传热原理及换热器设计详解
换热器设计手册
换热器设计手册换热器设计手册第一部分：引言换热器在许多工业领域中起着至关重要的作用，能够有效地传递热量和冷却介质。
本手册旨在提供关于换热器设计的详细说明和指导，以确保设计和运行的安全性、可靠性和高效性。
第二部分：换热器的基本原理和分类2.1 换热器的基本原理换热器是通过将热量从一个介质传递到另一个介质来实现的。
基于传热原理，换热器可以分为传导、对流和辐射换热器。
2.2 换热器的分类根据换热介质的流动方式和传热机理，换热器可以分为管壳式换热器、板式换热器、螺旋板换热器等。
第三部分：换热器设计的影响因素3.1 流体参数流体参数包括流体的流量、温度、压力、热导率等。
这些参数将直接影响到换热器的传热效果和换热面积的确定。
3.2 材料选择换热器的材料选择对其使用寿命和换热效率有着重要的影响。
应根据介质的性质和工作环境进行材料选择，并考虑材料的耐腐蚀性、导热性等因素。
3.3 热负荷计算通过计算热负荷，可以确定换热器的尺寸和换热面积。
热负荷计算依赖于流体参数和换热器的设计要求。
第四部分：换热器的设计步骤4.1 确定换热方式根据介质的性质和工艺要求，选择合适的换热方式，如对流换热、辐射换热或传导换热。
4.2 计算传热面积根据热负荷计算结果，确定换热器的传热面积。
传热面积的计算需要考虑流体参数和介质的传热特性。
4.3 确定换热器尺寸和形状根据换热器的传热面积和流体参数，确定换热器的尺寸和形状。
应确保设计的换热器能够有效地传递热量和具有合理的流体阻力。
4.4 选择材料根据介质的性质和工作环境，选择合适的材料。
应考虑材料的耐腐蚀性、导热性和可加工性等因素。
第五部分：换热器的安装和维护5.1 安装要求换热器的安装应符合相关的安全标准和操作规程。
在安装过程中，应注意保护换热器的密封性和防止外部损坏。
5.2 运行和维护换热器的运行和维护需要定期检查和保养。
应注意定期清洗换热器以防止结垢和污垢的堆积，避免影响换热器的传热效果。
换热器设计原理
换热器设计原理
换热器设计原理即通过传导、对流和辐射三种方式实现热量的传递和交换。
换热器是一种用于加热或冷却流体的设备，常见于工业生产、暖通空调系统以及汽车发动机等领域。
传导是换热器中最基本的传热方式之一。
当两个物体的温度不相同时，它们之间会产生相互传导热量的现象。
传导通过物体内部的微观震动来传递能量，换热器中的传导主要通过盘管、管道等直接接触热源和冷源的部分实现。
对流是换热器中最常见的传热方式。
当热源与冷源之间有流体介质时，它们通过流体的运动来传递热量。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指由于温度差引起的流体自然的密度变化和热对流现象。
而强制对流是通过外部的力量，如风扇或泵等，来强迫流体运动以实现换热。
辐射是热量以电磁辐射的形式传递的方式。
当物体的温度高于绝对零度时，它会发射热辐射，这种辐射能够穿过真空传递热量。
换热器中的辐射通过热辐射表面（如金属片或陶瓷片）实现热量的传递和吸收。
基于以上原理，换热器的设计需要考虑以下几个方面：
1. 确定换热器的传热方式：根据具体的应用需求和工作条件，选择合适的传热方式（传导、对流或辐射）或它们的组合；
2. 决定换热面积：根据所需的换热量和传热系数，计算出合适的换热面积；
3. 选择换热器材料：根据工作温度、压力和介质特性等因素，
选择适合的换热器材料，如不锈钢、铜、铝等；
4. 设计换热器结构：包括换热器的形状、大小、管道布置和流体流动方式等，以实现最佳的换热效果；
5. 确保换热器的有效运行：包括管路的密封、泄露检测和定期维护等，以确保换热器的效率和安全性。
换热器原理与设计
换热器原理与设计
换热器是一种用于热传递的设备，其原理基于热量的传导、对流和辐射等传热机制。
换热器被广泛应用于各个领域，如工业加热和冷却系统、空调系统、汽车发动机等。
换热器的设计需要考虑多种因素，包括传热效能、压降、材料选择等。
传热效能是衡量换热器性能的一个重要指标，该指标可以通过比较进出口流体的温度差和流量来计算得出。
传热效能越高，换热器完成热传递的能力就越强。
在设计换热器时，首先需要确定换热器的类型。
常见的换热器类型包括壳管式换热器、板式换热器、管式换热器等。
每种类型的换热器有着不同的结构和传热性能。
换热器的选择还需要考虑流体的特性。
流体的热导率、密度、比热容等参数会直接影响到换热器的设计。
同时，流体的温度、流量以及换热要求也需要考虑进去。
在设计过程中，还需要注意换热器的流体阻力问题。
流体在通过换热器时会产生阻力，这会导致压力降低。
为了降低流体阻力，可以采用合适的管道直径和流道设计。
另外，材料的选择也非常重要。
换热器需要能够承受高温、高压以及一定的腐蚀性，因此常用的材料包括不锈钢、铜、铝等。
根据具体的工作环境和需求，选择适合的材料可以保证换热器的使用寿命和工作效率。
总之，换热器的设计需要考虑多种因素，包括传热效能、流体特性、流体阻力以及材料选择等。
通过合理设计和选择合适的换热器，可以实现高效的热传递。
换热器原理与设计
换热器原理与设计
换热器是一种机械设备，它的主要作用是在不同流体之间传递热能，从而从一个流体系统中转移热量到另一个流体系统中。
换热器分为直接换热器和间接换热器，其原理主要是外壳换热器，波纹管换热器，盘管换热器和桥壳换热器等。
外壳换热器分为管状换热器和壳状换热器。
它们通常使用曲线管形式，由放置在外部壳体内部的内管，围绕其外表面运动流体，然后与外管的外表面冷却流体热量。
波纹管换热器主要由内管、定子、波纹管等组成。
定子和波纹管与内管圆柱体内壁紧密地结合在一起，外管和内管之间形成空气层，从而形成热隔离结构。
翅片的弯曲和相互结合使流体在接触的表面上有更大的传热效果。
盘管换热器是由管状容器、盘管、流体分配器等组成。
界面上的接触面积大，配有叶片，用于促进流体混合，以改善传热效率，热阻参数小，容量很大，传热量可以满足较高的工况要求。
桥壳换热器由内壳，节流器，外壳，内外壳组成。
内壳和外壳之间有一个空气层填充，节流器将内壳和外壳连接，形成内外流体两侧的热交换界面，实现内外流体的热量传递。
换热器工作原理讲解
换热器工作原理讲解换热器是一种常见的热交换设备，用于在不同的流体之间传递热量。
它广泛应用于化工、石油、电力、冶金等行业中，具有节能、高效的特点。
本文将详细介绍换热器的工作原理。
一、换热器的基本结构换热器一般由壳体、管束和传热介质组成。
其中，壳体通常由钢板制成，具有一定的强度和密封性。
管束是换热器的核心部分，由一系列的管子组成，通过它们与介质进行热交换。
传热介质则是传递热量的介质，可以是液体、气体或蒸汽等。
二、换热器的传热方式换热器的传热方式有三种：对流换热、传导换热和辐射换热。
1. 对流换热对流换热是指通过流体的对流传热进行热量交换。
换热器内的流体分为两种：一个是工作介质，即需要传热或降温的流体；另一个是传热介质，即用于传递热量的流体。
工作介质在管束内流动，而传热介质在壳体外流动。
当两者经过接触面时，热量会从高温流体传递到低温流体。
2. 传导换热传导换热是指通过固体的传导传递热量。
换热器中的管束和壳体都是由金属材料制成，金属具有较好的导热性。
当工作介质在管子内流动时，由于管子与管子之间有热交换，热量会通过管材的导热传递到周围环境。
3. 辐射换热辐射换热是指通过电磁波的辐射传递热量。
当换热器的温度较高时，会向周围空间发射电磁波，这些电磁波会被其他物体吸收并转化为热能。
这种换热方式在高温和真空环境下较为常见。
三、换热器的工作过程换热器的工作过程可以分为三个步骤：加热、传热和冷却。
1. 加热首先，工作介质进入换热器的一个侧面，经过管子的内部流动。
同时，传热介质从壳体进入，通过管束的外部流动。
此时，传热介质的高温和工作介质的低温之间存在温差，导致热量向工作介质传递，使工作介质得到加热。
2. 传热在传热过程中，热量通过对流、传导和辐射的方式在工作介质和传热介质之间进行交换。
工作介质经过管束内流动，热量会通过管材的导热传递到管壁上。
而传热介质在壳体外流动，热量则通过壳体与传热介质之间进行传导和对流传热。
3. 冷却最后，经过传热后的工作介质会变热，而传热介质则会冷却下来。
传热与换热器设计
m
t m
t 1 t 2 ln( t1 )
t 2
K
i
0
1
R1 R2
第二部分 GB151-1999
1、GB151-1999标准的适用范围
（1）本标准适用于固定管板式、浮头式、U 形管式和填函式换热器；
（2）适用的参数为： DN≤2600mm，PN≤35MPa， 且DN×PN≤1.75×104（mm·MPa）。
第二部分 GB151-1999
（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规 定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定 的方法进行。出现上述工况时，一般按如下处理 方法：
1）用0.9ΦReL的应力值计算壳程的试验压力， 以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力， 但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此 试验压力下的强度及密封性能。
第二部分 GB151-1999
用上述办法不能提高到规定的管程试验压力 时，可采取以下办法：
① 若差距不大，可以考虑适当增加厚度； ② 如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的 最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、 卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。 2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用 窥视镜从管板背面检查泄露情况。
第一部分 传热基本知识
⑤蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。 ⑥粘度大的流体一般走壳程，便于提高流速。 ⑦给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提
高速度。 ⑧流量小的流体走壳程，易改变流动状态提高湍
动程度。
第一部分 传热基本知识
二、传热基本方程：
Qe K A t m
A
K
Qe t
蚀裕量的厚度。视换热管胀接和焊接取不同 的厚度。见GB151第5.6.2.1和5.6.2.2条。
换热器的设计原理
换热器的设计原理换热器是一种用于传递热量的设备，它可以将热量从一个物体传递到另一个物体，从而实现热能的转移和利用。
换热器的设计原理主要包括传热方式、传热介质、换热器的结构和流动方式等。
传热方式是换热器设计的基础。
常见的传热方式有传导、传热和对流。
传导是指热量通过固体物质直接传递的过程，而传热是通过流体介质进行热量传递的过程。
对流则是通过流体的对流运动实现热量传递。
换热器根据传热方式的不同，可以分为传导式换热器、传热式换热器和对流式换热器。
传热介质是换热器设计中的关键要素。
常见的传热介质有气体、液体和固体。
选择适当的传热介质可以提高换热效果和效率。
比如，在液体换热器中，常用的传热介质是水，因为水的热导率较高，并且易于获得和运输。
而在空气冷却器中，常用的传热介质是空气，因为空气的热容量大，且不易引起腐蚀。
换热器的结构也是设计的重要考虑因素之一。
换热器的结构形式多种多样，常见的有管壳式换热器、板式换热器、管束式换热器等。
管壳式换热器是最常见的一种结构形式，它由一个外壳和管束组成，通过管壳两侧的流体实现热量的传递。
而板式换热器采用一系列平行的金属板，通过板与板之间的薄液膜实现传热。
管束式换热器则是在外包管中加入一束管子，通过管内外的流体实现热量的传递。
流动方式是换热器设计中的另一个重要因素。
流动方式包括顺流流动、逆流流动和混合流动等。
顺流流动是指热量和流体在换热器中的流动方向相同，逆流流动则是指热量和流体在换热器中的流动方向相反，而混合流动则是指热量和流体在换热器中的流动方向不确定。
不同的流动方式对换热效果和效率都有一定的影响，根据具体的应用需求选择合适的流动方式非常重要。
除了以上几个设计原理外，还需要考虑换热器的压力损失、换热系数和热传导阻力等因素。
压力损失是指流体在经过换热器时由于阻力造成的压力降低，可以通过合理的设计减小压力损失，提高能量利用效率。
换热系数是反映换热器传热能力的指标，可以通过优化换热器的结构和流动方式来提高换热系数。
传热原理及传热设备
传热原理及传热设备一、传热原理传热是物质内部或不同物质之间能量传递的过程，可以分为传导、对流和辐射三种方式。
1. 传导传导是指热量通过固体物质的分子传递，分为导热和扩散两种方式：•导热：热量通过物质中的导热子（如电子、电子空穴、振动子等）传递，是固体传热的主要方式。
导热能力与物质的热导率有关。
•扩散：热量通过物质中的不同分子在热运动中的传递，是固体和气体传热的主要方式。
2. 对流对流是指通过流体（液体或气体）介质的热量传递，通常包括自然对流和强制对流两种方式：•自然对流：由于热的浮力作用，流体的循环产生热量传递，如水的烧沸过程中产生的对流。
•强制对流：通过外界力（如风扇、泵等）的作用引起流体的流动，加快热量传递。
3. 辐射辐射是指通过电磁波辐射的方式进行热量传递，不需要介质参与。
辐射传热主要是通过发射和吸收辐射能量来传递热量。
材料的辐射能力与其温度、表面特性有关。
二、传热设备传热设备是用于实现热量传递的装置，根据传热方式的不同，可以分为传导传热设备、对流传热设备和辐射传热设备。
1. 传导传热设备传导传热设备主要用于传导传热方式的应用，常见的设备包括：•散热片：通过扩大表面积，提高固体材料与周围介质之间的传热效率。
•导热管：利用高热导率的材料，在内外两端形成热媒介传递热量。
•热交换器：将两个介质间的热量进行传递，常用于工业生产过程中的冷却和加热。
2. 对流传热设备对流传热设备主要用于对流传热方式的应用，常见的设备包括：•换热器：通过在不同介质之间设置换热管，实现热量的传递和交换。
•冷凝器：将气体或蒸汽冷却成液体，通过换热器进行热量传递。
•散热器：利用风扇或水冷装置将设备散发的热量传递到空气或水中。
3. 辐射传热设备辐射传热设备主要用于辐射传热方式的应用，常见的设备包括：•太阳能集热器：利用反射板和辐射板将太阳能转化为热能。
•电炉：通过电能转化为热能，并通过辐射进行热量传递。
三、传热设备的选择考虑因素在选择传热设备时，需要考虑以下因素：1.传热效率：传热设备的传热效率高低直接影响到能源利用效率和使用成本。
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热量的基本计算公式（有相变）
Q=mΔH Q：发生相变时，介质吸收或者 放出的热量,单位：kJ ΔH：相变介质的潜热，也叫做 焓差，单位：kJ/Kg.K m：物体的质量，单位：kg
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显热:物质在没有发生相变的情况下温度 变化时所吸收或放出的热量.例如,将一壶 冷水加热,随着时间的推移,水吸收热量, 温度升高,在水没有烧开之前,水的相态没 有变,它所吸收的热量称为显热
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1
基本介绍
传热在化工生产中占据重要的位置,设备投 资就占全部设备投资的30%-40% 热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温 差存在的地方，热量总是自发地由高温向 低温传递。 传热即是我们平常所说的热传递,由于温度 差而造成能量由高温区向低温区的转移. 传热是化工生产中使用的非常普遍的单元操 作。加热和冷却都属于传热
常见物质的导热系数
金属铜 384 W/C m
金属钛
不锈钢
9
4
W/C m
W/C m
水
木材
0.58
0.116
W/C m
W/C m
无机盐
0.1~0.3
W/C m
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二、对流传热
流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
用水壶烧水，虽然炉火只加热壶的底部，但是
最后全壶水都被烧开，这是因为靠近壶底的水
层流流动
湍流流动
三、热辐射 借助电磁波以发射和吸收辐射 线的形式进行的热传递，称为 辐射传热或热辐射。 特点：1能量转移、能量形式的 转化 2电磁波是热量传递的媒 介 3辐射传热不是单方面的 能量传递，而是物体间电磁波 的相互交换的结果
传热基本理论
概念
传热:从化工角度讲，是传热过程，即由 于存在温度差而发生热传递的化工过程。 热现象:物质运动的一种表现,物体内部大 量分子做无规则运动的宏观表现 物体的内能物体内部所有分子做无规则 运动的动能和分子势能的总和。内能是 不同于机械能的一种能量,可以与机械能, 电能等其他形式能量相互转化. 温度越高,内能越大,人们通常把内能称为 热能.
温度:表示物体冷热程度的物理量 热量:在热传递过程中,高温物体放热,温 度降低,内能减少,低温物体吸热,温度升 高,内能增加,这部分增加或者减少的内能 就是热量.热量指的是热传递过程中传递 能量的多少.热量是与过程有联系的量,有 传热过程才有热量
比热容:单位质量的某种物质温度升高或 降低1K时所吸收或者放出的热量,叫做这 种物质的比容热,用符号Cp表示.
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传热的三种基本方式
一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递
T1
到温度较低的部分，或传递到与之接
触的另一物体的过程称为热传导，又 称导热。 特点：没有物质的宏观位移
T2
物质的导热性能和导热系数
把刚开的水倒进铝饭盒,因其烫手而不能 直接去端,如果是把开水倒进瓷碗,因其不 烫手而可以直接端,这种现象说明铝比瓷 的导热性能好 导热性能强的物质叫热的良导体,导热性 能弱的物质叫热的不良导体,物质导热性 能的好坏用导热系数表示.导热系数越大, 表明物质的导热能力越强
先得到热量，温度升高，受热膨胀，密度减小， 就向上流动，而壶上部水温较低，密度较大，
自动下降，由于水的上下循环流动，将热量从
流体的一部分传到另一部 分，这种现象就对流传热。
对流传热分为自然对流和强制对流 自然对流是由于流体各处温度不同引起密度差 别而引起的对流，像前面讲的水壶烧水的过程， 以及大气因下层受热而产生的上下循环流动都 是自然对流 强制对流是由于受到外力的作用而产生的对流， 像用泵把流体送到换热器，用搅拌使反应釜内 液体产生的对流 工业上由于强制对流能够取得好的传热效果。 因此多采用强制对流
对流传热在生产中应用相当广泛，例如： 气流干燥器，喷雾干燥器，厢式干燥器， 都是以对流为主的干燥器，锅炉水暖系 统主要利用对流原理将热量从锅炉传递 到散热器，换热器则充分运用对流原理 实现热交换
层流流动与湍流流动
流体在流道内的流动分为层流流 动、过渡流动和湍流流动三种状 态。 自然对流通常是层流流动或过渡 流动，强制对流通常是湍流流动。 湍流流动是最强烈的流动方式， 最有利于传热，因此任何换热器 的设计都希望流体在其中是充分 发展的湍流流动。 板式换热器由交错波纹板片构成 的复杂流道，使得流体在较小的 流速下既可以进入湍流状态，因 此可以强化传热，得到更高的传 热效率。 返回 20
计算
某厂房面积35000m2需要供暖,按照相关 规范，厂房供暖标准为60W/m2,一次网供 水温度130 ℃ ，回水70 ℃ ，二次网回 水温度55 ℃，出水温度65 ℃ 。水的比 热均按照4.18kJ/kg ℃,试计算：
– 供暖热负荷多少千瓦？ – 所需一次侧水量、二次侧水量多少吨/小时？
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每一种物质都有其对应的导热系数 固体的导热系数虽温度的升高而升高 一般金属的导热系数最大,固体非金属次之,液 体较小,气体的导热系数最小 化工厂在选用设备材料时,就要参考各物质的导 热系数,在需要传热的地方,如锅炉的水管,换热 器的换热管,用传热系数大的材料,而需要阻止 传热的场合如设备管路的保温层,则用导热系数 小的材料
如水的比热容为4.18kJ/Kg.K.则表示1千 克的水当其温度升高1K时,需要吸收的热 量是4.18千焦耳.
热量的基本计算公式（无相变）
Q=Cpm（T高-T低） Q：不发生相变时，物体吸收或者放出 的热量,单位：kJ Cp：物体的比热容，单位：kJ/Kg.K m：物体的质量，单位：kg T高，T低：热传递过程先后物体的温 度差单位：K
潜热:在温度压力不变时物质相变所吸收 或放出的热量.例如:1个大气压下，当 373K(100 ℃)时水达到沸腾,虽继续加热, 水温仍保持不变,这时,所提供的热量都被 用于水变成蒸汽的相变,此时水吸收的热 量就是潜热.潜热的具与冷流体
参与传热的流体称为载热体,温度较高在传 热过程中失去热量的流体,称为热流体,温度 较低并在过程中得到热量的流体称为冷流 体 传热过程通常是在两种流体间进行的