模块3传热操作教案.docx
《模块3传热操作教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块3传热操作教案.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模块3传热操作教案
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2009年3月出版。
【教案目标】
1．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。
【教案重点、难点】
重点：
换热器的基本结构
难点：
各种换热器的特点
【教案方法】
采用项目教案法，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”的教案过程，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案目标。
【学时安排】8学时
【教案建议】
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。
【教案过程】
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。
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？
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
特点
应用
固定管板式换热器
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
优点是结构简单、紧凑、管内便于清洗。
缺点是壳程不能进行机械清洗，且当壳体与换热管的温差较大<＞50℃）时产生的温差应力具有破坏性，需在壳体上设置膨胀节
适用于壳程流体清洁且不结垢，两流体温差不大或壳程压力不高的场合
浮头式换热器
如图3-3所示，一端管板不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头
优点是壳体或换热管受热膨胀时，互不约束，消除了热应力；管束可以从壳体内抽出，便于清洗。
缺点是结构复杂，造价高
适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合
U形管式换热器
如图3-4所示，只有一个管板，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
填料函式换热器
管板只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封，管束可以自由伸缩，不会产生热应力
优点是结构较简单，造价低；管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗，维修方便。
缺点是填料函耐压不高<＜4.0MPa）；壳程介质会通过填料函外漏
适用于管壳程温差较大或介质易结垢，需要经常清洗，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3-4U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
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。
图3-12热管换热器
特点：
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。
【教案目标】
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。
【教案重点、难点】
重点：
换热器传热系数的测定
难点：
换热器的计算
【教案方法】
采用项目教案法，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”的教案过程，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案目标。
【学时安排】8学时
【教案建议】
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。
【教案过程】
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
<3-1）
式中Q——导热速率，即单位时间内传导的热量，W；
——导热系数，W/A——垂直于导热方向的导热面积，m2；
t1，t2——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
<3-2）
表明单层平壁热传导时，其导热热阻R为
<3-3）
式中R——导热热阻，K/W；
Δt——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：
<3-4）
式中t1、t4表示三层平壁的最高和最低温度，
、
、
和
、
、
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1500℃和300℃，壁材料的导热系数
＝0.815＋0.00076t[W/解已知t1=1500℃,t2=300℃
壁的平均温度
℃
壁的平均导热系数为：
W/故
W/m2
<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。
在导热过程中，固体壁面温度沿传热方向发生变化，其导热系数也相应变化，通常使用平均导热系数，即取壁面两侧温度下
的平均值或平均温度下的
值。
<3）圆筒壁中的导热
与平壁热传导不同点是导热面积沿着半径的方向逐渐变化。
单层圆筒壁导热速率公式为
<3-5）
式中r1、r2——圆筒的内、外半径，m；
t1、t2——圆筒壁内、外表面温度，且t1＞t2，K；
L——圆筒的长度，m。
【例3-2】φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。
为了减少热损失，在管外保温。
第一层是50mm厚的氧化镁粉，平均导热系数为0.07W/若管内壁温度为160℃。
石棉层外表面温度为30℃，试求每M管长的热损失及两保温层界面处的温度。
解：
已知：
℃,
℃
，
，
，
W/W/查钢管的导热系数
W/所以
℃
℃
2．对流传热
在间壁式换热器内，热量自热流体传至固体壁面，或自固体壁面传至冷流体，传热方式既有对流又伴随热传导，项目上把流体与壁面之间的热量传递统称为对流传热，又称给热。
<1）对流传热的温度分布
当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一层流内层存在，在层流内层和湍流主体之间有一过渡层，如图3-15所示。
图3-15对流传热温度分布
在湍流主体内，热量传递主要依靠涡流传热，其热阻很小，传热速率极快。
而在层流内层中，热量传递主要依靠热传导进行。
因为流体的导热系数很小，故热阻主要集中在层流内层中，即温度差也主要集中在该层内。
因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。
<2）对流传热的基本方程——牛顿冷却定律
=
<3-7）
式中Q——对流传热速率，W；
——对流传热膜系数<或对流传热系数、给热系数），W/A——对流传热面积，m2；
Δt——流体与壁面间温度差的平均值，℃。
当流体被加热时，Δt＝t壁－t；当流体被冷却时，Δt＝t－t壁；
R＝1/（
A>——对流传热热阻，K/W。
从牛顿冷却定律可以看出，在传热面积和流体与壁面间温度差一定的情况下，增大对流传热膜系数
，便可以提高对流传热速率。
<3）对流传热膜系数
越大，说明对流强度越大，对流传热热阻越小。
影响
的因素：
①对流的成因
②流体的性质
③相变情况有相变时流体的
较无相变时的为大。
④流体的运动状态流体的湍动程度越高，层流内层的厚度越薄，
越大。
⑤传热壁面的形状、布置及尺寸
二、换热器的计算
1．传热基本方程
Q＝KAΔtm<3-8）
式中Q—一传热速率，W；
K——总传热系数，W/A——传热面积，m2；
Δtm——传热平均温度差，K。
对于一定的传热任务，确定换热器所需传热面积是选择换热器型号的核心。
传热面积由传热基本方程计算确定。
由式<3-6）得
<3-9）
2．换热器的热负荷
<1）热负荷与传热速率
传热速率是换热器单位时间内能够传递的热量，是换热器的生产能力，热负荷是换热器的生产任务。
换热器的传热速率须大于至少等于其热负荷。
<2）热负荷的确定
对于间壁式换热器
QT＝Qt<3-10）
式中QT——单位时间内热流体放出的热量，W；
Qt——单位时间内冷流体吸收的热量，W。
热负荷可用如下方法确定。
①焓差法
QT＝qmTQt＝qmt式中qmt，qmT——冷、热流体的质量流量，kg/s。
；
H1，H2——热流体的进、出口的质量焓，J/kg；
h1、h2——冷流体的进、出口的质量焓，J/kg。
②显热法
流体在换热过程中没有相变化，且流体的比热容可视为常数时，
QT＝qmTCpTQt＝qmtCpt式中Cpt、CpT——冷、热流体的定压比热容，J/T1、T2——热流体的进、出口温度，K；
t1、t2——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，
QT＝qmTrT<3-15）
Qt＝qmtrt<3-16）
式中rt、rT——冷、热流体的汽化潜热，J/kg
3．传热平均温度差
冷、热两流体在传热过程中的温度变化情况不同，传热平均温度差的大小及计算也不同。
<1）恒温传热时的平均温度差
当两流体在换热过程中均发生相变时，热流体温度T和冷流体温度t始终保持不变，称为恒温传热。
此时，
Δt＝T－t<3-17）
<2）变温传热时的平均温度差
当换热器间壁一侧或两侧流体的温度沿换热器管长而变化，称为变温传热。
①一侧流体变温传热
图3-16一侧变温传热过程的温差变化
②两侧流体变温传热
图3-17两侧变温传热过程的温差变化
两流体间的四种不同的流动方式：
并流、逆流、错流、折流。
图3-18错流和折流
套管式换热器中可实现完全的并流或逆流。
列管式换热器中，为了强化传热等原因，两流体并非作简单的并流和逆流，而是比较复杂的错流或折流。
③传热平均温度差的计算
<3-18）
式中Δtm——对数平均温度差，℃；
Δt1，Δt2——换热器两端冷、热流体的温度差，℃。
式<3-16）对于各种变温传热都适用。
在计算时注意，一般取换热器两端Δt中数值较大者为Δt1，较小者为Δt2。
【例3-3】在列管式换热器内，热流体温度由180℃冷却到140℃，冷流体由60℃上升到120℃。
若冷流体流量为4000kg/h，平均比热容为3kJ/<1）两流体做逆流和并流时的平均温度差；<2）若逆流和并流时的传热系数K均为280W/解：
<1）传热平均温度差
逆流时热流体温度180℃→140℃
冷流体温度120℃←60℃
两端温度差60℃80℃
所以
℃
并流时热流体温度180℃→140℃
冷流体温度60℃→120℃
两端温度差120℃20℃
所以
℃
<2）所需传热面积
热负荷
W
逆流时
并流时
4．总传热系数
传热系数越大，传热热阻越小，则传热效果越好。
<1）总传热系数的计算
间壁式换热器
<3-19）
式中Ko——基于管外径的传热系数，W/do、di、dm——传热管的外径、内径、平均管径，m；
——圆筒壁的厚度，m；
——导热系数，W/<2）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。
<3）总传热系数的经验值——借助工具手册选取
【作业】
复习题
计算题
项目3换热器的操作
【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。
【教案目标】
1．通过换热器岗位操作实训，掌握列管式换热器的基本操作技能。
2．学会换热器的选型、换热器在运行中常见故障的判断与排除方法。
【教案重点、难点】
重点：
列管式换热器的基本操作
难点：
换热器运行中的故障判断
【教案方法】
采用项目教案法，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”的教案过程，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案目标。
【学时安排】8学时
【教案建议】
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。
【教案过程】
一、导入
换热器是化工生产中的主要设备之一，可以用于加热、冷却、冷凝等不同场合。
只有规范正确地操作，才能使其安全运行，发挥更好的效能。
二、教师讲授及演示实训步骤
1．布置实训任务：
列管式换热器的启动、正常运行和停车操作，常见故障的判断与排除，以及维护保养。
2．演示换热器操作，强调操作要点。
图3-19列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——传热操作——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、列管式换热器的选型
学生自学讨论内容
1．列管式换热器选型时需考虑的问题。
<1）流动空间的选择原则是什么？
<2）流速的选择需考虑哪些方面？
<3）加热剂<或冷却剂）进、出口温度如何确定？
<4）管壳形式怎样选择？
<5）管子规格怎样选择？
2．列管式换热器的型号与规格怎样表示？
3．列管式换热器选型的步骤。
二、换热器的操作
1．传热速率的影响因素
从传热速率基本方程Q＝KAΔtm可以看出，传热速率Q与传热面积A、传热温度差Δtm以及传热系数K有关。
<1）传热面积
增大传热面积，可以提高换热器的传热速率。
方法：
不能靠简单地增大设备规格；
改进设备的结构；
采用高效能传热管。
<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。
通过选择不同介质和流量改变加热剂或冷却剂的温度；
采用逆流操作或增加壳程数。
<3）传热系数
增大传热系数，可以提高换热器的传热速率。
降低换热器的总热阻，设法减小占比例较大的分热阻，如减小污垢热阻；
采用多管程结构，并在壳程中装设折流挡板，强化对流传热；
对于冷凝传热，及时排除不凝性气体；
对于沸腾传热，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K值。
学生自学讨论内容
4．换热器的基本操作
<1）化工生产采用蒸汽、热水、烟道气、导热油加热时应怎样保证正常操作？
<2）化工生产采用水、空气、冷冻盐水进行冷却时应怎样保证正常操作？
<3）冷凝操作时应怎样保证正常操作？
<4）列管式换热器使用时应注意哪些方面？
<5）板式换热器使用时应注意哪些方面？
<6）怎样对换热器进行清洗？
5．换热器常见故障及处理方法。
<列管式换热器、板式换热器）
【作业】
复习题
7．分析并比较下列各组概念的联系与区别
热传导导热系数并流
对流传热系数逆流
辐射对流传热系数错流
对数平均温差管程传热面积热负荷传热推动力
算术平均温差壳程流通面积传热速率传热阻力
本模块理论知识结构
换热器的分类
认识换热器
传热操作
间壁式换热器的结构
传热的基础知识
换热器传热系数测定
换热器的计算
列管式换热器的选型
换热器操作
换热器操作
升级会员 