(10)-A1+第四章+傳熱原理及應(yīng)用

第四章傳熱目錄第一節(jié)傳熱基本原理第二節(jié)間壁式換熱器設(shè)計原理第三節(jié)間壁式換熱器設(shè)計舉例第四節(jié)新型換熱設(shè)備簡介第一節(jié)傳熱基本原理本節(jié)主要內(nèi)容一、概述二、傳熱的基本方式三、傳熱速率與熱通量四、熱傳導(dǎo)一、概述傳熱（熱傳遞）是因存在溫差而發(fā)生的熱能轉(zhuǎn)移過程，是一個物理現(xiàn)象。熱傳遞現(xiàn)象無時無處不在，影響幾乎遍及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門，應(yīng)用廣泛。一、概述幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作，傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中占較大比例，有些可達40%。傳熱的目的：(1)加熱或冷卻，使物料達到指定的溫度；(2)換熱，回收利用熱量或冷量；(3)保溫或保冷，減少熱量或冷量的損失。其它設(shè)備60%傳熱設(shè)備40%二、傳熱的基本方式傳熱方式熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射指直接接觸的系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)各部分之間沒有宏觀的相對運動，僅僅依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而實現(xiàn)熱量傳遞的現(xiàn)象。流體各部分質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體中。物體因熱的原因而產(chǎn)生電磁波在空間傳遞的現(xiàn)象。三、傳熱速率與熱通量1、傳熱速率

單位時間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的熱量Q（W）；傳熱速率為傳熱推動力與傳熱阻力的比值。2、熱通量

單位時間、單位傳熱面積上傳遞的熱量q（W/m2）；四、熱傳導(dǎo)1、溫度場與等溫面在某一瞬間，溫度在空間各點的分布稱為溫度場。溫度相同的點所組成的面稱為等溫面。穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱過程t=f（x，y，z，θ）溫度不僅與空間位置還與時間有關(guān)，為非穩(wěn)態(tài)傳熱；t=f（x，y，z）溫度只與空間位置有關(guān)與時間無關(guān)，為穩(wěn)態(tài)傳熱。四、熱傳導(dǎo)2、溫度梯度兩等溫面的溫度差Δt與其間的垂直距離Δn之比在Δn趨于零時的極限，即3、傅立葉定律物體各點間存在溫度差時，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的熱流大小的定律。傳熱速率不僅與溫度梯度成正比，還與傳熱面積成正比，即（1）固體的熱導(dǎo)率

純金屬：t↑,λ↓;非金屬：ρ↑或t↑,λ↑。λ=λ0（1+αt）式中λ、λ0——固體分別在溫度t、273K時的熱導(dǎo)率，W/(m?K);

α——溫度系數(shù)，對大多金屬材料為負(fù)值，大多非金屬材料為正值，1/K。（2）液體的熱導(dǎo)率

液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率比一般的液體高。（3）氣體的熱導(dǎo)率

氣體的λ很小，對導(dǎo)熱不利，對保溫有利。物質(zhì)種類氣體液體非導(dǎo)固體金屬絕熱材料λ/[W/m·℃]0.006～0.60.07～0.70.2～3.015～420＜0.25常見物質(zhì)熱導(dǎo)率的范圍第二節(jié)間壁式換熱器設(shè)計原理本節(jié)主要內(nèi)容一.換熱器二.間壁式換熱器三.間壁式換熱器的設(shè)計一、換熱器的類型二、間壁式換熱器的種類三、間壁式換熱器的工藝計算

換熱器是過程工業(yè)及許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要的地位，換熱器的類型多種多樣，若按傳熱特征可分為以下三種：1、直接接觸式（混合式）

冷、熱流體在換熱器內(nèi)直接混合進行換熱。蒸汽噴射泵。一、換熱器2、蓄熱式換熱器

換熱器內(nèi)裝有填充物，冷流體和熱流體交替流過填充物，以填充物交替吸熱和放熱的方式進行熱交換。3、間壁式換熱器

在化工生產(chǎn)中遇到的多是冷熱流體不允許直接混合的場合，間壁式換熱器應(yīng)用廣泛。一、換熱器

二、間壁式換熱器

間壁式換熱器的特點是冷，熱兩流體被一層固體壁面（管或板）隔開，不相混合，通過間壁進行熱交換。如套管換熱器，徑向的溫差是傳熱的推動力，熱量首先由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內(nèi)側(cè)，然后以導(dǎo)熱的方式穿過間壁，最后由間壁外側(cè)以對流的方式傳遞至冷流體主體。

1、管式換熱器套管式換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、耐高壓，傳熱面積易改變，嚴(yán)格逆流缺點：接頭多，易泄漏，單位管長傳熱面積小。二、間壁式換熱器2、板式換熱器夾套式換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價

低，可襯耐腐蝕材料缺點：傳熱面受容器壁

面限制，傳熱系數(shù)小二、間壁式換熱器3、翅片式換熱器板翅片式換熱器優(yōu)點:總傳熱系數(shù)高，輕巧牢固，適應(yīng)性強缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗檢修困難二、間壁式換熱器4、熱管換熱器

是一種新型高效換熱裝置通過在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量。優(yōu)點：優(yōu)良的導(dǎo)熱性、等溫性，溫度可控，可遠距離傳熱；缺點:抗氧化、耐高溫性能差。二、間壁式換熱器三、間壁式換熱器的設(shè)計換熱器的工藝計算有以下兩類：(1)設(shè)計計算：根據(jù)換熱條件和要求，設(shè)計一臺新?lián)Q熱器，需要確定換熱器的類型、結(jié)構(gòu)及換熱面積。(2)校核計算：核算已有換熱器能否滿足換熱要求，需要計算流體的出口溫度、換熱量及流動阻力等。三、間壁式換熱器的設(shè)計1、設(shè)計計算：(a)根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質(zhì)、流量、溫度和壓力范圍等，選擇換熱器類型，計算換熱面兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)α1、α2

及總傳熱系數(shù)K；(b)計算熱負(fù)荷求出未知的進、出口溫度，并求出換熱量Q；三、間壁式換熱器的設(shè)計

三、間壁式換熱器的校核2、校核計算步驟：(a)先假設(shè)滿足要求，用一個流體的出口溫度基于熱平衡方程求出所需要的換熱量Q和另一個流體的出口溫度；(b)根據(jù)流體的進、出口溫度求平均溫差；

三、間壁式換熱器的校核

三、間壁式換熱器的設(shè)計例題1：在一鋼制套管換熱器中，用冷水將1kg/s的苯由65℃冷卻至15℃，冷卻水?25mm×2.5mm的內(nèi)管中逆流流動，其出口溫度為10℃和45℃。已知苯和水的對流傳傳熱系數(shù)分別為0.82×103W/（m2·K）和1.88×103W/（m2·K）。鋼材熱導(dǎo)率為45W/（m·K），兩側(cè)的污垢熱阻可忽略不計。試求：（1）冷卻水消耗量；（2）所需的總管長。三、間壁式換熱器的設(shè)計

三、間壁式換熱器的設(shè)計以管外面積為計算基準(zhǔn)，忽略污垢熱阻，則總傳熱系數(shù)

三、間壁式換熱器的設(shè)計由傳熱速率方程可得傳熱面積故所需總管長三、間壁式換熱器的設(shè)計例題2：現(xiàn)有一單程列管式換熱器，管子尺寸?25mm×2.5mm，管長為3.0m，共40根，擬用來將1.7×104kg/h的苯從30℃加熱到70℃，殼程（管外）為120℃飽和水蒸氣冷凝，水蒸氣冷凝的α=104W/(m2·K)?？紤]管內(nèi)苯側(cè)污垢熱阻Rdi=8.33×10-4m2·K/W，管外水蒸氣側(cè)污垢熱阻及熱損失均忽略不計，試求：（1）總傳熱系數(shù)為多少[W/(m2·K)]？并判斷該換熱器是否合用。（2）若使用上述換熱器，則實際的操作時苯的出口溫度是多少？（3）在操作過程中，可采取什么措施使苯的出口溫度達到原工藝要求？并就一種措施加以定量說明。三、間壁式換熱器的設(shè)計已知：管材的熱導(dǎo)率λ=45W/(m·K)，操作范圍內(nèi)苯的物性參數(shù)可視為不變：ρ=900kg/m3，μ=0.47×10-3Pa·s，cp=1.80kJ/（kg·℃），λ=0.14W/（m·℃）三、間壁式換熱器的設(shè)計解：（1）首先求管內(nèi)對流傳熱系數(shù)αi

應(yīng)用管內(nèi)強制湍流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，得：三、間壁式換熱器的設(shè)計再求總傳熱系數(shù)K所以

三、間壁式換熱器的設(shè)計對數(shù)傳熱溫差為傳熱速率為得：

三、間壁式換熱器的設(shè)計

三、間壁式換熱器的設(shè)計

蒸汽冷凝加熱無相變流體TTt1t2三、間壁式換熱器的設(shè)計（3）可以采用提高加熱蒸汽的壓力的措施使苯的出口溫度達到原工藝要求

第三節(jié)間壁式換熱器的設(shè)計（以管殼式換熱器為例）本節(jié)主要內(nèi)容一、管殼式換熱器概述1、管殼式換熱器簡介2、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)組成二、管殼式換熱器設(shè)計案例EDR設(shè)計管殼式換熱器舉例一、概述管殼式換熱器概述1、管殼式換熱器簡介管殼式換熱器，又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。一、概述管殼式換熱器概述殼體傳熱管束管板折流板殼體多為圓筒形，承載殼程流體，內(nèi)部裝有管束管束兩端固定在管板上，承載管程流體擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度固定管束2、管殼式換熱器組成

AspenExchangerDesign&Rating(AspenEDR)是美國AspenTech公司推出的一款傳熱計算工程軟件套件，包含在AspenONE產(chǎn)品中。

AspenEDR能夠為普通用戶和專家級用戶提供較優(yōu)的換熱器設(shè)計方案，AspenTech通過技術(shù)手段將工藝流程模擬軟件和綜合工具進行整合，提高了計算結(jié)果的可信度。AspenEDR簡介案例：用水做冷卻劑冷卻苯，利用AspenExchangerDesign&RatingV8.4軟件設(shè)計一臺管殼式換熱器，工藝條件如下表：工藝流體熱流體（Benzene）冷流體（Water）總質(zhì)量流率/（kg·s-1）15.119.2入口溫度/℃9232出口溫度/℃53入口壓力（絕壓）/kPa550450允許壓力降/kPa9060污垢熱阻/（m2·K·W-1）0.000170.00017初步設(shè)定1、流體空間的選擇根據(jù)流體空間選擇優(yōu)先順序，冷卻水走管程，熱流體苯走殼程。2、殼體和封頭由冷熱流體進口溫差小于110℃，污垢熱阻小于0.00035m2·K·W-1，換熱器冷熱流體均為較清潔流體，故選擇固定板式換熱器，前封頭采用B型，后封頭采用M型，殼體為E型。3、換熱管選用管外徑19mm，壁厚為2mm的光滑管，管子排列角度選擇30°，管間距為25mm。4、折流板選用單弓形折流板。EDR設(shè)計換熱器流程第四節(jié)新型換熱器簡介本節(jié)主要內(nèi)容一、換熱器傳熱強化途徑二、常用的換熱器三、新型換熱器舉例四、其他型式換熱器五、展望換熱器是化學(xué)工業(yè)中最重要的傳熱設(shè)備，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用十分廣泛。一、換熱設(shè)備的作用一、換熱設(shè)備的作用開發(fā)新型換熱器的目的是強化傳熱過程、提高傳熱效率、節(jié)能降耗從而提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。根據(jù)總傳熱速率方程可知：增大總傳熱系數(shù)K、傳熱面積A或?qū)?shù)傳熱平均溫差?tm，都能使總傳熱速率Q增加。因此，人們從這三個方面考慮，來研究新型換熱器。二、常用換熱設(shè)備1、列管（管殼式）式換熱器U型管補償——U型管式換熱器用于殼體與管子間溫差大的場合，但管內(nèi)清洗比較困難。

二、常用換熱設(shè)備浮頭補償——浮頭式換熱器一端管板用法蘭與殼體連接固定，另一端在殼體中自由伸縮，整個管束可以由殼體中拆卸出來。適用于殼體與管束間溫差大且需經(jīng)常進行管內(nèi)外清洗的場合。二、常用換熱設(shè)備2、板式換熱器板式換熱器是由一組波紋金屬板組成，板上有孔，供傳熱的兩種流體通過。金屬板片安裝在一個側(cè)面有固定板和活動壓緊板的框架內(nèi)，并用夾緊螺栓夾緊。1、螺旋板換熱器螺旋板換熱器，是由兩張平行的金屬板卷制成兩個螺旋形通道，冷熱流體之間通過螺旋板壁進行換熱的換熱器。三、新型換熱設(shè)備2、螺旋折流板換熱器

三、新型換熱設(shè)備螺旋折流板換熱器與普通管殼式換熱器不同的是殼程的折流板是以螺旋狀排列的，每塊折流板占換熱器殼層中橫剖面的四分之一，傾角朝向換熱器的軸線。優(yōu)點：折流通道為螺旋式，不會出現(xiàn)流動“死區(qū)”，提高了流體的徑向湍流程度，有利于沖刷殼程內(nèi)的顆粒物及沉淀物，防止污垢沉積。缺點：其螺旋折流板和定距管的加工較困難，需要專用的加工工具，價格略高。三、新型換熱設(shè)備3、空心環(huán)管殼式換熱器以粗糙型強化傳熱管取代傳統(tǒng)普通光滑傳熱管，以空心環(huán)管