传热电子教案Word下载.docx

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本课程的考核分成过程考核与终结性考核两块。

过程考核就是同学在学习、训练过程中的态度、表现、任务单完成质量、操作结果、提问与回答问题情况等产生的成绩，占总成绩的25%；

终结性评价是最后的操作项目抽考和笔试，操作考核成绩占总成绩的25%，笔试成绩占总成绩的50%。

（三）子任务1-1丙烯酸预热方案的制定-1

1.任务提出：

认识工业上常用的换热方法、原理及适用情况，选用合适的换热器类型，发工程师引领的任务单1-1-1。

（5分钟）

2.分组完成：

各班组借助教材、工程手册等，通过自主学习、讨论、分析、归纳、整理等过程，逐步完成任务单内容，并学习到相应的知识，掌握相应的能力。

教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。

（30分钟）

3.集中汇报与小组互评：

（1）集中汇报，各班组上来汇报并展示成果。

（2）各班组相互点评。

4.教师点评与总结：

（20分钟）

（1）传热在化工生产中的应用

化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：

一是强化传热，在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用；

另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失。

（2）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。

（3）冷、热流体的工业换热方式

①直接接触式换热；

②蓄热式换热；

③间壁式换热

5.分组完成：

各班组借助教材、传热实训室中各种传热设备，完成任务单中认识常见换热器结构、操作原理及流程部分（40分钟）

6.集中汇报与小组互评：

7.教师点评与总结：

点评（常用换热装备的特点、结构和适用场合）。

（1）管式换热器：

管壳式换热器、套管式换热器、蛇管换热器、翅片管换热器

（2）板式换热器：

夹套换热器、平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器

（3）热管换热器

根据换热器的特点、适用情况，再结合丙烯酸生产的特点，选用固定管板式换热器。

（四）布置任务（5分钟）

加热剂的选用及用量的确定

在丙烯酸甲酯的生产过程中，丙烯酸预热工段需将每小时1841.36kg原料丙烯酸从25℃预热到75℃

需要完成的能力训练任务1-1：

丙烯酸预热方案的制定-2

1-2：

预热器的选型-1

能根据工艺要求制定丙烯酸预热方案——选用加热剂并确定用量；

能根据工艺要求选用换热器形式及规格。

（一）课外任务完成情况汇报

1.任务回顾：

以教师引导、提问的方式回顾项目的进展，及涉及的知识点，如工业换热方式、常见换热器（10分钟）

2.任务汇报：

各班组展示与汇报课外任务——加热剂的选用及用量的确定；

提出完成课外任务是的问题和困惑，教师记录。

3.任务评估：

教师点评，知识归纳、指导。

（40分钟）

（1）工业加热载体和冷却剂

①载热体的选用原则

②常用加热剂和加热方法

（2）热负荷及传热量

①热负荷与传热速率

热负荷是由生产工艺条件决定的，是换热器的生产任务。

为确保换热器能完成生产任务，必须使其传热速率等于（或略大于）热负荷。

在实际设计换热器时，通常将传热速率和热负荷数值上认为相等。

②热量衡算与热负荷的确定

Qh＝Qc＋QL

当热损失忽略不计时，则：

QL=0，此时，热负荷取Qh或Qc均可。

当QL≠0时，热负荷取Qh还是Qc，需根据具体情况而定。

（3）传热量的计算

①焓差法Qh=Wh（H1－H2）Qc=Wc（h2－h1）

焓差法计算传热量较为简便，但仅适用于流体的焓值可查取的情况。

②显热法若流体在换热过程中没有相变，且流体的比热容可视为常数或可取为流体进出口平均温度下的比热容时，其传热量可按下式计算：

Qh=Whcph（T1－T2）Qc=Wccpc（t2－t1）

③潜热法若流体在换热过程中仅仅发生恒温相变，其传热量可按下式计算：

Qh=WhrhQc=Wcrc

④两步法若流体在换热过程中既有相变又有温变时，则可用两种方法联合起来求取其热量，称为“两步法”。

对温变过程采用显热法计算、恒温相变过程采用潜热法计算，总热量为两者之和。

（二）子任务1-2预热器的选型-1

根据上次分析的工作过程，在确定了使用固定管板式换热器后，请大家再确定具体的换热器规格，先要计算出平均温度差和传热面积，发放引领任务单1-2-1（5分钟）

2.任务计划与实施：

各班组借助教材、工程手册等参考资料等来完成确换热器的初步选型，教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。

3.任务交流与讨论：

1）集中汇报，抽2组进行汇报。

（10分钟）

2）各班组互评。

4.任务评估：

教师点评，归纳总结与重、难点知识提示。

（35分钟）

（1）平均温度差计算

①恒温传热过程的传热平均温度差

当冷、热两流体在换热过程中均只发生恒温相变时

Δtm=T－t

②变温传热过程的传热平均温度差

（2）变温传热过程的传热平均温度差

①并、逆流时的传热平均温度差

逆流时：

Δt1=T1－t2，Δt2=T2－t1

并流时：

Δt1=T1－t1，Δt2=T2－t2。

当换热器两端温度差Δt1/Δt2≤2时，可近似用算术平均值来代替对数平均值，即

②错、折流时的传热平均温度差

Δtm=φ⊿t·

Δtm′

式中φ⊿t称为温差校正系数，φ⊿t＝f（R、P）

③不同流向传热温度差的比较

一侧恒温、一侧变温　此种情况下，平均温度差的大小与流向无关，即Δtm逆＝Δtm并＝Δtm错、折，φ⊿t＝1.0。

两侧均变温此种情况下，若热、冷流体的进出口温度相同，平均温度差以逆流时最大，并流时最小，即Δtm逆>

Δtm错、折>

Δtm并。

（3）传热面积

在化工生产中使用广泛的套管式和列管式换热器，其面积可按下式计算：

S＝nπdL

（三）布置作业：

继续完成初选换热器的规格（5分钟）

在丙烯酸甲酯的生产过程中，预热工段需将每小时1841.36kg原料丙烯酸从25℃预热到75℃

需要完成的能力训练任务1-2：

预热器的选型-2

1.任务汇报与讨论：

各班组展示与汇报课外任务——换热器规格的确定。

2.任务评估：

（1）管壳式换热器的标准

我国对列管式换热器的分类与设计是按照GBl51《钢制管壳式（即列管式）换热器》进行的。

3.任务整改：

修改任务单，教师巡回指导、答疑。

（二）子任务1-2预热器的选型-2

1.布置任务：

前面我们已经确定了换热器的规格，下面我们要通过计算来核算换热器压降，核算传热系数K和传热面积，看看所选用的换热器是否合用。

发放引领任务单1-2-2（5分钟）

各班组借助教材、工程手册等参考资料等来完成确换热器的核算，教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。

（60分钟）

教师点评。

（55分钟）

（1）总传热系数

①传热面为平面时K的计算当传热面为平面时，S=Si=Sm=So，则上式可简化为：

②传热面为圆筒壁时K的计算

以换热管外表面为传热基准面：

或

（2）流体通过换热器的阻力（压力降）计算

对选用合理的换热器而言，管、壳程流体的压力降一般应控制在：

液体为10～100kPa，气体为1～10kPa。

①管程压力降

管程总阻力的计算式为：

回弯管阻力由经验式估算：

②壳程压力降

（三）布置作业（5分钟）

1．修改换热器规格选用方案；

2.学习保温知识。

所需完成的能力训练任务1-3:

预热器出口管路的保温

1-4：

预热操作-1

通过丙烯酸蒸汽管的保温及常见换热器的操作训练，使学生掌握传热基本理论，培养学生节能、环保意识，谨慎操作、安全操作的职业素质。

（一）子任务1-3预热器出口管路的保温

1.回顾与告知：

项目任务及进展（5分钟）

2.任务汇报与讨论：

各班组展示与汇报课外任务——选用蒸汽管的保温材料及保温层厚度的确定。

（1）热传导

①导热基本定律——傅立叶定律

注意：

温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，它的正方向是指向温度增加的方向。

②热导率：

=f（结构、组成、密度、温度、压力）

常用物质的热导率通常由实验测定。

金属固体>

非金属固体>

液体>

气体

③傅立叶定律的应用

单层平壁导热：

或

多层平壁导热：

单层圆筒壁导热：

多层圆筒壁导热：

（2）设备和管道的热损失与绝热

①设备和管道的绝热保温

（a）保温层结构及基本要求通常采用的保温结构由保温层和保护层构成。

有的保温结构中还装有伴热管。

工业上在选择保温材料时，对性能与结构要求如下：

热导率低；

材料密度合适；

有足够的机械强度；

吸水率小；

使用温度能满足工艺要求；

化学稳定性好；

结构简单，材料消耗量小，价格低廉、施工方便。

（b）保温的理论计算

若设保温层内壁温度（即管内流体温度）为T0，外壁温度为Tw，周围大气温度为Tf，保温层内外直径分别为Di和Do，保温材料的热导率为λ。

对于平壁（当D≥1m时可看作平壁），有下面的形式：

（c）绝热保温层厚度的确定保温层厚度的计算比较复杂，一般可以根据保温材料热导率、介质温度及管径来确定：

（3）化工生产中的节能途径

节约能源，总的来说，应从两方面着手：

一是提高管理水平，二是依靠技术进步。

从具体措施上看，可以概括为以下几个方面:

①充分回收工艺过程中的废热

②合理使用不同质级的热能

③加强管理，落实措施，减少热损

（二）子任务1-4预热操作-1

1.布置任务：

根据自选的换热器，分组在实训室现场摸工艺流程，并递交工艺流程图；

上网查阅丙烯酸甲酯生产用换热器的操作注意事项，各组结合现场初拟安全操作规程。

2.分组操作训练：

（1）摸清操作流程

（2）画流程图

（3）编写操作规程

3.点评与总结（10分钟）

实训装置的工作介质为水或蒸汽。

由水泵从贮水罐中送出的冷水作为冷载热体，蒸汽发生器产生的蒸汽一方面提供给固定管板式换热器，作为一种热载热体，另一方面蒸汽通过直接换热以及夹套换热，产生热水，作为另一种热载热体，由热水泵送出，在各种换热器中进行换热。

该装置的所有换热器，均能进行冷热流体的流量控制以及冷热流体的温度测定，对于列管式换热器可以测定列管的壁温，从而测定传热系数；

对列管式换热器，我们还设置了温度的自动控制装置，实训时学员可根据加热蒸汽的温度、冷流体的进口温度与流量以及所要求达到的出口温度等条件，选择换热操作方式，并通过电动调节阀自动调节加热蒸汽的流量。

该装置的固定管板式换热器，当用水蒸汽与冷水进行换热时，水蒸汽可以通过阀门的切换，使水蒸汽从换热器的上部进入换热器，也可以使水蒸汽从换热器的下部进入换热器，从而比较两种操作方式下的换热效果；

还可以在水蒸汽中加入压缩空气，从而比较不凝性气体对换热效果的影响。

当用热水作为热载热体与冷水换热时，可以通过阀门的切换，使冷热流体在并流和逆流两种流向的情况下，比较并流和逆流的换热效果。

4.任务整改（10分钟）

修改工艺流程图和草拟的安全操作规程

（三）布置任务（5分钟）

1．根据绘制换热器的工艺流程图和操作规程，学习常用的温度检测仪表相关知识

2.换热效果的控制影响因素

所需完成的能力训练任务1-4:

预热操作-2

通过换热器的操作训练，培养学生节能、环保意识，谨慎操作、安全操作的职业素质。

（一）子任务1-4预热操作-2

1.布置任务：

丙烯酸预热操作（5分钟）

2.任务实施：

各班组按照修订的操作规程进行换热操作，对各操作参数进行操控，并达到规定的工艺要求。

教师巡回检查、答疑。

（80分钟）

3.任务汇报与互评：

换热器的常见故障处理及日常维护。

4.教师点评：

总结、归纳。

表列管换热器的常见故障及处理方法

故障名称

产生原因

处理方法

传热效率下降

①列管结疤和堵塞

②壳体内不凝气或冷凝液增多

③管路或阀门有堵塞

①清洗管子

②排放不凝气或冷凝液

③检查清理

发生振动

①壳程介质流速太快

②管路振动所引起

③管束与折流板结构不合理

④机座刚度较小

①调节进汽量

②加固管路

③改进设计

④适当加固

管板与壳体连接处发生裂纹

①焊接质量不好

②外壳歪斜，连接管线拉力或推力大

③腐蚀严重，外壳壁厚减薄

①清除补焊

②重新调整找正

③鉴定后修补

管束和胀口渗漏

①管子被折流板磨破

②壳体和管束温差过大

③管口腐蚀或胀接质量差

①用管堵堵死或换管

②补胀或焊接

③换新管或补胀

管子的腐蚀、磨耗

①污垢腐蚀

②流体为腐蚀性介质

③管内壁有异物积累，发生局部腐蚀

④管内流速过大，发生磨损；

流速过小，则异物易附着管壁产生电位差而导致腐蚀

⑤管端发生磨损

①定期进行清洗

②提高管材质量，如果缺乏适宜的材料，要增加管壁厚度或者在流体中加入腐蚀抑制剂

③在流体入口前设置滤网、过滤器等将异物除去

④使管内流速适当

⑤在管入口端插入2mm长的合成树脂等保护管

5.任务再实施：

再次进行换热操作，要求：

操作正确，“6S”模式整理实训现场。

（二）布置任务：

常用的温度检测仪表相关知识。

预热操作-3

（一）子任务传热实训室预热操作

各班组按照操作规程进行换热操作，对各操作参数进行操控，并达到规定的工艺要求。

（85分钟）

（二）子任务换热器DCS操作

1.告知：

换热器DCS操作（5分钟）

2.任务计划与实施：

同学们在电脑上按照操作规程进行换热器DCS的开停车以及事故处理的操作，教师巡回检查、答疑。

（70分钟）

3.任务交流与点评：

同学们展示阐述操作中出现的问题，教师点评指导。

换热器常见事故及处理：

（1）FIC101阀卡

主要现象：

①FIC101流量减小。

②P101泵出口压力升高。

③冷物流出口温度升高。

事故处理：

关闭FIC101前后阀，打开FIC101的旁路阀（VD01），调节流量使其达到正常值。

（2）P101A泵坏

主要现象：

①P101泵出口压力急骤下降。

②FIC101流量急骤减小。

③冷物流出口温度升高，汽化率增大。

关闭P101A泵，开启P101B泵。

（3）P102A泵坏

①P102泵出口压力急骤下降。

②冷物流出口温度下降，汽化率降低。

事故处理：

关闭P102A泵，开启P102B泵。

（4）TV101A阀卡

①热物流经换热器换热后的温度降低。

②冷物流出口温度降低。

事故处理:

关闭TV101A前后阀，打开TV101A的旁路阀（VD01），调节流量使其达到正常值。

关闭TV101B前后阀，调节旁路阀（VD09）。

（5）部分管堵

①热物流流量减小。

②冷物流出口温度降低，汽化率降低。

③热物流P102泵出口压力略升高。

停车拆换热器清洗。

（6）换热器结垢严重

热物流出口温度高。

（三）布置任务：

1.B线项目

2.选用氢氧化钠浓缩蒸发器形式

预热操作-4

:

2-1：

制定浓缩方案

通过换热器的DCS操作训练，培养学生传热操作与控制技能，常见事故的分析与处理技能。

通过制定碱液的浓缩方案，使学生能够选用蒸发器形式，选用蒸发操作的效数、流程，掌握蒸发操作的节能措施等。

（一）子任务预热操作-4

1.任务实施：

各人按照操作规程在电脑上进行换热DCS操作，对各操作参数进行操控，并达到规定的工艺要求。

2.任务考核：

换热器DCS机考。

（25分钟）

（二）子任务制定碱液浓缩方案

1.课外完成情况集中汇报与小组互评：

选两组汇报氢氧化钠水溶液浓缩蒸发器形式的选用情况。

教师记录，小组讨论互评（15分钟）

2.教师点评（60分钟）

（1）蒸发的基本概念：

定义、流程、特点、分类。

（2）蒸发设备

①循环型蒸发器：

中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、列文蒸发器、强制循环型蒸发器

②单程型蒸发器（膜式蒸发器）：

升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、升-降膜式蒸发器、刮板薄膜式蒸发器

③其它蒸发器：

直接加热蒸发器（浸没燃烧式）、螺旋管蒸发器等

（3）蒸发器的选型

（4）多效蒸发流程：

并流流程、逆流流程、平流流程、错流流程。

3.修改完善项目任务：

各组根据教师点评修改完善任务单（15分钟）

确定碱液浓缩操作条件，准备汇报

能力训练项目二:

氢氧化钠水溶液的浓缩

将3T/h、8%的氢氧化钠水溶液浓缩到18%。

需要完成的项目任务2-2:

确定氢氧化钠溶液浓缩的基本操作条件及设备主要结构尺寸

分组完成

任务汇报：

浓碱生产工艺中蒸发水分量、加热蒸汽用量、传热面积及蒸发器的生产强度与生产能力的工艺计算演示

任务讨论：

指出问题；

提出疑问

任务评估：

工程师点评、指导、总结

一、蒸发水量

溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即

水分蒸发量：

完成液的浓度：

二、加热蒸汽消耗量

对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，

或

讨论：

1.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出

此时，

，

—冷凝潜热，kJ/kg

所以

2.溶液的稀释热可以忽略时

以0℃的溶液为基准，则

3.溶液稀释热不可忽略时

对某些水溶液（如CaCl2、NaOH等）在稀释时有显著的放热效应，因而　蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时，还需提供与稀释热相应的浓　缩热，且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响愈显著。

因此

、

应由相应的焓浓图查取，计算结果才准确。

三、蒸发器传热面积的计算

由传热速率方程得

（一）传热平均温度差

的确定

在蒸发操作中，蒸发器加热室一侧是蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾，因此其传热平均

温度差应为：

（二）传热器的传热系数

1.选取经验值

2.实验确定

对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K值，测定方法和换热器传热系数的测定方法相同。

3.公式计算

布置任务完成的能力训练任务2-3:

氢氧化钠溶液蒸发操作

学生汇报蒸发系统的自动控制；

蒸发安全操作与日常维护方法；

蒸发操作中故障原因及通常处理方法

指出问题；

提出疑问

一、蒸发安全操作要点

（1）严格控制各效蒸发器的液面，使其处于工艺要求的适宜位置。

（2）在蒸发容易析出结晶的物料时，易发生管路、加热室、阀门等的结垢堵塞现象,需定期用水冲洗保持畅通，或者采用真空抽拉等措施补救。

（3）经常调校仪表，使其灵敏可靠。

（4）经常对设备、管路严格检查、探伤，特别是视镜玻璃要常检查、适时更换，以防因腐蚀造成事故。

（5）检修设备前，要泄压泄料，并用水冲洗降温，去除设备内残存腐蚀性液体。

（6）操作、检修人员应穿戴好防护衣物，避免热液、热蒸汽造成人身伤害。

（7）拆卸法兰螺丝时应对角拆卸或紧固，而且按步骤执行，特别是拆卸时，确认已经无液体时再卸下，以免液体喷出，并且注意管口下面不能有人。

（8）检修蒸发器要将物料排放干净，并用热水清洗处理，再用冷水进行冒顶洗出处理。

同时要检查有关阀门是否能关死，否则加盲板，以防检修过程中物料窜出伤人。

蒸发器放水后，打开人孔应让空气置