第三章 传热

子模块3 传热

项目1 换热器岗位操作训练

【项目内容】实训换热器的操作方法。 【项目目标】 任务目标：

通过实训掌握换热器的基本结构、工作原理及特点；掌握换热器启动、正常运行和停车操作技能。

技能目标：

能熟悉操作换热器，初步掌握排除常见故障及维护保养方法，学会通过阀门控制流量、转子流量计、热点阻温度计的使用。

【操作步骤】

所须设备：套管式换热器实验装置、温度表、压力表、转子流量表等一套， 操作步骤： 1、检查准备

(1)水压试验。实验压力一般为工作压力的1.25倍.实验方法是在壳程内罐满水后，关闭出口阀，然后用水压机对设备进行加压，并检查设备焊缝是否有泄露.待加压到所需压力后，恒压2小时.如压力没有变化，便减压，放水清除杂质.如发现有泄露处，卸压后进行处理，然后再试压，直至无泄露为止.

(2)气密实验.开启换热器壳程流入阀，关闭出口阀.把压缩空气逐渐送入换热器的壳程中，并提高压力至操作压力的1.05倍，关闭入口阀.用肥皂水涂在设备、管线的焊缝处与管件、阀件与法兰的连接处。如肥皂水起泡，需对起泡处做好标记。如检查无泄露，则保持压力30分钟，压力不下降为合格。如有泄露则卸压后对泄露处进行处理，然后重复实验直到合格为止。

(3)开车前先检查装置上的压力表、温度表、流量表及各阀门是否齐备完好。 (4)检查前后工段联络信号是否完好。 2、开车

(1)开启电源送电； (2)开启冷水进水阀；

(3)徐徐开启蒸汽进口阀，排除设备不凝性气体及冷凝液；

(4)根据工艺要求调节冷流体的流量及加热蒸汽的压力，使之达到所需温度。 3、正常操作

（1）经常保持各项指标符合规定，换热器运行正常、稳定。（2）经常注意两种流体的温度及压力变化，如有异常现象，应立即查明原因，排除故障。

（2）在操作过程中要经常排出冷凝液和不凝气，以免影响传热。 （3）定期检查换热器的连接螺栓是否紧固、垫片密封是否严密。 （4）要保持主体设备外部整节，各种仪表清晰准确。 4、停车

（1）停车时，要先关蒸汽阀或其他热流体阀，再关冷水，并切断电源。 （2）停车后必须将换热器内残留的流体排出，以防冻结和腐蚀。

5、安全操作要点

(1) 列管式换热器的开车要特别注意冷、热流体的进入次序，一定要先通入冷流体，再缓慢的通入热流体，防止骤冷骤热有损换热器的使用寿命。

(2) 开、停换热器时，不应将蒸汽阀门和被加热介质阀门开的太猛，否则容易造成外壳与加热管伸缩不一，产生热应力，使局部焊缝开列或管子胀口松弛。

(3) 停车时，应先切断高温流体，后切断冷流体，并将壳程及管程流体排净，以防换热器锈蚀。

6、考核要求

(1) 能按操作要点正确操作换热器。 (2) 能够熟练地处理换热器的常见故障。 【相关知识】

〈一〉 概述

一、传热在化工生产中的应用 1、为化学反应创造必要的条件

化学反应通常要控制在一定的温度下进行，热量传递是维持化学反应温度必不可少的条件。

2、为单元操作创造必要的条件

在蒸发、干燥等单元操作中，热量传递是使以上诸分离操作正常进行的重要条件。 3、提高热能的综合利用率

热能的合理利用以及废热的回收都与传热过程密切相关。 4、减少设备的热量（或冷量）的损失

化工设备和管道的保温都要涉及到传热。 二、化工生产对传热过程的要求

1、如何强化传热过程：即对各种换热设备要求传热速率快，传热效果好，完成相同传热任务所需的传热面积少，传热设备的结构紧凑，设备费用低。

2、如何减少或抑制（削弱）传热过程：如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热损失。

三、定态传热和非定态传热

1、定态传热：在传热系统中各点的温度分布仅随位置变化而不随时间变化的传热过程。 连续生产过程中的传热多为定态传热。

特点：通过传热面的传热速率不变。

2、非定态传热：在传热系统中各点的温度分布不仅随位置而变且又随时间而变的传热过程。

间歇操作的传热过程为非定态传热。 四、传热的基本方式

传热的基本方式有：热传导、热对流和热辐射。 1、热传导（导热）

由于物质分子、原子或电子的运动，将热量从物体高温处向低温处的传递过程称为热传导。热传导发生在相互接触的两个不同温度的物体之间。

特点：物体内质点不发生宏观的相互位移。

气体、液体、固体的热传导机理各不相同。气体的热传导是由于分子不规则的热运动的结果。

注意：热传导不能在真空中进行。 2、热对流 （对流传热）

热对流是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递，对流传热仅发生在流体中。由于引起流体质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流传热和强制对流传热。

自然对流传热：由于流体各部分温度不同而引起的密度差异，使流体产生相对运动而产生的热量传递现象。

强制对流传热：由于泵、风机或搅拌等其它外力作用引起的流体流动而产生的热量传递现象。

3、热辐射（辐射传热）

因热的原因物体发出辐射能的过程称为热辐射。热辐射是一种以电磁波传递热能的方式。物体放热时，热能变成辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇到另一物体时，则部分或全部被物体所吸收而变成热能。辐射传热不仅有能量的传递，而且伴有能量形式的转换。

注意：热辐射不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。 五、工业换热器的类型

根据换热器的作用原理的不同，通常可分为如下几种类型 1、混合式换热器

两流体在换热器中直接接触，相互混合进行换热。该类型换热器结构简单，设备及操作费用均较低，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。

2、间壁式换热器

化工生产过程中冷热流体之间进行的热交换不允许直接混合，两种流体常被固体的壁面隔开，并在壁面两侧流动构成典型的间壁式换热器。该类型换热器的特点是两流体在换热过程中不混合。

3、蓄热式换热器

借助于蓄热体将热量由热流体传给冷流体。该类型换热器结构简单，可耐高温； 缺点是设备体积庞大，热效率低且不能完全避免两流体的混合。

〈二〉 传热基本方程

一、间壁式换热器 1、间壁式换热器

① 套管式换热器

它的结构由两个不同直径的圆筒套在一起，一种流体走管内，另一种流体走管外 环隙，两六体通过内管管壁进行热交换。

图3-1套管式换热器

② 列管式换热器：

它是由壳体、封头、管束、管板组成，一种流体由封头进，走管内从另一封头出，另一流体由壳体一端进，在壳体内沿折板作折流流动，由壳体的另一端出，二流体通过管束壁面进行热交换。

1----壳体 2----管束 3----挡板 4----隔板

图3-2双程列管式换热器

流过管内的流体——管程流体 流过管间的流体——壳程流体

根据管程流体和壳程流体在换热器中流过的次数，又称××管程××壳程流体。

列管换热器的传热面积的计算式：S?n?dL 式中：S——传热面积，m

n——管数； d——管径，m； L——管长，m。

2、间壁式换热器内的传热过程

通过以上简介可知，冷、热二流体换热是通过管壁进行的：热流体以对流传热方式将热传给 高温面——高温面以热传导方式将热传至低温面——低温面又以对流方式将热传给冷流体。

2

（3-1）

图3-3换热器间壁两侧流体间的传热过程

二、传热基本方程

1．传热速率与热通量

传热速率：单位时间内传递的热量。用“Q”表示，单位：J/s=w

热通量：单位传热面积、单位时间内传递的热量，用“ｑ”表示，单位w／ｍ

２

传热速率?2．传热基本方程

传热推动力(温度差)?t ?传热阻力(热阻)R （3-2）

传热速率与传热面积有关，与冷、热二流体的温度差有关，且成正比Q ∝A?tm 引入比例系数K，即Q = KA?tm

或： Q?

（3-3） （3-3a）

?tm?tm? 1RAS

q?Q?tm?tm??'

1ARK （3-3b）

式中： Q——导热速率，J / S= W；

q——热通量，W / m； A——传热面积，m； ?tm——平均温度差，K； K——传热系数， W / m ·K； R——换热器的总热阻，K/W；

2

2

2

R——换热器的总热阻，m·K/W

3、化工过程的传热问题分类

①、设计型问题：根据生产任务或要求，选择换热器，即计算面积A，由传热量选（设计）换热器。

②、操作型问题：对现有设备进行传热量、流体流量及进、出口温度计算。

〈三〉 传热速率与热负荷

一、热负荷与传热速率

1、 定义：

热负荷：要求换热器在单位时间内传递的热量。 传热速率：换热器单位时间内传递的热量。 2、区别：

热负荷是换热器的生产任务，是由工艺条件决定的，是对换热器提出的要求。如：必须将一定量的热流体从360K降至300K，需要移出的热量。

传热速率是换热器本身的换热能力，是设备的特性，也可以说换热器的生产能力。 3、热负荷与传热速率间的关系

换热器的传热速率须大于至少等于热负荷。 二、热负荷计算：

1、热量衡算：

对于间壁式换热器，根据热量衡算，在单位时间内，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量加热损失。

Qh=QC+QL 式中

‘2

（3-4）

Qh——单位时间内热流体放出的热量，KJ/s或KW； QC——单位时间内冷流体吸收的热量，KJ/s或KW； QL——单位时间内的热损失，KJ/s或KW。

2、热负荷的确定

当换热器保温性能良好，热损失可以忽略不计时，则

Q h=QC

（3-5）

此时，热负荷取Q h或QC均可。

当换热器的热损失不可以忽略时，热负荷是由Qh确定，还是由QC决定？因热负荷是需

要换热器传热面承担的传热量，所以，热负荷的大小，具体应视换热器内冷、热流体的走向而定。冷、热流体在换热器的走向有两种：热流体走管内；热流体走管外。

图3-4热负荷的确定

（a）热流体走管内：冷热流体通过器壁传递的热量为热流体放出的热量Q h，故热负荷应取Q h。

（b）热流体走管外：冷热二流体通过器壁传递的热量为冷流体吸收的热量QC，故热负荷应取QC。

总结：哪种流体走管程，就取该流体的传热量作为换热器的热负荷。 二、传热量的计算：

1、显热法：流体在换热过程中仅温度发生变化。

Qh = Wh Cph （T1-T2） Qc = Wc Cpc （t2-t1）

（3-6） （3-6a）

式中：Cph、Cpc——在定性温度下流体的比热，KJ/Kg.k

T、t ——冷、热流本进出口温度，K。

2、潜热法：流体在换热过程中发生相变。 Qh = Wh rh

Qc = Wc rc

（3-7）

（3-7a）

式中：Wh、Wc ——冷热流体的质量流量，kg/h

rh 、rc——冷热流体的汽化潜热，kJ/kg

2、 焓差法：

Qh = Wh（H1-H2） Qc = Wh（h2-h1）

（3-8） （3-8a）

式中：H、h——热、冷流体的焓值，kJ/kg

〈四〉 传热平均温度差

间壁两侧流体传热的平均温度差计算方法与换热器中两流体的温度变化及相对流动方向有关，而两流体的温度变化情况，可分为恒温传热和变温传热。 一、恒温传热时的平均温度差

换热器的间壁两侧流体均有相变化时，例如在蒸发器中，间壁的一侧，液体保持在恒定的沸腾温度t下蒸发，间壁的另一侧，加热用的饱和蒸气在一定的冷凝温度T下进行冷凝，属恒温传热，此时传热温度差不变，即：

Δtm=T-t

二、 变温传热时的平均温度差

变温传热时，两流体相对流动的方向不同，则对温度差的影响不同，分述如下。 1、逆流和并流时的平均温度差

在换热器中，冷、热两流体平行而同向流动，称为并流；两者平行而反向的流动，称为逆流。如图3-5所示。 平均温度差经推导得:

（3-9）

（3-13）

上式中的△tm称为对数平均温度差。在工程计算中，当?t1/?t2?2时，可以用算术

平均温度差代替对数平均温度差。

若换热器中两流体为并流流动，也可导出（3-13）式，故（3-13）式 是计算逆流和并流时的平均温度差△tm的通式。 逆流： 并流：

对于同样的进出口条件，?tm逆??tm并，并可以节省加热剂或冷却剂的用量，工业上一般采用逆流。 对于一侧温度有变化，另一侧恒温，?tm逆??tm并。

图3-5两侧流体变温传热过程的温差变化示意图

2、错流和折流时的平均温度差

在大多数的列管换热器中，两流体并非简单的逆流或并流，因为传热的好坏，除考虑温度差的大小外，还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流向，是比较复杂的折流，或是相互垂直的错流。

图4-7错流和折流示意图

图中，(a)图两流体的流向互相垂直，称为错流，(b)图一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流，称为简单折流。若两股流体均作折流，或既有折流又有错流，则称为复杂折流。

对于错流和折流时的平均温度差，可采用安德伍德(Underwood)和鲍曼(Bowman)提出的图算法。该法是先按纯逆流计算对数平均温度差△tm'，然后再根据实际流动情况乘以校正系数ε△t，即：

m'

（3-14）

校正系数ε△t与冷热两流体的温度变化有关，是R和P两参数的函数，即

P?t2?t1冷流体的温升 ?T1?t1两流体的最初温度差

R?T1?T2热流体的温降 ?t2?t1冷流体的温升校正系数ε△t可根据R和P两参数从图3-8中查得。

图3-8 对数平均温度差的校正系数图

〈五〉 热传导

一、傅立叶定律

1、傅立叶定律

傅立叶定律：热传导的速率和温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。 数学表达式： Q???Adt dx

2

（3-15）

式中 Q ── 热传导速率，W或J/s； A ── 等温表面的面积，m；

dt── 温度梯度，℃/m或K/m； ? ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。 dx负号表示热流方向与温度梯度的方向相反。

2、导热系数

由傅立叶定律得出导热系数的定义式： ???QdtAdx （3-16）

?的物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是表征物质导热能力的一个物性参数，?↑，导热越快。导热系数的大小与物质的组成、结构、温度和压强有关。

导热系数的大小顺序：?(金属固体)

> ?(非金属固体)

> ?(液体)

>?(气体)

。

-1

0

导热系数的大致范围： (金属固体10～10 W/(m·K)、 (建筑材料10～10 W/(m·K)、 (绝缘材料10～10 W/(m·K)、 (液体10 W/(m·K)、 (气体10～10 W/(m·K)

① 固体的导热系数

金属的导热系数：纯度增加，? 非金属的导热系数T↑ ?非金属

金属

-2

-1

-1

-2

-1

12

↑;?纯金属

>?合金

， T↑，?↑。

金属

↓

↑； ρ↑，?非金属

大多数固体：???0(1?at) 式中

?──固体在t℃时的导热系数；W/(m·℃)或W/(m·K)；

?0──固体在0℃时的导热系数；W/(m·℃)或W/(m·K)；

a ──温度系数，a金属 < 0， a 非金属> 0。 ② 液体的导热系数

非金属液体：?水最大；?金属液体：?纯液体

>?混合液体

金属液体↓。

金属液体较高，但

T↑时，?③ 气体的导热系数

气体T?，??。?随压强的变化较小，可以忽略不计。气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。 二、傅立叶定律的应用

1、平壁导热 ① 单层平壁导热

图3-9单层平壁导热示意图 图3-10三层平壁导热示意图

（3-17）

q?Q?t?t??' AbR （3-17a）

?式中 b ──平壁的厚度，m；

R?R'?b──导热热阻，℃/m； ?Ab?──单位传热面积上的导热热阻m·℃/w；

2

?t──导热推动力（温度差）℃。

② 多层平壁导热

以三层平壁为例：假设层与层之间接触良好（相互接触的两表面的温度相同）； 各表面的温度分别为：t1、t2、t3、t4 ， 且t1> t2> t3> t4；各层平壁的厚度分别为：b1、b2、b3；各层平壁的导热系数分别为：λ1、λ2、λ3；则稳态传热时，通过各层的导热速率相等，即Q1= Q2= Q3= Q；由于是平壁，各层壁面面积A相等。则：

即：Q??1A(t1?t4)

b1b2b3?? （3-18）

?2?3对n层：Q?A(t1?tn?1)A(t1?tn?!) （1-19） ?nbnb1b2bi???????????1?2?ni?1?i注意：（1）传热推动力要与阻力相对应。

（2）串联传热过程（各层热阻可视为串联关系）的总推动力（温度差）是各分过

程温度差之和；总的热阻为各分过程热阻之和。

（3）在定态多层平壁导热过程中，热阻大，对应的温度差就大；总温度差一定时，

Q的大小取决于总热阻的大小。

2、圆筒壁导热

① 单层圆筒壁导热

圆筒壁：指圆筒形容器、设备和管道。 圆筒壁的热传导与平壁热传导的区别如下： 平壁：A=常数

圆筒壁: A=f(r); t=Ф(r) r ——圆筒壁的半径，m； A——圆筒壁的导热面积。 经推导可得到单层圆筒壁的热传导速率方程式

图3-11单层圆筒壁导

热

Q?2????L(t1?t2)(t1?t2)?t??rr1Rln2ln2r12?L?r1

（3-20）

式中：R?r1ln2为圆筒壁导热热阻。 2?L?r1② 多层圆筒壁导热

以三层圆筒壁为例：假设各层间接触良好，各层的导热系数分别为λ

1

、λ

2

和λ3 。根

据串联过程的规律，可写出三层圆筒壁的热传导速率方程式为三层圆筒壁导热：

Q??t1??t2??t3t1?t4?

ln(r/r)ln(r/r)ln(r/r)R1?R2?R3324321??2?l?12?l?22?l?3 （3-21）

Q?2?l(t1?t4)

1r21r31r4ln?ln?ln?1r1?2r2?3r3 （3-21a）

注意 圆筒壁的热传导速率： Q1=Q2=Q3=??.=Qn

圆筒壁的热通量：q1≠q2≠q3≠??≠ qn (各层S不同)

〈六〉 对流传热

对流传热是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况相关。在对流传热的同时伴有流体间的导热现象，通常对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程。 一、对流传热分析

间壁两侧流体沿壁面呈湍流流动时，邻近壁面处总有一层作层（滞）流流动的流体薄层，称为层（滞）流内层。在层流内层和湍流主体之间有缓冲层。

湍流主体：在远离壁面的湍流主体中，流体质点剧烈运动，充分混合，热量传递主要以对流方式进行。质点相互混合传递热量，热阻较小，温度趋于一致。

缓冲层：热传导和热对流同时起作用，流体的温度发生缓慢的变化。

层流内层：流体质点仅有平行于壁面的流动，在传热方向上无质点的混合，热量传递主

图3-13对流传热温度分布

要以热传导方式进行。由于流体导热系数很小，滞流内层中导热热阻较大，该层内流

体有较大的温度差。

由以上分析可知：对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层。因此减薄层流内层的厚度、增加流体的湍动是强化对流传热的主要途径。

二、 对流传热基本方程――牛顿冷却定律

对流传热是指湍流主体与固体壁面（或反之）的传热过程，其传热过程比较复杂，传热机理也各不相同。工程上采用较简单的处理方法，将对流传热速率用牛顿冷却定律来表达。

Q??A?t??t 1?A

（3-22）

或 q???t??t 1 （3-22a）

?流体被加热时：流体被冷却时：

?t?tw?t ?t?T?Tw

Q——对流传热速率,W； A——对流传热面积；m; T——热流体的主体温度, ℃；;

Tw——与热流体相接触一侧的壁面温度, ℃; t——冷流体的主体温度，℃；

tw——与冷流体相接触一侧的壁面温度, ℃； α——平均对流传热系数，w/(m. ℃)

?t——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃；

2

2

1——对流传热热阻，K/W ?A热流体在换热器管内流动：Q??iAi(T?Tw) 冷流体在换热器管外流动：Q??oAo(t?tw)

2

（3-23）

（3-23a）

Ai 、 Ao——换热器的管内表面积和管外表面积，m； α

i 、

αo——换热器管内侧和外侧流体的对流传热系数，(w/m ℃)；

2

注意：对流传热膜系数一定要与传热面积及温度差相对应。 三、对流传热膜系数 定义式：??Q A?t物理意义：对流传热膜系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；

W/(m2??C)其值反映了对流传热的效果。α↑，对流传热速率越快。

注意：导热系数?是物性参数，对流传热系数α不是物性参数，它是受多种因素影响的一个物理量。

1、对流传热膜系数的影响因素

① 流体的种类和相变化的情况.：

流体的种类不同，其对流传热膜系数各不相同，流体有相变化时出现气泡，对内部流体产生扰动作用，导致对流传热膜系数比无相变时为大。

② 流体的物性

流体的导热系数、比热容、粘度、密度等物性对α的影响较大，其中μ?， α↓； （ρ、?、Cp）? ， α?。 ③ 流体的流动状态

滞流：流体在热流方向上无附加的脉动，其传热形式主要是流体滞流内层的导热，故α值较小。

湍流：Re?，滞流内层的厚度减薄,α?。 ④ 流体流动的原因

因流体流动的原因不同，对流传热分为自然对流传热和强制对流传热。

自然对流：由于流体内部存在温度差引起密度差，使流体内部质点产生移动和混合，由于流速较小，α值不大。

强制对流：在机械搅拌的外力作用下引起的流体流动。流速较小，α较大。故：αα

自然?

强制

?

⑤ 传热面的形状、位置和大小。

传热管、板、管束等不同的传热面形状；管子的排列方式；水平或垂直放置；管径、管长或管板的高度等都会影响流体在换热器附近壁面的流动状况，因此影响α值。对于一种类型的传热面常用一个对α有决定性影响的特征尺寸L来表示其大小。 2、提高对流传热系数的措施

① 无相变的对流传热：

增大流速和减少管径都能增大?，但以增大流速更有效。 此外，不断改变流体的流动方向，也能使?增大。

② 在管程，采用多程结构，可使流速成倍增加，流动方向不断改变，从而大大提高?；但当程数增加时，流动阻力也随之增大，故要全面衡量。

③ 在壳程，也可采用多程，即设置纵向隔板，但工程上一般不采用多程结构，而广泛地采用折流挡板。

④ 有相变的对流传热：对冷凝传热，除了及时排除冷凝液和不凝性气体外，还采取在管壁上开一些纵向沟槽或装金属网，以阻止液膜的形成；对沸腾传热，使表面粗糙化或加添加剂。

〈七〉 传热系数

总传热系数K在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。K是表示换热设备性能优劣的重要参数，是对换热设备进行计算和评价的依据。 一、传热系数的获取方法

在换热器的工艺计算中，系数K的来源主要有以下三个方面。

（一）现场测定

１、现场测定有关数据（如设备的尺寸、流体流量和进出口温度等）； ２、根据测定数据求得传热速率Ｑ、传热温度差△tm和传热面积Ｓ； ３、由传热基本方程计算K值。 （二）公式计算

一般以换热器管外表面为为基准：Q=KoAo△tm Ko?1

bdodo1???o?dm?idi（3-24）

注意:传热系数K与传热面积A对应。 ２、污垢热阻

换热器使用一段时间后，传热壁面往往积存一层污垢，对传热形成了附加热阻，称污垢热阻。污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构及运行时间等因素有关。对于一定的流体，增加流速，可以减少污垢在壁面的沉积，降低污垢热阻。由于污垢层的厚度及其导热系数难以准确测定，通常只能根据污垢热阻的经验值进行计算。污垢热阻的经验值可

查阅有关手册。

若：管壁内侧的污垢热阻为Rs.i 管壁外侧的污垢热阻为Rs.o

若换热器内外结垢，存在污垢热阻Rsi、Rso，则：

Ko?1

dobdodo1?Rsi???Rso?odi?dm?idi （3-25）

为了减少冷热流体壁面两侧的污垢热阻，换热器应定期清洗。 （三）选取经验值

下表列出了列管式换热器对于不同流体在不同的情况下的传热系数的大致范围

表4-2列管式换热器K值的大致范围 传热系数Ｋ

热流体

冷流体

/[W/（m.K）]

低沸点烃类蒸汽蒸

水

水

850～1700

汽冷凝(常压) 高沸点烃类蒸汽蒸

轻油 气体 水蒸气冷

水

凝 水蒸气冷

气体

凝

二、强化传热途径

由总传热速率方程：Q = KA?tm 知 ?tm?、K?、A?均可提高传热速率Q。 （一）尽可能增大传热平均温度差?tm

增大传热平均温度差，可提高换热器传热速率。具体措施如下： 1．当两侧流体变温传热时，尽量采用逆流操作。

2．提高加热剂T的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力）；降低冷却剂的进口温度。

30～300

水蒸气冷凝

重油沸腾

140～425

1420～4250

水蒸气冷凝

轻油沸腾

455～1020

水 水

340～910

汽冷凝(常压)

60～280

水蒸气冷凝

水沸腾

2000～4250

水

60～170

水

455～1140

2

传热系数Ｋ

热流体

冷流体

/[W/（m.K）]

2

（二）尽可能增大总传热面积

增大总传热面积，可提高换热器传热速率。具体措施如下： 1.直接接触传热可使传热面积A?，提高传热速率。

2.改进换热器的结构，采用高效新型换热器。各种高效新型换热器，结构紧凑，单位体积换热器的传热面积较大。 （三）尽可能增大传热系数K

增大传热系数，可提高换热器传热速率，以平壁传热为例：

K?1?o?Rsi?1b??1 （3-26）

?i?Rso提高传热系数K具体措施如下：

① 提高流体的对流传热膜系数α：若λ很大，而b很小，污垢热阻可忽略时则

K?11?o?1 （3-26a）

?i当αo》αi时， K≈αi 要使K↑就要使αi↑ 当αi》αo时， K≈αo 要使K↑就要使αo↑

结论：当两流体的?值相差较大时，设法提高?较小的那一侧流体的?值。

② 抑制污垢的生成或及时除垢：增加流速，改变流向，增大流体的湍动程度，以减少污垢的沉积；控制冷却水的出口温度，加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂量，减缓和防止R污的形成；及时清洗设备。

〈八〉换热器

换热器是化工、石油、食品、动力等许多部门的通用设备。由于生产中对换热器有不同的要求，故换热器的类型很多，设计和选用时可根据生产要求进行选择。 一、换热器的分类

（一）根据换热器的用途可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、分凝器和再沸器等。

（二）根据换热器的传热原理可分为：混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。 （三）根据换热器所用材料可分为：金属材料换热器、非金属材料换热器。

间壁式换热器应用较多，本节重点讨论此类换热器的类型、结构、特点和设计计算等。 二、间壁式换热器

根据换热面的型式，间壁式换热器主要有管式、板式和翅片式三种类型。

（一）管式换热器

1．列管式换热器（管壳式换热器）

列管式换热器是化工生产中应用最广泛，最典型的间壁式换热器，主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。管内流动的流体称管程流体。管外流动的流体称壳程流体。管束的壁面为传热面。

优点：单位体积设备所提供的传热面积大，传热效果好，结构简单，操作弹性大，可用多种材料制造，适用性较强，在大型装置中普遍采用。列管式换热器壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，其作用是提高壳程流体的流速，迫使流体按规定路径多次错流，防止流体短路，增加壳程流体的湍动程度。

折流挡板有圆缺形和圆盘形两种型式。

当冷热流体的温度差大于50℃时，必须考虑温差热应力对设备变形、管子弯曲、甚至毁坏换热器等情况的影响，应采取热补偿措施消除或减少热应力。根据热补偿的方法不同，列管式换热器主要有以下几种型式。

（1）固定管板式

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 具有补偿圈的固定管板式换热器如图所示。

1—挡板 2—补偿圈

图3-18具有补偿圈的固定管板式换热器

（2）U形管式换热器

U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是

洁净和不易结垢的物料。

U形管式换热器的结构型式如图所示。

1—U形管 2—壳程挡板 3—管程挡板

图3-19 U形管式换热器

（3）浮头式换热器

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。 浮头式换热器的结构型式如图所示。

图3-20 浮头式换热器

2．套管式换热器

结构：由直径不同的直管制成的同心套管，可根据换热要求，将n段套管用U形管连接，目的增加传热面积。冷热流体可以逆流或并流。

优点：结构简单，应用方便。能耐高压，传热系数较大。传热面积可根据需要增减，能保持完全逆流使对数平均温度差最大。

缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，管间接头较多，易泄漏，占地面积较多。 用途：适用于流量不大、所需传热面积不多而要求压强较高的场合。 套管式换热器的型式如图所示。

1—管程隔板 2—壳程隔板 3—浮头

图3-21套管式换热器

３、蛇管式换热器

（1）沉浸式蛇管换热器

结构：蛇管多以金属管弯制而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中，冷热两流体分别在蛇管内、外流动进行热交换。

优点：结构简单，造价低廉、能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。 缺点：传热面积小，蛇管外对流传热系数较小，检修和清洗不便。 为了提高传热系数，可在容器内按装搅拌器。蛇管换热器形状如图所示。

图3-22 蛇管的形状

（2）喷淋式换热器

结构：蛇管成行地固定在支架上，热流体在蛇管内流动，冷却水从最上面的淋水管喷淋下来，被冷却的流体自最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与喷淋而下的冷却水进行热交换。喷淋流下的冷却水可收集再进行重新分配。

优点：结构简单、造价低廉，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。 缺点：冷却水喷淋不易均匀影响传热效果。 用途：用于冷却或冷凝管内液体。

图3-23喷淋式换热器

４. 翅片式换热器

当两流体的对流传热系数相差很大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。当用水蒸气加热空气时，此传热过程的热阻主要由空气侧的对流传热热阻决定。故在空气侧加装翅片，增加了传热面积，强化了传热效果。

常见的几种翅片型式如图所示：

特点：管外安装翅片，增加了传热面积，提高了管外流体的湍动，增大了传热效果。 用途：广泛应用于空气冷却器上。 常见的几种翅片形式如图所示。

图3-24常见的几种翅片形式

（二）板式换热器

1．夹套式换热器

结构：夹套安装在容器外部，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质和冷却介质的通道。 特点：结构简单，加工方便，传热面积小，传热效率低，广泛用于反应釜的加热和冷却。

1一容器2一夹套 图3-25 夹套式换热器

2．螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是由两张间距一定的平行的薄金属板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。

优点：结构紧凑，总传热系数较高，不易结垢和堵塞，能利用温度较低的热源。 缺点：操作压强和温度不能太高，螺旋板维修困难，流体阻力较大。 螺旋板式换热器的结构型式如图所示。

图3-26螺旋板式换热器

3．平板式换热器

平板式换热器，主要由一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装在支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上各开一个圆孔，其中有一对圆孔和板面上的流通道相通，另外一对圆孔则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板上可被压制成多种形状的波纹，可增加刚性，提高湍动程度，增加传热面积，易于液体的均匀分布。

【操作步骤】

所须设备：套管式换热器实验装置、温度表、压力表、转子流量表等一套， 操作步骤： 1、检查准备

(1)开车前先检查装置上的压力表、温度表、流量表及各阀门是否齐备完好。 (2)检查前后工段联络信号是否完好。 2、开车

(1)开启电源送电； (2)开启冷水进水阀；

(3)徐徐开启蒸汽进口阀，排除设备不凝性气体及冷凝液；

(4)根据工艺要求调节冷流体的流量,加热蒸汽的设定压力为0.05MPa。 （5）每一流量下，待t1和t2稳定不变，读取原始数据。 3、停车

（1）数据记录完后，要先关蒸汽阀或其他热流体阀，再关冷水，并切断电源。 （2）停车后必须将换热器内残留的流体排出，以防冻结和腐蚀。 4、原始数据记录与处理表 序号 qvc / L.h 1 2 3 4 5 6 7 8

-1

t1 /℃

t2/℃

△Tm

K

5、安全操作要点

1、换热器的开车要特别注意冷、热流体的进入次序，一定要先通入冷流体，再缓慢的通入热流体，防止骤冷骤热有损换热器的使用寿命。

2、开、停换热器时，不应将蒸汽阀门和被加热介质阀门开的太猛，否则容易造成外壳与加热管伸缩不一，产生热应力，使局部焊缝开列或管子胀口松弛。

3、停车时，应先切断高温流体，后切断冷流体，并将壳程及管程流体排净，以防换热器锈蚀。

4、一定要等显示仪表稳定以后再读数。

七、考核要求

1.能按操作要点正确操作换热器。 2.能够熟练地进行数据处理与计算。 【相关知识】同上

练习题

1． 一红砖平面墙厚度为500mm，一面温度为200℃，另一面温度为30℃，红砖的导热系数为0.57W/(m.℃),则距离高温面墙内350mm处的温度为多少℃。

2． 某炉壁有下列三层材料组成：耐火砖?1=1.4 W/(m.℃),b1=230mm，保温砖?2=0.15

2

2

W/(m.℃),b2=115mm，?3=0.8 W/(m.℃),b3=230mm，

2

2

其内壁温度t1=900℃，外壁温度为t4=80℃，则单位面积的热损失为多少W/m。 3．有一根Φ219×6mm的无缝钢管，内外表面温度为300℃和295℃，导热系数为45 W/(m.℃),则每米长裸管的热损失为多少W？

4．上题中，若管外包一层厚度为200mm，导热系数为0.02W/(m.℃),的保温材料，则每米管长的热损失又为多少W？

5．用水将2000Kg/h的硝基苯由80℃冷却30℃，冷却水初温为20℃，终温为35℃，求冷却水用量。

6．在一套管换热器中，内管为Φ57×3.5mm的钢管，流量为2500Kg/h，平均比热容为 2.0KJ/（kg. ℃）的热流体在内管中从90℃冷却到50℃，环隙中冷水从20℃被加热到40℃，已知总传热系数为200 W/(m.℃)，求（1）冷却水用量，Kg/h；（2）并流流动时的平均温度差及所需的套管长度，m；（3）逆流流动时的平均温度差及所需的套管长度，m。 7．一传热面积为15 m的列管式换热器，壳程用110℃的饱和水蒸气将管程某溶液由20℃加热到80℃，溶液的处理量为2.5Kg/h，比热容为4KJ/（kg. ℃），求此操作条件下的传热系数。

22

2

2

2

8、在列管换热器中，用原油与热重油换热，原油初始温度为20℃，质量流率为1×4410kg/h,比热为2.2kJ/kg℃。重油从180℃冷却到120℃，质量流率为1.4×10kg/h,比热为

2

1.9kJ/kg℃,设在逆流或并流操作时的传热系数K均为200w/m℃,求并流与逆流操作的传热面积比。

9．某厂拟用100℃的饱和水蒸气将常压空气从20℃加热到80℃，空气流量为8000 Kg/h。现仓库中有一台单程列管换热器，内有Φ25×2.5mm的钢管300根，管长2m。若换热器的传热系数为55 W/(m.℃)，试计算该换热器能否满足工艺要求。

2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q4fg.html