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流体力学与传热Ⅱ：第 311–320 页

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
注意
并联时出口温度与原来相同， 因为每根管的流量、 流速、 传热系数均未改变， 只
是总流量翻倍。因此要达到更高的出口温度，必须采用串联。
总传热系数与管内对流传热系数的计算
• 热负荷 Q = 125 kW ，注意单位换算：1 kW = 1000 J/s ，计算时需乘以 1000
• 换热面积 A = n ·π·d·L
• 忽略垢层及污垢热阻，根据总传热系数与两侧对流传热系数的关系求管内对流
传热系数
注意
热负荷单位是 kW（千焦/秒） ，而热负荷计算公式用的是J/s，代入前必须乘以
1000。
换热器校核计算（单壳层双管程）
• 题目类型：换热器校核——判断换热器能否完成生产任务
• 条件：130℃ 饱和水蒸气， 将乙醇从25℃ 加热到 80℃；90 根 φ25×2.5、 长3m 的
钢管；乙醇在管内流动
• 已知定性温度下的密度、粘度、比热、导热系数，条件充分
• 钢的导热系数已给出，需计入管壁热阻 b/λ·dm
• 水蒸气冷凝传热系数已知，污垢热阻与热损失忽略
定义
换热器校核： 比较换热器” 提供的” 总传热速率与工艺条件” 需要的” 热负荷。 若
提供的 ≥ 需要的，则换热器能完成任务。
注意
双管程的流速计算：流体先走一半管再走另一半，所以截面积按 45 根管计算
（90/2） ，但换热面积仍按90 根管（n·π·d·L）计算，两者不要混淆。
双管程换热器的 k 计算
• 管内对流传热系数：流速按 45 根管计算，得 α_i = 2321 W/(m² ·K)
• 管壁热阻：b/λ·dm，其中 b 为壁厚，λ 为钢的导热系数（45 W/(m·K)）
• 对称平均直径 dm 不用对数平均值，取 (20+25)/2 = 22.5 mm （内径 20、外径 25）
• 总传热系数 K 由管内、管外、管壁三项热阻相加求得
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
注意
题目给了钢的导热系数，即使管壁热阻数值很小，也必须代入计算，不能省略。
校核判断：所需面积 vs 实际面积
• 所需热量：由乙醇的流量、比热、温差计算，注意单位（4.02 kJ/(kg·K)，流量
为 kg/h）
• 所需面积 A_ 需 = Q / (K ·ΔT_m)，约 21 m²
• 实际换热面积 A_ 实 = n·π·d·L，按 90 根管计算
• 实际面积 > 所需面积，换热器能完成任务
注意
计算所需热量时注意单位统一：比热为 kJ/(kg·K)，流量为 kg/h，需换算为一
致的单位。
流量增加 20% 时的出口温度与蒸汽用量
• 冷流体流量增加 20%， 管内流速u 也增加 20%， 对流传热系数变为1.2^0.8 ≈ 1.26
倍
• 新条件下对流传热系数 α_i’ = 1593 W/(m² ·K)（原 2321 × 1.2^0.8 ）
• 用比的形式计算：Q’ = 1.2Q，k 已知，代入原条件，求出新出口温度t₂’ = 77℃
（原为 80℃，温度下降）
• 蒸汽用量：蒸汽放热 = 冷流体吸热，用比的形式，汽化潜热约掉
• 蒸汽用量增加 = 1.2 × (77-25)/(80-25) ≈ 1.14 ，即增加 14%
例
蒸汽用量增加的计算：Q_ 蒸汽 = Q_ 冷流体，m_s·r = m_c·c_p·Δt。用比的
形式：m_s’/m_s = (q’/q)·(t₂’-t₁)/(t₂-t₁) = 1.2 × (77-25)/(80-25) ≈ 1.14 ， 即
蒸汽用量增加 14%。
保持出口温度不变的调节计算
• 流量增加 20% 后出口温度降至 77℃，现要求保持 80℃ 不变
• 方法：提高加热蒸汽温度
• 用比的形式：k 变为原来的 1.2^0.8 倍（1427 → 1597 W/(m² ·K)）
• 唯一未知量为蒸汽温度，由 130℃ 提高，代入平均温差公式求解
Study Notes 312 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
定义
调节型操作计算：操作条件发生变化（如流量增加）后，通过改变另一操作参
数（如加热蒸汽温度）来维持出口温度不变。
注意
此题综合了校核、流量变化、调节三类操作型计算，是传热部分的综合题，建
议课后独立完成。
污垢热阻对换热的影响（使用一年后）
• 条件：换热面积 20 m²，110℃ 饱和水蒸气，将混合液从 20℃ 加热到 83℃
• 蒸汽侧污垢热阻忽略，溶液侧未说明（需考虑）
• 使用一年后，溶液侧产生污垢，出口温度下降，换热效果变差
• 已知污垢热阻但未给导热系数，需先求总传热系数，再反求污垢热阻
定义
污垢热阻：换热器运行一段时间后，流体侧沉积污垢形成的附加热阻，使总传
热系数下降、换热效果变差。
污垢热阻的求解
Study Notes 313 / 341 先看条件，再套公式

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• 原工况：对数平均温差已知，总传热系数 K = 1673 W/(m² ·K)，出口温度 75℃
• 改变条件后：Q 不变、A 不变，K’ = 1312 W/(m² ·K)
• 流量未变，管内、管外对流传热系数均未变，前后差异仅为污垢热阻
• 污垢热阻 = 1/K’ - 1/K （倒数相减）
例
污垢热阻 = 1/K’ - 1/K = 1/1312 - 1/1673 ，即为新增的管内污垢热阻。
维持出口温度的调节（提高蒸汽温度）
• 污垢使 K 变小，Q 不变、A 不变，则 ΔT_m 必须变大
• 新温差 ΔT_m’ = 66.7℃ （原为某值，因 K 变小而增大）
• 进出口温度不变，改变蒸汽温度，解得蒸汽需提高到 183℃
注意
当 K 变小而 Q、A 不变时，平均温差 ΔT_m 必须增大，这是调节计算的核心逻
辑。
换热效果变差的原因分析
• 水蒸气侧：蒸汽压力下降、不凝性气体未及时排放（形成气膜层阻力） 、冷凝液
未及时排放（形成液膜层阻力）
Study Notes 314 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 被加热流体侧：物性变化、流量变化、入口温度降低
• 污垢存在：可通过清洗换热面积去除污垢热阻
• 也可通过提高加热蒸汽流量或温度来补偿
注意
冷凝液未及时排放形成液膜层阻力，不凝性气体未及时排放形成气膜层阻力，
两者都会降低传热效果。
考试结构说明
• 15 道选择题（每题 2 分，共 30 分）
• 问答题 2 道（每题 5 分，共 10 分）
• 计算题 4 道（共 60 分） ：流体流动与传热各20 分，降尘室与过滤各 10 分
• 流体流动与传热可合并为一道大题（含机械能衡算、泵功率、安装高度、过滤
等）
换热器的分类
定义
换热器（热交换器） ：冷热流体之间进行热量交换的设备。
• 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器
• 按冷热流体交换方式分：混合式、蓄热式、间壁式
• 按形状结构分：管式、板式、特殊形式
例
混合式：冷热流体直接接触，如工厂冷水塔。蓄热式：先蓄热再放热。本章重
点为间壁式。
注意
蒸发器、再沸器属于下学期内容，但本质也是换热器（将饱和液体部分汽化） 。
夹套式换热器
• 结构：反应釜外壁通蒸汽加热釜内液体
• 特点：釜内对流传热系数小，传热面积小（仅夹套表面积）
• 强化措施：加搅拌桨强化流动，或用蛇管（弯成蛇形的管）改变流动方向
Study Notes 315 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
注意
若不装搅拌桨，釜内湍动程度低，传热系数会大打折扣。
蛇管式换热器
• 沉浸式：蛇管完全浸泡在外部液体中
– 结构简单，管内可耐高压
– 缺点：传热面积不大，管外对流传热系数小，可加搅拌强化
• 喷淋式：管内为热流体，冷水由水槽泵送淋下与热管接触换热
– 结构简单，但占地面积大
– 换热不均匀（上层与下层接触的流体不同）
– 管外对流传热系数比沉浸式大
套管式换热器
• 结构：内管走一种流体，外管走另一种流体
• 优点：结构简单，对流传热系数较大
• 缺点：结构不紧凑，单位体积换热面积小，接头多（弯头多）
Study Notes 316 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
列管式换热器（管壳式换热器）
• 结构：管板上有管束，管束内走一种流体，壳程走另一种流体，壳内有挡板
• 工业上应用广泛
热应力与补偿方法
定义
热应力：换热器温度变化较大时，金属部件因热胀冷缩产生的应力，若不补偿
可能导致管子断裂。
• 固定管板式（补偿圈/膨胀节补偿） ：壳上设补偿圈，温差大时靠其伸缩补偿热
应力
• 浮头式补偿：一端固定焊在壳上，另一端不固定，膨胀时左移、收缩时右移
• U 型管补偿：管子弯成 U 形，可自由伸缩消除热应力
注意
U 型管补偿与双管程不同： 双管程是管内设隔板改变流向， 管子本身是直的；U
型管是管子本身弯成 U 形。U 型管清洗较麻烦。
Study Notes 317 / 341 先看条件，再套公式

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例
三种补偿方法：① 补偿圈（膨胀节）补偿；② 浮头式补偿；③U 型管补偿。目
的均为消除进出口温差过大产生的热应力。
其他类型换热器
• 板式换热器、特殊形式换热器（可在大作业中查找新型换热器）
板式换热器
• 由多块平板压紧而成，板的一侧走一种流体，另一侧走另一种流体
• 两种流体通过板两侧进行换热，互不接触
• 需要压紧防止泄漏；长期使用因温度变化导致变形，也可能发生泄漏
• 结构原理与过滤设备类似，便于理解
螺旋板式换热器
• 金属片弯成螺旋状，一种流体从外侧进出，另一种从中心进出
• 两种流体分别走螺旋金属片的两侧，通过金属片换热
定义
螺旋板式换热器： 将金属板卷成螺旋状， 两种流体分别在螺旋通道两侧流动， 通
过金属板壁进行换热的设备。
Study Notes 318 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 结构紧凑、简单，对流换热系数大
• 逆流流动，基础板接触良好，换热效果好
注意
缺点：因金属片弯成螺旋状，承压和耐温能力有限；损坏后维修困难。
翅片式换热器
• 在管子内部或外部加装翅片（肋片）
例
在管外焊接翅片，或在管内加装内翅片，都属于翅片式换热器。
• 两个目的：
– 增大传热面积
– 提高加翅片一侧流体的湍流程度，不断破坏边界层，强化对流换热
板式换热器的流体进出口布置
• 热流体从左上进入、左下排出；冷流体从右下进入、右上排出
• 冷流体从底部进入： 受热后密度减小， 自然向上流动， 与泵送方向一致， 更合理
• 若反向布置，冷流体在顶部受热后不易排出，流动不合理
注意
换热器框架本身导热性差、厚度大，不是有效换热区域，因此该区域不参与流
体流动，避免热量通过框架散失到空气中。
板式换热器的密封垫片
• 星形板（star plate）上的垫片环绕所有进、出口孔
• 当板被压紧在固定盖上时，垫片完全密封，流体无法穿过垫片进入板侧面
• 每块热板（热侧）的垫片布置相同，保证流体按预定路径流动
注意
垫片的作用是密封特定区域， 防止流体串流到非换热区域， 而非仅仅防止外漏。
管壳式换热器（Shell and Tube ）概述
• 由壳体和壳内管束组成，因此得名
• 壳体是压力容器，承受与壳侧流体系统压力相匹配的压力，也称 housing
• 换热器有前后两端，共四个主要接口：两个入口、两个出口（对应两种流体）
Study Notes 319 / 341 先看条件，再套公式

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
管壳式换热器的管侧与壳侧
• 管侧流体（tube side fluid ） ：进入后只能流经管内，从另一端排出
• 管侧流体在端部折返，从下部管束进入上部管束，再次直线流过管束后排出
• 壳侧流体（shell side fluid ） ：从壳体一侧进入，沿壳程流动，经折流板后从另一
侧排出
定义
管束（tube bundle / tube stack ） ：壳体内所有管子的集合，分为上半部分和下半
部分。
• 管束通过折流板（baffles） 、管板（tube sheets）和拉杆（tie rods）固定在正确位
置
传热强化的途径
• 依据传热速率公式 𝑞 = 𝐾𝐴Δ𝑡，强化传热可从三个方向入手：提高温差、增大
传热面积、提高总传热系数
定义
传热速率公式：𝑞 = 𝐾𝐴Δ𝑡，其中 𝐾 为总传热系数，𝐴 为传热面积，Δ𝑡为传
热温差。
Study Notes 320 / 341 先看条件，再套公式

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