传热原理及换热器设计详解

1、传热基本理论与换热器设计1基本介绍传热在化工生产中占据重要的位置,设备投资就占全部设备投资的30%-40%热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温差存在的地方，热量总是自发地由高温向低温传递。传热即是我们平常所说的热传递,由于温度差而造成能量由高温区向低温区的转移.传热是化工生产中使用的非常普遍的单元操作。加热和冷却都属于传热2传热基本理论3概念 传热:从化工角度讲，是传热过程，即由于存在温度差而发生热传递的化工过程。热现象:物质运动的一种表现,物体内部大量分子做无规则运动的宏观表现物体的内能物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和。内能是不同于机械能的一种能量,可以与机械能,电能等其他

2、形式能量相互转化.温度越高,内能越大,人们通常把内能称为热能.4温度:表示物体冷热程度的物理量热量:在热传递过程中,高温物体放热,温度降低,内能减少,低温物体吸热,温度升高,内能增加,这部分增加或者减少的内能就是热量.热量指的是热传递过程中传递能量的多少.热量是与过程有联系的量,有传热过程才有热量5比热容:单位质量的某种物质温度升高或降低1K时所吸收或者放出的热量,叫做这种物质的比容热,用符号Cp表示.如水的比热容为4.18kJ/Kg.K.则表示1千克的水当其温度升高1K时,需要吸收的热量是4.18千焦耳.6热量的基本计算公式（无相变）Q=Cpm（T高-T低）Q：不发生相变时，物体吸收或者放出

3、的热量,单位：kJCp：物体的比热容，单位：kJ/Kg.Km：物体的质量，单位：kgT高，T低：热传递过程先后物体的温度差单位：K7热量的基本计算公式（有相变）Q=mHQ：发生相变时，介质吸收或者放出的热量,单位：kJH：相变介质的潜热，也叫做焓差，单位：kJ/Kg.Km：物体的质量，单位：kg8显热:物质在没有发生相变的情况下温度变化时所吸收或放出的热量.例如,将一壶冷水加热,随着时间的推移,水吸收热量,温度升高,在水没有烧开之前,水的相态没有变,它所吸收的热量称为显热9潜热:在温度压力不变时物质相变所吸收或放出的热量.例如:1个大气压下，当373K(100 )时水达到沸腾,虽继续加热,水温

4、仍保持不变,这时,所提供的热量都被用于水变成蒸汽的相变,此时水吸收的热量就是潜热.潜热的具体表现形式有汽化潜热或冷凝潜热10热流体与冷流体 参与传热的流体称为载热体,温度较高在传热过程中失去热量的流体,称为热流体,温度较低并在过程中得到热量的流体称为冷流体 传热过程通常是在两种流体间进行的11计算某厂房面积35000m2需要供暖,按照相关规范，厂房供暖标准为60W/m2,一次网供水温度130 ，回水70 ，二次网回水温度55 ，出水温度65 。水的比热均按照4.18kJ/kg ,试计算：供暖热负荷多少千瓦？所需一次侧水量、二次侧水量多少吨/小时？12传热的三种基本方式 一、热传导 热量从物体内

5、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。 特点：没有物质的宏观位移T1T213物质的导热性能和导热系数把刚开的水倒进铝饭盒,因其烫手而不能直接去端,如果是把开水倒进瓷碗,因其不烫手而可以直接端,这种现象说明铝比瓷的导热性能好导热性能强的物质叫热的良导体,导热性能弱的物质叫热的不良导体,物质导热性能的好坏用导热系数表示.导热系数越大,表明物质的导热能力越强14每一种物质都有其对应的导热系数固体的导热系数虽温度的升高而升高一般金属的导热系数最大,固体非金属次之,液体较小,气体的导热系数最小化工厂在选用设备材料时,就要参考各物质的导热系数,在需要传热

6、的地方,如锅炉的水管,换热器的换热管,用传热系数大的材料,而需要阻止传热的场合如设备管路的保温层,则用导热系数小的材料15常见物质的导热系数金属铜384W/C m金属钛9W/C m不锈钢4W/C m水 0.58W/C m木材 0.116W/C m无机盐0.10.3W/C m16 二、对流传热流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。用水壶烧水，虽然炉火只加热壶的底部，但是最后全壶水都被烧开，这是因为靠近壶底的水先得到热量，温度升高，受热膨胀，密度减小，就向上流动，而壶上部水温较低，密度较大，自动下降，由于水的上下循环流动，将热量从流体的一部分传到另一部分，这种现象就对流传热。17对流传热分为自然

7、对流和强制对流自然对流是由于流体各处温度不同引起密度差别而引起的对流，像前面讲的水壶烧水的过程，以及大气因下层受热而产生的上下循环流动都是自然对流强制对流是由于受到外力的作用而产生的对流，像用泵把流体送到换热器，用搅拌使反应釜内液体产生的对流工业上由于强制对流能够取得好的传热效果。因此多采用强制对流18对流传热在生产中应用相当广泛，例如：气流干燥器，喷雾干燥器，厢式干燥器，都是以对流为主的干燥器，锅炉水暖系统主要利用对流原理将热量从锅炉传递到散热器，换热器则充分运用对流原理实现热交换19层流流动与湍流流动流体在流道内的流动分为层流流动、过渡流动和湍流流动三种状态。自然对流通常是层流流动或过渡流

8、动，强制对流通常是湍流流动。湍流流动是最强烈的流动方式，最有利于传热，因此任何换热器的设计都希望流体在其中是充分发展的湍流流动。板式换热器由交错波纹板片构成的复杂流道，使得流体在较小的流速下既可以进入湍流状态，因此可以强化传热，得到更高的传热效率。层流流动湍流流动20三、热辐射借助电磁波以发射和吸收辐射线的形式进行的热传递，称为辐射传热或热辐射。 特点：1能量转移、能量形式的转化 2电磁波是热量传递的媒介 3辐射传热不是单方面的能量传递，而是物体间电磁波的相互交换的结果21工业上常用的热交换方式直接混合式蓄热式间壁式22直接接触式是把冷，热流体直接接触，在混合过程中传热，像凉水塔，喷洒式冷却塔

9、，混合式冷凝器结构简单，传热效果好，但是只适用于两股流体可以直接接触的场合，适用范围小23 二、蓄热式优点：结构较简单耐高温缺点：设备体积大有一定程度的混合低温流体高温流体24间壁式换热冷热两种流体被固体壁面隔开，传热时，热量从高温流体传给壁面，壁面再传给冷流体这种方法适用于冷，热两种流体不允许直接接触的场合，在绝大多数情况下，冷热两种流体都不允许直接接触，因此间壁式换热是应用最广泛的换热方法热侧流体冷侧流体25 间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T226列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t227板式换热器传热面为一组金属薄板28

10、板式换热器与管壳式换热器的比较 板式换热器传热系数更高，占地更小 板式换热器耗用金属材料更少，特别是采用昂贵的合金或者贵金属时，板 式换热器更经济 板式换热器可以实现温度交叉 板式换热器可以达到1度传热对数温差 根据需要板式换热器可以通过增减板片调整换热面积 板式换热器可以拆卸机械清洗全部换热表面29间壁式换热器的种类列管式 最典型的换热器，主要有管束和壳体构成，它具有坚固，处理量大，适应性强等优点，管子的表面积之和就是它的传热面积套管式 由直径大小不同的直管焊成的同心圆套组成，内管的表面积可视为其传热面积蛇管式 主要部件是盘成螺旋型或者其他形状的直管，它又分为沉浸式和喷淋式夹套式 容器的外部

11、装有夹套，加热剂和冷却剂在器壁与夹套间流动，容器内壁就是它的传热面积板式 由一组金属薄板和外部夹紧板、拉紧螺栓、橡胶密封垫组成，传热效率高，单位体积换热面积大，节省材料等优点，特别适合小对数温差换热工况以及需要昂贵的特殊合金及金属场合。30热负荷Q：工艺上要求换热器具有的换热能力，同种流体需要升温或温降时，吸收或放出的热量，单位 J/s或W。传热速率Q：换热器本身具有的换热能力，单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。2、 间壁式换热器的传热过程一、基本概念31 2、冷热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体323.传热过程的基本计算传热过程的热

12、量衡算 输入的能量=输出的能量+能量损失 Q进=Q出+Q损 Q热=Q冷+Q损 在工程传热过程设计计算中，板式换热器的热量损失非常小，通常忽略不计！33式中 K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q传热速率，W或J/s； A总传热面积，m2； tm两流体的平均温差，或K。 传热速率：换热器在单位时间内所交换的热量，是设备特性，反映的是换热器本身具有的换热能力总传热速率方程如下：34强化传热的途径从传热速率方程式可以看出，提高传热系数，传热面积，传热平均温差中的任何一项都可以提高传热速率 1）增大传热面积 2）增大传热平均温差，在条件允许的情况下，尽量的提高热流体的温度，降低冷流体的温度，

13、当冷热流体的进出口温度一定时，采用逆流操作可以获得较大的平均温度差 3）增大传热系数K，提高两流体的给热系数，加大湍动程度，增加管程或壳程数，加装折流挡板，增加搅拌，改变流体流向，防止结垢并及时的清除污垢层。35削弱传热只要设备与环境存在温度差，就会有热损失，温差越大，热损失越大，因此必须设法降低设备与环境之间的传热速率，即削弱传热，具体方法是在设备或者管道的表面敷以导热系数小的材料，以增加传热热阻，达到降低传热速率，削弱传热的目的应用：设备保温36并流与逆流传热并流传热：在换热过程中，两种流体在换热器壁两面平行同向流动，在冷热侧温度差推动下，将热量从热侧传递到冷侧。逆流传热：在换热过程中，两

14、种流体在换热器壁两面平行逆向流动，在冷热侧温度差推动下，将热量从热侧传递到冷侧。37传热平均温差的计算 -对数平均温差变温传热：在换热过程中，冷热两流体或其中一种流体沿壁面任何位置的温度在不断的变化根据流体在换热器内的流动方向不同，变温传热平均温差的计算方法不同38假设一台单流程逆流换热板式换热器，热侧进口温度T1出口温度T2,冷侧进口温度t1出口温度t2传热平均温差（即对数平均温差）的计算公式：注意：当T1 -t2= T2 t1时， LMTD= T1 -t2= T2 t139计算：某换热站板式换热器，一次侧进水温度130 C ，出水温度70 C ，二次侧进水温度55 C，出水温度65 C。该

15、换热器的传热对数温差是多少？某大楼中央空调板式换热器，冷侧进水温度7 C ，出水温度12 C ，热侧进水温度13 C，出水温度8 C。该换热器的传热对数温差是多少？40传热系数传热系数的影响因素冷、热测流体湍动程度传热膜系数流体物性粘度、导热系数、比热容换热表面热阻污垢系数金属壁热阻金属导热系数金属壁厚度41换热器传热系数计算公式符号说明：K- 总传热系数H-热侧传热膜系数C-热侧传热膜系数 金属壁厚度 金属导热系数RfH-热侧壁面污垢系数RfC-冷侧壁面污垢系数42管内流动与边界层边界层厚度，取决于流体湍动程度；流体湍动程度与流道形式、流体流速密切相关。流速越高，流道越不平整，流体湍动程度越

16、高，边界层越薄。与此同时，流体湍动程度越高，经过一定长度/宽度流道的阻力降越大！43传热膜系数流体对流传热的关键因素，在于边界层厚度；边界层越厚，传热越困难-传热膜系数降低。44污垢系数换热表面的污垢，包括无机盐沉积、有机物集聚等。由于无机盐、有机物的导热性能远小于金属，导致很薄的污垢层会产生很大的传热阻力，衡量污垢层传热阻力的方法之一是污垢系数。由于污垢的形成、累积与多种因素有关，很难准确量化理论计算，通常以经验系数方式提出，常见的污垢系数数值是依据光滑管列管式换热器数据。在同样流道内平均流速下板式换热器湍动程度远高于列管式换热器，通常用的污垢系数经验值不适用于板式换热器。板式换热器通常在设

17、计中以一定的设计余量来涵盖污垢系数影响，保证用户安全使用。45污垢系数对传热系数的影响某水-水换热工况，冷、热侧传热膜系数均为9000W/m2K，金属壁热阻不考虑。用户考虑长期使用可能的污垢影响，要求换热器有足够的设计余量。计算方法一，采用列管式换热器污垢系数：0.0004m2K/W计算方法二，采用板式换热器设计余量：20%46污垢系数对传热系数的影响无污垢换热器传热系数：K=4500W/m2K方法一结果：实际传热系数K=1607.14方法二结果：实际传热系数K=3750等效污垢系数Rf=0.000044无污垢管壳式板式备注19000900090002900090009000Rf0.00040

18、.000044 等效值K45001607.14375047传热系数与阻力降流体在换热器流道内流动，必然产生沿程阻力损失-有效阻力降。流体在进入/流出换热器时，因为流动方向转变、流道截面积变化等原因，也会产生阻力降-无效阻力降。通常流体流动阻力降与流速的平方成正比对流传热换热器的传热膜系数，通常与流体流速的0.60.8次方成正比48优化设计选型板式换热器随着换热器内流速的增加，传热膜系数开始增加很快，之后增加速度减慢。流动阻力降开始增加较慢，随后增加速度越来越快49优化设计选型板式换热器换热器的优化设计是在流动阻力和传热系数之间权衡每个型号的板式换热器都有其最佳工作区域通常这个区域是在换热器压力

19、降0.050.1MPa之间50怎样优化设计选型板式换热器怎样优化设计选型板式换热器满足用户工艺条件和用户协商讨论优化工艺条件在可能情况下，让用户工艺条件尽可能在我们的产品最佳工作区域设计基本原则满足传热要求满足许可压力降要求满足设计压力、设计温度要求满足耐腐蚀、可靠运行要求合理确定设计余量在可用的产品中选择性价比最高的型号其他用户要求怎样优化设计选型板式换热器满足用户工艺条件和用户协商讨论优化工艺条件在可能情况下，让用户工艺条件尽可能在我们的产品最佳工作区域设计基本原则满足传热要求满足许可压力降要求满足设计压力、设计温度要求满足耐腐蚀、可靠运行要求合理确定设计余量在可用的产品中选择性价比最高的

20、型号其他用户要求51怎样优化设计选型板式换热器深入优化了解用户工艺，协助用户确定真实可靠工艺条件根据实际工艺条件设计选型多台并联换热器之间的压力降匹配问题应对用户不合理的技术要求过高的设计压力、设计温度要求不恰当的指定材料、结构形式夸大的污垢系数及热负荷理论数据与实际运行数据的差异供暖：一次水温130 C ，实际运行中，往往在110 C左右，必须有适当的设计余量甚至单独校核计算，以保证运行要求。52怎样优化设计选型板式换热器怎样优化设计选型板式换热器在许可条件下，适当调整用户工艺条件热侧温度过高，超过板片/垫片承受范围工艺条件许可情况下，降低热侧流体温度蒸汽减温器增加中间换热器，将热介质温度降到板片/垫片可承受范围高温蒸汽加热硫酸铜电解液，0.6MPa蒸汽（饱和温度159 C） ，9含10%游离硫酸的硫酸铜电解液从30 C加热到60 C。换热器壁温达到125 C以上，没有一种金属材料可以承受。增加一台中间换热器，316板片+EPDM垫片，高温蒸汽将软化水加热到100 C，100 C热水加热硫酸铜电解液，换热器壁温80 C，可用Hast