1、1基本介紹基本介紹n傳熱在化工生產中占據重要的位置傳熱在化工生產中占據重要的位置,設備投設備投資就占全部設備投資的資就占全部設備投資的30%-40%n熱量傳遞是自然界最普遍的現象。凡有溫熱量傳遞是自然界最普遍的現象。凡有溫差存在的地方，熱量總是自發地由高溫向差存在的地方，熱量總是自發地由高溫向低溫傳遞。低溫傳遞。n傳熱傳熱即是我即是我們們平常所平常所說說的的熱傳遞, ,由于由于溫溫度度差而造成能量由高差而造成能量由高溫區溫區向低向低溫區溫區的的轉轉移移. .n傳熱傳熱是化工生是化工生產產中使用的非常普遍的中使用的非常普遍的單單元元操作。加操作。加熱熱和冷卻都和冷卻都屬屬于于傳熱傳熱傳熱基本理論

2、概念 n傳熱:從化工角度講，是傳熱過程，即由于存在溫度差而發生熱傳遞的化工過程。n熱現象:物質運動的一種表現,物體內部大量分子做無規則運動的宏觀表現n物體的內能物體內部所有分子做無規則運動的動能和分子勢能的總和。內能是不同于機械能的一種能量,可以與機械能,電能等其他形式能量相互轉化.n溫度越高,內能越大,人們通常把內能稱為熱能.n溫度:表示物體冷熱程度的物理量n熱量:在熱傳遞過程中,高溫物體放熱,溫度降低,內能減少,低溫物體吸熱,溫度升高,內能增加,這部分增加或者減少的內能就是熱量.熱量指的是熱傳遞過程中傳遞能量的多少.熱量是與過程有聯系的量,有傳熱過程才有熱量n比熱容:單位質量的某種物質溫度

3、升高或降低1K時所吸收或者放出的熱量,叫做這種物質的比容熱,用符號Cp表示.n如水的比熱容為4.18kJ/Kg.K.則表示1千克的水當其溫度升高1K時,需要吸收的熱量是4.18千焦耳.熱量的基本計算公式（無相變）Q=Cpm（T高-T低）Q：不發生相變時，物體吸收或者放出的熱量,單位：kJCp：物體的比熱容，單位：kJ/Kg.Km：物體的質量，單位：kgT高，T低：熱傳遞過程先后物體的溫度差單位：K8熱量的基本計算公式（有相變）Q=mHQ：發生相變時，介質吸收或者放出的熱量,單位：kJH：相變介質的潛熱，也叫做焓差，單位：kJ/Kg.Km：物體的質量，單位：kgn顯熱:物質在沒有發生相變的情況下

4、溫度變化時所吸收或放出的熱量.例如,將一壺冷水加熱,隨著時間的推移,水吸收熱量,溫度升高,在水沒有燒開之前,水的相態沒有變,它所吸收的熱量稱為顯熱n潛熱:在溫度壓力不變時物質相變所吸收或放出的熱量.例如:1個大氣壓下，當373K(100 )時水達到沸騰,雖繼續加熱,水溫仍保持不變,這時,所提供的熱量都被用于水變成蒸汽的相變,此時水吸收的熱量就是潛熱.潛熱的具體表現形式有汽化潛熱或冷凝潛熱熱流體與冷流體 參與傳熱的流體稱為載熱體參與傳熱的流體稱為載熱體,溫度較高在傳溫度較高在傳熱過程中失去熱量的流體熱過程中失去熱量的流體,稱為稱為熱流體熱流體,溫度溫度較低并在過程中得到熱量的流體稱為較低并在過程

5、中得到熱量的流體稱為冷流冷流體體 傳熱過程通常是在兩種流體間進行的傳熱過程通常是在兩種流體間進行的12計算n某廠房面積35000m2需要供暖,按照相關規范，廠房供暖標準為60W/m2,一次網供水溫度130 ，回水70 ，二次網回水溫度55 ，出水溫度65 。水的比熱均按照4.18kJ/kg ,試計算： 供暖熱負荷多少千瓦？ 所需一次側水量、二次側水量多少噸/小時？傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 一、一、熱傳導熱傳導 熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導，又稱導熱。 特點特點：沒有物質的宏觀位移T1T2物質的導熱性能和導熱系數n把剛開的

6、水倒進鋁飯盒,因其燙手而不能直接去端,如果是把開水倒進瓷碗,因其不燙手而可以直接端,這種現象說明鋁比瓷的導熱性能好n導熱性能強的物質叫熱的良導體熱的良導體,導熱性能弱的物質叫熱的不良導體熱的不良導體,物質導熱性能的好壞用導熱系數導熱系數表示.導熱系數越大,表明物質的導熱能力越強n每一種物質都有其對應的導熱系數n固體的導熱系數雖溫度的的導熱系數雖溫度的升高而升高n一般金屬的導熱系數最大一般金屬的導熱系數最大,固體非金屬次之固體非金屬次之,液液體較小體較小,氣體的導熱系數最小氣體的導熱系數最小n化工廠在選用設備材料時化工廠在選用設備材料時,就要參考各物質的就要參考各物質的導熱系數導熱系數,在需要傳

7、熱的地方在需要傳熱的地方,如鍋爐的水管如鍋爐的水管,換換熱器的換熱管熱器的換熱管,用傳熱系數大的材料用傳熱系數大的材料,而需要阻而需要阻止傳熱的場合如設備管路的保溫層止傳熱的場合如設備管路的保溫層,則用導熱則用導熱系數小的材料系數小的材料16常見物質的導熱系數金屬銅金屬銅384W/ C m金屬鈦金屬鈦9W/ C m不銹鋼不銹鋼4W/ C m水水 0.58W/ C m木材木材 0.116W/ C m無機鹽無機鹽0.10.3W/ C m 二、二、對流傳熱對流傳熱流體內部質點發生相對位移的熱量傳遞過程。用水壺燒水，雖然爐火只加熱壺的底部，但是最后全壺水都被燒開，這是因為靠近壺底的水先得到熱量，溫度升

8、高，受熱膨脹，密度減小，就向上流動，而壺上部水溫較低，密度較大，自動下降，由于水的上下循環流動，將熱量從流體的一部分傳到另一部分，這種現象就對流傳熱。對流傳熱。n對流傳熱分為對流傳熱分為自然對流和強制對流自然對流和強制對流n自然對流自然對流是由于流體各處溫度不同引起密度差是由于流體各處溫度不同引起密度差別而引起的對流，像前面講的水壺燒水的過程，別而引起的對流，像前面講的水壺燒水的過程，以及大氣因下層受熱而產生的上下循環流動都以及大氣因下層受熱而產生的上下循環流動都是自然對流是自然對流n強制對流強制對流是由于受到外力的作用而產生的對流，是由于受到外力的作用而產生的對流，像用泵把流體送到換熱器，用

9、攪拌使反應釜內像用泵把流體送到換熱器，用攪拌使反應釜內液體產生的對流液體產生的對流n工業上由于強制對流能夠取得好的傳熱效果。工業上由于強制對流能夠取得好的傳熱效果。因此多采用強制對流因此多采用強制對流n對流傳熱在生產中應用相當廣泛，例如：對流傳熱在生產中應用相當廣泛，例如：氣流干燥器，噴霧干燥器，廂式干燥器，氣流干燥器，噴霧干燥器，廂式干燥器，都是以對流為主的干燥器，鍋爐水暖系都是以對流為主的干燥器，鍋爐水暖系統主要利用對流原理將熱量從鍋爐傳遞統主要利用對流原理將熱量從鍋爐傳遞到散熱器，換熱器則充分運用對流原理到散熱器，換熱器則充分運用對流原理實現熱交換實現熱交換20層流流動與湍流流動流體在流

10、道內的流動分為層流流流體在流道內的流動分為層流流動、過渡流動和湍流流動三種狀動、過渡流動和湍流流動三種狀態。態。自然對流通常是層流流動或過渡自然對流通常是層流流動或過渡流動，強制對流通常是湍流流動。流動，強制對流通常是湍流流動。湍流流動是最強烈的流動方式，湍流流動是最強烈的流動方式，最有利于傳熱，因此任何換熱器最有利于傳熱，因此任何換熱器的設計都希望流體在其中是充分的設計都希望流體在其中是充分發展的湍流流動。發展的湍流流動。板式換熱器由交錯波紋板片構成板式換熱器由交錯波紋板片構成的復雜流道，使得流體在較小的的復雜流道，使得流體在較小的流速下既可以進入湍流狀態，因流速下既可以進入湍流狀態，因此可

11、以強化傳熱，得到更高的傳此可以強化傳熱，得到更高的傳熱效率。熱效率。層流流動層流流動湍流流動湍流流動n三、熱輻射n借助電磁波以發射和吸收輻射線的形式進行的熱傳遞，稱為輻射傳熱或熱輻射。 n特點：1能量轉移、能量形式的轉化n 2電磁波是熱量傳遞的媒介 n 3輻射傳熱不是單方面的能量傳遞，而是物體間電磁波的相互交換的結果n直接混合式n蓄熱式n間壁式n直接接觸式是把冷，熱流體直接接觸，在混合過程中傳熱，像涼水塔，噴灑式冷卻塔，混合式冷凝器n結構簡單，傳熱效果好，但是只適用于兩股流體可以直接接觸的場合，適用范圍小 二、蓄熱式二、蓄熱式優點：結構較簡單耐高溫缺點：設備體積大有一定程度的混合低溫流體高溫流

12、體間壁式換熱n冷熱兩種流體被固體壁面隔開，傳熱時，熱量從高溫流體傳給壁面，壁面再傳給冷流體n這種方法適用于冷，熱兩種流體不允許直接接觸的場合，在絕大多數情況下，冷熱兩種流體都不允許直接接觸，因此間壁式換熱是應用最廣泛的換熱方法熱側流體熱側流體冷側流體冷側流體 間壁式間壁式 傳熱面為內管壁的表面積 套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T2列管換熱器傳熱面為殼內所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流體t1t228板式換熱器傳熱面為一組金屬薄板板式換熱器與管殼式換熱器的比較板式換熱器與管殼式換熱器的比較 板式換熱器傳熱系數更高，占地更小 板式換熱器耗用金屬材料更少，特別是采用昂貴的合金或者貴金屬時，板

13、 式換熱器更經濟 板式換熱器可以實現溫度交叉 板式換熱器可以達到1度傳熱對數溫差 根據需要板式換熱器可以通過增減板片調整換熱面積 板式換熱器可以拆卸機械清洗全部換熱表面熱負荷熱負荷Q：工藝上要求換熱器具有的換熱能力，同種流體需要升溫或溫降時，吸收或放出的熱量，單位 J/s或W。傳熱速率傳熱速率Q：換熱器本身具有的換熱能力，單位時間內通過換熱器的整個傳熱面傳遞的熱量，單位 J/s或W。2 2、 間壁式換熱器的傳熱過程間壁式換熱器的傳熱過程一、基本概念一、基本概念冷流體壁右側壁右側壁左側壁左側熱流體對流熱傳導對流)()()(321)3()2() 1 (QQQ 2 2、冷熱流體通過間壁的傳熱過程、冷

14、熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體3.傳熱過程的基本計算傳熱過程的熱量衡算 輸入的能量=輸出的能量+能量損失 Q進=Q出+Q損 Q熱=Q冷+Q損 在工程傳熱過程設計計算中，板式換熱器的熱量損失非常小，通常忽略不計！式中 K總傳熱系數，W/(m2)或W/(m2K)； Q傳熱速率，W或J/s； A總傳熱面積，m2； tm兩流體的平均溫差，或K。 總熱阻總傳熱推動力KAttKAQ/1mm傳熱速率：換熱器在單位時間內所交換的熱量，是設備特性，反映的是換熱器本身具有的換熱能力總傳熱速率方程如下：強化傳熱的途徑n從傳熱速率方程式可以看出，提高傳熱系數，從傳熱速率方程式可以看

15、出，提高傳熱系數，傳熱面積，傳熱平均溫差中的任何一項都可以傳熱面積，傳熱平均溫差中的任何一項都可以提高傳熱速率提高傳熱速率 1 1）增大傳熱面積）增大傳熱面積 2 2）增大傳熱平均溫差，在條件允許的情）增大傳熱平均溫差，在條件允許的情況下，盡量的提高熱流體的溫度，降低冷流體況下，盡量的提高熱流體的溫度，降低冷流體的溫度，當冷熱流體的進出口溫度一定時，采的溫度，當冷熱流體的進出口溫度一定時，采用逆流操作可以獲得較大的平均溫度差用逆流操作可以獲得較大的平均溫度差 3 3）增大傳熱系數）增大傳熱系數K K，提高兩流體的給熱系，提高兩流體的給熱系數，加大湍動程度，增加管程或殼程數，加裝數，加大湍動程度

16、，增加管程或殼程數，加裝折流擋板，增加攪拌，改變流體流向，防止結折流擋板，增加攪拌，改變流體流向，防止結垢并及時的清除污垢層垢并及時的清除污垢層。削弱傳熱n只要設備與環境存在溫度差，就會有熱損失，溫差越大，熱損失越大，因此必須設法降低設備與環境之間的傳熱速率，即削弱傳熱，具體方法是在設備或者管道的表面敷以導熱系數小的材料，以增加傳熱熱阻，達到降低傳熱速率，削弱傳熱的目的n應用：設備保溫并流與逆流傳熱n并流傳熱：在換熱過程中，兩種流體在換熱器壁兩面平行同向流動，在冷熱側溫度差推動下，將熱量從熱側傳遞到冷側。n逆流傳熱：在換熱過程中，兩種流體在換熱器壁兩面平行逆向流動，在冷熱側溫度差推動下，將熱量

17、從熱側傳遞到冷側。傳熱平均溫差的計算 -對數平均溫差n變溫傳熱：在換熱過程中，冷熱兩流體或其中一種流體沿壁面任何位置的溫度在不斷的變化n根據流體在換熱器內的流動方向不同，變溫傳熱平均溫差的計算方法不同39n假設一臺單流程逆流換熱板式換熱器，熱側進口溫度T1出口溫度T2,冷側進口溫度t1出口溫度t2n傳熱平均溫差（即對數平均溫差）的計算公式：)/()ln()()()/ln(12211221CHCHtTtTtTtTttttLMTDn注意：當T1 -t2= T2 t1時， LMTD= T1 -t2= T2 t140n計算： 某換熱站板式換熱器，一次側進水溫度130 C ，出水溫度70 C ，二次側進

18、水溫度55 C，出水溫度65 C。該換熱器的傳熱對數溫差是多少？ 某大樓中央空調板式換熱器，冷側進水溫度7 C ，出水溫度12 C ，熱側進水溫度13 C，出水溫度8 C。該換熱器的傳熱對數溫差是多少？傳熱系數n傳熱系數的影響因素 冷、熱測流體湍動程度 傳熱膜系數 流體物性 粘度、導熱系數、比熱容 換熱表面熱阻 污垢系數 金屬壁熱阻 金屬導熱系數 金屬壁厚度42換熱器傳熱系數計算公式CHcHffRRK111n符號說明：K- 總傳熱系數H-熱側傳熱膜系數C-熱側傳熱膜系數 金屬壁厚度 金屬導熱系數RfH-熱側壁面污垢系數RfC-冷側壁面污垢系數43管內流動與邊界層n邊界層厚度，取決于流體湍動程度

19、；流體湍動程度與流道形式、流體流速密切相關。流速越高，流道越不平整，流體湍動程度越高，邊界層越薄。n與此同時，流體湍動程度越高，經過一定長度/寬度流道的阻力降越大！44傳熱膜系數n流體對流傳熱的關鍵因素，在于邊界層厚度；邊界層越厚，傳熱越困難-傳熱膜系數降低。45污垢系數n換熱表面的污垢，包括無機鹽沉積、有機物集聚等。由于無機鹽、有機物的導熱性能遠小于金屬，導致很薄的污垢層會產生很大的傳熱阻力，衡量污垢層傳熱阻力的方法之一是污垢系數。n由于污垢的形成、累積與多種因素有關，很難準確量化理論計算，通常以經驗系數方式提出，常見的污垢系數數值是依據光滑管列管式換熱器數據。n在同樣流道內平均流速下板式換

20、熱器湍動程度遠高于列管式換熱器，通常用的污垢系數經驗值不適用于板式換熱器。n板式換熱器通常在設計中以一定的設計余量來涵蓋污垢系數影響，保證用戶安全使用。46污垢系數對傳熱系數的影響n某水-水換熱工況，冷、熱側傳熱膜系數均為9000W/m2K，金屬壁熱阻不考慮。用戶考慮長期使用可能的污垢影響，要求換熱器有足夠的設計余量。 計算方法一，采用列管式換熱器污垢系數：0.0004m2K/W 計算方法二，采用板式換熱器設計余量：20%47污垢系數對傳熱系數的影響n無污垢換熱器傳熱系數：K=4500W/m2Kn方法一結果：實際傳熱系數K=1607.14n方法二結果：實際傳熱系數K=3750等效污垢系數Rf=

21、0.000044無污垢無污垢管殼式管殼式板式板式備注備注1 19000900090009000900090002 2900090009000900090009000RfRf0.00040.00040.00000.000044 44 等效等效值值K K450045001607.11607.14 43750375048傳熱系數與阻力降n流體在換熱器流道內流動，必然產生沿程阻力損失-有效阻力降。n流體在進入/流出換熱器時，因為流動方向轉變、流道截面積變化等原因，也會產生阻力降-無效阻力降。n通常流體流動阻力降與流速的平方成正比n對流傳熱換熱器的傳熱膜系數，通常與流體流速的0.60.8次方成正比49優

22、化設計選型板式換熱器n隨著換熱器內流速的增加， 傳熱膜系數開始增加很快，之后增加速度減慢。 流動阻力降開始增加較慢，隨后增加速度越來越快50優化設計選型板式換熱器n換熱器的優化設計是在流動阻力和傳熱系數之間權衡 每個型號的板式換熱器都有其最佳工作區域 通常這個區域是在換熱器壓力降0.050.1MPa之間51怎樣優化設計選型板式換熱器怎樣優化設計選型板式換熱器n滿足用戶工藝條件n和用戶協商討論優化工藝條件n在可能情況下，讓用戶工藝條件盡可能在我們的產品最佳工作區域n設計基本原則 滿足傳熱要求 滿足許可壓力降要求 滿足設計壓力、設計溫度要求 滿足耐腐蝕、可靠運行要求 合理確定設計余量 在可用的產品

23、中選擇性價比最高的型號 其他用戶要求怎樣優化設計選型板式換熱器n滿足用戶工藝條件n和用戶協商討論優化工藝條件n在可能情況下，讓用戶工藝條件盡可能在我們的產品最佳工作區域n設計基本原則 滿足傳熱要求 滿足許可壓力降要求 滿足設計壓力、設計溫度要求 滿足耐腐蝕、可靠運行要求 合理確定設計余量 在可用的產品中選擇性價比最高的型號 其他用戶要求52怎樣優化設計選型板式換熱器n深入優化 了解用戶工藝，協助用戶確定真實可靠工藝條件 根據實際工藝條件設計選型 多臺并聯換熱器之間的壓力降匹配問題n應對用戶不合理的技術要求 過高的設計壓力、設計溫度要求 不恰當的指定材料、結構形式 夸大的污垢系數及熱負荷 理論數

24、據與實際運行數據的差異 供暖：一次水溫130 C ，實際運行中，往往在110 C左右，必須有適當的設計余量甚至單獨校核計算，以保證運行要求。53怎樣優化設計選型板式換熱器怎樣優化設計選型板式換熱器n在許可條件下，適當調整用戶工藝條件 熱側溫度過高，超過板片熱側溫度過高，超過板片/墊片承受范圍墊片承受范圍 工藝條件許可情況下，降低熱側流體溫度 蒸汽減溫器 增加中間換熱器，將熱介質溫度降到板片/墊片可承受范圍 高溫蒸汽加熱硫酸銅電解液，0.6MPa蒸汽（飽和溫度159 C） ，9含10%游離硫酸的硫酸銅電解液從30 C加熱到60 C。換熱器壁溫達到125 C以上，沒有一種金屬材料可以承受。增加一臺中間換熱器，316板片+EPDM墊片，高溫蒸汽