模块三：换热操作技术 工作任务: （1）换热器的仿真操作 （2）换热器的分类与结构 （3）换热器的基本原理及基本计算 （4）换热器的强化途径 （5）列管式换热器的选型 （6）换热器的拆装及维护

换热器 一、换热器的分类 由于物料的性质和传热的要求各不相同，因此，换热器种类繁多，结构形式多样。换热器可按多种方式进行分类。

用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。 （一）换热器的用途分类 名 称 应 用 加热器 用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。 预热器 用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率 过热器 用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态 蒸发器 用于加热液体，使之蒸发汽化 再沸器 是蒸馏过程的专用设备，用于加热塔底液体，使之受热汽化 冷却器 用于冷却流体，使之达到所需的温度 冷凝器 用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化

（二）按换热器的作用原理分类 1.间壁式换热器

2.混合式换热器 干式逆流高位冷凝器

3.蓄热式换热器

4.中间载热体式换热器 热管式换热器

（三）按换热器传热面形状和结构分类 （1）管式换热器 固定管板式换热器 U形管式换热器 浮头式换热器 填料函式换热器 釜式换热器 ●列管式换热器 ●套管式换热器 ●蛇管式换热器 ●翅片管式换热器

1－活动管板；2－填料压盖；3－填料；4－填料函；5－纵向隔板 填料函式换热器 1－活动管板；2－填料压盖；3－填料；4－填料函；5－纵向隔板

釜式换热器

套管换热器

沉浸式蛇管

沉浸式蛇管

喷淋式蛇管换热器

常用翅片

（2）板式换热器 ●平板式换热器 ●螺旋板式换热器 ●板翅式换热器

板式换热器

常见板片 内部结构

螺旋板式换热器

（3）特殊型式换热器 ●回转式换热器 ●热管换热器 ●同流式换热器

换热器基础知识 热量传递总是自高温处至低温处传递。在化工生产中，传热过程是通过换热器实现的，而以间壁式换热器应用最为广泛，冷热两种流体经过间壁传热过程包括三个步骤：热量自热流体传递到间壁的一侧，又自间壁一侧传递至另一侧；最后由壁面传递给冷流体。间壁式换热器内热量传递有两种基本方式：热传导、对流传热。

一、热传导 热传导机理： 又称导热，借助物质的分子、原子或自由电子的运动将热量从物体温度较高的部位传递到温度较低的部位的过程。 热传导可发生在物体内部或直接接触的物体之间。热传导过程中，没有物质的宏观位移。热传导不仅发生在固体中，也是流体内的一种传热方式。

1．傅立叶定律 傅里叶定律是导热的基本定律，表达式 式中 Q——导热速率，J/s或W； λ——导热系数，W/（m·K）； A——垂直于导热方向的导热面积，m2； dt/dx——温度梯度，是导热方向上温度的变化率。 由于导热方向为温度下降的方向，故右端加一负号。

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，λ越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、密度、温度及压力等有关。 物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，液体的较小，而气体的最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查得。

3．傅立叶定律的工业应用 工业生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2，长度为l，圆筒壁的传热面积随半径而变。 若圆筒壁内、外表面温度分别为tw1和tw2，且tw1＞tw2。若在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的薄层圆筒，其传热面积可视为常量，等于2πrl；同时通过该薄层的温度变化为dt 根据傅立叶定律通过该薄层的导热速率可表示为

分离变量积分并整理得单层圆筒壁的导热速率公式 : 导热速率可表示为传热推动力与传热阻力之比: 则圆筒壁的导热热阻R为 令圆筒壁平均面积Am为: rm——圆筒壁的对数平均半径，m；

整理可得 式中 δ——圆筒壁的厚度，m； R= ——单层圆筒壁导热热阻，K/W。

二、对流传热 （一）对流 对流，又称给热，是指利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程。 根据引起流体质点相对运动的原因不同，又可分为强制对流和自然对流。 强制对流：流体质点的相对运动是由外力作用（如泵、风机、搅拌器等）而引起的； 自然对流：流体质点的相对运动是由流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异而引起的。 流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流的强度比自然对流的强度大得多。

（二）对流传热的分析

湍流主体:流体质点湍动剧烈，传热温度差极小，各处的温度基本相同，传热方式主要为对流，其热阻很小，传热速度极快。 层流底层:在传热方向上没有质点位移，传热方式主要为热传导，传热温度差大，热阻大。 过渡层：传热方式既有对流又有热传导，有一定的温度差及热阻。 对流传热热阻主要集中在层流内层中，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。

（三）对流传热基本方程——牛顿冷却定律 式中 Q ——对流传热速率，W； ——对流传热膜系数，W／(m2·K); A——对流传热面积，m2； t——流体与壁面间温度差的平均值，K; R＝1/( )——对流传热热阻，K/W；

（四）对流传热膜系数 对流传热膜系数反映了对流传热的强度，越大，说明对流强度越大，对流传热热阻越小。 气体的 值最小，液体的 值次之,载热体发生相变时的 值最大。

1．影响对流传热膜系数的因素 影响对流传热膜系数的因素有以下方面。 (1)对流的形成原因 (2)流体的性质 (3)相变情况 (4)流体的运动状态 (5)传热壁面的形状、位置及长短等

2．无相变时对流传热膜系数的关联式 由于影响 的因素很多，要建立一个通式求各种条件下的 是不可能的。通常是采用实验关联法获得各种条件下 的关联式。流体无相变传热时的对流传热膜系数 的关联式为 Nu=ARemPrnGrh 使用关联式时应注意以下几个方面: ①应用范围 ②特征尺寸 ③定性温度

特征数的名称及意义

无相变流体在圆直管内作强制湍流时的关联式: （1）低粘度流体（小于2倍常温水的粘度） 或 式中n的取值方法是：当流体被加热时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。

应用范围： Re>10000，0.7＜Pr＜120；管长与管径之比l/di≥60。若l/di＜60，将由式（2-10a）算得的乘以［1＋（di/ l）0.7］加以修正。 特征尺寸l： 取管内径di。 定性温度： 取流体进、出口温度的算术平均值。

（2）高粘度液体 应用范围、特征尺寸及定性温度与上式相同。 为粘度校正系数，当液体被加热时， ＝1.05；当流体被冷却时， ＝0.95。

（四）流体有相变化时的对流传热 1.蒸汽的冷凝 （1）定义 （2）方式 当饱和蒸汽与温度较低的壁面接触时，蒸汽将释放出潜热，并在壁面上冷凝成液体，发生在蒸汽冷凝和壁面之间的传热称为冷凝传热。 （2）方式 膜状冷凝:冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层液膜； 滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，在壁面上形成许多小液滴。

（3）比较 膜状冷凝壁面被液膜所覆盖，蒸汽的冷凝在液膜的表面进行，冷凝液膜往往成为膜状冷凝的主要热阻。 在滴状冷凝过程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于没有液膜阻碍热流，故其 很大，是膜状冷凝的十倍左右。 工程上要保持滴状冷凝是很困难的。即使在开始阶段为滴状冷凝，但经过一段时间后，由于液珠的聚集，大部分都要变成膜状冷凝。为了保持滴状冷凝．可采用各种不同的壁面涂层和蒸汽添加剂，但这些方法还处于研究和实验中。故在进行冷凝计算时，为安全起见一般按膜状冷凝来处理。

2.液体的沸腾 （1）定义 发生在沸腾液体与固体壁面之间的传热称为沸腾传热。 （2）方式 池内沸腾：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾； 管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。

第三节 列管换热器的计算及选型 一、传热基本方程 式中 Q——传热速率，W； K——总传热系数，W/ (m2·K)； A——传热面积，m2； 第三节 列管换热器的计算及选型 一、传热基本方程 式中 Q——传热速率，W； K——总传热系数，W/ (m2·K)； A——传热面积，m2； Δtm——传热平均温度差，K； R——换热器的总热阻，K/W；

二、换热器的热负荷 换热器在单位时间内冷、热流体所交换的热量称为换热器的热负荷。 （一）热负荷与传热速率的关系 1.区别 传热速率: 换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力；主要由换热器自身的性能决定。 热负荷: 生产上要求换热器单位时间传递的热量，是由生产任务决定的。 2.联系 为确保换热器能完成传热任务，换热器的传热速率须大于至少等于其热负荷。

（二）热负荷的计算 1.热量衡算 Qh＝Qc＋QL 式中 Qh——热流体放出的热量，W； Qc——冷流体吸收的热量， W； QL——热损失， W。 2.热负荷的确定 若热损失可以忽略不计，则 Qh＝Qc 此时，热负荷取Qh或Qc均可: Q'＝Qh＝Qc 式中 Q'——换热器的热负荷，W；

3.传热量计算 （1）焓差法 Qh＝Wh（H1－H2） 或 Qc＝Wc（h2－h1） 式中 Wh、Wc——热、冷流体的质量流量，kg/s； H1、H2——热流体的进、出口焓，J/kg； h2、h1——冷流体的进、出口焓，J/kg。

（2）显热法 若流体在换热过程中没有相变化，则 Qh＝Wh cph（T1－T2） 或 Qc＝Wc cpc（t2－t1） 式中 cph、cpc——热、冷流体的定压比热容，J/(kg·K)； T1、T2——热流体的进、出口温度，K； t2、t1——冷流体的进、出口温度，K。

（3）潜热法 若流体在换热过程中仅仅发生恒温相变 Qh＝Wh rh 或 Qc＝Wc rc 式中 rh、rc——热、冷流体的汽化潜热，J/kg。

三、传热平均温度差 （一）恒温传热过程的平均传热温度差 恒温传热： 在换热过程中两流体均只发生恒温相变，热流体温度T和冷流体温度t始终保持不变的传热过程。 特 点： 各传热截面的传热温度差完全相同，并且流体的流动方向对传热温度差也没有影响。 传热温度差计算： Δtm＝T－t

（二）变温传热时的平均温度差 变温传热： 间壁一侧或两侧流体的温度沿换热器管长而变化的传热过程。 对于两侧流体的温度均发生变化的传热过程，传热平均温度差的大小还与两流体间的相对流动方向有关。

1．间壁两侧流体的相对运动方式 在间壁式换热器中，两流体间可以有四种不同的流动方式。 并流：两流体在换热器内的流动方向相同； 逆流：两流体在换热器内的流动方向相反； 错流：两流体在换热器内的流动方向垂直交叉；折流： 简单折流：一流体只沿一方向流动，另一流体先沿一个方向流动，然后折回以相反方向流动； 复杂折流：两流体均作折流，或既有折流，又有错流。

2．一侧流体变温传热 特点： 一侧恒温、一侧变温传热，各传热截面的传热温度差不同，传热温度差大小与流向无关。

3．两侧流体变温传热 冷、热流体的温度均沿着传热面发生变化，其传热温度差也是变化的，并且平均温度差的大小与两流体间的相对流动方向有关。

4．变温传热平均温度差计算 （1）一侧变温及两侧变温并、逆流时Δtm 式中 Δtm——对数平均温度差，K； Δt1、Δt2——换热器两端冷热两流体的温差，K。 一般取换热器两端Δt中数值较大者为Δt1

（2）两侧变温错流和折流时Δtm 先按逆流计算对数平均温度差Δtm逆，再乘以一个校正系数，即 Δtm＝Δtm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。

温度差校正系数 ： 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

折流过程的 算图

错流过程的 算图

5．不同流向传热温度差的比较 对于两侧变温传热，若热、冷流体的进出口温度相同，则： Δtm逆＞Δtm错，折＞Δtm并 逆流由于并流

并流适用场合： （1）热敏性物料的加热 （2）高粘度物料的加热 （3）高温换热器为避免一侧壁温过高，采用并流 错、折流特点： 使换热器结构紧凑合理，实际换热器中多采用 错流和折流

四、总传热系数 （一）总传热系数的计算 1. 总传热系数的基本公式 式中 Ao、Ai、Am——传热壁的外表面积、内表面积、 αi、αo——间壁两侧流体的对流传热膜系数， W/(m2·K)； λ ——固体间壁的导热系数， W/(m·K)； δ ——固体间壁的厚度， m

若A取Ao，则有 若A取Ai，则有 若A取Am，则有 式中 Ki、Ko、Km——基于Ao、Ai、Am的传热系数， W／(m2·K)。

2.污垢热阻的影响 污垢热阻：换热器在实际操作中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻。 通常污垢热阻比传热壁面的热阻大得多，因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。 影响污垢热阻的因素：主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。 污垢热阻通常选用经验值。

常见流体的污垢热阻

含有污垢热阻的求K公式： 式中 RS i、RS o——管内、外壁面的污垢热阻， (m2·K) / W。

求K公式的简化： 若传热壁面为平壁或薄管壁时，Ao、Ai、Am相等或近似相等，则

（二）总传热系数的现场测定 对于已有换热器，传热系数K可通过现场测定法来确定。具体方法如下。 ①现场测定有关的数据(如设备的尺寸、流体的流量和进出口温度等)； ②根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差Δtm和传热面积A； ③由传热基本方程计算K值。 实测K值，不仅可以为换热器计算提供依据，而且可以帮助分析换热器的性能，以便寻求提高换热器传热能力的途径。

（三）总传热系数的经验值

五、列管式换热器的选型 （一）列管式换热器选型时应考虑的问题 1．流动空间的选择 2．流速的选择 3．加热剂(或冷却剂)进、出口温度的确定方法 4．列管类型的选择 5．单程与多程 6．管子规格 7．流体通过换热器的流动阻力(压力降)的计算

（二）列管式换热器选型的步骤 1．根据换热任务，确定两流体的流量，进出口温度，操作压力，物性数据等。 2．确定换热器的结构形式，确定流体在换热器内的流动空间。 3．计算热负荷，计算平均温度差，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S实，以及在S实下所需的传热系数K需。 4．压力降校核 5．核算总传热系数 6．计算传热面积S需，再与换热器的实际换热面积S实比较，若S实/S需在1.1～1.25之间（也可以用K计/K需），则认为合理，否则需另选K选，重复上述计算步骤，直至符合要求。

（三）列管式换热器的型号与规格 1．基本参数 列管换热器的基本参数主要有： ①公称换热面积SN；②公称直径DN；③公称压力pN；④换热管规格；⑤换热管长度L；⑥管子数量n；⑦管程数Np；等等。 2．型号表示方法 列管换热器的型号由五部分组成。    — — 1 2 3 4 5 1——换热器代号； 2——公称直径DN，mm； 3——管程数Np，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ； 4——公称压力pN，MPa； 5——公称换热面积SN，m2。

实训:换热器的操作 一、传热速率影响因素分析 从传热速率基本方程Q＝KAΔtm可以看出，传热速率与传热面积A、传热温度差Δtm以及传热系数K有关，因此，改变这些因素，均对传热速率有影响。

1．传热面积 增大传热面积，可以提高换热器的传热速率，但是，增大传热面积不能靠简单地增大设备规格来实现，因为，这样会使设备的体积增大，金属耗用量增加，设备费用相应增加。实践证明，从改进设备的结构入手，增加单位体积的传热面积，可以使设备更加紧凑，结构更加合理，目前出现的一些新型换热器，如螺旋板式、板式换热器等，其单位体积的传热面积便大大超过了列管换热器。同时，还研制出并成功使用了多种高效能传热面，如带翘片的传热管，便是工程上在列管换热器中经常用到的高效能传热管，它们不仅使热表面有所增加，而且强化了流体的湍动程度，提高了α，使传热速率显著提高。

2．传热温度差 增大传热平均温度差，可以提高换热器的传热速率。传热平均温度差的大小取决于两流体的温度大小及流动形式。一般来说，物料的温度由工艺条件所决定，不能随意变动，而加热剂或冷却剂的温度，可以通过选择不同介质和流量加以改变。 例如：用饱和水蒸汽作为加热剂时，增加蒸汽压力可以提高其温度；在水冷器中增大冷却水流量或以冷冻盐水代替普通冷却水，可以降低冷却剂的温度，等等。但需要注意的是，改变加热剂或冷却剂的温度，必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。另外，采用逆流操作或增加壳程敷，均可得到较大的平均传热温度差

3．传热系数 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。

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。 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。

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α值。当两α相差很大时，例如用水蒸气冷凝放热以加热空气，则1/K≈1/α小，此时欲提高K值，关键在于提高α小的那一侧流体的α。若αi与α0较为接近，此时，必须同时提高两侧的α，才能提高K值。

在列管换热器中，为提高α，对于无相变对流传热，通常采取如下具体措施： ①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α，但当程数增加时，流动阻力会随之增大，故需全面权衡； ②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α。

实训:开、停车操作及异常现象处理 传热装置流程图 ●开车步骤 ●停车步骤 在停车时，应先停热流体，后停冷流体，并将壳程及管程内的液体排净，以防换热器冻裂和锈蚀。

●异常现象及处理方法 异常现象 原 因 处理方法 传热效率 下降 1、列管结垢或堵塞 2、管道或阀门堵塞 3、不凝气或冷凝液增多 原 因 处理方法 传热效率 下降 1、列管结垢或堵塞 2、管道或阀门堵塞 3、不凝气或冷凝液增多 1、清理列管或除垢 2、清理疏通 3、排放不凝气或冷凝液 列管和胀口渗漏 1、列管腐蚀或胀接质量差 2、壳体与管束温差太大 3、列管被折流板磨破 1、更换新管或补胀 2、补胀 3、换管 振动 1、管路振动 2、壳程流体流速太快 3、机座刚度较小 1、加固管路 2、调节流体流量 3、加固 管板与壳体 连接处 有裂纹 1、腐蚀严重 2、焊接质量不好 3、钱壳歪斜 1、鉴定后修补 2、清理补焊 3、找正

实训:换热器仿真实训 ●训练目标 掌握换热器的仿真操作。 ●训练准备 了解工作原理、熟悉操作流程 ●训练步骤 （一）冷态开车 （二）正常运行 （三）正常停车