化工单元操作总复习

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复习,1,了解列管换热器的选择设计步骤,（,1,）选择加热剂 和冷却剂,（,2,）根据设计任务，确定基本数据（包括两流体的流量、进出,口温度、定性温度下的有关物性、操作压力等,（,3,）确定流体在换热器内的流动通道。,（,4,）确定并计算热负荷。,（,5,）平均温度差的计算。,（,6,）根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的形式。,（,7,）选取总传热系数，并根据传热基本方程初步算出传热面积，,以此作为选择换热器型号的依据，并确定初选换热器的实际换热,面积,A,实,，以及在,A,实,下所需的传热系数,K,需,。,2,一,.,化工生产中常用的加热剂及冷却剂,载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。,冷却剂：起冷却作用的载热体称为冷却剂。,加热剂：起加热作用的载热体称为加热剂,3,二、确定流体在换热器内的流动通道,P139,页,4,三,.,热负荷的确定,1.,无相变时热负荷的确定,Q=m,s1,c,p1,(T,1,-T,2,)=m,s2,c,p2,(t,2,-t,1,),2.,有相变时热负荷的确定,例如饱和蒸汽冷凝，而冷流体无相变化，则,Q=m,s1,r+c,p1,(Ts-T,2,)=m,s2,c,p2,(t,2,-t,1,),3.,会求加热剂的用量或冷却剂的用量,5,四,.,平均传热温差的计算,t,大,/,t,小,2,时，工程计算中，可取,6,两侧变温错流和折流时,t,m,先按逆流计算对数平均温度差,t,m,逆,，再乘以一个校正系数，即,t,m,t,m,逆,式中,温度差校正系数，其大小与流体的温度变化有关，,一般不宜小于,0.8,。,可表示为两参数,P,和,R,的函数：,f,（,P,，,R,），根据,P,和,R,两参数由图查取,7,折流过程的 算图,8,错流过程的,算图,9,五,.,列管换热器换热形式的确定,列管换热器各类型结构及其优、缺点,10,六,.,选定经验,K,值，初步估算其面积,A,估,11,【,例,2-3】,505mm,的不锈钢管，热导率,1,为,16W/(m.K),，外包一层石棉，,热导率,2,为,0.2W/(m.K),，若,内壁温度为,350,，保温层外壁温度为,100,，每米管长的热损失不超过,397W/m,，试求保温层的厚度。,解：由题给条件知：,r,1,=20mm,r,2,=25mm,1,=16W/(m.K),2,=0.2W/(m.K),t,1,=350,t,3,=100,，,Q/L=,397W/m,。,载热体输送管道的保温,=2.199 r,3,=55mm,保温层的厚度为：,r,3,-r,2,=30mm,12,课后习题,x/,m,t,2,t,1,t/,t,2,t,3,t,4,多层平壁稳态导热温度分布,1.,解：由题给条件知：,b,1,=0.23m,b,3,=0.23m,1,=1.05W/(m.,),2,=0.144W/(m.,),3,=0.94W/(m.,),t,1,=1300,t,4,=50,13,r,1,r,2,r,3,r,4,t,1,t,2,t,3,t,4,1,2,3,课后习题,2.,解：由题给条件知：,r,1,=27mm,r,2,=30mm,r,3,=30+30=60mm,r,4,=30+30+30=90mm,1,=16W/(m.,),2,=0.04W/(m.,),3,=0.16W/(m.,),t,1,=-100,t,4,=20,14,课后习题,6.,解,:,热负荷,:,Q=Q,冷,=m,s2,c,p2,(t,2,-t,1,),=,11003.81000(60-20)=1393.33kW,求对数平均温度差：,逆流时,热流体温度,127 127,冷流体温度,20 60,t,1,=107,t,2,=67,因为：,t,1,/,t,2,2,，所以：,t,m,逆,=,15,求总传热系数,K,：,工艺条件要求的换热器的传热面积为：,换热器实际的换热面积为：,16,7.,解,:,热负荷,:,Q=Q,冷,=m,s2,c,p2,(t,2,-t,1,)=,（,2.510,4,/3600,）,41000,（,80-20,）,=1666.7kw,逆流时,热流体温度,110 110,对数平均温度差：,冷流体温度,20 80,t,1,=90,t,2,=30,17,若换热器使用一年后，由于污垢热阻增加，将会使换热器的总传热系数下降（,K,），传热速率下降（,Q,），冷流体出口温度升高,(t,2,),。,Q=m,s2,c,p2,(,t,2,-t,1,)=,（,2.510,4,/3600,）,41000,（,72-20,）,=1444.4kw,18,若要保证冷流体出口温度仍为,80,即热负荷仍为,Q,，总传热系数为,K,，传热速率下降（,Q,），求,t,m,”,。,设加热蒸汽温度为,X,解得：,X=123.9,19,有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾,有相变对流传热的特点,相变过程中产生大量相变热（潜热）；,6.,有相变化的对流传热,相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；,20,(1),蒸汽冷凝,饱和蒸汽,t,s,和冷壁面,t,w,接触（,t,s,t,w,）,蒸汽放出潜热在壁面凝成液体膜状液体和滴状液体,a,、膜状冷凝（可润湿）,壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接 触壁相比，附加了液膜的热阻。,越厚，传热效果越差。,b,、滴状冷凝（不润湿）,壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热系数很大。,21,膜状冷凝,滴状冷凝,22,蒸汽在水平管外,膜状冷凝的,n,水平管束在垂直列上的管数；,特性尺寸：管外径,d,o,；,定性温度：,取,t,S,下的值，其余为膜平均温度。,23,c.,影响冷凝传热的因素,冷凝液膜两侧的温度差：,流体物性的影响：,不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。,蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。,蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；,流速较大时，且与液膜同向，,增大；,流速较大时，且与液膜反向，,减小。,24,（,2,）液体的沸腾传热,对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡的过程，称为,液体沸腾,（又称沸腾传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为,池内沸腾,；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为,管内沸腾,。,25,沸腾过程,：,过热度,，汽化核心数,，气泡产生和长大的速度，,使沸腾加剧，,沸腾传热膜系数,。,说明：由于气泡产生，使液体扰动,因此：,26,0.1,1.0,10,10,2,10,3,h,A,B,C,D,E,F,自然对流,核状沸腾,膜状沸腾,稳定区,不稳定膜状,沸腾温度差和表面传热系数关系,t,=(,t,w,-,t,s,)/,大容积饱和沸腾曲线,27,影响沸腾传热的因素,加热壁面的影响：,粗糙壁面,，光滑的壁面,；被油脂污染的壁面,，清洁表面,；水平管束沸腾传热，上排管,。,28,二,.,传热过程强化的途径,增大传热系数，可以提高换热器的传热速率。增大传热系数，实际上就是降低换热器的总热阻。间壁两侧流体间传热总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁导热热阻之和。由此可见，要降低总热阻，必须减小各项分热阻。但不同情况下，各项分热阻所占比例不同，故应具体问题具体分析，设法减小占比例较大的分热阻。,3,增大传热系数,一般来说，在金属换热器中壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻。,29,污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，可不予考虑，但随着使用时间的加长污垢逐渐增加，便可成为阻碍传热的主要因素。,减小污垢热阻的具体措施有：提高流体的流速和扰动，以减弱垢层的沉积；加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂，防止和减缓垢层形成；采用机械或化学的方法及时清除污垢。,30,当壁面热阻和污垢热阻均可忽略时,要提高,K,值必须提高流体的,值。当两,相差很大时，例如用水蒸气冷凝放热以加热空气，则,1/K,1/,小,，此时欲提高,K,值，关键在于提高,小的那一侧流体的,。若,i,与,0,较为接近，此时，必须同时提高两侧的,，才能提高,K,值。,31,在列管换热器中，为提高,，对于无相变对流传热，通常采取如下具体措施：,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，从而大大提高了,，但当程数增加时，流动阻力会随之增大，故需全面权衡；,在壳程，也可采用多程，即装设纵向隔板，但限于制造、安装及维修上的困难，工程上一般不采用多程结构，而广泛采用折流挡板，这样，不仅可以局部提高流体在壳程内的流速，而且迫使流体多次改变流向，从而强化了对流传热。,对于冷凝传热，除了及时排除不凝性气体外，还可以采取一些其他措施，如在管壁上开一些纵向沟槽或装金属网，以阻止液膜的形成。对于沸腾传热，实践证明，设法使表面粗糙化或在液体中加入如乙醇、丙酮等添加剂，均能有效地提高,。,32,