-
模块三
传热操作
项目
1
认识换热器
【教材版本】
李祥新、朱建民主编《化工单元操作》
，高等教育出版社
< br>2009
年
3
月出版。
【教学目标】
1<
/p>
．通过换热器的拆装实训，掌握换热器的基本结构、工作原理及特点。
2
．培养规范的拆装和测量操作习惯，养成严谨的工作态
度。
【教学重点、难点】
重点：
换热器的基本结构
难点：
各种换热器的特点
【教学方法】
采用项目教学法，以行
动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重
培养学生规范操作、观察分析、团结合
作的能力。根据本项目特点，采用“导
入——演示——实训——评价——讲授——讨论”
的教学过程，先让学生在完
成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的
学习达到教学目
标。
【学时安排】<
/p>
8
学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目
的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操
作方法，指导学生按步骤完成实训项目
。然后，在学生预习的基础上学习传热
的相关知识。
【教学过程】
一、导入
在化工生产中，
常常需要对原料进行加热或冷却；
在化学反应中，
需要及时
移出或补充热量以保持最佳反应温度；某些单元操作（如蒸发、蒸馏和干燥等）
需要输入或输出热量，以保证操作的正常进行。此外，设备和管道的保温，生产
过程中热量的综合利用及余热回收等都涉及传热问题。
换热器是用来进行物料之间热量传递的设备，它在设备投资和能量消耗方
面均占
有很大的比例。
二、教师讲授及演示实训步骤
1
．布置实训任务：认识列管式换热器，熟悉换热器的结构，并拆装管箱。
2
．引导学生先大致了解换热器装置，提高学生学习兴趣
。
图
3-1
列管式换热器
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
初步
认识——观察详细结构——拆装换热器管箱——察看材质——分析加
工方式——察看安装
方式
四、检查评价
学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人
员。<
/p>
五、相关知识
在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以
下内容的学习
。
在化工生产过程中，
传热通常是在
两种流体间进行的，
故称换热。
用于交换
热量的设备称为换热器。
学生自学讨论内容
1
．按其用途换热器分为哪几类？
<
/p>
2
．按其作用原理换热器分为哪几类？应用于什么场合？
3
．按传热面的形状和结构换热器分为哪几类
？
教师讲解内容
1
．列管式换热器（管壳式换热器）
是一种通用的标准换热设备，应用广泛，在换热设备中占主导地位。
特点：结构简单、坚固耐用、用材广泛、清洗方便、适用性强。
表
3-3
列管式换热器的分类
名称
结
构
如图
3-
2
所示，由壳
体、封头、管束、管
板等
部件构成，
管束
两端固定在
两
管板
上
特
点
应
用
优点是
结构简单、紧凑、管内便
适用于壳程流
于清洗。缺点是壳程不能
进行机
体清洁且不结
械清洗，且当壳体与换热管的温
垢，两流体温
差较大（＞
50
℃）时产生的温差
差不大或壳程
应力具有破坏性，需在壳体
上设
压力不高的场
置膨胀节
合
固定
管板
式换
热器
如图
3-3
所示，一端
优点是壳体或换热管受热膨胀
适用于壳体与
浮头
式换
管板不与壳
体
固定
时，互不约束，消除了热应力；
管
束温差较大
连接，
可以在壳体内
管束可
以从壳体内抽出，便于清
或壳程流体容
热器
沿轴向自由伸缩，
该
洗。缺点是
结构复杂，造价高
易结垢的场合
端称为浮头
如图
3-4
所示，只有
U
形
管式
换热
器
一个管板，管子成
U
形，
管子两端固定在
同一管板上，
管束可
以
自由伸缩，
解决了
热补偿问题
优点是结构简单，运行可靠，造
价低，管间清洗较方便。缺点是
管内清洗较困难；管板利用率低
适用于管、
壳
程温差较大或
壳程介质易结
垢而管程
介质
不易结垢的场
合
管板只有一
端
与壳
优点是结构较简单，造价低；管
适用于管壳程
填料
函式
换热
器
体固定，
另一端采
用
束可以从壳体内抽出，管、壳程
温差较大或介
填料函密封，
管束可
均能进行清洗，维修方便。缺点<
/p>
质易结垢，需
以自由伸缩，
不会产
是填料函耐压不高
（＜
4.0 MPa
）
；
要经常清洗，
生
热应力
壳程介质会通过填料函外漏
且壳程压力不
高的场合
图
3-2
固定管板式换热器结构图
图
3-3
浮头式换热器结构图
图
3-4
U
型管换热器结构图
多管程换热器：流体在管束内来回流过多次，改善换热器的传热。常见的有
二、
四管程。
在壳体内可安装折流挡板，使壳程流体造成扰动，以
改善壳程传热。
学生自学讨论内容
4
．对照
实物或图片，分析以下各种换热器的结构、特点及适用场合。
套管式换热器、蛇管式换热器、夹套式换热器、螺旋板式换热器、翅片式换
热器、平板式
换热器、板翅式换热器
图
3-5
套管式换热器结构图
图
3-6
常用蛇管的形状
图
3-7
夹套式换热器
图
3-8
螺旋板式换热器
（
a
）翅片
管式换热器
（
b
）翅片管
图
3-9
翅片管式换热器和翅片管
图
3-10
平板式换热器
图
3-11
板翅式换热器
教师讲解内容
2
．热管换热器
热管换热器是一种新型的高效换热器，
换热器由热管束构成，
中间用隔板把
冷热流体隔开。如图
3-12
< br>（
a
）所示。
传热元件是热管，
具有很高的导热性能。
它是在一根密
闭的金属管内充以工
作液，紧靠管内壁处装有纤维状多孔物质，称为吸液芯，如图
3-12
（
b
）所示
。
热管沿轴向分为三段：蒸发段、绝热段和冷凝段。在蒸发段
，当热流体从管
外流过时，热量通过管壁传给工作液，使其汽化；蒸气在压差作用下，沿
管子轴
向流动，
在冷凝段向冷流体放出潜热而凝结；
冷凝液在吸液芯内流回热端，
再从
热流体处吸收热
量而汽化。如此反复循环，热量便不断地从热流体传给冷流体。
（
a
）
（
b
）
图
3-12
热管换热器
特点：
< br>结构简单，
蒸汽流动阻力小，
管壁温度均匀，
工作可靠，
使用寿命长。
适用于气
-
气、气
-
液和液
-
液间的换热，应用范围广。
【作业】
复习题
项目
2
测定套管式换热器的总传热系数
【教
材版本】
李祥新、朱建民主编《化工单元操作》
，高等教育出版
社
2009
年
3
月出版。
【教学目标】
1
．
通过套管式换热器总传热系数的测定，
学会换热器传热系数的测定方法。
2
．并掌握有关换热器的计算。
【教学重点、难点】
重点：
换热器传热系数的测定
难点：
换热器的计算
【教学方法】
采用项目教学法，以行
动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重
培养学生规范操作、观察分析、团结合
作的能力。根据本项目特点，采用“导
入——演示——实训——评价——讲授——讨论”
的教学过程，先让学生在完
成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的
学习达到教学目
标。
【学时安排】<
/p>
8
学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目
的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操
作方法，指导学生按步骤完成实训项目
。然后，在学生预习的基础上学习传热
的相关知识。
【教学过程】
一、导入
传热系数是描述传热过程强
弱的物理量，传热系数越大，则传热效果越好。
总传热系数是评价换热器传热性能的重要
参数，也是对传热设备进行工艺计算
的依据。
二、教师讲授及演示实训步骤
1
．布置实训任务：测定套管式换热器的传热数据，并计算传热系数。
2
．演示套管式换热器操作，说明传热系数测定及数据处理方法
。
图
3-13
套管式换热器实训装置
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
检查
准备——开车——记录流量——传热操作及数据读取——停车
四、检查评价
学生自查实训情况，各
组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人
员。
五、相关知识
在学生预习及实训操作
的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以
下内容的学习。
一、传热的基础知识
传热的三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。
1
．热传导（导热）
发生在固体内部或直接接触的物体之间
（
1
）导热的基本定律——傅里叶定律
对于由均匀固体物质组成的单层平壁（如图
3-14
）
，热传导方程式为
Q
?
?
A
?
(
t
1
?
t
2
)
（
3-1
）
式中
Q<
/p>
——导热速率，即单位时间内传导的热量，
W
；
；
?
——导热系数，
W/
（
m
·
K
）或
W/
（
m
·℃）
A
——垂直于导热方向的导热面积，
m
2
；
t
< br>1
，
t
2
——两固体壁面的温度，
K
；
?
——固体壁面的厚度，
m
；
图
3-14
单层平壁的稳定热传导
与其他传递过程类似，
导热速率可表示为传热推动力与传热阻力之比。
将式
（
3-1
）改
为如下形式
Q
?
t
1
?
t
2
?
?
A
?<
/p>
?
t
（
3-2
）
R
表明单层平壁热传导时，其导热热阻
R
为
R
?
式中
R
——导热热阻，
K/W
；
?
（
3-3
）
?
A
Δ
t
——温度差，导热的推动力，
K
。
在温度差一定时，提高导热速率的关键在于减小导热热阻。导热壁面越
厚、
导热面积和导热系数越小，其热阻越大。
多层平壁导热过程的导热速率：
Q<
/p>
?
?
?
1
?
?
2
?
3
?
1
A
?
2
A
?
3
A
t
1
?
t
4
?
??
t
（
3-4
）
?
R
式中
t<
/p>
1
、
t
4
表示三层平壁的最高和最低温度，
?
1
、
?
2
、
?
3
和
?
1
、
?
2
、
?
3
分别
表示温度由高到低的三层平壁的壁厚和传热系数。
【例
3-1
】某平壁厚
0.4m
，内、外表面温度为
150
0
℃和
300
℃，壁材料的导
热系数
?
＝
0.815
＋
0.
00076
t
[W/
（
m
·℃）
],
试求通过每平方米壁面的导热速率。
解
已知
t
1
=1500
℃
,
t
2
=300
< br>℃
壁的平均温度
t
?
t
1
?
t
2
1500
?
300
?
?
900
℃
2
2
壁的平均导热系数为：
?
?
0.815
?
< br>0.00076
?
900
?
1.50
W/
（
m
·℃）
故
Q
?
（
2
）导热系数
?
导
热系数是表征物质导热性能的一个物性参数，通常由实验测定，
?
越大，
导热性能越好。
金属的导热
系数最大，固体非金属次之，液体的较小，而气体的最小。
t
1
?
t
2
1500
?
30
0
2
?
?
4500
W/m
0.40
?
/
< br>?
A
0.15
?
1
-
-
-
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-
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