201011传热过程的计算

2012-11-4
间壁式换热器的类型和结构型式
夹套式换热器 主要用于反应器的加热或冷却， 将反应器的筒体制成夹套，将加 热剂或冷却剂通入夹套内，通过 夹套的间壁与反应器内的物料进 行换热。 在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝 水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由 上部流出。
螺旋套管换热器
结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要 求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并 列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达 到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活；
缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故 一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。
药 化 学 院
第6节 传热过程计算与换热器
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上节回顾
传导传热 傅里叶定律
dq t n
对流传热
T Tw dQ 1 dA
(T Tw )dA ——牛顿冷却定律
Aw112 Eb1 Eb 2 1 1 1 12 1 21 1 1 2
污垢热阻 m2· ℃/W
蒸气
流体种类
污垢热阻 m2· ℃/W
0.0002 0.0001 0.0002 0.0004
有机蒸汽 水蒸气(不含油) 水蒸气废气(含油) 制冷剂蒸汽(含油) 气体
未处理的凉水塔用水
经处理的凉水塔用水 多泥沙的水 盐水
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0.00058
0.00026 0.0006 0.0004
空气
压缩气体 天然气 焦炉气
0.0003
0.0004 0.002 0.002
壁温估算
T Tw Tw t w tw t q 1 1
1

2
对于金属管壁Tw≈tw
1 T Tw Tw t
1
1
2
传热面两侧温差之比等于两 侧热阻之比，壁温Tw必接近 于热阻较小或给热系数较大 一侧的流体温度
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二、传热过程基本方程式
q K (T t ) qm1c p1dT K (T t )dA A dA
0 A
qm1c p1 K K

T1
dT T t dT T t
T2
qm 2 c p 2 dT K (T t )dA A dA
0
A
t B T1 t 2
(T t ) A (T t ) B t A t B (T t ) A t A 1n( ) 1n( ) (T t ) B t B
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逆流和并流时的△tm的图示
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三、换热器的设计
设计任务：将一定流量的热流体自给定温度T 1冷却至指 定温度T 2。 设计条件：即冷流体的进口温度t1。 计算结果：设备设计尺寸。 确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。 计算步骤： （1）计算热流量(通常称之为热负荷) Q＝qm1cp1(T1-T2) （2）计算平均推动力Δtm； （3）计算冷、热流体与管壁的对流给热系数及总传热系 数； （4）计算传热面积，Q＝KA Δtm
qm 2 c p 2

t2
t1
A
Q K tm
Q KAtm
常数
称为传热过程基本方程式
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对数平均推动力△tm的实际计算
以逆流为例
T2
A
t2
T1
t1
B
冷 流 体： t1 t 2 热 流 体： T2 T1 t A T2 -t1 t m
A/B也可用
1/2来表示。
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选用和设计中应考虑的问题
换热管规格及排列 ：
管径：d，单位体积设备内的A，但更容易堵塞。目前我 国系列标准规定采用 25×2.5mm, 19×2mm两种规格的管 子。管长的选择以清洗方便和合理使用管材为准，我国生产 的钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、 6米四种规格，以3米和6米最为普遍。
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U 型管式换热器
结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上， 与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比 较简单，管束可以拔出清洗。
缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。
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浮头式换热器
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选用和设计中应考虑的问题
流体流动通道的选择： (1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于 直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速提高 h 的流体应选管程，因管程流通截 面积小于壳程，且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其 h 与流速无关； (6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； (7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和 流向都在不断变化，在 Re>100 即可达到湍流。 以上各点往往不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择， 例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求 来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。
换热管的排列方式：等边三角形排列比正方形排列更为紧凑， 管外流体的湍动程度高，给热系数大，但正方形排列的管束 清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45度放置， 也可提高给热系数。
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选用和设计中应考虑的问题
折流挡板 ：
作用：提高管外的给热系数； 形状：园缺型、园盘型、分流型等； 挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为 例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是2025%。缺口方向可水平和垂直排列。 挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外 h ；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。
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四、换热器
按传热特征分： 间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积固定，热量 传递为-导热-对流的串联过程。 混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。 蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流 体交替通过换热器的同一蓄热室。 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。 按结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。 选取换热器时，应根据工艺要求选用合适的类型，还应按传 热基本原理选定合理的换热流程，确定换热器的传热面积、 结构尺寸以及校核流体阻力等。 对系列化标准换热器，需通过必要的计算 (A，p) 来选用。
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设计参数的选择： 计算Δtm ①选择流体的流向，即决定采用逆流、并流还是其 他复杂流动方式； ②选择冷却介质的出口温度。 计算K，须计算两侧的给热系数。 ①冷、热流体流动路线，走管内还是管外； ②选择适当的流速。 同时，还必须确定污垢热阻
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选择的依据： 经济性、技术可靠性 (1)流向 (2)冷却介质出口温度 (3)流速 其它
污垢热阻 R1和 R2 污垢热阻影响：使α↓，热流量↓
1 K 1 R1 b d1 R2 d1 d2 1 d1
1
dm
2 d2
式中 R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2· K/W。
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污垢热阻的大致数值
流体种类
水(u<1m/s, t<50℃) 海水 河水 井水 蒸馏水 锅炉给水 0.0001 0.0006 0.00058 0.0001 0.00026
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间壁式换热器的类型和结构型式
列管式换热器
列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应 能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。
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固定管板式换热器
结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管 长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接， 当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚 至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。

d Am

1

推动力 阻力
2 d A2
可取dA≠dA1≠dA2≠dAm中的任何一个，但我国换热 器的基准都是取传热管的外表面积，即dA=dA1
1 K1
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11ຫໍສະໝຸດ dA1 dAm
1 dA1
1 K1
2 dA2

1
1

d1 dm

1 d1
2 d2
为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使 容器内的流体作强制对流。
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浸没式蛇管换热器
结构：由肘管连接的直管，或由盘 成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状 主要决定于容器形状。将蛇管浸没 于容器中，即构成蛇管式换热器。
当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通 入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的 疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅 拌器。
结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回 活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮 头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。 我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型 号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，25×2.5mm 换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积 180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。