《化工傳熱與控制技術》課件-項目6換熱器類別及其結構、換熱器傳熱過程計算

CaloriesChemicalIndustry6.1

換熱器類別及其結構化工傳熱與控制技術6.1

換熱器類別及其結構1）換熱器概述換熱器是一種在不同溫度的流體之間實現熱量傳遞的設備。該設備通過熱傳導、對流或輻射傳熱，使熱量從高溫流體傳遞到低溫流體，滿足加熱、冷卻、蒸發或冷凝等工藝需求，是化工、能源、制藥、食品等工業領域不可或缺的設備。（1）換熱器的定義化工生產中，生產規模的大小、物料的物化性質，以及傳熱操作的目的和具體要求各不相同，這就決定了換熱器的類型必然多種多樣。電加熱器（2）換熱器的分類a.加熱器，加熱器的作用是利用熱能把物料或流體加熱到指定溫度的設備，被加熱流體在加熱過程中不發生相變。比如在合成氨工藝中，會利用加熱器來預熱氮氣和氫氣這兩種原料氣體。b.過熱器，過熱器的作用是把飽和蒸汽加熱到特定溫度，變成過熱蒸汽，這種設備在化工企業里的應用十分普遍。

①按工藝用途分類6.1

換熱器類別及其結構1）換熱器概述多效蒸發器

①按工藝用途分類蒸發器是通過加熱使溶劑汽化分離，實現溶液的濃縮或溶質的結晶析出。比如在制藥過程中，用蒸發器濃縮藥物提取液，以減少后續干燥工序的能耗。c.蒸發器冷卻器的作用是利用冷卻介質，將流體降溫至工藝要求的溫度。比如可以用潤滑油當冷卻介質給壓縮機降溫。d.冷卻器就是實現“氣體變液體”的設備，用于冷卻凝結性飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結液化，是冷凝-精餾提純、制冷降溫等工藝中的核心設備。e.冷凝器6.1

換熱器類別及其結構1）換熱器概述

②按傳熱原理分類可將換熱器分為以下三類。就是將冷、熱兩種流體直接混合進行熱量交換的設備，常用于氣體的冷卻或水蒸氣的冷凝。a.直接接觸式換熱器這類換熱器主要是由熱容量大的蓄熱室組成，室內以耐火磚或金屬材料為填料。工作過程中，當冷、熱兩流體交替通過同一蓄熱室時，實現高溫流體和低溫流體的熱量傳遞過程。b.蓄熱式換熱器是在換熱器內部利用導熱性能良好的材料，將冷流體和熱流體隔開，使兩種流體在互不接觸的前提下，完成熱量的定向傳遞。c.間壁式換熱器6.1

換熱器類別及其結構1）換熱器概述間壁式換熱器在化工行業的應用十分廣泛，不管是物料的加熱或是冷凝，都能用到它。下面我們來共同學習這類換熱器的常見類型，以及它們各自的結構特點：1.反應器；2.夾套；3.蒸汽或冷卻水接管；4.冷凝水或冷卻水接管夾套式換熱器廣泛用于反應器的加熱或冷卻，尤其適用于安裝攪拌器的反應器。它的主要組成部分有反應器、夾套、輸送加熱或冷卻水的接管、排出冷凝水或冷卻水的接管。由于結構的限制，它的傳熱面積比較小，在冷卻操作中想要提高傳熱能力，在夾套中加設擋板或安裝攪拌器是個有效的辦法。（1）夾套式換熱器6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（2）蛇管換熱器一般是由肘管連接的直管或由盤成螺旋形的蛇形管構成。使用的時候，把蛇管完全沉浸在容器的液體里，蛇管的形狀由容器的形狀決定。這類換熱器具有結構簡單、能承受高壓、價格低廉、便于防腐的優點。但容器內液體湍動程度低，管外對流傳熱系數小。①

沉浸式蛇管換熱器噴淋式換熱器通常由直管、U形管、水槽、齒形檐板等四部分組成，主要用于冷卻或冷凝管內的流體。該類換熱器便于檢修和清洗，但具有冷卻液分布不均的缺點。②

噴淋式蛇管換熱器6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（3）套管式換熱器套管式換熱器是將兩根直徑大小不同的直管做成同心套管，內管用U形管相連，外管與外管之間用管路連通。換熱器中一組套管稱為一程，右圖即為三程換熱器。化工生產中，如需增大傳熱面積，可以把多排套管并聯使用。進行熱交換時一種流體在內管中流動，另一種流體則在套管間的環隙流動。若采用冷卻介質冷卻熱流體，則熱流體從內管上方進入，冷卻介質從環隙下方進入，防止流體短路問題。生產實踐中采用冷、熱流體逆流傳熱，可以提高對數平均溫差，提高傳熱效率。冷卻介質熱流體6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成兩殼程四管程換熱器管束管板殼體頂蓋單殼程單管程換熱器列管式換熱器具有結構緊湊、結實耐用、適應性強等特點，是現代工業應用最多的一種換熱設備。換熱器主要由殼體、管束、管板、頂蓋（封頭）等部件組成。管束一般用脹管器固定在管板的孔中，而頂蓋是用螺釘和殼體兩端的法蘭相連。需要檢修或清洗時，可直接拆除頂蓋，操作方便簡單。按照殼程和管程的分程數量進行分類，流體在管內每通過一次稱為一個管程，而每通過殼體一次稱為一個殼程。列管式換熱器主要包括單殼程單管程、單殼程多管程和多殼程多管程等三種典型結構。在合理的結構設計范圍內，殼程和管程的分程數量越多，熱交換效率越高。6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（4）列管式換熱器①

固定管板式換熱器換熱器兩端管板與殼體連為一體，具有結構簡單、成本低的特點，適用于殼體和管束溫差小，流體較為清潔、不易產生垢層和腐蝕小得場合。根據所采取的溫差補償措施，換熱器可分為以下幾種形式：6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（4）列管式換熱器②

浮頭式換熱器當殼體與管束溫差比較大，而管束空間需要經常清洗時，可以采用浮頭式換熱器。換熱器一端管板不與殼體相連，因此延管長方向，管束可以自由伸縮，起到熱補償作用。該設備便于清洗、檢修，但結構比較復雜，造價高。浮頭式換熱器6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（4）列管式換熱器③U型管式換熱器U型管式換熱器是將每根管束都制作成U字形，管束兩端分別固定在同一固定管板的兩側，并用隔板將頂蓋隔成兩室。該換熱器適用于高壓氣體的換熱，結構較浮頭式簡單，但管程不易清洗。6.1

換熱器類別及其結構2)換熱器的結構與組成（4）列管式換熱器CaloriesChemicalIndustry6.2

換熱器傳熱過程計算化工傳熱與控制技術外側內側A1

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b熱流體冷流體6.2換熱器傳熱過程計算1）間壁恒溫差傳熱過程計算換熱器是一種實現熱量傳遞的設備，其中間壁式換熱器在生產實踐中應用最為廣泛。外側內側A1

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b熱流體冷流體6.2換熱器傳熱過程計算1）間壁恒溫差傳熱過程計算熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體的過程分為三步：(1)熱流體將熱量傳給固體壁面——對流傳熱(2)熱量從壁的熱側面傳到冷側面——導熱(3)熱量從冷壁面傳給冷流體——對流傳熱外側內側熱流體冷流體A1

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b6.2換熱器傳熱過程計算1）間壁恒溫差傳熱過程計算在穩態情況下熱側流體對壁面的對流傳熱速率為(公式1)側流體對壁面的對流傳熱速率為(公式2)通過間壁的熱傳導速率為(公式3)因此，穩態傳熱條件下的總傳熱速率方程為：(公式4)6.2換熱器傳熱過程計算1）間壁恒溫差傳熱過程計算其中，傳熱過程總推動力為熱、冷流體的溫度差，即：傳熱總熱阻總熱阻等于各項熱阻之和6.2換熱器傳熱過程計算1）間壁恒溫差傳熱過程計算傳熱總熱阻R的倒數K為總傳熱系數，因此可得間壁傳熱基本方程。傳熱基本方程(公式5)總傳熱系數取定的面積總傳熱系數K綜合反映了間壁傳熱過程復合傳熱能力的大小，是表示換熱設備性能的極為重要的參數。熱側為外側時(公式6)對于平壁或薄管壁(公式7)6.2換熱器傳熱過程計算2）間壁變溫差傳熱過程計算換熱器傳熱過程中（流體無相變），冷、熱兩流體的溫度隨著傳熱的進行，各個位置流體的溫度將發生變化。因此，傳熱總推動力與兩流體的相互流動方向有關。根據冷、熱流體間的相互流動方向，換熱器內流體流動形式可分為并流、逆流、錯流和折流等四種形式。并流逆流錯流折流6.2換熱器傳熱過程計算2）間壁變溫差傳熱過程計算換熱器傳熱過程中（流體無相變），冷、熱兩流體的溫度隨著傳熱的進行，各個位置流體的溫度將發生變化。因此，傳熱總推動力與兩流體的相互流動方向有關。(a)并流(c)錯流(b)逆流(d)折流6.2換熱器傳熱過程計算2）間壁變溫差傳熱過程計算以套管式換熱器為例，計算換熱過程的平均溫差。Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2(a)逆流(b)并流6.2換熱器傳熱過程計算(1)逆流和并流時的傳熱溫差Tc2Th1Th2Tc1Th1Tc1Th2Tc26.2換熱器傳熱過程計算假定：2流體的比熱容cph、cpc及傳熱系數沿換熱面不變；3換熱器向周圍環境散失熱量忽略不計；4換熱量沿流動方向的導熱量可以忽略不計。1換熱器在穩態情況下操作，熱、冷流體的質量流量qmh、qmc沿換熱面為常數；6.2換熱器傳熱過程計算在微元中熱、冷流體的溫差為(公式8)通過微元面的傳熱量為(公式9)Th1Th2Tc1Tc2熱流體放出熱量，溫度下降冷流體得到熱量

，溫度上升分別對熱流體和冷流體進行熱量衡算(公式10)(公式11)6.2換熱器傳熱過程計算(1)逆流和并流時的傳熱溫差(公式10)Th1Th2Tc1Tc2移項積分可得移項6.2換熱器傳熱過程計算(1)逆流和并流時的傳熱溫差Th1Th2Tc1Tc2(公式11)移項6.2換熱器傳熱過程計算(1)逆流和并流時的傳熱溫差因此，其中，換熱器兩端溫差大的數值換熱器兩端溫差小的數值平均傳熱溫差，對數平均溫差Th1Th2Tc1Tc2當ΔT2/ΔT1<2

時，對數平均值與算術平均值的差小于4％，此時在工程計算中可以用算術平均值0.5(Δt1+Δt2)代替對數平均值。6.2換熱器傳熱過程計算【例題】利用套管換熱器，用20℃的冷水將100℃的熱水冷卻到60℃，出口冷水溫度升至30℃。試求在這種溫度條件下，逆流和并流時的平均溫差。解：逆流時ΔT1＝60－20＝40℃，ΔT2＝100－30＝70℃℃并流時ΔT1＝60－30＝30℃，ΔT2＝100－20＝80℃℃在冷熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫差較并流的大。6.2換熱器傳熱過程計算(1)逆流和并流時的傳熱溫差①

可以節省傳熱面積，減少設備費；②

可以減少換熱介質的流量，降低運行費。因此，在實際工程中多采用逆流操作。逆流操作的優點由于熱、冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一側，使得該處的壁溫較高。所以，對于高溫換熱器，應避免采用逆流操作。逆流操作的缺點在換熱器的傳熱量及總傳熱系數相同的條件下，