换热器传热基础知识
2024年换热器培训课件(多应用)
换热器培训课件(多应用)换热器培训课件一、引言换热器是工业生产过程中重要的热能交换设备，广泛应用于石油、化工、制药、食品、电力等领域。
换热器的设计、制造、安装和维护对企业的生产效率和经济效益具有重要影响。
为了提高员工对换热器的了解和应用能力，本培训课件将介绍换热器的基本原理、分类、结构、性能、选型及维护等方面的知识。
二、换热器的基本原理1.热传递方式（1）对流换热：流体与固体表面之间的热量传递，主要受流体流速、温差、流体性质等因素影响。
（2）导热换热：固体内部的传热，主要受材料导热系数、温度梯度、几何尺寸等因素影响。
（3）辐射换热：物体表面之间的热量传递，主要受物体表面温度、颜色、形状等因素影响。
2.换热器的传热方程Q=U×A×ΔT×τ其中，Q表示热量（W）；U表示总传热系数（W/(m²·K)）；A表示传热面积（m²）；ΔT表示温差（K）；τ表示时间（s）。
三、换热器的分类与结构1.按热流体与冷流体的流动方式分类（1）顺流式换热器：热流体与冷流体在换热器内同向流动。
（2）逆流式换热器：热流体与冷流体在换热器内反向流动。
（3）错流式换热器：热流体与冷流体在换热器内呈交叉流动。
（4）混合流式换热器：热流体与冷流体在换热器内呈混合流动。
2.按传热方式分类（1）直接接触式换热器：热流体与冷流体直接接触进行换热。
（2）间壁式换热器：热流体与冷流体通过换热器壁进行换热。
3.换热器的结构（1）壳体：用于容纳换热管束，承受工作压力。
（2）管束：由多根换热管组成，用于实现热流体与冷流体之间的热量交换。
（3）管板：用于连接换热管与壳体，并传递热量。
（4）折流挡板：用于引导流体流动，增加流体湍流程度，提高传热效率。
四、换热器的性能与选型1.换热器的性能指标（1）传热系数：表示单位时间内单位面积上的热量传递能力。
（2）压降：表示流体在换热器内流动时产生的压力损失。
传热学基本知识
导热分为两类
稳定导热：温度不随时间而变化的导热 不稳定导热：温度随时间而变化的导热
知识回顾
1
传热学基本知识
热传导
2、傅里叶导热定律
热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。
QAt1t2
q
Q A
t
Q
t
t R
A
Q 导热量，传热速率 , W;
q 热流密度，W m2
2）流速的影响 流体流速增高时，对流传热系数就大。
3）流体的物理性质对给热系数的影响 导热系数、比热容c、密度越大，动力粘度越小，对流传 热系数越大
1
传热学基本知识
热对流
2）流体有相变发生时
蒸汽的冷凝 液体的沸腾
膜状冷凝 滴状冷凝(传热系数大)
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
1
蒸汽冷凝时的对流传热
传热学基本知识
热传导
4、导热计算
1）单层平壁的稳定热传导
计算公式：
Q A t
Q t R
热阻：
R A
当壁面两侧的温度不等时，且热量只沿垂直 于壁面的方向发生变化
或
q t
1
传热学基本知识
热传导
4、导热计算
2）多层平壁的稳定热传导
多层平壁是指由几层不同厚度、不同导热系数的材料组成 且其间接触良好的平壁
Q=qm热r热 Q=qm冷r冷 此法仅适于有相变过程
三、平均温度差
用传热速率方程式计算换热器的传 热速率时，因传热面各部位的传热温 度差不同，必须算出平均传热温度差 ⊿t均代替⊿t，
QKAt均
1
1、恒温传热时的平均温度差
《换热器基础知识》课件
换热器设计要素
了解设计换热器时需要考虑的重要因素。
传热面积
更大的传热面积可以提高换热效率。
传热介质
选择合适的传热介质可以提高传热率。
污垢堵塞
防止污垢堵塞可以维持换热器的正常运行。
压力损失
减少压力损失可以提高流体的流动性能。
换热器的性能评价
了解如何评价换热器的性能并进行比较。 热传导系数 传热表面积 污垢堵塞程度 压力损失
3
性能优化
结合实际情况进行换热器的性能优化和改进。
换热技术的发展趋势
了解换热技术的最新发展和趋势。
1 高效节能
新型换热器技术能够提高能量利用效率，实现更高效的热量传递。
2 先进材料
应用先进材料能够提高换热器的性能和耐久性。
3 智能控制
智能控制系统可以实现换热器的自动监测和优化。
总结和展望
回顾所学内容并对未来的换热技术发展进行展望。 通过本课程的学习，你已经对换热器的基础知识有了深入了解。期待在未来的工程项目中应用所学，并关注换 热技术的不断创新。
换热器基础知识
在本课程中，我们将深入讨论换热器的基础知识。了解换热器的定义、工作 原理、设计要素、性能评价、选型与应用以及技术的发展趋势。
换热器的定义和分类
什么是换热器？了解换热器的基本概念及其在不同工业领域中的分类。
换热器定义
换热器是一种用于传递热量 的设备，用于在流体之间进 行热量交换。
分类
换热器可以根据其结构和热 量传递原理分为不同类型， 如壳管式、板式、管束等。
热传导系数越高，换热效率越好。 更大的传热表面积可以提高换热效率。 较少的污垢堵塞能够维持换热器的正常运行。 较低的压力损失可以提高流体的流动性能。
换热基础必学知识点
换热基础必学知识点
1. 热传导：热传导是指通过物质内部的分子碰撞传递热量的现象。
物质的热传导性质取决于其导热系数和传热截面积。
2. 热对流：热对流是指通过流体的对流传递热量的现象。
流体的热对流性质取决于其传热系数和流体的流动速度。
3. 热辐射：热辐射是指物体通过辐射方式传递热量的现象。
热辐射不需要介质传递，可以在真空中传递热量。
4. 导热系数：导热系数是描述物质传导热量能力的物理量，表示单位时间内单位面积上的热量传递量。
导热系数越大，物体传导热量的能力越强。
5. 传热截面积：传热截面积是指传热过程中传热介质与边界之间接触的表面积。
传热截面积越大，热量传递的速度越快。
6. 传热系数：传热系数是描述传热过程中导热介质与边界之间热量传递能力的物理量，表示单位时间内单位面积上的热量传递量。
传热系数与传热介质的性质和流体流动状态有关。
7. 热阻：热阻是指阻碍热量传递的物理量。
热阻与介质的导热系数、传热截面积和传热路径长度有关，热阻越大，热量传递的难度越大。
8. 单位传热面积的传热率：单位传热面积的传热率是指单位时间内单位传热面积上的热量传递量。
传热率与传热系数和温度差有关。
9. 热平衡：热平衡是指在热传递过程中，两个或多个物体之间温度达
到一致的状态。
在热平衡状态下，热传递停止。
10. 热力学第一定律：热力学第一定律（能量守恒定律）是指能量在物体间转化和传递的过程中，能量的总量保持不变。
热量是能量的一种形式，因此热量的传递符合能量守恒定律。
换热器基础必学知识点
换热器基础必学知识点
以下是换热器基础的一些必学知识点：
1. 热传导：介质中的热能通过分子间的碰撞传递的现象，即由高温区到低温区的传导。
热传导正比于温度梯度和介质的热导率。
2. 对流传热：介质周围的流体通过对流现象将热能传递出去。
对流传热正比于流体的流速、温度差和传热系数。
3. 辐射传热：通过辐射形式将热能传递出去，不需要介质的存在。
辐射传热正比于表面的辐射率、温度差和黑体辐射功率。
4. 传热方程：换热器中的传热可以通过传热方程来描述，常用的传热方程有热传导方程（Fourier定律）和对流换热方程（Newton冷却定律）。
5. 传热系数：描述换热器界面传热能力的物理量，是传热率与温度差之间的比例关系。
传热系数决定了传热的效率和速率。
6. 换热器类型：常见的换热器类型有壳管式换热器、板式换热器、管束式换热器等，根据不同的工艺需求选择适合的换热器类型。
7. 换热器设计：换热器的设计要考虑流体流量、温度差、传热系数、换热面积等因素，并进行热力学和动力学计算。
8. 热媒介选择：根据不同的工艺要求选择适合的热媒介，并考虑其传热性能、耐腐蚀性和成本等因素。
9. 损失：换热器中存在一定的传热损失，包括壁面传热损失、传热介质的流动损失和泄漏损失等，需要进行合理的设计和控制。
10. 性能评价：换热器的性能评价包括换热效率、效果、能耗等指标的考核和比较，以提高换热器的工作效率和经济性。
以上是换热器基础必学的知识点，掌握了这些知识可以更好地理解和应用换热器的原理和设计。
换热器基础知识
.
15
隔板：增加管程数，提高管内流体流 速。流速增加，传热效率提高；但流 动的阻力也同时增加。
折流板：提高壳程流体的流速和湍 动 程度。
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16
带膨胀节的固定管板式换热器结构图
.
17
(2)浮头式换热器：
.
18
浮头式换热器结构图
.
9
套管式换热器
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10
套管式换热器的特点：
优点：结构简单，拆装方便，灵活性 大
管径可大可小，程数可增可减。 缺点：接头多, 易漏，金属用量大。
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11
2.列管式换热器
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12
(1)固定管板式换热器：
两端管板固定。
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13
固定管板式换热器结构图
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14
固定管板式换热器的特点：
优点：结构相对简单，应用广泛。
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32
翅片管结构示意图：
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33
翅片的作用：增加传热面积及管外流 体的湍动程度。
风机：提高空气流速。
空气冷却器的特点： 优点：省水。 缺点：设备庞大，消耗动力。
.
34
(6)板式换热器：
由传热板片、 密封垫片和压 紧装置组成。
.
35
板式换热器板片
.
36
板式换热器工作原理示意图
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37
板式换热器的特点：
优点：传热效率高。 缺点：承受压力低。
.
38
(7)螺旋板式换热器：
.
39
螺旋板换热器工作原理示意图
.
40
(8)热管换热器
.
41
换热器基本知识
（2） 浮头式换热器
浮头式换热器 1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳
浮头式换热器
• 浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动，完 全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出, 便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较 广。
• 优点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力 ；
• 缺点：结构复杂，造价比固定管板式换热器高 ，设备笨重，材料消耗量大，且浮头小盖在操 作中无法检查，制造时对密封要求较高。
• 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。 图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内 流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样 流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。 同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次 通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。
设备。
二、间壁式换热器的类型
沉浸式蛇管换热器
管式换热器
间壁式换热器
板式换热器
喷淋式换热器
套管换热器
固定管板式
列管式换热器
U型管
平板式换热器
浮头式 填料函式
螺旋板式换热器 夹套式换热器
板翘式换热器 翘片式换热器
翘片管换热器
(一) 管式换热器
管式换热器特点
• 管式换热器虽然在换热效率、结构紧凑性和单位传热
• 缺点：由于受弯管曲率半径的限制，其换热管 排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利 用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利 。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形 管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只 能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报 废率较高。
换热器传热基础知识
六、传热基本方式（传热机理） 1．热传导（导热）(conduction)：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微观运 动传递热量的过程。 金属，自由电子的运动。 固体 分子晶体，分子的振动。 非金属 原子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。 离子晶体，离子的振动。 液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。 气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。 2 ．热对流（对流） (convection) ：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。 自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。 强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。 3．热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。 在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存
2 1
（ dQ1 dQ2 , q1 所以
dQ1 dQ2 q2 ） dS dS
t2
dQ 1
b
dQ2
q b 0 dx dt
t1
所以 q b dQ q 而
dS
(t1 t 2 )
所以 dQ b dS 沿平面定积分，得
t1 t 2 b
t1 t 2
qx dQ x (T Tw ), dS qx dQ x (t w t ) dS
或 dQ x (T Tw )dS, dQ x (tw t )dS
式中 qx——局部对流热流密度，W/m2； Q——对流传热速率或热流量，W； S——与流体接触的固体传热面积，m2； x——局部对流传热系数，W/(m2K)； tw，Tw——分别为冷热流体侧的局部壁温，K，C； t，T——分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流温度，K，C。
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二、导热系数：表征物质导热能力的物性参数。 1．固体
'
式中0固体在0 C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； 温度系数，1/ C 2．液体 (1) 金属液体：t , (2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小） (3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为
六、传热基本方式（传热机理） 1．热传导（导热）(conduction)：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微观运 动传递热量的过程。 金属，自由电子的运动。 固体 分子晶体，分子的振动。 非金属 原子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。 离子晶体，离子的振动。 液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。 气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。 2 ．热对流（对流） (convection) ：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。 自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。 强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。 3．热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。 在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存
S t S t t 1 t 2 1 2 dQ dS dS 0 0 0 b b Q
S 所以 Q
t1 t2 b
——单层平壁导热公式
过程动力 传递过程有共同规律：过程速率 过程阻力
如欧姆定律
U Q C ( 库仑 ) I , I , A ( 安培 ) R t s ( 秒 )
t1 t1 t 2 Q 1
1S b t2 t2 t3 Q 2 2 2S b t3 t3 t4 Q 3 3 3S
Q Q Q Q 1 2 3
t1
1
t2
2
3
t3
t4
Q
O
b1
b2
b3
x
而由一维稳态条件，得 所以相加并整理，得
Q t1 tn1 t1 tn1 n n bi Ri i1 i1 iS
Q
t t t t t 1 2 3 1 4 b b b R R 1 1 2 3 2 3 R S S S 1 2 3
或
四、 通过圆筒壁的导热 1．单层圆筒壁 如图所设，且假定为常数 则将一维稳态条件用于傅立叶定律： q t 得 或 所以
七、换热器的类型：间壁式、混合式（图4-1）、蓄热式（图4-2）。 八、典型间壁式换热器：套管式（图4-4）和列管（壳管）式（图4-5、4-6）。 九、间壁式换热器中的传热方式：对流导热对流
T1
t2பைடு நூலகம்
T
2
T
Tw
tw
t
t1
t
T2
十、载热体：提供或取走热量的流体。 1．加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气（表4-1）。 或电。 2．冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨（表4-2）。或氟里昂、液氮。
第二节 热传导
一、傅立叶定律：在物体内任何一点，沿任一方向的导热热流密度（单位时间内垂直 通过单位面积的热流量）与该方向上的温度变化率成正比，即
n
式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。 q——n方向的导热热流密度，W/m2； Q——n方向的导热传热速率或热流量，W，J/s； S——与热流方向垂直的导热面积，m2； ——导热系数，W/(mK)，W/(mC)； a t ——n方向的温度变化率，K/m，C/m；
0 . 9 a m i i
式中a ——组分i的质量分率。 (4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为 3、气体很小，对导热不利，但有利于保温和绝热 (1) t , 5 ( 3 kPa p 2 10 kPa ) (2) p ,
5 ( p 3 kPa ,or p 2 10 kPa )
第四章 传 热
第一节 概 述
一、定义：由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程，简称传热。 二、传热现象：几乎无时不有，无处不在。因为温差几乎无时不有，无处不在。 三、传热原理的应用：十分广泛。尤其在能源动力、化工冶金部门。 化学过程 单元操作 设备管道 废热利用 四、问题类型 提高（强化）传热速率 遵循相同的传热原理 降低（削弱）传热速率 五、传热状态 稳态（定常）传热： 各点温度不随时间而变 非稳态（非定常）传热：否则
2 1
dQ , q （ dQ 1 2 1
dQ dQ 1 q 2） 2 dS dS
dQ 1
dQ 2
b
所以
qb dt 0 dx
t1
t2
(t1 t2) 所以 q b dQ q 而
dS
dS 所以 dQ b 沿平面定积分，得
t t2 1
——单层平壁微分导热公式
三、 通过平壁的导热
1．单层平壁 如图所设，且假定为常数， 则将一维稳态条件用于傅立叶定律：
t q n
z, t
t1
t
dS
得 所以
q
dt dx
t dt t2
dt q const dx
，t与x成线性关系。
O x dx b
x
qdx dt 或 t b qdx dt 0 沿x方向定积分，得 t 而由一维稳态条件，知q与x无关，
将单层平壁公式改写为 式中
t t t2 ——温差，K，C； 1 b R ——热阻，K/W。 S
t t t t t Q S 1 2 1 2 b b R S
2、多层平壁 以三层平壁为例，如图所设，且假定为常数，及层与层之间接触良好，没有接触热阻，则 由 z, t 单层平壁公式，得 b1
a m i i
(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
m
i yi Mi1/ 3 yi Mi1/ 3
式中y i ——组分i的摩尔分率。 M i ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。 4、一般规律 (1) 金 非金 (2) s l g (3) 晶 非晶 气体除外 ) (4) 混 ( 纯