学习情境五__传热过程及设备的选择与操作

1 学习情景五学习情景五 传热过程及设备的选择与操作传热过程及设备的选择与操作 引引 言言 无论是气体 液体还是固体 凡是存在温度的差异 就必然导致热自发的从高温向 低温传递 这一过程被称为热量传递 简称传热 化工生产中的化学反应通常在一定的温度下进行 如合成氨生产中的氢气 氮气合 成为氨为放热反应 所使用的催化剂的活性温度为 673K 最高耐热温度为 823 可 实际 操作温度只有控制在 743 793K 之间 才能获得较大的反应速度和转化率 因此进入合成 塔的氢气 氮气要首先加热至 673K 再进入催化剂层 才能保证催化剂的活性 而反应 放出的热量要即使冷却移走 才能保证在最佳温度范围操作 延长催化剂使用寿命 另 外化工生产中的设备保温 热量的回收利用 以及一些单元操作 如蒸发 蒸馏和干燥 等也都存在供热和放热的问题 因此可见 传热是化工生产中必不可少的单元操作 一 化工生产中典型的换热案例 案例案例 1 1 图 5 1 为化工厂采用为广泛的管式加热炉 炉体用钢构件和耐火材料砌 筑 分为对流段和辐射段 一般来说 对流段的作用是回收烟气余热 用来气化原料油 将原料油和稀释蒸汽过热至物料的裂解温度 剩余的热量用来过热超高压蒸汽和预热锅 炉给水 钢构件是因为钢的传热效果好 而外包耐火材料是为了防止热量损失 图 5 1 管式加热炉 2 案例案例 2 2 图 5 2 为硫酸生产过程中 SO2氧化为 SO3的多段中间换热式转化器 在转化器中 催化剂分 段放置 段间气体经降温后进入下一段催化剂反应 为 了合理利用热量 用反应后气体预热反应前的气体 从 而达到各自所需的温度 案例案例 3 3 管道的保温 在化工生产中 对于温 度较高 或较低 的管道和反应器等个高 低 温设备 需要采用绝热措施 其目的在于减少热 冷 量的损失 以提高换热操作的经济效益 维护设备正常的操作温度 保证生产在规定的温度下进行 降低车间的操作温度 改善劳动条件 从上面三个案例可以看出 不论是反应物料的加热或冷却 反应热量的取出或供应 还是工业余热 废热 的回收和热能的综合利用都需要进行各种传热过程 同时我们从上面三个典型的传热案例可以看出 他们各自热能传递的途径是不同的 我们一般把传热分为热传导 热对流 热辐射三种方式 热传导又称导热 它是借助物质的分子 原子或自由电子的运动将热量从物体温度 较高的部分传递到温度较低部位的过程 热传导可发生在物体内部或直接接触的物体之 间 在热传导过程中 没有物质的宏观位移 对流传热指流体由于内部质点的相对运动而产生的热量传递 若流体的运动是由于 内部各处的温度差异造成的密度差 引起密度小处流体上升 密度大处流体下降 则称 为自然对流 如果流体的宏观运动是因泵 风机等造成的外力所致 则称为强制对流 热辐射是依靠电磁波传递能量啊的过程 不需要中间介质 仅当物体间的温度差很 大时 热辐射才是主要的传热方式 案例 1 中管式加热炉中辐射段就是典型的热辐射传热 同时燃烧产生了高温的烟气 密度较小 自下而上运动 过热超高压蒸汽和预热锅炉给水 这是个对流传热过程 案 例 3 中 为了进行管道保温 在管道外面包裹保温材料来减少热传导 图 5 2 多段中间换热式转化器 1 催化剂床层 2 内部转换器 3 二 工业换热任务二 工业换热任务 工程任务工程任务 某石化厂稳定精馏塔原料粗汽油的预热某石化厂稳定精馏塔原料粗汽油的预热 要使粗汽油从 90 升温到 110 显然必须有提供热量的热源 热源是什么 热源 怎样把热量提供给粗汽油 这就是一个典型的工业预热任务 为了完成这个稳定精馏塔 原料粗汽油的预热任务 必须解决以下几问题 1 预热方案的选择问题 包括换热方式 换热介质 流入空间 加热介质流量的选 择 2 预热设备类型与型号的选择 3 换热设备的操作 常见的故障及预防措施 4 管道保温材料的选择 保温层厚度的确定 某石化厂将催化裂化得到的产品之一粗汽油进行进一步的分馏 现有一套稳定精馏 塔装置 进塔原料为粗汽油 夹杂着未被分离干净的催化剂粉末 流量为 23000kg h 塔底产品为稳定汽油 流量为 19000kg h 出塔温度为 150 塔顶产品为干气和液化气 稳定塔进塔原料工艺要求是 110 而粗汽油初始温度只有 90 现需设计一原料预热 方案 将原料加热至入塔温度 图 5 3 稳定塔流程简单示意图 4 模块一模块一 工业换热方案选择 分析与评价工业换热方案选择 分析与评价 一 换热方式的选择 工业生产中的换热方法一般有混合式 蓄热式 蓄热式三种 完成本学习情景的预 热任务首先需要选择一种换热方式 1 混合式换热 混合式换热 混合式换热的特点为冷 热载体之间的热交换是在两流体直接接触和混合的过程中 实现的 它具有传热速度快 效率高 设备简单的优点 这种换热方法一般用于水和空 气之间的换热或用于水冷凝水蒸气等允许两流体直接接触并混合的场所 图 5 4 机械通风式凉水塔 图 5 4 所示为一种机械通风式凉水塔 需要冷却的热水被集中到水塔底部 用泵将 其输送到塔顶 经淋水装置分散成水滴或者水膜自上而下流动 与自下而上的空气相接 触 在接触的过程中热水将热量传递给空气 达到冷却水的目的 2 蓄热式换热 蓄热式换热 蓄热式换热的特点是冷 热两载体间的热交换是通过对蓄热体的周期性加热和冷却 来实现的 图 5 5 所示的为一蓄热式换热器 在器内装有空隙较大的充填物 如耐火砖 之类 作为蓄热体 当流体流经蓄热器时是加热期 热流体将热量传递给蓄热体 热量 被贮存在蓄热体内 当冷流体流过蓄热器时是冷却期 蓄热体将贮存的热量传递给冷流 5 体 这样冷热两载体交替流过蓄热体 利用蓄热体的贮存和释放热量来达到冷热两个载 体之间的换热目的 蓄热式换热器机构简单 能耐高温 一般常用于高低温气体介质间的换热 但由于 该类设备的操作要在两个蓄热器之间间歇交替进行 且两流体会有一定程度的混合 故 这类设备在化工生产中很少使用 常用于冶金行业 图 5 5 蓄热式换热器原理示意图 图 5 6 间壁式换热器原理示意图 3 间壁式换热 间壁式换热 图 5 6 为一种典型的间壁式换热方式 间壁式换热是工业生产中普遍采用的换热方 法 其特点是冷 热两种热载体被一固体间壁隔开 在换热过程中两载体互相不接触 不混合 热载体通过传热壁面将其热量传递给冷流体 用此种换热方法进行传热的设备 称为间壁式换热器 由于化工生产中参与传热的冷 流体大多数是不允许互相混合的 因此间壁式换热器是实际生产中应用最为广泛的一种形式 任务解决 1 原油换热方式的选择 在引言的原油预热任务中 需要预热的粗汽油是不允许与别的加热介质混合的 否则会影响原料的纯度 以致影响精馏操作和产品质量 另外粗汽油本身易挥发 易 燃易爆 蓄热式可能导致泄漏造成的爆炸事故 所以我们选择间壁式换热的原油预热 方法 下面要解决的问题是用什么样的热流体作为加热介质 6 二 换热介质的确定 在化工生产中 物料在换热器内被冷却或加热时 通常需要用某种流体取走或供给 热量 此种流体称为载热体 其中起冷却或冷凝作用的载热体称为冷却剂 或冷却介质 起加热作用的载热体称为加热剂 或加热介质 对一定的换热过程 待冷却或加热物料的初始与终了温度常由工艺条件所决定 因 此需要取出或提供的热量是一定的 热量的多少决定了传热过程的操作费用 但是 单 位热量的费用因载热体而异 例如 当冷却时 温度要求愈低 费用愈高 当加热时 温度要求愈高 费用愈高 因此为了提高传热过程的经济效益 必须选择适当温位的载 热体 同时选择载热体时应考虑以下原则 1 载热体的温度易调节控制 2 载热体的饱和蒸气压较低 加热时不易分解 3 载热体的毒性小 不易燃 易爆 不易腐蚀设备 4 价格便宜 来源容易 工业上常用的冷却剂有水 空气和各种冷冻剂 水和空气可将物料最低冷却至环境 温度 其值随地区和季节而异 一般不低于 20 一 30 在水资源紧缺地区 常采用空 气冷却 一些常用冷却剂及其适用温度范围见表 5 1 工业上常用的加热剂有热水 饱和蒸汽 矿物油 联苯混合物 熔盐及烟道气等 它们适用的温度范围见表 5 2 若所需的加热温度很高 则需采用电加热 表 5 1 常用冷却剂及其适用温度范围 冷却剂 水 自来水 河水 井 水 空气盐水氨蒸汽 适用温度范围 0 80 300 15100 即可达到湍流 以上各点往往不能同时满足 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来考虑 然后再考虑满足其他方面的要求 任务解决任务解决 5 5 原料粗汽油和产品稳定汽油在换热器内流入空间的选择 六 换热器型号的确定六 换热器型号的确定 前已述及 在本学习情景的原料粗气油预热任务中 前面已解决了原料预热过程采 用的换热方式 换热介质 换热器的类型 下面主要解决有关换热器型号如何确定的问 题 1 传热基本方程 传热基本方程 确定换热器型号 首先要了解传热基本方程 在本学习情境任务中 热流体为塔釜产品稳定汽油 冷流体为原料粗汽油 粗汽油压 力较大 操作压力为 0 6MPa 同时粗汽油里夹杂着从催化裂化设备里带出来的催化剂粉 末 而塔釜产品稳定汽油则相对清洁很多 从压力和易于清洗的角度出发 可以选择塔 釜产品走壳程 原料粗汽油浆走管程 24 图 5 23 为一套管式换热器示意图 图 5 23 单程列管换热器操作示意图 在此换热器内两种流体呈逆流流动 假定热流体在管内流动并放出热量 进口温度 为 T1 出口温度下降到 T2 冷流体在管外流动吸收热量 进口温度为 t1 出口温度上升 到 t2 这一总传热过程系由下列步骤组成 首先是热流体和管壁面之间的对流传热 将 热量传给管壁面 然后 热量由管的壁面以热传导的方式传给管的另一壁面 最后 热 量再由管壁面和冷流体间进行对流传热 而将热量传给冷流体 上述两种流体间之所以 能进行热交换 是由于热流体与冷流体之间存有温度差 即传热推动力 所以热量就从 热流体自动经过管壁壁面传向冷流体 此传递热量的管壁壁面称为换热器的传热面 根据长期的生产和科学实验的经验总结 可知在上述这一总的传热过程中 单位时 间内通过换热器传递的热量和传热面积成正比 和冷热流体间的温度差亦成正比 倘若 温度差沿传热面是变化的 则取换热器两端的温度差的平均值 上述关系可用数学式表 示为 m tKAQ 5 4 式中 Q 单位时间内通过换热器传递的热量 即传热速率 W A 换热器的传热面积 m2 tm 冷 热流体间传热温度差的平均值 它是传热的推动力 平均温度差的计算 将在后面讨论 K 比例系数 或称传热系数 是表示传热过程强弱程度的数值 其物理意义和 单位可由下式看出 tA Q K 5 5 传热系数 K 为当冷热两流体之间温度差为 1 时 在单位时间内通过单位传热面积 由热流体传给冷流体的热量 所以 K 值愈大 在相同的温度差条件下 所传递的热量就 25 越多 即热交换过程越强烈 在传热操作中 总是设法提高传热系数的数值以强化传热 过程 影响传热系数数值大小的因素十分复杂 以后还要作专门讨论 式 5 4 称为传热基本方程式 此式也可以写成如下形式 R t KA t Q mm 1 5 6 则 KA R 1 称为传热总热阻 式 5 6 表明传热速率等于传热推动力与传热热阻之比 由传热基本方程式 Q KA tm可知 当传热速率 或热负荷 Q 传热平均温度差 tm及传热系数 K 确定后 传热面积 A 则很容易即可算出 m tK Q A 5 7 下面就分别讨论传热基本方程式中各项 Q K tm在不同情况下的计算方法 2 传热温度差 传热温度差 tm 的计算的计算 前曾指出 传热基本方程式中 tm一项 为参加热交换的冷热两流体间的平均传热 温度差 在间壁式换热器中 按照参加热交换的两种流体在沿着换热器的传热面流动时 各点温度变化的情况 可将传热过程分为恒温传热和变温传热两种 而这两种传热过程 的传热温度差计算方法是不相同的 恒温传热时的传热温度差恒温传热时的传热温度差 恒温传热即两流体在进行热交换时 每一流体在换热器内的任一位置 任一时间的 温度皆相等 例如换热器内间壁一边为液体沸腾 另一边为蒸气冷凝 则两边流体的温 度都不发生变化 显然 由于恒温传热时 冷热两种流体的温度都维持不变 所以两流体间的传热温 度差亦为定值 可表示如下 tm t 5 8 式中 T 热流体的温度 t 冷流体的温度 变温传热时的传热温度差变温传热时的传热温度差 在热交换过程中 间壁一边或两边流体的温度仅沿传热面随流动的距离而变化 但 不随时间而变化的传热 称为稳定变温传热 变温传热平均温度差 tm的计算与流体的 流向有关 间壁式换热器两侧流体的流动有以下形式 逆流 参与热交换的两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动 并流 参与热交换的两种流体在间壁的两边以相同反的方向运动 26 折流 参与热交换的两种流体在间壁的两边 呈垂直方向流动 折流 参与热交换的两种流体在间壁的两边 其中之一只沿一个方向流动 而另一 侧流体反复改变流向 称为简单折流 或既有折留又有错流的称为复杂折流 变温传热时 沿传热面冷热流体的温差是变化的 因此在传热计算中应求取传热过 程的平均温度差 tm 2 1 21 ln t t tt tm 5 9 式中 tm 对数平均温度差 K t1 t2 换热器两端热 冷流体温度差 K 逆流 并流传热过程的温差变化见图 5 24 说明 a 逆流时 t1 T1 t2 t2 T2 t1 并流时 t1 T1 t1 t2 T2 t2 b t t 时 在工程计算中 可以用算术平均温度差 2 21 tt 代替 对数平均温度差 c 对于错流和折流时的平均温度差 先按逆流计算对数平均温度差 tm 逆 在乘以考虑流动形式的温差校正系数 t 即 tm t tm 逆 5 10 t tm 并 工业上一般采用逆流操作 在传热量 Q 及 传热系数 K 值相同的条件下 依传热速率方程式 m tKAQ 增加传热温差 在 同样的条件下可节省传热面积 所以 若工艺上无特殊要求 一般采用逆流操作 但在本章稳定塔原料预热的过程中 为了有效的增加传热系数或使换热器结构合理 我们采用多管程 单壳程结构 这个时候采用折流比采用逆流更加合理 其中 tw1 90 tw2 110 TW1 150 TW2 120 可得 t1 30 t2 40 因为 t t 所以 tm 2 21 tt 35 考虑到双数管程 单壳程 33 0 90150 90110 11 12 tT tt P 5 1 90110 120150 12 21 tt TT R 查图 5 25 得 t 0 93 0 8 所以两流体的平均温差为 tm t tm 逆 0 93 35 32 55 3 选 选 K 值 估算传热面积值 估算传热面积 根据生产经验 取 K 250 W m2 K 2 8 149 55 32250 1219000 m tK Q A m 估 4 4 初选换热器型号 初选换热器型号 管壳式换热器型号 34 换热器代号 公称直径 DN mm 管程数 公称压力 PN MPa 公称换热面积 SN m2 根据已经选定的换热器参数 如类型是固定管板换热器 操作压力为 0 6MPa 估算 传热面积为 149 8 m2 管子尺寸 25 2 5 三角形排列方式 可以初选 G800 01 200 型换热器 外壳直径D 800 管子尺寸 mm 25 2 5 公称压力 MPa 1 0 管子长度 m 6 公称面积 m2 200 管数 N 444 管程数 Np 4 管子排列方式三角形 5 5 计算计算传热系数 校正传热面积 计算计算传热系数 校正传热面积 实际换热器设计中 应根据所选换热器的相关参数来计算管程和壳程的流速及 Re Pr 从而进一步计算 i和 o 这里从略 i 760W m2 k 0 630W m2 k 同时取污垢热阻 Rs i 0 9 m2 kW Rs 0 0 3 m2 kW 查得钢的 导热系数 为 46 5 W m k o os mi is ii o R d bd d d R d d K 1 1 00 0 W m2 k 7 212 630 1 0003 0 5 2245 250025 0 20 25 0009 0 20760 25 1 6 6 计算传热面积 计算传热面积 2 176 55 32 7 212 1219000 m tK Q A m 需 所选换热器实际面积为 2 0 2 2096025 014 3 444mldnA 供 安全系数 说明所选的换热器面积余量恰当 19 1 176 2 209 需 供 A A 35 实践与练习 1 01 目前 使用最为广泛的间壁式换热器的型式是 A 套管式换热器 B 蛇管式换热器 C 翅片管式换热器 D 列管式换热器 02 以下可以强化传热的方法是 A 增加传热面的厚度 B 提高流体的流速 C 采用顺流操作 D 增大流量 03 工业换热方式有三种 在化工生产中经常用到的换热方式是 A 蓄热式 B 混合式 C 间壁式 04 下列不属于强化传热的方法的是 A 加大传热面积 B 加大传热温度差 C 加大流速 D 加装保温层 05 工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管 其目的是 A 增加热阻 减少热量损失 B 节约钢材 增强美观 C 增加传热面积 提高传热效果 D 减少热阻 减少热量损失 06 有四种液体 其中适宜在列管式壳程中流动的是 A 不清洁的和易结垢的流体 B 腐蚀性的流体 C 被冷却的流体 D 压力高的流体 07 若传热系数 K 满足公式 当 时 为了提高 K 值 最有 oi K 111 0 i 效的途径是 A 提高 B 提高 0 i C 同时提高 D 不能确定 0 i 08 列管式换热器主要由 等部件构成 为了提高管内液体的对流传热系数常采取的措施是 为了提高管外对流传热系数 常采取的措施是 01 间壁式换热器有哪些类型 各有何特点 02 列管式换热器有哪些类型 各适用于什么场合 03 列管换热器的优点和缺点 36 01 在逆流操作的列管式换热器中 用初温为 20 的水 将流量为 2 5kg s 的某液 体由 80 冷却到 30 水的出口温度为 50 冷却水走管外 换热器的列管为 25 2 5mm 管长为 3m 总传热系数 K0 472 w m2 液体的比热为 1 9kJ kg 水的比热为 4 18 kJ kg 试计算 1 冷却水的用量 kg s 2 传热的平均温度差 3 列管式换热器中的换热管子数 02 一个内管为 180 10mm 套管式换热器的中 热水的流量为 3500kg h 需从 100 冷却到 60 冷水入口温度为 20 出口温度为 30 已知基于内管管 子外表面积的总传热系数 K0 2326 W m2 冷却水走内管 忽略热损失 热水的比热为 4 195kJ kg 试求 1 冷却水用量 2 逆流流动时的管长 03 在一单程列管式换热器中 用 100 的饱和水蒸汽将管内的水从 30 加热到 50 列管直径为 25 2 5mm 长为 6m 管了数为 92 根 换热器的热负荷为 2500kW 试计算基于管子外表面积的总传热系数 Ko 04 在一面积为 3m2 由 25 2 5mm 管子组成的单程列管式换热器中 用初温为 10 的水将机油由 200 冷却到 100 水走管内 油走管间 已知水和机油的 流量分别为 1000kg h 和 1200kg h 其比热为 4 18kJ kg K 和 2 0kJ kg K 水侧和油侧的对流传热系数分别为 2000W m2 K 和 250W m2 K 两流体呈逆流 流动 忽略管壁热阻及污垢热阻 1 计算说明该换热器是否合用 2 夏天当水的初温达到 30 时 该换热器是否合用 如何解决 假设传热系 数不变 05 采用逆流换热器 用初温为 20 的水将流量为 4500 kg h 的某液体由 80 冷 却到 50 换热器的列管为 25 2 5 mm 冷却水走管程 水侧和液体侧的 对流传热膜系数分别为 0 85kw m2 k 和 1 70kw m2 k 液体的比热为 1900J kg k 水的出口温度为 36 水的比热为 4 18 KJ kg k 试计 算 1 冷却水的用量 2 列管式换热器的传热面积 3 若换热器的管长为 3m 求管子数 换热器的管壁材料的导热系数 45W m k 污垢热阻可忽略不计 热损失不计 37 在化工厂有各种各样的余热锅炉 请查阅有关资料回答以下问题 1 余热锅炉的作用是什么 2 余热锅炉中传热平均温度差如何求取 3 下面三个图都是余热锅炉结构示意图 a 硝酸生产工艺中氨氧化后的余热锅炉 b 煤为原料生产生产合成气 工艺中的余热锅炉 c 合成氨装置中的余热锅炉 指出三个结构图的异同点 并说明为什么 a b c 38 模块二模块二 隔热与保温的措施隔热与保温的措施 传热设备和低温设备当其壁温和环境温度有一定温差时 在生产过程中其设备表面 上就会散失或吸收热量 这种热量散失不仅损耗能量 增加生产成本 降低产量 而且 还使环境热污染 影响了劳动条件和安全 因此化工设备当其壁温超过 50 或低于零度 就需要进行保温和保冷 一 保温材料的确定 人们把善于传导热的物体叫做热的良导体 把不善于传导热的物体叫做热的不良导 体 固体中的金属是热的良导体 其中银和铜的热传导本领最强 其他的固体大都是不 良导体 如石头 陶瓷 玻璃 木头 皮革 棉花等 我们用来做饭 烧菜的锅都是用 善于传热的金属制成的 目的就是能让热尽快的传给待加工的食物 冬季人们穿的是棉 衣 毛衣或羽绒衣 因为这类东西都是热的不良导体 可以保存身体发出的热量 达到 保暖的目的 如何衡量物质导热性能的高低能 工程上用热导率来衡量物质导热性能的 好坏 1 热导率 热导率 热导率与流体黏度一样 是物质粒子微观运动特性的表现 它表示了物质导热能力 的大小 是物质的物理性质之一 它的定义是在数值上为导热面积为 1m2 厚度为 1m 两侧温度差为 1K 时 单位时间内所传导的热量 物质的热传导率越大 其导热性能越好 各种物质的热导率通常是由实验方法测定 它的数值与物质的组成 结构 密度 温度及压强有关 热导率的数值变化范围很大 一般来说 金属的热导率最的啊 非金 属固体的次之 液体的热导率较小 气体的热导率最小 1 1 固体的热导率固体的热导率 在所有的固体中 金属是最好的导热体 纯金属的导热率一般随温度升高而降低 金属的热导率大多随其纯度的增高而增大 合金的热导率一般比纯金属要低 非金属的建筑材料或绝热材料的热导率与温度 组成及结构的紧密程度有关 通常 是随温度升高而增大 随密度增加而增大 2 2 液体的热导率液体的热导率 液体可分为金属液体和非金属液体 金属液体的热导率要比一般的液体要高 大多 数金属液体的热导率随温度升高略有减小 一般来说 纯液体的热导率要比其溶液的大 39 3 3 气体的热导率气体的热导率 气体的热导率随温度升高而增大 在相当大的压强范围内 气体的导热率随压强变 化甚微 此时气体的导热率随压强增高而增大 气体的热导率很小 对传热不利 但有利于保温 绝热 工业上所用的保温材料 一般是多孔性或纤维性材料 由于材料的空隙中存有气体 所以其热导率低 适用于保 温隔热 2 常用的保温隔热材料 常用的保温隔热材料 利用热导率很低 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 以减少设备与环境的热交换 减少热损失 即削弱传热 常用的保温隔热材料见表 5 5 表 5 5 常见的保温隔热材料 材料名称主要成分 密度 kg m3 热导率 W m K 特性 碳酸镁石棉 85 石棉纤维 15 碳酸 镁 180 50 0 09 0 12 保温用涂抹材料 耐温 300 碳酸镁砖碳酸镁 氧化镁 380 360 50 0 07 0 12 泡花碱黏结剂 耐温 300 碳酸镁管 85 石棉纤维 15 碳酸镁石棉 280 360 50 0 07 0 12 泡花碱黏结剂 耐温 300 硅藻土材料 SiO2 Al2O3 Fe2O3280 450 0 23耐温 800 泡沫混凝土SiO2和 Al2O3 300 570 0 23 耐温 250 300 大规模保温 矿渣棉高炉渣制成棉 200 300 0 08 耐温 700 大规模保温 膨胀蛭石镁铝铁含水硅酸盐 60 250 0 07耐温 1000 蛭石水泥管 复杂的铁 镁含水铝酸 盐类矿物 430 5000 09 0 14 耐温 800 蛭石水泥扳 复杂的铁 镁含水铝酸 盐类矿物 430 5000 09 0 14 耐温 800 沥青蛭石管镁铝酸铁含水硅酸盐 350 4000 08 0 1 保冷材料 超细玻璃棉 石英砂 长石 硅酸盐 硼酸等 18 300 032 120 400 40 软木常绿树木栓曾制成 120 2000 035 0 058 保冷材料 任务解决 6 预热器 精馏塔及管道保温材料的选择 二 保温层厚度的确定 1 傅里叶定律 傅里叶定律 傅里叶定律是傅里叶对物体的导热现象进行大量的实验研究 揭示出的热传导基本 定律 该定律指出 当导热体内进行的是纯导热时 单位时间内以热传导方式传递的热 量 与温度及垂直于导热方向 S 成正比 傅里叶定律可表示为 5 29 dx dt SQ 式中 Q 导热速率 即单位时间内传递过导热面的热量 W S 导热面积 m2 比例系数 称为热导率 导热系数 W m K 温度梯度 传热方向上单位距离的温度变化率 K m dx dt 式中的负号表示热总是沿着温度降低的方向传递 对于一个传热面积为 S 厚度为 材料均匀 热导率不随温度变化而变化 或 取平均热导率 的单层平壁 两壁面为保持一定温度 tw1 和 tw2 的等温面 傅里叶定律可积分得到 5 30 R t S tt ttSQ ww ww 21 21 式中 平均两侧壁面的温度差 为导热的推动力 K t 石棉是化工设备中常用的保温材料 各种石棉灰可用于填充式结构的隔热 石棉 制品则常用于高温设备及管道的隔热 石棉材料的导热系数小 孔隙率大 容重小 化学稳定性较好 耐火 耐酸 耐碱 导热系数小 原料比较丰富 容易加工成各种 石棉制品 在本任务中 我们选取碳酸镁石棉作为保温材料 41 导热热阻 K W S R 式 5 30 表明导热速率与导热推动力成正比 与导热阻力成反比 即 导热阻力 导热推动力 导热速率 其导热距离越大 传热面积和热导率越小 导热阻力则越大 2 平壁热保温 平壁热保温 在工程计算中 常常遇到的是多层平壁导热 即由集中不同材料组成的平壁 例如 房屋的墙壁 以红砖为主 内有石灰层 外抹水泥浆 锅炉的炉壁 最内层为耐火材料 层 中间层为隔热层 最外层为钢板 这些都是多层平壁的事例 图 5 27 多层平壁热传导 图 5 27 表示一个三层不同材料组成的大平壁 各层的壁厚分别为 1 2 3 热 导率分别为 1 2 3 平壁的表面积为 S 假定层与层之间接触良好 即相接触的 两表面温度相同 各接触表面分别为 t1 tw2 tw3和 tw4 且 t1 t2 tw3 tww4 在定态导热时 通过各层的导热 必然相等 Q Q1 Q2 Q3 5 31 321 321 3 3 2 2 1 1 RRR ttt R t R t R t Q 即 5 32 总热阻 总导热推动力 R t SSS tt Q ww 3 3 2 2 1 1 41 对于 n 层平壁 其导热速率方程式为 42 5 33 n i i i n n i i n i i S b tt R t Q 1 11 1 1 式 5 30 和式 5 31 说明 多层平壁热传导的总推动力为个层推动力之和 总热阻为各层热 阻之和 多层平壁的导热热阻计算如同直流电路中串联电阻 若用电路中欧姆定律分析 有关传热的问题是相当直观的 必须指出的是 在上述多层平壁的计算中 是假设层与层之间接触良好 两个相接 触的表面具有相同的温度 而实际多层平壁的导热过程中 固体表面并非是理想平整的 总是存在着一定的粗糙度 因而使固体表面接触不可避免的出现附加热阻 工程上成为 接触热阻 接触的大小与固体表面的粗糙度 接触面的挤压力和材料间硬度匹配等有 关 也与截面间隙内的流体性质有关 例例 5 3 5 3 有一个工业炉 其炉壁由三层不同的材料组成 内层为厚度 240mm 的耐火砖 热导 率为 0 9W m K 中间为 120mm 绝热砖 导热率为 0 2 W m K 最外层是厚度为 240mm 普通建筑砖 热导率为 0 63 W m K 已知耐火砖内壁温度为 940 建筑砖外 壁温度为 50 试求单位面积炉壁的导热量 q 值 并求出各砖层接触面的温度 解 解 先求单位面积炉壁的导热量 q 值 由题意可知为三层平壁导热 2 3 3 2 2 1 1 41 713 63 0 24 0 2 0 12 0 9 0 24 0 50940 mW tt S Q q ww 再求各接触面的温度 tw2和 tw3 由于为定态导热 q q1 q2 q3 所以应有 1 1 21 ww tt q 750 9 0 24 0 713940 1 1 12 qtt ww 3 3 43 ww tt q 322 63 0 24 0 71350 3 3 43 qtt ww 将各层热阻和温差分别计算列入表 5 5 表 5 5 例 5 3 计算结果 项目项目耐火砖层耐火砖层绝热砖层绝热砖层建筑砖层建筑砖层 热阻热阻 m m2 2 K W K W 0 2670 60 3810 381 43 温差温差 K K 190190482482272272 由表 5 5 可知 系统中任一层的热阻与该温度层的温差 推动力 成正比 即该层温 差越大 热阻也越大 利用这一概念可从系统温差分布情况判断各部分热阻的大小 拓展知识 3 圆筒壁热保温 圆筒壁热保温 化工生产中 经常遇到圆筒壁的导热问题 它与平壁导热的不同之处在于圆筒裨的传热 面积和热通量不再是常量 而是随半径而变 同时温度也随半径而变 但传热速率在稳 态时依然是常量 对单层筒壁 工程上可用圆筒的内外表面积的平均值来计算圆筒壁的 导热速率 5 34 R tt r r l tt r r tt lQ wwwwww21 1 2 21 1 2 21 ln 2 1 ln 2 式中 为圆筒壁的导热热阻 为导热推动力 1 2 ln 2 1 r r l R 21ww tt 在工程上 多层圆筒壁的导热情况也比较常见 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 以减少热损 或冷损 在反应器或其他容器内衬以以工程塑 料或其他材料 以减小腐蚀 在换热器换热管的内 外表面形成污垢等 以三层圆筒壁为例 如图 所示 假设各层之间接触良好 各层的热导率分别 为 1 2 3 各层圆筒的半径分别为 r1 r2 r3 r4 长度为 L 圆筒的内 外表面及交 界面的温度分别为 tw1 tw2 tw3和 tw4 且 tw1 tw2 tw3 tw4 根据串联热阻的加和性 通过该三层圆筒壁的导热速率方程可以表示为 W 5 35 321 41 3 4 32 3 21 2 1 4321 ln 2 1 ln 2 1 ln 2 1RRR tt r r Lr r Lr r L tttt Q ww 5 36 n i i i i ww r r L tt Q 1 1 41 ln 2 1 多层圆筒壁导热速率方程也可按多层平壁导热速率方程的形式写出 但各层的平均 面积和厚度要分层计算 不要相互混淆 44 设备 管道外壁的保温或保冷 有时为了维持内部的物料温度保证生产工艺要求 有时为了减少设备的能量损耗 也可能是出于劳动保护和建筑结构上的要求 由于保温 目的的不同 保温层所需要的厚度也是不一样的 由于保温层经济厚度的影响因素比较多 计算比较复杂 通常工程上采用控制保温 层表面散失热量的半经验公式来确定保温层的厚度 对于外径小于 1000mm 的设备和管路 可用下列公式计算 5 37 ln 01 2 2 tt tt r r r s sw 5 38 A tts 0 其中 r1 r2 圆筒保温前及保温后的半径 m Tww t0 壁温与环境温度之间的温差 保温层外壁上的对流给热系数 kJ h m2 在室内布置的平壁保温层 2 0 014 ts t0 kJ h m2 在室内布置的圆筒形保温层 2 0 01 ts t0 kJ h m2 保温材料的导热系数 kJ m m2 ts 保温层表面温度 t0 全年平均气温 A 散热量 kJ m2 h tw 250 A 36 250 tw 400 A 47 8 400 tw 500 A 59 8 对于外径大于 1m 的设备可近似平面导热公式计算即 5 39 0 tt tt X s sw 实践与练习实践与练习 2 01 在冬季 人们喜欢穿棉衣 这是因为 A 棉花的导热系数大 B 棉花的导热系数小 62 C 棉花的温度较高 D 棉花较柔软 02 导热系数是物质的物性系数 所以 A 其大小只与物质的种类有关 而与其它条件无关 B 物性系数不仅与物质种类有关 而且与温度有关 C 物性系数不仅与物质的种类有关 而且与流体的流动形态有关 D 它与对流膜系数性质相同 03 用两种不同导热系数的材质保温 A 导热系数小的放在内有利 B 导热系数大的放在内有利 C 无论怎样放置都一样 01 已知某壁炉由单层均质料组成 0 57W M 用热电偶测得炉外壁温度为 50 距外壁 厚度的温度为 250 求炉内壁温度 02 某工业壁炉由下列三层依次组成 耐火砖的导热系数 1 05W m 厚度 为 0 23 绝热层导热系数 0 144W m 红砖导热系数 0 94W m 厚度为 0 32m 已知耐火砖内侧温度 t 1300 红砖外侧温度为 50 单位面积 的热损失为 607W m 试求 绝热层的厚度 耐火砖与绝热层接触温度 下厂实习时观察和分析管道和加热炉保温的方式 各自有什么特点 45 模块三模块三 传热操作技能培训传热操作技能培训 一 实训目的和要求 1 熟悉传热装置的流程及主要设备的结构 2 掌握各种换热设备的操作原理 操作要点及参数的控制方法 3 根据任务完成相应的操作 二 实训装置 本实训装置是一套综合性的的传热操作实训装置 工艺流程详见图 5 28 本装置中包括以下几个系统 1 蒸汽与热水产生系统 本系统的核心是导热油加热器 通过电热棒将电能转化为热能给导热油加热 为热 水罐 蒸汽发生器提供热源 2 蒸汽与冷水换热系统 该系统包括 沉浸式蛇管换热器系统 喷淋式换热器 套管式换热器 3 热水与冷水换热系统 该系统包括 浮头换热器 固定板式换热器 螺旋板式 换热器 在每个系统中除了核心设备换热器外 还有各种型号的泵 阀门 各种规格的管子 各种测压仪表 液位计测温仪表 详见现场装置 46 图图 5 28 传热综合实训装置流程图传热综合实训装置流程图 V 101 V 102 冷水罐 V 103 膨胀槽 V 104 导热油加热器 V 105 蒸汽发生器 V 106 热水罐 E 101 套管式换热器 E 102 螺旋板式换热器 E 103 蛇管喷淋换热器 E 104 浮头换热器 E 105 固定板式换热器 P 101 P 102 P 103 P 104 P 105 水泵 47 三 工业列管换热器的基本操作要点 1 开车步骤 开车步骤 a 检查装置上的仪表 阀门等是否齐全好用 b 打开冷凝水阀 排放积水 找开放空阀 排除空气和不凝性气体 放净后逐一关 闭 c 打开冷流体进口阀通入流体 而后打开热流体入口阀 缓慢或逐次通入 做到先预 热后加热 防止骤冷骤热对换热器寿命的影响 通入的流体应干净 以防结垢 d 调节冷 热流体的流量 以达到工艺要求所需的温度 e 经常检查冷热流体的进出口温度和压力变化情况 如有异常现象 应立即查明原因 排除故障 f 在操作过程中 换热器的一侧若干蒸汽的冷凝过程 则应及时排放冷凝液和不凝气 体 以免影响传热效果 g 定时分析冷热流体的变化情况 以确定有无泄漏 如有泄漏及时修理 h 定期检查换热器及管子与管板的连接处是否有损坏 外壳有无变形以及换热器有无 振动现象 若有应及时排除 2 停车步骤 停车步骤 在停车时 应先停热流体 后停冷流体 并将壳程及管程内的液体排净 以防换热器冻 裂和锈蚀 在操作使用换热器时 必需注意如下几个方面 a 投产前应检查压力表 温度计 液位计以及有关阀门是否齐全好用 b 输进蒸汽前先找开冷凝水排放阀门 排除积水和污垢 打开放空阀 排除空气和其化 不凝性气体 c 换热器投产时 要先通入冷流体 缓慢或数次通入热流体 做到先预热后加热 切忌 骤冷骤热 d 如果含有大颗粒固体杂质和纤维质 一定要提前过滤和清除 防止堵塞通道 e 经常检查两种流体的进出口温度和压力 发现温度 压力超出正常范围时 在立即 查出原因 采取措施 使之恢复正常 f 定期分析流体的成分 以确定有无内漏 以便及时处理 g 定期检查换热器有无渗漏 外壳有无变形以及有无振动 定期排放不凝性气体和冷 凝液 定期进行清洗 3 具体操作要点 具体操作要点 a 蒸汽加热时 必须不断排除冷凝水 同时还必须经常排除不凝性气体 b 热水加热时 要定期排放不凝性气体 c 烟道气加热时 必须时时注意被加热物料的液位 流量和蒸汽产量 还必须做到定 期排污 48 d 导热油加热时 必须严格控制进出口温度 定期检查进出口及 时性介质流道是否 结垢 做到定期排 定期放空 过滤或更换导热油 e 水和空气冷却时 注意根据季节变化调节水和空气的用量 用水冷却时 还要注意定 期清洗 f 冷冻盐水冷却时 应严格控制进出口温度 防止结晶堵塞介质通道 要定期放空和排 污 g 冷凝时 要定期排放蒸汽侧的不凝生气体 特别是减压条件下不凝性气体的排放 四 工业换热器的常见故障及预防措施 换热器的日常维护 1 换热器的常见故障及预防措施 换热器的常见故障及预防措施 1 管束故障 管束由于的腐蚀 磨损造成管束泄露或者管束内结垢造成堵塞引起系列故障 冷却水中含有铁 钙 镁等金属离子及阴离子和有机物 活性离子会使冷却水的腐 蚀性增强 其中金属离子的存在引起氢或氧的去极化反应从而导致管束腐蚀 同时 由 于冷却水中含有 Ca2 Mg2 离子 长时间在高温下易结垢而堵塞管束 为了提高传热效果 防止管束腐蚀或堵塞 采取了以下几种方法 对冷却水进行 添加阻垢剂并定期清洗 例如对煤气冷却器的冷却水采用离子静电处理器或投加阻垢缓 蚀剂和杀菌灭藻剂 去除污垢 降低冷却水的硬度 从而减小管束结垢程度 保持管 内流体流速稳定 如果流速增大 则导热系数变大 但磨损也会相应增大 民生煤化对 地下水泵进行了变频改造 使地下水管网压力比较稳定 提高了热交换器换热效果和降 低了管束腐蚀 选用耐腐蚀性材料 不锈钢 铜 或增加管束壁厚的方式 当管的端 部磨损时 可在入口 200mm 长度内接入合成树脂等保护管束 2 振动造成的故障 造成振动的原因包括 由泵 压缩机的振动引起管束的振动 由旋转机械产生的脉 动 流入管束的高速流体 高压水 蒸汽等 对管束的冲击 降低管束的振动常采用以 下方法 尽量减少开停车次数 在流体的入口处 安装调整槽 减小管束的振动 减小挡板间距 使管束的振幅减小 尽量减小管束通过挡板的孔径 3 法兰盘泄漏 法兰盘的泄漏是由于温度升高 紧固螺栓受热伸长 在紧固部位产生间隙造成的 因此 在换热器投入使用后 需要对法兰螺栓重新紧固 换热器内的流体多为有毒 高 压 高温物质 一旦发生泄漏容易引发中毒和火灾事故 在日常工作中应特别注意以下 几点 尽量减少密封垫使用数量和采用金属密封垫 采用以内压力紧固垫片的方法 采 用易紧固的作业方法 2 换热器的日常维护 换热器的日常维护 49 换热器运行质量的好坏和时间长短 与日常维护保养是否及时 合适有非常密切的 关系 主要是日常的检查和清洗 1 运行中的检查和清洗 根据热交换器运行过程中流体的流量 温度 压力等工艺指标的变化判断热交换器 的状况 一般来说 温度 流量 压力等指标发生变化 应考虑管束结垢或堵塞影响换 热效果 定期用无损探伤仪检测换热器外壁的壁厚判断其腐蚀程度 对于容易结垢的流体 可在规定的时间增大流量或采用逆流的方式进行除垢 2 运行停止时的检查与清洗 a 一般检查 热交换器与其他压力容器一样 停止运行后 应进行以下各项检查 检查沾污程度 污垢的附着状况 测定厚度 检查腐蚀情况 检查焊接处的腐蚀和破裂情况 b 管束的检查 管束的检查是热交换器中最难 但又是最重要的部分 应认真对筒侧入口的喷管处 的管子表面 管端的入口处 挡板与管子的接触处和流动方向改变部位的腐蚀 沾污 壁厚减薄等处进行检查 此外 可利用管道检查器或者光源检查管子内表面状况 管束安装处的间隙 可采 用实验环进行泄漏试验 c 清洗 喷射清洗 将高压水从喷嘴中喷出 是除去管束内表面结垢和外表面污垢的有效 方法 可采用手持喷枪进行手工操作的清洗 喷射清洗适用于容积小 容易拆卸和更换 的热交换器 机械清洗 在疏通机的轴端装上刷子 钻头 刀具等 插入管孔中 使其旋转以 除去污垢 此方法不仅适合于直管 而且还可以清洗弯曲管子 但由于机械振动及钻头 等对管孔壁的刮伤 故有一定的局限性 机械清洗和喷射清洗一样 适用于容积较小 容易拆卸和更换的热交换器 化学清洗 使用化学药品在热交换器内进行循环 以溶解并除去污垢 具有以下 特征 由于热交换器不经拆卸就可以除去污垢 这对大型容器十分有利 可以清洗用其 它方法不能除去的污垢 可以在不伤及金属或镀层的条件下 对设备进行清洗 混合清洗 因焦化厂生产环境影响 煤气冷却器的垢中含有煤粉 碳渣及油性物 质等 单纯采用化学清洗 除垢效果有时不太理想 可采用化学清洗后再喷射清洗的方 式进行除垢 应注意化学清洗后检测管束的腐蚀程度 根据管束的壁厚调整相应的水压 防止水压过高造成管束爆管或泄露 通过对换热器故障的分析和采取相应的措施来预防换热器的腐蚀 结垢和泄漏 定 时对换热器的进行检查和清洗 取得了延长换热器使用寿命的良好效果 50 五 本装置实训操作规程 1 打开仪控柜总电源 观察 U V W 三相电压是否正常 再打开 PLC 电源 2 检查各阀门 传感器 仪表是否正常 然后将冷水罐其中之一 A 或者 B 热水 罐 蒸汽发生器内液位加到 2 3 处 如果水注入 A 罐 则打开 B 罐上的冷水阀门 反之 亦然 3 打开电脑 运行 PLC 控制传热综合实验 mcg 按 F5 运行 看一下实时数据 窗口 检查一下数据是否正常 4 检查导热油膨胀槽液位 确保能看到导热油 打开导热油循环油泵进出口阀门 关闭蒸汽发生器油泵和热水罐油泵进出口阀门 按下循环油泵启动按钮 待油泵正常工 作时 看循环油泵出口压力表是否有读数 按下导热油电加热按钮 在实时软件上也可 以打开关闭每一个泵和电加热器 设置好导热油要加热到的温度 不超过 250 摄氏度 开始电加热 5 等导热油加热到预设的温度 打开热水罐油泵进出口 阀门 按下控制柜上热水罐油泵按钮 设置好热水温度设定 值 不超过 60 摄氏度 检查热水罐油泵是不是正常 出口 压力表是否有读数 6 等热水温度到了设定值 关掉热水罐油泵及油泵进出 口阀门 打开蒸汽发生器油泵进出口阀门 按下蒸汽发生器 油泵启动按钮 直至蒸汽压力达到设定值 100kpa 以下 7 套管换热器操作 按下套管换热器冷水泵启动按钮 打开套管换热器冷