化工基礎(chǔ)課件4.1傳熱過(guò)程

1、第 章 傳熱過(guò)程及換熱器4.1 概述 由于化工生產(chǎn)過(guò)程中傳熱過(guò)程的普遍性，使得換熱設(shè)備的費(fèi)用在總投資費(fèi)用中所占的比重甚高。據(jù)統(tǒng)計(jì)： 在一般石油化工企業(yè)中占3040% 在煉油廠中占4050% 因此，認(rèn)識(shí)傳熱過(guò)程，掌換熱設(shè)備運(yùn)行的規(guī)律，充分利用反應(yīng)熱、余熱、廢熱，對(duì)化工生產(chǎn)具有十分重要的意義。盡量強(qiáng)化傳熱過(guò)程 加熱冷卻 盡量削弱傳熱過(guò)程 低溫設(shè)備的絕熱 高溫設(shè)備的保溫一、在生產(chǎn)中，傳熱過(guò)程不外乎兩類：二、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱 或者稱：定態(tài)與非定態(tài)穩(wěn)定傳熱：傳熱系統(tǒng)的溫度可隨位置而變，但不隨時(shí)間而變。t =f (x. y. z)不穩(wěn)定傳熱：傳熱系統(tǒng)的溫度不僅隨位置而變、且隨時(shí)間而變。 t =f(x

2、.y. z.) 三、傳熱過(guò)程冷熱流體的三種接觸方式 間壁式混合式蓄熱式1.間壁式工業(yè)上應(yīng)用最多的一種傳熱方式間壁式換熱器列管式換熱器 換熱器傳熱的快慢用熱流量表征，即單位時(shí)間通過(guò)傳熱面的熱量，單位W或kW；換熱器的性能則用通過(guò)單位面積的熱流量q即熱流密度來(lái)評(píng)價(jià)，單位Wm-22.混合式傳熱同時(shí)伴隨傳質(zhì)過(guò)程，常用于氣體或水蒸汽的冷卻。3.蓄熱式一般只適用于氣體。冷流體四、傳熱基本方式1、傳導(dǎo)傳熱或稱熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱 依靠物體內(nèi)自由電子的運(yùn)動(dòng)或分子的震動(dòng)傳遞熱量，物體的質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生相對(duì)位移。如：固體、靜止的液體傳熱均為導(dǎo)熱。如：一根鐵棒一端放在火爐上燒，熱量會(huì)通過(guò)鐵棒傳遞到另一側(cè)，但無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。2

3、、對(duì)流傳熱或稱熱對(duì)流 由于流體之間的宏觀相對(duì)位移所產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，將熱量由空間中一處傳到另一處的現(xiàn)象稱為對(duì)流傳熱。 對(duì)流傳熱往往不是單一的傳熱，其中也包括分子之間的熱傳導(dǎo)。 工程上，對(duì)流傳熱通常是流體與固體壁面間的熱交換，所以又稱給熱。 流體的對(duì)流因其粒子產(chǎn)生的相對(duì)宏觀位移的原因不同分為： 自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流3、熱輻射 熱能以電磁波（輻射能）的形式向空間發(fā)射，物體吸收全部或部分電磁波，然后再轉(zhuǎn)變成熱能。物體的t0k時(shí)，都要發(fā)射電磁波，即有能量的輻射。 前兩種傳熱方式需要中間介質(zhì)，后一種則不需要，可在真空中傳遞。換熱器的分類：按用途分：加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器等按換熱器結(jié)構(gòu)和傳熱面

4、形式對(duì)間壁式換熱器分類：管式和 板式兩類。前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式 等，后者包括板式、螺旋板式、夾套式等五、常見的換熱器t1t2T1T2結(jié)構(gòu)：兩種直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)管組成同心套管，內(nèi)管可用U形管連接，而外管之間也由管子連接。（一）間壁式換熱器1、套管式換熱器 注意：適當(dāng)選擇兩個(gè)管徑，以使內(nèi)管與環(huán)隙間的流體呈湍流狀態(tài)，使具有較高的總傳熱系數(shù)，同時(shí)也減少垢層的形成。缺點(diǎn)：?jiǎn)挝粋鳠崦娴慕饘傧牧亢艽螅嫉剌^大，故一般適用于流量不大、所需傳熱面亦不大及高壓的場(chǎng)合。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耐高壓、制造方便、應(yīng)用靈便、傳熱面易于增減。蛇管式換熱器可分為沉浸式和噴淋式兩種。 沉浸式蛇管換熱器 蛇管多

5、以金屬管子彎繞而成，或制成適應(yīng)容器需要的形狀，沉浸在容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行換熱。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、便于防腐、且能承受高壓。缺點(diǎn)：管外液體的對(duì)流傳熱系數(shù)較小，從而總傳熱系數(shù)亦小， 如增設(shè)攪拌裝置，則可提高傳熱效果。 噴淋蛇管式換熱器 冷水由最上面管子的噴淋裝置中淋下，沿管表面下流，而被冷卻的流體自最下面管子流入，由最上面管子中流出，與外面的冷流體進(jìn)行熱交換，所以傳熱效果較沉浸式為好。與沉浸式相比，該換熱器便于檢修和清洗。其缺點(diǎn)是占地較大，水滴濺灑到周圍環(huán)境，且噴淋不易均勻。 2 蛇管式換熱器 螺旋管式換熱器結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板（又稱花板）、封頭（端蓋）等。 冷、熱流體兩種流

6、體在列管式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體通過(guò)管內(nèi)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。 換熱器內(nèi)通過(guò)管內(nèi)的流體每通過(guò)一次管束稱為一個(gè)管程；管程數(shù)多有利于提高管程流體的流速和對(duì)流傳熱系數(shù)，但能量損失增加，傳熱溫度差小，程數(shù)以2、4、6程多見。 管外流體每通過(guò)一次殼體成為一個(gè)殼程。在管外裝有折流板（或擋板）可以提高殼程流體的流速，以保持較高的傳熱系數(shù)，折流板形式常用的有弓形和盤環(huán)形兩種。折流板同時(shí)起中間支架作用。3 列管式換熱器單程列管式換熱器隔板擋板管束殼體 為防止殼體和管束受熱膨脹不同導(dǎo)致的設(shè)備變形、管子扭彎或松脫，常采用熱補(bǔ)償?shù)姆椒?，主要有以下幾種：浮頭補(bǔ)償：換熱器兩端管板之

7、一不固定在外殼上（此端稱為浮頭），當(dāng)管子受熱或受冷時(shí)，連同浮頭一起自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：容易制造、生產(chǎn)成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，尤其適于高壓流 體，維修清洗方便。缺點(diǎn)：結(jié)合面較多，易泄漏。補(bǔ)償圈補(bǔ)償：在外殼上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈。當(dāng)外殼和管子熱脹冷縮時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性形變，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹形管補(bǔ)償：將管子兩端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸縮，與其他管子和外殼無(wú)關(guān)。 板式換熱器是以板壁為換熱壁的換熱器，常見的有平板式、螺旋板式、旋轉(zhuǎn)刮板式以及夾套式換熱器。(1) 平板式換熱器板片被壓制成槽形或波紋形的目的：增強(qiáng)剛度，不致受壓變形；增強(qiáng)液體的湍動(dòng)程度，增大傳熱面積，亦利于流體的均勻分布。

8、 4 板式換熱器板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：總傳熱系數(shù)高，污垢熱阻亦較小；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；操作靈活性大，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積或以調(diào)節(jié)流道的辦法，適應(yīng)冷、熱流體流量和溫度變化的要求；加工制造容易、檢修清洗方便、熱損失小。 缺點(diǎn)：允許操作壓力較低，最高不超過(guò)1961kPa，否則容易滲漏；操作溫度不能太高，因受墊片耐熱性能的限制；處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過(guò)大。 (2) 螺旋板式換熱器 由兩張平行的薄鋼卷制而成，兩板之間焊有定距柱以保持兩板間距和增加螺旋板的剛度。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積提供的傳熱面積大，總傳熱系數(shù)較大，傳熱效率高，不易堵塞。缺點(diǎn)：

9、操作壓力和溫度不能太高，流體阻力大，不易檢修。 夾套要裝在容器外部，在夾套和器壁間形成密閉的空間，成為一種流體的通道。使用注意事項(xiàng)： 該換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。適于傳熱量不大的場(chǎng)合，為提高傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體作強(qiáng)制對(duì)流。當(dāng)用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管中排出。用于冷卻時(shí)，則冷卻水由下部進(jìn)入，由上部流出。由于夾套內(nèi)部清洗困難，故一般用不易產(chǎn)生垢層的水蒸汽、冷卻水等作為載熱體。 5 夾套式換熱器 混合式換熱器常用于蒸汽的冷凝或氣體的冷卻器，有時(shí)兼作除塵器以及增濕或減濕之用。1、噴射式冷凝器 用逐漸收縮的錐形噴嘴將水或其他液體冷卻劑噴射，致使產(chǎn)生一定的真空度，使得水蒸氣吸入，經(jīng)導(dǎo)向板進(jìn)入混和室，使其冷卻。適用于真空系統(tǒng)中水蒸氣的排除。2、填料式冷卻