第7章换热设备
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《传热学》第七章 凝结与沸腾换热
适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大， 一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能 更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热 速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热 温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程： 将： 代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐 升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂 直 管 内 沸 腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液 相 单 相 流
泡 状 流
块 状 流
波 浪 流
环 状 流
气 相 单 相 流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
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三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管 子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式
建筑设备-第七章
61
分户水平双管热水采暖系统
水平供回水管上下侧
水平供回水管在上侧
水力稳定性不如单管系统， 耗费管材
水平供回水管在下侧
62
分户水平单、双管热水采暖系统
兼有单管、双管的优缺点 适合面积较大的户型及跃层式建筑
63
分户放射式热水采暖系统
特点：
每户设置分、集水器 散热器并联
凝结水充满管道截面：干式回水和湿式回水
22
23
24
25
26
27
28
构成
通风机
电动机 换热器
29
30
暖风机采暖特点 优点
单机供热量大，末端设备数量少 不占用建筑面积或很少 启动升温快
缺点
运行时有噪声 不能补充新风，不能改善室内空 气品质
31
散热量各单体调节
增加楼板厚度、造价
64
End
65
1
18
19
20
21
蒸汽采暖系统的类型 供汽压力：高压（P表压＞0.07MPa）、低压（P表压＜ 0.07MPa）、真空（P绝压＜0.1MPa） 立管数量：单管和双管
蒸汽干管位置：上供式、中供式、下供式
凝结水回收动力：重力回收、机械回收 凝结水是否通大气：开式系统和闭式系统
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分户计量分类
分户水平式系统 分户水平单管 分户水平双管 分户放射式系统
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分户水平单管热水采暖系统
分户水平双管热水采暖系统
水平供回水管上下侧
水平供回水管在上侧
水力稳定性不如单管系统， 耗费管材
水平供回水管在下侧
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分户水平单、双管热水采暖系统
兼有单管、双管的优缺点 适合面积较大的户型及跃层式建筑
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分户放射式热水采暖系统
特点：
每户设置分、集水器 散热器并联
凝结水充满管道截面：干式回水和湿式回水
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构成
通风机
电动机 换热器
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暖风机采暖特点 优点
单机供热量大，末端设备数量少 不占用建筑面积或很少 启动升温快
缺点
运行时有噪声 不能补充新风，不能改善室内空 气品质
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散热量各单体调节
增加楼板厚度、造价
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End
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蒸汽采暖系统的类型 供汽压力：高压（P表压＞0.07MPa）、低压（P表压＜ 0.07MPa）、真空（P绝压＜0.1MPa） 立管数量：单管和双管
蒸汽干管位置：上供式、中供式、下供式
凝结水回收动力：重力回收、机械回收 凝结水是否通大气：开式系统和闭式系统
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分户计量分类
分户水平式系统 分户水平单管 分户水平双管 分户放射式系统
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分户水平单管热水采暖系统
化工设备机械基础(7章)
按换热方式分类
换热设备根据热量传递方法的不同，可以分为间壁式、 直接接触式和蓄热式三大类。 1）直接接触式换热器 又称混合式，如凉水塔、喷射式冷凝 器等。 2）间壁式换热器 两流体之间有器壁分开，互不接触，化 工生产经常使用间壁式换热器。 3）蓄热式换热器 又称蓄热器。温度不同的两种流体先后 交替地通过蓄热室，高温流体将热量传给蓄热体，然后蓄热 体又将这部分热量传给随后进入的低温流体。 根据间壁的形状，间壁式换热器大体上分为“管式”和 “板面式”两大类。如套管式、螺旋管式、管壳式都属于管 式；板片式、螺旋板式、板壳式等都属于板面式。其中，管 壳式在化工生产中使用最为广泛。
7.3换热器拆装及压力检验培训（竞赛）说明书
7.3.1管壳程试压系统图
7.3.1.1壳程试压系统图
7.3.1.2 管程式压系统图
7.3.2.2换热器的壳程试压操作
在试压前应当正确组装设备，换热器安装方式及质量要求：设 备部件采用法兰连接，试压管线采用法兰连接或螺纹连接，各连接部 分必须连接密封可靠；然后将壳程灌满水，采用手动试压泵对设备壳 程打压，试压步骤正确，操作无误，壳程设计压力1.0Mpa，实验压力 为1.25Mpa，保压时间为30min；试压过程为：先将壳程压力缓慢升至 1.25Mpa（正负偏差不超过10%），保压30min ，然后降到设计压力 1.0Mpa ，再保压30min，在该压力下检查各连接部位是否泄漏，如有 泄漏，泄压后消除泄漏点，重复上述步骤；若没有泄漏点且压力表读 数没有变化则合格。之后卸压，拆卸设备，排水，填写试压报告。 (注意：比赛时保压时间一般只有3分钟左右，到时请参考竞赛任务单)
考核时间： ___________
记录
考核成绩: ___________
第七章凝结及沸腾换热_传热学
23
3 大空间饱和沸腾曲线：
表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不 同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾， 如图所示：
qmax
qmin
24
4.几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界 热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作 为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度 可控的两种情况都非常重要。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较 大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
25
三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍 然适用，即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽 化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所 以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较 大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一 种是广泛适用于各种液体的。
与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热 得到某种程度的强化 2 过冷度
只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，
h (tw， 因t f 此)n ，过冷会强化换热。
30
3.液位高度
当传热表面上的液位足够高时， 沸腾换热表面传热系数与液位 高度无关。但当液位降低到一 定值时，表面传热系数会明显 地随液 位的降低而升高(临界 液位)。
2t y 2
5
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l (u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽略蒸汽密度
dp 0 dx
考虑（5） 膜内温度线性分布， 即热量转移只有导热
换热设备管理概述(PPT 126页)
浮头由浮头管板、浮头勾圈法兰和浮头 盖组成。
56
2、 浮头式换热器
特点： （1）一端管板与壳体固定，另一端管板 （浮动管板）与壳体之间没有约束，可在壳 体内自由浮动。壳体和管束热变形自由，不 产生热应力。 （2）管束可从壳体中抽出，便于管程、壳 程的检修和清洗。
57
2、 浮头式换热器
缺点： （1）结构复杂，造价高。 （2）内浮头盖在操作时观察不到，若发
11
优点：结构简单，耐 高温，价格便宜，单 位体积传热面积大； 缺点：冷热流体会有 混合，较适合于气气热交换的场合。
12
3、间壁式换热器
13
间壁式换热器是利用间壁将冷、热 流体隔开，通过固定壁面（传热面）进行 热量传递。
其特点是：能将冷、热流体截然分 开，适应了生产的要求，是化工生产中应 用最广的热交换设备。
45
4、螺旋板式换热器
螺旋板换热器的结构是由两张平行的金属板在专用 的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体， 再加上顶盖和进出口接管而构成的。
46
..\..\105个化工设备原理动画\换热器\螺旋板 换热器.swf
两种流体做严格的逆流。 优点：结构紧凑，传热效率高； 缺点：不能承受压力。
3Leabharlann 451 换热设备的类型及应用 2 管壳式换热器
3 管壳式换热器内件选用 4 换热设备的使用与维护
6
第一节 换热设备的类型及应用
一、换热设备的类型
换热设备种类繁多，可按用途、传热 方式和所用材料分类：
◆ 按用途分类
冷却器 冷凝器 加热器 换热器 再沸 器 蒸气发生器 废热(或余热)锅炉
7
◆ 根据传热方式不同： 直接接触式(混合式）换热器 蓄热式换热器
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2、 浮头式换热器
特点： （1）一端管板与壳体固定，另一端管板 （浮动管板）与壳体之间没有约束，可在壳 体内自由浮动。壳体和管束热变形自由，不 产生热应力。 （2）管束可从壳体中抽出，便于管程、壳 程的检修和清洗。
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2、 浮头式换热器
缺点： （1）结构复杂，造价高。 （2）内浮头盖在操作时观察不到，若发
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优点：结构简单，耐 高温，价格便宜，单 位体积传热面积大； 缺点：冷热流体会有 混合，较适合于气气热交换的场合。
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3、间壁式换热器
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间壁式换热器是利用间壁将冷、热 流体隔开，通过固定壁面（传热面）进行 热量传递。
其特点是：能将冷、热流体截然分 开，适应了生产的要求，是化工生产中应 用最广的热交换设备。
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4、螺旋板式换热器
螺旋板换热器的结构是由两张平行的金属板在专用 的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体， 再加上顶盖和进出口接管而构成的。
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..\..\105个化工设备原理动画\换热器\螺旋板 换热器.swf
两种流体做严格的逆流。 优点：结构紧凑，传热效率高； 缺点：不能承受压力。
3Leabharlann 451 换热设备的类型及应用 2 管壳式换热器
3 管壳式换热器内件选用 4 换热设备的使用与维护
6
第一节 换热设备的类型及应用
一、换热设备的类型
换热设备种类繁多，可按用途、传热 方式和所用材料分类：
◆ 按用途分类
冷却器 冷凝器 加热器 换热器 再沸 器 蒸气发生器 废热(或余热)锅炉
7
◆ 根据传热方式不同： 直接接触式(混合式）换热器 蓄热式换热器
传热学第七章
(强迫流动沸腾)
7-4 沸腾传热的模式
根据沸腾过程是否有加热面分类： 均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。 非均相沸腾： 因表面加热产生的沸腾现象。
根据沸腾过程流体温度分类： 饱和沸腾：将水加热到饱和温度，产生沸腾 过冷沸腾：流体处于末饱和状态即低于饱和温度的沸腾现象
是液氮、液氧等低温流体在输送过程中一类易发的物理现 象，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度 大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。
2. 强化技术简介 竖壁、竖管： 降低传热面高度， 竖管改为横管； 利用尖峰： 液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术
内侧微肋管： 有效减少热阻。
分段排液： 控制液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
1. 竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加 还是减小，为什么？
竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是 重力的一部分，液膜流动变慢，从而热阻增加，表面 传热系数减小。另外，从表面传热系数公式知，公式 中的g亦要换成gsinθ（ gcosθ ），从而h减小。
2. 在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸 汽，而在制冷剂（氟里昂）的冷凝器中，冷凝 介质是氟里昂蒸汽。在工程实际中，常常要强 化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备 一般无需强化。试从传热学的角度加以解释。
自1916年以来，各种修正或发展都是针
对Nusselt分析的限制性假设而进行，并
形成了各种实用的计算方法。
WILHELM NUSSELT 1882-1957
首先了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。
7.2.1 层流膜状凝结分析解
7-4 沸腾传热的模式
根据沸腾过程是否有加热面分类： 均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。 非均相沸腾： 因表面加热产生的沸腾现象。
根据沸腾过程流体温度分类： 饱和沸腾：将水加热到饱和温度，产生沸腾 过冷沸腾：流体处于末饱和状态即低于饱和温度的沸腾现象
是液氮、液氧等低温流体在输送过程中一类易发的物理现 象，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度 大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。
2. 强化技术简介 竖壁、竖管： 降低传热面高度， 竖管改为横管； 利用尖峰： 液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术
内侧微肋管： 有效减少热阻。
分段排液： 控制液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
1. 竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加 还是减小，为什么？
竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是 重力的一部分，液膜流动变慢，从而热阻增加，表面 传热系数减小。另外，从表面传热系数公式知，公式 中的g亦要换成gsinθ（ gcosθ ），从而h减小。
2. 在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸 汽，而在制冷剂（氟里昂）的冷凝器中，冷凝 介质是氟里昂蒸汽。在工程实际中，常常要强 化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备 一般无需强化。试从传热学的角度加以解释。
自1916年以来，各种修正或发展都是针
对Nusselt分析的限制性假设而进行，并
形成了各种实用的计算方法。
WILHELM NUSSELT 1882-1957
首先了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。
7.2.1 层流膜状凝结分析解
第七章 对流换热
7 对流换热7.0 本章主要内容导读本章讨论对流换热问题，首先介绍对流换热的相关基本概念——对流换热的机理、数学描述方法和主要研究方法，然后介绍两类无相变的对流换热——强制对流换热和自然对流换热，主要内容如图7-1所示。
图7-1 第七章主要内容导读7.1 对流换热基本概念7.1.1对流换热机理如前所述，实际工程中经常遇到的对流问题是对流换热问题，它是导热与热对流共同作用的结果。
由于流体的热运动强化了传热，通过对流流体的传热速率比通过静止流体导热的传热速率高得多。
并且，流体速度越快，传热速率越高。
理论上，对流换热可以通过牛顿冷却公式求解，即=αQ∆Ft与导热中的导热系数λ不同，对流换热系数α不是物性参数，因此对流换热过程和相应的对流换热系数受到许多因素的影响，这些影响因素可以分为如下五类。
(1)流体流动产生的原因。
根据流动产生的原因，对流换热可以分为强制对流换热与自然对流换热两大类。
前者由泵、风机或其它外部动力源的作用引起，后者通常由流体各个部分温度不同产生的密度差引起。
两种流动产生的原因不同，流体中的速度场、对流换热规律和换热强度均不一样。
通常强制对流换热的流速高、换热系数α大；(2)流体有无相变。
在流体没有相变时对流换热中的热量传输由流体显热的变化实现，在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结)，流体相变热(潜热)的释放或吸收常常起主要作用，流体的物性、流动特性和换热规律均与无相变时不同。
一般同一种流体在有相变时的换热强度远大于无相变时的强度；(3)流体的流动状态。
根据动量传输知识，粘性流体存在着两种不同的流态——层流和湍流。
层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合。
因此，在其它条件相同时湍流换热的强度明显强于层流换热的强度；(4)换热表面的几何因素。
这里的几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态(光滑或粗糙)。
这些几何因素都将影响流体在壁面上的流动状况，从而影响到对流换热。
供热工程第7章
图7-31 二次网定流量的直接连接热力站 1—电动二通阀 2—二次网循环水泵
(2)循环水泵调速的控制方案
图7-32 变频水泵控制方案控制最不利环路压差 1、7—压差控制阀 2—电动二通阀 3—换热器 4—流量计 5—变频水泵 6—压差控制器
(2)循环水泵调速的控制方案
图7-33 变频水泵控制方案控制热力站进出口压差 1、7—压差控制阀 2—电动二通阀 3—换热器 4——流量计 5—变频水泵 6—压差控制器
图7-12 双管闭式热水供热系统示意图 a)无混合装置的直接连接 b)压差控制阀与用户串联 c)压差控制阀与用户并联 d)控制节点压差 e)装定流量阀的方式 f)装水喷射器的直接连接 g)装混合水泵的直接连接 h)供暖热用户与热网的间接连接 i)通风热用户与热网的连接 j)无储水箱的连接方式 k)装设上部储水箱的连接方式 m)装置容积式换热器的连接方式 n)装设下部储水箱的连接方式 1—热源的加热装置 2—网路循环水泵 3—补给水泵 4—补给水压力调节器 5—散热器 6—热用户 7—压差控制阀 8—定流量阀 9—水喷射器 10—混合水泵 11—表面式水-水换 热器 12—供暖热用户系统的循环水泵 13—膨胀水箱 14—空气加热器 15—温度调节器 16—水-水式换热器 17—储水箱 18—容积式换热器 19—下部储水箱 20—热水供应系统的循环水泵 21—热水供应系统的循环管路
(2)余压回水
0715.tif
(2)余压回水
图7-16 闭式凝水回收系统原理 1—蒸汽管 2—用热设备 3—疏水器 4—闭式凝水箱 5—凝水泵 6—止回阀 7—凝水管 8—水位计 9、11—压力调节阀 10—二次蒸汽管 12—汽-水换热器 13—水封 14—温度调节器
(2)余压回水
第七章换热网络合成
部换热的极限，重合即该
点的传热温差为零，该点 即为夹点。
❖ 但是，在夹点温差为零下操作需要无限 大的传热面积，既不现实，也不经济。 不过，可以通过技术经济评价而确定一 个系统最小的传热温差——夹点温差。 因此，夹点可定义为冷热复合温焓线上 传热温差最小的地方。
❖ 确定了夹点温差之后的 冷热复合曲线图如图所 示。图中，冷、热曲线 的重叠部分ABCEFG， 即阴影部分，为过程内 部冷、热流体的换热区， 包括多股热流和多股冷 流，物流的焓变全部通 过换热器来实现；
步骤一 划分温区
❖ （1）分别将所有热流和所有冷流的进、 出口温度从小到大排列起来： 热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
（2）计算冷热流体的平均温度，即将热流体温 度下降Tmin/2，将冷流体温度上升上Tmin/2
7.3 换热网络合成---夹点技术
节能工作的发展经历了这样几个过程：
❖ 第一阶段，属于捡浮财的阶段，主要表 现在回收余热，但在此阶段所着眼的只 是单个的余热流，而不是整个的热回收 系统；
❖ 第二阶段，考虑单个设备的节能，例如 将蒸发设备从双效改为三效，采用热泵 装置，减少精馏塔的回流比，强化换热 器的传热，等等；
j
式中j为第i温区的物流数
❖ 照此方法，就可 形成每个温区的 线段，使原来的 三条曲线合成一 条复合曲线，如 图 所示。以同样
的方法，也可将 多股冷流在温-焓 图上合并成一根 冷复合曲线。
7.2.4 夹点的形成
❖ 当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将 所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的 冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一 起表示在温-焓图上。在温-焓图上，冷、热 复合曲线的相对位置有三种不同的情况，如 下图所示。
点的传热温差为零，该点 即为夹点。
❖ 但是，在夹点温差为零下操作需要无限 大的传热面积，既不现实，也不经济。 不过，可以通过技术经济评价而确定一 个系统最小的传热温差——夹点温差。 因此，夹点可定义为冷热复合温焓线上 传热温差最小的地方。
❖ 确定了夹点温差之后的 冷热复合曲线图如图所 示。图中，冷、热曲线 的重叠部分ABCEFG， 即阴影部分，为过程内 部冷、热流体的换热区， 包括多股热流和多股冷 流，物流的焓变全部通 过换热器来实现；
步骤一 划分温区
❖ （1）分别将所有热流和所有冷流的进、 出口温度从小到大排列起来： 热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
热流体：30，60，150，170 冷流体：20，80，135，140
（2）计算冷热流体的平均温度，即将热流体温 度下降Tmin/2，将冷流体温度上升上Tmin/2
7.3 换热网络合成---夹点技术
节能工作的发展经历了这样几个过程：
❖ 第一阶段，属于捡浮财的阶段，主要表 现在回收余热，但在此阶段所着眼的只 是单个的余热流，而不是整个的热回收 系统；
❖ 第二阶段，考虑单个设备的节能，例如 将蒸发设备从双效改为三效，采用热泵 装置，减少精馏塔的回流比，强化换热 器的传热，等等；
j
式中j为第i温区的物流数
❖ 照此方法，就可 形成每个温区的 线段，使原来的 三条曲线合成一 条复合曲线，如 图 所示。以同样
的方法，也可将 多股冷流在温-焓 图上合并成一根 冷复合曲线。
7.2.4 夹点的形成
❖ 当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将 所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的 冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一 起表示在温-焓图上。在温-焓图上，冷、热 复合曲线的相对位置有三种不同的情况，如 下图所示。