传热原理及换热器设计教材[文字可编辑]

1、返回,1,基本介绍,传热在化工生产中占据重要的位置,设备投,资就占全部设备投资的,30%-40,热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温,差存在的地方，热量总是自发地由高温向,低温传递,传热,即是我,们,平常所,说,的,热传递,由于,温,度,差而造成能量由高,温区,向低,温区,的,转,移,传热,是化工生,产,中使用的非常普遍的,单,元操,作。加,热,和冷却都,属,于,传热,传热基本理论,概念,传热,从化工角度讲，是传热过程，即由,于存在温度差而发生热传递的化工过程,热现象,物质运动的一种表现,物体内部大,量分子做无规则运动的宏观表现,物体的内能,物体内部所有分子做无规则,运动的动能和分子势能的总和

2、。内能是,不同于机械能的一种能量,可以与机械能,电能等其他形式能量相互转化,温度越高,内能越大,人们通常把,内能称为,热能,温度,表示物体冷热程度的物理量,热量,在热传递过程中,高温物体放热,温,度降低,内能减少,低温物体吸热,温度升,高,内能增加,这部分增加或者减少的内能,就是热量,热量指的是热传递过程中传递,能量的多少,热量是与过程有联系的量,有,传热过程才有热量,比热容,单位质量的某种物质温度升高或,降低,1K,时所吸收或者放出的热量,叫做这,种物质的,比容热,用符号,C,p,表示,如水的比热容为,4.18kJ/Kg.K,则表示,1,千,克的水当其温度升高,1K,时,需要吸收的热,量是,

3、4.18,千焦耳,热量的基本计算公式（无相变,Q=C,p,m,T,高,T,低,Q,不发生相变时，物体吸收或者放出,的热量,单位,kJ,C,p,物体的比热容，单位,kJ/Kg.K,m,物体的质量，单位,kg,T,高,T,低,热传递过程先后物体的温,度差单位,K,返回,8,热量的基本计算公式（有相变,Q=m,H,Q,发生相变时，介质吸收或者,放出的热量,单位,kJ,H,相变介质的潜热，也叫做,焓差，单位,kJ/Kg.K,m,物体的质量，单位,kg,显热,物质在没有发生相变的情况下温度,变化时所吸收或放出的热量,例如,将一壶,冷水加热,随着时间的推移,水吸收热量,温度升高,在水没有烧开之前,水的相态

4、没,有变,它所吸收的热量称为,显热,潜热,在温度压力不变时物质相变所吸收,或放出的热量,例如,1,个大气压下，当,373K(100,时水达到沸腾,虽继续加热,水温仍保持不变,这时,所提供的热量都被,用于水变成蒸汽的相变,此时水吸收的热,量就是潜热,潜热的具体表现形式有汽化,潜热或冷凝潜热,热流体与冷流体,参与传热的流体称为载热体,温度较高在传,热过程中失去热量的流体,称为,热流体,温度,较低并在过程中得到热量的流体称为,冷流,体,传热过程通常是在两种流体间进行的,返回,12,计算,某厂房面积,35000m,2,需要供暖,按照相关,规范，厂房供暖标准为,60W/m,2,一次网供,水温度,130,

5、回水,70,二次网回,水温度,55,出水温度,65,水的比,热均按照,4.18kJ/kg,试计算,供暖热负荷多少千瓦,所需一次侧水量、二次侧水量多少吨,小时,传热的三种基本方式,一,热传导,热量从物体内温度较高的部分传递,到温度较低的部分，或传递到与之接,触的另一物体的过程称为热传导，又,称导热,特点,没有物质的宏观位移,T,1,T,2,物质的导热性能和导热系数,把刚开的水倒进铝饭盒,因其烫手而不能,直接去端,如果是把开水倒进瓷碗,因其不,烫手而可以直接端,这种现象说明铝比瓷,的导热性能好,导热性能强的物质叫,热的良导体,导热性,能弱的物质叫,热的不良导体,物质导热性,能的好坏用,导热系数,表

6、示,导热系数越大,表明物质的导热能力越强,每一种物质都有其对应的导热系数,固体,的导热系数虽温度的,升高而升高,一般金属的导热系数最大,固体非金属次之,液,体较小,气体的导热系数最小,化工厂在选用设备材料时,就要参考各物质的导,热系数,在需要传热的地方,如锅炉的水管,换热,器的换热管,用传热系数大的材料,而需要阻止,传热的场合如设备管路的保温层,则用导热系数,小的材料,返回,16,常见物质的导热系数,金属铜,384,W,C m,金属钛,9,W,C m,不锈钢,4,W,C m,水,0.58,W,C m,木材,0.116,W,C m,无机盐,0.10.3,W,C m,二,对流传热,流体内部质点发生

7、相对位移的热量传递过程,用水壶烧水，虽然炉火只加热壶的底部，但是,最后全壶水都被烧开，这是因为靠近壶底的水,先得到热量，温度升高，受热膨胀，密度减小,就向上流动，而壶上部水温较低，密度较大,自动下降，由于水的上下循环流动，将热量从,流体的一部分传到另一部,分，这种现象就,对流传热,对流传热分为,自然对流和强制对流,自然对流,是由于流体各处温度不同引起密度差,别而引起的对流，像前面讲的水壶烧水的过程,以及大气因下层受热而产生的上下循环流动都,是自然对流,强制对流,是由于受到外力的作用而产生的对流,像用泵把流体送到换热器，用搅拌使反应釜内,液体产生的对流,工业上由于强制对流能够取得好的传热效果,因

8、此多采用强制对流,对流传热在生产中应用相当广泛，例如,气流干燥器，喷雾干燥器，厢式干燥器,都是以对流为主的干燥器，锅炉水暖系,统主要利用对流原理将热量从锅炉传递,到散热器，换热器则充分运用对流原理,实现热交换,返回,20,层流流动与湍流流动,流体在流道内的流动分为层流流,动、过渡流动和湍流流动三种状,态,自然对流通常是层流流动或过渡,流动，强制对流通常是湍流流动,湍流流动是最强烈的流动方式,最有利于传热，因此任何换热器,的设计都希望流体在其中是充分,发展的湍流流动,板式换热器由交错波纹板片构成,的复杂流道，使得流体在较小的,流速下既可以进入湍流状态，因,此可以强化传热，得到更高的传,热效率,层

9、流流动,湍流流动,三、热辐射,借助电磁波以发射和吸收辐射,线的形式进行的热传递，称为,辐射传热或热辐射,特点,1,能量转移、能量形式的,转化,2,电磁波是热量传递的媒,介,3,辐射传热不是单方面的,能量传递，而是物体间电磁波,的相互交换的结果,工业上常用的热交换方式,直接混合式,蓄热式,间壁式,直接接触式是把冷，热流体直接接触,在混合过程中传热，像凉水塔，喷洒式,冷却塔，混合式冷凝器,结构简单，传热效果好，但是只适用于,两股流体可以直接接触的场合，适用范,围小,二、蓄热式,优点,结构较简单,耐高温,缺点,设备体积大,有一定程度的混合,低温流体,高温流体,间壁式换热,冷热两种流体被固体壁面隔开，

10、传热时,热量从高温流体传给壁面，壁面再传给,冷流体,这种方法适用于冷，热两种流体不允许,直接接触的场合，在绝大多数情况下,冷热两种流体都不允许直接接触，因此,间壁式换热是应用最广泛的换热方法,热侧流体,冷侧流体,间壁式,传热面为内管壁的表面积,套管换热器,冷流体,t,1,t,2,热流体,T,1,T,2,列管换热器,传热面为壳内所有管束壁的表面积,热流体,T,1,T,2,冷流体,t,1,t,2,返回,28,板式换热器,传热面为一组金属薄板,板式换热器与管壳式换热器的比较,板式换热器传热系数更高，占地更小,板式换热器耗用金属材料更少，特别是采用昂贵的合金或者贵金属时，板,式换热器更经济,板式换热器

11、可以实现温度交叉,板式换热器可以达到,1,度传热对数温差,根据需要板式换热器可以通过增减板片调整换热面积,板式换热器可以拆卸机械清洗全部换热表面,间壁式换热器的种类,列管式,最典型的换热器，主要有管束和壳体构成,它具有坚固，处理量大，适应性强等优点，管子的表,面积之和就是它的传热面积,套管式,由直径大小不同的直管焊成的同心圆套组,成，内管的表面积可视为其传热面积,蛇管式,主要部件是盘成螺旋型或者其他形状的直,管，它又分为沉浸式和喷淋式,夹套式,容器的外部装有夹套，加热剂和冷却剂在,器壁与夹套间流动，容器内壁就是它的传热面积,板式,由一组金属薄板和外部夹紧板、拉紧螺栓,橡胶密封垫组成，传热效率高

12、，单位体积换热面积大,节省材料等优点，特别适合小对数温差换热工况以及,需要昂贵的特殊合金及金属场合,热负荷,Q,工艺上要求换热器具有的换热能力，同,种流体需要升温或温降时，吸收或放出的热量,单位,J/s,或,W,传热速率,Q,换热器本身具有的换热能力，单位时,间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位,J/s,或,W,2,间壁式换热器的传热过程,一、基本概念,冷流体,壁右侧,壁右侧,壁左侧,壁左侧,热流体,对流,热传导,对流,3,2,1,3,2,1,Q,Q,Q,2,冷热流体通过间壁的传热过程,t,2,t,1,T,1,T,2,对流,对流,导热,冷,流,体,Q,热,流,体,3,传热过程的基本计算,

13、传热过程的热量衡算,输入的能量,输出的能量,能量损失,Q,进,Q,出,Q,损,Q,热,Q,冷,Q,损,在工程传热过程设计计算中，板式换热器,的热量损失非常小，通常忽略不计,式中,K,总传热系数,W/(m,2,或,W/(m,2,K,Q,传热速率,W,或,J/s,A,总传热面积,m,2,t,m,两流体的平均温差，或,K,总热阻,总传热推动力,KA,t,t,KA,Q,1,m,m,传热速率：换热器在单位时间内所交换的热量,是设备特性，反映的是换热器本身具有的换热能力,总传热速率方程如下,强化传热的途径,从传热速率方程式可以看出，提高传热系数,传热面积，传热平均温差中的任何一项都可以,提高传热速率,1,

14、增大传热面积,2,增大传热平均温差，在条件允许的情,况下，尽量的提高热流体的温度，降低冷流体,的温度，当冷热流体的进出口温度一定时，采,用逆流操作可以获得较大的平均温度差,3,增大传热系数,K,提高两流体的给热系,数，加大湍动程度，增加管程或壳程数，加装,折流挡板，增加搅拌，改变流体流向，防止结,垢并及时的清除污垢层,削弱传热,只要设备与环境存在温度差，就会有热,损失，温差越大，热损失越大，因此必,须设法降低设备与环境之间的传热速率,即削弱传热，具体方法是在设备或者管,道的表面敷以导热系数小的材料，以增,加传热热阻，达到降低传热速率，削弱,传热的目的,应用：设备保温,并流与逆流传热,并流传热：

15、在换热过程中,两种流体在换热器壁两面,平行同向流动，在冷热侧,温度差推动下，将热量从,热侧传递到冷侧,逆流传热：在换热过程中,两种流体在换热器壁两面,平行逆向流动，在冷热侧,温度差推动下，将热量从,热侧传递到冷侧,Length,T,e,m,p,e,r,a,t,u,r,e,H out,C out,H in,C in,Length,T,e,m,p,e,r,a,t,u,r,e,H out,C out,H in,C in,传热平均温差的计算,对数平均温差,变温传热：在换热过程中,冷热两流体或其中一种流,体沿壁面任何位置的温度,在不断的变化,根据流体在换热器内的流,动方向不同，变温传热平,均温差的计算方

16、法不同,返回,39,假设一台单流程逆流换热板式换热器,热侧进口温度,T,1,出口温度,T,2,冷侧进口温,度,t,1,出口温度,t,2,传热平均温差（即对数平均温差）的计,算公式,ln,ln,1,2,2,1,1,2,2,1,C,H,C,H,t,T,t,T,t,T,t,T,t,t,t,t,LMTD,注意：当,T,1,t,2,T,2,t,1,时,LMTD= T,1,t,2,T,2,t,1,返回,40,计算,某换热站板式换热器，一次侧进水温度,130,C,出水温度,70,C,二次侧进水温度,55,C,出水温度,65,C,该换热器的传热对数温差是多少,某大楼中央空调板式换热器，冷侧进水温度,7,C,出

17、水温度,12,C,热侧进水温度,13,C,出水温度,8,C,该换热器的传热对数温差是多少,传热系数,传热系数的影响因素,冷、热测流体湍动程度,传热膜系数,流体物性,粘度、导热系数、比热容,换热表面热阻,污垢系数,金属壁热阻,金属导热系数,金属壁厚度,返回,42,换热器传热系数计算公式,C,H,c,H,f,f,R,R,K,1,1,1,符号说明,K,总传热系数,H,热侧传热膜系数,C,热侧传热膜系数,金属壁厚度,金属导热系数,R,f,H,热侧壁面污垢系数,R,f,C,冷侧壁面污垢系数,返回,43,管内流动与边界层,边界层厚度，取决于流体湍动程度；流体湍动程度与,流道形式、流体流速密切相关。流速越高

18、，流道越不,平整，流体湍动程度越高，边界层越薄,与此同时，流体湍动程度越高，经过一定长度,宽度流,道的阻力降越大,返回,44,传热膜系数,流体对流传热的关键因,素，在于边界层厚度,边界层越厚，传热越困,难,传热膜系数降低,返回,45,污垢系数,换热表面的污垢，包括无机盐沉积、有机物集聚等,由于无机盐、有机物的导热性能远小于金属，导致很,薄的污垢层会产生很大的传热阻力，衡量污垢层传热,阻力的方法之一是污垢系数,由于污垢的形成、累积与多种因素有关，很难准确量,化理论计算，通常以经验系数方式提出，常见的污垢,系数数值是依据光滑管列管式换热器数据,在同样流道内平均流速下板式换热器湍动程度远高于,列管式

19、换热器，通常用的污垢系数经验值不适用于板,式换热器,板式换热器通常在设计中以一定的设计余量来涵盖污,垢系数影响，保证用户安全使用,返回,46,污垢系数对传热系数的影响,某水,水换热工况，冷、热侧传热膜系数,均为,9000W/m,2,K,金属壁热阻不考虑,用户考虑长期使用可能的污垢影响，要,求换热器有足够的设计余量,计算方法一，采用列管式换热器污垢系数,0.0004m,2,K/W,计算方法二，采用板式换热器设计余量,20,返回,47,污垢系数对传热系数的影响,无污垢换热器传热系数,K=4500W/m,2,K,方法一结果,实际传热系数,K=1607.14,方法二结果,实际传热系数,K=3750,等

20、效污垢系数,Rf=0.000044,无污垢,管壳式,板式,备注,1,9000,9000,9000,2,9000,9000,9000,Rf,0.0004,0.000044,等效值,K,4500,1607.14,3750,返回,48,传热系数与阻力降,流体在换热器流道内流动，必然产生沿程阻力,损失,有效阻力降,流体在进入,流出换热器时，因为流动方向转变,流道截面积变化等原因，也会产生阻力降,无效,阻力降,通常流体流动阻力降与流速的平方成正比,对流传热换热器的传热膜系数，通常与流体流,速的,0.60.8,次方成正比,返回,49,优化设计选型板式换热器,随着换热器内,流速的增加,传热膜系数开,始增加很

21、快,之后增加速度,减慢,流动阻力降开,始增加较慢,随后增加速度,越来越快,返回,50,优化设计选型板式换热器,换热器的优化设,计是在流动阻力,和传热系数之间,权衡,每个型号的板式,换热器都有其最,佳工作区域,通常这个区域是,在换热器压力降,0.050.1MPa,之,间,返回,51,满足用户工艺条件,满足传热要求,怎样优化设计选型板式换热器,和用户协商讨论优化工艺条件,在可能情况下，让用户工艺条件尽可能在我们的产品最佳,工作区域,设计基本原则,满足许可压力降要求,满足设计压力、设计温度要求,满足耐腐蚀、可靠运行要求,合理确定设计余量,在可用的产品中选择性价比最高的型号,其他用户要求,返回,52,

22、怎样优化设计选型板式换热器,深入优化,了解用户工艺，协助用户确定真实可靠工艺条件,根据实际工艺条件设计选型,多台并联换热器之间的压力降匹配问题,应对用户不合理的技术要求,过高的设计压力、设计温度要求,不恰当的指定材料、结构形式,夸大的污垢系数及热负荷,理论数据与实际运行数据的差异,供暖：一次水温,130,C,实际运行中，往往在,110,C,左,右，必须有适当的设计余量甚至单独校核计算，以保证运,行要求,返回,53,怎样优化设计选型板式换热器,在许可条件下，适当调整用户工艺条件,热侧温度过高，超过板片,垫片承受范围,工艺条件许可情况下，降低热侧流体温度,蒸汽减温器,增加中间换热器，将热介质温度降到板片,垫片可承受范围,高温蒸汽加热硫酸铜电解液,0.6MPa,蒸汽（饱和温度,159,C,9,含,10,游离硫酸的硫酸铜电解液从,30,C,加热到,60,C,换热器壁温达到,125,C,以上，没有,一种金属材料可以承受。增加一台中间换热器,316,板片,EPDM,垫片，高温蒸汽将软化水加热到,100,C,100,C,热水加