《化工传热与控制技术》课件-项目6换热器类别及其结构、换热器传热过程计算

CaloriesChemicalIndustry6.1

换热器类别及其结构化工传热与控制技术6.1

换热器类别及其结构1）换热器概述换热器是一种在不同温度的流体之间实现热量传递的设备。该设备通过热传导、对流或辐射传热，使热量从高温流体传递到低温流体，满足加热、冷却、蒸发或冷凝等工艺需求，是化工、能源、制药、食品等工业领域不可或缺的设备。（1）换热器的定义化工生产中，生产规模的大小、物料的物化性质，以及传热操作的目的和具体要求各不相同，这就决定了换热器的类型必然多种多样。电加热器（2）换热器的分类a.加热器，加热器的作用是利用热能把物料或流体加热到指定温度的设备，被加热流体在加热过程中不发生相变。比如在合成氨工艺中，会利用加热器来预热氮气和氢气这两种原料气体。b.过热器，过热器的作用是把饱和蒸汽加热到特定温度，变成过热蒸汽，这种设备在化工企业里的应用十分普遍。

①按工艺用途分类6.1

换热器类别及其结构1）换热器概述多效蒸发器

①按工艺用途分类蒸发器是通过加热使溶剂汽化分离，实现溶液的浓缩或溶质的结晶析出。比如在制药过程中，用蒸发器浓缩药物提取液，以减少后续干燥工序的能耗。c.蒸发器冷却器的作用是利用冷却介质，将流体降温至工艺要求的温度。比如可以用润滑油当冷却介质给压缩机降温。d.冷却器就是实现“气体变液体”的设备，用于冷却凝结性饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化，是冷凝-精馏提纯、制冷降温等工艺中的核心设备。e.冷凝器6.1

换热器类别及其结构1）换热器概述

②按传热原理分类可将换热器分为以下三类。就是将冷、热两种流体直接混合进行热量交换的设备，常用于气体的冷却或水蒸气的冷凝。a.直接接触式换热器这类换热器主要是由热容量大的蓄热室组成，室内以耐火砖或金属材料为填料。工作过程中，当冷、热两流体交替通过同一蓄热室时，实现高温流体和低温流体的热量传递过程。b.蓄热式换热器是在换热器内部利用导热性能良好的材料，将冷流体和热流体隔开，使两种流体在互不接触的前提下，完成热量的定向传递。c.间壁式换热器6.1

换热器类别及其结构1）换热器概述间壁式换热器在化工行业的应用十分广泛，不管是物料的加热或是冷凝，都能用到它。下面我们来共同学习这类换热器的常见类型，以及它们各自的结构特点：1.反应器；2.夹套；3.蒸汽或冷却水接管；4.冷凝水或冷却水接管夹套式换热器广泛用于反应器的加热或冷却，尤其适用于安装搅拌器的反应器。它的主要组成部分有反应器、夹套、输送加热或冷却水的接管、排出冷凝水或冷却水的接管。由于结构的限制，它的传热面积比较小，在冷却操作中想要提高传热能力，在夹套中加设挡板或安装搅拌器是个有效的办法。（1）夹套式换热器6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（2）蛇管换热器一般是由肘管连接的直管或由盘成螺旋形的蛇形管构成。使用的时候，把蛇管完全沉浸在容器的液体里，蛇管的形状由容器的形状决定。这类换热器具有结构简单、能承受高压、价格低廉、便于防腐的优点。但容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。①

沉浸式蛇管换热器喷淋式换热器通常由直管、U形管、水槽、齿形檐板等四部分组成，主要用于冷却或冷凝管内的流体。该类换热器便于检修和清洗，但具有冷却液分布不均的缺点。②

喷淋式蛇管换热器6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（3）套管式换热器套管式换热器是将两根直径大小不同的直管做成同心套管，内管用U形管相连，外管与外管之间用管路连通。换热器中一组套管称为一程，右图即为三程换热器。化工生产中，如需增大传热面积，可以把多排套管并联使用。进行热交换时一种流体在内管中流动，另一种流体则在套管间的环隙流动。若采用冷却介质冷却热流体，则热流体从内管上方进入，冷却介质从环隙下方进入，防止流体短路问题。生产实践中采用冷、热流体逆流传热，可以提高对数平均温差，提高传热效率。冷却介质热流体6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成两壳程四管程换热器管束管板壳体顶盖单壳程单管程换热器列管式换热器具有结构紧凑、结实耐用、适应性强等特点，是现代工业应用最多的一种换热设备。换热器主要由壳体、管束、管板、顶盖（封头）等部件组成。管束一般用胀管器固定在管板的孔中，而顶盖是用螺钉和壳体两端的法兰相连。需要检修或清洗时，可直接拆除顶盖，操作方便简单。按照壳程和管程的分程数量进行分类，流体在管内每通过一次称为一个管程，而每通过壳体一次称为一个壳程。列管式换热器主要包括单壳程单管程、单壳程多管程和多壳程多管程等三种典型结构。在合理的结构设计范围内，壳程和管程的分程数量越多，热交换效率越高。6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（4）列管式换热器①

固定管板式换热器换热器两端管板与壳体连为一体，具有结构简单、成本低的特点，适用于壳体和管束温差小，流体较为清洁、不易产生垢层和腐蚀小得场合。根据所采取的温差补偿措施，换热器可分为以下几种形式：6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（4）列管式换热器②

浮头式换热器当壳体与管束温差比较大，而管束空间需要经常清洗时，可以采用浮头式换热器。换热器一端管板不与壳体相连，因此延管长方向，管束可以自由伸缩，起到热补偿作用。该设备便于清洗、检修，但结构比较复杂，造价高。浮头式换热器6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（4）列管式换热器③U型管式换热器U型管式换热器是将每根管束都制作成U字形，管束两端分别固定在同一固定管板的两侧，并用隔板将顶盖隔成两室。该换热器适用于高压气体的换热，结构较浮头式简单，但管程不易清洗。6.1

换热器类别及其结构2)换热器的结构与组成（4）列管式换热器CaloriesChemicalIndustry6.2

换热器传热过程计算化工传热与控制技术外侧内侧A1

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b热流体冷流体6.2换热器传热过程计算1）间壁恒温差传热过程计算换热器是一种实现热量传递的设备，其中间壁式换热器在生产实践中应用最为广泛。外侧内侧A1

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b热流体冷流体6.2换热器传热过程计算1）间壁恒温差传热过程计算热流体通过间壁将热量传给冷流体的过程分为三步：(1)热流体将热量传给固体壁面——对流传热(2)热量从壁的热侧面传到冷侧面——导热(3)热量从冷壁面传给冷流体——对流传热外侧内侧热流体冷流体A1

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b6.2换热器传热过程计算1）间壁恒温差传热过程计算在稳态情况下热侧流体对壁面的对流传热速率为(公式1)侧流体对壁面的对流传热速率为(公式2)通过间壁的热传导速率为(公式3)因此，稳态传热条件下的总传热速率方程为：(公式4)6.2换热器传热过程计算1）间壁恒温差传热过程计算其中，传热过程总推动力为热、冷流体的温度差，即：传热总热阻总热阻等于各项热阻之和6.2换热器传热过程计算1）间壁恒温差传热过程计算传热总热阻R的倒数K为总传热系数，因此可得间壁传热基本方程。传热基本方程(公式5)总传热系数取定的面积总传热系数K综合反映了间壁传热过程复合传热能力的大小，是表示换热设备性能的极为重要的参数。热侧为外侧时(公式6)对于平壁或薄管壁(公式7)6.2换热器传热过程计算2）间壁变温差传热过程计算换热器传热过程中（流体无相变），冷、热两流体的温度随着传热的进行，各个位置流体的温度将发生变化。因此，传热总推动力与两流体的相互流动方向有关。根据冷、热流体间的相互流动方向，换热器内流体流动形式可分为并流、逆流、错流和折流等四种形式。并流逆流错流折流6.2换热器传热过程计算2）间壁变温差传热过程计算换热器传热过程中（流体无相变），冷、热两流体的温度随着传热的进行，各个位置流体的温度将发生变化。因此，传热总推动力与两流体的相互流动方向有关。(a)并流(c)错流(b)逆流(d)折流6.2换热器传热过程计算2）间壁变温差传热过程计算以套管式换热器为例，计算换热过程的平均温差。Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2(a)逆流(b)并流6.2换热器传热过程计算(1)逆流和并流时的传热温差Tc2Th1Th2Tc1Th1Tc1Th2Tc26.2换热器传热过程计算假定：2流体的比热容cph、cpc及传热系数沿换热面不变；3换热器向周围环境散失热量忽略不计；4换热量沿流动方向的导热量可以忽略不计。1换热器在稳态情况下操作，热、冷流体的质量流量qmh、qmc沿换热面为常数；6.2换热器传热过程计算在微元中热、冷流体的温差为(公式8)通过微元面的传热量为(公式9)Th1Th2Tc1Tc2热流体放出热量，温度下降冷流体得到热量

，温度上升分别对热流体和冷流体进行热量衡算(公式10)(公式11)6.2换热器传热过程计算(1)逆流和并流时的传热温差(公式10)Th1Th2Tc1Tc2移项积分可得移项6.2换热器传热过程计算(1)逆流和并流时的传热温差Th1Th2Tc1Tc2(公式11)移项6.2换热器传热过程计算(1)逆流和并流时的传热温差因此，其中，换热器两端温差大的数值换热器两端温差小的数值平均传热温差，对数平均温差Th1Th2Tc1Tc2当ΔT2/ΔT1<2

时，对数平均值与算术平均值的差小于4％，此时在工程计算中可以用算术平均值0.5(Δt1+Δt2)代替对数平均值。6.2换热器传热过程计算【例题】利用套管换热器，用20℃的冷水将100℃的热水冷却到60℃，出口冷水温度升至30℃。试求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温差。解：逆流时ΔT1＝60－20＝40℃，ΔT2＝100－30＝70℃℃并流时ΔT1＝60－30＝30℃，ΔT2＝100－20＝80℃℃在冷热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的大。6.2换热器传热过程计算(1)逆流和并流时的传热温差①

可以节省传热面积，减少设备费；②

可以减少换热介质的流量，降低运行费。因此，在实际工程中多采用逆流操作。逆流操作的优点由于热、冷流体的最高温度集中在换热器的同一侧，使得该处的壁温较高。所以，对于高温换热器，应避免采用逆流操作。逆流操作的缺点在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，