项目一：酒精回收生产中的预热器的选用

1、化工生产过程化工生产过程 物理变化物理变化化学变化化学变化 1 三传一反三传一反 动量传递动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等）（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等） 热量传递热量传递（加热、冷却、蒸发、冷凝等）（加热、冷却、蒸发、冷凝等） 质量传递质量传递（蒸馏、吸收、萃取等）（蒸馏、吸收、萃取等） 三传一反 化学反应过程化学反应过程 2 化工传热过程与控制化工传热过程与控制 化学工程学院化学工程学院 韩文婧韩文婧 1本课程的性质、内容、学习方法、考核等本课程的性质、内容、学习方法、考核等 11本课程的性质：本课程的性质：化工技术类专业的重要专业核心课之一。 12本课程的主要内容：本

2、课程的主要内容：主要研究化工生产过程中与传热相关的单元操作 的基本规律及运行控制。将化工单元操作化工单元操作过程中的传热部分与对应的化工化工 设备设备、化工仪表及自动化化工仪表及自动化的相关内容进行整合，同时与化工企业生产进行 对接，设计：酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用、聚氯乙烯的干燥聚氯乙烯的干燥、硝酸钾硝酸钾 的产品结晶的产品结晶等三大项目，每个项目下面又分设子项目。 13学习方法：学习方法：自主学习自主学习；任务驱动法；问题引导法；实践导向法；头脑 风暴法等 14参考资料：参考资料：化学工程手册系列；各种版本的化工原理教材； 化工过程单元操作网络精品课程等； 项

3、目学习内容项目学习内容 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用 子项目二：预热器的工艺参数的确定 子项目三：酒精回收生产中的预热器的操作 子项目四：酒精回收生产中的预热器的选用及工艺尺寸的计算 子项目五：酒精回收生产中的DCS控制传热 项目二项目二 聚氯乙烯的干燥聚氯乙烯的干燥 子项目一：聚氯乙烯的干燥工艺 子项目二：聚氯乙烯的干燥设备的选用 子项目三：聚氯乙烯的干燥操作 项目三项目三 硝酸钾的产品结晶硝酸钾的产品结晶 评价（考核）方法评价（考核）方法 （1）过程性考核的内容与要求）过程性考核的内容与要求 表表1 过程性

4、考核评分表过程性考核评分表 序序号号 考考 核核 项项 目目 评评分分标标准准 备备注注 权权 重重 % A 1.0 B 0.8 C 0.6 D 0.4 E 0.2 得得 分分 1 完完成成项项目目（任任务务）的的态态度度 5 2 分分析析和和选选择择能能力力 10 3 资资料料查查阅阅、汇汇总总、分分析析能能力力 10 4 知知识识应应用用能能力力 10 5 对对问问题题的的判判断断能能力力 5 6 自自学学能能力力 10 7 语语言言表表达达能能力力 5 8 外外语语能能力力 10 9 应应变变能能力力 5 10 与与人人合合作作的的能能力力 5 11 经经济济意意识识 10 12 环环保

5、保意意识识 10 13 自自我我约约束束能能力力 5 总总分分 评价（考核）方法评价（考核）方法 （2）成绩评定）成绩评定 表表2 学生成绩总评表学生成绩总评表 考核名称考核名称 考核内容考核内容 权重（权重（%） 过程考核过程考核 项目任务完成情况项目任务完成情况 项目一项目一 10 项目二项目二 5 项目三项目三 2 汇报与点评情况汇报与点评情况 4 自评与小组评分自评与小组评分 4 考勤与训练态度考勤与训练态度 5 终结性考核终结性考核 操作考核操作考核 20 理论知识综合应用考核理论知识综合应用考核 50 合计合计 100 2项目学习项目学习情景情景 21产品的生产背景：产品的生产背景

6、： 酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。主要用于食 品、化工、军工、医药等领域。例如药用酒精(乙醇)是医疗单位和家庭药 箱的必备药品，值得注意的是，不同的用途要求不同的浓度。95的酒精 医疗单位常用于酒精灯、酒精炉； 7075的酒精可用于灭菌消毒； 4050的酒精用于预防褥疮；2550的酒精用于物理退热。 2012年1-12月，中国酒精制造行业实现累计工业总产值25,656,601千 元，比上年同期增长了52.48%；实现累计产品销售收入24,727,596千元， 比上年同期增长了55.67%，；实现累计利润总额1,222,718千元，比上年 同期增长了100.82%。 2013

7、年1-11月，中国酒精制造行业实现累计工业总产值33,921,257千 元，比上年同期增长了38.41%；实现累计产品销售收入29,550,616千元， 比上年同期增长了26.49%；实现累计利润总额1,132,282千元，比上年同 期增长了25.44%。 2项目学习项目学习情景情景 22某化工集团介绍某化工集团介绍 某化工集团，下设化工厂、氯碱厂、树脂厂、制药厂四个生产厂家， 分别生产如下产品：醋酸、甲基丙烯酸甲酯、苯酐、浓碱、PVC树脂、苹 果酸、卡托普利、强力霉素等产品。 化工厂需要用酒精作为溶剂，现有一套现存的酒精精馏装置，为了达 到综合利用的目的，将用剩下的浓度较低的酒精回收来获得所

8、需要的酒精 溶液。年生产能力为30万t/a。 由于集团紧急上马，使得集团人手不够，委托化工1401、1402车间 负责酒精回收生产过程。 3生产委托合同生产委托合同 由该化工集团与下属生产单位（化工1401、1402车间）签定酒精 回收项目的委托协议书。 由化工1401、1402车间主任向完成各具体项目（或任务）的工段长 分配任务，由工段长组织人员完成具体项目（或任务）。 老师作为化工1401、1402车间主任，化工1401、1402车间的学生作 为车间工人（含技术员）。 4项目组织实施项目组织实施 对课内项目，将围绕项目工作过程，每一工作小组需完成十几项工作 任务，由小组长组织实施，最后对完

9、成的结果要写出完整的操作规程和项 目总结报告等。 项目实施过程中，培养同学们以“工作方案的制定工作方案的制定”、“工艺条件的确工艺条件的确 定定”、“操作规程的编制操作规程的编制”、“安全正确地操作安全正确地操作”、“工作效果的评估工作效果的评估”等为工 作过程导向的职业能力，培养劳动保护意识、团队协作意识、经济意识和 节能环保意识，学习查阅图书与网络资料、学会资料整理等，注重自主学 习能力的培养。 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 化工传热过程与控制化工传热过程与控制 知识目标：知识目标： 1、掌握传热操作的基本知识、基本理论与工艺计算；掌握传热过程的操

10、 作要领、常见事故及其处理方法；掌握热电阻、热电偶等常用温度测量 仪表的使用方法。 2、理解间壁传热的热阻构成、强化传热的方法与途径，设备与管道的热 损失及其保温措施；理解列管式换热器的选型方法。 3、了解工业换热器的类型、结构、特点、操作原理及其适用范围，新型 换热器的发展；了解工业上常用测温仪表的分类、结构、工作原理适用 范围及安装维护；了解换热器的自动控制方案及其选用方法。 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 能力目标：能力目标： 1、能根据生产任务对列管换热器、套管换热器、板式换热器等常用换热 器实施基本操作，能正确使用各类常见的温度测量仪表和对换热

11、器实施 自动控制，并能根据生产工艺与设备特点制定传热过程的安全操作规程。 2、能运用传热基本理论与工程技术观点分析和解决传热操作中诸如传热 效率下降、振动、工艺介质控制参数不达标等常见故障。 3、能根据工艺过程需要正确查阅和使用一些常用的工程计算图表、手册、 资料等，并进行必要的换热计算，如传热量的计算、载热体用量计算、 平均传热温差计算、换热面积计算、对流传热系数与总传热系数的计算 及列管换热器的选型计算。 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 素质目标：素质目标： 1、帮助学生逐步建立工程技术观念，培养学生追求知识、严谨治学、勇 于创新的科学态度和理论联系

12、实际的思维方式； 2、培养学生逐步形成安全生产、节能环保的职业意识和敬业爱岗、严格 遵守操作规程的职业操守； 3、培养学生团结协作、积极进取的团队合作精神。 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 化工传热过程与控制化工传热过程与控制 子项目一：子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用酒精回收生产中的预热器设备选用 一、一、 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递 向低温，直至温度相等。 传热方向： 传热极限： 传热推动力： 高温低

13、温 温度相等 温度差 子项目一：子项目一：酒精回收生产中的预热器设备选用酒精回收生产中的预热器设备选用 一、一、 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 为化学反应创造必要的条件为化学反应创造必要的条件（氨的合成反应（氨的合成反应（479 ） 为单元操作创造必要的条件为单元操作创造必要的条件（蒸发、干燥等）（蒸发、干燥等） 提高热能的综合利用和余热的回收提高热能的综合利用和余热的回收 减少设备热量（冷量）的损失减少设备热量（冷量）的损失 能量回收：节能减排、资源回用！ 同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！ 余热资源被认为是继煤、石油、天

14、然气和水力之后的又一常规能源。 例如：钢铁行业烟气余热回收对比例如：钢铁行业烟气余热回收对比 余热没有回收余热没有回收热交换器进行余热回收热交换器进行余热回收 一、一、 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 19 一、一、 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 传热的目的：传热的目的： 加热或冷却加热或冷却 换热换热/能量回用能量回用 保温保温 强化传热过程强化传热过程 削弱传热过程削弱传热过程 1、热传导、热传导 u热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到 与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 u固体固体的主要传热方式，分子无规则热运动，使相邻分子间

15、传热， 传热速率相对较慢。 u特点：没有物质的宏观位移 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的 液体 机理复杂 二、传热的基本方式二、传热的基本方式 21 2、对流传热（热对流）、对流传热（热对流） 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。流体流体的主要传热方式；流动 中，流体质点相互碰撞传热。传热速率与流动状态密切相关。 3、热辐射、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 自然对流 强制对流 p 能量转移、能量形式的转化 p 不需要任何物质作媒介 p EaT4 三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，

16、同时出现。三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，同时出现。 二、传热的基本方式二、传热的基本方式 22 二、传热的基本方式二、传热的基本方式 23 1、传热的几个概念、传热的几个概念 （1）稳态传热和非稳态传）稳态传热和非稳态传 热热 u稳态传热：稳态传热：各点温度分布不随时间而改变各点温度分布不随时间而改变 特点：系统中不积累热量（输入输出）； 在传热方向上，传热速率为常数常数。 u非稳态传热：非稳态传热：各点温度随时间而变各点温度随时间而变 说明：连续生产过程中的传热说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热多为稳态传热 三、三、 工业换热方法工业换热方法 载热体的选用原则载热体的选用原则

17、： 载热体应能满足所要求达到的温度； 载热体的温度调节应方便； 载热体的比热或潜热应大； 载热应具有化学稳定性，不会分解； 载热体必须操作毒性小、不易燃、不易爆、 对设备腐蚀性小； 价格便宜，来源充分 1、传热的几个概念、传热的几个概念 （2）载热体及其选择）载热体及其选择 三、三、 工业换热方法工业换热方法 25 加热剂加热剂：热水、饱和水蒸汽 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热 直接热源直接热源 间接热源间接热源 加加 热热 剂剂 烟道气烟道气 电加热电加热 温度高、经济；温度不易控制、温度高、经济；温度不易控制、 加热不均匀、带有明火及灰尘加热不均匀、带有明火及灰尘 温度高、加

18、热均匀、易控制、温度高、加热均匀、易控制、 清洁卫生、成本高清洁卫生、成本高 高温载热体高温载热体熔盐混合物熔盐混合物 水蒸汽水蒸汽 最广的热源、加热均匀、最广的热源、加热均匀、 温度高时压力过大、不安全温度高时压力过大、不安全 1、传热的几个概念、传热的几个概念 （2）载热体及其选择）载热体及其选择 三、三、 工业换热方法工业换热方法 26 冷却剂冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等 空气、水空气、水 盐水溶液盐水溶液 常常 用用 冷冷 却却 剂剂 冷却温度冷却温度5oC NaCl、CaCl2等；冷却温度等；冷却温度0 - 45oC 有机物有机物 乙醇、乙二醇、丙醇等；冷却温度要求更低乙醇、乙

19、二醇、丙醇等；冷却温度要求更低 1、传热的几个概念、传热的几个概念 （2）载热体及其选择）载热体及其选择 三、三、 工业换热方法工业换热方法 27 套管式换热器套管式换热器 冷溶液进冷溶液进 冷溶液出冷溶液出 热溶液进热溶液进 热溶液出热溶液出 工业生产中，用于热量交换的设备称为热量交换器，简称换热器换热器。 2、换热方法类型、换热方法类型 （1）间壁式换热）间壁式换热 u液体在间壁两侧流过，借助壁面的导热作用实现热量交换间壁 式换热（间壁式换热器或表面式换热器或间接式换热器）。 u特点：两流体不发生混合。 三、三、 工业换热方法工业换热方法 28 套套 管管 式式 换换 热热 器器 2、换热

20、方法类型、换热方法类型 （1）间壁式换热）间壁式换热 三、三、 工业换热方法工业换热方法 29 固定管板式列管式换热器固定管板式列管式换热器 2、换热方法类型、换热方法类型 （1）间壁式换热）间壁式换热 三、三、 工业换热方法工业换热方法 30 u冷热两种流体直接接触， 在混合过程中进行热交换。 u特点：两流体直接接触， 传热速率快，其传热面积 大，设备简单。伴有传质。 如凉水塔、热水塔。 2、换热方法类型、换热方法类型 （2）直接混合换热）直接混合换热 三、三、 工业换热方法工业换热方法 31 32 u冷热流体交替流过蓄热室的壁面， 达到传热目的。 u传热分三步：热流体壁冷流体 u特点：设备

21、结构简单，耐高温；设 备体积庞大，热效率低，且不能完全 避免两流体的混合。 用于高温气体热量的回收或冷却。 2、换热方法类型、换热方法类型 （3）蓄热式换热）蓄热式换热 三、三、 工业换热方法工业换热方法 蓄热式换热器蓄热式换热器 1、2蓄热器；蓄热器；3蓄热体蓄热体 33 34 加热器加热器 蒸发器蒸发器 按按 用用 途途 分分 类类 冷却器冷却器 冷凝器冷凝器 直接接触式直接接触式 间壁式间壁式 按按 冷冷 热热 流流 体体 的的 传传 热热 方方 式式 蓄热式蓄热式 该类换热器使用的最多该类换热器使用的最多 （一）换热器的分类（一）换热器的分类 四、换热器结构与性能特点四、换热器结构与性

22、能特点 特殊形式特殊形式 按按 换换 热热 面面 形形 状状 管式管式 板式板式 35 管板、管束、封头、壳体管板、管束、封头、壳体 1、管式换热器、管式换热器 四、换热器结构与性能特点四、换热器结构与性能特点 （1）列管式换热器）列管式换热器 （二）常用间壁式换热设备（二）常用间壁式换热设备 36 单程列管式换热器单程列管式换热器 1 1 外壳外壳 22管束管束 3 3、44接管接管 5 5封头封头 66管板管板 77挡板挡板 1、管式换热器、管式换热器 （1）列管式换热器）列管式换热器 37 双程列管式换热器双程列管式换热器 11壳体壳体 2 2管束管束 3 3挡板挡板 4 4隔板隔板 1

23、、管式换热器、管式换热器 （1）列管式换热器）列管式换热器 38 固定管板式换热器固定管板式换热器 适用场合适用场合: 壳方清洁壳方清洁,温差不大（温差不大（70 ），压力不高（），压力不高（600kPa） 缺点: 壳程难洗, 结构: 管板均固定焊接在壳体两 端，管束两端固定在两管板上； 常备膨胀节 1、管式换热器、管式换热器 优点: 成本低 （1）列管式换热器）列管式换热器 39 浮头式换热器浮头式换热器 l适用场合适用场合:壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合。壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合。 l优点: 热补偿好,易洗易修 l缺点: 成本高 l结构: 一管板自由 （1）列

24、管式换热器）列管式换热器 1、管式换热器、管式换热器 40 U形管式换热器形管式换热器 1、管式换热器、管式换热器 （1）列管式换热器）列管式换热器 41 U形管式换热器形管式换热器 l用途: 管方清洁 l优点: 适高温高压 l缺点: 管程难洗,管板利用率低 l结构: 管子成U型 1、管式换热器、管式换热器 （1）列管式换热器）列管式换热器 l适用场合适用场合:管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管方清洁的场合；管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管方清洁的场合； 高温高压气体换热。高温高压气体换热。 42 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 1、管式换热器、管式换热器 (2) 蛇管换热器蛇管换热器

25、 43 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 强化措施：容器内加搅拌 器，提高K传热系数 优点： 结构简单 管内能耐高压 缺点： 管外对流传热系数小 1、管式换热器、管式换热器 (2) 蛇管换热器蛇管换热器 44 喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器 优点： 结构简单 管内能耐高压 管外 比沉浸式大 缺点： 喷淋不易均匀 占地面积大 1、管式换热器、管式换热器 (2) 蛇管换热器蛇管换热器 45 (3)套管式换热器套管式换热器 优点： 结构简单 能耐高压 K或tm大 缺点： 结构不紧凑S/V小 接头多，易漏 1、管式换热器、管式换热器 l适用场合适用场合:高温、高压及流量较小的场合。高温、高压及流量较

26、小的场合。 46 (4)翅片管式换热器翅片管式换热器 增加增加S，增强管外流体的湍动，增强管外流体的湍动 来提高来提高 1、管式换热器、管式换热器 47 (1)夹套式换热器夹套式换热器 优点： 结构简单 缺点： S小 釜内小 强化措施： 釜内加搅拌 釜内加蛇管 外循环 用途: 反应过程的传热 结构: 壁外设夹套 2、板式换热器、板式换热器 48 (2)平板式换热器平板式换热器 2、板式换热器、板式换热器 49 优点：优点： 结构紧凑结构紧凑 操作灵活操作灵活 K大大 缺点：缺点： 耐温、耐压差耐温、耐压差, 易漏易漏 处理量小处理量小 (2)平板式换热器平板式换热器 2、板式换热器、板式换热器

27、 适用场合：适用场合： 需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑；需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑； 操作压力较低（一般低于操作压力较低（一般低于1.5MPa）；）； 温度（温度（-35200） 50 (3)螺旋板式换热器螺旋板式换热器 优点：优点： 结构紧凑结构紧凑 不易结垢不易结垢, 堵塞堵塞 K大大 保持逆流保持逆流, tm大大 缺点：缺点： 压力压力, 温度不能太高温度不能太高 难以维修难以维修 2、板式换热器、板式换热器 51 (4)板翅式换热器板翅式换热器 优点：优点： 流体湍动程度高，流体湍动程度高，K大；大； 结构紧凑，单位体积的结构紧凑，单位体积的S较大；较大； 缺点：缺点： 易

28、堵塞，清洗困难；易堵塞，清洗困难； 构造复杂构造复杂 2、板式换热器、板式换热器 l适用场合适用场合:低温和超低温的场合。可用于各种情况下的热交换，低温和超低温的场合。可用于各种情况下的热交换， 也可用于蒸发或冷凝。也可用于蒸发或冷凝。 52 特点：特点：传热高效且稳定；传热高效且稳定； 结构简单；结构简单； 应用范围广应用范围广 3、热管式换热器、热管式换热器 53 原理：原理： 管子的内表面覆盖一层具有毛细结构材料做成的芯网，由于毛细 管力的作用，液体可渗透到芯网中去。当加热段吸收热流体的热量受 热时，管内工作液体受热沸腾，产生的蒸气沿管子轴向流动，流至冷 却段时向冷流体放出潜热而冷凝，冷

29、凝液沿着吸液芯网回流至加热段 再次受热沸腾。如此反复循环，热量则不断由热流体传给冷流体。 适用场合：适用场合：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠等。 3、热管式换热器、热管式换热器 54 GB 1511999钢制管壳式（即列管式）换热器钢制管壳式（即列管式）换热器 五、管壳式换热器的标准五、管壳式换热器的标准 p公称直径（DN） 卷制圆筒：内径 （mm） 钢管制圆筒：外径 （mm） p公称传热面积（A）：经圆整后的计算传热面积。 以传热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度 后，计算所得到的管束外表面积的总和（m2）。 p公称长度（LN）：传热管长度。（m） 直管：LN直管长度 U形

30、管：LNU形管直管段长度 55 列管换热器型号表示方法列管换热器型号表示方法 五、管壳式换热器的标准五、管壳式换热器的标准 56 项目一项目一 酒精回收生产中的预热器的选用酒精回收生产中的预热器的选用 化工传热过程与控制化工传热过程与控制 子项目二：子项目二： 预热器预热器的工艺参数的确定的工艺参数的确定 管壁内侧热流体 对流 )( 1 ) 1 ( Q 管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧 热传导热传导 )( 2 )2( Q 冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧 对流对流 )( 3 )3( Q 稳态传热：稳态传热： QQQQ 321 两流体通过间壁的传热过程两流体通过间壁的传热过程 t2 t1 T1 T2

31、 对流对流对流对流导热导热 冷冷 流流 体体 Q 热热 流流 体体 间壁间壁 任务任务1：热负荷和加热蒸汽量的计算：热负荷和加热蒸汽量的计算 子项目二：子项目二： 预热器预热器的工艺参数的确定的工艺参数的确定 58 式中 K 总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q 传热速率，W或J/s； S 总传热面积，m2； tm 两流体的平均温差，或K。 m mm 1 tt Q S t R KS K 总传热推动力 总热阻 传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热管长度不同位置的温 度差不同，通常在传热计算时使用平均温度差，以 表示。经验 指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积S和两流体的温

32、度差 成正比。即得为： m t m t 一、总传热速率方程一、总传热速率方程 任务任务1：热负荷和加热蒸汽量的计算：热负荷和加热蒸汽量的计算 m qt Q K S 或 ： 热通量 59 传热过程的基本问题传热过程的基本问题 1、的确定的确定 2、新的换热器新的换热器 3、现有换热器的现有换热器的 4、强化或削弱传热的方法、强化或削弱传热的方法 解决这些问题需要解决这些问题需要 两个基本关系式两个基本关系式 热量衡算式热量衡算式 传热速率关系传热速率关系 Q吸 吸=Q放放， ，忽略过程热损失 m qt Q K S 或 m tQKS 一、总传热速率方程一、总传热速率方程 1、传热速率与热负荷、传热

33、速率与热负荷 （1）热负荷热负荷Q：当生产上需要加热或冷却某物料时，要求换热器在单位时间 内向该物料输入或输出一定的热量，这是生产对换热器换热生产对换热器换热 能力的要求能力的要求，称为该换热器的热负荷。 热负荷：生产上要求换热器必须完成的生产任务。 （2）传热速率）传热速率：换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力换热器的生产能力， 由换热器自身自身决定； 关系：传热速率传热速率热负荷热负荷 换热器未选定，传热速率无法确定，可先由生产任务求得热负荷，代替传热速率，换热器未选定，传热速率无法确定，可先由生产任务求得热负荷，代替传热速率， 再考虑一定的安全裕量。再考虑一定的安全裕量。 二

34、、热量衡算二、热量衡算 61 二、热量衡算二、热量衡算 （1）热量衡算： hcL QQQ QQQ 吸损放 即： 2、热量衡算与热负荷的确定、热量衡算与热负荷的确定 （2）热负荷的确定： 、无热损失： 、存在热损失： hc QQ热负荷 Q 管程流体 热负荷 62 二、热量衡算二、热量衡算 热流体热流体 Wmh , T1 ,cph ,rh ,H1 T2 , H2 冷流体冷流体 Wmc , t1 ,cpc , rc , h1 t2 , h2 2、热量衡算与热负荷的确定、热量衡算与热负荷的确定 （3）传热量的计算： 其中 Wmh，Wmc 热、冷流体的质量流量， kg/s或kg/h； cph，cpc 热

35、、冷流体的定压比热容， kJ/（kg K）据换热前后液体的平均温度查取或计算； rh，rc 热、冷流体的汽化潜热汽化潜热， kJ/kg （手册中查取）； H1 ， H2 热流体进、出状态时的比焓比焓，kJ/kg（手册中查取或计算）；（或用 Ih1，Ih2 表示） h1 ， h2 冷流体进、出状态时的比焓，kJ/kg；（或用Ic1，Ic2 表示） 63 显热法（比热法）：显热法（比热法）：无相变，仅温度变 12 21 hmhph cmcpc QW cTT QW ctt 二、热量衡算二、热量衡算 2、热量衡算与热负荷的确定、热量衡算与热负荷的确定 （3）传热量的计算： hmh h cmc c QW

36、 r QW r 潜热法（相变）：潜热法（相变）：无温度变，仅相变 64 12 21 hmh cmc QWHH QWhh 焓差法：焓差法：不需考虑是否有相变 二、热量衡算二、热量衡算 2、热量衡算与热负荷的确定、热量衡算与热负荷的确定 （3）传热量的计算： 传热量为两 者之和： 相变热/潜热 显热变化 2hmhhph QWrcTT 饱 两步法：两步法：既有温度变，又有相变 其中 T饱 饱 冷凝液的饱和温度，K 65 二、热量衡算二、热量衡算 3、载热体用量的计算、载热体用量的计算 方法：方法：Wmh或Wmc的计算，可先据其中一 载热体计算出Q，再利用热量衡算式计算另 一载热体的流量。 作业：作业

37、：P102 二、二、1、2 66 例例1：现将现将1000kg/h,比热容为比热容为3.86kJ/(kg.k)的豆芽汁通过一换热器的豆芽汁通过一换热器, 从从600C冷却到冷却到320C,已知冷却水的初温为已知冷却水的初温为250C,终温不超过终温不超过300C.若若Q损 损 可忽略可忽略,试求该换热器的热负荷及冷却水的用量。试求该换热器的热负荷及冷却水的用量。 解:热负荷Q 因Q损忽略,则Q=Q热=Q冷, 冷却水用量： 因Q损忽略,则Q热=Q冷=WmCCCP（t2-t1) 由附表查得水在 3025 27.5 2 m t 时的比热容pc=4.176KJ/(kg.),则 二、热量衡算二、热量衡算

38、 3、载热体用量的计算、载热体用量的计算 12 1000 3.86 (6032)30.022() 3600 hmhph QQW cTTkw 21 3 30.022 1.44/ 4.176 (3025) 3600 1.445.184(/ ) 1000 c mc pc Q Wkg s ctt mh 67 例例2：某换热器用某换热器用120kPa的饱和水蒸气加热糖液的饱和水蒸气加热糖液，糖液走管内糖液走管内,蒸汽在管外冷蒸汽在管外冷 凝为饱和温度下的液体凝为饱和温度下的液体，15 0Bx的糖液流量为 的糖液流量为20000kg/h，比热容为，比热容为 3.894kJ/(kgk)，550C被加热至被加

39、热至850C。若设备的热损失估计为若设备的热损失估计为Q冷 冷的 的5%，求热求热 负荷及加热蒸汽的耗用量负荷及加热蒸汽的耗用量。 解：(1)热负荷Q 依题意知，Q=Q管内=QC, 150Bx糖液的Cpc=3.894kJ/(kg.k)。 则 (2)蒸汽耗量Wh 由题意知:Qh=Qc+QL=Qc+0.05Qc =1.05Qc 饱和水蒸汽在换热过程中仅发生相变化,即放出汽化潜热.由附录查得120kPa的饱和水 蒸气的汽化潜热 rh=2246.8kJ/kg. 则W m hrh=1.05Qc, 故饱和水蒸气消耗量为: 二、热量衡算二、热量衡算 3、载热体用量的计算、载热体用量的计算 21 20000

40、3.894 (8555)649() 3600 cmcpc QQW cttkw 1.05 649 0.3033/1091.88(/ ) 2246.8 mh Wkg skg h 68 任务任务2：预热器的温度和流动方向的确定预热器的温度和流动方向的确定 逆流并流错流折流 一、流体的流动方式一、流体的流动方式 69 二、二、流体流入空间的选择流体流入空间的选择 1、管程流体管程流体 (1) 不洁净或易结垢的流体宜走管内，因为管子清洗较方便。 (2) 腐蚀性流体宜走管内，以免管子和壳体同时被腐蚀。 (3) 压力高的流体宜走管内，以免壳体受压，且可节省壳体金属消耗量。 (4) 有毒有害的流体宜走管内，易

41、防止或减少泄漏。 (5) 高温加热剂与低温冷却剂宜走管内，以减少设备的热量或冷量的损失。 (6) 需要提高流速以增大膜系数的流体宜走管内，可采用多管程来增大流速。 70 二、二、流体流入空间的选择流体流入空间的选择 2、壳、壳程流体程流体 (1) 饱和蒸汽宜走管间，以便及时排除冷凝水。蒸汽冷凝的膜系数很大，可 使管和壳的温度都接近蒸汽的温度，这样能减小管壳间的温差应力；且能 提高冷凝传热膜系数。 (2) 被冷却的流体宜走管间，便于散热，增强冷却效果。 (3) 粘度大的液体宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程中流动，流速与流 向不断改变，在低Re(Re100)的情况下即可达到湍流，以提高传热效果。

42、 任务单：任务单： A1-2-1、 A1-2-271 任务任务3：传热温度差的计算和传热系数传热温度差的计算和传热系数K的初选的初选 一、传热温度差的计算一、传热温度差的计算 m ttTt T t t 0 A 1、恒温传热、恒温传热 72 并、逆流并、逆流 t2 t1 T1 T2 t2 t A t1 T2 T1 逆流逆流 t2 t A t1 T2 T1 并流并流 t1t2 T1 T2 2、变温传热、变温传热tm与流体流向有关 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 73 以冷、热流体均无相变、逆流流动为例推导 tm ： 假设：（假设：（1）稳态流动，）稳态流动，qm1、 qm2为常数；为常数

43、； （2）cp1、cp2为常数；为常数； （3）K沿管长不变化；沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。）热损失忽略不计。 对于微元：对于微元： 11mp dQqc dT 22mp dQqc dt 11mp dQ qcC dT 22mp dQ qcC dt 74 kmQT kQmt ) () (kkQmmtTt QdQ d 12 t-tt 斜斜率率 QdK d 12 t-t At t dA Q d K 12 t-t t t1 A dA Q d K 0 12 t t t-t t t1 2 1 A QK 12 1 2 t-t t t ln 1 75 12 1 2 t - t t ln t m t 并

44、、逆流并、逆流 2、变温传热、变温传热 对数平均温度差对数平均温度差 讨论：讨论： (1) 换热器两端热、冷流体的温度差换热器两端热、冷流体的温度差 1 t 2 t (2)若若 12 1 /2 2 tt 12 2 m tt t 则： (3) 也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 对数平均值： 算术平均值： 几何平均值： 1 2 12 ln S S SS 2 12 SS 21S S 76 CCT oo 7090 CCt oo 2060 逆流逆流 CCT oo 7090 并流并流 CCt oo 6020 CCt oo 5

45、030 CCt oo 1070 Ctm o 2 .39 30 50 ln 3050 Ctm o 8 .30 10 70 ln 1070 40 2 5030 2 21 tt t m 40 2 7010 2 21 tt tm 并、逆流并、逆流 2、变温传热、变温传热 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 77 间壁一侧流体有相变间壁一侧流体有相变 并、逆流并、逆流 2、变温传热、变温传热 1122 tTttTt热流体侧有相变： ， 1122 tTttTt冷流体侧有相变： ， t2 T t1 t1 T t2 t1 t2 T1 T2 tt 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 78 mmt t

46、t 逆 ( , ,) t f P R温度差校正系数：流型 12 21 tt TT R 冷流体温升冷流体温升 热流体温降热流体温降 11 12 tT tt P 两流体初温差两流体初温差 冷流体温升冷流体温升 查图查图 错、折流错、折流 2、变温传热、变温传热 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 79 错、折流错、折流 2、变温传热、变温传热 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 80 错、折流错、折流 2、变温传热、变温传热 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 对数平均温度差校正系数 81 错流时温度差校正系数值 错、折流错、折流 2、变温传热、变温传热 一、一、传热温度差的计算

47、传热温度差的计算 例：例： P32 例例1-482 3、不同流向传热温度差对比、不同流向传热温度差对比 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 （1）参与换热的两流体中只有一个流体变温只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中 用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体 沸腾等。tm的大小与流向无关，即： tm 并 并 tm 逆 逆 tm 错、折 错、折， ， t 1.0 （2）逆流逆流 两侧变温两侧变温： tm 逆 逆 tm 错、折 错、折 tm 并 并 当换热器的传热量及总传热系数一定时，采用逆流操作，所需的 换热器传热面积较小传热面积较小。 因为逆流时T2 可以低于t2

48、，所以与并流比较，可以节省加热介质或冷 却介质用量。若工艺上无特殊要求，应尽量采用逆流逆流操作。 83 一、一、传热温度差的计算传热温度差的计算 3、不同流向传热温度差对比、不同流向传热温度差对比 （3）并流并流 如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不 得低于某一温度，采用并流较易控制。 （4）错流、折流错流、折流 能使换热器结构比较紧凑合理。 一般， t0.8， ，当小于0.8时，可采用多壳程或多台换热器串联 84 套管和列管式换热器，传热面积：套管和列管式换热器，传热面积： 传热面积计算：传热面积计算： 二、二、传热传热面积面积 m Q S K t Sn dL 85 三

49、、总传热系数三、总传热系数K的获取方法的获取方法 1、取经验值、取经验值 在进行换热器的传热计算中，常需要估算总传热系数。在不能进 行理论计算时，常根据经验来选取经验值。 冷 流 体热 流 体传热系数K W/（m2） 冷 流 体热 流 体传热系数K W/（m2） 水 水 水 水 水 水 气体 有机溶剂 轻油 重油 8501700 17280 280850 340910 60280 水 气体 水 水沸腾 轻油沸腾 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 低沸点烃类冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 14204250 30300 4551140 20004250 4551020 表 列管式换热器中的传热系数经验值 86

50、 三、总传热系数三、总传热系数K的获取方法的获取方法 2、实验测定、实验测定 已经在生产操作的换热设备，通过测定其传热温度差、热负荷、传热 面积，计算出传热系数。实验测定可以获得较为可靠的K值。 m K S t Q 3、公式计算、公式计算 垢垢, 111 oi oi RR K 任务单：任务单： A1-2-3 作业：作业：P102 6、9 87 1、有关热传导的基本概念、有关热传导的基本概念 ,zyxft 式中 t某点的温度，； x,y,z某点的坐标； 时间。 温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 (1)温度场和等温面温度场和等温面 一、传热基本理论一、传热基本理论 任务任务4：传热理论的

51、理解和传热面积的计算：传热理论的理解和传热面积的计算 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 88 不稳定温度场不稳定温度场,zyxft 稳定温度场稳定温度场 zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 t1 t2 t1t2 等温面 Q 0 t 等温面互不相交等温面互不相交 等温面上没有热量传递等温面上没有热量传递 1、有关热传导的基本概念、有关热传导的基本概念 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） (1)温度场和等温面温度场和等温面 89 (2)温度梯度温度梯度 相邻两等温面之间的温度差t与这两个等温面之间的距离n的比值 的极限。 0 lim n ttd

52、t gradt nndx 一维稳定传热 t+t t-t t n Q dA 温度梯度是一个点点的概念。 温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面， 它的正方向是温度增加的方向 ，与导热方向刚好相反。 1、有关热传导的基本概念、有关热传导的基本概念 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 90 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 2、传导基本定律、传导基本定律傅立叶定律傅立叶定律 n t SQ dd 式中 dQ 热传导速率，W或J/s； dS 导热面积，垂直于热流方向 的截面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 热导率或导热系数， W/(m)或W/(mK)。 负号负号：表示传

53、热方向与温度梯度方向相反相反 表征材料导热性能的物性参数。 越大，导热性能越好 n t S Q q d d 用热通量来表示： 对一维稳态热传导： dx dt SQdd 91 t / 6 4 3 2 1 7 8 0 l / m 加热炉加热炉 i时间 导热过程示意图导热过程示意图 / tq q ntx 是分子微观运动的宏观表现 为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义物理意义) 物质的越大，导热性能越好 = f (结构,组成,密度,温度,压力） 来源： 实验方法测定 ，工业上常见物质的导热系数可从有关手册中查得 在热传导过程中，因物质各处温度不同， 也就不同，所以在计算时应 取最高温度t1下的1与最

54、低温度t2下的2的算术平均值，或由平均温度 t=(t1+t2)/2求出值。 3、热导率、热导率 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 93 固体、液体、气体的导热系数固体、液体、气体的导热系数 物质种类物质种类 导热系数导热系数 纯金属纯金属 1001400 金属合金金属合金 50500 液态金属液态金属 30300 非金属固体非金属固体 0.05 50 非金属液体非金属液体 0.55 绝热材料绝热材料 0.051 气体气体 0.0050.5 3、热导率、热导率 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 金属固体 金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 （1）固体热导率 金属材

55、料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料 10-210-1 W/(mK) )1( 0 at 在一定温度范围内（对多数匀质固体）： 对大多数金属材料：温度系数a 0 ， t ， （冰例外） 3、热导率、热导率 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下，越大， 越大。 式中式中 0、 0, t时的导热系数，时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。温度系数。 95 0.090.6 W/(mK) 金属液体较高，非金属液体低； 一般来说，纯液体的大于溶液 非金属液体水的最大； 水和甘油：水和甘油：t ， 其它液体：其它液体：

56、t ， t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。 0.0060.4 W/(mK) （2）液体热导率 3、热导率、热导率 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） （3）气体热导率 96 (1)单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 t1 t2 t x dx Qx Qx+dx S 假设：假设： 材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数； 一维温度场，一维温度场，t 仅沿仅沿x 变化；变化； S/ 很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。 边界条件：边界条件： x=0时，时，t=t1; x=时，时，t=t2 且且t1t2 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导 （一）热

57、传导（导热）（一）热传导（导热） 97 由假设可知：为稳态一维热传导，根据傅里叶定律 dt QS dx 2 1 0 t t Q dtdx S 分离变量后积分 得导热速率方程式 12 ()QS tt 或 12 12 () ttt Q R S Q qtt S 传热推动力 热阻 (1)单层平壁单层平壁的稳态热传导的稳态热传导 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 98 例例1有一单层平壁有一单层平壁S=20m2，=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC， 材料导热系数材料导热系数 =0.815+0.00076t (t：oC， :W/(m oC)。

58、试求。试求平平 壁壁Q和和q。 解解: C9752)( o 21 tttm C)W/(m556. 197500076. 0815. 0 o 12 ()QS tt W 5 10135. 1)3001650(20 37. 0 556. 1 5 2 1.135 10 5677/ 20 Q qWm S (1)单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 99 (2)多层平壁多层平壁的稳态热传导的稳态热传导 t1 t2 1 1 t x 23 2 3 t2 t4 t3 假设：假设： (1)S/很大，忽略端效应； (2)材料均匀；

59、 (3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。 (4)各层接触良好，接触面两侧温度相同。 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 100 233412 123 123 tttttt Q SSS 1414 33 11 i i ii i tttt R S 推广至推广至n层：层： 1111 11 i nn nn i i i ii i t tttt Q R R S 总推动力 总热阻 312 122334123 123 :ttttttR RR SSS 延伸：各层的温差之比延伸：各层的温差之比 (2)多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 4、平壁的稳态热传导、平壁的

60、稳态热传导 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 14 312 123 ttQ q S 或： 101 思考：思考： 厚度相同的三层平壁厚度相同的三层平壁 传热，温度分布如图所示，传热，温度分布如图所示， 哪一层热阻最大，说明各层哪一层热阻最大，说明各层 的大小排列。的大小排列。 t1 t2 t3 t4 312 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导 （一）热传导（导热）（一）热传导（导热） 102 例例有一燃烧炉，炉壁由耐火砖、保温砖、建筑砖有一燃烧炉，炉壁由耐火砖、保温砖、建筑砖3种材料组成，相邻材种材料组成，相邻材 料之间接触密切。已知耐火砖料之间接触密切。已知耐火砖1=150mm，1