第03章传热精.ppt

第03章传热第1页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle2 教学内容对流传热过程对流传热过程热传导过程热传导过程热量传递过程概述热量传递过程概述辐射传热过程辐射传热过程传热过程计算传热过程计算第2页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle3 热量传递过程概述热量传递的目的热量传递的目的图图4-1 4-1 典型的换热流程典型的换热流程1-1-换热器换热器2-2-反应器反应器 （1 1）加热或冷却，使物料达到指定的温度。）加热或冷却，使物料达到指定的温度。（2 2）换热，以回收利用热量或冷量。）换热，以回收利用热量或冷量。（3 3）保温，以减少热量或冷量的损失。）保温，以减少热量或冷量的损失。第3页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle4 热量传递过程概述热量传递的方式热量传递的方式 （2 2）对流传热。）对流传热。（3 3）辐射传热。）辐射传热。（1 1）热传导。）热传导。第4页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle5 （1 1）直接接触传热。）直接接触传热。图图4-2 4-2 直接接触换热直接接触换热 热量传递过程概述冷、热流体的接触方式冷、热流体的接触方式（2 2）间壁式传热。）间壁式传热。图图4-3 4-3 间壁式换热间壁式换热 （3 3）蓄热式传热。）蓄热式传热。图图4-4 4-4 蓄热式换热蓄热式换热第5页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle6 热量传递过程概述载热体及其选择载热体及其选择 （1 1）载热体载热体：起加热作用的载热体称为加热剂起加热作用的载热体称为加热剂；起冷却作用的载热体称为冷却剂。起冷却作用的载热体称为冷却剂。载热体载热体：供给冷流体热量供给冷流体热量或将或将热流体热流体的热量带走的流体。的热量带走的流体。（2 2）载热体载热体的选择：的选择：加加热热剂剂：热热水水、饱饱和和水水蒸蒸气气、矿矿物物油油、联联苯苯混混合合物物、熔熔盐盐 和和烟烟道道气气等等。冷却剂冷却剂：水、空气和各种冷冻剂。水、空气和各种冷冻剂。载热体载热体的选择要求：的选择要求：加热加热时，时，温位越高温位越高，价值越大价值越大；冷却冷却时，时，温位越低温位越低，价值越大。价值越大。第6页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle7 热量传递过程概述载热体及其选择载热体及其选择 其它要求：其它要求：载热体的温度应易于调节载热体的温度应易于调节；载热体的饱和蒸气压宜低载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解加热时不会分解；载热体毒性要小载热体毒性要小，使用安全使用安全，对设备应基本上没有腐蚀对设备应基本上没有腐蚀；载热体应价格低廉而且容易得到。载热体应价格低廉而且容易得到。第7页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle8 热量传递过程概述传热速率传热速率 （1 1）热流量）热流量Q Q：单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量W W。单位时间、通过单位传热面积的热量单位时间、通过单位传热面积的热量W/mW/m2 2。（2 2）热流密度（或热通量）热流密度（或热通量）q q：第8页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle9 热量传递过程概述稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热 （1 1）稳态传热：）稳态传热：特点：传热系统中，温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。特点：传热系统中，温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。连续生产过程中的传热多是稳态传热。连续生产过程中的传热多是稳态传热。（2 2）非稳态传热：）非稳态传热：特点：传热系统中，温度分布随时间而变。特点：传热系统中，温度分布随时间而变。间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。间歇操作的换热设备、连续生产过程中的开工、停工。在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。在传热系统中，不积累能量的传热过程称稳态传热。在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。在传热系统中，有能量积累的传热过程称非稳态传热。第9页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle10 热传导过程热传导规律热传导规律 热热传传导导（或或导导热热）：物物体体各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，仅仅借借分分子子、原原子子和和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。1 1、热传导概念、热传导概念 2 2、热传导规律、热传导规律 （1 1）傅立叶（）傅立叶（FourierFourier）定律：）定律：式中：式中：q-q-热流密度，热流密度，w/mw/m2 2；-法向温度梯度，法向温度梯度，/m/m；-比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，w/(m)w/(m)第10页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle11 热传导过程热传导规律热传导规律 （2 2）导热系数）导热系数 例：例：金属金属 10 1010102 2 w/(m)w/(m)建筑材料建筑材料 10 10-1-110 w/(m)10 w/(m)绝热材料绝热材料 10 10-2-21010-1-1 w/(m)w/(m)表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。表征材料导热性能的一个参数，其值越大，材料导热性能越好。实验测得导热系数实验测得导热系数与温度与温度t t的关系：的关系：式中：式中：-固体在温度固体在温度t t 的导热系数，的导热系数，w/(m)w/(m)；0 0-固体在温度固体在温度0 0 的导热系数，的导热系数，w/(m)w/(m)；a-a-温度系数，温度系数，1/1/，；，；对大多数金属材料为负值，对大多数金属材料为负值，对大多数非金属材料为正值。对大多数非金属材料为正值。第11页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle12 热传导过程热传导的应用热传导的应用 1 1、通过平壁的热传导过程：、通过平壁的热传导过程：图图4-5 4-5 平壁的热传导平壁的热传导 平壁的热传导的温度分布见图平壁的热传导的温度分布见图4-54-5所示。所示。由傅立叶（由傅立叶（FourierFourier）定律可知：）定律可知：对上式积分得：对上式积分得：又可写为：又可写为：第12页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle13 热传导过程热传导的应用热传导的应用 2 2、通过圆筒壁的热传导过程：、通过圆筒壁的热传导过程：图图4-6 4-6 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导 圆筒壁的热传导的温度分布见图圆筒壁的热传导的温度分布见图4-64-6所示。所示。在圆筒壁内取同心薄层圆筒并对其作热量衡算：在圆筒壁内取同心薄层圆筒并对其作热量衡算：对于定态热传导：对于定态热传导：则：则：第13页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle14 热传导过程热传导的应用热传导的应用 又：又：所以：所以：对上式进行积分得：对上式进行积分得：式中：式中：r-r-圆筒任一径向半径；圆筒任一径向半径；l-l-圆筒管长。圆筒管长。边界条件：边界条件：第14页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle15 热传导过程热传导的应用热传导的应用 将边界条件带入上式，得：将边界条件带入上式，得：式子可以改写为：式子可以改写为：第15页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle16 热传导过程热传导的应用热传导的应用 若若 圆筒壁热阻为：圆筒壁热阻为：3 3、多层平壁的热传导过程：、多层平壁的热传导过程：图图4 4-7 7 多多层层平平壁壁的的热热传传导导 圆圆筒筒壁壁的的热热传传导导的的温温度度分分布布见见图图4-74-7所示。所示。第16页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle17 热传导过程热传导的应用热传导的应用 推动力和阻力的加和性推动力和阻力的加和性 各层的温差各层的温差第17页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle18 热传导过程热传导的应用热传导的应用 结论：对多层圆筒壁同样适合。即：结论：对多层圆筒壁同样适合。即：例：界面温度的求取。例：界面温度的求取。某炉壁由下列三种材料组成：（见图某炉壁由下列三种材料组成：（见图3-73-7所示）所示）耐火砖耐火砖 1 1=1.4 w/(m)=1.4 w/(m)，1 1=225 mm=225 mm 保温砖保温砖 2 2=0.15 w/(m)=0.15 w/(m)，2 2=125 mm=125 mm 建筑砖建筑砖 3 3=0.8 w/(m)=0.8 w/(m)，3 3=225 mm=225 mm 已已测测得得内内、外外表表面面温温度度分分别别为为930 930 和和55 55，求求单单位位面面积积的的热热损损失失和和各各层层间间接接触触面面的温度。的温度。第18页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle19 热传导过程热传导的应用热传导的应用 解解：（：（1 1）单位面积的热损失为：单位面积的热损失为：（2 2）温差及界面温度：）温差及界面温度：第19页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle20 对流传热过程对流传热过程的概念对流传热过程的概念 流体各部分（或与固体表面）之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热。流体各部分（或与固体表面）之间发生相对位移所引起的热传递过程称为对流传热。对流分为对流分为自然对流自然对流和和强制对流强制对流。自自然然对对流流：流流体体中中各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度差差别别，使使轻轻者者上上浮浮，重重者者下沉，流体质点产生相对位移。下沉，流体质点产生相对位移。强制对流强制对流：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。：因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动。第20页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle21 对流传热过程对流传热过程分析对流传热过程分析 传传热热过过程程流流动动截截面面的温度分析：的温度分析：图图4 4-8 8 流流体体流流过过平平壁壁时时的的温温度度分分布布 参见图参见图4-84-8所示。所示。第21页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle22 对流传热过程对流传热过程分析对流传热过程分析 三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：三种情况流体传给壁面的热流密度仍由傅立叶定律确定，即：结结论论：对对流流传传热热是是流流体体流流动动载载热热与与热热传传导导联联合合作作用用的的结结果果，流流体体对对壁壁面面的热流密度因流动而增大。的热流密度因流动而增大。流体无相变化的给热过程流体无相变化的给热过程流体有相变化的给热过程流体有相变化的给热过程强制对流给热过程强制对流给热过程自然对流给热过程自然对流给热过程蒸汽冷凝给热过程蒸汽冷凝给热过程液体沸腾给热过程液体沸腾给热过程对对流流传传热热第22页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle23 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 1 1、牛顿冷却定律：、牛顿冷却定律：式中：式中：TwTw，tw-tw-热或冷壁的温度，热或冷壁的温度，；T T，t-t-热或冷流体的温度，热或冷流体的温度，；-给热系数，给热系数，w/(m)w/(m)流体加热时：流体加热时：流体冷却时：流体冷却时：2 2、给热系数、给热系数：三种获得给热系数三种获得给热系数的方法：的方法：理论分析法理论分析法：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率：对流场建立动量传递、热量传递衡算方程和速率第23页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle24 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述方方程程，联联立立求求解解流流场场的的温温度度分分布布和和壁壁面面热热流流密密度度，然然后后写写成成牛牛顿顿冷冷却却定定律律的的形式，从而获得形式，从而获得的理论计算式。的理论计算式。数数学学模模型型法法：对对给给热热过过程程作作出出简简化化的的物物理理模模型型和和数数学学描描述述，用用实实验验检检验验或或修修正模型，确定模型参数。正模型，确定模型参数。因因次次分分析析法法：对对影影响响给给热热过过程程的的因因素素无无因因次次化化，通通过过实实验验决决定定无无因因次次准准数数之间的关系。之间的关系。3 3、给热系数、给热系数的影响因素及无因次化：的影响因素及无因次化：影响因素：影响因素：液体的物理性质：液体的物理性质：、CpCp、；固体表面的特征参数：固体表面的特征参数：l l；第24页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle25 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 强制对流的流速：强制对流的流速：u u；自然对流的特征速度：自然对流的特征速度：gt gt。其中：其中：-膨胀系数，膨胀系数，-1-1-流体比体积，流体比体积，m m3 3/kg/kg，=1/=1/；2 2，1 1-对应于对应于t t2 2、t t1 1的流体比体积的流体比体积 ；于是：于是：无因次化：无因次化：第25页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle26 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 式中：式中：-努塞尔（努塞尔（NusseltNusselt）准数）准数 于是，描述给热过程的准数关系式为于是，描述给热过程的准数关系式为-雷诺（雷诺（ReynoldsReynolds）准数）准数-普朗特（普朗特（PrandtlPrandtl）准数）准数-格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（GrashofGrashof）准数）准数第26页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle27 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 讨论：各无因次数群的物理意义讨论：各无因次数群的物理意义 *-给给热热过过程程以以纯纯导导热热方方式式进进行行时时的的给给热热系系数数。NuNu反反映映对对流流给给热热系系数数增增大大的的倍数。倍数。NuNu准数：准数：ReRe准数准数：是流体所受的惯性力与粘性力之比，用以表征流体的运动状态。：是流体所受的惯性力与粘性力之比，用以表征流体的运动状态。PrPr准数准数：流体物性对给热过程的影响。：流体物性对给热过程的影响。对于气体，对于气体，Pr1Pr1，对于液体，对于液体，Pr Pr1 1。第27页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle28 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 GrGr准数准数：则则GrGr是是ReRe的一种变形，表征自然对流的流动状态。的一种变形，表征自然对流的流动状态。4 4、关于定性温度和特征尺寸：、关于定性温度和特征尺寸：定性温度：定性温度：根根据据定定性性温温度度，确确定定物物性性数数据据。一一般般选选用用壁壁温温twtw和和流流体体主主体体温温度度t t的的算算术术平平均值作为定性温度，并称之为平均膜温。均值作为定性温度，并称之为平均膜温。第28页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle29 对流传热过程对流传热过程数学描述对流传热过程数学描述 指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。特征尺寸：特征尺寸：第29页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle30 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 1 1、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：、流体在圆形直管内的强制湍流的给热系数：当当.Re10.Re104 4 .0.7 Pr 160 .0.7 Pr 160（不适用液体金属）（不适用液体金属）.流体是低粘度（流体是低粘度（2 30 .l/d 3040 40 则则 A=0.023 A=0.023 ，a=0.8 a=0.8，加热时，加热时，b=0.4b=0.4；冷却时，；冷却时，b=0.3b=0.3 即：即：第30页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle31 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 其它条件下，需修正其它条件下，需修正：高粘度流体：高粘度流体：-液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度 w w-液体在壁温下的粘度液体在壁温下的粘度 液体加热时，液体加热时，则：则：液体冷却时，液体冷却时，则：则：适用于适用于Re10Re104 4，0.5 Pr 100 0.5 Pr 100 各种液体，不适用液体金属。各种液体，不适用液体金属。第31页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle32 对流传热过程无相变的对流给热系数无相变的对流给热系数 l/d 30 l/d 2 2 时，时，K=K=2 2 ；1 1 2 2时，时，K=K=1 1 。内表面：内表面：外表面：外表面：当内、外表面积不同时，当内、外表面积不同时，第52页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle53 传热过程计算传热过程数学描述传热过程数学描述 若为圆管，内、外径为若为圆管，内、外径为d d1 1、d d2 2：关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为关于污垢热阻：（若内、外污垢热阻为R R1 1、R R2 2）则则 式中：式中：第53页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle54 传热过程计算传热过程数学描述传热过程数学描述 3 3、壁温的计算：、壁温的计算：若若 T Tw w=t=tw w ，则：，则：第54页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle55 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 1 1、换热器的热量的衡算：、换热器的热量的衡算：图图4-14 4-14 热量衡算热量衡算 总的热量衡算：总的热量衡算：第55页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle56 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 式中：式中：W Wh h、W Wc c-热、冷流体的质量流量；热、冷流体的质量流量；C Cphph、C Cpcpc-热、冷流体的比热；热、冷流体的比热；2 2、传热基本方程式：、传热基本方程式：t1 t2 t t1 t2 tT TT1T1T2T2(T-t)(T-t)1 1(T-t)(T-t)2 2(T-t)(T-t)T=tT=t图图4-15 4-15 热量衡算热量衡算 已知：已知：又：又：上式积分，可得：上式积分，可得：第56页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle57 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 式中：式中：ttm m-对数平均温度。传热过程的推动力。对数平均温度。传热过程的推动力。3 3、传热过程的推动力：、传热过程的推动力：图图4-16 4-16 传热温差传热温差第57页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle58 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 例：并流和逆流对数平均温差的比较。例：并流和逆流对数平均温差的比较。在在一一台台螺螺旋旋板板式式换换热热器器中中，热热水水流流量量为为2000kg/h2000kg/h，冷冷水水流流量量为为3000kg/h3000kg/h，热热水水进进口口温温度度为为T1=80T1=80，冷冷水水进进口口温温度度为为t1=10t1=10。如如果果要要求求将将冷冷水水加加热热到到t2=30t2=30，试试求求并流和逆流对数平均温差。并流和逆流对数平均温差。解：题目条件下，解：题目条件下，C Cphph=C=Cpcpc=4.2kJ/=4.2kJ/（kgkg ）所以：所以：求得：求得：T2=50 T2=50 由于：由于：第58页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle59 传热过程计算传热过程基本方程传热过程基本方程 则：并流时则：并流时 t1=80-10=70 t1=80-10=70 t2=50-30=20 t2=50-30=20 则：逆流时则：逆流时 t1=80-30=50 t1=80-30=50 t2=50-10=40 t2=50-10=40第59页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle60 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 1 1、设计型计算、设计型计算 计算热负荷：计算热负荷：设计任务设计任务：将流量为：将流量为G G1 1的热流体自给定温度的热流体自给定温度T T1 1冷却至指定温度冷却至指定温度T T2 2。设计条件设计条件：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度：可供使用的冷却介质的温度，即冷流体的进口温度t t1 1。计算目的计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。计算方法计算方法：适当选择并计算平均推动力：适当选择并计算平均推动力：ttm m 。即使冷、热流体的对流给热系数及总即使冷、热流体的对流给热系数及总K K。由传热方程由传热方程 计算传热面积。计算传热面积。第60页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle61 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 参数选择：参数选择：流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；流体流向的选择（并流、逆流或错流等）；选择冷却介质的出口温度；选择冷却介质的出口温度；冷、热流体流动线路（管程、壳程）；冷、热流体流动线路（管程、壳程）；流体的流速；流体的流速；污垢热阻。污垢热阻。2 2、操作型计算、操作型计算 第一类命题：第一类命题：给给定定条条件件：换换热热器器传传热热面面积积及及相相关关尺尺寸寸，冷冷、热热流流体体的的物物性性数数据据，冷冷、热热流体的流量、进口温度、流动方式。流体的流量、进口温度、流动方式。第61页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle62 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 计算目的计算目的：冷、热流体的出口温度。：冷、热流体的出口温度。给给定定条条件件：换换热热器器传传热热面面积积及及相相关关尺尺寸寸，冷冷、热热流流体体的的物物性性数数据据，热热流流体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。体的流量以及进、出口温度，冷流体进口温度及流动方式。第二类命题：第二类命题：计算目的计算目的：冷流体的流量及出口温度。：冷流体的流量及出口温度。计算方法：计算方法：第62页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle63 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 例：第一类命题的操作型计算。例：第一类命题的操作型计算。在在一一逆逆流流操操作作的的换换热热器器，热热流流体体为为空空气气，1 1100 100 W/(mW/(m2 2)，冷冷却却水水走走管管内内，2 22000 2000 W/(mW/(m2 2)。已已测测得得热热、冷冷流流体体进进、出出口口温温度度为为T T1 1=100=100，T T2 2=70=70，t t1 1=20=20，t t2 2=85=85，管管壁壁热热阻阻可可以以忽忽略略。当当水水流流量量增增加加一一倍倍时时，试求：试求：（1 1）空气和水的出口温度）空气和水的出口温度T T2 2，t t2 2?（2 2）热流量）热流量Q Q比原热流量比原热流量Q Q增加多少增加多少?第63页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle64 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 解：（解：（1 1）原工况：）原工况：式中：式中：第64页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle65 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 新工况：新工况：（a a）、（）、（b b）两式相除：）两式相除：第65页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle66 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 或：或：热量衡算：热量衡算：联立求解（联立求解（c c）、（）、（d d）两式，得：）两式，得：第66页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle67 传热过程计算传热过程计算传热过程计算 （2 2）新、旧工况的热量之比：）新、旧工况的热量之比：即，热量增加了即，热量增加了 34 34 。讨论：从计算结果中可以得出什么结论？讨论：从计算结果中可以得出什么结论？第67页，本讲稿共93页过 程 系 统 原 理第四章 热量传递设备主讲教师：程 明南京工业大学本科系列课程南京工业大学本科系列课程自动化与电气工程学院自动化与电气工程学院第68页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle69 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 结结构构：夹夹套套装装在在容容器器外外部部，在在夹夹套套和和容容器器壁壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。1 1、夹套换热器、夹套换热器图图4-17 4-17 夹套换热器夹套换热器 优点：优点：结构简单，加工方便。结构简单，加工方便。缺点：缺点：传热面积传热面积A A小，传热效率低。小，传热效率低。用途：用途：广泛用于反应器的加热和冷却。广泛用于反应器的加热和冷却。为为了了提提高高传传热热效效果果，可可在在釜釜内内加加搅搅拌拌器器或或蛇蛇管和外循环。管和外循环。第69页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle70 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优点：优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，：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。2 2、沉浸式蛇管换热器、沉浸式蛇管换热器 结结构构：蛇蛇管管一一般般由由金金属属管管子子弯弯绕绕而而制制成成，适适应应容容器器所所需需要要的的形形状状，沉沉浸浸在在容容器器内内，冷冷热流体在管内外进行换热。热流体在管内外进行换热。图图4-18 4-18 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器第70页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle71 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 3 3、喷淋式换热器、喷淋式换热器 结结构构：冷冷却却水水从从最最上上面面的的管管子子的的喷喷淋淋装装置置中中淋淋下下来来，沿沿管管表表面面流流下下来来，被被冷冷却却的的流流体体从从最最上上面面的的管管子子流流入入，从从最最下下面面的的管管子子流流出出，与与外外面面的的冷冷却却水水进进行行换换热热。在在下下流流过过程程中中，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。图图4 4-1 19 9 喷喷淋淋式式换换热热器器(1 1)第71页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle72 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优点优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用途：用于冷却或冷凝管内液体。用于冷却或冷凝管内液体。图图4-20 4-20 喷淋式换热器喷淋式换热器(2)(2)第72页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle73 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 4 4、套管式换热器、套管式换热器 结结构构：由由不不同同直直径径组组成成的的同同心心套套管管，可可根根据据换换热热要要求求，将将几几段段套套管管用用U U形形管管连连接接，目目的的增增加加传传热热面面积积；冷冷热热流体可以逆流或并流。流体可以逆流或并流。优优点点：结结构构简简单单，加加工工方方便便，能能耐耐高高压压，传传热热系系数数较较大大，能能保保持持完完全全逆逆流流使使平平均均对对数数温温差差最最大大，可增减管段数量应用方便。可增减管段数量应用方便。缺点：缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。图图4-21 4-21 套管式换热器套管式换热器第73页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle74 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 5 5、列管式换热器（管壳式换热器）、列管式换热器（管壳式换热器）主主要要由由壳壳体体、管管束束、管管板板、折折流流挡挡板板和和封封头头等等组组成成。一一种种流流体体在在管管内内流流动动，其其行行程程称称为为管管程程；另另一一种种流流体体在在管管外外流流动动，其其行行程程称称为为壳壳程程。管管束束的的壁壁面面即即为为传传热热面。面。图图4-22 4-22 列管式换热器列管式换热器第74页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle75 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 优优点点：单单位位体体积积设设备备所所能能提提供供的的传传热热面面积积大大，传传热热效效果果好好，结结构构坚坚固固，可可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为为提提高高壳壳程程流流体体流流速速，往往往往在在壳壳体体内内安安装装一一定定数数目目与与管管束束相相互互垂垂直直的的折折流流挡挡板板。折折流流挡挡板板不不仅仅可可防防止止流流体体短短路路、增增加加流流体体流流速速，还还迫迫使使流流体体按按规规定定路路径径多多次次错错流流通通过过管管束束，使使湍湍动动程程度度大大为为增增加。加。常常用用的的折折流流挡挡板板有有圆圆缺缺形形和和圆圆盘盘形形两两种种，前者更为常用。前者更为常用。图图4-23 4-23 列管式换热器折流挡板列管式换热器折流挡板第75页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle76 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 壳壳体体内内装装有有管管束束，管管束束两两端端固固定定在在管管板板上上。由由于于冷冷热热流流体体温温度度不不同同，壳壳体体和和管管束束受受热热不不同同，其其膨膨胀胀程程度度也也不不同同，如如两两者者温温差差较较大大，管管子子会会扭扭弯弯，从从管管板板上上脱脱落落，甚甚至至毁毁坏坏换换热热器器。所所以以，列列管管式式换换热热器器必必须须从从结结构构上上考考虑虑热热膨膨胀胀的的影影响响，采采取取各各种种补偿的办法，消除或减小热应力。补偿的办法，消除或减小热应力。（1 1）固定管板式）固定管板式 根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。壳壳体体与与传传热热管管壁壁温温度度之之差差大大于于5050 C C，加加补补偿偿圈圈，也也称称膨膨胀胀节节，当当壳壳体体和和管管束束之之间间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。第76页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle77 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 特特点点：结结构构简简单单，成成本本低低，壳壳程程检检修修和和清清洗洗困困难难，壳壳程程必必须须是是清清洁洁、不不易易产产生生垢垢层层和和腐蚀的介质。腐蚀的介质。图图4-24 4-24 固定管板式（有膨胀节）换热器固定管板式（有膨胀节）换热器 （2 2）浮头式）浮头式 两两端端的的管管板板，一一端端不不与与壳壳体体相相连连，可可自自由由沿沿管管长长方方向向浮浮动动。当当壳壳体体与与管管束束因因温温度度不不同同而而引引起起热热膨膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。第77页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle78 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 特点：特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。图图4-25 4-25 内浮头式换热器内浮头式换热器第78页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle79 传热设备（换热器）间壁式换热器的类型间壁式换热器的类型 固固定定在在同同一一管管板板上上，每每根根管管子子可可自自由由伸缩，来解决热补偿问题。伸缩，来解决热补偿问题。（3 3）U U型管式型管式 图图4-26 U4-26 U型管式换热器型管式换热器 特特点点：结结构构较较简简单单，管管程程不不易易清清洗洗，常常为为洁洁净净流流体体，适适用用于于高高压压气体的换热。气体的换热。第79页，本讲稿共93页19 二月 2023Process System principle80 传热设备（换热器）管壳式换热器的设计与选用管壳式换热器的设计与选用 1 1、选用步骤、选用步骤 （1 1）根据工艺任务，计算热负荷；）根据工艺任务，计算热负荷；（2 2）计算平均温度差；）计算平均温度差；先按单壳程多管程的计算，如果校正系数先按单壳程多管程的计算，如果校正系数 0.80.50.53 315150.50.50.30.3115 53030一般液体一般液体宜结垢液体宜结垢液体气体气体壳程壳程管程管程流速流速 m/s m/s流体种类流体种类 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：0.60.60.750.751.11.11.51.51.81.82.42.41500150010001000500500500500100100100100535335351 111最大流速最大流速m/sm/s液体粘度液体粘度mPa.smPa.s 不不同同粘粘度度液液体体在在列列管管换换热热器器中流速（在钢管中）：中流速（在钢管中）：流动方式的选择：流动方式的选择：除除逆逆流流和和并并流流之之外外，在在列列管管式式换换热热器器中中冷冷、热热流流体体还还可可以以作作各各种种多多管管程程多