荐化工单元操作高教版朱建民主编教案模块三传热操作加工制造类化学工艺.docx
- 文档编号:772292
- 上传时间:2022-10-12
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:832.27KB
荐化工单元操作高教版朱建民主编教案模块三传热操作加工制造类化学工艺.docx
《荐化工单元操作高教版朱建民主编教案模块三传热操作加工制造类化学工艺.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《荐化工单元操作高教版朱建民主编教案模块三传热操作加工制造类化学工艺.docx(21页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
荐化工单元操作高教版朱建民主编教案模块三传热操作加工制造类化学工艺
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。
【教学目标】
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。
【教学重点、难点】
重点:
换热器的基本结构
难点:
各种换热器的特点
【教学方法】
采用项目教学法,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”的教学过程,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学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
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。
【教学过程】
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
(a)翅片管式换热器(b)翅片管
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(a)所示。
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(b)所示。
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。
(a)(b)
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。
【教学目标】
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。
【教学重点、难点】
重点:
换热器传热系数的测定
难点:
换热器的计算
【教学方法】
采用项目教学法,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”的教学过程,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学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
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。
【教学过程】
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/(m·K)或W/(m·℃);
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/(m·℃)],试求通过每平方米壁面的导热速率。
解已知t1=1500℃,t2=300℃
壁的平均温度℃
壁的平均导热系数为:
W/(m·℃)
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/(m·℃);第二层是10mm厚的石棉层,平均导热系数为0.15W/(m·℃)。
若管内壁温度为160℃。
石棉层外表面温度为30℃,试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度。
解:
已知:
℃,℃
,,,
W/(m·℃),W/(m·℃)
查钢管的导热系数W/(m·℃)
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,工程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。
由于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/(m2·K);
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 单元 操作 高教 版朱建 民主 教案 模块 传热 加工 制造 化学 工艺