传热原理及传热设备

化工基础知识培训传热原理及传热设备培训目标概述热传导

对流传热传热基本方程式和传热过程计算换热器目录培训目标1、理解传热过程的基本概念，熟知传热的基本方式。2、掌握热传导的规律，理解热导率的意义。3、掌握对流传热的规律，了解对流传热膜系数的因素。4、掌握传热基本方程。5、掌握传热操作的基本原理,知道工业上常用的换热器。培训目标6、会根据要求选择流体的流动方向，熟知强化传热效果的途径及措施。7、掌握间壁式换热器的结构和特点，了解其它常用换热器的结构特点，会选用换热剂。8、了解常用换热器的操作要点和常见事故的处理措施。5.1概述5.1.1传热在化工生产中的应用传热是重要的单元操作过程之一，传热的目的主要有以下几方面：（1）加热、冷却或冷凝。使物料达到指定的温度（2）换热，以回收利用热量或冷量。（3）保温，以减少热量或冷量的损失。5.1概述化工生产中遇到的传热问题通常有以下两类：一类是要求强化传热，提高某一换热设备的传热速率，减少设备的尺寸，降低设备费用；另一类是削弱传热，以减少热损失，如高温设备、低温设备及管道的保温隔热等，要求传热速率越低越好。5.1概述5.1.2传热的基本方式传热的基本方式有三种：热传导、对流和辐射。（1）热传导（简称导热）是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分传递，或从一个高温物体向与其直接接触的低温物体传递的过程。在热传导过程当中，没有物质的宏观位移。固体、静止的流体或气体的传热属于导热，在层流流体中，传热方向与流向垂直时也是热传导。5.1概述（2）对流传热（简称对流）是指在流体中各部分质点发生相对位移而引起的热量传递。对流传热过程中往往伴有热传导。化工生产中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用所引起的，称为强制对流；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流。强制对流传热效果好。5.1概述（3）辐射传热（热辐射）是指因热的原因而产生电磁波进行传递能量的过程。物体将热能以电磁波的形式向外界辐射，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。辐射传热不需要介质，物体温度越高，热辐射传递的热量越多。事实上传热过程往往不是以某种传热方式单独存在的，而是上述两种或三种传热方式的组合。5.1概述5.1.3稳定传热和非稳定传热在传热过程中，各点的温度只随位置变化而不随时间变化的过程称为稳定传热。若在传热过程中，各点的温度除随位置变化外还随时间变化的过程称为非稳定传热。化工生产中多为连续操作过程，属于稳定传热。5.1概述5.1.4热载体及及其选择择在传热过过程中，，为将冷冷流体加加热或热热流体冷冷却，必必须用另另一种流流体供给给或取走走热量，，参与传传热的流流体称为为载热体体。温度度较高而而放出热热能的载载热体称称为热载载热体；；温度较较低而吸吸收热能能的载热热体称为为冷载热热体。起起加热作作用的载载热体称称为加热热剂，起起冷却或或冷凝作作用的载载热体称称为冷却却剂或冷冷凝剂。。5.1概述在选择载载热体时时应考虑虑以下几几个方面面的因素素：（1）载热体体的温度度易于调调节。（2）载热体体的饱和和蒸汽压压较小，，加热时时不会分分解。（3）载热体体毒性要要小，使使用安全全，对设设备无腐腐蚀或腐腐蚀性很很小。（4）载热体体的价格格低廉且且容易得得到。通常，在在温度不不超过180℃℃的条件下下，饱和和蒸汽是是最适宜宜的加热热剂，而而当温度度不很低低时，水水和空气气是最适适宜的冷冷却剂。。5.2热传导5.2.1热传导基基本规律律t1t2AQδ图5-1单层平壁壁的热传传导5.2热传导图5-1所示为一一个由均均匀固体体物质组组成的平平壁，面面积为A，壁厚是是δ，壁的两两面温度度保持为为t1和t2。如果t1＞t2，则热量量以热传传导的方方式从温温度为t1的平面传传递到温温度为t2的平面。。则Q=λA/δ(t1-t2)(5-1)式(5-1)是热传导导方程式式。将其其改写成成如下形形式：Q/A=Δt/R,（R为导热热热阻）。。R=δ/λ（5-2）5.2热传导式中Q—导热速率率，单位位时间内内传导的的热量W；A——导热热面面积积，，即即垂垂直直于于热热流流方方向向上上的的截截面面积积，，m2;λ—比例例系系数数，，称称为为热热导导率率，，W/（m··K）或或W/（m··℃℃）；；δ——平壁壁厚厚度度，，m；Δt——两壁壁的的温温差差，，Δt=t1-t2，导热热的的推推动动力力，，K；R——导热热热热阻阻。。式（（5-2）表表明明，，平平壁壁材材料料的的热热导导率率越越小小、、平平壁壁越越厚厚，，则则热热传传导导阻阻力力就就越越大大。。热热导导率率值值越越大大，，则则物物质质的的导导热热能能力力越越强强。。5.2热传传导导5.2.2热导导率率热导导率率λ是表表示示物物质质导导热热性性能能的的一一个个物物性性参参数数，，λ越大大，，导导热热越越快快。。λ在数数值值上上等等于于单单位位温温度度梯梯度度、、单单位位导导热热面面积积、、在在单单位位时时间间内内所所传传导导的的热热量量，，其其单单位位W（m.℃℃），，热热导导率率的的大大小小和和物物质质的的组组成成、、结结构构、、密密度度、、温温度度、、湿湿度度等等因因素素有有关关，，对对于于气气体体还还与与压压强强变变化化有有关关。。5.2热传传导导5.2热传传导导1-水蒸蒸气气2-氧3-二氧氧化化碳碳4-空气气5-氮6-氩5.2.3多层层平平壁壁的的热热传传导导5.2.3多层层平平壁壁的的热热传传导导对于于稳稳定定传传热热，，热热量量在在平平壁壁内内没没有有积积累累，，因因而而数数量量相相等等的的热热量量依依次次通通过过各各层层平平壁壁，，则则：：工业业上上常常遇遇到到由由多多层层不不同同材材料料组组成成的的平平壁壁，，称称为为多多层层平平壁壁，，如如图图所所示示。。假假设设层层与与层层之之间间接接触触良良好好，，即即接接触触的的两两表表面面温温度度相相同同。。由由于于各各等等温温面面的的温温度度保保持持恒恒定定，，仍仍为为一一维维稳稳态态导导热热，，通通过过各各层层的的热热流流量量均均等等于于Q，则则：：5.2.3多层层平平壁壁的的热热传传导导＝＝5.2.3多层层平平壁壁的的热热传传导导由以以上上可可见见，，对对于于多多层层平平壁壁的的稳稳态态热热传传导导，，其其总总的的推推动动力力即即为为总总的的温温度度差差，，而而总总的的热热阻阻为为各各层层热热阻阻之之和和。。这这与与电电工工学学中中串串联联电电阻阻的的欧欧姆姆定定律律类类似似。。各层层的的热热阻阻越越大大，，则则其其温温度度差差也也越越大大。。热热传传导导中中温温度度差差与与热热阻阻成成正正比比。。5.3.1对流流传传热热的的过过程程分分析析对流流传传热热是是借借流流体体质质点点的的移移动动和和混混合合而而完完成成的的，，因因此此对对流流传传热热与与流流体体流流动动状状况况密密切切相相关关。。当流体流过过固体壁面面时，由于于流体粘性性的作用，，使壁面附附近的流体体减速而形形成流动边边界层，边边界层内存存在速度梯梯度。当边边界层内的的流动处于于滞流状况况时，称为为滞流边界界层；当边边界层内的的流动发展展为湍流时时，称为湍湍流边界层层。但是，，即使是湍湍流边界层层，靠近壁壁面处仍有有一薄层(滞流内层)存在，在此此薄层内流流体呈滞流流流动。滞滞流内层和和湍流主体体之间称为为缓冲层。。5.3.1对流传热的的过程分分析由于滞流内内层中流体体分层运动动，相邻层层间没有流流体的宏观观运动，因因此在垂直直于流动方方向上不存存在热对流流，该方向向上的热传传递仅为流流体的热传传导(实际上，在在滞流流动动时的传热热总是要受受到自然对对流的影响响，使传热热加剧)。由于流体体的导热系系数较低，，使滞流内内层内的导导热热阻很很大，因此此该层中温温度差较大大，即温度度梯度较大大。在湍流流主体中，，由于流体体质点的剧剧烈混合并并充满旋涡涡；因此湍湍流主体中中温度差(温度梯度)极小，各处处的温度基基本上相同同。在缓冲冲层区，热热对流和热热传导的作作用大致相相同，在该该层内温度度发生较缓缓慢的变化化。图5—3表示冷、热热流体在壁壁面两侧的的流动情况况和与流体体流动方向向相垂直的的某一截面面上的流体体温度分布布情况。5.3.1对流传热的的过程分析析图5—3对流传热的的温度分布布情况5.3.1对流传热的的过程分分析由上分析可可知，对流流传热是集集热对流和和热传导于于一体的综综合现象。。对流传热热的热阻主主要集中在在滞流内层层，因此，，减薄滞流流内层的厚厚度是强化化对流传热热的主要途途径。5.3.2对流传热速速率方程对流传热是是一复杂的的传热过程程，影响对对流传热速速率的因素素很多，而而且对不同同的对流传传热情况又又有差别，，因此对流流传热的理理论计算是是很困难的的，目前工工程上仍按按下述的半半经验方法法处理。5.3.2对流传热速速率方程若以热流体体和壁面间间的对流传传热为例，，对流传热热速率方程程可以表示示Q=α（T-Tw)S式中Q—局部对流传传热速率，，W；S—传热面积，，m2；T－换热器的的任一截面面上热流体体的平均温温度，℃；；Tw—换热器的任任一截面上上与热流体体相接触一一侧的壁面面温度，℃℃；α－比例系数数，又称局局部对流传传热膜系数数，W／(m2·℃℃)。5.3.3对流传热膜膜系数对流传热膜膜系数在数数值上等于于单位温度度差下、单单位传热面面积的对流流传热速率率，其单位位W/(m2·℃)，它反映了了对流传热热的快慢，，α愈大表示对对流传热愈愈快。对流传热系系数α与导热系数数λ不同，它不不是流体的的物理性质质，而是受受诸多因素素影响的一一个系数，，反映对流流传热热阻阻的大小。。例如流体体有无相变变化、流体体流动的原原因、流动动状态、流流体物性和和壁面情况况(换热器结构构)等都影响对对流传热系系数。一般般来说，对对同一种流流体，强制制对流时的的要大于自自然对流时时的，有相相变时的要要大于无相相变时的。。5.4传热基本方方程式和传传热过程的的计算5.4.1传热基本方方程式间壁式换热热器中的传传热过程工业生产中中冷、热两两种流体的的热交换，，大多数情情况下不允允许两种流流体直接接接触，要求求用固体壁壁隔开，这这种换热器器称为间壁壁式换热器器。（1）热流体通通过对流传传热将热量量传给固体体壁面；（（2）固体壁内内以传导方方式将热量量从高温侧侧传向低温温侧；（3）热量通过过对流传热热从固体壁壁面传给冷冷流体。5.4传热基本方方程式和传传热过程的的计算单位时间内内的传热量量，即传热热速率Q，与传热面面积A及两流体的的温度差Δtm成正比，为为Q=KAΔΔtm(4-1)式中K----------比例系数，，称为总传传热系数，，W/m2··K(或W/m2··℃)；Q-----------传热速率，，J/s(或W)；A-----------传热面积积，m2；Δtm-------两流体的平平均温度差差，K(或℃)。5.4传热基本方方程式和传传热过程的的计算上式称传热热速率方程程式或传热热基本方程程式，它是是换热器设设计最重要要的方程式式。当所要要求的传热热速率Q、温度差Δtm及总传热系系数K已知时，可可用传热速速率方程式式计算所需需要的传热热面积A。5.4传热基本方方程式和传传热过程的的计算5.4.2传热过程的的热量衡算算热负荷Ｑ的的确定根根据能能量衡算，，单位时间间内热流体体放出之热热量等于于冷流体吸吸收的热量量（焓差法法），即两流流体体均均无无相相变变化化（（温温差差法法）），，则则若热热流流体体只只有有相相变变化化而而无无温温度度的的变变化化，，例例如如饱饱和和蒸蒸气气冷冷凝凝时时（（潜潜热热法法）），，5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算5.4.3平均均温温度度差差的的计计算算冷、、热热流流体体通通过过间间壁壁的的传传热热过过程程是是热热流流体体与与壁壁面面的的对对流流传传热热，，壁壁内内的的导导热热和和另另一一侧侧壁壁面面与与冷冷流流体体的的对对流流传传热热三三个个环环节节的的串串联联过过程程。。对对于于稳稳定定传传热热过过程程，，冷冷、、热热流流体体间间的的传传热热速速率率：：Q=KAΔΔtm5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算1）恒恒温温传传热热：：2）变变温温传传热热：：逆逆流流或或并并流流≤2时5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算3）错错流流和和折折流流时时的的按逆逆流流计计算算，，加加以以校校正正，，即即式式中中－－—按逆逆流流计计算算的的对对数数平平均均温温差差，，－—温差差校校正正系系数数，，=f(P，R)，5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算5.4.4总传传热热系系数数K（1）总总传传热热系系数数的的计计算算对于于稳稳定定传传热热过过程程Q1=Q2=Q3=Q与传传热热基基本本方方程程式式Q=KAΔΔtm比较较得得当传传热热面面为为平平壁壁时时，，得得5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算若传传热热壁壁为为金金属属材材料料，，则则壁壁阻阻b/λλ较1/a1、1/a2小得得多多时时，，则则b/λλ可忽忽略略，，这这时时总总传传热热系系数数可可简简化化成成下下式式对以以下下几几种种情情况况可可以以简简化化(1)管壁壁较较薄薄或或管管径径较较大大者者，，即即对对d外/d内<2者，，可可近近似似取取A1=A2=Am，则则圆圆筒筒壁壁可可近近似似当当成成平平壁壁计计算算。。(2)当a1<<a2,且壁壁阻阻亦亦可可忽忽略略不不计计时时，，则则Q=K1A1ΔΔtm=a1A2ΔΔtm同理理，，当当a2<<a1，壁壁阻阻可可忽忽略略不不计计时时，，则则Q=K2A2ΔΔtm=a2AΔΔtm5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算（2）垢垢层层热热阻阻换热热器器操操作作一一段段时时间间后后，，其其传传热热表表面面常常有有污污垢垢积积存存，，使使传传热热减减少少。。此此层层虽虽不不厚厚，，但但热热阻阻大大。。在在计计算算总总传传热热系系数数K时，，污污垢垢热热阻阻一一般般不不可可忽忽视视。。由由于于污污垢垢层层的的厚厚度度及及其其导导热热系系数数不不易易估估计计，，工工程程计计算算时时，，通通常常是是根根据据经经验验选选用用污污垢垢热热阻阻。。5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算如传传热热面面两两侧侧污污垢垢热热阻阻分分别别用用Ra1及Ra2表示示，，对对传传热热面面为为平平壁壁而而言言，，其其总总的的热热阻阻为为5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算垢层层的的热热导导率率一一般般都都比比较较小小，，即即使使是是很很薄薄的的一一层层也也会会形形成成较较大大的的热热阻阻。。在在生生产产上上应应尽尽量量防防止止和和减减少少污污垢垢的的形形成成，，如如：：提提高高流流体体的的流流速速；；控控制制冷冷却却水水的的加加热热程程度度，，以以防防止止有有水水垢垢析析出出；；定定期期除除垢垢等等。。5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算5.4.5强化化传传热热的的措措施施(1)增大大传传热热温温度度差差(2）增增大大传传热热面面积积(3）提提高高传传热热系系数数5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算从传传热热系系数数公公式式来来看看，，要要提提高高K值，，就就要要设设法法提提高高α1，α2及λ，降降低低b和垢垢层层热热阻阻。。具具体体有有如如下下几几种种办办法法：：（1）增增加加湍湍流流程程度度，，减减小小层层流流边边界界层层厚厚度度。。（2）采采用用热热导导率率较较大大的的载载热热体体，，可可降降低低层层流流内内层层的的热热阻阻，，增增大大传传热热速速率率。。（3）采采用用有有相相变变的的载载热热体体，，其其对对流流传传热热膜膜系系数数较较高高。。5.4传热热基基本本方方程程式式和和传传热热过过程程的的计计算算（4）在在流流体体中中加加入入固固体体颗颗粒粒，，利利用用固固体体颗颗粒粒的的扰扰动动作作用用，，使使对对流流传传热热膜膜系系数数增增大大；；同同时时可可减减少少污污垢垢的的形形成成，，降降低低污污垢垢热热阻阻。。（5）及时时除垢垢，防防止和和减少少结垢垢。5.5.换热器器5.5.1工业换换热方方式换热器器是化化工、、石油油、食食品及及其他他许多多工业业部门门的通通用设设备，，在生生产中中占有有重要要地位位。化化工生生产中中，换换热器器可作作为加加热器器、冷冷却器器、冷冷凝器器、蒸蒸发器器和再再沸器器等，，应用用甚为为广泛泛。由由于生生产规规模、、物料料的性性质、、传热热的要要求等等各不不相同同，故故换热热器的的类型型也是是多种种多样样。根根据冷冷、热热流体体热量量交换换的原原理和和方式式基本本上可可分为为三大大类：：间壁壁式、、混合合式(直接接接触式式）、、蓄热热式换换热器器。5.5.换热器器5.5.2间壁式式换热热器（1）列管管式换换热器器（管管壳式式换热热器））列管式式换热热器又又称为为管壳壳式换换热器器，是是最典典型的的间壁壁式换换热器器，历历史悠悠久，，占据据主导导作用用。主主要由由壳体体、管管束、、管板板、折折流挡挡板和和封头头等组组成。。一种种流体体在管管内流流动，，其行行程称称为管管程；；另一一种流流体在在管外外流动动，其其行程程称为为壳程程。管管束的的壁面面即为为传热热面。。5.5.换热器器优点：：单位位体积积设备备所能能提供供的传传热面面积大大，传传热效效果好好，结结构坚坚固，，可选选用的的结构构材料料范围围宽广广，操操作弹弹性大大，大大型装装置中中普遍遍采用用。为为提高高壳程程流体体流速速，往往往在在壳体体内安安装一一定数数目与与管束束相互互垂直直的折折流挡挡板。。折流流挡板板不仅仅可防防止流流体短短路、、增加加流体体流速速，还还迫使使流体体按规规定路路径多多次错错流通通过管管束，，使湍湍动程程度大大为增增加。。常常用用的折折流挡挡板有有圆缺缺形和和圆盘盘形两两种，，前前者更更为常常用。。5.5.换热器器列管式式换热热器在在操作作时，，由于于冷、、热两两流体体的温温度不不同，，使外外壳和和管束束的温温度不不同，，导致致外壳壳和管管束的的热膨膨胀不不同，，严重重时会会算坏坏换热热器，，一般般在管管壁与与壳壁壁温度度相差差50℃℃以上时时，为为安全全起见见，换换热器器应有有温差差补偿偿装置置。热热膨胀胀补偿偿办法法有浮浮头补补偿、、补偿偿圈补补偿和和U型管补补偿等等。5.5.换热器器A、浮头头式补补偿换热器器的一一块管管板用用法兰与外壳壳相连连接，，另一一块管管板不不与外外壳连连接，，以使使管子子受热热或冷冷却时时可以以自由由伸缩缩，但但在这这块管管板上上连接接一个个顶盖盖，称称之为为“浮浮头””，所所以这这种换换热器器叫做做浮头式式换热热器。其优优点是是：管管束可可以拉拉出，，以便便清洗洗；管管束的的膨胀胀不变变壳体体约束束，因因而当当两种种换热热器介介质的的温差差大时时，不不会因因管束束与壳壳体的的热膨膨胀量量的不不同而而产生生温差差应力力。其其缺点点为结结构复复杂，，造价价高。。5.5.换热器器B、补偿偿圈补补偿这类换换热器器的结结构比比较简简单、、紧凑凑、造造价便便宜，，但管管外不不能机机械清清洗。。此种种换热热器管管束连连接在在管板板上，，管板板分别别焊在在外壳壳两端端，并并在其其上连连接有有顶盖盖，顶顶盖和和壳体体装有有流体体进出出口接接管。。通常常在管管外装装置一一系列列垂直直于管管束的的挡板板。同同时管管子和和管板板与外外壳的的连接接都是是刚性性的，，而管管内管管外是是两种种不同同温度度的流流体。。因此此，当当管壁壁与壳壳壁温温差较较大时时，由由于两两者的的热膨膨胀不不同，，产生生了很很大的的温差差应力力，以以至管管子扭扭弯或或使管管子从从管板板上松松脱，，甚至至毁坏坏换热热器。。5.5.换热器为了克服温温差应力必必须有温差差补偿装置置，一般在在管壁与壳壳壁温度相相差50℃以上时，为为安全起见见，换热器器应有温差差补偿装置置。但补偿偿装置（膨膨胀节）只只能用在壳壳壁与管壁壁温差低于于60～70℃和壳程流体体压强不高高的情况。。一般壳程程压强超过过0.6Mpa时由于补偿偿圈过厚，，难以伸缩缩，失去温温差补偿的的作用，就就应考虑其其他结构。。5.5.换热器C、U型管补偿U型管换热器器，每根管管子都弯成成U形，两端固固定在同一一块管板上上，每根管管子皆可自自由伸缩，，从而解决决热补偿问问题。管程程至少为两两程，管束束可以抽出出清洗，管管子可以自自由膨胀。。其缺点是是管子内壁壁清洗困难难，管子更更换困难，，管板上排排列的管子子少。优点点是结构简简单，质量量轻，适用用于高温高高压条件。。5.5.换热器（2）蛇管式换换热器结结构：：蛇管一般般由金属管管子弯绕而而制成，适适应容器所所需要的形形状，沉浸浸在容器内内，冷热流流体在管内内外进行换换热。优优点点：结构简简单，价格格便宜，材材料适应性性强、能承承受高压。。缺缺点：传传热面积不不大，蛇管管外对流传传热系数小小。为了强化传传热，容器器内加搅拌拌。5.5.换热器（3）夹套式换换热器结结构：：夹套装在在容器外部部，在夹套套和容器壁壁之间形成成密闭空间间，成为一一种流体的的通道。优优点：结构构简单，加加工方便。。缺缺点：传传热面积小小，传热效效率低。用用途途：广泛用用于反应器器的加热和和冷却。为为了提提高传热效效果，可在在釜内加搅搅拌器或蛇蛇管和外循循环。5.5.换热器（4）翅片管式式换热器翅片管换热热器，是为为了提高换换热效率，，通常在换换热管的表表面通过加加翅片，增增大换热管管的外表面面积（或内内表面积）），并且增增强了流体体的湍流程程度，使流流体的对流流传热膜系系数得以提提高，强化化传热过程程，从而达达到提高换换热效率的的目的（具具体见图））。5.5.换热器（5）螺旋板式式换热器螺旋板式换换热器是一一种高效换换热器设备备,适用汽－汽汽、汽－液液、液－液液，对液传传热。它适适用于化学学、石油、、溶剂、医医药、食品品、轻工、、纺织、冶冶金、轧钢钢、焦化等等行业。按按结构形形式可分为为不可拆拆式（Ⅰ型）螺旋板板式及可拆拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋板板式换热热器5.5.换热器本设备由两两张间距一一定的平行行薄金属板板卷制而成成，形成了了两个均匀匀的螺旋通通道，两种种传热介质质可进行全全逆流流动动，大大增增强了换热热效果，即即使两种小小温差介质质，也能达达到理想的的换热效果果。