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(共29张PPT)
《化工单元操作》
项目二 传热
任务三 获取传热知识（3）
(三) 传热系数的获取方法
1. 取经验值
热流体 冷流体 传热系数K/〔W/(m2 K)〕
水 水 850～1700
轻油 水 340～910
重油 水 60～280
气体 水 17～280
水蒸汽冷凝 水 1420～4250
水蒸汽冷凝 气体 30～300
低沸点烃类蒸汽冷凝（常压） 水 455～1140
高沸点烃类蒸汽冷凝（减压） 水 60～170
水蒸汽冷凝 水沸腾 2000～4250
水蒸汽冷凝 轻油沸腾 455～1020
水蒸汽冷凝 重油沸腾 140～425
2.现场测定
　　实验室用蒸汽在一套管换热器中加热空气，空气走管程。测出蒸汽的压力Ｐ，即得其温度Ｔ；测出空气的流量Ｗ及进、出口温度t1、 t2，由
补充例题 在一套管换热器中，苯在管内流动，流量为3000kg/h，进、出口温度分别为80℃和30℃，在平均温度下，苯的比热容可取1.9kJ/(kg K)。水在环隙中流动，进、出口温度分别为15℃和30℃。逆流操作，换热器的传热面积为2m2，热损可以忽略不计。试求换热器的传热系数。
解：换热器的传热量：
Q=WhCPh(T1－T2)=(3000/3600)×1.9×(80－30)＝21.93kW
平均温度差：
3.公式计算
　　　热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流”的串联过程。(假设热流体走管程，冷流体走壳程)
　　(1)热流体对壁面的对流传热
(2)壁面内的导热
(3)壁面对冷流体的对流传热
则总过程：
　　　具体计算时，等式左边的传热面积S可选传热面（管壁面）的外表面积So或内表面积Si或平均表面积Sm，但传热系数K必须与所选传热面积相对应。
Ki、Ko、Km——基于Si、So、Sm的传热系数，W/(m2 K)。
　　但工程上，大多以外表面积为基准，手册中所列K值都是基于外表面积的传热系数，换热器标准系列中的传热面积也是指外表面积。
污垢热阻的影响
　 换热器在使用过程中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常，污垢热阻比传热壁面的热阻大得多。
　　　影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值。
表2-4 　常见流体的污垢热阻R S
(m2 K)/kW
　　若传热壁面为平壁或薄管壁时，Si、So、Sm相等或近似相等，则可简化为：
(四)壁温的计算
【例2-12】有一换热器，管内通90℃的热流体，膜系数为1100w/m·℃，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，膜系数为5800 w/m·℃ 。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005 m·℃ /w。设管壁热阻可以忽略。
解：因管壁热阻可以忽略，故换热管内、外侧的壁温相等，设为Tw。
（1）当壁很薄时，Si≈SO，又管壁清洁无垢，由式（2-48）得
（2）同理，当外侧有污垢时
结论:壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。当不计污垢热阻时，壁温接近膜系数值大的那个流体的温度。
作业
计算题：P111页16
五、强化与削弱传热
（一） 强化传热途径
Q=KSΔtm
1.增大传热面积
　　如图所示的几种带翅片或异形表面的传热管，它们不仅使传热表面有所增加，且强化了流体的湍动程度，提高了对流传热系数，使传热速率显著提高。
2.提高传热推动力
　　　传热平均温度差的大小取决于两流体的温度大小及流动型式。一般来说，物料的温度由工艺条件所决定，不能随意变动，而加热剂或冷却剂的温度，可以通过选择不同介质和流量加以改变。改变加热剂或冷却剂的温度，必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。
　　　另外，采用逆流操作或增加壳程数，均可得到较大的平均传热温度差。
3.提高传热系数
　　一般来说，在金属换热器中，壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻；
污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，可不予考虑，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为阻碍传热的主要因素；
对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，必须重点考虑。
（1）降低对流传热热阻 当壁面热阻（b/λ）和污垢热阻（RSi、RSo）很小，可以忽略时
若 i>> o，则K o，此时，欲提高K值，关键在于提高管外侧的对流传热系数；若 o>> i，则K i，此时，欲提高K值，关键在于提高管内侧的对流传热系数。总之，当两 相差很大时，欲提高K值，应该采取措施提高 小的那一侧的对流传热系数。
若 i与 o较为接近，此时，必须同时提高两侧的对流传热系数，才能提高K值。
① 无相变时的对流传热 增大流速和减小管径都能增大对流传热系数。不断改变流体的流动方向，也能使 得到提高。
在管程，采用多程结构，可使流速成倍增加，流动方向不断改变，从而大大提高了 ，但当程数增加时，流动阻力会随之增大，故需全面权衡。
在壳程，广泛采用折流挡板，不仅可以局部提高流体在壳程内的流速，而且迫使流体多次改变流向。
通过内置螺旋条、扭曲带、网栅等湍流促进器。
② 有相变时的对流传热 对于冷凝传热，除了及时排除不凝性气体和冷凝液外，还可以采取一些其他措施，例如在管壁上开一些纵向沟槽或装金属网，以阻止液膜的形成。
对于沸腾传热，实践证明：设法使表面粗糙化，或在液体中加入如乙醇、丙酮等添加剂，均能有效地提高对流传热系数。
（2）降低污垢热阻 换热器在运行中，往往会因流体介质的腐蚀、冲刷及流体所夹带的固体颗粒的沉积，在换热器传热表面上形成结垢或积污，甚至堵塞，从而降低换热器的传热能力，因此必须设法减缓污垢的形成，并及时清除污垢。
减小污垢热阻的具体措施：
提高流体的流速和扰动，以减弱垢层的沉积；
加强水质处理，尽量采用软化水；
加入阻垢剂，防止和减缓垢层形成；
定期采用机械、高压水或化学的方法清除污垢。
机械清洗最简单的是用刮刀、旋转式钢丝刷除去坚硬的垢层、结焦或其他沉积物。高压水（压力10～20MPa）冲洗法多用于结焦严重的管束的清洗。化学清洗是利用清洗剂（盐酸）与垢层起化学反应的方法来除去积垢，适用于形状较为复杂的构件的清洗，如U形管的清洗、管子之间的清洗。这种清洗方法的缺点是对金属有轻微的腐蚀损伤作用。
[例2-13] 有一用Φ25×2mm无缝钢管（λ＝46.5W/(m K)）制成的列管换热器，管内通以冷却水， i ＝400W/(m2 K)，管外为饱和水蒸汽冷凝， o＝10000 W/(m2 K)，忽略污垢热阻。试计算：
　　　①传热系数K及各分热阻所占总热阻的比例；
　　　②将 i 提高一倍（其他条件不变）后的K值；
　　　③将 o提高一倍（其他条件不变）后的K值；
解：①由于壁面较薄，此处按平壁近似计算。根据题意：RSI＝RSo＝0，
热阻名称 比　例
总热阻
1/K 100
管内对流
热阻1/ I 94.7
管外对流
热阻1/ o 3.8
壁面导热
热阻b/λ 1.5
②将 i提高一倍（其他条件不变）,即 i ＝800 W/(m2 K)
增幅为：
③将 o提高一倍，即 o ＝20000W/(m2 K)
增幅为：
[例2-14] 在例2-13中，当换热器使用一段时间后，形成了垢层，需要考虑污垢热阻，试计算此时的传热系数K值。
　解：取水的污垢热阻RSI=0.58(m2 K)/kW，水蒸汽的RSo=0.09 (m2 K)/kW。
　　由于垢层的产生，使传热系数下降了
(二) 削弱传热
削弱传热，就是设法减少热量传递，主要用于隔热。在化工生产中，只要设备(或管道)与环境(周围空气)存在温度差，就会有热损失(或冷损失)出现。
利用导热系数很低，导热热阻很大的保温隔热材料对高温和低温设备进行保温隔热，以减少设备与环境间的热交换，从而减少热损失。
表2-5 常见的保温隔热材料
六、传热过程的节能
热能是化工生产的主要能源，传热过程也是化工生产中最常见的单元操作。
目前，传热过程的节能措施主要有：
①对能源实行定额管理与综合调配制度，严格控制消耗，做到层层计量，层层回收；
②对热量进行有效能分级，多次、逐级综合利用；
③充分回收工艺过程的反应热和废热，提高热利用率；
④加强管理，改善设备运行状况，强化换热器的传热，杜绝跑、冒、滴、漏现象的发生；
⑤对设备及管道进行保温，提高保温效果，减少热损失；
⑥加强设备维护，定期对换热设备进行清洗、检修，去除污垢、杂质，保持疏水器的良好运行状态；
⑦采用新型高效换热元件和换热技术，如使用钛制板式换热器和热管技术等。
七、传热计算案例
【例2-15】 在一单壳程、四管程的列管换热器中，用冷水将1.25kg/s的某液体（比热容为1.9kJ/(kg K)）从80℃冷却到50℃。水在管内流动，进、出口温度分别为20℃和40℃。换热器的管子规格为 25×2.5mm，若已知管内、外的对流传热系数分别为1.70 kW/(m2 K)和0.85kW/(m2 K)，试求换热器的传热面积。假设污垢热阻、壁面热阻及换热器的热损均可忽略。
解：换热器的传热量为：
平均温度差先按逆流计算，然后校正，即：
查图：φΔt＝0.91
Δtm=φΔtΔt m＝0.91×34.8＝31.67K
依题意，传热系数的计算只需考虑两个对流热阻，即：
作业
计算题：P111页12、13
任务四 列管换热器的操作
一、技能训练
1.操作换热器（套管式、列管式、板式）并测定其传热系数。
二、安全生产
用高压蒸汽加热时，对设备耐压要求高，须严防泄漏或与物料混合，避免造成事故。使用热载体加热时，要防止热载体循环系统堵塞，热油喷出，酿成事故。使用电加热时，电气设备要符合防爆要求。直接火加热危险性最大，温度不易控制，可能造成局部过热烧坏设备，引起易燃物质的分解爆炸。当加热温度接近或超过物料的自燃点时，应采用惰性气体保护。若加热温度接近物料分解温度，此生产工艺称为危险工艺，必须设法改进工艺条件，如负压或加压操作。
换热器安全装置的主要检查内容有：压力表的取压管有无泄漏和堵塞现象；旋塞手柄是否处在全开位置，弹簧式安全阀的弹簧是否有锈蚀；安全装置和计量器具是否在规定的使用期限内，其精度是否符合要求。如安全阀的定期校验每年至少一次；爆破片应定期更换，一般爆破片应在2～3年更换一次，在苛刻条件下使用的爆破片应每年更换一次；对于超压未破的爆破片应立即更换；压力表的校验和维护应符合国家计量部门的规定。压力表的精度对低压换热器应不低于2.5级，对中压以上的换热器应不低于1.5级。

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