热交换器_图文_百度文库

作者:澳门赌场  来源:澳门福彩  时间:2020-05-06 05:55  点击:

  化工基础 An Introduction to Chemical Industry and Engineering 讲授 姜华 1 §4-5 热交换器(Heat Exchanger) 教学目的: 了解几种工业上常用的热交换器, 掌握它们的构造及操作原理。 重 点: 列管式热交换器的构造及操作原理 课 型: 化工设备 教学方法: 讲述、图片演示 参考文献: 《化工原理》夏清、陈常贵主编 2 §4.5 热交换器(heat exchanger) 加热器、冷却器、冷凝器 按用途分类 蒸发器、再沸器 按热交换形式分类 混合式 蓄热式 间壁式 3 冷凝管 4 球形冷凝管 5 一、列管式热交换器 (1) 结构 6 Shell Tubes Stationary Tubesheet Shell-and-tube heat exchanger 单位容积有较大的换热面积(每m3有效容积的传热面 一般为60~80m2.m-3),是传热效率较高的热交换器。7 (2) 有关概念 a. 管程:流体在平行管束内的行程 b. 壳程:流体在壳体与管束间空隙处流动的 行程 c. 单管程:流体仅一次通过管束 d. 多管程:流体多次通过管束 8 单程列管式换热器 9 单壳程双管程换热器 10 (3) 挡板(折流板) 11 u壳, h 挡板(折流板)的作用 引导流体沿规定路径走 12 折流杆 折流杆平行排列 在同一平面上, 各组相互偏转90 度。 折流杆换热器管束示意图 优点:流动阻力小;流体湍流程度强烈。 13 (4) 热补偿装置 a. 补偿圈(膨胀节) Expansion Joint 14 b. 浮头 c. U形管式 15 (5) 翅片管 作用: 增大传热面积(表面积可为光滑管的2~9倍); 提高流体的湍流程度,从而提高传热膜系数。 NOTE:流经翅片一侧的应是传热膜系数小的流体。 16 (6)流体流经管内或管间的选择: 原则:对传热有利,减少腐蚀和污垢沉积, 减低压降及减轻设备质量,便于清洗等。 腐蚀性流体走管程。 混浊或易析出沉渣结垢的流体走管程,因管 内流体可获得较大流速。 流量小的或粘滞性流体走管程,因可获得较 大流速而有较高的传热膜系数。 17 压力高的流体宜在管内通过,有利于设备制造 和降低材料消耗。 液-液热交换时,温度高的液体走管程,可减 少热损失。 饱和水蒸气宜走壳程,易于排出冷凝液,同时 饱和水蒸气的传热膜系数高,让传热系数低的 走管内,因流速高而可以提高传热膜系数。 18 二、夹套式热交换器 19 载热体通道:夹套与容器壁之间形成的环形空间 载热体流向: 蒸汽:上 下 液体:下 上 结构简单,但传热面积较小。 夹套反应釜换热时,传热系数K比较低。 常用于制药、有机合成和食品工业中。 20 三、蛇管式热交换器 优点: 结构简单 能承受高压 缺点: 容器内液体湍流程度小 管外给热系数小 换热面积一般小于15m2.m-3。 21 为提高传热系数的强化措施:容器内加搅拌器 22 四、套管式换热器 特点: 传热系数大 t2 T1 对数平均推动力大 T2 (两种流体可为纯逆流) t1 结构简单、能承受高压 应用方便(可根据需要增减管段数目) 23 五、板式换热器 24 优点: 1、传热板薄,单位容积有很大的传热面(可达 250m2),并且外表面小,热损失小。 2、传热系数高;流体流动阻力并不大。 3、操作灵活性大。 4、金属消耗小,制造、检修、清洗均较方便。 25 六、螺旋板式热交换器 优点: 结构紧凑,有大的传热面积(50m2.m-3或更多) 流体允许有较高流速,有较高传热系数,约为列 管式的1~2倍,且污垢不易沉积。 缺点:要求加工质量高,检修和清洗较为困难。26 七、热 管 特点: 热量的传递经历了气化—冷凝过程,传 热膜系数都很大,管壁的温度也相当均匀。 27 热棒实验 28 思考题 1、比较不同类型换热器的优缺点。 2、如何选择换热器? 29 攻克青藏铁路冻土难关 ——通风管措施。在路基内横向埋设水平通风管,冬 季冷空气在管内对流,加强了路基填土的散热,有利 于降低基底地温,提高冻土的稳定性。 30 另一降温的方式是给路基表面盖上一层遮光板。“试想, 夏天的太阳光辐射在路基上,下面的冻土肯定会受不 了。”吴柏青说,就像夏天外出要戴太阳帽一样。 31 ——片石气冷措施。片石气冷路基是在路基垫层之上, 设置一定厚度和空隙度的片石层,因片石层上下界面间 存在温度梯度,引起片石层内空气的对流,热交换作用 以对流为主导,利用高原冻土区负积温量值大于正积温 量值的气候特点,加快了路基基底地层的散热,取得降 低地温、保护冻土的效果。 ——碎石(片石)护坡或护道措施。在路基一侧或两 侧堆填碎石或片石,形成护坡或护道。碎石(片石)护坡 空隙内的空气在一定温度梯度作用下产生对流,寒季碎 石(片石)内空气对流换热作用强烈,有利于地层散热; 暖季碎石(片石)内空气对流作用减弱,对热量的传入产 生屏蔽作用,减少了暖季的传热,达到了降低地温、保 护冻土的效果。 32 §4—6 辐射传热 辐射传热的机理 辐射传热过程是热物体以波的形式向四周散播辐射 能,辐射能遇到另一物体时,被全部或部分地吸收, 被吸收的辐射能重新转变成为热能。 辐射与传导或对流的差别: 辐射能的发生是由于物体的原子内部激动的结果,它 可以直接传播。任何绝对零度以上的物体均能辐射能 量(这也是遥感技术的根据),辐射的强度和波长与 物体的温度有关。热辐射的波长范围一般是0.8~40nm (可见光为0.4~0.8m,红外线 基本概念 射到物体表面的辐射能,一部分被反射,一部分被 吸收,其余部分则透过,它们在总辐射能中的分数 分别称为反射率、吸收率和透过率。 单原子和对称双原子气体(如N2、O2、H2)能让 全部辐射能透过,称为透热体。 一氧化碳以及三原子以上包括碳氢化合物的气体,则 吸收某些波长范围的辐射能,而让某些波长范围的透 过,它们称为半透体。 34 能完全吸收辐射能的称为黑体或绝对黑体。 能完全反射辐射能的物体称为镜体或绝对白体。 实际物体只能部分吸收辐射能,通称为灰体。 NOTE: 物料表面越粗糙,则对辐射能的吸收率越高。 颜色与吸收率没有直接关系,许多浅色物体的吸收率 也很高。 35 克希霍夫(Kirchhoff)定律 包括黑体的任何物体的发射率(反映其辐射能力) 与吸收率之比恒为一个常数。 该温度下物体的吸收率越大,发射率也越大。 物体的发射率与黑体发射率之比称为物体的黑度。 由于黑体有最大的发射率,物体黑度越大其发射率就越强。 36 & 物体的辐射能量分布在所 有的 波长范围,其分布关系随温度的 改变而改变。 & 各温度曲线下的面积,表示单位 时间、单位面积的物体反射的总辐 射能量,称为物体的辐射能力E。 & 随温度的提高,辐射能力急剧增大。 37 斯忒藩—波耳兹曼( Stefan-Boltzmann)定律 & 黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比: E0 0 (T 100 ) 4 0 ——黑体的辐射系数(也称为Stefan-Boltzmann常 量),其值为5.67,单位W.m-2.K-4。 & 实际物体的辐射能力较黑体低 E 0 ( T )4 100 ( T )4 100 38 & 图中各温度曲线下方各波长的纵 轴距离称为辐射强度I。 &各温度有一最高辐射强度。随温度 的提高,最高辐射强度急剧增大,并 往波长短的方向移动,即属于可见光 波长范围的辐射能在总辐射能中的比 重增加大。 & 500℃以下,物体的辐射能几乎 全部是红外部分,500℃以上,辐射 的波长向可见光转移,物体开始呈现红色,而到1250 ~ 1500℃时,辐射强度增大,可见光波长范围的辐射增长更 多,物体呈亮白色光泽。 39 温度与色泽的关系 炉塘或物料色泽 温度/℃ 本身颜色 开始转色 暗褐 赤褐 。 325以下 325~520 520~580 580~650 。 。 。 。 。 亮 红 830~880 炉塘或物料色泽 黄红 橘红 。 。 。 。 白 亮白 温度/℃ 880~950 950~1000 。 。 。 。 1350~1450 1450~1600 40 远红外技术 远红外加热是利用物料吸收远红外辐射器发出的远红 外线 m ),转变为热 能而将物料加热或干燥。 特别适用于有机物、高分子材料以及含水物料的加热, 因为这些物料在远红外区有很宽的吸收带(水的远红外 吸收波峰为2.7 m ),在受到照射时容易吸收远红外线, 吸收后分子发生剧烈的震荡,使之迅速升温. 41 三种传热方式的概括比较 传导和对流传热时的传热速率直接与温度差成正比。 辐射传热时的传热速率则与温度的四次方之差成正比。 传热过程中,传导、对流和辐射往往同时发生。高温 (如500℃以上)时辐射传递的热量在总传热量中会 占较大的比重;较低温度(如300℃以下)对流传热 占显著地位。 传导主要发生在固体物料间。对流传热发生在流体之中。 传导、对流、辐射传热的传热速率都与传热面积直接成 正比。 ? 在套管换热器中用水逆流冷却热油,水由 285K加热到310K,油由420K冷却到370K, 设油和水的流量、物性和进口温度不变, 若要求油的出口温度降到360K,问换热 面积应比原来增加多少(%)? 43 ? 在套管式换热器中用水冷却热油(逆流 换热),油由420K冷却到370K,水由 285K加热到310K。设油和水的物性、进 口温度和换热面积均不变,水的流量增 加0.2倍,油的流量不变,求水和油的出 口温度。 44 ? 有一套管换器,内管为192mm,管长 为2m,管隙的油与管内的水流向相反。 油的流量为270kg·h-1,进口温度为 100℃,水的流量为360kg·h-1,进口温度为 10℃。若忽略热损失,总传热系数K = 374 W·m-2·K-1,油的比热Cp,h = 1.88kJ·kg-1·K-1,试求油和水的出口温 度分别为多少?(水的比热Cp,c = 4.18kJ·kg-1·K-1) 45 ? 根据传热机理的不同,热的传递有__________、 __________和__________三种基本方式,流动的流体 向器壁的传热主要靠___________。 ? 6、根据总传热方程,强化传热过程,提高传热速率, 可以采取______________、______________和 _______________三方面措施。 ? 、大多数金属的导热系数随温度的升高而降 低。 …………………( ) ? 8、过热蒸汽的给热系数远远小于饱和蒸汽的给热系 数。 …………………( ) ? 9、相同条件下,逆流比并流有更大的平均温度差,因 此生产中从来不采用并流换热的方式。 46 ? 什么是稳态传热?什么是稳态的恒温传 热和稳态的变温传热? ? 金属的导热系数随温度的升高而 ________;液体的导热系数随温度的升 高而_______(水和甘油除外);气体 的导热系数随温度提高而________,随 压强的增大而________。 47 ............. 48 ? 膜状沸腾的给热系数比泡核沸腾的给热系数 ______,膜状冷凝的给热系数比滴状冷凝的 给热系数______。 ? 强化传热过程的途径有_______________ 、 ______________ 、 _____________。 ? 在列管式热交换器的设计中补偿热膨胀的措 施有_____________、____________、 ____________。 49 ? 传热有哪几种方式?它们的传热机理 分别是什么? ? 3、什么是稳态流动?什么是稳态传热? ? 什么是连续定态恒温传热,什么是连 续定态变温传热,这两种情况传热平 均温差应如何计算? ? 并流与逆流传热各有什么特点? 50

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