大学课件-化工原理-第4章换热设备与设计6

小结:传热过程的计算（1）传热过程的热流量衡算无相变传热有相变传热)()(12,,21,,cccpcmhhhphmttcqttcqDrttcqhhpm)(211,1,2211rDrD总传热系数和表面传热系数对流对流热传导冷物流热物流TQTUAQT1T2T3h1h2h3Q1Q2Q3TiiiiTAhQTKAQU=f(hi)（2）传热速率方程间壁式传热各部分传热速率方程：管内侧流体：管壁导热：管外侧流体：)(,whhiiittAhbttAwcwhmm/)(,,)(,000cwcttAhomimwcwhiiwhhAbttAhtt,,,100,1Ahttcwc热流体冷流体对流传热对流传热Q导热th1th2tc1tc2对稳态传热，00111AhAbAhKARmii注意：*K与A对应，选Ai、Am或Ao000011111AhAbAhAKAKAKmiimmii0011AhAbAhttmiichRt热阻•实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻，•工程上规定，以传热管外表面积Ao为基准，000000111AhARAbARAhAKRdmidiiidomiodiiiRhAAbAARAAhK0000111则：圆管中：0001111hRddbddRddhKKdomiodiiio（3）壁温计算利用两侧的传热速率方程，或管壁的导热方程mwcwhiiwhhAbttAhtt,,,100,1Ahttcwc结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度（4）平均温度差的计算mtKA总传热速率方程：chmttttttt2121ln对数平均温度差：并逆,,mmtt错流、折流时平均温差图算法逆,mtmtt，温差校正系数),(PRft冷流体温升热流体温降1221cchhttttR两流体最初温差冷流体温升1112chccttttP（5）平均传热温差1)恒壁温传热consttttch2)变温传热2121lntttttm对数平均温度差：说明：①逆流：并流：2,1,1chttt1,2,2chttt1,1,1chttt2,2,2chttt◆进、出口条件相同时并逆,,mmtt◆一侧有变化，另一侧恒温时并逆,,mmtt◆错流、折流时平均温差逆,mtmtt（6）传热效率和传热单元数法①传热效率1121chhhhtttt1112chccctttt②传热单元数NTUcpcmmccccqKAtttNTU,,12hphmmhhhcqKdAtttNTU,,21(qmCp)c较小(qmCp)h较小③传热效率和传热单元数的关系hhhhhhRNTURRNTU1exp11exp1ccccccRNUTRRNUT1exp11exp1查图4.6.10及4.6.11P3051.按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、再沸器。2.按传热特征分类直接接触式换热器；蓄热式换热器；间壁式换热器。4.7换热设备冷流体热流体热流体冷流体图4-60蓄热式换热器示意图二.间壁式换热器1.管式换热器沉浸蛇管式;P282喷淋式冷却器;p282套管式换热器;列管式换热器:I,II,（空冷，翅片管P302)2.板式换热器夹套式换热器;P282螺旋板式换热;p300波纹板式换器;板翅式换热器.套管式换热器◎结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。◎优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。夹套式换热器沉浸式蛇管换热器◎结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。◎优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。◎缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。喷淋式换热器◎结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。◎优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。◎缺点：喷淋不易均匀。板式换热器冷流体出口冷流体进口热流体出口热流体进口图4-74板式换热器流向示意图吸热蒸发端放热冷凝端导管芯网蒸汽热管热管三、列管式换热器固定管板式浮头式U型管式列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。◎优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。◎结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。T1T2t1t21)单程壳体、传热管2)多程◆多管程：分程隔板单管程→双管程时，流通截面积：传热面积：1列管式换热器的结构单双SS21ndSi24单LndAA0单双作用：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi↑，强化传热。T1T2t1t2◆多壳程：相当于单壳程串联，传热面积↑。1).固定管板式换热器2).浮头式换热器3).U形管式换热器2.列管式换热器分类及特点1).固定管板式换热器结构简单,成本低壳程不易机械清洗可能产生较大的热应力使用场合:壳程流体不易结垢或容易化学清洗壳体与传热管壁温度之差小于50C,否则加膨胀节单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器2).浮头式换热器结构较为复杂,成本高,消除了温差应力应用广泛.3).U形管式换热器特点两者兼顾.U型管式换热器U型管式换热器U型管式换热器安装：常用形式：弓形，圆盘形T1T2t1t2折流挡板作用：代价：提高壳程流体湍动程度(Re100即达湍流)↑h0，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用壳体阻力↑，系统动力消耗↑。弓形圆盘形单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动(1)正三角形排列(2)正方形排列(3)正方形错列管子在管板上的排列温度补偿原因：补偿方法：作用：管、壳温度不同，产生热应力，Δt50℃时，管弯曲、断裂或管板变形固定管板式--加膨胀节浮头、U形管式—本身具有补偿能力消除热应力带膨胀节的固定管板换热器带膨胀节的固定管板换热器带膨胀节的固定管板换热器4.7.2列管式换热器的设计和选用要求：根据生产任务(th1,th2,tc1,tc2,qmc,qmh,K)设计或选择：合适的换热器(计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等）步骤:(1)选择流程(2)流速的选择(3)计算平均传热温差(4)估算传热面积A(5)确定单壳程内的管程数Np(6)确定壳体内径Di(7)选择、设计换热器(8)换热器核算th1th2tc1tc2(1)选择流程一般原则管程：壳程：△不清洁、易结垢流体；△腐蚀性物料；△压力高的物料；△需提高流速强化传热的流体。▲粘度大的物料；▲被冷却的物料；▲蒸气冷凝和液体沸腾。(2)流速的选择同时考虑传热和流动阻力两方面，选择常用的流速范围（书P311表4.7.1）必要时，采用多管程结构一般的，流速：管程壳程气体液体(3)计算平均传热温差逆,mtmtt),(PRft温差校正系数：冷流体的温升热流体的温降1221cchhttttR流体的最初温差冷流体的温升1112chccttttP查书P301图4.6.6：εΔt0.8时，用单壳程不稳定原因：换热器内出现温度交叉或温度逼近现象，使传热效率降低。避免措施：采用多壳程或多个换热器串联th1ht2tc1tc2T1t2T2t1A图解壳程数Ns1）两流体无温度交叉(εΔt0.8)时，用单壳程；2）有温度交叉时，●试差法P301图4.6.6●图解法P312图4.7.10壳程数Ns(或换热器个数)确定：计算传热温差：tttm(4)估算传热面积A方法：假设K值（书P295表4.6.2）为增大裕度，假设值可选小。(5)确定单壳程内的管程数Np1）选择管规格mtKA2195.225(1)正三角形排列(2)正方形排列(3)正方形错列管子在管板上的排列单管程时管根数n：单管程时管长：3）选择管排列方式★正方形★正三角形★同心圆4）确定管程数Np（一个壳程内）2）选择管长，系列标准nudqqiimiv设2,4设iiivudqn2,4nLdA0设ndAL0设管程数：单壳程内传热管数目：选择的管长单程时的管长LLNpnNNpT(6)确定壳体内径Di单管程：多管程：0)32()1(dbtDiTiNtD05.1(7)选择换热器1）选择标准系列书P427附录U2）根据设计参数，自行加工定做计，换热器设计：设AKu管程数，管根数选定管规格管程阻力：壳程阻力：232)(22upudlpNNFpppripsirit2)25.3(2)1()(2020000uDBNpuNNFfpNFpppBipBTcssips(8)换热器核算1）阻力计算2）传热系数K校核按照选定换热器，计算K计需满足：000111hRddbddRddhKdomiodiii计%)30%20(设计KK3）传热面积A校核计算传热面积A计mtKAmtKA计计设：换热器实际传热面积Ap需满足：传热面积裕度：pAA计%)30%20%(100计计AAAp1、估计传热面积2、初步结构设计3、核算阻力4、核算传热能力详见《化工原理课程设计》设计示例书P316例4.7.1总结设计步骤