第三章 传热设备

第三章

换热设备01传热基本知识02常见的换热设备目

录§3-1传热基本知识知识目标要求:1.掌握传热的定义、基本概念和原理；2.了解常见传热方式；3.掌握强化传热措施。能力目标要求:1.能够利用传热过程速率概念理解传热基本定律。2.掌握传热过程的强化途径，完成给定的传热任务，提高传热过程的经济性。-4

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高温物体可以将热释放给低温物体，物体间温差越大，释放热的趋势越大。热被释放的过程称为传热，所释放的数量称为热量。1、传热一、传热基本概念-5

-由于高温物体是全方向释放热量，因此由高温物体与环境物质组成的三维系统中各空间点都分布有热，形成各空间点的温度。不过各空间点的温度不尽相同。物质系统内各空间点上温度的集合称为温度场。2、温度场一、传热基本概念烧红的铁块温度场示意图2、温度场一、传热基本概念2、温度场一、传热基本概念在温度场中，将同一时刻具有相同温度的各点所组成的空间曲面称为等温面。注意：1、在同一等温面上没有热量传递；2、热量只能由温度场中高温等温面向低温等温面传递；3、热量的传递方向只能是沿着等温面的法线方向。如果高温物体持续等量地放热，各空间点的温度不随时间改变，这种传热过程称为稳态传热，这种温度场称为三维稳态温度场。如果各空间点的温度随时间而改变，这种传热过程是非稳态传热，这种温度场则称为三维非稳态温度场，又称为非稳态温度场。3、稳态传热和非稳态传热一、传热基本概念

所谓温度梯度就是两相邻等温面之间的温度差。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，它的正方向是指向温度增加的方向。4、温度梯度一、传热基本概念二、常见传热方式

根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。1、热传导

热传导的条件是系统两部分之间存在温度差，此时热量将从高温部分向低温部分传递，或从高温物体传向与之接触的低温物体。由于热传导是靠物体内部的分子、原子或电子的运动进行的，所以真空中不能进行热传导。二、常见传热方式

热传导的基本计算公式是傅立叶定律：二、常见传热方式

各种材料的热传导性能不同，传导性能好的，如金属，包括自由电子的移动，所以传热速度快，可以做热交换器材料；传导性能不好的，如石棉，可以做热绝缘材料。二、常见传热方式

2、对流传热对流传热是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流相互掺混导致的热量传递过程。对流传热仅发生在流体中，由于流体中的分子同时也会进行不规则的热运动，因此，对流传热总是伴随着热传导现象。工程上比较常见的情况，流体流过一个物体并与其表面间产生热量传递过程，这种现象称为对流传热过程。二、常见传热方式自然对流强制对流对流传热根据产生的方式不同进行分类二、常见传热方式自然对流

强制对流二、常见传热方式层流传热湍流传热对流传热根据流体流动方式不同进行分类二、常见传热方式层流湍流二、常见传热方式热对流的基本计算公式是牛顿冷却公式：二、常见传热方式3、辐射传热任何物体，只要其绝对温度不为零度（０Ｋ），都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量，同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体就与外界产生热量的传递，这种传热方式称为热辐射。三、强化传热措施1、传热速率根据热量守恒定律：

换热器的传热速率Ｑ，即单位时间内两流体通过间壁所传递的热量，既等于单位时间内热流体放出的热量，又等于单位时间内冷流体吸收的热量（不考虑传热过程中向环境散失的热量）。三、强化传热措施1、传热速率

在传热过程中存在着散失于周围环境的热量，若需考虑这部分损失热量，上式应为：

Ｑ＝Ｑ热＝Ｑ冷＋Ｑ损三、强化传热措施1、传热速率如果在传热过程中，两流体均无物态变化时，传热速率为：三、强化传热措施1、传热速率

如果在传热过程中，某流体物态发生了变化，如液体沸腾变成了蒸气，或者蒸气凝结为液体，传热速率为：式中ｒ１、ｒ２——热、冷流体的汽化潜热（冷凝潜热），J/kg或kJ/kg。三、强化传热措施例题：

某列管式换热器中用101kPa的饱和水蒸气来加热苯，使其从293Ｋ加热至343Ｋ，已知苯的流量为５m3/ｈ，若换热器的热损失忽略不计，求该换热器的传热速率和每小时水蒸气的消耗量。三、强化传热措施三、强化传热措施2、热通量

热通量表示单位时间内通过单位面积的热量，用q表示，其单位为J/(m2·s)或W/m2。热通量通式为：１传热速率和热通量是评价换热器性能优劣的重要指标。三、强化传热措施日积月累１、传热速率和热通量是评价换热器性能优劣的重要指标。２、传热动力是温度差，温度差越大传热速度越快。３、传热速率是单位时间通过传热面的热量。三、强化传热措施3、换热器强化途径

强化传热是指用较小的设备传递较多的热量，也就是说要使热交换器单位传热面积的传热速率越大越好。随着科学发展，对换热设备的要求也越来越高，要求它能适应很高的热通量，或者能适应很低传热温差。因此，提高设备的换热能力，研制新型的高效率热交换器，是工业生产的一个重要课题。三、强化传热措施3、换热器强化途径

由总传热方程Ｑ＝kA△tm

可知，增大传热总系数ｋ、传热面积Ａ或传热平均温度差

△tm，都能使传热速率Ｑ增加。因此，强化传热的措施要从以下三方面来考虑。（１）增大传热系数ｋ（２）增加传热面积Ａ（３）增大传热温度差△tm三、强化传热措施3、换热器强化途径（1）增大传热系数ｋ

换热器传热系数的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定的，换热器传热过程中的总热阻越大，传热系数值也就越低，换热器传热效果也就越差。

对于在传热过程中无相变的流体，增大流速和改变流动条件都可以增加流体的湍动程度，从而提高对流传热系数。三、强化传热措施

例如，增加列管换热器的管程数和壳体中的挡板数，使用翅片管换热器，以及在板式换热器上压制各种沟槽等；但同时应考虑到对于流动阻力和清洗、检修等方面的影响。污垢热阻是降低传热速率的主要原因，因此在实际工作中要定期清洗换热器内外表面，以提高传热效率，降低成本。三、强化传热措施3、换热器强化途径

例如：增加列管换热器的管程数和壳体中的挡板数，使用翅片管换热器，以及在板式换热器上压制各种沟槽等；但同时应考虑到对于流动阻力和清洗、检修等方面的影响。

三、强化传热措施3、换热器强化途径

污垢热阻是降低传热速率的主要原因，因此在实际工作中要定期清洗换热器内外表面，以提高传热效率，降低成本。三、强化传热措施3、换热器强化途径（２）增加传热面积Ａ

传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热强化。需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面积增大，传热才能强化，这只有改进传热面结构才能做到。三、强化传热措施

例如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，可以提高单位体积热交换器的传热面积。我国浮头式热交换器系列由25管改为19管后，在壳径Ｄ为500～900ｍｍ时，传热面积可增加42％，单位传热面积的金属消耗量可降低20％～30％。三、强化传热措施3、换热器强化途径（3）增大传热温度差Δtm

增大传热温度差是强化传热的方法之一。传热温度差主要是由物料和载热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热体的温度则与选择的载热体有关。载热体的种类很多，温度范围各不相同，但在选择时要考虑技术上可行和经济上合理。１传热速率和热通量是评价换热器性能优劣的重要指标。三、强化传热措施日积月累１、增大传热总系数、传热面积或传热平均温度差，都能使传热速率增加。２、传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热强化。３、换热器传热过程中的总热阻越大，传热系数值也就越低，换热器传热效果也就越差。课堂小结1、传热基本知识：

传热、温度场、稳态传热和非稳态传热、温度梯度的基本

概念及原理2、常见传热方式：

热传导、热对流、热辐射3、强化传热措施

增大传热系数、改善热通量、改变传热面积和传热温度差§3-2常见的换热设备知识目标要求:1.了解各种换热设备的类型、结构、特点；2.了解各种换热设备的适用范围；能力目标要求:1.能够运用换热设备的工作原理，选择合适的换热器。2.熟练应用所学的理论知识，解决实际生产操作问题。一、管式换热器1、蛇管式换热器

用金属管道制成的换热器称为管式换热器，它结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。一、管式换热器

沉浸式蛇管换热器是用金属管道弯制而成的，根据使用目的不同，可将金属管弯制成多种形状，用于制作蛇管的金属材料有铜及铜合金、铝合金。优点：结构简单，便于制造和维修，

造价低，耐高压；缺点：湍流程度低，管内易结垢，

易堵塞，不便于清洗。一、管式换热器

喷淋式换热器又称阶式换热器，这种换热器大多用于冷却管内的热流体。喷淋式换热器将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置均匀淋下，并沿管壁呈膜状向下流动。一、管式换热器喷淋式换热器喷淋式换热器优点：结构简单、造价低、

能耐高压、检修和清洗方便缺点：却水的喷淋不易均匀一、管式换热器2、列管式换热器

列管式换热器又称管壳式换热器，是一种典型的间壁式换热器。列管式换热器是化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等，非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。一、管式换热器固定管板式换热器（１）固定管板式换热器优点：结构简单、造价低廉、

应用较广。缺点：清洗和维修较困难

适用于壳程中输送较为清洁且不易结垢或腐蚀性小的流体。一、管式换热器（２）浮头式换热器一、管式换热器浮头式换热器优点：管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不改变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。缺点：结构复杂，造价高。

适用于管壳温差较大、介质不清洁或腐蚀严重、需经常清洗或更换管束的场合，但不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重的介质，使用温度也受填料的物性限制一、管式换热器（３）Ｕ形管换热器优点：结构简单，重量轻，

可承受高温、高压。缺点：管子内壁清洗困难，管子更换困难，

管板上排列的管子少，只适用于洁净流体的换热一、管式换热器（4）涡流热膜换热器

涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。同时，这种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。（5）填料函式换热器

填料函式换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式换热器低，但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。一、管式换热器3、套管式换热器套管式换热器是管式换热器的一种。套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管，外面的称为壳程，内部的称为管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动（或同向）以达到换热的效果。一、管式换热器优点：结构简单，工作适应范围大，

传热面积增减方便，两侧流体

均可

提高流速，使传热面的两

侧都可以有较高的传热系数。缺点：检修、清洗和拆卸都较麻烦，

在可拆连接处容易造成泄漏。适用于传热面积要求不大的场合。二、板式换热器1、夹套式换热器夹套式换热器由容器、夹套、流体分布器、气液分离器等部件组成。于容器外壁适当距离处覆盖一层金属外壳即可形成密闭的空间，该空间是加热介质或冷却介质的通道，又称为夹套。在夹套的顶部设计有流体进口，在夹套底部设计有流体出口。二、板式换热器1、夹套式换热器夹套式换热器传热面积固定，传热系数小。由于夹套内的污垢不易清洗，因此要求加热介质是不易结垢的气体或液体。为了提高传热速率，可在容器内安装搅拌器，促使容器内流体进行强制对流传热。为了弥补传热面积的不足，可在容器内加设蛇管等。夹套式换热器广泛应用于反应釜、提取罐、发酵罐、蒸馏器等设备中。二、板式换热器2、螺旋板式换热器螺旋板式换热器由金属薄板、金属盖板、隔板、圆桶形容器等部件构成。二、板式换热器2、螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是一种新型换热器，传热效率好，运行稳定性高，可多台共同工作，不易堵塞，换热效果好，可充分利用低温热源进行换热。缺点是不耐高温高压，清洗和检修困难。

螺旋板式换热器适用于混悬液和黏稠流体的热交换过程，应用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。二、板式换热器3、平板式换热器

平板式换热器主要由换热板片、密封胶垫、夹紧板、导杆、夹紧螺栓组成。二、板式换热器

由于金属薄板上有大量的凹凸波纹，不仅加强了金属薄板的机械强度，而且提高了流体的湍流程度，增加了传热面积，强化了传热效果，因此，板式换热器被广泛应用于快速升温或快速降温的换热过程中，如制冷、暖通、空调、油冷却等行业；热处理厂及铜焊厂；汽车零部件厂、机械五金与注塑机制造业、家电冷气厂；船舶行业等二、板式换热器4、板翅式换热器板翅式换热器由金属薄板、金属翅片、密封条、集流箱等部件构成。优点：结构紧凑，质量小，单位体积传热面积大，总传热系数高，传热效果好。缺点：流道小，易堵塞，清洗及维修困难。

板翅式换热器适用于低温或超低温条件下的换热过程１传热速率和热通量是评价换热器性能优劣的重要指标。三、板式换热器日积月累１、常用的换热器有管式换热器、板式换热器。２、管式换热器有蛇管式、列管式和套管式，。３、板式换热器有夹套式、平板式、螺旋板式和板翅式。三、换热器的清洁与维护

在化工生产过程中，由于多种原因，换热设备和管道中会产生大量的污垢，如沉积物、腐蚀产物、结焦、聚合物、油垢、水垢、真菌、藻类及黏液等。产生的污垢会使设备和管道运行失效，装置系统的产量下降，能耗和物耗增加等。污垢腐蚀特别严重时，会造成工艺中断，装置系统被迫停产，直接造成各种经济损失，甚至可能引发较大的生产事故。三、换热器的清洁与维护

（１）换热器结垢原因１）流体流速。２）传热壁面的温度。３）流体性质４）换热设备参数1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

１）流体流速流体的流速可通过对传热传质的影响和机械作用力使结垢受到影响，该影响过程非常复杂。在换热器中，流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响，对于所有各类污垢，由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著，所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在实际运行中，流速的增加将增大能耗，所以，流速并不是越高越好，应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

2）传热壁面的温度流体温度及其传热系数决定该界面温度。化学反应速度取决于温度，生物污垢也取决于温度，流体温度的增加一般会导致化学反应速度和生物污垢速度的增大，从而对污垢的沉积量产生影响，导致污垢增长率升高。1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

3）流体的性质

流体的性质包括流体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的性质。在冷却水系统中，水质特性对污垢沉积起关键作用，例如，含有盐和其他物质可能因温度或浓度的变化而结晶等，含有不溶解气体会影响金属表面的腐蚀，若含有微生物和养分也会对生物污垢有影响。1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

4）换热设备参数

一是换热面材料；二是换热面状态；三是换热器结构。1、热器清洗

管板

折流板三、换热器的清洁与维护（2）换热器的清洁换热器一般采用的清洗方法有机械清洗、化学清洗、超声波清洗、电化学清洗等。１）机械清洗

机械清洗方法是靠流体的流动或机械作用提供一种大于污垢黏附力的力而使污垢从换热面上脱落。

一是强力清洗法：高压水枪

二是软机械清洗：海绵胶球球在线清洗法、螺旋弹簧振动法1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

注意事项：在进行清洗前需要停机，切断设备电源。在传热管清洗过程中，应使用专门的刷子，避免划伤和刮破管壁。1、热器清洗三、换热器的清洁与维护2）化学清洗。

化学清洗是指利用化学方法和化学药剂来达到清洗设备的目的。主要是利用酸、碱、有机混合物等化学药剂，将附着在设备上的污垢、铁锈、油泥等沉积物溶解、剥离，从而达到清洗的效果，并在其表面形成一层钝化膜。

1、热器清洗三、换热器的清洁与维护

化学清洗中重要的是清洗剂的选择，主要使用除锈清洗剂、碳氢清洗剂、除油清洗剂等。还可根据设备结垢程度不同，配制不同的清洗剂。

化学清洗步骤一般为：水冲洗—清洗剂清洗—水冲洗—清洗结束—压缩机空气吹干。三、换热器的清洁与维护3）超声波清洗。

超声波清洗采用超声波产生的振动，将换热器管道内产生的污垢、水垢振落剥离，除此之外，还能够将换热器管道内部的油脂性污渍进行分解、乳化。

1、热器清洗三、换热器的清洁与维护4）电化学清洗

电化学清洗可用于医药、食品、超纯水装置中的管道清洗。将金属管浸入磷酸或硫酸的电解液中，与直流电源的正极或负极相连（使金属管成为电解槽的阳极或阴极），依靠其产生的氧气或氢气去除黏附的污垢，这种方法只在特殊情况下使用。

1、热器清洗三、换热器的清洁与维护（３）换热器清洗步骤

除垢清洗A清水清洗B剥离防腐清洗C钝化镀膜处理D

适当定期清理换热设备，不仅可以维持设备正常运行，控制设备腐蚀，延长设备使用寿命，提高生产能力，改善产品质量，减少原材料及能源的消耗，提高生产效率，还会使生产成本大大降低。1、热器清洗三、换热器的清洁与维护换热器日常维护主要有日常保养、定期检查、常见故障处理三项工作。（１）日常保养换热设备的日常保养由操作人员负责，要保持设备清洁，每天查看设备运行状态及完好状态，应特别注意防止温度、压力的波动，首先应保