（中职）化工生产单元操作传热教学课件.ppt

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1、（中职）化工生产单元操作传热教学课件热量传递传热设备传热操作训练传热计算传热方式单元操作2 传热21、了解传热基本方式、换热器及其在化工生产中的应用；2、理解传热效果影响因素、常用换热器工作原理、和传热计算公式；3、掌握强化传热过程的基本方法、换热器的设计计算、使用与维护等知识。单元操作2 传热3任务1 了解传热现象4任务1 了解传热现象一、传热的概念 传热是因存在温差而发生的热能的转移。传递热量的单位为J（焦耳）。传热是一种复杂现象。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。5任务1 了解传热现象二、传热的基本方式 物体的传热过程分为三种基本传热模式，即:热传

2、导、热对流和热辐射。热对流热传导热辐射61.热传导 指在物质在无相对位移的情况下，物体内部具有不同温度、或者不同温度的物体直接接触时所发生的热能传递现象。任务1 了解传热现象7 对流传热，又称热对流，是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热。2.热对流任务1 了解传热现象8任务1 了解传热现象3.热辐射 热辐射，是一

3、种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。它不依赖任何外界条件而进行，是在真空中最为有效的传热方式。不管物质处在何种状态（固态、气态、液态或者玻璃态），只要物质有温度（所有物质都有温度），就会以电磁波的形式向外辐射能量。9任务2 认识各种类型换热器 热量交换被广泛地应用在化学工业生产中，而且换热任务不同时采用的换热设备也是不同的。10任务2 认识各种类型换热器一、换热器的概念和种类 用于流体间热量传递的设备就叫做换热器，它是广泛应用于化工、石油工业、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器种类很多，但根据冷

4、、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。11任务2 认识各种类型换热器二、间壁式换热器 若冷、热流体在进行热量交换时，生产要求不允许冷、热流体混合在一起，那么就要采用间壁式换热器。这种换热器的管壁将冷、热流体隔开，热量只能通过壁面进行交换。此类换热器可以使冷、热流体互不接触、不混合。间壁式换热器以套管式换热器和列管式换热器为代表。121.套管换热器 简单来说套管换热器就是用一根大直径管套一根小直径管，如图展示的内管和外管，一种流体在内管中流动，另一种流体在大直径管和小直径管之间的环隙中流动，热量是通过内管壁从热流体传递给了冷

5、流体。任务2 认识各种类型换热器13 套管换热器结构很简单，易于维修和清洗，并能适用于高温、高压的流体。如果工艺条件变动，可以改变套管的根数，以增减传热的负荷。适当地选择外管和内管的直径，使内管和外管之间的环隙截面积变小，使冷、热流体的流速较大，而且保证了冷、热流体是严格的逆流状态，这有利于传热。任务2 认识各种类型换热器142.列管换热器 又称为管壳式换热器，由壳体、换热管、管板、折流板等部件组成。壳体多为圆筒形，内装有许多换热管，换热管的两端固定在管板上。进行换热的冷、热流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。换热管的壁面就是传热面，冷、热流体的热量就是通过壁面

6、进行传递的。任务2 认识各种类型换热器15 列管换热器的主要部件就是换热管，它的作用主要是：为流体提供流动的通道，并将冷、热流体间隔开；因为流体间传出或接受热量都是通过换热管的壁面来完成的，因此大量的换热管为完成换热任务提供了足够的换热面积。任务2 认识各种类型换热器16 流体进入壳体后，在折流板间上下流动，流过所有折流板。想一想：壳程流体的这种流动方式对换热效果有什么影响吗？任务2 认识各种类型换热器17 列管式换热器制造容易，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。任务2 认识各种类型换热器18任务2 认识各

7、种类型换热器三、混合式换热器 对于某些传热过程，例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可采用将热、冷流体直接混合的方式进行热量交换。此时采用的就是混合式换热器。常见的有凉水塔和混合式冷凝器，还有洗涤塔、文氏管等。直接混合式换热器传热效果好，设备结构简单，传热效率高。19任务2 认识各种类型换热器20任务2 认识各种类型换热器四、蓄热式换热器 又称回流式换热器或蓄热器。冷、热流体借助于蓄热器内的蓄热体进行换热。21任务2 认识各种类型换热器 首先是热流体进入换热器与蓄热体接触，并将热量传递给固体蓄热体，蓄热体温度升高，热流体流出；然后冷流体进入换热器与蓄热体接触，固体蓄热体又将热量传给冷流体，蓄热体温

8、度下降，从而达到冷、热流体换热的目的。蓄热器内蓄热体是一种热容量比较大的固体物质，常用的有耐火砖等。22任务3 学习热量计算方法实例：如图所示，在一台套管换热器中硝基苯与冷却水的换热过程，从图中可以看出，硝基苯的温度从360K 降至320K，冷却水的温度从288K 升至303K，硝基苯的流量是2500kg/h，比热容是1.47kJ/kgK。请计算：硝基苯在被冷却的过程中放出了多少热量？要将硝基苯放出的热量带走，需要用多少冷却水呢？23（1）热量计算式：o 式中：Q-热量，单位是W 或J/s；G-质量流量，单位是kg/s；Cp-平均比热容，单位是kJ/(kg.K)；T1、T2冷流体或热流体的进口

9、和出口温度，单位是K。任务3 学习热量计算方法24任务3 学习热量计算方法（2）分析硝基苯的已知条件 硝基苯的质量流量 G=kg/h，比热容 CP 硝基苯=kJ/kgK，硝基苯的进口温度T 进=K，出口温度 T 出=K。（3）计算硝基苯传出的热量 Q=X1.47X（）=kJ/h25任务3 学习热量计算方法（4）分析水的已知条件 水的进口温度 T 进=K，出口温度T 出=K。（5）计算水的平均比热容 水的平均温度 查附录水的物理性质表得到 26任务3 学习热量计算方法（6）计算冷却水的用量 根据换热原理，在不考虑热损失的情况下，硝基苯传出的热量全部给了冷却水，也就是说冷却水得到的热量等于硝基苯传

10、出的热量。仍然可以用热量计算式来计算冷却水得到的热量。冷却水得到的热量：因为：Q 冷=Q 热=kJ/h（注意单位）冷却水的用量 kg/h27任务4 学习换热器传热速率计算方法 在工程中将一定的时间内所能交换的热量称之为换热器的传热速率，以符号Q 表示，单位是J/s 或者W。根据生产任务选择换热器时，需要知道换热器的传热速率。传热速率 式中：Q-换热器的传热速率，J/s 或W;K-传热总系数，kJ/sm2;A-传热面积，m2；tm-冷热流体的有效温度差，K。28任务4 学习换热器传热速率计算方法实例：2500kg/h 的硝基苯，温度从360K 降至320K，传出的热量是40833.3J/s。现有

11、一台换热器，其传热总系数为68W/（m2.k），传热面积为25m2，冷热流体的有效温度差为42K。请你核算一下这台换热器能否按要求将硝基苯冷却？29任务4 学习换热器传热速率计算方法 计算向导：（1）计算公式 换热器的传热速率计算式：（2）分析已知条件 传热总系数 Q=68 W/（m2.k）；传热面积 A=m2；有效温度差 tm 为 K。（3）计算传热速率=X25X=J/s（4）分析换热器的传热能力 该换热器的传热速率为Q=72080 J/s，硝基苯冷却要放出的热量Q=40833.3J/s，可知该换热器的传热速率大于生产任务（热负荷），所以该换热器能按要求将硝基苯冷却。30任务5 学习有效温度

12、差的计算方法 从传热速率计算式 中可以看出，有效温度差越大，在相同的时间内交换的热量就越多，传热速率也就越大，而冷、热流体在换热器中的流动方向对有效温度差会产生直接的影响。31任务5 学习有效温度差的计算方法 一、并流和逆流时的有效温度差实例：用间壁式换热器加热原油，原油在环隙间流动，进口温度为120，出口温度为160，热机油在管内流动，进口温度为245，出口温度为175，请计算原油和热机油在逆流和并流时的有效温度差，并比较哪种流动会使有效温度差更大。32任务5 学习有效温度差的计算方法 计算向导：(1)间壁式换热器有效温度差计算式 式中温度差t1 和t2 与流体流动的方向有关，换热过程中常见

13、的流动方向有并流、逆流和错流等，流动方向不同时，得出的有效温度差是不相同的。33任务5 学习有效温度差的计算方法(2)分析已知条件 热机油的进口温度T1=245；出口温度T2=175 原油的进口温度t1=120；出口温度t2=160(3)计算原油和热机油在并流时有效温度差 在传热过程中，当冷热流体的流动方向相同时称为并流流动。并流时：t1=245-120=125 t2=175-160=15 34任务5 学习有效温度差的计算方法(4)计算原油和热机油在逆流时有效温度差 在传热过程中，当冷热流体的流动方向相反时称为逆流流动。逆流时：t1=-=85 t2=175-120=55 35任务5 学习有效温

14、度差的计算方法36任务5 学习有效温度差的计算方法(5)比较有效温度差 计算得到：并流时tm=52，逆流时tm=69，所以逆流时有效温度差会更大。上述计算说明了流体流动方向对有效温度差的影响，逆流时有效温度差较大，而并流时有效温度差较小，即tm 逆tm 并，所以要提高传热速率，应当采用逆流的方式。37任务5 学习有效温度差的计算方法知识学习：逆流操作的局限性。由分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中多采用逆流操作。但是在某些生产的要求下，只能采用并流操作。逆流操作还有一个优点是节省加热介质或冷却介质的用量。38任务5 学习有效温度差的计算方法二、错流和折流时有效温度差的计算 工业生产中不经常采

15、用错流和折流传热过程，这两种情况下的平均传热温度差可当成逆流过程进行计算，再进行校正即可。一般来说它们的平均温度差要小于逆流。式中：t 逆-按逆流计算的有效温度差；-温度差校正系数，1。39任务5 学习有效温度差的计算方法40任务6 学习强化传热过程的方法 在传热过程中，流体的流动方向能影响传热的效果，还有换热器的传热面积、材质、流体的流动型态等也都对传热速率有影响。强化传热过程，就是提高冷、热流体间的传热速率。从传热速率方程 中不难看出，增大传热系数K、传热面积S 或平均温度差tm 都可以提高传热速率Q。41任务6 学习强化传热过程的方法一、增大单位体积的传热面积 增大传热面积，可以提高传热

16、速率。但应指出，增大传热面积不应靠加大设备的尺寸来实现，而应从设备的结构来考虑，提高其紧凑性，即提高单位体积的传热面积。1 改进传热面的结构 改变换热面形状可以提高单位体积的传热面积，例如用螺纹管、波纹管代替光滑管，或者采用翅片管换热器、板翅式换热器及板式换热器等，都可增加单位体积设备的传热面积；还有用小直径管子代替大直径管子、用椭圆管代替圆管等。2 改变表面状况 可采用的方法有增加粗糙度；改变表面结构；表面涂层。42任务6 学习强化传热过程的方法二、增大有效温度差 增大有效温度差，可以提高传热速率。而有效温度差的大小主要取决于两种换热流体的温度条件。一般来说流体的温度为生产工艺条件所规定，可

17、变动的范围是有限的。当换热器中两侧流体均变温时，采用逆流操作可得到较大的有效温度差。螺旋板式换热器和套管式换热器可使两流体作严格的逆流流动。三、增大总传热系数 增大总传热系数，也可以提高传热速率。1/K 为传热过程的总热阻，它是传热过程所有热阻之和，包括固体传热面的热阻、对流传热热阻、污垢热阻等。由此可见，要提高K 值，就必须减小各项热阻。43任务6 学习强化传热过程的方法减小热阻的方法有:1 增大流速，以强化流体湍动的程度，减小对流传热的热阻，可采取的措施有：增加列管换热器的管程数和壳程中的挡板数，均可提高流速或湍动程度；板式换热器的板面压制成凹凸不平的波纹，流体在螺旋板式换热器中受离心力的

18、作用，均可增加湍动程度；在管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片等添加物，亦可增强湍动，而且有破坏滞流底层的作用；采用旋转流动装置；采用射流方法喷射传热表面。44任务6 学习强化传热过程的方法2 防止结垢和及时地清除垢层，以减小污垢热阻。例如，增加流速可减弱污垢的形成和增厚；易结垢的流体在管程流动，以便于清洗；采用机械或化学的方法或采用可拆卸换热器的结构，以便于清除垢层。3 使用添加剂改变流体物性。流体热物性中的导热系数和容积比热对换热系数的影响较大。在流体内加入一些添加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到强化传热的效果。气流中添加少量固体颗粒；在蒸汽或气体中喷入液滴。45任务6 学习强化传热过程的

19、方法4 改变能量传递方式。由于辐射换热与热力学温度4 次方成比例，一种在流道中放置“对流-辐射板”的增强传热方法正逐步得到重视。5 靠外力产生振荡，强化换热。用机械或电的方法使传热面或流体产生振动；对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压缩和膨胀，以增加脉动；外加静电场，对流体加以高电压而形成一个非均匀的电场，静电场使传热面附近电介质流体的混合作用加强，强化了对流换热。46任务6 学习强化传热过程的方法四、换热器中流体流程的选择 流体在换热管内流动时称为管程流体，而在管间环隙流动时则称为壳程流动根据生产实践的总结以下几点有利于传热过程的进行。对固定管板式换热器：1 不洁净和易结垢的流体宜走管

20、内，以便于清洗管子；2 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修；3 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压；4 饱和蒸汽适宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大；5 被冷却的流体适宜走管间，可利用外壳向外47任务6 学习强化传热过程的方法散热，以增强冷却效果；6 需要提高流速以增大对流传热系数的流体适宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，而且采用多管程增大流速后可提高对流传热系数；7 粘度大的液体或流量较小的流体，适宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在较低流速下即可达到湍流，达到提高对流传热系数的作

21、用。在选择流体流道时，上述几点通常都不能同时兼顾，应针对视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便做出恰当的选择。48任务6 学习强化传热过程的方法五、隔热保温技术 绝热技术又称隔热保温技术，对于减少热力设备的热损失、节约能源具有显著的经济效益。在新技术领域，绝热技术对于实现某些特殊过程具有特别重大的意义。隔热保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、建筑及航空航天等许多工业部门的过程实施、节约能源、提高经济效益等问题，目前已发展成为传热学应用技术中的一个重要分支。强化传热的途径是多方面的。但对具体的传热过程，应作具体分析，即考虑影响强化传热的主要矛盾，还应结合设备结构、动力消耗、检修操作等予以全面考虑，采取经济而合理的强化传热的方法。49任务6 学习强化传热过程的方法50