热交换器.pptx

1讲授讲授 姜华姜华化化 工工 基基 础础An Introduction to Chemical Industry and EngineeringAn Introduction to Chemical Industry and Engineering24-5 4-5 热交换器热交换器(Heat Exchanger)教学目的：教学目的：课课 型：型：教学方法：教学方法：参考文献：参考文献：重重 点：点：了解几种工业上常用的热交换器，了解几种工业上常用的热交换器，掌握它们的构造及操作原理。掌握它们的构造及操作原理。列管式热交换器的构造及操作原理列管式热交换器的构造及操作原理化工设备化工设备讲述、图片演示讲述、图片演示化工原理夏清、陈常贵主编化工原理夏清、陈常贵主编344.5 .5 热交换器热交换器(heat exchanger)按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类加热器、冷却器、冷凝器加热器、冷却器、冷凝器加热器、冷却器、冷凝器加热器、冷却器、冷凝器蒸发器、再沸器蒸发器、再沸器蒸发器、再沸器蒸发器、再沸器按热交换形式分类按热交换形式分类按热交换形式分类按热交换形式分类间壁式间壁式间壁式间壁式混合式混合式混合式混合式蓄热式蓄热式蓄热式蓄热式4冷凝管冷凝管冷凝管冷凝管5球形冷凝管球形冷凝管球形冷凝管球形冷凝管6一、列管式热交换器一、列管式热交换器(1)(1)结构结构结构结构7ShellShellStationary TubesheetStationary TubesheetTubesTubesShell-and-tube heat exchangerShell-and-tube heat exchanger单位容积有较大的换热面积单位容积有较大的换热面积(每每m3有效容积的传热面有效容积的传热面一般为一般为6080m2.m-3)，是传热效率较高的热交换器。是传热效率较高的热交换器。8(2)(2)有关概念有关概念有关概念有关概念a.a.管程：管程：管程：管程：b.b.壳程：壳程：壳程：壳程：流体在平行管束内的行程流体在平行管束内的行程流体在平行管束内的行程流体在平行管束内的行程流体在壳体与管束间空隙处流动的流体在壳体与管束间空隙处流动的流体在壳体与管束间空隙处流动的流体在壳体与管束间空隙处流动的行程行程行程行程c.c.单管程：单管程：单管程：单管程：d.d.多管程：多管程：多管程：多管程：流体仅一次通过管束流体仅一次通过管束流体仅一次通过管束流体仅一次通过管束流体多次通过管束流体多次通过管束流体多次通过管束流体多次通过管束9单程列管式换热器单程列管式换热器单程列管式换热器单程列管式换热器10单壳程双管程换热器单壳程双管程换热器单壳程双管程换热器单壳程双管程换热器11(3)(3)(3)(3)挡板挡板挡板挡板(折流板折流板折流板折流板)12 挡板挡板挡板挡板(折流板折流板折流板折流板)的作用的作用的作用的作用u u壳壳壳壳 ,h h 引导流体沿规定路径走引导流体沿规定路径走引导流体沿规定路径走引导流体沿规定路径走13折流杆折流杆折流杆平行排列折流杆平行排列在同一平面上，在同一平面上，各组相互偏转各组相互偏转90度。度。优点优点：流动阻力小；流体湍流程度强烈。：流动阻力小；流体湍流程度强烈。折流杆换热器管束示意图折流杆换热器管束示意图14Expansion JointExpansion Joint(4)(4)热补偿装置热补偿装置热补偿装置热补偿装置a.a.补偿圈（膨胀节）补偿圈（膨胀节）补偿圈（膨胀节）补偿圈（膨胀节）15b.b.浮头浮头浮头浮头c.Uc.U形管式形管式形管式形管式16(5)(5)翅片管翅片管作用：作用：增大传热面积增大传热面积(表面积可为光滑管的表面积可为光滑管的29倍倍)；提高流体的湍流程度，从而提高传热膜系数。提高流体的湍流程度，从而提高传热膜系数。NOTENOTE：流经翅片一侧的应是传热膜系数小的流体。流经翅片一侧的应是传热膜系数小的流体。17(6)流体流经管内或管间的选择：流体流经管内或管间的选择：原则原则：对传热有利，减少腐蚀和污垢沉积，：对传热有利，减少腐蚀和污垢沉积，减低压降及减轻设备质量，便于清洗等。减低压降及减轻设备质量，便于清洗等。腐蚀性流体走管程。腐蚀性流体走管程。混浊或易析出沉渣结垢的流体走管程，因管混浊或易析出沉渣结垢的流体走管程，因管内流体可获得较大流速。内流体可获得较大流速。流量小的或粘滞性流体走管程流量小的或粘滞性流体走管程，因可获得较，因可获得较大流速而有较高的传热膜系数。大流速而有较高的传热膜系数。18压力高的流体宜在管内通过压力高的流体宜在管内通过，有利于设备制造，有利于设备制造和降低材料消耗。和降低材料消耗。液液-液热交换时，温度高的液体走管程液热交换时，温度高的液体走管程，可减，可减少热损失。少热损失。饱和水蒸气宜走壳程饱和水蒸气宜走壳程，易于排出冷凝液，同时，易于排出冷凝液，同时饱和水蒸气的传热膜系数高，让传热系数低的饱和水蒸气的传热膜系数高，让传热系数低的走管内，因流速高而可以提高传热膜系数。走管内，因流速高而可以提高传热膜系数。19二、夹套式热交换器二、夹套式热交换器20载热体通道：载热体通道：载热体通道：载热体通道：夹套与容器壁之间形成的环形空间夹套与容器壁之间形成的环形空间夹套与容器壁之间形成的环形空间夹套与容器壁之间形成的环形空间载热体流向：载热体流向：载热体流向：载热体流向：蒸汽：蒸汽：蒸汽：蒸汽：液体：液体：液体：液体：结构简单，但传热面积较小。结构简单，但传热面积较小。结构简单，但传热面积较小。结构简单，但传热面积较小。上上上上下下下下下下下下上上上上常用于制药、有机合成和食品工业中。常用于制药、有机合成和食品工业中。夹套反应釜换热时，传热系数夹套反应釜换热时，传热系数K比较低。比较低。21三、蛇管式热交换器三、蛇管式热交换器优点：优点：优点：优点：结构简单结构简单结构简单结构简单能承受高压能承受高压能承受高压能承受高压缺点：缺点：缺点：缺点：容器内液体湍流程度小容器内液体湍流程度小容器内液体湍流程度小容器内液体湍流程度小管外给热系数小管外给热系数小管外给热系数小管外给热系数小换热面积一般小于换热面积一般小于15m2.m-3。22为提高传热系数的强化措施：容器内加搅拌器为提高传热系数的强化措施：容器内加搅拌器为提高传热系数的强化措施：容器内加搅拌器为提高传热系数的强化措施：容器内加搅拌器23t t2 2T T1 1t t1 1T T2 2四、套管式换热器四、套管式换热器特点：特点：特点：特点：传热系数大传热系数大传热系数大传热系数大对数平均推动力大对数平均推动力大对数平均推动力大对数平均推动力大（两种流体可为纯逆流）（两种流体可为纯逆流）（两种流体可为纯逆流）（两种流体可为纯逆流）结构简单、能承受高压结构简单、能承受高压结构简单、能承受高压结构简单、能承受高压应用方便应用方便应用方便应用方便（可根据需要增减管段数目）（可根据需要增减管段数目）（可根据需要增减管段数目）（可根据需要增减管段数目）24五、板式换热器五、板式换热器25优点：优点：1、传热板薄，单位容积有很大的传热面传热板薄，单位容积有很大的传热面(可达可达250m2)，并且外表面小，热损失小。并且外表面小，热损失小。2、传热系数高；流体流动阻力并不大。传热系数高；流体流动阻力并不大。3、操作灵活性大。操作灵活性大。4、金属消耗小，制造、检修、清洗均较方便。金属消耗小，制造、检修、清洗均较方便。26六、螺旋板式热交换器六、螺旋板式热交换器优点：优点：结构紧凑，有大的传热面积结构紧凑，有大的传热面积（50m2.m-3或更多）或更多）流体允许有较高流速，有较高传热系数，约为列流体允许有较高流速，有较高传热系数，约为列管式的管式的12倍，且污垢不易沉积。倍，且污垢不易沉积。缺点：缺点：要求加工质量高，检修和清洗较为困难。要求加工质量高，检修和清洗较为困难。27七、热七、热 管管特点：特点：热量的传递经历了热量的传递经历了气化气化冷凝冷凝过程，传过程，传热膜系数都很大，管壁的温度也相当均匀。热膜系数都很大，管壁的温度也相当均匀。28热棒实验热棒实验29思考题思考题1、比较不同类型换热器的优缺点。、比较不同类型换热器的优缺点。2、如何选择换热器？、如何选择换热器？30攻克青藏铁路冻土难关攻克青藏铁路冻土难关通风管措施。在路基内横向埋设水平通风管，冬季冷空气在管内对流，加强了路基填土的散热，有利于降低基底地温，提高冻土的稳定性。31另一降温的方式是给路基表面盖上一层遮光板。“试想，夏天的太阳光辐射在路基上，下面的冻土肯定会受不了。”吴柏青说，就像夏天外出要戴太阳帽一样。32片石气冷措施。片石气冷路基是在路基垫层之上，片石气冷措施。片石气冷路基是在路基垫层之上，设置一定厚度和空隙度的片石层，因片石层上下界面间设置一定厚度和空隙度的片石层，因片石层上下界面间存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，热交换作用存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，热交换作用以对流为主导，利用高原冻土区负积温量值大于正积温以对流为主导，利用高原冻土区负积温量值大于正积温量值的气候特点，加快了路基基底地层的散热，取得降量值的气候特点，加快了路基基底地层的散热，取得降低地温、保护冻土的效果。低地温、保护冻土的效果。碎石碎石(片石片石)护坡或护道措施。在路基一侧护坡或护道措施。在路基一侧或两侧堆填碎石或片石，形成护坡或护道。碎石或两侧堆填碎石或片石，形成护坡或护道。碎石(片石片石)护坡空隙内的空气在一定温度梯度作用下产生对流，寒护坡空隙内的空气在一定温度梯度作用下产生对流，寒季碎石季碎石(片石片石)内空气对流换热作用强烈，有利于地层散内空气对流换热作用强烈，有利于地层散热；暖季碎石热；暖季碎石(片石片石)内空气对流作用减弱，对热量的传内空气对流作用减弱，对热量的传入产生屏蔽作用，减少了暖季的传热，达到了降低地温、入产生屏蔽作用，减少了暖季的传热，达到了降低地温、保护冻土的效果。保护冻土的效果。33446 6 辐射传热辐射传热辐射传热的机理辐射传热的机理辐射传热过程是热物体以波的形式向四周散播辐射辐射传热过程是热物体以波的形式向四周散播辐射能，辐射能遇到另一物体时，被全部或部分地吸收，能，辐射能遇到另一物体时，被全部或部分地吸收，被吸收的辐射能重新转变成为热能。被吸收的辐射能重新转变成为热能。辐射与传导或对流的差别：辐射与传导或对流的差别：辐射能的发生是由于物体的原子内部激动的结果，它辐射能的发生是由于物体的原子内部激动的结果，它可以直接传播可以直接传播。任何绝对零度以上的物体均能辐射能。任何绝对零度以上的物体均能辐射能量（这也是遥感技术的根据），量（这也是遥感技术的根据），辐射的强度和波长与辐射的强度和波长与物体的温度有关物体的温度有关。热辐射的波长范围一般是。热辐射的波长范围一般是0.840nm(可见光为可见光为0.40.8 m,红外线为红外线为0.7500 m).34基本概念基本概念射到物体表面的辐射能，一部分被反射，一部分被射到物体表面的辐射能，一部分被反射，一部分被吸收，其余部分则透过，它们在总辐射能中的分数吸收，其余部分则透过，它们在总辐射能中的分数分别称为分别称为反射率反射率、吸收率吸收率和和透过率透过率。单原子和对称双原子气体（如单原子和对称双原子气体（如N2N2、O2O2、H2H2）能让全能让全部辐射能透过，称为部辐射能透过，称为透热体透热体。一氧化碳以及三原子以上包括碳氢化合物的气体，则一氧化碳以及三原子以上包括碳氢化合物的气体，则吸收某些波长范围的辐射能，而让某些波长范围的透吸收某些波长范围的辐射能，而让某些波长范围的透过，它们称为过，它们称为半透体半透体。35能完全吸收辐射能的称为能完全吸收辐射能的称为黑体黑体或或绝对黑体绝对黑体。能完全反射辐射能的物体称为能完全反射辐射能的物体称为镜体镜体或或绝对白体绝对白体。实际物体只能部分吸收辐射能，通称为实际物体只能部分吸收辐射能，通称为灰体灰体。物料表面越粗糙，则对辐射能的吸收率越高。颜色与吸收率没有直接关系，许多浅色物体的吸收率也很高。NOTENOTE：36克希霍夫克希霍夫（Kirchhoff）定律定律包括黑体的任何物体的发射率（反映其辐射能力）包括黑体的任何物体的发射率（反映其辐射能力）与吸收率之比恒为一个常数。与吸收率之比恒为一个常数。该温度下物体的吸收率越大，发射率也越大。该温度下物体的吸收率越大，发射率也越大。物体的发射率与黑体发射率之比称为物体的物体的发射率与黑体发射率之比称为物体的黑度黑度。由于黑体有最大的发射率，物体黑度越大其发射率就越强。由于黑体有最大的发射率，物体黑度越大其发射率就越强。37 物体的辐射能量分布在所物体的辐射能量分布在所 有的有的 波长范围，其分布关系随温度的波长范围，其分布关系随温度的 改变而改变。改变而改变。各温度曲线下的面积，表示单位各温度曲线下的面积，表示单位时间、单位面积的物体反射的总辐时间、单位面积的物体反射的总辐射能量，称为物体的射能量，称为物体的辐射能力辐射能力E。随温度的提高，辐射能力急剧增大。随温度的提高，辐射能力急剧增大。38斯忒藩斯忒藩波耳兹曼波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 黑体的辐射能力黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比：与绝对温度的四次方成正比：黑体的辐射系数（也称为Stefan-Boltzmann常量）,其值为5.67,单位W.m-2.K-4。实际物体的辐射能力较黑体低实际物体的辐射能力较黑体低39 图中各温度曲线下方各波长的纵图中各温度曲线下方各波长的纵轴距离称为辐射强度轴距离称为辐射强度I。各温度有一最高辐射强度。随温度各温度有一最高辐射强度。随温度的提高，最高辐射强度急剧增大，并的提高，最高辐射强度急剧增大，并往波长短的方向移动，即属于可见光往波长短的方向移动，即属于可见光波长范围的辐射能在总辐射能中的比波长范围的辐射能在总辐射能中的比重增加大。重增加大。500以下，物体的辐射能几乎以下，物体的辐射能几乎全部是红外部分，全部是红外部分，500以上，辐射以上，辐射的波长向可见光转移，物体开始呈现红色，而到的波长向可见光转移，物体开始呈现红色，而到1250 1500时，辐射强度增大，可见光波长范围的辐射增长更时，辐射强度增大，可见光波长范围的辐射增长更多，物体呈亮白色光泽。多，物体呈亮白色光泽。40温度与色泽的关系温度与色泽的关系炉塘或物料色泽炉塘或物料色泽温度温度/炉塘或物料色泽炉塘或物料色泽温度温度/本身颜色开始转色暗 褐赤 褐。亮 红325以下325520520580580650。830880黄红橘红。白亮 白8809509501000。135014501450160041远红外技术远红外技术远红外加热是利用物料吸收远红外辐射器发出的远红外线（波长1150 m，常用215 m），转变为热能而将物料加热或干燥。特别适用于有机物、高分子材料以及含水物料的加热，因为这些物料在远红外区有很宽的吸收带（水的远红外吸收波峰为2.7 m）,在受到照射时容易吸收远红外线,吸收后分子发生剧烈的震荡,使之迅速升温.三种传热方式的概括比较三种传热方式的概括比较传导和对流传热时的传热速率直接与温度差成正比。辐射传热时的传热速率则与温度的四次方之差成正比。传热过程中，传导、对流和辐射往往同时发生。高温（如500以上）时辐射传递的热量在总传热量中会占较大的比重；较低温度（如300以下）对流传热占显著地位。传导主要发生在固体物料间。对流传热发生在流体之中。传导、对流、辐射传热的传热速率都与传热面积直接成正比。43在套管换热器中用水逆流冷却热油,水由285K加热到310K,油由420K冷却到370K,设油和水的流量、物性和进口温度不变,若要求油的出口温度降到360K,问换热面积应比原来增加多少（%）？44在套管式换热器中用水冷却热油（逆流换热），油由420K冷却到370K，水由285K加热到310K。设油和水的物性、进口温度和换热面积均不变，水的流量增加0.2倍，油的流量不变，求水和油的出口温度。45有一套管换器，内管为192mm，管长为2m，管隙的油与管内的水流向相反。油的流量为270kgh-1，进口温度为100,水的流量为360kgh-1,进口温度为10。若忽略热损失,总传热系数K=374 Wm-2K-1,油的比热Cp,h=1.88kJkg1K-1，试求油和水的出口温度分别为多少？（水的比热Cp，c=4.18kJkg1K-1）46根据传热机理的不同，热的传递有_、_和_三种基本方式，流动的流体向器壁的传热主要靠_。6、根据总传热方程，强化传热过程，提高传热速率，可以采取_、_和_三方面措施。、大多数金属的导热系数随温度的升高而降低。()8、过热蒸汽的给热系数远远小于饱和蒸汽的给热系数。()9、相同条件下,逆流比并流有更大的平均温度差，因此生产中从来不采用并流换热的方式。47什么是稳态传热？什么是稳态的恒温传热和稳态的变温传热？金属的导热系数随温度的升高而_；液体的导热系数随温度的升高而_（水和甘油除外）；气体的导热系数随温度提高而_，随压强的增大而_。.4849膜状沸腾的给热系数比泡核沸腾的给热系数_,膜状冷凝的给热系数比滴状冷凝的给热系数_。强化传热过程的途径有_、_、_。在列管式热交换器的设计中补偿热膨胀的措施有_、_、_。50传热有哪几种方式？它们的传热机理分别是什么？3、什么是稳态流动？什么是稳态传热？什么是连续定态恒温传热，什么是连续定态变温传热，这两种情况传热平均温差应如何计算？并流与逆流传热各有什么特点？