塞尔数努塞尔数Nu=L/Nu=L/ 表示对流传热系表示对流传热系数的特征数数的特征数雷诺数雷诺数Re=Lu/Re=Lu/ 确定流动状态的确定流动状态的特征数特征数普朗特数普朗特数Pr=cPr=cp p/ 表示物性影响的表示物性影响的特征数特征数格拉晓夫数

25、格拉晓夫数Gr=Gr=v gtLgtL3 32 2/2 2 表示自然对流影表示自然对流影响的特征数响的特征数 特征数方程是一种经验公式，在利用关特征数方程是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。范围。在应用时应注意以下几点：在应用时应注意以下几点：3 3、应用范围、应用范围2 2、定性尺寸：、定性尺寸：通常是选取起主要影响的尺通常是选取起主要影响的尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。1 1、定性温度：、定性温度：确定流体物理参数的温度确定流体物理参数的温度4 4、各准则式是一个无因次数群，其中涉及、各准则式是一个无因次数群，其中涉

26、及到的物理量必须用统一的单位制。到的物理量必须用统一的单位制。加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸GrPr 范围范围am水平圆管水平圆管外径外径d01041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板高度高度L1041090.591/410910120.101/3Nu=a（GrPr）m定性温度定性温度: : 取壁面温度和流体主体温度算术平均值取壁面温度和流体主体温度算术平均值定性尺寸：定性尺寸：平壁为壁长，圆管为直径。平壁为壁长，圆管为直径。式中的式中的a、m值见书值见书165页页5-3表表 （一）自然对流传热（一）自然对流传热 1、管内层流、管内层流 2、管内湍流、

27、管内湍流 3、管外对流、管外对流 4、波纹板壁间对流、波纹板壁间对流 根据不同类型，使用对应的经验公式，根据不同类型，使用对应的经验公式，进行对流传热系数的估算。进行对流传热系数的估算。（一）沸腾传热（一）沸腾传热 液体与高温壁面接触被加热汽化，并液体与高温壁面接触被加热汽化，并在液体内部产生气泡的现象称为在液体内部产生气泡的现象称为沸腾沸腾。按加热面与液体饱和温度的差值不同，按加热面与液体饱和温度的差值不同，分为分为泡状沸腾泡状沸腾和和膜状沸腾膜状沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。蒸发器、蒸汽锅炉等。 以以饱和蒸汽饱和蒸汽作为加热介质在

28、传热中发生作为加热介质在传热中发生冷凝传热冷凝传热是工业生产中常见的传热方式。是工业生产中常见的传热方式。 1 1、冷凝方式、冷凝方式 （1 1）膜状冷凝：）膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。中，冷凝液膜是其主要热阻。 （2 2）滴状冷凝：）滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。热阻小。许多液滴，并沿壁面落下。热阻小。 实际生产过程中，多为实际生产过程中，多为

29、膜状冷凝膜状冷凝过程。过程。略略 （1 1）不凝性气体的影响：）不凝性气体的影响：形成气膜，增加形成气膜，增加热阻，降低对流传热系数。要在设备顶部设热阻，降低对流传热系数。要在设备顶部设置不凝气体排放装置。置不凝气体排放装置。 （2 2）蒸汽流速和流向的影响：）蒸汽流速和流向的影响：与液膜流向与液膜流向一致，液膜减薄，一致，液膜减薄，增大。增大。 （3 3）冷却壁面的高度及布置方式：）冷却壁面的高度及布置方式：垂直壁垂直壁面可开沟槽。面可开沟槽。 1 1、按冷、热流体热交换的接触方式分：、按冷、热流体热交换的接触方式分： （1 1）非直接接触式（间壁式、蓄热）非直接接触式（间壁式、蓄热式、流化

30、床）式、流化床） （2 2）直接接触式）直接接触式 2 2、按用途分：、按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器蒸发器、再沸器等。等。1 1、结构：、结构：壳体、管束、管板（又称花板）壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。、封头（端盖）等。 （1 1）管程）管程 冷、热流体两种流体在管壳式换热器冷、热流体两种流体在管壳式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为程称为管程管程。 （2 2）壳程）壳程 另一种流体在管外流动，其行程称为另一种流体在管外流动，其行程称为壳程壳程。NoImage隔板隔板挡板挡板管束管束壳

31、体壳体双管单壳程双管单壳程单管单壳程单管单壳程三管双壳程三管双壳程 在两端封头内设置在两端封头内设置隔板隔板，可实现多管，可实现多管程，通过提高管程流体的流速，增大对流程，通过提高管程流体的流速，增大对流传热系数，但能量损失增加，管程数以传热系数，但能量损失增加，管程数以2 2、3 3、4 4、6 6程多见。程多见。 在管外壳体内装有壳程隔板可实现多在管外壳体内装有壳程隔板可实现多壳程，通过提高壳程流体的流速，增大湍壳程，通过提高壳程流体的流速，增大湍流程度，以保持较高的传热系数，壳程数流程度，以保持较高的传热系数，壳程数以以2 2、3 3程多见。程多见。 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致为防

32、止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：补偿的方法，主要有以下几种：U U形管补偿：形管补偿：每根管子每根管子弯成弯成U U形，形，两端固定在两端固定在同一管板上，每根管同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关其他管子和外壳无关，相当于双管程。，相当于双管程。浮头补偿：浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的

33、膨胀无关。壳的膨胀无关。优点：优点：容易制造、生产成本低，适应性强容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流体，维修清洗方便。，尤其适于高压流体，维修清洗方便。缺点：缺点：结合面较多，易泄漏。结合面较多，易泄漏。 对应常见的列管式换热器有：对应常见的列管式换热器有：U U形管换形管换热器、浮头式换热器、固定管板式换热器、热器、浮头式换热器、固定管板式换热器、在外壳上焊上一个补偿圈。在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。性形变，达到补偿的目的。 是以板壁为换热壁的换热器，常见的是以板壁为换热壁的换热器，常见的有

34、有片式、螺旋板式片式、螺旋板式等。等。 1 1、片式换热器、片式换热器 板片被压制成槽形或波纹形，目的是：板片被压制成槽形或波纹形，目的是： 增强刚度，不致受压变形；增强刚度，不致受压变形； 增强液体的湍动程度，增大传热面积，增强液体的湍动程度，增大传热面积，也利于流体的均匀分布。也利于流体的均匀分布。 总传热系数高，污垢热阻亦较小；总传热系数高，污垢热阻亦较小； 结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；大； 操作灵活性大，可以根据需要调节板片数操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积，或以调节流道的办法，目以增减传热面积，或以调节流道的办法，适

35、应冷、热流体流量和温度变化的要求；适应冷、热流体流量和温度变化的要求； 制造容易、检修清洗方便、热损失小。制造容易、检修清洗方便、热损失小。 允许操作压力较低，否则容易渗漏；允许操作压力较低，否则容易渗漏； 操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制；限制；（现在已有超高温板式换热器）（现在已有超高温板式换热器） 处理量不大，因板间距小，流道截面较小，处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。流速亦不能过大。 由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋

36、板的刚度。刚度。优点：优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，总传热系数较大，传热效率高，不易堵塞。，总传热系数较大，传热效率高，不易堵塞。缺点：缺点：操作压力和温度不能太高，流体阻力大操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。，不易检修。 1 1、结构、结构 夹套装在容器外部，在夹套和器壁间夹套装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。形成密闭的空间，成为一种流体的通道。如如夹层锅、夹层缸夹层锅、夹层缸等。等。夹层蒸气锅夹层蒸气锅 （1 1）当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部）当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接

37、管中排出。接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。 （2 2）用于冷却时，则冷却水由下部进入，）用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。由上部流出。 （3 3）由于夹套内部清洗困难，故一般用）由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热介质。热介质。 结构简单，造价低，可当作盛装容结构简单，造价低，可当作盛装容器，但传热面积小，总传热系数不高。器，但传热面积小，总传热系数不高。 适于传热量不大的场合，为提高传适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。内液体作强

38、制对流。 1 1、结构、结构 蛇管多以金属管子弯绕而成，制成蛇管多以金属管子弯绕而成，制成适应容器需要的形状，沉浸在容器中，适应容器需要的形状，沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。两种流体分别在管内、外进行换热。 优点：优点：结构简单、便于制造、便于防腐、结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。且能承受高压。 缺点：缺点：管外液体的对流传热系数较小，管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小，如增设搅拌装置，从而总传热系数亦小，如增设搅拌装置，则可提高传热效果。则可提高传热效果。t1t2T1T21 1、结构：、结构：两种直径不同的标准管组成同两种直径不同的标准管组成同心套管，

39、内管可用心套管，内管可用U U形管连接，而外管之间形管连接，而外管之间也由管子连接。也由管子连接。注意：选择适当管径和较高流速，使内管与注意：选择适当管径和较高流速，使内管与环隙间的流体呈湍流且逆流状态，以增大总传环隙间的流体呈湍流且逆流状态，以增大总传热系数，减少垢层形成。热系数，减少垢层形成。 单位传热面的金属消耗量很大，占地较单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，一般适用于流量不大、所需传热面不大及大，一般适用于流量不大、所需传热面不大及高压的场合。高压的场合。 特点：特点：传热系数大，结构简单、能耐高压、传热系数大，结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。制造方便、应用

40、灵便、传热面易于增减。 （一）换热基本方程（一）换热基本方程 对于间壁式热交换：对于间壁式热交换：=KAT=KATm m 其中其中K K为总传热系数。该式是换热器设为总传热系数。该式是换热器设计的重要公式。计的重要公式。 1 1、总传热系数、总传热系数K K的获得的获得 （1 1）选取经验值）选取经验值 （2 2）实验测定）实验测定 （3 3）计算）计算 2 2、总传热系数、总传热系数K K的计算法的计算法 （1 1）单层平壁）单层平壁 （2 2）多层平壁）多层平壁 见书见书180180页页 （3 3）单层圆筒壁）单层圆筒壁 见书见书180180页页 （4 4）多层圆筒壁）多层圆筒壁 见书见书

41、181181页，对于不同的面积页，对于不同的面积A Ah h、A Ac c，可以有不同的总传热系数，在计算流量时，可以有不同的总传热系数，在计算流量时，它们等效。它们等效。 例例5 58 8：见书：见书181181页页 1 1、恒温差传热、恒温差传热 两种流体进行热交换时，在沿传热壁两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温稳定的恒温传热传热。 即：即：TTT Th h-T-Tc c 一定。一定。 在传热过程中，间壁一侧或两侧的流在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热

42、壁面，在不同位置时温度不同，体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳稳定的变温传热过程定的变温传热过程。 换热平均温差与冷、热两流体相对流换热平均温差与冷、热两流体相对流向有关。大致可分为下列四种情况：向有关。大致可分为下列四种情况： 并流：并流：参与换热的两种流体在传热面的两参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。侧分别以相同的方向流动。 逆流：逆流：参与换热的两种流体在传热面的两参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。侧分别以相对的方向流动。 错流：错流：参与换热的两种流体在传热面的两参与换热的

43、两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。侧彼此呈垂直方向流动。 折流折流 简单折流：简单折流：一侧流体只沿一个方向流一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。间有并流与逆流的交替存在。 复杂折流：复杂折流：参与热交换的双方流体均参与热交换的双方流体均作折流。作折流。T2T1t1t2T1T2t1t2图图 两侧流体变温时的温度变化两侧流体变温时的温度变化并流并流逆流逆流错流错流折流折流12121212图图 换热器中流体流向示意图换热器中流体流向示意图 对逆流和并流对逆流和并流 式中式中ttm m称为对数平均温差。当称为

44、对数平均温差。当0.5t0.5t2 2/t/t1 122时，可用（时，可用（tt2 2+ + tt1 1）/2/2代替对数平均温差。代替对数平均温差。 对对错流和折流：错流和折流：需乘以校正因数需乘以校正因数 例例591212lntttttm 1 1、强化传热的目的、强化传热的目的 以最小的传热设备获得最大的生产能以最小的传热设备获得最大的生产能力。力。 2 2、强化传热的途径、强化传热的途径 （1 1）增加传热推动力）增加传热推动力换热平均温换热平均温差差 在一定条件下也在一定条件下也可采用逆流或接近逆可采用逆流或接近逆流操作，或提高加热剂温度，降低冷却剂流操作，或提高加热剂温度，降低冷却剂温度。温度。 （2 2）加大单位体积传热面）加大单位体积传热面 采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。管。 （3 3）增大总传热系数）增大总传热系数K K 通过增大流速等方式，提高湍动程通过增大流速等方式，提高湍动程度。度。 尽量采用有相变的流体作为加热剂尽量采用有相变的流体作为加热剂或冷却剂；或冷却剂； 定期清洗换热器，防止污垢形成。定期清洗换热器，防止污垢形成。 （一）红外线加热（一）红外线加热 是波长为是波长为0.8m0.8m1000m1000m的电磁波，的电磁波，以辐射的形式向外传播。工业上，把以辐射的形式向外传播。工业上，把0.8m0.8