资源简介

(共44张PPT)
模块二 传热
01
任务一 认识换热器的结构
02
任务二 认识换热装置的换热方式
03
任务三 认识传热的基本方式及换热流体
04
任务四 计算传热的过程速率
05
任务五 计算间壁换热器的传热速率
06
07
任务六 计算间壁换热器的壁温
任务七 管壳式换热器的设计与选型
任务八 换热器的操作与维护
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
子任务1 认识间壁换热器的传热过程
认识间壁换热器传热的必须具备的条件，并了解间壁换热器传热的三个步骤。如图所示，冷、热流体通过换热器壁面交换热量的过程可分为三个步骤：
第一步：热流体以对流传热形式（给热）将热量传给与之接触一侧的壁面；
第二步：壁面以热传导的方式将热量传向壁面另一侧；
第三步：冷流体以对流传热（吸热）从与之接触的壁面上获取热量。
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
子任务2 计算间壁换热器的传热速率
一、计算换热器的热负荷
1、计算显热热负荷
在换热过程中，若冷、热流体无相变化而只有温度变化，冷、热流体吸收或放出的热量，称为显热热负荷。
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
2、计算潜热热负荷
潜热热负荷是指冷、热流体因相态变化而吸收或放出的热量，可用下式计算：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
3、计算焓差热负荷
由于工业换热器中流体递进、出口压力差不大，故可近似看作是恒压过程。根据热力学定律，恒压过程冷、热流体吸收或放出的热量在数值上等于流体的焓差，可用下式计算:
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
将流量为0.5 硝基苯通过一换热器，由80℃升冷却到40℃。用水作为冷却介质，其初温为30℃，出口温度要求不超过35℃.已知硝基苯的定压比热为 。忽略热损失，试求：该换热器的热负荷及冷却水用量。
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
解：若忽略热损失，则换热器的热负荷可由硝基苯放出的热量或冷却水吸收地热量来计算，即:
取平均温度下水的比热容为：
由根据热量衡算关系，得冷却水用量为：
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
在某换热器中，用 的饱和水蒸气将苯由 加热到 ，苯的流量为 。若换热器热损失为苯吸热量的 ，试求换热器的热负荷及水蒸气用量。
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任务五 计算间壁换热器的传热速率
解：根据题意，换热器的热量衡算式应为:
已知：根据苯进、出口的平均温度 ，查苯的定压比热容 ，密度 ， 水气的比汽化焓为
将各值代入上式，得：
代入上述各值，得水蒸气用量为：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
二、计算换热器传热速率
1、传热速率物理意义
实践证明：两股流体单位时间内所交换的热量与传热面积 成正比，与温度差 成正比,即：
在不考虑热损失的情况下，热负荷等于传热速率，即：
在换热过程中，因传热面各部位的传热温度差不同，所以整个换热面上温度差应该取各部位上温度差的平均值。
即:
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任务五计算间壁换热器的传热速率
（1）恒温平均温度差
当两流体在传热过程中均发生恒温相变时，热流体T和冷流体的温度t始终保持不变，整个换热器表面温度差保持不变。此时，流体的流动方向对传热温度差也没有影响，换热器的传热推动力可取任一界面上的温度差，此时传热平均温度差就显得十分简单，即：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
（2）变温平均温度差
间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。变温传热时，两流体的温度差Δt也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中温度差Δt应使用整个传热壁面温度差的平均值Δtm。Δtm计算方法不仅与冷热流体的进、出口温度有关，还与热交换器中冷、热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图所示。
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任务五计算间壁换热器的传热速率
套管式逆流和并流传热时流体的温度沿传热壁面的变化情况。内管走冷流体，温度由t1升至t2，套管环隙走热流体，与冷流体呈逆流，温度由T1降至T2。（a）与（b）不同的是冷热流体分别呈逆流和并流流动。假设热交换器没有热损失，则传热总系数K是一个常数。换热器两侧流体的传热温差是换热器Δtm是冷、热流体在换热器传热面上各处的温度差的平均值, 即：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
若换热器进、出口的两端温度比 ，工程上常用算术平均值温度差作为换热器的有效平均温差，即：
计算错流和折流时的平均温度差时，按逆流温度差的的方法计算后再乘以校正系数
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任务五计算间壁换热器的传热速率
校正系数 与冷热两流体的温度变化有关，是R和P两参数的函数，即：
=热流体温降/冷流体温升
=冷流体温升/流体最初温差
　
　　　　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
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任务五计算间壁换热器的传热速率
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
采用套管式换热器换热，冷却水在管内流过，水温度由20℃升到60℃；热油在管外，其温度从120℃降到70℃，采用以下三种方案换热：（1）并流（2）逆流；（3）把换热器改成单壳程、双管程的列管式。
求：每个方案的传热平均温度差。
　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
（3）流体流动方向对传热平均温度差的影响
①换热器两侧的流体恒温传热，也就是换热器内冷、热流体的温度都未变化，并流、逆流对平均温出差无影响。
②换热器一侧的流体恒温，另一流体温度变化，并流、逆流对平均温出差无影响。
③换热器两侧的流体均变温，假定热、冷流体的进、出口温度一定，在完成相同的传热量时，由于逆流的平均温度差大于并流。
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
拟采用一台列管式换热器，如图下图所示，冷却水在管内流过，水进、出口温度分别是20℃和60℃；热油在管外与水逆流流动，其进、出口温度分别是120℃和70℃，热油的流量为2.1kg/s,其平均比热容1.9kJ/(kg·℃)。如果换热器的传热系数 ，忽略热损失。试求：
（1）冷却水用量；（2）所需换热器传热面积。
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
3、确定换热器的总传热系数
（1）计算总传热系数
1)用串联热阻计算总传热系数
图为一逆流操作的管式换热器，热量由管内向管外传递，取一段微元管段dL，该管段的内、外表面积及平均传热面积分别为 dAi 、dAo 和 dAm 。
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
热流体通过对流传热，向高温壁面传递的对流传热速率为：
高温壁面通过热传导，传向低温壁面的传递的导热速率为：
低温壁面通过对流传热，向冷流体的传递的对流传热速率为：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
在稳定传热的情况下，通过各环节的传热速率应相等，否则会因热量在某阶段的积累或损失而导致温度都随时间而变化，即：　　　　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
2)计算有污垢热阻的总传热系数
若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别用Rsi及Rso表示，则：　　　　　　　
当管壁为平壁，或圆筒壁较薄或管径较大时， ， ， 近似相等，则由式得到：
若固体壁面材料为金属时，热导率很大，且当壁面很薄时， 一项可以忽略，则式写为：
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任务五计算间壁换热器的传热速率
（2）总传热系数经验值
在设计换热器时，需预知总传热系数K值，对换热器总传热系数作一估计。
某些情况下，列管换热器的总传热系数经验值见表，有关手册也有不同情况下的经验值，可供设计时参考。
　　　　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
（3）现场测定总传热系数
对已有的换热器，传热总传热系数 可通过现场测定法来确定。具体方法如下：
1)现场测定有关数据，如：设备尺寸、流体流量和进出口温度等；
2)根据测定的数据求得传热速率 、传热平均温度差 和传热面积 ；
3)由传热速率方程式 计算 。　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
热空气在冷却管管外流过，α2=50W/（m2·℃），冷却水在管内流过α1=1000W/（m2·℃）。冷却管外径do=19mm，壁厚δ=2mm，管壁的热导率λ=45W/（m·℃）。试求：换热器的总传热系数Ko。
解：
　　　　
W/（m2·℃）
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任务五计算间壁换热器的传热速率
若改变技术训练1中的操作工艺条件提高对流传热系数，求下列两种情况下换热器的总传热系数：（1）管外对流传热系数α2增加一倍，总传热系数有何变化？（2）管内对流传热系数α1增加一倍，总传热系数有何变化？
解：（1）如果将管外对流传热系数α2增加一倍，则　　　　　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
（2）如果将管外对流传热系数α1增加一倍，则：　　　　　　
　　　
由此可见，将管外对流传热系数α2增加一倍，则传热系数增加了88.3%。若如果将管内对流传热系数 α1 增加一倍，则传热系数只增加了3.2%。因此，若 ，则 ， 欲要提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。
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任务五计算间壁换热器的传热速率
三、间壁式换热器强化传热的途径
1、增加传热面积：例如：用螺纹管代替光滑管、用螺旋板代替光滑板，都可以增加单位体积内的换热面积。
2、增加总传热系数：
（1）提高换热器管壁的导热能力
（2）增加对流传热系数
1）增加换热器的管程 2）增加壳程数
3）采用粗糙的对流传热面积 4）设置折流挡板　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
3）采用粗糙的对流传热面积
如图，通常采用将换热管内、外表面制作成翅片或波纹状，也可以把管子做成麻花扭曲状，或者在管内装金属网，可以使流体沿着表面流动时增加湍动程度，这样有效地改善流体的对流传热系数，增强传热效果。 板式换热器的板面做成波纹状，能使流体在较小的流速下产生湍流，因此能获得较高的对流传热系数。
　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
4）设置折流挡板
折流板是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器壳程，作为壳程介质流道。折流板的作用可以增加流体的湍动程度，减少流体在管道中的死区，增加流体流动流程，提高对流传热效果。　　　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
5）尽量采用有相变化的载热体
当流体存在相变时,相变发生过程将释放或者吸收大量热量,即相变潜热，得到较高的对流传热系数。比如：每千克100℃的饱和水蒸汽冷凝为同温度下的水，放出热量为2258.4kJ，相当于同质量的水在100℃的温度下降低1℃所放出热量的540倍，可见相变时传热速率高，说明传热系数也高。
6）防止结垢和及时除垢
防止结垢和及时清垢也是增加传热总系数的重要途径。随着换热器使用时间的增长，污垢热阻可能成为主要的热阻。通常增加流体流速可以减弱污垢的形成，对于可拆卸的换热器，应定期进行化学或机械除垢。　　　　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
3、增加平均温度差
平均温度差的的大小取决于两流体的温度条件和两流体的流动状况。流体的温度为换热要求规定，当两流体均发生变温时，可以在换热过程采用逆流工艺以增加平均温度差。另外，加热介质的种类不同，其温度也有较大差异，可采用高温加热介质或低温冷却介质来增加平均温度差。增加平均温度差可采取以下措施：
（1）提高热流体温度
用饱和蒸气作加热介质时，可以通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度。工业上常采用电加热的方法提高加热介质的温度。
　　　　　
　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　
（2）降低冷流体温度
用水冷器冷却热流体时，降低水温或者是增大冷却水的流量来降低整个换热器的冷流体温度。如果用低温冷冻盐水代替普通的冷却水，效果会更好。
（3）采用逆流设备
冷、热两种流体的变温传热时，采用逆流可以得到较大的平均温度差。如采用螺旋板式换热器和套管式换热器，可以使管内、外的流体作完全的逆流流动，传热效果很好。　　　
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任务五计算间壁换热器的传热速率
　　　

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