傳熱原理及傳熱設備

1、LOGO化工基礎知識培訓化工基礎知識培訓傳熱原理及傳熱設備培訓目標培訓目標 概述概述 熱傳導熱傳導 對流傳熱對流傳熱 傳熱基本方程式和傳熱過程計算傳熱基本方程式和傳熱過程計算 換熱器換熱器目錄目錄Company name培訓目標培訓目標1、理解傳熱過程的基本概念，熟知傳熱的基本方式。2、掌握熱傳導的規(guī)律，理解熱導率的意義。3、掌握對流傳熱的規(guī)律，了解對流傳熱膜系數(shù)的因素。4、掌握傳熱基本方程。 5、掌握傳熱操作的基本原理,知道工業(yè)上常用的換熱器。Company name培訓目標培訓目標v6、會根據(jù)要求選擇流體的流動方向，熟知強化傳熱效果的途徑及措施。v7、掌握間壁式換熱器的結構和特點，了解其它

2、常用換熱器的結構特點，會選用換熱劑。v8、了解常用換熱器的操作要點和常見事故的處理措施。Company name5.1概述概述v5.1.1傳熱在化工生產中的應用v傳熱是重要的單元操作過程之一，傳熱的目的主要有以下幾方面：v（1）加熱、冷卻或冷凝。使物料達到指定的溫度v（2）換熱，以回收利用熱量或冷量。v（3）保溫，以減少熱量或冷量的損失。Company name5.1概述概述v 化工生產中遇到的傳熱問題通常有以下兩類：一類是要求強化傳熱，提高某一換熱設備的傳熱速率，減少設備的尺寸，降低設備費用；另一類是削弱傳熱，以減少熱損失，如高溫設備、低溫設備及管道的保溫隔熱等，要求傳熱速率越低越好。Com

3、pany name5.1概述概述v5.1.2傳熱的基本方式v傳熱的基本方式有三種：熱傳導、對流和輻射。v（1）熱傳導（簡稱導熱）v是指熱量從物體的高溫部分向同一物體的低溫部分傳遞，或從一個高溫物體向與其直接接觸的低溫物體傳遞的過程。在熱傳導過程當中，沒有物質的宏觀位移。固體、靜止的流體或氣體的傳熱屬于導熱，在層流流體中，傳熱方向與流向垂直時也是熱傳導。Company name5.1概述概述v（2）對流傳熱（簡稱對流）v是指在流體中各部分質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞。對流傳熱過程中往往伴有熱傳導。v 化工生產中通常將流體和固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱；若流體的運動是由于受到外力的作用所引起

4、的，稱為強制對流；若流體的運動是由于流體內部冷、熱部分的密度不同而引起的，則稱為自然對流。強制對流傳熱效果好。Company name5.1概述概述v（3）輻射傳熱（熱輻射）v是指因熱的原因而產生電磁波進行傳遞能量的過程。物體將熱能以電磁波的形式向外界輻射，當被另一物體部分或全部接受后，又重新轉變?yōu)闊崮堋］椛鋫鳠岵恍枰橘|，物體溫度越高，熱輻射傳遞的熱量越多。v 事實上傳熱過程往往不是以某種傳熱方式單獨存在的，而是上述兩種或三種傳熱方式的組合。Company name5.1概述概述v5.1.3穩(wěn)定傳熱和非穩(wěn)定傳熱v 在傳熱過程中，各點的溫度只隨位置變化而不隨時間變化的過程稱為穩(wěn)定傳熱。v 若在

5、傳熱過程中，各點的溫度除隨位置變化外還隨時間變化的過程稱為非穩(wěn)定傳熱。v 化工生產中多為連續(xù)操作過程，屬于穩(wěn)定傳熱。Company name5.1概述概述v5.1.4 熱載體及其選擇v在傳熱過程中，為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給或取走熱量，參與傳熱的流體稱為載熱體。溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體；溫度較低而吸收熱能的載熱體稱為冷載熱體。起加熱作用的載熱體稱為加熱劑，起冷卻或冷凝作用的載熱體稱為冷卻劑或冷凝劑。Company name5.1概述概述v在選擇載熱體時應考慮以下幾個方面的因素：v（1）載熱體的溫度易于調節(jié)。v（2）載熱體的飽和蒸汽壓較小，加熱時不會分解。v（

6、3）載熱體毒性要小，使用安全，對設備無腐蝕或腐蝕性很小。v（4）載熱體的價格低廉且容易得到。v通常，在溫度不超過180的條件下，飽和蒸汽是最適宜的加熱劑，而當溫度不很低時，水和空氣是最適宜的冷卻劑。Company name5.2熱傳導熱傳導v5.2.1熱傳導基本規(guī)律t1t2AQ圖5-1 單層平壁的熱傳導Company name5.2熱傳導熱傳導v圖5-1所示為一個由均勻固體物質組成的平壁，面積為A，壁厚是，壁的兩面溫度保持為t1和t2 。如果t1 t2 ，則熱量以熱傳導的方式從溫度為t1的平面?zhèn)鬟f到溫度為t2的平面。v則Q=A/( t1- t2) (5-1)v式(5-1)是熱傳導方程式。將其改

7、寫成如下形式：vQ/A=t/R,（R為導熱熱阻）。vR=/ （5-2）Company name5.2熱傳導熱傳導v 式中Q導熱速率，單位時間內傳導的熱量W；v A導熱面積，即垂直于熱流方向上的截面積，m2;v 比例系數(shù)，稱為熱導率，W/（mK）或W / （m）；v 平壁厚度， m；v t 兩壁的溫差，t= t1- t2，導熱的推動力，K；v R 導熱熱阻。v式（5-2）表明，平壁材料的熱導率越小、平壁越厚，則熱傳導阻力就越大。熱導率值越大，則物質的導熱能力越強。Company name5.2熱傳導熱傳導v5.2.2熱導率v熱導率是表示物質導熱性能的一個物性參數(shù)， 越大，導熱越快。 在數(shù)值上等于

8、單位溫度梯度、單位導熱面積、在單位時間內所傳導的熱量，其單位W（m.），熱導率的大小和物質的組成、結構、密度、溫度、濕度等因素有關，對于氣體還與壓強變化有關。Company name5.2熱傳導熱傳導Company name5.2熱傳導熱傳導1-水蒸氣 2-氧 3-二氧化碳 4-空氣 5-氮 6-氬Company name5.2.3多層平壁的熱傳導多層平壁的熱傳導v Company name5.2.3多層平壁的熱傳導多層平壁的熱傳導v對于穩(wěn)定傳熱，熱量在平壁內沒有積累，因而數(shù)量相等的熱量依次通過各層平壁，則：v工業(yè)上常遇到由多層不同材料組成的平壁，稱為多層平壁，如圖所示。假設層與層之間接觸良好

9、，即接觸的兩表面溫度相同。由于各等溫面的溫度保持恒定，仍為一維穩(wěn)態(tài)導熱，通過各層的熱流量均等于Q，則：Company name5.2.3多層平壁的熱傳導多層平壁的熱傳導 Company name5.2.3多層平壁的熱傳導多層平壁的熱傳導v由以上可見，對于多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導，其總的推動力即為總的溫度差，而總的熱阻為各層熱阻之和。這與電工學中串聯(lián)電阻的歐姆定律類似。各層的熱阻越大，則其溫度差也越大。熱傳導中溫度差與熱阻成正比。Company name5.3.1對流傳熱對流傳熱 的過程分析的過程分析v 對流傳熱是借流體質點的移動和混合而完成的，因此對流傳熱與流體流動狀況密切相關。v 當流體流過固體

10、壁面時，由于流體粘性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內存在速度梯度。當邊界層內的流動處于滯流狀況時，稱為滯流邊界層；當邊界層內的流動發(fā)展為湍流時，稱為湍流邊界層。但是，即使是湍流邊界層，靠近壁面處仍有一薄層(滯流內層)存在，在此薄層內流體呈滯流流動。滯流內層和湍流主體之間稱為緩沖層。 Company name5.3.1對流傳熱對流傳熱 的過程分析的過程分析v 由于滯流內層中流體分層運動，相鄰層間沒有流體的宏觀運動，因此在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(實際上，在滯流流動時的傳熱總是要受到自然對流的影響，使傳熱加劇)。由于流體的導熱系數(shù)較低，使

11、滯流內層內的導熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質點的劇烈混合并充滿旋渦；因此湍流主體中溫度差(溫度梯度)極小，各處的溫度基本上相同。在緩沖層區(qū)，熱對流和熱傳導的作用大致相同，在該層內溫度發(fā)生較緩慢的變化。圖53表示冷、熱流體在壁面兩側的流動情況和與流體流動方向相垂直的某一截面上的流體溫度分布情況。Company name5.3.1對流傳熱的過程分析對流傳熱的過程分析圖53 對流傳熱的溫度分布情況Company name5.3.1對流傳熱對流傳熱 的過程分析的過程分析v 由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在滯流

12、內層，因此，減薄滯流內層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。Company name5.3.2對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程v 對流傳熱是一復雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且對不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經驗方法處理。v Company name5.3.2對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程v若以熱流體和壁面間的對流傳熱為例，對流傳熱速率方程可以表示vQ= （ T- Tw) Sv式中 Q局部對流傳熱速率，W； vS傳熱面積，m2；vT換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度，；vTw換熱器的任一截面上與熱流體相接觸一側的壁面溫度，；v比

13、例系數(shù)，又稱局部對流傳熱膜系數(shù)，W(m2)。Company name5.3.3對流傳熱膜系數(shù)v對流傳熱膜系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位W/(m2)，它反映了對流傳熱的快慢，愈大表示對流傳熱愈快。v對流傳熱系數(shù)與導熱系數(shù)不同，它不是流體的物理性質，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)，反映對流傳熱熱阻的大小。例如流體有無相變化、流體流動的原因、流動狀態(tài)、流體物性和壁面情況(換熱器結構)等都影響對流傳熱系數(shù)。一般來說，對同一種流體，強制對流時的要大于自然對流時的，有相變時的要大于無相變時的。 Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱

14、過程的計算v5.4.1傳熱基本方程式v間壁式換熱器中的傳熱過程 v工業(yè)生產中冷、熱兩種流體的熱交換，大多數(shù)情況下不允許兩種流體直接接觸，要求用固體壁隔開，這種換熱器稱為間壁式換熱器。（1）熱流體通過對流傳熱將熱量傳給固體壁面；（2）固體壁內以傳導方式將熱量從高溫側傳向低溫側；（3）熱量通過對流傳熱從固體壁面?zhèn)鹘o冷流體。Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v單位時間內的傳熱量，即傳熱速率Q，與傳熱面積A及兩流體的溫度差tm成正比，為 v Q=KAtm (4-1) v式中 K-比例系數(shù)，稱為總傳熱系數(shù)，W/m2K(或W/m2)； vQ-傳熱速率

15、，J/s(或W)；vA-傳熱面 積， m2； tm-兩流體的平均溫度差，K(或)。Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v上式稱傳熱速率方程式或傳熱基本方程式，它是換熱器設計最重要的方程式。當所要求的傳熱速率Q、溫度差tm及總傳熱系數(shù)K已知時，可用傳熱速率方程式計算所需要的傳熱面積A。Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v5.4.2傳熱過程的熱量衡算v 熱負荷的確定 根據(jù)能量衡算，單位時間內熱流體放出之熱 量等于冷流體吸收的熱量（焓差法），即v 兩流體均無相變化（溫差法），則v若熱流體只有

16、相變化而無溫度的變化，例如飽和蒸氣冷凝時（潛熱法），vCompany name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v5.4.3平均溫度差的計算v冷、熱流體通過間壁的傳熱過程是熱流體與壁面的對流傳 熱，壁內的導熱和另一側壁面與冷流體的對流傳熱三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)過程。對于穩(wěn)定傳熱過程，冷、熱流體間的傳熱速率： Q=KAtm Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v1）恒溫傳熱： v2）變溫傳熱： 逆流或并流2時Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v3）錯流和折流時的

17、按逆流計算，加 以校正，即式中按逆流計算的對數(shù) 平均溫差， 溫差校正系數(shù)， =f(P，R) ， Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v5.4.4總傳熱系數(shù)Kv（1）總傳熱系數(shù)的計算v對于穩(wěn)定傳熱過程 Q1=Q2=Q3=Q 與傳熱基本方程式Q=KAtm比較得 當傳熱面為平壁時，得Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v 若傳熱壁為金屬材料，則壁阻b/較1/a1、1/a2小得多時，則b/可忽略，這時總傳熱系數(shù)可簡化成下式 v v 對以下幾種情況可以簡化 v (1) 管壁較薄或管徑較大者，即對d

18、外/d內2者，可近似取A1=A2=Am，則圓筒壁可近似當成平壁計算。 v (2) 當a1a2,且壁阻亦可忽略不計時，則 v Q= K1A1tm= a1A2tm v 同理，當a2a1，壁阻可忽略不計時，則 v Q= K2A2tm= a2Atm Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v（2）垢層熱阻v換熱器操作一段時間后，其傳熱表面常有污垢積存，使傳熱減少。此層雖不厚，但熱阻大。在計算總傳熱系數(shù)K時，污垢熱阻一般不可忽視。由于污垢層的厚度及其導熱系數(shù)不易估計，工程計算時，通常是根據(jù)經驗選用污垢熱阻。Company name5.4傳熱基本方程式和傳

19、熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v如傳熱面兩側污垢熱阻分別用Ra1及Ra2表示，對傳熱面為平壁而言，其總的熱阻為 Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v垢層的熱導率一般都比較小，即使是很薄的一層也會形成較大的熱阻。在生產上應盡量防止和減少污垢的形成，如：提高流體的流速；控制冷卻水的加熱程度，以防止有水垢析出；定期除垢等。Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v5.4.5強化傳熱的措施v(1)增大傳熱溫度差v(2）增大傳熱面積v(3）提高傳熱系數(shù)Company name5.4傳熱基

20、本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v從傳熱系數(shù)公式來看，要提高K值，就要設法提高1， 2及 ，降低b和垢層熱阻。具體有如下幾種辦法：v（1）增加湍流程度，減小層流邊界層厚度。v（2）采用熱導率較大的載熱體，可降低層流內層的熱阻，增大傳熱速率。v（3）采用有相變的載熱體，其對流傳熱膜系數(shù)較高。Company name5.4傳熱基本方程式和傳熱過程的計算傳熱基本方程式和傳熱過程的計算v（4）在流體中加入固體顆粒，利用固體顆粒的擾動作用，使對流傳熱膜系數(shù)增大；同時可減少污垢的形成，降低污垢熱阻。v（5）及時除垢，防止和減少結垢。Company name5.5.換熱器換熱器v5.5

21、.1工業(yè)換熱方式v換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位?；どa中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用甚為廣泛。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式(直接接觸式）、蓄熱式換熱器。Company name5.5.換熱器換熱器v5.5.2間壁式換熱器v（1）列管式換熱器（管殼式換熱器）v列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導作用。主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，

22、其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。 Company name5.5.換熱器換熱器v 優(yōu)點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。 常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種， 前者更為常用。 Company name5.5.換熱器換熱器v列管式換熱器在操作時，由于冷、熱兩流體的溫度不同，使外殼和管束的溫度不同，導致外殼

23、和管束的熱膨脹不同，嚴重時會算壞換熱器，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。熱膨脹補償辦法有浮頭補償、補償圈補償和U型管補償?shù)取?Company name5.5.換熱器換熱器vA、浮頭式補償v換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。 Company name5.5.換熱

24、器換熱器vB、補償圈補償v這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 Company name5.5.換熱器換熱器v為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能

25、用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。 Company name5.5.換熱器換熱器vC、U型管補償vU型管換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。 Company name5.5.換熱器換熱器v（2）蛇管式換熱器 結構：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應容器所需要的形狀，沉浸

26、在容器內，冷熱流體在管內外進行換熱。 優(yōu)點：結構簡單，價格便宜，材料適應性強、能承受高壓。 缺點：傳熱面積不大，蛇管外對流傳熱系數(shù)小。v為了強化傳熱，容器內加攪拌。 Company name5.5.換熱器換熱器v（3）夾套式換熱器 結構：夾套裝在容器外部，在夾套和容器壁之間形成密閉空間，成為一種流體的通道。 優(yōu)點：結構簡單，加工方便。 缺點：傳熱面積小，傳熱效率低。 用途：廣泛用于反應器的加熱和冷卻。 為了提高傳熱效果，可在釜內加攪拌器或蛇管和外循環(huán)。 Company name5.5.換熱器換熱器v（4）翅片管式換熱器v翅片管換熱器，是為了提高換熱效率，通常在換翅片管換熱器，是為了提高換熱效率

27、，通常在換熱管的表面通過加翅片，增大換熱管的外表面積熱管的表面通過加翅片，增大換熱管的外表面積（或內表面積），并且增強了流體的湍流程度，（或內表面積），并且增強了流體的湍流程度，使流體的對流傳熱膜系數(shù)得以提高，強化傳熱過使流體的對流傳熱膜系數(shù)得以提高，強化傳熱過程，從而達到提高換熱效率的目的（具體見圖）。程，從而達到提高換熱效率的目的（具體見圖）。Company name5.5.換熱器換熱器v（5）螺旋板式換熱器v螺旋板式換熱器是一種高效換熱器設備,適用汽汽、汽液、液液，對液傳熱。它適用于化學、石油、溶劑、醫(yī)藥、食品、輕工、紡織、冶金、軋鋼、焦化等行業(yè)。按 結構形式可分為 不可拆式（型）螺旋板

28、式及可拆式（型、型）螺旋 板式換熱器 Company name5.5.換熱器換熱器v本設備由兩張間距一定的平行薄金屬板卷制而成，形成了兩個均勻的螺旋通道，兩種傳熱介質可進行全逆流流動，大大增強了換熱效果，即使兩種小溫差介質，也能達到理想的換熱效果。v優(yōu)點：螺旋板式換熱器與一般列管式換熱器相比是不容易堵塞的，傳熱系數(shù)較大，傳熱效率高。v缺點：對焊接質量要求高，不易檢修，主要用于低壓工況（模型見圖）。 vCompany name5.5.換熱器換熱器v（6）板式換熱器v板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量熱量交換。板交換。板式換熱器是液式換熱器是液液、液液、液汽進行熱交換的理想設汽進行熱交換的理想設備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占巧、占 地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點。在相同壓