页数：63页文件大小：1.27 MB来源： 葡萄酒工程学ppt课件
本课件讲解葡萄酒生产中的传热过程与换热器，先作能量衡算并建立总传热速率方程，给出总传热系数的计算与污垢热阻处理，再介绍平均温度差与强化传热途径，最后展开间壁式换热器的分类、列管式与板式等典型结构及传热过程。
传热计算的两类问题：§4 传热计算传热计算主要有两种类型： 设计计算根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。
校核计算计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。
换热器的能量衡算：对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式。
式中Q——换热器的热负荷，kJ/h或wW——流体的质量流量，kg/hH——单位质量流体的焓，kJ/kg下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。
Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)一、能量恒算。
无相变传热的热量衡算：若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有式中cp——流体的平均比热，kJ/（kg·℃）t——冷流体的温度，℃T——热流体的温度，℃Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)。
有相变传热的热量衡算：若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有当冷凝液的温度低于饱和温度时，则有式中Wh——饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，kg/hr——饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。
Q=Wh[r+cph(T1-T2)]=Wccpc(t2-t1)式中cph——冷凝液的比热，kJ/（kg·℃）Ts——冷凝液的饱和温度，℃。
总传热速率微分方程：通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程（仿对流传热速率方程）为dQ=K(T-t)dS=KΔtdS式中K——总传热系数，w/（m2·℃）T——换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃t——换热器的任一截面上冷流体的平均温度，℃上式称为总传热速率方程。
二、总传热速率方程1 总传热速率微分方程。
总传热系数与传热面积基准：总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。
dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中Ki、Ko、Km——基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积的总传热系数，w/（m2·℃）Si、So、Sm——换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，m2注：在工程大多以外表面积为基准。
管式换热器的传热过程：对于管式换热器，假定管内作为加热侧，管外为冷却侧，则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成。
由热流体传给管壁dQ=αi(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体dQ=αo(tw-t)dSo通过管壁的热传导dQ=(λ/b)·(Tw-tw)dSm由上三式可得2 总传热系数2.1 总传热系数的计算式。
总传热系数的计算式：由于dQ及（T-t）两者与选择的基准面积无关，则根据总传热速率微分方程，有所以。
总传热系数的热阻形式：总传热系数（以外表面为基准）为同理总传热系数表示成热阻形式为。
污垢热阻对K的影响：在计算总传热系数K时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时，则有当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有2.2 污垢热阻。
总热阻的控制因素
列管式换热器K值例题：例一列管式换热器，由Ø25×2.5mm的钢管组成。
管内为CO2，流量为6000kg/h，由55℃冷却到30℃。
管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20℃。
CO2与冷却水呈逆流流动。
已知水侧的对流传热系数为3000W/m2·K，CO2侧的对流传热系数为40W/m2·K。
试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。
内外表面基准的K值换算：以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。
恒温传热与变温传热：两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。
如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。
Δt=T-t式中T——热流体的温度℃。
t——冷流体的温度℃。
三、传热平均温度差的计算按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。
1 恒温传热。
变温传热的特点
并流与逆流的流向：并流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。
生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：逆流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。
并流12逆流12。
错流与折流：错流参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。
折流简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。
复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。
错流折流1212。
两侧流体变温时的温度变化：T2T1t1t2T1T2t1t2两侧流体变温时的温度变化。
传热计算的简化假设：假设：•传热为稳定操作过程。
•两流体的比热为常量。
•总传热系数为常量（K不随换热器的管长而变化）。
•换热器的热损失可忽略。
以逆流为例：热量衡算微分方程为dQ=-WhcphdT=Wccpcdt根据假定，则有3 逆流和并流时的平均温度差。
Q与T、t的直线关系：Q~T和Q~t为直线关系，即T=mQ+kt=m΄Q+k΄Δt=T-t=(m-m΄)Q+(k-k΄)温度T1传热量QT2t1Δt1t2Δt20。
Δt与Q的直线关系：从上式可以看出：Δt~Q关系呈直线，其斜率为将总传热速率微分方程代入上式，则有由于K为常量，积分上式有。
对数平均温度差：式中Δtm称为对数平均半径。
当Δt2/Δt1≤2时，可用（Δt2+Δt1）/2代替对数平均温度差。
注：（1）应用上式求Δtm时，取换热器两端的Δt中数值大的为Δt2，小的为Δt1。
（2）上式对并流也适用。
列管式换热器加热例题：例现用一列管式换热器加热某流体，该流体在管外流动，进口温度为100℃,出口温度为160℃。
某反应物在管内流动，进口温度为250℃，出口温度为180℃。
试分别计算并流与逆流时的平均温度差。
解：并流逆流℃℃。
逆流时的平均温度差：逆流操作时，因Δt2/Δt1<2，则可用算术平均值℃由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。
在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。
在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作。
注：流体流动方向的选择。
折流时的温差校正：方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差Δtm逆，然后再乘以校正系数εΔt,即Δtm=εΔt·Δtm逆校正系数εΔt与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和P的函数，即εΔt=f(R，P)式中R=(T1-T2)/(t2-t1)=热流体的温降/冷流体的温升P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流体的温升/两流体的最初温差根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和P值后，校正系数εΔt值可根据R和P两参数从相应的图中查得。
4 错流和折流时的平均温度差。
传热面积与总传热系数：对稳定传热过程式中S1、S2、Sm分别代表热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积和平均传热面积。
Tw、tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温α1、α2分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数整理上式可得四、壁温的计算。
废热锅炉传热计算例题：例在一由Ø25×2.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500℃,出口400℃。
管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。
已知高温气体对流传热系数a1=250W/m2·℃，水沸腾的对流传热系数a2=10000W/m2·℃。
忽略管壁、污垢热阻。
试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。
解：(a)总传热系数以管子内表面积S1为基准。
例题中的传热量与壁温计算：(c)计算单位面积传热量℃(d)管壁温度Q/S1=K1Δtm=242×271=65580W/m2T----热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值T=(500+400)/2=450℃管内壁温度(b)平均温度差在p=981kN/m2，水的饱和温度为179℃℃。
壁温计算与热阻分析：管外壁温度℃由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。
又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。
强化传热的目的与途径
换热器按用途分类：换热器的分类： 按用途分：加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等 按传热方式分：间壁式、混合式 按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类：管式和板式两类。
前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，后者包括板式、螺旋板式、夹套式等第六节换热器。
套管换热器的结构：t1t2T1T2 结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用U形管连接，而外管之间也由管子连接。
一、间壁式换热器1、套管式换热器。
套管换热器套管式换热器：由几段不同口径的不锈钢管组成的同心套管联接而成。
每段套管称为一程，长度一般为4-6m。
每程的内管之间用U型管联接，外管之间用支管联接。
套管换热器管径的选择：注意：适当选择两个管径，以使内管与环隙间的流体呈湍流状态，使具有较高的总传热系数，同时也减少垢层的形成。
缺点：单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，故一般适用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。
优点：结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。
蛇管式换热器的类型
列管式换热器的结构：结构：壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。
冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程。
另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程。
管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。
管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。
列管式换热器的热补偿：为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。
优点：容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流体，维修清洗方便。
缺点：结合面较多，易泄漏。
补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。
当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。
U形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。
本页为图示页，具体内容见课件原图。
板式换热器：是以板壁为换热壁的换热器，常见的有平板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。
(1)平板式换热器板片被压制成槽形或波纹形的目的： 增强刚度，不致受压变形。
增强液体的湍动程度，增大传热面积，亦利于流体的均匀分布。
4 板式换热器。
板式换热器（2）：板式换热器由一组几何结构相同的平行薄板叠加组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开形成通道，冷热流体相间地在各自的通道流动。
为强化传热并增强薄板的刚度，在平板上压出各种波纹。
人字形、平直纹波纹板式换热器换热片用厚度：为0.8-1mm的不锈钢板冲压成平直波纹形状，目的是使流体形成湍流，以增强换热效果。
板式换热器的优缺点
板式换热器的优缺点（续）
夹套式换热器的结构与注意事项
板式换热器的优缺点（续2）
夹套式换热器（续）：夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。
使用注意事项：该换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。
适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。
当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。
用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。
由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。
板式换热器的优缺点（续3）
螺旋板式换热器的结构：(2)螺旋板式换热器由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度。
优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，总传热系数较大，传热效率高，不易堵塞。
缺点：操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。
夹套式换热器（续2）：夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。
使用注意事项：该换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。
适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。
当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。
用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。
由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。
保温层热损失习题：习题1 蒸汽管道的外径为壁面220 mm ,其上覆盖一层厚为200 mm 的保温层。
蒸汽管外表面温度为177℃，保温层外表面温度为40℃，保温材料λ=0.52 + 9×10-4t (w/m·℃)。
求每米管长之热损失。
解：分离变量积分。
套管换热器综合习题：习题2 （传热综合问题）在1m长的套管换热器中用热水将管内的果汁从t1=10℃加热至t2=50℃，热水从进口温度T1=98℃降至T2=68℃，两流体并流流动，求（1）欲将果汁加热至t΄2=60 ℃，管长需增加多少米？（2）若改用逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽略热损失）。
套管换热器习题的热量衡算：解：换热器中两流体无相变化，则有Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)Q=Whcph(98-68)=Wccpc(50-10)（a）当果汁加热至t΄2=60 ℃时，设水的出口温度为T2΄，根据题意有Q=Whcph(98-T΄2)=Wccpc(60-10)（b）联立式a和b，解得：T΄2=60.5℃。
两种工况的传热计算：对于第一种工况：对于第二种工况：由总传热速率方程：Q=KSΔtm ，可得代入数据得2.1 流体为并流时。
工况变化后的热水出口温度：热水的出口温度仍为T΄2=60.5 ℃T1=98℃T2=60.5℃t1=10℃t2=60℃逆流时传热温度差为：代入数据得或采用算术平均值代替2.2 流体为逆流时。
牛奶加热槽传热习题：习题3 带有搅拌器的牛奶加热槽内有20°C的牛奶200㎏，槽内有传热面积0.5m²的蛇管。
现以120°C的蒸汽通入蛇管进行加热。
求：牛奶的升温规律（即T = f(t) ）。
已知：K = 460 W/m2·ºC ，Cp = 3.85kj/kg·ºC。
解：此问题为搅拌槽内以衡温工质加热的情形，由将Th=120 ºC T0= 20 ºC ，K = 460 W/m2·ºC，A = 0.5 m2，Cp= 3.85kj/kg·ºC等代入上式，得：此即为槽内牛奶的升温规律（即温度随时间的变化规律）。
冷却器传热例题：例题4 在1米管长的冷却器中用12 ℃冷水将油品从147 ℃冷却到97 ℃ ，冷水被加热到37 ℃ ，两流体并流流动。
求：欲使油品出口温度降至77 ℃ ，管子需增加多少米？（上述各工况油、水的流量、入口温度及所有物性常数均不变，忽略热损失。
）解：换热器中两流体无相变化，则有Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)Q=Whcph(147-97)=Wccpc(37-12)（a）Q=Whcph(147-77)=Wccpc(t`2-12)（b）联立式a和b，解得：t΄2=47℃改变条件后，设冷水被加热到t`2。
冷却器例题的温度条件：T1=147℃T2=97℃t2=37℃t1=12℃T1=147℃T`2=77℃t`2=47℃t1=12℃代入数据得。
一侧流体恒温时的温差：图示标注主要部件如下。
总传热系数的确定：三、总传热系数 总传热系数的计算 污垢热阻 壁温的计算。
换热器与间壁式换热器：§5 换热器间壁式换热器 一．夹套式换热器 二.套管式换热器 三.蛇管式换热器 四.板式换热器 五、列管式换热器。
间壁式换热器的传热过程1：间壁式换热器 2、传热速率与热流密度 3、稳态传热与非稳态传热 4、两流体通过间壁的传热过程 5、传热基本方程式：Q=KA△tm。
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