物料换热操作-换热器换热面积的确定（化工单元操作课件）

项目二物料换热操作任务三换热器换热面积的确定一、热传导的基本定律1、传热速率Q：

单位时间通过传热面的热量，单位W。实例分析：左手摸铁，同时右手摸木头，会感觉到左手比右手冷；在外界条件相同

的情况下用铁锅和铝锅烧水，铝锅中的水先沸腾，这是为什么？表示换热器本身所具有的换热能力说明三种物质的传热效果：铝最好，铁次之，木头最差。物质导热性能的好坏与本身的某种物理性质有关。2、热通量q：

又称热流密度，单位时间单位传热面积上传递的热量，单位W/m2。一、热传导的基本定律

热量传递：高温低温温度梯度：低温高温（规定）负号表示导热方向与温度梯度方向相反一、热传导的基本定律3、热导率：（1）定义：传热面积为1m2，壁厚为1m，两壁面之间的温度差为1K时，单位时间内以

导热方式所传递的热量，用λ表示，单位W/(m•K)。（2）物理意义：表示物质导热性能的好坏，数值越大，表示该材料的导热越快。（3）应用：

强化传热——选热导率大的材料

削弱传热——选热导率小的材料一、热传导的基本定律3、热导率：（1）固体的热导率

在所有固体中，金属的导热能力最强，纯金属的热导率一般随温度的升高而降低，随纯度的降低而降低，所以合金的热导率比纯金属小。一、热传导的基本定律3、热导率：（2）液体的热导率

金属液体热导率较高，如：水银；非金属液体热导率较低，在非金属液体中，水的热导率最大。一般，纯液体的热导率大于溶液的热导率。一、热传导的基本定律3、热导率：思考：1.北方寒冷地区，采用双层玻璃窗

2.暖瓶塞保温的原理（3）气体的热导率

气体的热导率很小，不利于传热，因此用来保温或隔热。

如工业上用玻璃棉作保温材料，就是因为其空隙率大而使里面有空气的缘故。一、热传导的基本定律4、影响热导率的因素：金属的热导率最大，固体非金属的次之，液体较小，气体最小。（1）物质的组成状态（2）温度温度升高，金属的热导率降低，非金属的升高，液体的降低（水、甘油除外），气体的升高。二、单层平壁的热传导t2t1x/mt/℃单层平壁导热温度分布Q由傅立叶定律得：

注：Q—单层平壁的传热速率，W

A—平壁的导热面积，m2

λ—热导率，W/m•K

δ—单层平壁的厚度将上式两边同除于A，可变形为：

例1：有一单层平面壁厚度是500mm，一侧面壁面温度是500K，另一侧壁温为300K，已知平壁的平均热导率为0.95W/m•K，导热面积为2m2，试求（1）该平面壁的导热速率Q；（2）平面壁距高温侧200mm处的温度。例2：有一单层平面壁厚度是10mm，面积为1m2，内壁面温度为473K，外壁面温度为353K，设已知壁面物质在平均温度下的热导率为0.6W/m•K，试求该壁面的导热速率Q。（作业）三、多层平壁的热传导工程计算中，常遇到多层平壁导热，即由几种不同材料组成的平壁，如锅炉的炉壁，最内层为耐火材料层，中间层为隔热层，最外层为钢板。x/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Q如图所示，表示由三层不同材料组成的平壁，壁厚分别为δ1，

δ2和δ3，热导率分别为λ1，

λ2和λ3，平壁的表面积为A，各接触面的温度分别为t1，t2，t3和t4，且t1＞t2＞t3＞t4，各层传热速率为Q。

单位时间数量相等的热量依次通过各层平壁（相当于串联传热）

三、多层平壁的热传导x/mt2t1t/℃t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布Q

注：Q—多层平壁的传热速率，W

A—平壁的导热面积，m2

λ—各层平壁的热导率，W/m•K

δ—各层平壁的厚度m

t1，t4—最内侧喝最外侧的温度例1：有一工业炉，如图所示，其炉壁由以下三种材料由里向外组成：耐火砖，厚度为240mm，热导率为1.2W/m•K；保温砖，厚度为120mm，热导率为0.2W/m•K；建筑转，厚度为240mm，热导率为W/m•K，已知耐火砖内壁表面温度为1243K，建筑砖外壁温度为323K，求单位面积的炉壁因导热所散失的热量，并求出各层砖接触面的温度。例1：有一工业炉，如图所示，其炉壁由以下三种材料由里向外组成：耐火砖，厚度为240mm，热导率为1.2W/m•K；保温砖，厚度为120mm，热导率为0.2W/m•K；建筑转，厚度为240mm，热导率为W/m•K，已知耐火砖内壁表面温度为1243K，建筑砖外壁温度为323K，求单位面积的炉壁因导热所散失的热量，并求出各层砖接触面的温度。例2：某燃烧炉由耐火砖、保温砖喝建筑砖按顺序由内到外砌成，其壁厚分别为220mm、110mmm和220mm，热导率分别为0.9、0.2和0.7

W/m•K，燃烧稳定后，炉膛内壁的温度为1320K，最外层温度为320K，试求单位时间单位面积炉壁损失的热量，并求出各层砖接触面的温度。（作业）引入：伴有流体流动时，流体流过固体表面与表面之间发生的热量交换为对流传热。工业上冷、热流体之间的换热通常为间壁式换热，流体与固体壁面之间的传热属于对流传热，利用流体质点的相对运动，将热量从一处传至另一处。间壁传热三步骤：1.热流体以对流传热方式将热量传给壁面；

2.热量以热传导方式通过间壁；

3.间壁另一边的壁面以对流传热方式传热给冷流体。四、对流传热分析

对流传热是流体流动过程中发生的热量传递。工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。

1.流体流动情况热冷流体通过间壁传热过程流体的流动型态：层流和湍流流体流动时在靠近壁面处总有一层滞流层湍流主体缓冲层层流内层四、对流传热分析（1）湍流主体：流体质点湍动剧烈，速度很快，传热方向上，流

体温差很小，各处温度基本相同，以对流传热为主。（2）过渡层（缓冲层）：流体温度发生缓慢变化，以传导和对流

传热共同作用。——热阻小（3）滞流内层：无质点位移，以热传导为主。

2.传热分析流体热导率很小，导热热阻大，温差较大四、对流传热分析四、对流传热分析

3.强化途径对流传热的热阻主要集中在滞流内层（1）减小层流内层的厚度——加大流体的湍动程度（2）破坏层流内层强化对流传热的主要途径五、对流传热基本方程牛顿冷却定律1.内容：对流传热速率与传热面积成正比，与流体与避免之间的温差成正比。2.表达式：

α—对流传热系数∆t—该截面上的对流传热温差

对热流体：

∆t=T-TW

对冷流体：∆t=tw-t六、对流传热系数1.表达式：

2.物理意义：

反映对流传热的强度，表示流体与壁面温差为1K或1℃时，单位时间通过单位传热面积的热量。3.影响因素：传热系数越大，表明对流传热速率越高，在对流传热中，传热系数越大越好。三、对流传热系数3.影响因素：（1）流体的种类及性质：

α液体＞α气体（2）对流形成的原因：

α强制对流＞α自然对流（3）流体相变情况：

α有相变＞α无相变（4）流体的流动状态：

α湍流＞α层流六、对流传热系数流体有相变时的对流传热蒸汽冷凝膜状冷凝滴状冷凝影响冷凝传热的因素液体的沸腾

膜状冷凝滴状冷凝六、对流传热系数液体沸腾管外沸腾1atm下水的沸腾曲线管内沸腾传热七、传热基本方程

1.内容：传热过程中的传热速率与传热面积成正比，与传热平均温差成正比。

2.表达式：

注：Q—传热速率K—总传热系数，无量纲A—传热面积，m2

Δtm—传热平均温差，KR—传热热阻1/KAK值越大，传热热阻越小，传热效果越好。三要素：K，A，Δtm八、传热平均温差1.换热器中流体的流动方向（1）并流：流动方向相同（2）逆流：流动方向相反（3）错流：流动方向垂直交叉（4）折流：一流体沿一方向流动，另一流

体反复折流八、传热平均温差并流和逆流时传热平均温差的求算

注：一般规定热流体的进口端为换热器的进口端31

【例2】在套管换热器内，热流体温度由90℃冷却70℃，冷流体温度由20℃上升到60℃。试分别计算：①两流体作逆流和并流时的平均温度差；②若操作条件下，换热器的热负荷为585kW，其传热系数K为300W/(m2K)，两流体作逆流和并流时的所需的换热器的传热面积。由于50/30<2，也可近似取算术平均值法，即：

tm＝40℃解：①传热平均推动力逆流时热流体温度T90℃ 70℃

冷流体温度t60℃ 20℃

两端温度差

t30℃ 50℃32②所需传热面积

并流时热流体温度T90℃ 70℃

冷流体温度t20℃ 60℃

两端温度差

t