传热操作6.

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1、LOGO ThemeGallery PowerTemplate Add Your Company Slogan 第二章 传热 n 在化工生产中，无论是化学反应过程还是精馏等过程， 都要控制在一定的温度下进行。为达到和保持所需温度 ，常需要对物料供热或移出热量， 故传热过程是化工生 产中重要的组成部分。 n 在石化行业换热设备的费用，占总投资的30%-50%，认 识传热过程、了解一般换热设备的运行规律很必要。 n 稳定传热-温度只随位置变化但不随时间变化的传热过 程，连续生产中的传热一般属于稳定传热。 传热方式 间壁式换热器的传热 强化传热途径 换热器 第二章 传热 第一节 传热方式 一、三种传

2、热方式 1、热传导 n 靠物体中的分子或电子运动，将高温处热能传给低温处。 n 在热传导中，物体中的分子不发生相对位移。 n 热传导可发生在固体、静止的液体和气体中。 2、热对流 n 是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。 若相对位移由流体各处温度不同引起-自然对流；开窗 若相对位移由外力作用引起-强制对流；电扇 n 强制对流传热状况比自然对流好。 n 热对流仅发生在液体和气体中。 3、热辐射 n 是以电磁波的形式发射的一种辐射能，当此辐射能遇到另 一物体时，可被其全部或部分的吸收而变为热能。 n 辐射传热不需要媒介，它可以在真空中传播。 n 温度越高，以辐射形式传递的热量越多 生产

3、中的传热，三种方式并存，很高温度时，主要是辐射 。一般换热器中，只需考虑传导和对流，辐射可略。 二、工业生产的换热方法 n 多为两股流体间换热，换热方法很多，有间壁式换热、直 接接触换热（混合式）、蓄热式换热等。 n 间壁式换热：冷、热两股流体被一固体壁面隔开，传热时 ，热流体将热量传给设备壁面、再由壁面传给冷流体。适 用于两股流体间需要换热但不能相混的场合，广泛应用。 使用最多的是列管式换热器。 三、热传导过程分析 v 1热传导热传导 方程 单单位时间时间 内物体以热传导热传导 方式传递传递 的热热量 与传热传热 面积积 成正比，与壁面两侧侧的温差成正比，与壁厚成反比，即 热传导热传导 方程

4、式： v 2导热导热 系数 单单位：W/（mK）或 W/（m) 意义义：当间间壁的面积为积为 1 m2，厚度为为1 m，壁面两侧侧的 温度差为为1 时时，在单单位时间时间 内以热传导热传导 方式所传递传递 的热热 量。显显然，导热导热 系数 值值越大，则则物质质的导热导热 能力越强。 v 3. 通过过平壁的稳稳定热传导热传导 = 与导电导电 的欧姆定律相似，式中温度差 ，是导导 热过热过 程的推动动力，而 ，为单层为单层 平壁的导热热导热热 阻。 热传导阻力 = 导热系数单位：W/(m) 导热系数越大，壁面越薄，阻力越小，导热能力越强 导热系数排序：金属非金属固体液体气体 气体的导热导热 系数

5、很小，对导热对导热 不利，但有利于绝热绝热 和保温 。工业业上所用的保温材料，如软软木、玻璃棉等的导热导热 系数之 所以很小，就是因为为在其空隙中存在大量空气的缘缘故。 四、热对流过程分析 1.对流传热模型 n 传热阻力主要集中在 近壁处。温度下降大 。 n 简化模型：在层流内 层为热传导，层流内 层以外为对流传热。 四、热对流过程分析 冷热热两个流体通过过金属壁面进进行热热量交换时换时 ，由流体将 热热量传给传给 壁面或者由壁面将热热量传给传给 流体的过过程称为对为对 流 传热传热 （或给热给热 ）。 对对流传热传热 是层层流内层层的导热导热 和湍流主体对对流传热传热 的统统称 。 虽然层流

6、内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此 层流内层产生较大的温度差。；在湍流主体中，由于对流使 流体混合剧烈，热量传递十分迅速，故湍流主体中温度差极 小。 v 1对对流传热传热 方程 在单单位时间时间 内，以对对流传热过传热过 程传递传递 的热热量 与固体壁 面积积 、壁面温度与流体主体温度之差成正比。即 对对流传热传热 方程式： v 2对对流给热给热 系数 （或给热系数） 单单位：W/(m2)。 意义义：流体与壁面温度差为为1时时，在单单位时间时间 内通过过 每m2传递传递 的热热量 v 3. 通过过平壁的稳稳定热传导热传导 = 对流传热 ： 对流热阻 = 对流传热系数 单位：W/(m2)

7、 值越大，越利于传热 对流传热阻力主要集中在近壁处。温度下降大。 v影响对流传热系数 因素主要有： （1）在传热中有相变比没有相变时的值大得多； （2）流体的运动： 湍流时值大，层流时值小； （3）强制对流时值大，自然对流时值小； 对流传热的类型值的范围 W/(m2) 水蒸汽的滴状冷凝 水蒸气的膜状冷凝 有机蒸汽的冷凝 水的沸腾 水的加热或冷却 油的加热或冷却 过热蒸气的加热 空气的加热或冷却 46000140000 460017000 5802300 58052000 23011000 581700 23110 158 工业用换热器的取值范围 相变过程 液体 气体 蒸汽冷凝（相变）时的对流传

8、热系数 n当饱和蒸汽与温度较低的固体壁面接触时，蒸汽将放出大 量的潜热，并在壁面上冷凝成液体。 n蒸汽冷凝有膜状冷凝和珠状冷凝两种方式。 膜状冷凝：冷凝只能在液膜表面进行。 珠状冷凝，冷凝液在壁面上形成珠状，蒸汽主要与壁面直 接接触，珠状冷凝的比膜状冷凝的大510倍。 n一般按膜状冷凝处理，水蒸汽的=500015000W/m2 n当蒸汽中含有不凝气体时，会明显下降。再沸器开车时 需赶走系统内空气。 一、传热过程分析 n冷热两股流体被固体壁面分 开，热量由热流体通过壁面传 给冷流体，过程见图。由三个 过程串联而成。即： 热流体侧对流传热 壁面热传导 冷流体侧对流传热。 n在稳定条件下，传热量相等

9、 。 第二节 间壁式换热器的传热 二、传热速率方程 n在换热器中传热快慢用传热速率Q表示。即：单位时间 内通过传热面的热量，单位为W。 n在间壁式换热器中，热量是通过冷热流体间的壁面传递 的，该壁面称为传热面（面积A ，单位m2）。 n两股流体间有温度差才能换热，以T 表示热流体的温度 ，t表示冷流体的温度，则温度差 就是传热过程的推 动力，单位为K或。 n实践证明：两股流体单位时间所交换的热量 与传热面积 成正比，与温度差 成正比。 nK称为传热系数, 意义是：当温差为1 时,传热面积是1 m2 时，在单位时间内所传递的热量。显然，K 值的大小是衡量 换热器传热性能的一个重要指标，K值越大，

10、表明传递的热 量越多，传热情况越好。 n1/K表示传热过程的阻力，称热阻，用 R表示，W/m2。 n提高传热速率的途径：提高传热推动力、降低热阻。 三、间壁式换热器总传热系数 K n传热过程包括： 热流体的对流传热、金属壁面的热传导、冷流体对流传热 ，传热阻力为三者阻力之和。 n实际生产中的换热设备，长期使用会在固体壁面上积存污 垢，对传热也产生热阻，使传热系数 降低。 n 若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为 和 ， 根据串联热阻叠加原则，间壁两侧流体间传热总热阻等于两 侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁热阻之和。 n即使垢层（导热系数小）很薄，它也会形成较大的热阻。在 生产上应尽量防止和

11、减少污垢的形成。对于冷却水一侧，结垢 不可避免，影响传热时要除垢。 例1：在器壁一侧为蒸汽冷凝，其1为5000W/(m2)，器壁 另一侧为冷空气，其2 为50，壁厚4mm，为400W/(m)， 污垢热阻略，则总传热K为多少？ 例2：为了提高K值，在其他条件不变的情况下， v 将1提高一倍； 将2提高一倍。哪个方法对提高 K值效果明显。 v 解： 将1提高一倍,K 50 ； 将2提高一倍,K 100 = 计算结果表明： n 传热系数 K值总是接近小的值，且比小更小 一些，要提高K，关键是设法使小的值提高。或 者说K由最大热阻所控制。因此，在传热过程中 要提高值，必须对影响的各项进行具体分析，设

12、法提高最大热阻中的值，才会有显著的效果。 第三节 强化传热途径 一、增大传热面积 增加单位体积的传热面（改造设备结构），特别是增加传 热膜系数较小侧的面积，如圆管上加翅片、螺纹管代替光 滑管，可明显提高传热速率；用新型换热器。 二、提高温差 在冷热流体进、出口温度一定的情况下，采用逆流操作可 以提高温差。 三、提高传热系数 翅片管换热器 n间壁两侧流体温差 并流：流动方向相同，温差 小 逆流：流动方向相反，温差大 n 要提高K值，应提高小，降低R垢。措施有： 1.增加小一侧的湍动程度，以减小层流边界层厚度。 增加流速（增加列管式换热器程数、管外加设挡板） 改变流动条件 在流动中不断改变方向，如

13、板式换 热器（流体在刻有波形的板间流动时不断改变方向， Re=200时即湍流） 2.尽量选用有相变化的载热体。 3.减小垢层-冷却水的出口温度不能太高，及时除垢 4.采用导热系数较大的载热体（原子能工业，用液态金属） 第四节 换热器 一、换热器类型 1.按用途分为 加热器：用于流体加热 预热器：用于流体预热 冷却器：用于流体的冷却 冷凝器（全凝器）：使蒸气全部冷凝 分凝器：使蒸气部分冷凝 再沸器：用于物料加热汽化，精馏操作常用 2.按传热壁面的形状分为：管式、板式和特殊式 换热器 二、换热器结构 1.管式换热器 v蛇管式换热器 喷淋式 沉浸式 v套管式 v列管式换热器（最重要） 蛇管形式 喷淋

14、式 v蛇管式换热器 便于检检修和清洗等优优点，但喷喷洒不易均匀，体积庞积庞 大 沉浸式 可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流 v套管式换热器 冷流体 热流体 v列管式（管壳式）换热器 构成：外壳、管板（花板）、管束和封头（顶盖） 冷、热两流体间进行热交换时，一种流体自封头进入， 在管内（流体走管程）流动，另一种流体在管束和壳体之 间的空隙内流动（流体走管间或壳程）。 列管式换热器承压能力强，在石油化工厂应用最广。 分类 固定管板式 浮头式 U型管式 v固定管板式换热器 管间不能清洗，管内可清洗 走管间的是清洁流体，管内可走循环水等，还 有腐蚀性流体、高压流体和高温等流体走管内 vU型管式换热器 管内不易清洗，清洁流体适合走管内 v浮头式换热器（造价高，石化厂多用） 管束与浮头可在壳体内自由伸缩 管间、管内均可清洗，适用于：两股易结垢流 体换热时，或高温下传热 三、列管程数 v单程换热器 管内流体只经过管束一次 v双程 v多程 单管程 v双程 管内流体经过管束两次 v列管排列