化工原理-第五章-传热过程与传热设备

1、 t1 T1 T2 t 蓄热式蓄热式 间壁式间壁式 直接接触式直接接触式 T t 间间壁壁式式 热热流流体体 蓄蓄热热式式 t T 直 接 接 触直 接 接 触 冷冷 流流 体体 分类分类 5.1 换热器的分类与型式换热器的分类与型式 t1 T1 T2 t 夹套式夹套式 列管式列管式 套管式套管式 t1 T1 T2 t2 套管式套管式 T1 T2 夹套式夹套式 t1 T1 T2 t2 列管式列管式 间壁式换热器间壁式换热器 5.1 换热器的分类与型式换热器的分类与型式 t1 T1 T2 t t1 T1 T2 t2 单管程、单壳程单管程、单壳程 t1 T2 T1 t2 双管程列管式双管程列管式

2、t1 T2 T1 t2 双管程、双壳程双管程、双壳程 列管式换热器列管式换热器 5.1 换热器的分类与型式换热器的分类与型式 T Tw tw t T1 T2 t1 t2 三个串联传热环节：三个串联传热环节： 热流体侧的对流传热热流体侧的对流传热 间壁的导热间壁的导热 冷流体侧的对流传热冷流体侧的对流传热 t1 T1 T2 t 5.2间壁式换热器的传热过程分析间壁式换热器的传热过程分析 )( Wh TTAQ )(ttAQ WC m WW A b tT Q t1 T1 T2 t 5.3 传热过程的基本方程传热过程的基本方程 热量衡算方程热量衡算方程 传热速率方程传热速率方程 总传热系数和壁温的计算

3、总传热系数和壁温的计算 t1 T1 T2 t2 套套管管式式 mc, Cpc mh, Cph 换热器要解决的两大问题换热器要解决的两大问题： 已知换热任务：已知换热任务： 1）把热流体（冷流体）从温度）把热流体（冷流体）从温度T1（t1）降温）降温 （升温）到（升温）到T2(t2）。）。 2）把质量为）把质量为m的流体气化（或冷凝）的流体气化（或冷凝） 所需的冷流体（热流体）的量？所需的冷流体（热流体）的量？ 传热面积？传热面积？ t1 T1 T2 t T Tw tw t 12 21 ttcm TTcmQ pcc phh mrQ T1 T2 t1 t2 5.3.1 热量衡算方程热量衡算方程 T

4、 t T t T Tw tw t 蒸汽蒸汽 冷凝液冷凝液 t1 T1 T2 t dAK tt dAdA b dA tt dA tt dA b tt dA tt dQ x Ch CCmhh Ch CC CwC m wCwh hh whh 1 1111 总总热热阻阻 总总推推动动力力 5.3.2 总传热速率方程总传热速率方程 T Tw tw t T1 T2 t1 t2 thtc x，Ax dA 一、总传热速率方程一、总传热速率方程 = KA tm 1 出出 进进 tdAK x Q =KAtm K：总传热系数，：总传热系数，W/m2K tm：对数平均温差：对数平均温差 m tKAQ -称为总传热热阻

5、称为总传热热阻 KA 1 5.3.2 总传热速率方程总传热速率方程 t1 T1 T2 t iimOOOO AA b AAK 111 iimOOii AA b AAK 111 ii O m O OO A A A bA K 11 im i OO i i A bA A A K 11 外外表面为基准表面为基准 内内表面基准表面基准 总传热速率方程：总传热速率方程： 5.3.2 总传热速率方程总传热速率方程 t1 T1 T2 t 二、污垢热阻二、污垢热阻 Si im i O i SO OO i i R A bA A A R A A K 11 i O Si ii O m O SO OO A A R A A

6、 A bA R K 11 内侧污垢热阻内侧污垢热阻外侧污垢热阻外侧污垢热阻 对于厚度为对于厚度为b b的平壁的平壁 sis i RR b K 0 0 111 常用流体在传热表面形成的污垢热阻，大致范围如下：常用流体在传热表面形成的污垢热阻，大致范围如下： 流体流体 污垢热阻污垢热阻 m m2 2K KkWkW米米2 2小时小时/千卡千卡 水水 (u(u 1m/1m/ s s， t5t5 0)0) 蒸馏水蒸馏水0.090.090.00010.0001 海水海水0.090.090.00010.0001 清净的河水清净的河水0.210.210.000240.00024 未处理的凉水塔用水未处理的凉水

7、塔用水0.580.580.000680.00068 经处理的凉水塔用水经处理的凉水塔用水0.260.260.00030.0003 经处理的锅炉用水经处理的锅炉用水0.260.260.00030.0003 硬水、井水硬水、井水0.580.580.000680.00068 水蒸气水蒸气 优质、不含油优质、不含油0.0520.0520.000060.00006 劣质、不含油劣质、不含油0.090.090.00010.0001 往复机排出往复机排出0.1760.1760.000210.00021 液体液体 处理过的盐水处理过的盐水0.2640.2640.000310.00031 有机物有机物0.176

8、0.1760.000210.00021 燃料油燃料油1.061.060.00120.0012 焦油焦油1.761.760.00210.0021 气体气体 空气空气0.260.260.530.530.00030.00030.000620.00062 溶剂蒸气溶剂蒸气0.140.140.000160.00016 t1 T1 T2 t t1 T1 T2 t 传热面上有污垢存在时，热阻增大传热面上有污垢存在时，热阻增大: : 在相同传热面积时，传热速率下降。在相同传热面积时，传热速率下降。 在传热负荷相同时，所需传热面积增加。在传热负荷相同时，所需传热面积增加。 计算计算K K值时，污垢热阻一般可忽略

9、不计值时，污垢热阻一般可忽略不计 通常根据污垢层的厚度及其导热系数，估算污垢热阻。通常根据污垢层的厚度及其导热系数，估算污垢热阻。 关于污垢热阻关于污垢热阻 见附录十一见附录十一 t1 T1 T2 t T Tw tw t T1 T2 t1 t2 5.2.4 壁温的计算壁温的计算 热流体侧的壁温热流体侧的壁温 hh hwh A Q tt cc c m whwc A Q t A bQ tt 冷流体侧的壁温冷流体侧的壁温 t1 T1 T2 t 壁温的计算与讨论：壁温的计算与讨论： 1一般换热器金属壁的一般换热器金属壁的 大，即大，即b/（ Am）小，热阻小，）小，热阻小，tWh=tWC； 3如果两侧

10、有污垢，还应考虑污垢热阻的影响。如果两侧有污垢，还应考虑污垢热阻的影响。 CC CWC m WCWh hh Whh A tt A b tt A tt Q 11 hh CC CC hh CWC Whh A A A A tt tt 1 1 hWCh tt, 2 即：即：则：则：，若：若：、 CWcWhh tttt C C C CWC m WCWh h h h Whh A R tt A b tt A R tt Q 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( t1 T1 T2 t T t t 0 A tTt m T t t2 t1 0 A T1 T2 t t 0 A T1 并并流流 T2 t t2 t1 0 A

11、T1 t2 逆逆流流 T2 t t1 0 A 5.4 传热过程的平均温差传热过程的平均温差 tm的计算的计算 一恒温差传热一恒温差传热 二逆流、并流流动时的传热二逆流、并流流动时的传热 m tKAQ T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 A m tKA t t tt KAQ 1 2 12 ln 1 2 12 ln t t tt tm t1 T1 T2 t 5.4 传热过程的平均温差传热过程的平均温差 tm的计算的计算 逆流逆流和和并流并流流动时的对数平均温差流动时的对数平均温差 tm 逆流逆流和和并流并流流动时的传热速率流动时的传热速率 tdAKdQ dtcmdQ dTcmdQ p

12、cc phh pcc phh cmdQ dt cmdQ dT 1 1 B cmcmdQ tTd phhpcc 11 B td dQ tdAK B td Qt t dQBtd 0 2 1 T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 dA A BKA t t 1 2 ln 以逆流流动为例推导对数平均温差的计算以逆流流动为例推导对数平均温差的计算 B Q tt 12 t1 T1 T2 t 5.4 传热过程的平均温差传热过程的平均温差 tm的计算的计算 1 2 12 ln t t tt tm 错流错流 折流折流 逆逆,mm tt 三、错流、折流等其他流动方式时的传热三、错流、折流等其他流动方式时

13、的传热 其中：其中： t1 T1 T2 t2 列列管管式式 t1 T1 T2 t 5.4 传热过程的平均温差传热过程的平均温差 tm的计算的计算 错流、折流错流、折流等等其他流动方式其他流动方式的的 tm的计算的计算 冷冷流流体体的的温温升升 热热流流体体的的温温降降 1C2C 2h1h tt tt R 两两流流体体的的最最初初温温差差 冷冷流流体体的的温温升升 11 12 Ch CC tt tt P P258图图5-18 P258式式5-27 通常采用通常采用Underwood和和Bowan提出的图算法（也可采用理提出的图算法（也可采用理 论求解论求解 tm的计算式，但形式太复杂）。的计算式

14、，但形式太复杂）。 21 11 12 21 ( , )f P R tt P Tt TT R tt 冷冷流流体体温温升升 两两流流体体最最初初温温差差 热热流流体体温温降降 冷冷流流体体温温升升 1）先按逆流计算对数平均温差）先按逆流计算对数平均温差 tm逆 逆 2）求平均温差校正系数）求平均温差校正系数 3）求平均传热温差）求平均传热温差 mm tt 逆 t1 T1 T2 t 5.4 传热过程的平均温差传热过程的平均温差 tm的计算的计算 P258 图图5-18 流向的选择流向的选择对比对比 1在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，

15、 并流最小，其它流动型式的并流最小，其它流动型式的 tm介于两者之间。从提高传热推介于两者之间。从提高传热推 动力来言，逆流最佳。动力来言，逆流最佳。 1）采用逆流可以较小的传热面积）采用逆流可以较小的传热面积A完成相同的换热任务；完成相同的换热任务； 2）可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。）可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。 3）传热面上冷热流体间的温度差较为均匀。）传热面上冷热流体间的温度差较为均匀。 t1 T1 T2 t T1 并并流流 T2 t t2 t1 0 A T1 t2 逆逆流流 T2 t t1 0 A 2在某些方面并流也优于逆流。在某些方面并流也优于逆流。 如工艺上

16、要求加热某一热敏性物质时，要求加热温度不如工艺上要求加热某一热敏性物质时，要求加热温度不 高于某值（并流高于某值（并流t2maxT2）；或者易固化物质冷却时，）；或者易固化物质冷却时， 要求冷却温度不低于某值（并流要求冷却温度不低于某值（并流T2min0.9，绝不能使，绝不能使 100即可达到湍流即可达到湍流.但但 这不是绝对的，如流动阻力损失允许这不是绝对的，如流动阻力损失允许,将这类流体通入管内并采用多管程结构将这类流体通入管内并采用多管程结构, 亦可得到较高的表面传热系数亦可得到较高的表面传热系数. 3、 需要被冷却物料一般选壳程需要被冷却物料一般选壳程,便于散热便于散热. 4、 若两流

17、体温差较大若两流体温差较大,对于刚性结构的换热器对于刚性结构的换热器,宜将表面传热系数大的流体通宜将表面传热系数大的流体通 入壳程入壳程,以减小热应力以减小热应力. 5.8.2流体速度的选择流体速度的选择 t1 T1 T2 t 流速小：传热系数小，污垢在管子表面沉积的可能性大。流速小：传热系数小，污垢在管子表面沉积的可能性大。 流速大：流动阻力大，动力消耗大。流速大：流动阻力大，动力消耗大。 表表5-5 列管换热器内常用的流速范围列管换热器内常用的流速范围 流体种类流体种类一般液体一般液体易结垢液体易结垢液体气体气体 流速流速 （m/s） 管程管程0.531530 壳程壳程0.21.50.53

18、15 5.8.3流体两端温度的选择流体两端温度的选择 t1 T1 T2 t 流体出口温度：流体出口温度： 1 1、根据经济核算确定、根据经济核算确定 传热温差大，传热面积小，但流体用量大传热温差大，传热面积小，但流体用量大 2 2、含盐的溶液的出口温度要考虑温度对溶解度的影响。、含盐的溶液的出口温度要考虑温度对溶解度的影响。 水源丰富地区选用较小温差水源丰富地区选用较小温差 缺水地区选用较大温差缺水地区选用较大温差 t1 T1 T2 t 5.8.4管径、管子排列方式和壳体直径的确定管径、管子排列方式和壳体直径的确定 管子在管板上的排列方式管子在管板上的排列方式 等边三角形排列：比较紧凑等边三角

19、形排列：比较紧凑,管外流体湍动程度高管外流体湍动程度高,表面传热系表面传热系 数大。数大。 正方形排列：比较松散正方形排列：比较松散,传热效果也较差传热效果也较差,但管外清洗方便但管外清洗方便,对易对易 结垢流体更为适用。结垢流体更为适用。 正方形错列：可在一定程度上提高表面传热系数。正方形错列：可在一定程度上提高表面传热系数。 t1 T1 T2 t 5.8.4管径、管子排列方式和壳体直径的确定管径、管子排列方式和壳体直径的确定 换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大，对于洁换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大，对于洁 净的流体管径可取小些。净的流体管径可取小些。 对于不洁净或易

20、结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。 目前我国试行的系列标准规定：目前我国试行的系列标准规定： 一般流体：采用一般流体：采用252.5和和192两种规格两种规格 此外还有此外还有382.5,572.5的无缝钢管和的无缝钢管和252,382.5的的 耐酸不锈钢管。耐酸不锈钢管。 管径管径 管长管长 以合理使用管材和清洗方便为原则。以合理使用管材和清洗方便为原则。 t1 T1 T2 t 5.8.5管程和壳程数的确定管程和壳程数的确定 管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。 但是，

21、采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，平均温差但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，平均温差 下降，即输送流体的动力费用增加，需要的换热面积增加。下降，即输送流体的动力费用增加，需要的换热面积增加。 若若 0.8，可改用多壳程，通常是将多台换热器串联使用。，可改用多壳程，通常是将多台换热器串联使用。 各种复杂流动的各种复杂流动的 比纯逆流的为小比纯逆流的为小 t1 T1 T2 t 5.8.6折流板折流板 折流板：折流板： 增加传热系数增加传热系数 增加流动阻力增加流动阻力 t1 T1 T2 t 5.8.7换热器中传热与流动阻力的计算换热器中传热与流动阻力的计算 传热阻力：参考第四章和第五

22、章内容传热阻力：参考第四章和第五章内容 流动阻力：按壳程和管程两个方面计算流动阻力：按壳程和管程两个方面计算 t1 T1 T2 t 5.8.8换热器的选用和设计步骤换热器的选用和设计步骤 初选换热器的规格尺寸初选换热器的规格尺寸 初步选定换热器的初步选定换热器的流动方式流动方式(选定换热器形式（选定换热器形式（G，F，U）；）； 确定流程及管程数、壳程数确定流程及管程数、壳程数),保证温差修正系数大于保证温差修正系数大于0.8,否则应否则应 改变流动方式改变流动方式,重新计算重新计算. 计算热流量计算热流量Q及平均传热温差及平均传热温差tm.根据经验估计总传热系数根据经验估计总传热系数K 估估

23、,初估传热面积 初估传热面积A估 估. 根据根据A估 估的数值 的数值,确定列管换热管的型号及基本尺寸确定列管换热管的型号及基本尺寸. 校核管、壳程阻力是否满足需要校核管、壳程阻力是否满足需要 在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸 的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或 者先选定流速以确定管程数者先选定流速以确定管程数NP和折流板间距和折流板间距B，再计算压力降是，再计算压力降是 否合理。这时否合理。这时NP与与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可是可以

24、调整的参数，如仍不能满足要求，可 另选壳径再进行计算，直到合理为止另选壳径再进行计算，直到合理为止。 核算总传热系数核算总传热系数 分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传 热系数热系数K K计计，并与估算时所取用的传热系数，并与估算时所取用的传热系数K K估进行比较。如果估进行比较。如果 相差较多，应重新估算。相差较多，应重新估算。 计算传热面积并求裕度计算传热面积并求裕度 根据计算的根据计算的K K计值、热流量计值、热流量Q Q及平均温度差及平均温度差tmtm，由总传热速，由总传热速 率方程率方程计算传热面积计算传热面积A0A0，一般应使所选用或设计的，一般应使所选用或设计的实际传热面实际传热面 积积APAP大于大于A0 20%A0 20%左右为宜。即裕度为左右为宜。即裕度为20%20%左右，裕度的计算式左右，裕度的计算式 为：为： t1 T1 T2