四位一体多功能传热培训装置操作规程新Word文件下载.docx

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实验：

能够完成基本传热实验，根据测试物系出口温度的要求，控制适宜物料流量，使物料的出口温度合格；

实训：

本培训装置是工厂生产设备的室内版，其设备配置和操作方式与工厂完全一致，通过实际操作，学生可以切实体会工厂的开车前准备、正常开车和正常停车的操作步骤。

本培训装置设计2个换热器，能够训练学生进行换热器的切换操作。

装置还设计了冷凝液体排放的干扰、水蒸汽中加入不凝气体的干扰和水蒸汽进料量的干扰，通过引入干扰模拟实际操作中的异常情况，训练学生识别和处理操作故障的能力。

技能鉴定：

应用本装置能够考核学生列管式换热器的基本操作能力，识别列管式换热器常见操作故障的能力。

可满足分级鉴定要求。

传热实训装置操作规程

一、实训目的

1.认识传热设备结构

2.认识传热装置流程及仪表

3.掌握传热装置的运行操作技能

4.学会常见异常现象的判别及处理方法

二、生产工艺过程

传热，即热量传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。

热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，故在几乎所有工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。

化学工业与传热的关系尤为密切，这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热或冷却，例如，化学反应通常都是在一定温度下进行的，为此就需要向反应器输入或移出热量以使其达到并保持在一定的温度；

化工设备的保温，生产过程中热能的合理应用以及废热的回收等都涉及传热问题。

所以，化工生产中对传热过程的要求主要有以下两种情况：

其一是强化过程传热，如各种换热设备中的传热；

其二是削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少损失。

（一）传热的基本原理

1.传热的基本方式

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：

热传导、对流传热和辐射传热，但根据具体情况，热量传递可以以其中一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。

在无外功输入时，静的热流方向总是由高温处向低温处流动。

1.1热传导（又称导热）

热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程叫热传导，简称导热，热传导在固体、液体和气体中都可以发生。

1.2对流传热

对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在有流体流动的场合，在化工生产中经常遇见到的对流传热有热能由流体传到固体壁面或由固体壁面传入周围流体两种，对流传热可以由强制对流引起，亦可以由自然对流引起，前者是将外力（泵或搅拌器）施加于流体上，从而使流体微团发生运动；

而后者则是由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的循环流动。

1.3辐射传热

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。

热辐射与热传导和对流传热的最大的区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。

图1套管式换热器

工业上经常遇到的是两流体间的换热问题。

换热器是化工生产传热过程中最常用的设备之一，右图为简单套管式换热器，它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的，冷热流体分别流经内管和环隙，而进行热的传递。

在管壳式换热器中，一种流体在管内流动（管程流体），而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过（壳程流体），为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。

视换热器端部结构的不同，可采用一个或多个管程。

若管程流体在管束内只流过一次，则称为单程管壳式换热器。

换热器的传热一般是通过热传导和热对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示。

传热速率Q是指单位时间内通过传热面的热量，其单位为W。

热通量则是指单位面积的传热速率，其单位为W/m2。

由于换热器的传热面积可以用圆管的内表面积、外表面积或平均面积表示，因此相应的热通量的数值各不相同，计算时应标明选择的基准面积。

2.换热器传热系数及其准数关联式的测定

2.1对流传热速率方程

根据传递过程普遍关系，壁面与流体间的对流传热速率应该等于推动力和阻力之比，即

若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为：

式中，dQ——局部对流传热速率，W

dS——微分传热面积，m2

t——换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃

tw——换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃

——比例系数，又称局部对流传热系数，W/（m2℃）

2.2对流传热系数的测定

在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。

对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

（1）

式中：

—管内流体对流传热系数，W/（m2·℃）；

Qi—管内传热速率，W；

Si—管内换热面积，m2；

—内壁面与流体间的温差，℃。

由下式确定：

（2）

t1，t2—冷流体的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃；

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示。

管内换热面积：

（3）

di—内管管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。

由热量衡算式：

（4）

其中质量流量由下式求得：

（5）

—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；

—冷流体的定压比热，kJ/（kg·

℃）；

—冷流体的密度，kg/m3。

和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。

t1，t2，tw，可采取一定的测量手段得到。

2.3对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

.（6）

其中：

，，

物性数据、、、可根据定性温度tm查得。

经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

（7）

这样通过实验确定不同流量下的与，然后用线性回归方法确定A和m的值。

（二）不同形式的换热器

1.套管式换热器

套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成。

在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。

另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。

图2套管式换热器

套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数目）。

特别是由于套管换热器同事具备传热系数大、传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为300MPa的高压聚乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式。

2.管壳式换热器

管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。

在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；

一种在管外流动，其行程称为壳程。

管束的壁面即为传热面。

图3列管式换热器

为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。

折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。

图4流体的折流及折流挡板的形式

流体在管内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。

为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。

这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。

同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。

在管壳式换热器内，由于管内外温度不同，壳体和管束的温度也不同。

如两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲、断裂或从管板上松脱。

因此，当管束和壳体温度差超过50℃时，应采取适当的温度补偿措施，消除或减小热应力。

根据所采取的温差补偿措施，换热器可分为以下几种主要类型：

固定管板式当冷、热流体温差不大时，可采用固定管板即两端管板与壳体制成一体的结构形式。

这种换热器结构简单成本低，但壳程清洗困难，要求管外流体必须是清洁而不易结构的。

当温差稍大而壳体内压力又不太高时，可在壳体壁上安装膨胀节以减小热应力。

浮头式换热器这种换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动，这种结构不但完全消除了热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

因此，浮头式换热器是应用较多的一种结构形式，尽管其结构比较复杂、造价亦较高。

U形管式换热器U形管式换热器的每根换热管都弯成U形，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头以隔板分成两室。

这样，每根管子皆可自由伸缩，而与外壳无关。

在结构上U形管式换热器比浮头式简单，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结构的流体，如高压气体的换热。

3.板式换热器

板式换热表面可以紧密排列，因此各种板式换热器都具有结构紧凑、材料消耗低、传热系数大的特点。

这类换热器一般不能承受高压和高温，但对于压强降低、温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场合，板式换热器显示出更大的优越性。

板式换热器最初用于食品工业，20世纪50年代逐渐推广到化工等其它工业部门，现已发展成为高效紧凑的换热设备。

图5板式换热器流向示意图

板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。

图5所示为矩形板片，其上四角开有圆孔，形成流体通道。

冷热流体交替的在板片两侧流过，通过板片进行换热。

板片厚度为0.5～3mm，通常压制成各种波纹形状，即增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高传热系数。

板式换热器的主要有点：

①由于流体在板片间流动湍动程度高，而且板片厚度又薄，故传热系数大；

②板片间隙小，结构紧凑，单位容积所提供的传热面大，金属耗量可减少一半以上；

③具有可拆结构，操作灵活性大，清洗方便。

（二）物料流向及能量平衡

本实验所采用的换热器分别为单管程列管换热器、套管换热器和板式换热器，冷空气走管程，水蒸汽走壳程，通过逆流间壁式接触来达到换热的目的。

空气由旋涡气泵提供，经过换热器加热之后放空。

水蒸汽由蒸汽发生器提供，在蒸汽分配器内缓冲之后进入换热器壳程，与空气换热之后冷凝成液体，通过疏水器阀组排污。

热流体以汽化潜热的方式将热量传递给管壁，之后热量以热传导方式由管壁的外侧传递至内侧，传递至内侧的热量又以对流方式传递给冷流体。

操作稳定之后，在整个换热器中，在单位时间内，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。

（三）带有控制点的工艺及设备流程图

图6空气－水蒸汽传热实训装置