化工——第三章1ppt课件

1、第三章第三章 传热过程及换热器传热过程及换热器漳州师范学院化学与环境科学系4.2 4.2 传导传热导热）传导传热导热）4.3 4.3 对流传热给热）对流传热给热）4.4 4.4 间壁式热交换的计算间壁式热交换的计算4.5 4.5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化4.1 4.1 概述概述本章内容本章内容一、概述 传热过程传热过程系统内由于温度的差异使热量从高温向系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程为热量传递过程，简称传热过程。低温转移的过程为热量传递过程，简称传热过程。 传热在化工中的重要性：传热在化工中的重要性： 化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行

2、；化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行； 在其他单元操作中物料都有一定的温度要求，需要加在其他单元操作中物料都有一定的温度要求，需要加入或输出热量。入或输出热量。 非常温下操作的设备和管道需保温，以便减少对外界非常温下操作的设备和管道需保温，以便减少对外界的传热。的传热。 能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的合理能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。利用和废热的回收越来越得到人们的重视。 化工对传热过程有两方面的要求：化工对传热过程有两方面的要求： （1强化传热过程：在传热设备中加热或冷强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以

3、高传热速率来进行热量传递，却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用。设备紧凑，节省设备费用。 （2削弱传热过程：如对高低温设备或管道削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。进行保温，以减少热损失。 工业上的换热方式工业上的换热方式 为了调节和控制物料的温度，以满足工艺要求，常需为了调节和控制物料的温度，以满足工艺要求，常需要对物料进行加热或冷却。需要加热的物料，常用一要对物料进行加热或冷却。需要加热的物料，常用一种热流体来供给热量；需要冷却的物料，又常用一种种热流体来供给热量

4、；需要冷却的物料，又常用一种冷流体来吸收它的热量。这种用来对物料供热或吸热冷流体来吸收它的热量。这种用来对物料供热或吸热的流体统称为载热体载冷体），物料和载热体之间的流体统称为载热体载冷体），物料和载热体之间的传热过程称为热交换换热）。的传热过程称为热交换换热）。 工业上的传热过程中，冷、热流体的换热方式有三种：工业上的传热过程中，冷、热流体的换热方式有三种：直接接触式、蓄热式、间壁式。直接接触式、蓄热式、间壁式。 t T 直接接触式T t 间壁式 热流体 蓄热式二、传热的三种基本方式 热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。热三种。

5、传导传热热传导，导热）：热量从物体内温度较高传导传热热传导，导热）：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的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的 温度较低的另一物体的过程。温度较低的另一物体的过程。 特点：发生在相互接触的物质之间和物质内部，传热特点：发生在相互接触的物质之间和物质内部，传热靠微观粒子的运动而完成，无物质的宏观运动。靠微观粒子的运动而完成，无物质的宏观运动。对流传热热对流，给热）：流体中粒子发生相对宏对流传热热对流，给热）：流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。特点：发生在

6、流体内部，且流体有宏观位移。特点：发生在流体内部，且流体有宏观位移。因流体内部各处温度不同造成密度差因流体内部各处温度不同造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；对流；另一是由于外界机械能量的介入迫使另一是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。其粒子宏观位移，称为强制对流。 电热炉烧水辐射传热热辐射）：由于温差而引起的电磁波传递辐射传热热辐射）：由于温差而引起的电磁波传递热量的过程。热量的过程。特点：不需要任何介质作媒介，可在真空中传播。特点：不需要任何介质作媒介，可在真空中传播。 热辐射的电磁波波长主要位于热辐射的电磁波波长主要位于0

7、.380.38100m 100m 波段内，波段内，属于可见光线和红外范围。任何物体只要在绝对零度属于可见光线和红外范围。任何物体只要在绝对零度以上都会发射电磁波形式的热射线。当物体的温度高以上都会发射电磁波形式的热射线。当物体的温度高于于400400才有明显的热辐射。才有明显的热辐射。在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存。三种共存。 按用途分：按用途分： 可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。沸器等。 按冷、热流体热量交换的原理和方式：按冷、热流体热量交换的原理和方式： 可分为混合

8、式、蓄热式、间壁式。可分为混合式、蓄热式、间壁式。 按结构分：按结构分： 夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、翅夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、翅片式、板翅式、热管式等片式、板翅式、热管式等 三、常见换热器三、常见换热器间壁式换热器间壁式换热器间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：括三个步骤：壁面另一侧将热量传给冷流体给热）。壁面另一侧将热量传给冷流体给热）。热量通过固体壁面的热传导热量通过固体壁面的热传导 （导热）；（导热）；热流体将热量传到壁面一侧热流体将热量传到壁面一侧 （给热）；（给热）；夹套式换热器 构造：夹套

9、装在容器外部，在夹构造：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。成为一种流体的通道。 优点：结构简单，加工方便。优点：结构简单，加工方便。 缺陷：传热面积缺陷：传热面积A A小，传热效率小，传热效率低。低。 用途：广泛用于反应器的加热和用途：广泛用于反应器的加热和冷却。冷却。 为了提高传热效果，可在釜内加为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。搅拌器或蛇管和外循环。蛇管式换热器（1 1沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器构造：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容构造：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内

10、，冷热流体在器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。管内外进行换热。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺陷：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小。缺陷：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小。为了强化传热，容器内加搅拌。为了强化传热，容器内加搅拌。 优点：结构简单、造价便优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。清洗，传热效果好。 缺陷：冷却水喷淋不易均缺陷：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能匀而影响传热效果，只能安装在室外。安装在室外。 用途：用于冷却或冷凝管用途：用于冷却或冷凝管内液体。内

11、液体。 构造：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管构造：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。冷却水可收集再进行重新分配。喷淋式换热器喷淋式换热器套管式换热器优点：结构简单，加工方便，优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方最大，可增减管

12、段数量应用方便。便。缺陷：结构不紧凑，金属消耗缺陷：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较量大，接头多而易漏，占地较大。大。用途：广泛用于超高压生产过用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。热面积不多的场合。 构造：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将构造：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。以逆流或并流。列管式换热器(管式换热器) 主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。主要由壳体、管束、管板、折

13、流挡板和封头等组成。 在管内流动的流体，其行程称为管程；在管外流动的流体，在管内流动的流体，其行程称为管程；在管外流动的流体，其行程称为壳程。其行程称为壳程。 管束的壁面即为传热面。管束的壁面即为传热面。 优点：单位体积设备所能提供的优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。可通过设置折流挡板来遍采用。可通过设置折流挡板来提高壳程流体流速，使湍动程度提高壳程流体流速，使湍动程度大为增加。大为增加。 因冷热流体温度不同，壳体和管束受热不

14、同，其膨胀程度因冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，因此，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的也不同，因此，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取温差补偿措施。影响，采取温差补偿措施。 根据温差补偿措施，列管式换热器可分为：根据温差补偿措施，列管式换热器可分为：固定管板式：结构简单，成本固定管板式：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。和腐蚀的介质。浮头式：结构较为复杂，成本浮头式：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。较

15、多的一种结构形式。 U U型管式：结构较简单，管程不型管式：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。于高压气体的换热。板式换热器板式换热器 板式换热器特点：制作简便，结构紧凑，能节约板式换热器特点：制作简便，结构紧凑，能节约金属材料；缺点是操作压力和温度都不能太高。金属材料；缺点是操作压力和温度都不能太高。 可分为平板式换热器和螺旋板式换热器。可分为平板式换热器和螺旋板式换热器。平板式换热器平板式换热器优点：传热效率高，总传优点：传热效率高，总传热系数大，结构紧凑，操热系数大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。作灵活，安装检修方便。缺陷：耐温、耐

16、压性较差缺陷：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。，易渗漏，处理量小。 优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，A/VA/V大，成本较低。大，成本较低。缺陷：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流缺陷：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。体阻力较大。 螺旋板式换热器螺旋板式换热器翅片管换热器翅片管换热器 因气体或高粘度液体侧因气体或高粘度液体侧的对流传热系数很小，的对流传热系数很小，为强化传热，须减小该为强化传热，须减小该侧热阻，因而可在换热侧热阻，因而可在换热管对流传热系数小的一管对流传热系数小的一侧加上翅片。侧加

17、上翅片。 特点：管外安装翅片，特点：管外安装翅片，增加传热面积，增强管增加传热面积，增强管外流体的湍流程度从而外流体的湍流程度从而提高传热系数。提高传热系数。板翅式换热器板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果好，结构更为紧凑的板式换板翅式换热器是一种传热效果好，结构更为紧凑的板式换热器。它是由多个单元体组成的，所谓的单元体是在两块热器。它是由多个单元体组成的，所谓的单元体是在两块平行的金属薄板之间夹入波纹状或其他形状的翅片，两边平行的金属薄板之间夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封的结构。以侧条密封的结构。 优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。优点：结构高度紧凑，传热效

18、率高，允许较高的操作压力。 缺陷：制造工艺复杂，检修清洗困难。缺陷：制造工艺复杂，检修清洗困难。 逆流 错流 热管换热器热管换热器 热管是一种新型传热元件，它是热管是一种新型传热元件，它是在一根装有毛细吸芯金属管内充在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体，然后封以定量的某种工作液体，然后封闭并抽除不凝性气体。当加热段闭并抽除不凝性气体。当加热段受热时，工作液体遇热沸腾，产受热时，工作液体遇热沸腾，产生的蒸汽流至冷却段放出潜热。生的蒸汽流至冷却段放出潜热。冷凝液沿毛细结构的吸液芯在毛冷凝液沿毛细结构的吸液芯在毛细管渗透力作用下回流至加热段细管渗透力作用下回流至加热段再次沸腾。再次沸腾。 特点：有相变对流传热系数大，特点：有相变对流传热系数大，结构简单，壁温均匀。结构简单，壁温均匀。传热的一些基本概念传热的一些基本概念 温度场温度场物体内各点温度的分布情况物体内各点温度的分布情况 物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数 t = f (x , y , z , ) 温度温度空间坐标空间坐标时间时间等温面等温面在某个时刻相同温度的各点所组成的平在某个时刻相同温度的各点所组成的平面。面