化工原理-第五章-传热过程与传热设备ppt课件.ppt

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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 t1 T2

2、 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 T1T2t1t2三个串联传热环节：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)(WhTTAQ )(ttAQWC mWWAbtTQ 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总传热系数和壁温的计算 t1 T1 T2 t

3、2 套套管管式式 mc, Cpcmh, 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 1221ttcmTTcmQpccphh mrQ T1T2t1t25.3.1 热量衡算方程热量衡算方程TtTtT Tw tw t 蒸汽蒸汽冷凝液冷凝液 t1 T1 T2 t dAK

4、ttdAdAbdAttdAttdAbttdAttdQxChCCmhhChCCCwCmwCwhhhwhh11111 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 T1T2t1t2thtcx，AxdA一、总传热速率方程一、总传热速率方程=KAtm1 出出进进tdAKxQ=KAtmK：总传热系数，：总传热系数，W/m2Ktm：对数平均温差：对数平均温差mtKAQ -称为总传热热阻称为总传热热阻KA15.3.2 总传热速率方程总传热速率方程 t1 T1 T2 t iimOOOOAAbAAK 111 iimOOiiAAbAAK 111 iiOmOOOAAAb

5、AK 11imiOOiiAbAAAK 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SiimiOiSOOOiiRAbAAARAAK 11iOSiiiOmOSOOOAARAAAbARK 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sisiRRbK 00111 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

6、卡水水 (u(u1m/1m/s s，t5t50)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

7、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0.1760.1760.000210.00021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

8、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 T1T2t1t25.2.4 壁温的计算壁温的计算热流体侧的壁温热流体侧的壁温hhhwhAQtt cccmwhwcAQtAbQtt 冷流体侧的壁温冷流体侧的壁温 t1 T1

9、 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。CCCWCmWCWhhhWhhAttAbttAttQ 11 hhCCCChhCWCWhhAAAAtttt 11hWChtt, 2 即：即：则：则：，若：若：、CWcWhhtttt CCCCWCmWCWhhhhWhhARttAbttARttQ1)1(1)1( t1 T1 T2 t T t t 0 AtTtm T t t2 t1 0 A T1 T2 t t 0

10、A T1 并并流流 T2 t t2 t1 0 A 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mtKAQ T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 AmtKAttttKAQ 1212ln1212lntttttm 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 dtcmdQdTcmdQpc

11、cphh pccphhcmdQdtcmdQdT11 BcmcmdQtTdphhpcc 11BtddQ tdAKBtd QttdQBtd021 T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 dA ABKAtt 12ln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BQtt 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1212lntttttm 错流错流 折流折流 逆逆,mmtt 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的传热其中：其中： t1 T1 T2 t2 列列管管式式 t1 T1 T2 t

12、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 1C2C2h1httttR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 1112ChCCttttPP258图图5-18P258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，但形式太复杂）。21111221( , )f P RttPTtTTRtt冷冷流流体体温温升升两两流流体体最最初初温温

13、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 mmtt 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，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

14、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

15、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

16、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0.21.50.53155.8.3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

17、，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。

18、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3

19、82.5,572.5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，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

20、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

21、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,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

22、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

23、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 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 t

24、1 T1 T2 t 5.9换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 一一 传热面积传热面积 关于传热面积关于传热面积A A的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积尺寸来加大传热面积A A，而是通过对传热面的改造，如开槽及加，而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。化传热过程。翅片翅片1翅片管型式翅片管型式 t1 T1 T2 t 5.9换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 二、二、 总传热推动力总传热推动力 提高提高tm：

25、程度有限：程度有限 方法：方法： 1、采用逆流流动、采用逆流流动 并流并流tm折流、错流折流、错流tm逆流逆流tm 2、提高加热剂温度、降低冷却剂温度、提高加热剂温度、降低冷却剂温度 3、提高加热蒸汽、提高加热蒸汽P 加热蒸汽加热蒸汽P ， tm t1 T1 T2 t 5.9换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 三、三、 总传热系数总传热系数K 热阻主要集中于热阻主要集中于 较小的一侧，提高较小的一侧，提高 小的一侧有效。小的一侧有效。降低污垢热阻降低污垢热阻, 提高表面传热系数提高表面传热系数提高提高 的方法的方法： 无相变化传热无相变化传热：加大流速；人工粗造表面；扰流元件。加大流速；人工粗造表面；扰流元件。 有相变化传热有相变化传热： 蒸气冷凝蒸气冷凝 ：滴状冷凝、不凝气体排放、气液流向一致、合：滴状冷凝、不凝气体排放、气液流向一致、合理布置冷凝面理布置冷凝面 、利用表面张力、利用表面张力(沟槽沟槽,金属丝金属丝) 液体沸腾液体沸腾： 保持核状沸腾、制造人工表面保持核状沸腾、制造人工表面,增加汽化核心数增加汽化核心数.