傳熱操作技術(shù)

#圖2-21溫差校正系數(shù)圖想想一想錯(cuò)流或折流的特點(diǎn)是什么？四、總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)是描述傳熱過程強(qiáng)弱的物理量，傳熱系數(shù)越大，傳熱熱阻越小，則傳熱效果越好。在工程上總傳熱系數(shù)是評價(jià)換熱器傳熱性能的重要參數(shù)，也是對傳熱設(shè)備進(jìn)行工藝計(jì)算的依據(jù)。影響傳熱系數(shù)K值的因素主要有換熱器的類型、流體的種類和性質(zhì)以及操作條件等。獲取傳熱系數(shù)的方法主要有以下幾種。（一）總傳熱系數(shù)的計(jì)算1.總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式前已述及，間壁式換熱器中，熱、冷流體通過間壁的傳熱由熱流體的對流傳熱、固體壁面的導(dǎo)熱及冷流體的對流傳熱三步串聯(lián)過程。對于穩(wěn)定傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)傳熱速率相等，過程的總熱阻等于各分熱阻之和，可聯(lián)立傳熱基本方程，對流傳熱速率方程及導(dǎo)熱速率方程得出，11 5 1（2-22） = +（2-22）KAaA入A aAii moo式（2-22）即為計(jì)算K值的基本公式。計(jì)算時(shí)，等式左邊的傳熱面積A可分別選擇傳熱面（管壁面）的外表面積Ao或內(nèi)表面積A,或平均表面積Am，但傳熱系數(shù)K必須與所選傳熱面積相對應(yīng)。若A取人。，則有K=—T e-T 3- (2-23)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"oA oA 1 ' ' o—+ o-+\o"CurrentDocument"aAAA amo同理，若A取A,,則有1K=1-^a— (2-24)\o"CurrentDocument"+ ,+ ,a AA aA\o"CurrentDocument", moo若A取Am，則有1K=—： o 7- (2-25)mAoA m-+—+m-

aAAaA

,, oo式中Ao、A,、Am——傳熱壁的外表面積、內(nèi)表面積、平均表面積，m2；Ki、Ko、Km——基于Ao、A,、Am的傳熱系數(shù)，W/(m2?K)。2.污垢熱阻的影響換熱器在實(shí)際操作中,傳熱壁面常有污垢形成,對傳熱產(chǎn)生附加熱阻,該熱阻稱為污垢熱阻。通常污垢熱阻比傳熱壁面的熱阻大得多,因而在傳熱計(jì)算中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響。影響污垢熱阻的因素很多,主要有流體的性質(zhì)、傳熱壁面的材料、操作條件、清洗周期等。由于污垢熱阻的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計(jì),因此通常選用經(jīng)驗(yàn)值,表2-8列出于一些常見流體的污垢熱阻RS的經(jīng)驗(yàn)值。表2-8常見流體的污垢熱阻‘ 流體R）（m2，K/kW）流體Ra/（m2-K/kW）水（＞50C）水蒸氣樹S水0.09優(yōu)質(zhì)不含油0.052海水0.09劣質(zhì)不含油0.09清潔的河水0.21液體未處理的涼水塔用水0.58鹽水0.172已處理的潦水塔用水0.26有機(jī)物0.172_巨處理的鍋爐用水0.26熔鹽0.086硬水、井水0.58植物油0.52氣體燃料油0.172-0.520.26-0.53豆油0.86溶劑蒸氣QJ72 焦抽1.72

設(shè)管內(nèi)、外壁面的污垢熱阻分別為RSi、RS。，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，則式(2-23)可寫為1(2-26)K=-t q-t (2-26)TOC\o"1-5"\h\zoA oA—o—+R + o-+R+aASi AA Soii m上式表明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻之和。應(yīng)予指出，在傳熱計(jì)算中，選擇何種面積作為計(jì)算基準(zhǔn)，結(jié)果完全相同。但工程上，大多以外表面積為基準(zhǔn)，除特別說明外，手冊中所列K值都是基于外表面積的傳熱系數(shù)，換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中的傳熱面積也是指外表面積。因此，傳熱系數(shù)K的通用計(jì)算式為式(2-26),此時(shí)，傳熱基本方程式的形式為Q=KoAoAtm(2-27)若傳熱壁面為平壁或薄管壁時(shí)，Ao、Ai、Am相等或近似相等，則式(2-27)+R+°+R+1SiASoao【例2-4】 有一用①25mmX2.5mm無縫鋼管制成的列管換熱器，入=45W/(m?K),管內(nèi)通以冷卻水，a=1000W/(m2-K),管外為飽和水蒸氣冷凝，a=10000W/(m2-K),污垢io熱阻可以忽略。試計(jì)算：(1)傳熱系數(shù)K；(2)將a提高一倍，其他條件不變，求K值；(3)將aio提高一倍，其他條件不變，求K值。1TOC\o"1-5"\h\z解⑴K=A OA1o+o+\o"CurrentDocument"aA AA aii mo1—0025 0.0025義0.025 1=749,0W/(m2?K)+ +1000義0.02 45 10000(2)將a提高一倍，即a/=2000W/(m2?K)ii

K,=K,=1376.7W/(m2?K)0.025 0.0025義0.025 1 + + 2000義0.02 45 10000增幅：1376.7-增幅：1376.7-749.0749.0*100%=83.8%⑶將a提高一倍，即a/=20000W/(m2?K)oo1—0.025 0.0025義0.025 1=768.4W/(m2?K) + + 1000義0.02 45 20000乂一768.4—749.0增幅： 義100%=2.5%749.0（二）總傳熱系數(shù)的現(xiàn)場測定對于已有換熱器，傳熱系數(shù)K可通過現(xiàn)場測定法來確定。具體方法如下。①現(xiàn)場測定有關(guān)的數(shù)據(jù)（如設(shè)備的尺寸、流體的流量和進(jìn)出口溫度等）；②根據(jù)測定數(shù)據(jù)求得傳熱速率Q、傳熱溫度差△tm和傳熱面積A；③由傳熱基本方程計(jì)算K值。這樣得到的K值可靠性較高，但是其使用范圍受到限制，只有與所測情況相一致的場合（包括設(shè)備的類型、尺寸、流體性質(zhì)、流動狀況等）才準(zhǔn)確。但若使用情況與測定情況相似，所測K值仍有一定參考價(jià)值。實(shí)測K值，不僅可以為換熱器計(jì)算提供依據(jù)，而且可以幫助分析換熱器的性能，以便尋求提高換熱器傳熱能力的途徑。（三）總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值在換熱器的工藝設(shè)計(jì)過程中，由于換熱器的尺寸未知，因此傳熱系數(shù)K無法通過實(shí)測或計(jì)算公式來確定。此時(shí)，K值通常借助工具手冊選取。表2-9列出了列管換熱器對于不同流體在不同情況下的傳熱系數(shù)的大致范圍，供讀者參考。表2-9列管換熱器中K值的大致范圍

熱流怵冷淡體傳熱系數(shù)KZ[W/(m2-K)]熱流體冷流體傳熱系數(shù)K4w/(m2-K)J永水850~1700低沸點(diǎn)燒類蒸?冷凝(常壓)水455-1140輕油水340~910高沸點(diǎn)燒類蒸氣冷凝(減壓)水60-170蒐油泵60-280水蒸氣冷凝水沸騰20007250氣體水17-280水蒸氣冷凝輕油沸瓣455-1020水蒸氣冷魔水1420-4250水蒸氣冷凝重油沸蹄140-425水蒸氣冷凝氣體30-300想一想想一想由表2-9可見，K值的變化范圍很大，如何從操作實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，合理地確定K值？【例2-5】在一逆流操作的換熱器中，用冷水將質(zhì)量流量為1.25kg/s的某液體［比熱容為1.9kJ/(kg-K)］從80℃冷卻到50℃。水在管內(nèi)流動，進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。換熱器的管子規(guī)格為①25mmX2.5mm,若已知管內(nèi)、外的。分別為1.70kW/(m2?K)和0.85kW/(m2-K),試求換熱器的傳熱面積。假設(shè)污垢熱阻、壁面熱阻及換熱器的熱損失均可忽略。解(1)換熱器的熱負(fù)荷Q=Qh=\Cph(TIT2)=1.25X1,9X(80-50)=71.25kW(2)平均傳熱溫度差80℃一50℃-40℃-20℃40℃30℃AtAt-At△t/=-i 2八m^Atln-iAt240—30…=34.8℃ln-30(3)傳熱系數(shù)1K1K=~~i 7"od 1o+adaiio10.025 r~ +

1.7x0.020.85=0.52kW/(m2?K)(4)傳熱面積Q71.25A=——= =4.33m2KAt 0.52x31.67m五、列管式換熱器的選型列管換熱器有系列標(biāo)準(zhǔn)，所以使用時(shí)工程上一般只需選型即可，只有在實(shí)際要求與標(biāo)準(zhǔn)系列相差較大的時(shí)候，方需要自行設(shè)計(jì)。下面僅介紹列管式換熱器的選型。（一）列管式換熱器選型時(shí)應(yīng)考慮的問題1．流動空間的選擇流體流經(jīng)管程或殼程，以固定管板式換熱器為例，一般確定原則如下。①不潔凈或易結(jié)垢的流體宜走管程，因?yàn)楣艹糖逑摧^方便。②腐蝕性流體宜走管程，以免管子和殼體同時(shí)被腐蝕，且管子便于維修和更換。③壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，以節(jié)省殼體金屬消耗量。④被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。⑤高溫加熱劑與低溫冷卻劑宜走管程，以減少設(shè)備的熱量或冷量的損失。⑥有相變的流體宜走殼程，如冷凝傳熱過程，管壁面附著的冷凝液厚度即傳熱膜的厚度，讓蒸汽走殼程有利于及時(shí)排除冷凝液，從而提高冷凝傳熱膜系數(shù)。⑦有毒害的流體宜走管程，以減少泄漏量。⑧粘度大的液體或流量小的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，流速與流向不斷改變，在低Re>100的情況下即可達(dá)到湍流，以提高傳熱效果。⑨若兩流體溫差較大時(shí)，對流傳熱系數(shù)較大的流體宜走殼程。因管壁溫接近于a較大的流體，以減小管子與殼體的溫差，從而減小溫差應(yīng)力。在選擇流動路徑時(shí)，上述原則往往不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況分析。一般首先考慮操作壓力、防腐及清洗等方面的要求。2．流速的選擇流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響傳熱膜系數(shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對含有較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表2-10、表2-11列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。表2-10列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速，m/s管程殼程一般液體0.5~30.2~1.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體5~303~15表2-11液體在列管換熱器中的流速（鋼管）3．加熱劑（或冷卻劑）進(jìn)、出口溫度的確定方法通常，被加熱（或冷卻）流體進(jìn)、出換熱器的溫度由工藝條件決定，但對加熱劑（或冷卻劑）而言，進(jìn)、出口溫度則需視具體情況而定。為確保換熱器在所有氣候條件下均能滿足工藝要求，加熱劑的進(jìn)口溫度應(yīng)按所在地的冬季狀況確定；冷卻劑的進(jìn)口溫度應(yīng)按所在地的夏季狀況確定。若綜合利用系統(tǒng)流體作加熱劑（或冷卻劑）時(shí)，因流量、入口溫度確定，故可由熱量衡算直接求其出口溫度。用蒸汽作加熱劑時(shí)，為加快傳熱，通常宜控制為恒溫冷凝過程，蒸汽入口溫度的確定要考慮蒸汽的來源、鍋爐的壓力等。在用水作冷卻劑時(shí)，為便于循環(huán)操作、提高傳熱推動力，冷卻水的進(jìn)、出口溫度差一般宜控制在5?10℃左右。4．列管類型的選擇對熱、冷流體的溫差在50℃以內(nèi)時(shí)，不需要熱補(bǔ)償，可選用結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉且易清洗的固定管板式換熱器。當(dāng)熱、冷流體的溫差超過50℃時(shí)，需要考慮熱補(bǔ)償。當(dāng)溫差校正系數(shù)中小于0.8的前提下若管程流體較為潔凈時(shí)，宜選用價(jià)格相對便宜的U形管式換熱器，反At之，應(yīng)選用浮頭式換熱能。5．單程與多程前已述及，在列管式換熱器中存在單程與多程結(jié)構(gòu)（管程與殼程）。當(dāng)溫差校正系數(shù)小于0.8時(shí)，則不能采用包括U形管式、浮頭式在內(nèi)的多程結(jié)構(gòu)，宜采用幾臺固定管板式換熱器串聯(lián)或并聯(lián)操作。6．管子規(guī)格管子的規(guī)格包括管徑和管長。列管換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中只采用①25mmX2.5mm(或①25mmX2mm)、①19mmX2mm兩種規(guī)格的管子。對于潔凈的流體，可選擇小管徑，對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，可選擇大管徑換熱器。管長則以便于安裝、清洗為原則。7．流體通過換熱器的流動阻力(壓力降)的計(jì)算列管換熱器是一局部阻力裝置，流動阻力的大小將直接影響動力的消耗。當(dāng)流體在換熱器中的流動阻力過大時(shí)，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)流量低于工藝規(guī)定的流量要求。對選用合理的換熱器而言，管、殼程流體的壓力降一般應(yīng)控制在10.13?101.3kPa。(1)管程流動阻力的計(jì)算流體通過管程阻力包括各程的直管阻力、回彎阻力以及換熱器進(jìn)、出口阻力等。通常進(jìn)、出口阻力較小，可以忽略不計(jì)。因此，管程阻力可按下式進(jìn)行計(jì)算，即EAp.=(△p1+Ap2)FtNSNp (2-28)式中Ap1——因直管阻力引起的壓力降，Pa；Ap2——因回彎阻力引起的壓力降，Pa；Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，對①25mmX2.5mm管子Ft=1.4；對①19mmX2mm的管子Ft=1.5；NS——串聯(lián)的殼程數(shù)；Np——每殼程的管程數(shù)。式(2-28)中的Ap1可按直管阻力計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算；Ap2由下面經(jīng)驗(yàn)式估算，即(Pu2)Ap2=3十 (2-29)I2)(2)殼程阻力的計(jì)算殼程流體的流動狀況較管程更為復(fù)雜，計(jì)算殼程阻力的公式很多，不同公式計(jì)算的結(jié)果差別較大。當(dāng)殼程采用標(biāo)準(zhǔn)圓缺形折流擋板時(shí)，流體阻力主要有流體流過管束的阻力與通過折流擋板缺口的阻力。此時(shí)，殼程壓力降可采用通用的埃索公式，即EApo=(Ap1＇＋Ap2＇)FSNS (2-30)其中Pu2Ap1=Ff0nc(NB+1)寸 (2-31)2h Pu2(2-32)Ap'=Nb((2-32)2B D2式中△p1——流體流過管束的壓力降，Pa；△p；——流體流過折流擋板缺口的壓力降，Pa；FS—-殼程結(jié)垢校正系數(shù)，對液體FS=1.15；對氣體或蒸汽FS=1；F——管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)，對正三角形排列F=0.5；正方形斜轉(zhuǎn)45°排列F=0.4；正方形直列F=0.3f0——流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re0=doouop/p>500時(shí)，f0=5.0Re^22NB—-折流擋板數(shù)；h——折流擋板間距，m；nc——通過管束中心線上的管子數(shù)；uo——按殼程最大流通面積A。計(jì)算的流速，m/s,Ao=h（D—ncdoo）。（二）列管式換熱器選型的步驟1．根據(jù)換熱任務(wù)，確定兩流體的流量，進(jìn)出口溫度，操作壓力，物性數(shù)據(jù)等。2．確定換熱器的結(jié)構(gòu)形式，確定流體在換熱器內(nèi)的流動空間。3．計(jì)算熱負(fù)荷，計(jì)算平均溫度差，選取總傳熱系數(shù)，并根據(jù)傳熱基本方程初步算出傳熱面積，以此作為選擇換熱器型號的依據(jù)，并確定初選換熱器的實(shí)際換熱面積S實(shí)，以及在S實(shí)下所需的傳熱系數(shù)K需。4．壓力降校核。根據(jù)初選設(shè)備的情況，計(jì)算管、殼程流體的壓力差是否合理。若壓力降不符合要求，則需重新選擇其他型號的換熱器，直至壓力降滿足要求。5．核算總傳熱系數(shù)。計(jì)算換熱器管、殼程的流體的傳熱膜系數(shù)，確定污垢熱阻，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)，6.計(jì)算傳熱面積S需，再與換熱器的實(shí)際換熱面積S實(shí)比較，若S實(shí)/S需在1.1?1.25之間（也可以用K計(jì)/K需），則認(rèn)為合理，否則需另選K選，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直至符合要求。（三）列管式換熱器的型號與規(guī)格1．基本參數(shù)列管換熱器的基本參數(shù)主要有：①公稱換熱面積SN；②公稱直徑DN；③公稱壓力pN；④換熱管規(guī)格；⑤換熱管長度L；⑥管子數(shù)量n；⑦管程數(shù)Np；等等。2．型號表示方法

列管換熱器的型號由五部分組成。Xxxxxx—XX—xxx1 2 3 4 51——換熱器代號；2 公稱直徑DN,mm；3——管程數(shù)Np,I、H、W、W；4——公稱壓力pN,MPa；5——公稱換熱面積SN,m2。例如，公稱直徑為600mm，公稱壓力為1.6MPa,公稱換熱面積為55m2,雙管程固定管板式換熱器的型號為：G600II—1.6—55,其中G為固定管板式換熱器的代號。【例2-6】某化工廠需要將50m3/h液體苯從80℃冷卻至U35℃,擬用水作冷卻劑，當(dāng)?shù)囟舅疁貫?℃,夏季水溫為30℃。要求通過管程和殼程的壓力降均不大于10kPa,試選用合適型號的換熱器。解(1)基本數(shù)據(jù)的查取_ 80+35苯的定性溫度 =57.5℃冷卻水進(jìn)口溫度取夏季水溫30℃,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),選擇冷卻水溫升為8℃,則其出口溫度為38℃水的定性溫度30+水的定性溫度30+382=34℃查得苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：p=879kg/m3；p=0.41mPa?s；cp=1.84kJ/(kg?K)；入=0.152W/(m?K)查得水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：p=995kg/m3；p=0.743mPa?s；cp=1.174kJ/(kg?K)；入=0.625W/(m?K)；Pr=4.98(2)流徑的選擇為了利用殼體散熱,增強(qiáng)冷卻效果,選擇苯走殼程,水走管程。(3)熱負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)題意,熱負(fù)荷應(yīng)取苯的傳熱量；又換熱的目的是將熱流體冷卻,所以確定冷卻水用量時(shí),可不考慮熱損失。Qh=Whcph（T1—T2）

=(50X879/3600)X1.84X(80—35)=1.01X103kW冷卻水用量1.01x1.01x103=30.25kg/sc(t—t)—4.174x(38—35)pc2 1(4)暫按單殼程、偶數(shù)管程考慮，先求逆流時(shí)的平均溫度差A(yù)t—At (80-38—(35—30)-4 2-=At

ln—iAt2ln(80-38)n(35—30)=17.4℃計(jì)算P和R—t———t——1T—t11=3二5.6338—30R=——t—t2由P和R查圖得，中加=0.82>0.8,故選用單殼程、偶數(shù)管程可行?！鱰=①△tZ=0.82X17.4=14.3℃m At m(5)選K值，估算傳熱面積參照表2-4,取K=450W/(m2?K)A=QT~計(jì)KAtmA=QT~計(jì)KAtm= =157m2450x14.3由固定管板(6)初選換熱器型號由于兩流體溫差小于50℃,可選用固定管板式換熱器,由固定管板式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)系列，初選換熱器型號為：G1000W—1.6—170。主要參數(shù)如下外殼直徑1000mm公稱壓力1.6MPa公稱面積170m2實(shí)際面積173m2管子規(guī)格425mmX2.5mm管長3000mm管子數(shù)758管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0595m2管間距32mm

采用此換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為k-QK需AAt實(shí)mk-QK需AAt實(shí)m=173X14.3 =408.3W/(m2?K)(7)核算壓降①管程壓降￡△p=(△pi+Ap2)FtNSNpFt-1.4 NS-1Np-4管程流速=0.51m/s30.25=0.51m/su二二~i0.0595x9950.02X0.51X995:1.366x1040.73x10-3對于鋼管，取管壁粗糙度￡-0.1mm￡/d=0.1/20=0.005i查圖得，入=0.037Lpu2Ap=A——-

p1d2i=0.037X3^995x(0.51)20.02x2=718.2Pa，pu2、△p2=3F=3X

I2)995x(0.51)2

2=388.2PaEAp.=(△p1+Ap2)FtNSNp=(718.2+388.2)X1.4X4=6196Pa②殼程壓降EApo=(Ap1＇+Ap2＇)FSNSFs=1.15，Ns=1pu2△p「=Ffo"JNb+1)丁D1官子為正三角形排列F=0.5,n=一-1= -1=30ct0.032L3取折流擋板間距h=0.2m,N=--1=——-1=14Bh0.2Ao=h(D－ncdo)=0.2X(1－30X0.025)=0.05m250/3600殼程流速uo=005=0.278m/sdupRe=c°oN0.025x0.278x8790.41x10-3=1.49X104fo=5.0Re。-0.228=5.0X(1.49X104)—0.228=0.559879x(0.278》=5.0X0.559X30X(1+14)X 2=4272Pa△p2,PU2

——0-2x0.2 879x(0.278)=14X(3.5——--)X =1474Pa1 2￡△po=(4272+1474)X1.15X1=6608Pa<10kPa壓力降滿足要求。(8)核算傳熱系數(shù)①管程對流傳熱系數(shù)a=0.023—Re0.8Pr0.4=0.023x0625id 0.02ix(1.366x104)0.8x(4.98)0.4=2778.6W/(m2.K)②殼程對流傳熱系數(shù)查閱相關(guān)資料，采用凱恩法計(jì)算—duP、a=0.36 (e )0.55Pr1/3o0dN w0由于換熱管采用正三角形排列4(—12-—d2)d== 4-A-e nd04(—x0.0322-—x0.0252)2 4—x0.025=0.02m0.02x0.278x8790.41x10-3=1.192X104Pr=cN—p——1.84x103x0.41x10-30.152=4.963殼程苯被冷卻，3=0.95w0.152a=0.36義 義(1.192*104)0.55義(4.963)1/3*0.950 0.02=814.7W/(m2.K)③污垢熱阻管內(nèi)外污垢熱阻分別取為Rsi=2.1X10—4(m2.K)/W,Rso=1.72X10-4(m2.K)/W④總傳熱系數(shù)忽略管壁熱阻，則TOC\o"1-5"\h\zK=t -計(jì)A 1—+R+R+—aASiSoaii o0.0252278.6義0.020.0252278.6義0.02+2.1義10-4+1.72*10-4+1814.7=463.4W/(m2.K)K463.4叱計(jì)= =1.13,因此所選換熱器是合適的。K408.3需第四節(jié)換熱器的操作一、傳熱速率影響因素分析從傳熱速率基本方程Q=KA△tm可以看出，傳熱速率與傳熱面積A、傳熱溫度差△tm以及傳熱系數(shù)K有關(guān)，因此，改變這些因素，均對傳熱速率有影響。1．傳熱面積增大傳熱面積,可以提高換熱器的傳熱速率,但是,增大傳熱面積不能靠簡單地增大設(shè)備規(guī)格來實(shí)現(xiàn),因?yàn)?這樣會使設(shè)備的體積增大,金屬耗用量增加,設(shè)備費(fèi)用相應(yīng)增加。實(shí)踐證明,從改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)入手,增加單位體積的傳熱面積,可以使設(shè)備更加緊湊,結(jié)構(gòu)更加合理,目前出現(xiàn)的一些新型換熱器,如螺旋板式、板式換熱器等,其單位體積的傳熱面積便大大超過了列管換熱器。同時(shí),還研制出并成功使用了多種高效能傳熱面,如帶翹片的傳熱管,便是工程上在列管換熱器中經(jīng)常用到的高效能傳熱管,它們不僅使熱表面有所增加,而且強(qiáng)化了流體的湍動程度，提高了。，使傳熱速率顯著提高。2．傳熱溫度差增大傳熱平均溫度差，可以提高換熱器的傳熱速率。傳熱平均溫度差的大小取決于兩流體的溫度大小及流動型式。一般來說，物料的溫度由工藝條件所決定，不能隨意變動，而加熱劑或冷卻劑的溫度，可以通過選擇不同介質(zhì)和流量加以改變。例如：用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，增加蒸汽壓力可以提高其溫度；在水冷器中增大冷卻水流量或以冷凍鹽水代替普通冷卻水，可以降低冷卻劑的溫度，等等。但需要注意的是，改變加熱劑或冷卻劑的溫度，必須考慮到技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。另外，采用逆流操作或增加殼程敷，均可得到較大的平均傳熱溫度差。3．傳熱系數(shù)增大傳熱系數(shù)，可以提高換熱器的傳熱速率。增大傳熱系數(shù)，實(shí)際上就是降低換熱器的總熱阻。式(2-27)表明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻之和。由此可見，要降低總熱阻，必須減小各項(xiàng)分熱阻。但不同情況下，各項(xiàng)分熱阻所占比例不同，故應(yīng)具體問題具體分析，設(shè)法減小占比例較大的分熱阻。一般來說，在金屬換熱器中壁面較薄且導(dǎo)熱系數(shù)高，不會成為主要熱阻。污垢熱阻是一個(gè)可變因素，在換熱器剛投入使用時(shí)，污垢熱阻很小，可不予考慮，但隨著使用時(shí)間的加長污垢逐漸增加，便可成為阻礙傳熱的主要因素。減小污垢熱阻的具體措施有：提高流體的流速和擾動，以減弱垢層的沉積；加強(qiáng)水質(zhì)處理，盡量采用軟化水；加入阻垢劑，防止和減緩垢層形成；采用機(jī)械或化學(xué)的方法及時(shí)清除污垢。當(dāng)壁面熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，式(2-27)可簡化為111一=——+ Kaaio要提高K值必須提高流體的a值。當(dāng)兩a相差很大時(shí)，例如用水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣，則1/K^1/a，此時(shí)欲提高K值，關(guān)鍵在于提高a小的那一側(cè)流體的a。若a與a較小 io為接近，此時(shí)，必須同時(shí)提高兩側(cè)的a，才能提高K值。目前，在列管換熱器中，為提高a，對于無相變對流傳熱，通常采取如下具體措施。①在管程，采用多程結(jié)構(gòu)，可使流速成倍增加，流動方向不斷改變，從而大大提高了a，但當(dāng)程數(shù)增加時(shí)，流動阻力會隨之增大，故需全面權(quán)衡；②在殼程，也可采用多程，即裝設(shè)縱向隔板，但限于制造、安裝及維修上的困難，工程上一般不采用多程結(jié)構(gòu)，而廣泛采用折流擋板，這樣，不僅可以局部提高流體在殼程內(nèi)的流速，而且迫使流體多次改變流向，從而強(qiáng)化了對流傳熱。對于冷凝傳熱，除了及時(shí)排除不凝性氣體外，還可以采取一些其他措施，如在管壁上開一些縱向溝槽或裝金屬網(wǎng)，以阻止液膜的形成。對于沸騰傳熱，實(shí)踐證明，設(shè)法使表面粗糙化或在液體中加入如乙醇、丙酮等添加劑，均能有效地提高a。二、開停車操作傳熱訓(xùn)練裝置如圖2-22。放空圖2-22傳熱裝置流程圖1-列管式換熱器；2-鼓風(fēng)機(jī)；3,4-空氣導(dǎo)管；5-孔板流量計(jì)；6-U型管壓力計(jì)；7-碟形閥；8-空氣調(diào)節(jié)擋板；9，10-溫度計(jì)；11，12-壓力表；13，14-蒸汽閥；15-疏水器；16-水分離器；17-放氣嘴1．開車步驟（1）檢查裝置上的儀表、閥門等是否齊全好用。（2）打開冷凝水閥，排放積水；打開放空閥，排除空氣和不凝性氣體，放凈后逐一關(guān)閉。（3）打開冷流體進(jìn)口閥并通入流體，而后打開熱流體入口閥，緩慢或逐次地通入。做到先預(yù)熱后加熱，防止驟冷驟熱對換熱器的壽命。通入的流體應(yīng)干凈，以防結(jié)垢。（4）調(diào)節(jié)冷、熱流體的流量，達(dá)到工藝要求所需的溫度。（5）經(jīng)常檢查冷熱流體的進(jìn)出口溫度和壓力變化情況，如有異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即查明原因，消除故障。（6）在操作過程中，換熱器的一側(cè)若為蒸汽的冷凝過程，則應(yīng)急時(shí)排放冷凝液和不凝氣體，以免影響傳熱效果。（7）定時(shí)分析冷熱流體的變化情況，以確定有無泄漏。如泄漏應(yīng)及時(shí)修理。（8）定期檢查換熱器及管子與管板的連接處是否有損，外殼有無變形以及換熱器有無振

動現(xiàn)象。若有應(yīng)及時(shí)排除。2．停車步驟在停車時(shí)，應(yīng)先停熱流體，后停冷流體，并將殼程及管程內(nèi)的液體排凈，以防換熱器凍裂和銹蝕。三、異?，F(xiàn)象及處理方法見表2-12。表2-12異?，F(xiàn)象及處理方法技能訓(xùn)練換熱器仿真實(shí)訓(xùn)技能訓(xùn)練換熱器仿真實(shí)訓(xùn)異?，F(xiàn)象原因處理方法傳熱效率下降1、列管結(jié)垢或堵塞2、管道或閥門堵塞3、不凝氣或冷凝液增多1、清理列管或除垢2、清理疏通3、排放不凝氣或冷凝液列管和脹口滲漏1、列管腐蝕或脹接質(zhì)量差2、殼體與管束溫差太大3、列管被折流板磨破1、更換新管或補(bǔ)脹2、補(bǔ)脹3、換管振動1、管路振動2、殼程流體流速太快3、機(jī)座剛度較小1、加固管路2、調(diào)節(jié)流體流量3、加固管板與殼體連接處有裂紋1、腐蝕嚴(yán)重2、焊接質(zhì)量不好3、錢殼歪斜1、鑒定后修補(bǔ)2、清理補(bǔ)焊3、找正?訓(xùn)練目標(biāo)掌握換熱器的仿真操作。?訓(xùn)練準(zhǔn)備了解工作原理、熟悉操作流程一、工作原理簡述換熱器的操作技術(shù)培訓(xùn)是很重要的基本單元操作訓(xùn)練?；どa(chǎn)中所指的換熱器，常指間壁式換熱器，它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開，熱流體將熱傳到壁面的一側(cè)（對流傳熱），通過間壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)，再由間壁的另一側(cè)將熱傳給冷流體，從而使熱物流被冷卻，冷物流被加熱，滿足化工生產(chǎn)中對冷物流或熱物流溫度的控制要求。本單元選用的是雙程列管式換熱器，冷物流被加熱后有相變化。在對流傳熱中，傳遞的熱量除與傳熱推動力(溫度差)有關(guān)外，還與傳熱面積和傳熱系數(shù)成正比。傳熱面積減少時(shí)，傳熱量減少；如果間壁上有氣膜或垢層，都會降低傳熱系數(shù)，減少傳熱量。所以，開車時(shí)要排不凝氣；發(fā)生管堵或嚴(yán)重結(jié)垢時(shí)，必須停車檢修或清洗。另外，考慮到金屬的熱脹冷縮特性，盡量減小溫差應(yīng)力和局部過熱等問題，開車時(shí)應(yīng)先進(jìn)冷物料后進(jìn)熱物料；停車時(shí)則先停熱物料后停冷物料。二、工藝流程簡介冷物流(92℃)經(jīng)閥VB01進(jìn)入本單元，由泵P101A/B,經(jīng)調(diào)節(jié)器FIC101控制流量送入換熱器E101殼程，加熱到氣145℃(20%被汽化)后，經(jīng)閥VD04出系統(tǒng)。熱物流(225℃)由閥VB11進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)泵P102A/B,由溫度調(diào)節(jié)器TIC101分程控制主線調(diào)節(jié)閥TV101A和副線調(diào)節(jié)閥TV101B(兩調(diào)節(jié)閥的分程動作如圖2-23所示)使冷物料出口溫度穩(wěn)定；過主線閥TV101A的熱物流經(jīng)換熱器E101管程后，與副線閥TV101B來的熱物流混合(混合溫度為(177±2)℃),由閥VD07出本單元，工藝流程如圖2-24所示，。圖2-23調(diào)節(jié)閥圖2-23調(diào)節(jié)閥TV101分程動作示意圖潴/挹比玨簟圖2-24換熱器仿真操作流程圖?訓(xùn)練步驟(一)冷態(tài)開車.啟動冷物流進(jìn)料泵P101A(1)確定所有手動閥已關(guān)閉，將所有調(diào)節(jié)器置于手動狀態(tài)且輸出值為0；(2)開換熱器E101殼程排氣閥VD03(開度約50%)；(3)全開泵P101A前閥VB01；(4)啟動泵P101A；(5)當(dāng)泵P101A出口壓力達(dá)到9.0atm(表)時(shí)，全開P101A后手閥VB03。2．冷物流進(jìn)料(1)順序全開調(diào)節(jié)閥FV101前后手閥VB04和VB05；再逐漸手動打開調(diào)節(jié)閥FV101；(2)待殼程排氣標(biāo)志塊由紅變綠時(shí)，說明殼程不凝氣體排凈，關(guān)閉VD03；(3)開冷物流出口閥VD04,開度為50%；同時(shí)，手動調(diào)節(jié)FV101,使FIC101指示值穩(wěn)定到12000kg/h,FV101投自動(設(shè)定值為12000kg/h)。3.啟動熱物流泵P102A(1)開管程排氣閥VD06(開度約50%)；(2)全開泵P102A前閥VB11；(3)啟動泵P102A；(4)待泵P102A出口壓力達(dá)到正常值10.0atm(表)，全開泵P102A后手閥VB10。4．熱物流進(jìn)料(1)依次全開調(diào)節(jié)閥TV101A和TV101B的前后手閥VB07、VB06、VB09、VB08；(2)待管程排氣標(biāo)志塊由紅變綠時(shí)，管程不凝氣排凈，關(guān)閉VD06；(3)手動控制調(diào)節(jié)器TIC101輸出值，逐漸打開調(diào)節(jié)閥TV101A至開度為50%；(4)打開熱物流出口閥VD07至開度50%,同時(shí)手動調(diào)節(jié)TIC101的輸出值，改變熱物流在主、副線中的流量，使熱物流溫度分別穩(wěn)定在(177±2)℃左右，然后將TIC101投自動(設(shè)定值為177℃)。(二)正常運(yùn)行熟悉工藝流程,維護(hù)各工藝參數(shù)穩(wěn)定；密切注意各工藝參數(shù)的變化情況,發(fā)現(xiàn)突發(fā)事故時(shí),應(yīng)先分析事故原因,并做及時(shí)正確的處理。(三)正常停車.停熱物流泵P102A(1)關(guān)閉泵P102A后閥VB10：(2)停泵P102A。2．停熱物流進(jìn)料(1)當(dāng)泵P102A出口壓力PI102降為0.1atm時(shí)，關(guān)閉泵P102A前閥VB11；(2)將TIC101置手動，并關(guān)閉TV101A；(3)依次關(guān)閉調(diào)節(jié)閥TV101A、TV101B的后手閥和前手閥VB06、VB07、VB08、VB09；(4)關(guān)閉E101熱物流出口閥VD07。3.停冷物流泵P101A(1)關(guān)閉泵P101A后閥VB03；(2)停泵P101A。4．停冷物流進(jìn)料(1)當(dāng)泵P101A出口壓力PI101指示＜0.1atm時(shí)，關(guān)閉泵P101A前閥VB01；（2）將調(diào)節(jié)器FIC101投手動；（3）依次關(guān)閉調(diào)節(jié)閥FV101后手閥和前手閥VB05、VB04；（4）關(guān)閉E101冷物流出口閥VD04。.換熱器E101管程排凝全開管程排氣閥VD06、管程泄液閥VD05,放凈管程中的液體（管程泄液標(biāo)志塊由綠變紅）后，關(guān)閉VD05和VD06。.換熱器E101殼程排凝全開殼程排氣閥VD03、殼程泄液閥VD02,放凈殼程中的液體（殼程泄液標(biāo)志塊由綠變紅）后，關(guān)閉VD02和VD03。?拓展型訓(xùn)練了解常見事故處理見表2-13。表2-13常見事故處理事故名稱主要現(xiàn)象處理方法FV101閥卡FIC101流量無法控制打開調(diào)節(jié)閥FV101的旁通閥VD01,并關(guān)閉其前后手閥VB04和VB05；調(diào)節(jié)VD01開度，使FIC101指示值穩(wěn)定為12000kg/h。通知維修部門泵P101A壞.泵P101A出口壓力驟降；.FIC101流量指示值急減；.E101冷物流出口溫度升高；.汽化率EVAPO.RATE增大切換為泵P101B,（關(guān)閉泵P101A,啟動泵P101B）通知維修部門泵P102A壞.泵P102A出口壓力驟降；.冷物流出口溫度下降；.汽化率EVAPO.RATE降低切換為泵P102B,（關(guān)閉泵P102A,啟動泵P102B）通知維修部門TV101A閥卡E101出口熱物流溫度和冷物流溫度波動時(shí)，F(xiàn)I101流量無法調(diào)節(jié)打開TV101A的旁通閥VD08關(guān)閉TV101A前后手閥，調(diào)節(jié)VD08開度，使冷熱物流出口溫度和熱物流流量穩(wěn)定到正常值。通知維修部門換熱器E101部分1.熱物流流量減?。煌ㄖ{(diào)度后，按正常停車操作停車后拆洗管堵.泵P102出口壓力略升；.冷物流出口溫度降低；.汽化率下降換熱器（注意因設(shè)計(jì)常有一定裕度，在情況不很嚴(yán)重時(shí)，可以手控加大主線流量作臨時(shí)處理。）換熱器E101殼程結(jié)垢嚴(yán)重.熱物流出口溫度升高；.冷物流出口溫度降低通知調(diào)度室，停車拆洗換熱器?思考與分析

1．冷態(tài)開車是先送冷物料，后送熱物料；而停車時(shí)又要先關(guān)熱物料，后關(guān)冷物料，為什么?2．開車時(shí)不排出不凝氣會有什么后果?如何操作才能排凈不凝氣?3．為什么停車后管程和殼程都要泄液?.你認(rèn)為本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器T1C101的設(shè)置合理嗎?如何改進(jìn)？5．請說出冷態(tài)開車兩種方法有什么不同。6．傳熱有哪幾種基本方式，各自的特點(diǎn)是什么?7．影響間壁式換熱器傳熱量的因素有哪些?8．工業(yè)生產(chǎn)中常見的換熱器有哪些類型?本章小結(jié)傳熱操作換熱器的分類及結(jié)構(gòu)型式換熱器基礎(chǔ)知識列管式換熱器的計(jì)算與選型換熱器的操作換熱器的分類本章小結(jié)傳熱操作換熱器的分類及結(jié)構(gòu)型式換熱器基礎(chǔ)知識列管式換熱器的計(jì)算與選型換熱器的操作換熱器的分類間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)型式熱傳導(dǎo)對流傳導(dǎo)傳熱基本方程換熱器的熱負(fù)荷傳熱平均溫度差總傳熱系數(shù)列管式換熱器的選型傳熱速率影響因素開、停車操作異?，F(xiàn)象及處理方法操作與訓(xùn)練復(fù)習(xí)與思考1．試述換熱器的分類，各種類型換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用。2．傳熱的基本方式有哪幾種?各自的特點(diǎn)是什么？3．什么是對流傳熱？試分析對流傳熱的機(jī)理。4．由不同材質(zhì)組成的兩層等厚平壁，聯(lián)合導(dǎo)熱，溫度變化如附圖所示。試判斷它們的導(dǎo)熱系數(shù)的大小，并說明理由。3題附圖.對流傳熱膜系數(shù)a的影響因素有哪些?如何提高對流傳熱膜系數(shù)？.用牛頓冷卻定律分析傳熱壁面的溫度為什么總接近a較大側(cè)的流體溫度?7．試述采用不同流向時(shí)平均溫度差的大小以及各自特點(diǎn)。8．為什么逆流操作可以節(jié)約加熱劑或冷卻劑的用量？9．什么叫強(qiáng)化傳熱，強(qiáng)化傳熱的有效途徑是什么？可采取哪些具體措施?10．在列管換熱器中，確定流體的流動空間時(shí)需要考慮哪些問題？二丈計(jì)算題1.有一①108mmX4mm的管道，內(nèi)通以200kPa的飽和蒸汽。已知其外壁溫度為110℃。內(nèi)壁溫度以蒸汽溫度計(jì)。試求每米管長的導(dǎo)熱量。2．水在一圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)制湍流時(shí)