高职高专化工原理教学-传热-换热器课件.pptx

1、复习复习v1、热传导、热传导v2、热对流、热对流v3、间壁式传热过程、间壁式传热过程v4、传热总速率方程、传热总速率方程分类分类:按用途：按用途：加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器 按传热特征按传热特征 直接接触式：直接接触式：冷、热流体直接混合冷、热流体直接混合 蓄热式：蓄热式：4.6 换热器换热器间壁式：间壁式：冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触冷流体热流体热流体冷流体 蓄热式换热器示意图 1、夹套式换热器、夹套式换热器 结构及用途结构及用途：在容器在容器外壁安装夹套制成。主要外壁安装夹套制成。主要用于用于反应

2、过程反应过程的加热或冷的加热或冷却。却。优点：优点：结构简单结构简单 缺点：缺点：传热面受容器传热面受容器壁面限制，传热系数小。壁面限制，传热系数小。为提高传热系数，可在釜为提高传热系数，可在釜内内安装搅拌器安装搅拌器。2、沉浸式蛇管换热器、沉浸式蛇管换热器 结构：结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。蛇 管 的 形 状 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：由于容器体积比管子的体积大得多，因此管由于容器体积比管子

3、的体积大得多，因此管外流体的对流传热系数较小。外流体的对流传热系数较小。为提高传热系数，容器为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。内可安装搅拌器。3、喷淋式换热器、喷淋式换热器 结构：结构：将蛇管成排地将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷匀淋下，故又称喷淋式冷却器。却器。4、套管式换热器、套管式换热器 优点：优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，传热系数大，种则在套管间的环隙中通过。流速高，

4、传热系数大，逆流流动，平均温差最大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，结构简单，能承受高压，应用方便。应用方便。缺点：缺点：介质流量较小，热负荷不大。介质流量较小，热负荷不大。5、列管式换热器、列管式换热器 列管式换热器又称为列管式换热器又称为管壳式换热器管壳式换热器，是最典型的间，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，应用广泛。壁式换热器，历史悠久，应用广泛。优点：优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，操作弹性大，大型装置中普遍采用。大型装置

5、中普遍采用。常见的类型有：常见的类型有：固定板式换热器、固定板式换热器、U形管换热器、形管换热器、浮头式换热器。浮头式换热器。（1）列管式换热器的结构）列管式换热器的结构 结构：结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流一种流体在管内流动，其行程称为体在管内流动，其行程称为管程管程；另一种流体在管外；另一种流体在管外流动，其行程称为流动，其行程称为壳程壳程。管束的壁面即为传热面。管束的壁面即为传热面。管束结构管束结构结构示意结构示意 单程：单程：流体在管内每通过管束一次流体在管内每通过管束一次 一管程一管程 流体在管外流体在管外每通过壳体一次每通过壳体一次

6、一壳程一壳程 多程：多程：多管程：多管程：封头内设置分程封头内设置分程隔板，隔板，单管程单管程多管程多管程 多壳程：多壳程：相当于相当于单壳程串联单壳程串联，传热面积，传热面积增大增大单管程固定管板换热器t1t2T1T2双管程固定管板换热器双管程固定管板换热器单双AA21ndAi24单LdnAA0单双流通截面积：流通截面积：传热面积：传热面积：管程数管程数，流通截面积流通截面积，管内流速管内流速，i，可，可强化传热强化传热单管程换热器管、壳程流体流动单管程换热器管、壳程流体流动双管程换热器内的流体流动双管程换热器内的流体流动常用形式常用形式：弓形、圆盘形弓形、圆盘形折流挡板折流挡板作用：作用：

7、提高壳程流体湍动程度提高壳程流体湍动程度(Re100 湍流湍流),),增大增大0 0，强化传热。，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起体起支撑作用支撑作用。代价：代价：壳体阻力壳体阻力，系统动力消耗，系统动力消耗 弓形弓形圆盘形圆盘形单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动（2）分类及特点分类及特点 管、壳温度不同，管、壳温度不同，产生热应力，当产生热应力，当t50时时，管，管弯曲、断裂或管板变形，为此，采用各种补偿办法消除弯曲、断裂或管板变形，为此，采用各种补偿办法消除或减小热应力。或减小热应力。固定管

8、板式固定管板式 安装膨胀节安装膨胀节U形管式形管式 本身具有补偿能力本身具有补偿能力浮头式浮头式 本身具有补偿能力本身具有补偿能力根据所采取的温差补偿措施，根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：列管式换热器可分为：a）固定管板式换热器）固定管板式换热器特点：特点：结构简单，成本低，可能结构简单，成本低，可能产生较大的热应力产生较大的热应力，壳程不易机械清洗；壳程不易机械清洗；适用：适用：壳程流体不易结垢或容易化学清洗，壳体与传壳程流体不易结垢或容易化学清洗，壳体与传 热管壁温度之差小于热管壁温度之差小于50 C，否则加膨胀节。，否则加膨胀节。单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器b）

9、U形管换热器形管换热器特点：特点：具有具有温度补偿温度补偿作用，管程不易清洗。作用，管程不易清洗。适用：适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。的流体。结构结构:U U型管换热器内的流体流动型管换热器内的流体流动 c）浮头式换热器）浮头式换热器 结构结构:特点：特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、成本高，但应用广泛。成本高，但应用广泛。6、其他类型换热器、其他类型换热器（1）各种板式换热器）各种板式换热器优点：优点：传热系数大、结构紧凑、操作灵活性大、金属材传热系数大、结构紧凑、操作

10、灵活性大、金属材料消耗量低、加工容易、检修清洗方便。料消耗量低、加工容易、检修清洗方便。缺点：缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。量不大。螺旋板式换热器螺旋板式换热器（2）热管换热器）热管换热器新型传热元件新型传热元件热热 管管优点：优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠适用：适用：尤其适用于某些等温性要求较高的场合尤其适用于某些等温性要求较高的场合 二、二、列管式换热器的设计和选用列管式换热器的设计和选用 要求：要求：根据生产任务设计或选择合适的换热器根据生产任务设计或选择合适的

11、换热器 (计算计算传热面积传热面积，确定管、壳程数确定管、壳程数，管规格、管排布管规格、管排布等等）1、列管式换热器设计和选用应考虑的问题、列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (1)选择流程选择流程 一般原则：不洁净或易结垢的液体、腐蚀性流体一般原则：不洁净或易结垢的液体、腐蚀性流体 压力高的流体压力高的流体 走管程走管程饱和蒸汽、流量小而粘度大的流体、对饱和蒸汽、流量小而粘度大的流体、对流传热系数大的流体、需要冷却的流体流传热系数大的流体、需要冷却的流体走壳程走壳程(2)流速的选择流速的选择 流速影响对流传热系数和污垢热阻的大小。流速影响对流传热系数和污垢热阻的大小。流速减小，流速减小，流体

12、中颗粒流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路沉积，甚至堵塞管路 流速增大，流体阻力增大。流速增大，流体阻力增大。（表（表4-12、4-13）(3)流动方式的选择流动方式的选择 对于同样的进、出口条件，传热量相同，对于同样的进、出口条件，传热量相同，A逆逆A并并 管程或壳程管程或壳程，对流传热系数，对流传热系数，但同时流动阻力，但同时流动阻力，tm，应权衡确定，应权衡确定(4)换热管规格和排列的选择换热管规格和排列的选择 换热管规格：换热管规格：等，5.2382252195.225管子长度：管子长度：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m64DL一般情况下：(5)折流挡板折流挡板管子在管板上的排列：管

13、子在管板上的排列：挡板间距：一般取壳体内径的挡板间距：一般取壳体内径的0.21.0倍倍正三角形排列正三角形排列正方形排列正方形排列正三角形错列正三角形错列挡板切除对流动的影响挡板切除对流动的影响2、流体通过换热器时阻力的计算、流体通过换热器时阻力的计算（1）管程阻力）管程阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。piiNfppp)(21管程总阻力：221iiudlp每程直管阻力：2322iup每程回弯阻力：5.12194.15.225iitffF结构校正系数，3PiNp 说明：（2）壳程阻力）壳程阻力 对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，对于壳程阻力的

14、计算，由于流动状态比较复杂，计算公式多，计算结果相差较大。计算公式多，计算结果相差较大。埃索法：埃索法：ssiposNFppp)(壳程总阻力：212oBTCoouNNFfp）（管束阻力：225.32oBpiuDBNp）（折流板缺口阻力：3)1(Bpo说明：表表4-14 列管式换热器允许的压降范围列管式换热器允许的压降范围3、管壳式换热器设计和选用的计算步骤、管壳式换热器设计和选用的计算步骤（1）初选换热器的规格尺寸）初选换热器的规格尺寸 初步选定换热器的流动方式，保证温差初步选定换热器的流动方式，保证温差校正系数校正系数大于大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。，否则应改变流动方式，重新计

15、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，根据经验估计总传热系数计总传热系数K估估，初估传热面积，初估传热面积A估估。选取管程适宜流速，估算管程数，并根据选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估估的数的数值，确定换热管直径、长度及排列。值，确定换热管直径、长度及排列。（2）计算管、壳程阻力）计算管、壳程阻力 计算管、壳程流速和阻力，判断是否合理。计算管、壳程流速和阻力，判断是否合理。（4）计算传热面积并求裕）计算传热面积并求裕度度 一般应使所选用或设计的实际传热面积一般应使所选用或设计的实际传热面积AP大于需大于需要的传热面积要的传热面积A0 20%左右为宜，左右

16、为宜，即裕度为即裕度为20%左右。左右。裕度的计算式为：裕度的计算式为：%10000AAAHP（3）核算总传热系数）核算总传热系数 求出总传系数求出总传系数K计计，并与估算时所取用的传热系数，并与估算时所取用的传热系数K估估进行比较。如果相差较多，应重新估算。进行比较。如果相差较多，应重新估算。三、三、换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径mtKAQ 强化方法：强化方法：提高提高K、A或或tm 目目 的：的：传热面积传热面积，使设备费用降低，使设备费用降低1、提高、提高K值值000000111smisiiiRddddRddK（1）降低污垢热阻）降低污垢热阻（2）提高对流传热系数）提高对流传热

17、系数 若若i 0，提高，提高小小(i)的一侧的一侧 两侧两侧相近，应同时提高两侧流体的相近，应同时提高两侧流体的 提高对流传热系数提高对流传热系数的方法的方法 无相变传热无相变传热 a）提高管内流速提高管内流速2.08.0iidCu2.08.0iiidu，8.00uKii，则如果npiiiCudd8.0023.0缺点：缺点：流动阻力流动阻力，动力消耗，动力消耗，操作费用操作费用 经济优化：经济优化：选择选择适宜流速，适宜流速，使总费用最低使总费用最低优点：优点：总传热系数总传热系数，传热面积，传热面积，设备投资费设备投资费流速流速非工艺物流：非工艺物流：流量流量工艺物流：工艺物流：流通截面积流

18、通截面积 壳程：壳程：折流挡板数折流挡板数管程：管程：单管程单管程 双双(多多)管程管程 b）制造人工粗造表面）制造人工粗造表面促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热c）加设扰流元件）加设扰流元件 管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片；增强湍管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片；增强湍动，破坏层流底层。动，破坏层流底层。有相变传热有相变传热 冷凝冷凝：1）采用滴状冷凝）采用滴状冷凝 2）及时排放不凝气体）及时排放不凝气体 3）气、液流向一致）气、液流向一致 4）合理布置冷凝面）合理布置冷凝面 5）利用表面张力）利用表面张力（沟槽（沟槽，金属丝），金属丝）沸腾：沸腾

19、：1）保持核状沸腾）保持核状沸腾 2）制造人工表面，增加汽化核心数）制造人工表面，增加汽化核心数 2、提高传热推动力、提高传热推动力 限制：限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动 适用：适用：一侧为公用工程物流一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水加热蒸汽、冷凝水)时，时，其进口温度可调。其进口温度可调。例：例：提高冷却水用量提高冷却水用量 tc2，tm 提高加热蒸气压力提高加热蒸气压力 P ，ts ，tm 蒸发、闪蒸蒸发、闪蒸P ，ts ，tm 3、增加传热面积、增加传热面积 改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积 如采用：如采用：不同异形管不同异形管 开槽及加翅片开槽及加翅片折流形式折流形式多孔、高效传热面多孔、高效传热面纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管 缩放管 小结小结v1、理解列管式换热器的结构、特点、工艺计、理解列管式换热器的结构、特点、工艺计算及选型算及选型v2、了解其他类型换热器的结构和特点、了解其他类型换热器的结构和特点v3、理解强化传热的途径、理解强化传热的途径