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化工基础之传热过程及换热器

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化工基础(张四方),传热

化工基础(张四方),传热


四.传热中的一些基本物理量和单位
热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率 常用q表示 是指单位时间传递的热量， W 传热速率也称为热流量，或热负荷
热流密度q：单位面积上的传热速率，W· m 潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化J/kg 比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时 所需的热量，J· -1· -1 K kg
均值。
二. 平面壁的稳定热传导 1）单层平壁的稳定热传导
对于稳定传热，导热速率q不随时间而变。

t2
t1
q dt
A 0 d

q t 2 t1 A
t1 t2
q
A

t1 t 2
t1 t 2 t 推动力 (A) R 热阻

R——导热热阻，传导距离δ越大，传热面 积和导热系数越小，传导热阻越大。
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式 传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过 程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热 性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传 递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体 的导热系数随温度的升高而略有减小。
气体的导热系数
气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同， 因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平
对数平均半径
2rm l t1 t 2 2l (t1 t 2 ) r2 r2 r1 ln r1
化工基础换热器结果分析与讨论

化工基础换热器结果分析与讨论

化工基础换热器结果分析与讨论化工基础中，换热器是一种常见的化工设备，广泛应用于各种化工生产过程中，其主要作用是实现热量的传递与转移。

下面对换热器的结果分析与讨论进行简单介绍。

一、结果分析1. 热传导计算：热传导计算是换热器设计的关键步骤之一，通常需要考虑传热系数、传热面积和壳体温度等因素。

进行热传导计算可以有效地评估换热器的传热性能和热效率。

2. 热力学分析：热力学分析可以评估换热器在运行中的热力学性能，包括热量平衡、热力学效率和传热率等方面。

通过热力学分析，可以更好地了解换热器在特定条件下的热力学特性。

3. 流体力学分析：流体力学分析可以评估换热器在运行中的流体力学性能，包括流量分布、速度分布和压力损失等方面。

通过流体力学分析，可以更好地理解换热器内流体的运动规律和流动状态。

二、讨论1. 材料选择：在设计换热器时，需要考虑材料的选择。

不同的材料具有不同的物理和化学性质，会影响到换热器的性能和使用寿命。

因此，在选择材料时，需要根据实际情况进行评估和比较，以选择最适合的材料。

2. 设计参数：换热器的设计参数包括传热系数、传热面积和流体流量等，这些参数会直接影响到换热器的传热效率和运行性能。

在设计换热器时，需要根据实际情况选取合适的设计参数，以最大限度地提高传热效率和运行效率。

3. 清洗和维护：换热器在使用过程中，会逐渐受到污垢和腐蚀的影响，从而影响其传热性能和运行效率。

因此，在使用换热器时，需要定期进行清洗和维护，以保证其正常运行。

同时，在换热器设计时，也需要考虑清洗和维护的便利性和安全性。

总之，换热器是化工基础中常用的设备之一，在设计和使用过程中需要注重材料选择、设计参数、清洗和维护等方面的考虑，以确保其正常运行和传热效率。

化工基础第三章传热过程

化工基础第三章传热过程


(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
m
式中 yi ——组分i的摩尔分率。 M i ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。 ④.一般规律 (1)
1 i yi M i / 3 1 yi M i / 3
金 非金 (2) s l g (3) 晶 非晶 (4) (气体除外 ) 纯 混
第三章 传热过程 23
t+△t dt/dn n
t
t-△t
Φ dS
图 温度梯度和傅里叶定律
第三章 传热过程
24
3） 导热系数：表征物质导热能力的物性参数。
①．固体
式中：0为固体在0C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； α为温度系数， 1/ C。 金属的导热系数最大，其中以银和铜的导热系数值最 高；若金属材料的纯度不纯，会使λ大大降低。固体非 金属次之。（绝热材料λ<0.23 W/(mK) ） ②．液体 导热系数较小 (1) 金属液体： t , (2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小） (3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为
第三章 传热过程 19
二、传导传热
1、导热基本定律 傅里叶定律
1） 温度场和温度梯度
温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度
分布，称为温度场(temperature field)。
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即
t = f (x，y，z，τ) 式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
T2
t1 T2
T1
套管式
T1 T2
t2
列管式
夹套式
第三章 传热过程 13
化工原理课程设计——换热器设计

化工原理课程设计——换热器设计

化工原理课程设计——换热器设计本课题研究的目的要紧是针对给定的固定管板式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热运算、壁厚设计和强度校核等设计，差不多确定固定管板式换热器的结构。

通过分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。

对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚运算和强度校核。

对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。

绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151……，使设计能够符合相关标准。

同时要是设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。

通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。

关键词：换热器；固定管板；设计；强度名目摘要 ....................................................... 错误!未定义书签。

1绪论 (1)1.2固定管板换热器介绍 (2)1.3本课题的研究目的和意义 (3)1.4换热器的进展历史 (4)2产品冷却器结构设计的总体运算 (6)2.1 产品冷却器设计条件 (6)2.2前端管箱运算 (8)2.2.1前端管箱筒体运算 (8)2.2.2前端管箱封头运算 (10)2.3后端管箱运算 (11)2.3.1后端管箱筒体运算 (11)2.3.2后端管箱封头运算 (12)2.4壳程圆筒运算 (13)3各部分强度校核 (15)3.1开孔补强运算 (15)3.2壳程圆筒校核 (18)3.3管箱圆筒校核 (19)4换热管及法兰的设计 (20)4.1换热管设计 (20)4.2管板设计 (21)4.3管箱法兰设计 (22)4.4壳体法兰设计 (25)4.5各项系数运算 (27)5 产品冷却器制造过程简介 (34)5.1 总则 (34)5.2零部件的制造 (34)结论 (43)参考文献: (44)致谢 (44)1绪论1.1换热器的作用及分类在工业生产中，换热设备的要紧作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。

化工原理课程设计模板-换热器

化工原理课程设计模板-换热器

化工原理课程设计模板-换热器1. 引言换热器是化工过程中常用的设备之一，其主要功能是在流体之间进行热量传递，以实现温度控制、能量回收等目的。

本文将介绍化工原理课程设计中换热器的设计过程和要点。

2. 设计目标在进行换热器设计之前，首先要确定设计的目标。

设计目标包括但不限于以下几点：•确定需要传热的流体的进口温度和出口温度；•确定传热后流体的温度变化范围；•确定换热器的热传导面积；•确定换热器的传热系数。

3. 设计步骤换热器的设计过程可以分为以下几个步骤：3.1 确定流体的性质参数在设计换热器之前，需要明确流体的性质参数，包括流体的密度、比热容以及传热系数等。

这些参数可以通过实验测定或者查阅相关文献获得。

3.2 计算流体的传热量根据热传导定律，可以计算流体的传热量。

传热量的计算公式如下：Q = m * c * ΔT其中，Q表示传热量，m表示流体的质量，c表示流体的比热容，ΔT表示流体的温度变化。

3.3 确定换热器的传热面积根据热传导定律，可以计算换热器的传热面积。

传热面积的计算公式如下：A = Q / (U * ΔTlm)其中，A表示传热面积，U表示换热器的传热系数，ΔTlm表示对数平均温差。

3.4 选择换热器的类型和结构根据设计要求和实际情况，选择合适的换热器类型和结构。

常见的换热器类型包括管壳式换热器、板式换热器等。

3.5 进行换热器的细节设计在确定了换热器的类型和结构之后，进行换热器的细节设计，包括管道的布置、流体的流动方式以及换热器的材料选择等。

3.6 进行换热器的性能评价完成换热器的设计之后，进行性能评价，验证设计结果是否满足设计目标。

性能评价主要包括换热器的传热效率、压降以及经济性等方面。

4. 实例分析下面通过一个实例来说明换热器的设计过程。

实例：管壳式换热器假设需要设计一个管壳式换热器，用于将流体A的温度从40℃降至20℃，同时将流体B的温度从70℃升至90℃。

根据设计要求，我们可以计算出流体A和流体B的传热量，然后根据对数平均温差计算出传热面积，从而确定换热器的尺寸。

换热器基础知识

换热器基础知识


四、管壳式换热器的总体结构
1、管壳式换热器的总体结构以及特点 1）浮头式换热器 • 浮头式换热器的一端管板是固定的。与壳体刚性 连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相 连。活动管板一侧总称为浮头，浮头式换热器的 管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束 可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构 复杂、造价高，且浮头处若密封不严会造成两种 流体混合。浮头式换热器适用于冷热流体温差较 大（一般冷流进口与热流进口温差可达110℃）， 介质易结垢需要清洗的场合。在炼油厂中使用的 各类管壳式换热器中浮头式最多。
3、换热器型号的表示方法
级换热器 管 /壳 程 数 ， 单 壳 程 时 写 －公称长度（ 径（ ） 公称换热面积（ 管 /壳 程 设 计 压 力 （ ） ),压 力 相 等 时 只 写 ）， －换热管外
公称直径（ ），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管 箱内直径，分母为圆筒内直径。 第一个字母代表前端管箱型式 第二个字母代表壳体型式 第三个字母代表后端结构型式
•
总体结构如图3
4）釜式换热器 • 这种换热器的壳体直径一般为管束直径的1.5～2.0 倍，管束偏置于壳体的下方，页面淹没管束，使 管束上部形成一定的汽液分离空间。此换热器多 用来做蒸发器、精馏塔的重沸器或简单的废热锅 炉。根据需要，管束可以是固定管板型、浮头型 或U型管型。
2、管壳式换热器的主要组合部件 管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体 和后端结构（包括管束）三部分，详细分类以及 代号（英文字母）如下所示：
（一）换热管及在管板上的排列方式 换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两 种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有 很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较 薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换 热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位 传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但 制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所 以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或 污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器 常用换热管为：碳钢、低合金钢管有Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5；不锈钢管有 Φ25×2、 Φ38×2.5。
化工流体传热1.1 热传导论

化工流体传热1.1 热传导论

传热导论
热量传递——传热，是“三传”之一 是自然界中普遍现象 日常生活 工业生产，化学工业
研究目的： 强化传热； 削弱传热。 学习过程注意联系实际
传热基本方式： 热传导、热对流和热辐射。 传热过程快慢描述 传热速率：
Q是指单位时间内通过换热器传热面的热量，其单位为W。
热通量：
q=Q/S是指单位传热面积上的传热速率，其单位为W/ m2。
p
t *2t

——傅立叶场方程或傅立叶第二热传导定律。
有内源的稳态导热： 2t q&k ––––泊松（Poisson）方程
无内源的稳态导热： 2t 0
––––拉普拉斯(Laplace)方程
k k 1t

Байду номын сангаас






0



工程上：金属、石墨等作为良好导体
二、热对流
热对流：流体质点的宏观运动和混合而引起的热量传递， 只发生在流体内部。
对流传热：流体与固体壁面之间的传热，它一般包括导热 和热对流两种基本传热方式。
热流体 冷流体
层流内层(热传导) 过渡层(+)
湍流层(热对流)
气体
液体 非导固体 金属
导热系数/[W/( m .oC）] 0.006~0.06 0.07~0.7 0.2~0.3 15~420
意义（工业及日常生活中的应用）。 气体中，氢、氦气体的导热系数较大。 一般地，气体导热系数随温度升高而增大。
数据来源：查手册、经验式计算、实验测量。
（2）液体的导热系数 大多数金属液体的导热系数均随温度升高而降低； 大多数非金属液体的导热系数也随温度的升高而降低。（水和甘油外）
化工基础-传热 PPT课件

化工基础-传热 PPT课件


单位： cp J ·kg-1 ·K-1
cpm J ·mol-1 ·K-1
5、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时变温伴 随的热量变化。单位： J
计算：Q=m ·cp ·Δt
或 Q=n ·cpm ·Δt
6、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在发生相变时 伴随的热量变化。单位： J ·kg-1， J ·moj-1 汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等
1kcal ·h-1 =1.163W
3、传热强度q：
单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。
q Q A
单位：W ·m-2 ， kg·s-3
2020/7/9
第四章 传热过程
5
化工基础
College of Chemistry & Materials
4、恒压比热容cp、cpm：单位量物质恒压下升温1K所需热量。
t2
t3
A2
2 2
第三层： t3
t3
t4
A3
3 3
2020/7/9
第四章 传热过程
Φ
δ1 δ2 δ3
A
t1
△t1
t2
△t2 △t3
t3 t4
厚度δ
12
化工基础
College of Chemistry & Materials
对定态传热：A1=A2=A3=A，Φ1=Φ2=Φ3=Φ
上面三式相加：
q
t
i
0.24
940 50 0.12
0.24
890 1.248
713.4W
m2
i 0.9 0.2 0.63
由
q ti ti1
i i
得
t2
化工基础概论 第三章 传热与换热器

化工基础概论 第三章 传热与换热器


q
dQ dA
（3-1）
与热流量 Q 不同，热流密度与传热面积 A 大小无关，完全取决于冷、热流体之间 的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。
2、换热器的热流量（Q）
对于定态(稳态)传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化的，因此 作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生 相应的变化。 设换热器的传热面积为 A ，由 q
3、蓄热式换热器
首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止 热流体，使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这 样交替通过冷、热流体达到换热的目的。 为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称 为载热体。起加热作用的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却 剂。
2、间壁式传热
在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程 在工业上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型 很多，其中最简单而又最典型的结构是套管换热器（图 3-2） 。在套管式换热器 中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体，这种热量传递 过程包括三个步骤（图 3-3） ： a 热流体靠对流传热将热量 Q 传给金属壁一侧——给热； b 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热； c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流 体与壁面之间的热量传递过程称为给热过程。
3.3 间壁式换热器的传热速率方程及应用
3.3.1 传热速率公式及应用
3.3.2 强化传热的途径
3.3.1 传热速率公式及应用
我们以简单的并流套管式换热器为例，来分析综合传热速率方程。确切的讲是 导热与给热的联合传热速率方程。 如图 3-4 所示，热流体走管内，冷流体走环隙通道。热、冷流体的质量流速分别 为 Gh 、 Gc kg s 1 ，热、冷流体的定压比容分别为 C ph 、 C pc J kg 1 K 1 。热流体 的进出口温度分别为 Ti 、 T0 ，冷流体的进出口温度分别为 t i 、 t0 。 在此种间壁式换热器中，热量传递要经历下列三个阶段：热流体对管内壁对流 给热；管壁面间的导热；管外壁对冷流体的对流给热。单一的导热定律与对流 给热定律，无法解决这个问题。另外，冷、热流体的温度差，沿轴向变化着， 但对任一管截面，冷热流体的温度差不随时间而变，所以仍然是稳定传热过程， 称为稳定的变温传热。此时，热推动力（温度差）和传热系数如何表达呢？
化工原理3.4传热计算

化工原理3.4传热计算


Δt m
Δt 1 − Δt 2 = ——对数平均温差 Δt 1 ln Δt 2
22
讨论： （1）也适用于并流
T1
Δt1 =T 1− t1
Δt 2 = T2 − t 2
Δt1
T2 Δt2 t2 t1 A
23
（2）较大温差记为Δt1，较小温差记为Δt2 （3）当Δt1/Δt2<2，可用 （4）当Δt1＝Δt2
1. 逆、并流时的Δtm
T1 t2 T2
T1 t2 t T2 t1 A t t1 T1 T2 t2
T1 t1 t1 T2 t2
逆流
并流
A
18
以逆流为例推导Δtm 假设：（1）定态流动、传热 ；qm1、 qm2一定 （2）cp1、cp2为常数，为tm下的值 （3）K沿管长不变化 （4）热损失忽略不计
T1 T2 t2 t1 A来自27加热：t2max < T2, 热敏物质 冷却：T2min > t2, 易固化物
热流体冷却为例 • 并流：t2<T2 • 逆流：t2’>T2 t2’-t1 > t2-t1 Q一定,qm2’<qm2
T1
t2’
逆流 并流
A
T2 t2
t1
t1
28
（3）采用其他流型的目的——提高α↑ 提高K↑ （4）单侧变温——Δtm与流型无关
19
T1 Δt1 t t2 dt dA t dT
逆 流
T T2 Δt2 t1
Δt1 =T 1− t 2
Δt 2 = T2 − t1
A
20
dA段内热量衡算：dQ = − q m 1 c p 1 dT = − q m 2 c p 2 dt dA段内传热速率方程： dQ = K (T − t )dA
化工基础第二章(对流传热)2008

化工基础第二章(对流传热)2008

2010-5-27
2.4
对流传热系数经验关联式
由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题,现在用牛 顿冷却定律把复杂简单表示,把复杂问题转到计算对流传热 系数上面.所以,对流传热系数大小的确定成为了一个复杂 问题,其影响因素非常多.目前还不能对对流传热系数从理 论上来推导它的计算式,只能通过实验得到其经验关联式. 经验关联式的获取方法: (1)通过因次分析,建立特征数(准数)关系式; (2)通过实验,测定各准数的指数.
2010-5-27
(3)过渡区域 过渡区域:温度分布不像湍流主体那么均匀,也不像层 过渡区域 流底层变化明显,传热以热传导和对流两种方式 以热传导和对流两种方式共同进行. 以热传导和对流两种方式 存在质点混合,分子运动的共同作用,温度变化平缓.
根据在热传导中的分析,温差大热阻就大.所以,流体作 湍流流动时,热阻主要集中在层流底层中 热阻主要集中在层流底层中.如果要加强传热 热阻主要集中在层流底层中 ,必须采取措施来减少层流底层的厚度.
2010-5-27
2.3.2
对流传热速率方程
一,有效膜的概念
对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热,其传热速率 与流体性质及边界层的状况密切相关.在靠近壁面处引起温度 的变化形成温度边界层.温度差主要集中在层流底层中. 假设: 假设:流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为bt有 效膜中,在有效膜之外无热阻存在,在有效膜内传热主要以 热传导的方式进行.该膜既不是热边界层,也非流动边界层 ,而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜. 由此假定,此时的温度分布情况如下图所示.
2.3.1 对流传热过程分析
一,传热边界层
流体在平壁上流过时,流体和壁面间将进行换热,引起壁 面法向方向上温度分布的变化,形成一定的温度梯度,近壁 处,流体温度发生显著变化的区域,称为热边界层或温度边 界层.

化工单元操作传热及换热器说课ppt课件

理论部分
五.教学过程
本部分内容为传热基本理论，采取讲授、启发、提问、讨论、 总结、结合图片、动画讲解的方法完成教学。
详见课件《传热与传热设备》
展示部分
本部分内容为传热设备，是学生将理论与实际联系的关键步骤。 主要利用图片、模型和动画对换热器结构、工作过程进行讲解， 中间穿插提问、讨论等方法完成教学。
一.专业课程与教材
4.课时安排
根据教学目标、重难点以及教学对象， 本内容计划3学时完成。 分两部分：
第一部分为理论教学1学时; 第二部分为讲解展示（图片、动画、模 型）1学时、实践学习1学时
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
七.教学评价——教师教学感悟
工作过程的规范化处理
教师综合能力提高
专业技 术能力
教学设 计能力
教学实 施能力
课程开 发能力
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
主要内容 本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。
一.专业课程与教材 二.教学对象分析 三.教法与学法 四.教学准备 五.教学过程 六.板书设计 七.教学评价
Back to school
三.教法与学法
教法
任务驱动型： 讨论法 演示法 实验法

第一讲 传热基础知识


Q q A
式中 A──总传热面积，m2。
二、稳态与非稳态传热 非稳态传热 Q , q , t f x , y , z , 稳态传热
Q , q, t f x , y , z
t 0
三、冷热流体通过间壁的传热过程
T1 Q t2
对流 导热 对流 冷 流 体
式中 K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q──传热速率，W或J/s； A──总传热面积，m2； tm──两流体的平均温差，℃或K。
2.4.2 热量衡算和传热速率方程间的关系
热流体 G1, T1,cp1,H1
t2 h2
冷流体 G2, t2,cp2,h1 T2 H2
无热损失： Q吸 Q放
t1
t T1 t2 T2 t1 A
t1 t 2 t m t1 ln t 2
t2
t1 T 1t 2
t 2 T2 t1
T1 t1 t t2 dt dA dT t t t1 T T2 t2
t1 T 1t 2
A
t 2 T2 t1
1）也适用于并流
2.4.6 壁温的计算
稳态传热 Q KAt m
T TW Tw tW tw t 1 b 1 1 A1 Am 2 A2
Q T 1 A1
tW
bQ TW Am
TW
tW
Q t 2 A2
1．大，即b/Am小，热阻小，tW=TW
2．当tW=TW，得
d1 1 1 b d1 1 d1 R1 R2 dm d2 2 d2 K 1
式中 R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2·K/W。
列管换热器总传热系数K的经验数据

化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)

传热过程及换热器1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为230mm ，外层普通砖厚度为240mm ，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是700℃，外表面温度是100℃，为了减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为40mm 的保温材料，当定态后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。

求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐火砖、普通砖、保温材料的热导率分别为1.163W·m -1·℃-1，0.5815W·m -1·℃-1，0.07W·m -1·℃-1。

解：根据多层平壁热传导公式：i iit Q A δλΣΔ=Σ 加保温材料前：Σt i =t 1-t n+1=700-100=600℃0.230.241.1630.58150.6105i i δλΣ=+= 26000.6105982.8W/m Q A == 加保温材料后：Σt i =t 1-t n+1=720-70=650℃0.230.240.041.1630. 1.18581500720.i i δλΣ=++= 2545W/m 1.186250Q A == 2.如习题1加保温材料后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。

计算耐火砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。

解：加保温材料后，传热速率为：2545W/m 1.186250Q A == 根据平壁热传导公式：1211545t t Q Aδλ−== t 1=720；λ1=1.163W·m -1·℃-1，δ1=0.24m 代入上式解得：t 2=1110.23720545 1.1636211.Q t A δλ−⋅=−×=℃ 同理得 t 3=3430.0470545031.74.08Q t A δλ+⋅=+×=℃ 3.平壁炉的炉壁内层为120mm 厚的耐火材料和外壁厚度为230mm 建筑材料砌成，两种材料的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为800℃，外侧壁面温度113℃，后来在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm 的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？解：包石棉材料前得传热速率1128001130.120.23tQ δλλλΣΔ−==Σ+ 包石棉材料后得传热速率2128004050.120.23tQ δλλλΣΔ−==Σ+ 包扎石棉后热损失比原来减少的百分数=21800405110.425=42.45%800113Q Q −−==−=− 4.φ50mm×5mm 的不锈钢管(λ1=16 W·m -1·K -1)外包扎厚度为30mm 的石棉(λ2=0.22 W·m -1·K -1),若管内壁温度为600℃，石棉外壁面温度100℃，求每米管线的热损失。

化工设备基础-换热器- 教案-

换热器第一节概述一、定义：换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

二、衡量标准：1.先进性—传热效率高，流体阻力小，材料省；2.合理性—可制造加工，成本可接受；3.可靠性—强度满足工艺条件。

三、举例1．冷却器（cooler）1)用空气作介质—空冷器aircooler2)用氨、盐水、氟里昂等冷却到0℃~-20℃—保冷器deepcooler2．冷凝器condenser1)分离器2)全凝器3．加热器（一般不发生相变）heater1)预热器（preheater）—粘度大的液体，喷雾状不好，预热使其粘度下降；2)过热器（superheater）—加热至饱和温度以上。

4．蒸发器(etaporater),—发生相变5．再沸器（reboiler）6．废热锅炉（waste heat boiler）看下图说明其结构及名称四、换热器的的基本类型按传热方式或工作原理分类1、直接接触式2、蓄热式3、间壁式对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(1)管式(2)紧凑式(3)管壳式五、管壳式换热器的分类1、固定管板式换热器：优点：结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。

管坏时易堵漏。

缺点：不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50℃，设置膨胀节。

适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。

2、浮头式换热器：管束可以抽出，便于清洗；但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大。

适用于介质易结垢的场合。

3、填料函式换热器：造价比浮头式低检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现，但壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。

适用于低压小直径场合。

4、U型管式换热器：结构简单，造价低，壳程可清洗，但管程不能清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。

适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

矿大北京化工原理4-5传热过程的计算

从上式可以看出： Δt~Q关系呈直线，其斜率为：
d ( t ) t1 t 2 dQ Q
将总传热速率微分方程代入上式，则有：
d (t ) t1 t 2 K td A Q
由于K为常量，积分上式有：
1 K

t2 t1
d (t ) t 2 t1 t Q
总传热系数必须和所选择的传热面积相对应， 选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。
dQ=K1(T-t)dA1=K2(T-t)dA2=Km(T-t)dAm
式中 K1、K2 、Km——基于管热侧表面积、冷侧外表面积、平
均表面积 的总传热系数， w/（m2·℃ ） A1 、 A2 、 Am—— 换热器热侧表面积、冷侧表面积、平 均表面积， m2


（2）2提高一倍时：
1 d2 b d2 1 K 1d 1 d m 2
0.0003125 0.00006173 1 / 50 2 0.01037
K 96.4 W m 2 K 1


（3） 1提高一倍时：
1 d2 b d2 1 K 1d 1 d m 2 0.0003125 / 2 0.00006173 0.02 0.02022 K 49.5 W m 2 K 1
2.1 总传热系数的计算式
总传热系数为： K (或 K 2 )
1 1 d2 bd 2 1d 1 d m 2
同理，可得以内表面 A1 以及 Am 为传热基准的总 传热系数：
1 K1 bd 1 d1 1 1 d m 2d 2
Km dm dm 1d 1 2 d 2 1 b
冷流体

化工原理 (14)


A1 A2 Am
1 K1
1
1
Rd1
b
Rd 2
1
2
如管壁热阻很小，可略，且污垢热阻也可略时有：
1 11
K1 1 2
当两流体的对流传热系数相差较大时，K值必趋近 且小于 与 中小的一个。
4.3.3 总传热系数
(4) 换热器中总传热系数的经验值
例4-10 现测定一传热面积为2m2的列管式换热器的总传
K随着所取传热面的不同而不同!
① 取 dA dA1
1 1 bdA1 dA1 1 bd1 d1
K1 1 dAm 2dA2 1 dm 2d2
以内表面积为基准的传热系数
4.3.3 总传热系数
(1) 圆筒壁的总传热系数计算式
② 取dA dA2
1 d2 bd2 1
K2 1d1 dm 2
t2 t1
Q KAtm
t2
称为对数平均温 度差。当 t1 / t2 2 时，可用算数平 均代替。
例4-7 用一列管式换热器加热原油，原油进口温度为 100℃，出口温度为150℃。某反应物作为加热剂，进口 温度为250℃，出口温度为180℃。求：(1)并流与逆流 的平均温度差；(2) 若原油流量为1800kg/h，比热容为 2kJ/(kg·K),总传热系数为100W/(m2·K),求并流和逆流时 所需传热面积；(3)若要求加热剂出口温度降至150℃， 求此时并流和逆流时的平均传热温差和所需传热面积， 逆流时的加热剂量可减少多少（加热剂的比热容及总传 热系数不变）？
② 采用逆流操作可节省加热介质或冷却介质的用量。 因逆流时热流体的温降可较并流时大，同样冷流体的 温升也可较并流时大。
③换热器应尽可能采用逆流操作。但是在某些生产工艺 要求下，若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热 时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某 一温度，则宜采用并流操作。
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t2
多层平壁热传导 工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁， 例如工业用的窑炉，其炉壁通常由耐火砖、 保温砖以及普通建筑砖由里向外构成，其中 的导热则称为多层平壁导热。下面以三层平 壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算 方法。 在稳态传热时，通过上述串联平壁的导热速 率都是相等的。即
Q (t1 t2 )
对流传热系数h的影响因素
• 牛顿冷却定律实际上是将所以复杂因素全部都 集中在对流传热系数中。如何确定各种条件下 的对流传热系数成为对流传热的中心问题。 • 影响流体对流传热系数的因素：
1、流体的流动状态 2、流体流动产生的原因
3、流体的物理性质
4、传热表面的情况
流动状态对对流传热的影响
• 层流 无质点径向脉动，径向传热方式为热传导 • 湍流 湍流主体和过渡层有质点脉动，以对流传 热为主。 层流底层的传热方式为热传导 湍流程度越大，对流传热速率越大
dQ dt A dt d
傅立叶定律
dQ dt A dt d
负号的说明
定态传热时，
φ=
Q dt A t d
Φ即为传热速率 单位时间通过传热面的热量 比例系数λ是热导率 热导率是表征物质导热能力的一个参数， 为物质性质之一。热导率越大，物质的导 热能力越强 热导率的大小与物质的组成、结构、状态 （温度、湿度、压强）等因素有关,主要取 决于物质种类(固、液、气)和温度
•传热面摆放方式
传热面摆放方式不同会影响环流速度，从而 影响自然对流效果
经验关联式的建立
• 因次分析 α=f(u,l,μ,λ,CP,ρ,gβΔt) 式中，l——特性尺寸 u——特征流速 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度θ 变量总数：8个 有π定律（8-4）=4，可知4个无因次数群
Nu=CRemPrnGri
• 因稳定过程导热体的导热速率为常数，导热体 的导热系数可视为常数或可取平均值，则上式 中仅包含温度t和半径r两个变量。
• 将上式分离变量，并根据r=r1，t=t1； r=r2，t=t2的边界条件积分。即： • 积分得：

r2 r1 t2 dr 2 L dt t1 r
2 L (t1 t2 ) t1 t2 t r2 ln(r2 r1 ) R ln r1 2 L • ln(r2 r1 ) • 式中 R 2 L 即为圆筒壁的导热热阻。
A(t1 t4 )
若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导
热速率方程式则为：
Q A(t1 tn 1 )
i i 1 i
n
式中下标i为平壁的序号。C
2）圆筒壁的定态热传导
• 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热 问题。例如，管式换热器、蒸汽及液氨导管壁 面中的传热过程等均属于此类。它与平壁导热 的不同之处在于： • 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为
• 主要影响热传导和自然对流中的环流速度 • 粘度
如石油加工过程中对高温重油热能的回收
• 密度 • 比热容
流体有无相变化发生
• 热导率
原子能工业采用低沸点液态金属作为加热剂
传热面情况
• 传热面形状
传热面形状直接影响流体湍流程度 做成波纹状、翅片状及其他异型表面 在流道中加入添加物
•流道尺寸
截面较小流道更有利于传热 短的流道更有利于传热
热辐射
• 热量以电磁波的形式传递。 • 不需要任何传热介质，可以在真空中传 递任何物体，只要温度在绝对零度以上， 就会辐射能量。 • 只有温度较高时，热辐射才能成为主要 的热传递方式 • 大多数的热传递过程是两种或三种传热 方式同时进行的
传导传热
• 1、fourier定律 • 2、化工生产中间壁式换热器的传热面有 平面壁和圆筒壁两种结构形式之分 • 平面壁定态传热 • 圆筒壁的传导传热
1 令 KA R ，则传热总方程为：
KAt
1 W m2 K 。 式中K——传热系数称总传热系数，
传热系数K
• 由传热基本方程和传热总方程进行对照：
KAt
1 1 1 KA h1 A1 Am h2 A2
•对于平面壁，A1=A2=A 1 1 1 K h1 h2
t t1
Q b1 b2 b3
t2
1 1S

(t2 t3 )
2 2 S

(t3 t4 )
t3
t4
3 3 S
根据等比定律则有
Q
1 2 3 1S 2 S 3 S
(t1 t4 )
t 总推动力 R 总热阻
x
化简得
Q
1 2 3 1 2 3

m
• 跟传热平均温度差计算相类似地，当r2/r12时，上 式中的对数平均半径也可用算术平均值代替。

1
2
2、多层圆筒壁导热计算
在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。 例如，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层 保温材料，以减少热量（或冷量）损失；在反应器 或其他容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐 蚀；在换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。
对流传热系数的一般关联式
努塞尔准数 雷诺准数 Nu = αl/λ 待定准数 Re = duρ/μ 流动形态对对流传热的影响
普兰特准数
Pr = Cpμ/λ 流体物性对对流传热的影响
格拉斯霍夫准数 Gr = βgΔt l3ρ2/μ2 自然对流的影响
Nu=CRemPrnGri
液体有相变时的对流传热系数
• 1、蒸气冷凝 • 膜状冷凝；若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面 上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。 • 滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面 张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴， 并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。 • 工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的 设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的 饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。
传热过程热阻分析
bd1 d1 1 1 1 d1 Rs1 Rs 2 K 1 dm 2 d2 d2
• 若其中一项值远大于其他项，在该项为控制热 阻。 • 通过实验可测出控制热阻 • 如果管程流体流量的变化能使总热阻显著变化， 而壳程流体流量对总热阻影响很小，则管程流 体热阻为控制热阻 • 若两流体流量变化均对总热阻有显著影响，则 两热阻均对传热过程控制 • 若两流体流量变化均对总热阻无显著影响，则
dt Q A dr
• 圆筒壁的导热面积随半径而变， A＝2πrL 。
• 如图所示，设圆筒壁的内、 外半径分别为r1和r2长度 为L；内、外表面温度分 别为t1和t2，且t1 > t2 ；管 材导热系数为λ。则由傅立叶定律有：
dt dt A (2 rL) d dr
热传导
• 可以在存在温差的一个物体内部或两个 直接接触的物体之间进行。 • 靠质点在平衡位置附近的振动完成热传 导的过程，不发生宏观位移。 • 热传导是固体进行热传递的一种典型方 式。但在气体和液体中同样存在热传导。 • 热传导一定要有介质才能进行。
对流传热
• 靠传热质点发生宏观位移和混合，完成 热量的传递 • 自然对流 • 强制对流 有外力作用 • 强制对流的效果较自然对流好。
间壁式热交换的计算
• 间壁式热交换包括三个过程：
• 热流体—间壁一侧壁面 对流 • 一侧壁面—另一侧壁面 传导 • 另一侧壁面—冷流体 对流
在连续化的工业生产中，换热器内进 行的大都是定态传热过程，这时，则 有： 1 2 3 传热基本方程
• 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦 具加和性：
• 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式， 该式也可以改写成类似单层平壁的导热 速率计算式的形式。
• 由 2 L (t1 t2 ) 2 L (t1 t2 ) r2 r1
r2 ln r1
r2 ln r1

• 上式中 r2 r1，为圆筒壁的厚度，m。 r2 r1 • 若令上式中的 ln(r2 r1 ) rm ，称为圆筒壁的对数平 均半径；又根据圆筒壁的导热面积计算式，可 令 2 rm L Am，称为圆筒壁的平均导热面积。故上 式可改写为： A (t t )
1(A2) (A2) 1(A2) KA2 h1 A1 Am h2 A2
bd1 d1 1 1 1 d1 Rs1 Rs 2 K 1 dm 2 d2 d2
• 传热系数K的获得除可用公式计算外，还可通过查取相 关手册选用经验K值，对已有换热器，还可通过实验测 定。
• 仿照平壁热传导速率方程，得到对流传 热速率方程： t
A

• 实际上，膜的厚度很难测定，所以引入 一个系数h，使该系数中既包括热阻系数， 又包含膜的厚度：
h
• 对流传热速率方程为：

Φ=hA △t
牛顿冷却定律
Φ=hA △t
A——传热面积
△t——温差 对热流体：△t=T－Tw 对冷流体：△t=tw－t 注：由于传热过程的进行，间壁两侧流体的温度是变化的， 计算时流体的温度T和t均采用平均温度进行计算。
定态传热（稳态传热）
• 物体中各点温度不随时间发生变化的热 量传递过程。 • 也就是说在定态传热系统中，不存在热 量积累，输入热量＝输出热量，定点温 度不随时间变化。 • 即同一热流方向上的传热速率为常量。
傅立叶定律——热传导基本方程
如图，物体均匀，两侧存在 温差 t1 t2 ，热传递方式：传导 实验证明：单位时间物体的导 热量 dQ dt 与导热面积A和温度梯 度 dt d 成正比。
流动产生的原因
强制对流
流体在外界作用下产生的宏观流动 传热速率主要取决于流动状态（流体主体与层流底层） 工程上采取相应手段对该传热过程进行强化 如搅拌、换热器中加入干扰元件等方法。