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1、知识目标,了解各类型换热器的结构、特点及应用；,理解传热的基本方式、机理、特点及影响因素；,掌握间壁式换热器的传热计算。,能力目标,能操作换热器；,能进行列管式换热器的选型计算。,第二章 传热操作技术,第三节 列管式换热器的计算与选型,第一节 换热器的分类及结构型式,第二节 换热器基础知识,第四节 换热器的操作,第一节 换热器的分类及结构型式,由于物料的性质和传热的要求各不相同，因此，换热器种类繁多，结构形式多样。换热器可按多种方式进行分类。,换热器的分类,换热器按用途分类,1.间壁式换热器,换热器按作用原理分类,2.混合式换热器,干式逆流高位冷凝器,换热器按作用原理分类,3.蓄热式换热器,换
2、热器按作用原理分类,4.中间载热体式换热器,换热器按作用原理分类,（1）管式换热器,列管式换热器 套管式换热器 蛇管式换热器 翅片管式换热器,换热器按换热面形状和结构分类,1活动管板；2填料压盖；3填料；4填料函；5纵向隔板,填料函式换热器,釜式换热器,套管换热器,沉浸式蛇管,沉浸式蛇管,喷淋式蛇管换热器,翅片换热器,平板式换热器 螺旋板式换热器 板翅式换热器,换热器按换热面形状和结构分类,（2）板式换热器,板式换热器,内部结构,常见板片,螺旋板式换热器,（3）特殊型式换热器,回转式换热器 热管换热器 同流式换热器,换热器按换热面形状和结构分类,第二章 传热操作技术,第三节 列管式换热器的计算
3、与选型,第一节 换热器的分类及结构型式,第二节 换热器基础知识,第四节 换热器的操作,第一节 换热器的分类及结构型式,热量传递,热量传递总是自高温处至低温处,化工生产中，传热过程通过换热器实现，间壁式换热器应用最广,冷热两种流体经过间壁传热的过程包括三个步骤,间壁式换热器内热量传递有两种基本方式：热传导、对流传热,热传导机理,借助物质的分子、原子或自由电子的运动将热量从物体 温度较高的部位传递到温度较低的部位,热传导可发生在物体内部或直接接触的物体之间。,热传导过程中，没有物质的宏观位移。,热传导不仅发生在固体中，也是流体内的一种传热方式。,傅立叶定律是导热的基本定律，表达式为,傅立叶定律,由
4、于导热方向为温度下降的方向，故右端加一负号。,物质的导热系数通常由实验测定。,导热系数,导热系数是表征物质导热性能的一个物性参数， 越大，导热性能越好。,导热性能与物质的组成、结构、密度、温度及压力等有关。,设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2，长度为l，圆筒壁的传热面积随半径而变。若圆筒壁内、外表面温度分别为tw1和tw2，且tw1tw2。在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的薄层圆筒，其传热面积可视为常量，等于2rl；同时通过该薄层的温度变化为dt,傅立叶定律的工业应用,圆筒壁中的导热问题,分离变量积分并整理得单层圆筒壁的导热速率公式 :,圆筒壁中的导热问题,根据傅立叶定律通过该薄层的
5、导热速率可表示为,则圆筒壁的导热热阻R为,导热速率可表示为传热推动力与传热阻力之比:,圆筒壁中的导热问题,整理可得,令圆筒壁平均面积,圆筒壁中的导热问题,圆筒壁的对数平均半径,对流,对流，又称给热，指利用流体质点在传热方向上的相对运动来 实现热量传递的过程。,强制对流：相对运动由外力作用引起,自然对流：相对运动由流体内部密度差异引起,流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流的强度比自然 对流的强度大得多。,对流传热的分析,对流传热热阻主要集中在层流内层中，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。,对流传热的分析,湍流主体:流体质点湍动剧烈，传热温度差极小，各处的温度基
6、本相同，传热方式主要为对流，其热阻很小，传热速度极快。,层流底层:在传热方向上没有质点位移，传热方式主要为热传导，传 热温度差大，热阻大。,过渡层：传热方式既有对流又有热传导，有一定的温度差及热阻,牛顿冷却定律,对流传热基本方程,对流传热膜系数的大小反映了对流传热的强弱，取值越大，说明对流强度越大，对流传热热阻越小。,对流传热膜系数,(1)对流的形成原因,影响对流传热膜系数的因素,(2)流体的性质,(3)相变情况,(4)流体的运动状态,(5)传热壁面的形状、位置及长短等,流体无相变传热时的对流传热膜系数 的关联式为,无相变时流体传热膜系数关联式,应用范围 特征尺寸 定性温度,使用关联式时应注意
7、以下几个方面:,（1）低粘度流体（小于2倍常温水的粘度）,或,式中n的取值方法是：当流体被加热时，n0.4；当流体被冷却时，n0.3。,无相变流体在圆直管内作强制湍流时的关联式,取流体进、出口温度的算术平均值。,无相变低粘度流体在圆直管内作强制湍流时的关联式,应用范围：,Re10000，0.7Pr120；管长与管径之比l/di60,特征尺寸：,取管内径di。,定性温度：,（2）高粘度流体,应用范围、特征尺寸及定性温度与低粘度流体关联式相同,无相变流体在圆直管内作强制湍流时的关联式,为粘度校正系数，加热时， 1.05；冷却时， 0.95。,发生在饱和蒸汽和低温壁面之间的传热,膜状冷凝:冷凝液能够
8、润湿壁面，在壁面上形成一层液膜；,1.蒸汽的冷凝,有相变时流体的对流传热,滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，在壁面上形成许多小液滴。,膜状冷凝壁面被液膜所覆盖，冷凝液膜是膜状冷凝的主要热阻,工程上要保持滴状冷凝很困难。即使在开始阶段为滴状冷凝，但经过一段时间后，由于液珠的聚集，大部分都要变成膜状冷凝。为保持滴状冷凝，可采用各种不同的壁面涂层和蒸汽添加剂。在进行冷凝计算时，为安全起见一般按膜状冷凝来处理。,膜状冷凝和滴状冷凝的比较,滴状冷凝壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，对流传热膜系数很大,发生在沸腾液体与固体壁面之间的传热称为沸腾传热。,管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。,2.液体的沸腾,有相变时
9、流体的对流传热,池内沸腾：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾；,第二章 传热操作技术,第三节 列管式换热器的计算与选型,第一节 换热器的分类及结构型式,第二节 换热器基础知识,第四节 换热器的操作,第一节 换热器的分类及结构型式,传热基本方程,传热速率是换热器的生产能力，由自身性能决定；,热负荷与传热速率的关系：,换热器的传热速率须大于至少等于其热负荷.,换热器在单位时间内冷、热流体所交换的热量,换热器的热负荷,换热器的热负荷：,热负荷是生产上的要求，由生产任务决定；,QhQcQL,2.热负荷的确定,若热损失可以忽略不计，则,热负荷的计算,1.热量衡算,Q =QhQc,3.传热量计算
10、,（1）焓差法,QhWh（H1H2） 或 QcWc（h2h1）,热负荷的计算,（2）显热法,若流体在换热过程中没有相变化，则,QhWh cph（T1T2） 或 QcWc cpc（t2t1）,传热量计算,（3）潜热法,若流体在换热过程中仅仅发生恒温相变，则,QhWh rh 或 QcWc rc,传热量计算,两流体均只发生恒温相变的传热过程,各传热截面传热温度差完全相同且流体流动方向对其无影响,传热温度差计算：,（一）恒温传热过程的平均传热温度差,传热平均温差,恒温传热：,特点：,tmTt,间壁一侧或两侧流体温度沿换热器管长变化的传热过程,对于两侧流体的温度均发生变化的传热过程，传热平均温度差的大小
11、还与两流体间的相对流动方向有关。,（二）变温传热时的平均温度差,传热平均温差,变温传热：,复杂折流,间壁两侧流体相对运动方式,并流：两流体在换热器内的流动方向相同；,逆流：两流体在换热器内的流动方向相反；,错流：两流体在换热器内的流动方向垂直交叉；,折流：,简单折流,一侧恒温、一侧变温传热，各传热截面的传热温度差不同， 传热温度差大小与流向无关。,一侧流体变温传热,特点：,冷、热流体的温度均沿着传热面发生变化，其传热温度差也是变化的，并且平均温度差的大小与两流体间的相对流动方向有关。,两侧流体变温传热,特点：,（1）一侧变温及两侧变温并、逆流时tm,变温传热平均温度差计算,一般取换热器两端t中
12、数值较大者为t1,（2）两侧变温错流和折流时tm,先按逆流计算对数平均温度差tm逆，再乘以校正系数，即,变温传热平均温度差计算,tmtm逆,可表示为两参数P和R的函数： ，具体取值根据P和R两参数的值由图查取。,温度差校正系数,折流过程温度差校正系数图,错流过程温度差校正系数图,对于两侧变温传热，若热、冷流体的进出口温度相同，则：,不同流向传热温度差的比较,tm逆tm错，折tm并,（1）热敏性物料的加热,并流适用场合,（2）高粘度物料的加热,（3）高温换热器为避免一侧壁温过高，采用并流,为使换热器结构紧凑合理，实际中多采用错流和折流,错、折流特点,（一）总传热系数的计算,1. 基本公式,总传热
13、系数,若A取Ao，则有,若A取Ai，则有,若A取Am，则有,总传热系数基本公式讨论,污垢热阻：,影响因素主要有流体性质、传热壁面材料、操作条件、清洗周期等,通常污垢热阻比传热壁面的热阻大得多，计算中应加以考虑,污垢热阻通常选用经验值,污垢热阻的影响,换热器传热壁面形成的污垢对传热产生的附加热阻,常见流体的污垢热阻,含有污垢热阻的总传热系数公式,若传热壁面为平壁或薄管壁，则Ao、Ai、Am相等或近似相等，则,总传热系数公式的简化,现场测定有关数据(如设备的尺寸、流体的流量和进出口温度等)； 根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差tm和传热面积A； 由传热基本方程计算K值。,总传热系数的现场测定,
14、具体方法：,实测K值，不仅可以为换热器计算提供依据，而且可以帮助分析 换热器的性能，以便寻求提高换热器传热能力的途径。,总传热系数的经验值,（一）列管式换热器选型时应考虑的问题,1流动空间的选择 2流速的选择 3加热剂(或冷却剂)进、出口温度的确定方法 4列管类型的选择 5单程与多程 6管子规格 7流体通过换热器的流动阻力(压力降)的计算,列管式换热器的选型,（二）列管式换热器选型的步骤,1根据换热任务，确定两流体的流量，进出口温度，操作压力，物性数据等。 2确定换热器的结构形式，确定流体在换热器内的流动空间。 3计算热负荷，计算平均温度差，选取总传热系数，并根据传热基本方程初步 算出传热面积
15、，以此作为选择换热器型号的依据，并确定初选换热器的实际 换热面积S实，以及在S实下所需的传热系数K需。 4压力降校核 5核算总传热系数 6计算传热面积S需，再与换热器的实际换热面积S实比较，若S实/S需在1.11.25 之间（也可以用K计/K需），则认为合理，否则需另选K选，重复上述计算步骤， 直至符合要求。,列管式换热器的选型,公称换热面积SN； 公称直径DN； 公称压力pN； 换热管规格； 换热管长度L； 管子数量n； 管程数Np。,列管式换热器的型号与规格,1基本参数,列管式换热器的型号与规格,2型号表示方法,列管换热器的型号由五部分组成，形如：, 1 2 3 4 5,第二章 传热操作技
16、术,第三节 列管式换热器的计算与选型,第一节 换热器的分类及结构型式,第二节 换热器基础知识,第四节 换热器的操作,第一节 换热器的分类及结构型式,从传热速率基本方程QKAtm可以看出，传热速率与传热面积A、传热温度差tm以及传热系数K有关。因此，改变这些因素，均对传热速率有影响。,传热速率影响因素分析,传热面积,增大传热面积，可以提高换热器的传热速率,增大传热面积会使设备的体积增大，金属耗用量增加,应改进设备结构，增加单位体积的传热面积,传热温度差,增大传热平均温度差，可以提高换热器的传热速率。,传热平均温度差的大小取决于两流体的温度大小及流动形式。,物料的温度不能随意变动，加热剂或冷却剂的温度可以改变。,不同情况下，各项分热阻所占比例不同，故应具体问题具体分析， 设法减小占比例较大的分热阻。,传热系数,增大传
