目 录 第1章传热计算 管板与壳体的连接结构 35管箱与管板的连接…………………10-22 传热的一般表达式………… 10=1 36折流板与支持 2有效平均温度差的计算 10=1 3.7防短路绪构 3传热面积的计算………… 0=1 38防冲板与导流筒 …10-27 传热系数 3.9影胀节…… 5对流传热系数a的求算… 4管壳式换热器总传热系数的推荐值 6壁温的计算 7热损失的计算 41管壳式换热器用作冷却器…………10-29 42管壳式换热器用作冷凝器………10-30 第2章换热器的分类 43管壳式换热器用作换热器…………10-31 1按作用原理或传热方式分类……10-7 4.4管壳式换热器用作加热器…………10-31 间壁式换热器 10-74·5.管壳式换热器用作蒸发 10-31 2混合式换热器…… …10-75管壳式换热器标准化系列化………10-31 3蓄热式换热器 10→7 51固定管板管壳式换热器 10-31 2按传热面形状和结构分类 10-8 52浮头式换热器 10-42 3按工艺功能分类… 10-8 53U形管换热器……………………10-42 5。4立式热虹吸式重沸器…10-42 第3章管亮式换热器 1管壳式换热器的形式及结构 10-10 第4章其他换热罾 11固定管板式换热器… ¨¨¨10-101蛇管式换热器………………………10-42 12浮头式换热器…10-11 11沉浸式蛇管换热器 10=42 13填料函式换热器…………………10-11 12喷淋式蛇管换热器 10-43 14U形管式换热器 10-12 13蛇管换热器总传热系数K的推荐值 1·5薄管板换热器… 10-13 1043 2工艺条件的确定 10-132套管式换热器 2.1温度 10-13 3夹套式换热器 10=44 流程的选择 23流速的选择 4螺旋板式换热器 …10-14 2.4流体阻力的计算…… 5板式换热器 3管壳式换热器构件……………10-15 翅片管式换热器 10=53 3.1换热 …10-157石墨换热器 3.2管 10-16参考文献 10-54 3.3管板与换热管的连接 10-19
11 第l章传热计算 热的传递有三种基本方式,即传导、对流和辐 射。在实际生产中,传热过程往往有几种基本方式 有效平均温度的计算 闻时出现,这就使得实际的换热过程很复杂。 在单纯逆流或并流换热器中,流体的温度变化 化工生产中最常见的间壁换热就同时并存着对如图10-1-2所示。其中,(a)为用饱和蒸汽加热 流、传导和辐射三种方式,但辐射的影响一般可忽无相变化的流体,即冷凝器的操作情况;(b)为 略。图10-1-1中,若管壁的一侧为热流体,温度为显热加热流体使之沸腾的情况,即蒸发器、再沸器 T,另一侧为冷流体,温度为t,由于存在温度差的操作情况,(c)为两流体均无相变化的并流 Δt=T-t,热量由热流体传给管壁,再由管壁传(d)为两流体均无相变化的逆流。上述四种情况 给冷流体。热流体把热量传递给固体管壁,或由固的有效平均温度差由其对数平均值求得。 体管壁将热量传递给冷流体的过程,均称给热过程。 △tn=-21-△ 这一过程既有对流,又有传导。热量由管壁的一侧 (10-1=2) 传递给号一侧,则是固体内部的传导 当Δt1/△t≤2时,用算术平均值代替对数 平均值,误差在4%之内。 在换热器中,除了单纯的逆流或并流之外,还 有其他流向。计算其他流向的△t=值,仍应用式 (10-1-2),不过需乘以温度校正系数q(q≤ 热流体 1)。有关卯的求取,参见其他资料。 图10-1-1流体通过间壁的热交换 本章主要介绍流体通过间壁的传热计算。 传热的一般表达式 在稳定状态下,当传热系数随温度变化不大 时,传热速率式为 Q=KA△t 10-1-1) 式中Q—单位时间内的传热量;W K一总传热系数,W/(m3·K) A—传热面积,m2 图1-1-2换热器中二流体的温度分布 △tm有效平均温度差,K。 3传热面积的计算 在工业生产过程中,大部分情况可以认为是稳 定传热。在少数情况下,传热系数随温度变化较大 圆筒壁(A3/A1<2)的平均传热面积可按下 时,若采用上式计算,误差较大,可参晃其他资料式计算 算 A=·(A1+d3)2 101-3)
0-2第10篇换热器 式中Am—平均传热面积,m2 有污垢积存的缘故。因此,计算K值时,污垢热阻 A1—以圆筒壁内径为基准的传热面积, 一般不可忽略。污垢层的厚度及导热系数不易估 计,通常以经验估定的污垢热阻作为计算的依据。 A2—以圆筒蜜外径为基准的传热面积, 若管壁外侧与内侧的污垢热阻分别用RB1与R8表 示,由于污垢层一般很薄,因而以外表面积为基准 当圆筒壁A3/A1>2时 时,传热系数用下式表示 A=(A1-A1)/In 10-1-4) 对于球壳壁 +R3+ (10-1-10 式中Ra1、RB2—管壁内侧、外侧的污垢热阻, 4传热系敛 m·K/W 对于稳定的传热过程,当传热面为平璧时,传 常见流体在传热表面形成的污垢热阻,其大致 热面积相等,总传热系数K可用下式计算 数值范围列于表10-1-2。为避免污垢热阻增大到使 传热速率严重下降,换热器要根据具体工作条件 1 (10-1-6)定期清洗。 工业换热器中总传热系数的经验值将在本篇第 式中 壁面一侧的对流传热系数 8章及第4章中分别列出 W/(mK)s a2—壁面另一侧的对流传热系数, 5对流传热系数a的求算 w/(mK) 对流传热是流体在外界因素作用下,在一定几 b—壁厚,m 1—壁材料的导热系数,W/(mK) 何形状、尺寸的设备中流动时,发生热流体到壁面 或壁面到冷流体的热量传递。影响对流传热系数的 些常用材料的导热系效列于表10-1-1 当传热面为圆筒擅时,两侧的传热面积不相因素很多,很难提出一个普遍的公式计算各种情况 等。如果以内外壁的平均面积A为基准,用下式计下的对流传热系数a。常用的解决方法是因次分析 法。把影响a的因素归纳成几个无因次数群(准数) 算 以减少变量数,再用实验方法确定这些准数在不同 (10-1-7)情况下的相互关系,并整理出一些经验性的准数关 系式〔表10-1-3),用以计算各种情况下的a 式中A1—管内壁的传热面积,m3 下面对表10-1-3作筒要说明及计算举例。 A—管外壁的传热面积,m2。 (1)流体在圆形直管内作强制湍流时的对流 如果以管外壁传热面积Ax为基准,则传热系传热系数 数用下式计算 例1:1标准大气压下,空气在直径为25.4mm 10-1-8 的管中流动,温度由180°C升高到220°C。着空气 流速为15m/s,试求空气与管内壁之间的对流传热 一般金属管壁比较薄,导热系数很大,可简化系数。已知l/d>50。 解在19+20-30℃及4标准大气 k-d+ as (10-1-9) 压下,查得空气的物性 但是,换热器使用一个时期后,单位时间内的 C,=1.026kJ/(kg·K) 装热量Q会下降很多,这往往是由于传热表面两侧 λ=0。03928W/m·K)
第1章传热计算10-3 囊10-1-1某些体在0°—100°c时的平均辱热系微 密度 W/(mK) kg/ W/(mK) 石棉 600 紫钢 8000 混凝土 绒毛毡 0。046 松木 0。14-038 建筑用砖砌 1700 0。7-08 7850 耐火砖砌 不锈钢 绝热砖砌 0。12-021 铸铁 45-90 85%氧化镁粉 216 0。07 银 10500 锯木屑 软木 160 0,043 温度为800-1100°C 表11-2污垢热阻的大敢数值范■ 污垢热阻·RB 行垢 K/kw m2·K/kW 水(u<1m/s,t<50·C) 燕懷水 0。09 往复机排出 海水 清净的河水 处理过的盐水 未处理的凉水塔用水 有机物 0。176 经处理的凉水塔用水 料油 经处理的锅炉用水 026 焦油 硬水、井水 0。58 气体 水蒸气 空气 0。26-0。53 优质、不含油 溶剂燕气 劣质,不含油 =26×105kg/(m·s) 流动为湍流,应用式(10-1-11) CPA =0023(10930)·(0679)··4 0.023×1700×0856=33。5 1026×10x2.6×10-·=0.679 = N 0.03928 51.8W/(m2K) 2)流体作自然对流时的对流传热系数。求 算用式(10-1-17),其中C及n值见表10-1-4。 0。0254×15×0。746 26×10 10930 例2:有一垂直蒸汽管,外径160mm,长3。5mn 管外壁温度为110°C。若周围空气温度为30°C
-4第10篇换热器 衰10-1-3常用对传激系关联式 情况 对流传热系数计算公式 适用范 注 Pr(10-1-11) Re>10000 (1)定形几何尺寸 流体被加热时n=04 体|流体被冷却时n=0.3 体进出口温度的 算术平均值 同上 同上〔是上式特例) 按流公式计算a然后乘以校正系数Re=2300-1000 过渡状况 同上 流 1.86-Re P 除μ按壁温下取值 曾 μ为壁温下流体粘度 按上式求得的a乘以校正因子 Gr>25000 同上 f=0.8(1+0015Gr1/3)(10-1-14) R为弯管的曲率半径 在套管a=0,02 Reo.aPr Re=12000-22000也可以用圆管公式, 但要用当量直径d (10-1-16) 4(流体流动截面积 润湿周边 1)定形几何尺寸取 垂直平板的高度h 或水平圆管的外径 Nu=C(Pr·Cr)·(10-1-17) 尸r>97 相 (2)c及n值见表10-1-4 水 3)定性温度取 管 X Nu=C1C2Re"Pr0…(1018) 2.=12-5 薇 适于列管换热器壳程当量直径d汁算按式 Nu=0。36Re55P 对流传热的计算 4(;2 (10-1-19) Re=2000-100000d
第1章传热计算10-5 坡10-1-3 对流传热系数计算公式 适用范思 垂直管或 (10-1-20) (1)定性尺寸取管(板) Re1800 a=023(70223)y (10-1-23) 1)定性尺寸取管外径d 或 (10-1-24) 同上,但Re=4M 丌指总管数 (10-1-25) (10-1-26) C△t 核状沸腾区 沮度取值 (13-1-27) 数$对水为1,对其它 液体为1。7 (1)定性尺寸 Nu=325×10-P0Ga0125Kp0 db=0,020 管内,也可用于大 表1-1-4式(1C-117)的C值和m 加热表面形状位置 CrP 特性长度 1/6 垂直平板及圆柱 3 109 /6 水平圆柱体 10·-109 外径d。 1/3 水平板热面朝上或水平板冷面2×104-8×10 正方形取边长 8×106-1011 0。15 1/3 两边平均值 水平板热面朝下或水平板冷面 取短 105-1011 0。58 115 试计算单位时间内由于自然对流而散失于周空 Bg△t 气中的热量 解:定性温度 110+30 =70°C, 2。92×10·×9,81(110-30)×3.5 (2。002×10 在此温度下,空气的物理性质为 2.33×1011 贵 B=292×10·K1, GrPr=2.33×1011×0。701=163×101L λ=0。02963W/(mK) 查表10-1-4,得C=0。1,n=1/3 2002×10m3/sPr=0。701 a=0,1(Gr·Pr)1
106第10篇换热器 0.1×0.02363(1,3×10y 传热系数的计算,采用式〔10-1-27)或(10-1 28),式中C值可查表10-1-6。 62 W/(m.KI 独温的计算 Q=aA△t=462πx0。1×3.5(110-30) 407M 在设计与使用换热器时,往往要先知道壁面温 (8)流体在管束外横向流过作强制对流时的度,在计算热损失及总传热系数时也需要知道壁 对流传热系数。求算用式(10-1-18),式中C1、温 C和n值见表10-1-5。 热流体侧的壁温 流体流过有折流板的管束时,求算a用式(10 fw=7=-K( 1-19)。计算管子的当量直径d要根据管子的排 列情况决定。 管子呈正方形排列时 R 10-1-31 4(丌 d 冷流体侧的壁温 10-1-29 tu+K △ 管子呈正三角形排列时 8 10-1-30 式中 相邻两管中心距 式中T、【一热流体、冷流体的平均温度,K 一单位面积、单位时间内的传热量 d管外径, q=K△tm,w/m3 (4)液体在大容积内饱和核状沸腾时的对流 豪10-1-5旄体宜于管京时的Ct、Ca和n 列 列 0。6 0.171 06 0。171 0·65 0.151 06 0。228 c1=1+0 3 0。290 065 0。151 0。290 Ct=13 毫11-6各种表面-液体组合情况的c 豪国液体组合情况 表面-液体组合情况 0。013 乙-铬 水-铂 水金钢砂麝光的 0。0128 水-黄钢 正戊烷-金钢砂麝光的1 正丁醇- 0·0030 四氯化碳金钢砂光的铜 0。0070 异丙- 水-磨光的不锈钢 正戊烷-铬 0015 水-化学腐蚀的不锈钢 0。0133 0。010 水-机光的不愣钢 0。0132
下标h表示热流体侧的各数值;c表示冷流体侧的各似的方程式,即 数值,表示传热壁面。 QR=GRA,(I,-t 对于金属薄壁的传热面取壁温 来计真。式中aR称为辐射给热系数,其单位与对 (10-1-3)流给热系数a相同,即为W/(mK)。 一般情况下可取 壁面向周围空气散失的热量Q为对流与辐射两 种方式散热量之和,即 t=9(t+) d10-1=34) Q=Q +qr=(as+R)A(t -t) 粗略估算时可用下式: = atA(t,-t 10-1-36) 式中αr=(d+aR)称为综合散热系数 - -aA.+actm 10-1-35) (1)空气处于自然对流,t5m/s时 和由额射传热方程式改写成与对流给热方程式相类 ar=6。7u°·7 10-1-40) 第章换热器的分类 在工业生产中,实现物料之间热量传递的设行传热。这种形式的换热器使用最广泛。管壳式换 ,统称换热器。换热器按使用目的不同,可以分热器为其中一例。 为热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和 再沸器等。由于使用条件不同,换热器又有各种各 1.2混合式换热器 样的形式和结构。 它是利用两种换热流体的直接接触与混合作 本世纪20年代开始出现板式换热器,并应用于用进行热量交换的。操作时要求两种流体接触面 食品工业。30年代出现螺旋板式换热器。此后,又积尽可能大,以促进它们之闻的热交换。为此, 相继出现了一些其它新型换热器。其中以热管最引在设备中放量搁栅或填料,有时也把液体喷成细 人重视,它具有独特的优点,发展较为迅速,已遝滴。此类设备邏常儆成塔状 步推广应用。 1.3蓄热式换热器 1接作用罩理或传热方式分类 它是让两种温度不同的流体先后通过同一种固 1.1间壁式换热器 体填料,如图10-2-1所示。首先热流体过,热量 蓄积在填料中。然后,冷流体通过,带走热量。这 它利用固体壁面将两种流体隔开,通过壁面进种酱热式换热器,靠自动阀进行交替切换,生产得
10-8第10箱换热器 -2-1。表中列举的各类换热器特性、相对费用及耗 冷流体 热流体 用金属的相对值,供选型时参考。表10-2-2列出园 外各种换热器所能达到的主要技术经济指标。 填料 3按工艺功能分类 1)冷却器冷却工艺物流的设备。冷却剂 热流体 冷流体 般多采用水。若冷却温度低时,可采用氨或者氟利 作为冷却 2)加热器加热工艺物流的设备。一般多采 图10-2-1酱热式换热器示意图 用水蒸汽作为加热介质,温度要求高时可采用导热 以连续进行。 油、熔盐等作为加热介质。 3)再沸器用于蒸馏塔底蒸发物料的设备 2按传热面形状和结构分类 其中热虹吸式再沸器中被蒸发的物料依靠液头压差 间壁式换热器按传热面形状和结构分类见表10自然循环蒸发。动力循环式再沸器中,被蒸发物流用 102-1间壁式换热器的分类及特性 特性 览老 相对费用赶用金属 使用广泛,已系列化;壳程不易清洗,臀壳两鞠流温差>6 固定管板式|时应设置胀膨节,最大付用温差不应大于120°C 1.0 30 浮头式 壳程易清洗,管壳两物料温差>120°C:内垫片易渗涌 填料函式 优缺点同浮头式,造价高,不宜制造大直径 1·2 式 U型管式 制造 便,造价较低,管程耐高压,但结构不紧凑 管子不易 不易机械清洗 101 板翅式 紧凑、效率高可多股物料同时热交换使用温度不大于150C 旋板式 制造简单、紫凛可用于带瓢粒物料温位利用好,不易检惨0.6 50 伞板式 制造黄单,紧凑、成本低、易清洗,使用压力不大于12MPa 使用温度不大于150°C 波纹板式 高、易清洗,使用温度不大于150°C,使用压力 不大于15MPa 杓简单,造价低廉,操作敏感性较小,由于管外流体流遠 沉浸式)很 小,因而给热系数小,传热效率低,设备显得笨重 空冷器 投资和操作费用一般较水冷低,维修容易,但受周围空气温 度影响大 0.8-1.8 套管式 制造方便、不易堵塞,粑金属多,使用面积不宜大于2 0.8-14 150 喷琳管式本盞改,可用海水神却,造价较蜜管式低,对周圆环境有0.1 箱管式 创造简单,占地面积大,一般作为出料冷却 0.5-07 升降膜式 接触时闻短、效率高,无内压降。浓缩比 新板蓐膜式触时闻短、遁于商粘度、易绪垢物料,浓缩比1-20 离心式|受热时间知、清洗方银,效率高。农缩比≤15 板亮式 绪构紧、传热好、成本低、压降小,较难制造 24 热管 高导性和导温性,端密度大,創逢要求高
第2章换热器的分类10-9 寝12-2国外各种换热器所能达到的主罢技术经济指标 数最大传最大外形尺寸最高操最高使用最大 最健传热系数 紧决性单位换热 Imm MP m/h W/(m2.K) 2/m3 kg/m 管壳式16700 直径4650, 84|1000-150 水-水1400-2800 长33000 蒸汽-水1200-3900 40-15030 液一液363-1400 150 00( (沉式) 0—2000(铅 100 喷淋式 液体冷却270- 蒸汽冷凝360-1200 权式 743板片2128×0122.(石棉纤维)}570 水-水6900 50-1590 石槌橡胶) 螺旋板式500 径1500, 4 液-液690-2300 蒸汽水3800 100 板壳式gon 800 蒸汽冷凝350 板翅式 1200×120×600057-269—+50015300 空气强制对流33-350250-4370 泵进行循环蒸发。 存的目的将冷凝液再过冷 4)冷凝器蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器 5)蒸发器专门用于蒸发溶液中的水分或溶 的冷凝循环回流的设备。分凝器用于多组分的冷剂的设备。 凝:最终冷凝温度高于混合组分的泡点,仍有一部 6)过热器对饱和蒸气再加热升温的设备 分组分未冷凝,以达到再一次分离的目的,另一种 ⑦)废热锅炉从高温物流或废气中回收其热 为含有惰性气体的多组分的冷凝,排出的气体含有量而产生蒸汽的设备。 惰性气体和未冷凝组分 8)换热器两种不同温位的工艺物流相互进 全凝器,多组分冷凝器的最终冷凝温度等于或行显热交换能量的设备。 低于混合组分的泡点,所有组分全部冷凝。为了贮