传热（换热器）.ppt

分类: 按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。 按传热特征 直接接触式：冷、热直接混合。 蓄热式：,6.7 换热器,间壁式：冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触，,6.7.1 间壁式换热器的类型,(1) 夹套式换热器, 结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。 优点：结构简单。 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。,(2) 沉浸式蛇管换热器, 结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。 为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。,(3) 喷淋式换热器, 结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。 优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。 缺点：喷淋不易均匀。,（4）套管式换热器, 结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用u形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。 优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。,（5）列管式换热器 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。, 列管式换热器的结构,结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称为管程； 另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。 管束的壁面即为传热面。,管束结构,结构示意,单程： 流体在管内每通过管束一次 一管程； 流体在管外每通过壳体一次 一壳程 。 多程： 多管程：封头内设置分程隔板 单管程多管程。, 多壳程： 相当于单壳程串联，传热面积。,单管程换热器管、壳程流体流动,双管程换热器内的流体流动,流通截面积：,传热面积：,说明：管程数，流通截面积，管内流速，i ，强化传热。,安装：上下安装，常用； 左右安装，排液不畅时采用。,常用形式：弓形，圆盘形。,折流挡板,作用：提高壳程流体湍动程度(re100 湍流),0，强化传热 冲刷沉积物，减小污垢热阻； 对壳体起支撑作用。,代价：壳体阻力，系统动力消耗。,弓形,圆盘形,管板,折流板,单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图, 分类及特点,原因：管、壳温度不同，产生热应力， 结果：t50时，管弯曲、断裂或管板变形,固定管板式 安装膨胀节； 浮头式 本身具有补偿能力； u形管式 本身具有补偿能力。,分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为：,为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。,a）固定管板式换热器,特点： * 结构简单，成本低； * 可能产生较大的热应力； * 壳程不易机械清洗； 适用： * 壳程流体不易结垢或容易化学清洗； * 壳体与传热管壁温度之差小于50c，否则加膨胀节。,b）浮头式换热器,结构:,特点：消除了温差应力、便于清洗和检修； 结构复杂、成本高； 适用：应用广泛。,c）u形管式换热器,特点：具有温度补偿作用； 管程不易清清洗。 适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。,结构:,u型管换热器内的流体流动,6.7.2 列管式换热器的设计和选用 要求：根据生产任务设计或选择合适的换热器 (计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等） （1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (a)选择流程 一般原则：不洁净或易结垢的液体 腐蚀性流体 压力高的流体,管程,饱和蒸汽 流量小而粘度大的流体 表面传热系数大的流体 需要冷却的流体,壳程,(b) 流速的选择 流速影响表面传热系数和污垢的大小。 流速 流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路； 流速 流体阻力增大。 (c) 流动方式的选择 对于同样的进、出口条件，传热量相同， a逆a并； 管程 或壳程，表面传热系数，但同时流动阻力， tm ，应权衡确定。 (d) 换热管规格和排列的选择 换热管规格：,管子长度：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m,(e) 折流挡板,管子在管板上的排列：,挡板间距：一般取壳体内径的0.21.0倍,弓形缺口的高度可取为壳体内径的10%-40%,(2) 流体在列管换热器管壳间的传热,挡板切割度：25%d。,特征尺寸：流道的当量直径。,正方形排列,采用关联式：,正三角形排列,流速的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。,说明： 无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。,（3）流体通过换热器时阻力的计算, 管程阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。,np为管程数, 壳程阻力 对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式多，计算结果相差较大。,埃索法：, 确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。, 依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数k估值，估算传热面积a估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。, 计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。,列管换热器的选用和设计的步骤, 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻rs1和rs2, 计算总传热系数k计，并计算传热面积a计，比较a估和a计，若a估/a计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设k估值，重复以上步骤。,6.7.3 传热过程的强化途径,一、增大tm,提高加热剂t1的温度或降低冷却剂t1的温度,两侧变温情况下，尽量采用逆流流动,为了增强传热效率，可采取tm、a/v、k。,二、增大a/v,直接接触传热，可增大a 和湍动程度，使q,纵向翅片管,横向翅片管,螺旋槽纹管,缩放管,三、增大k,尽可能利用有相变的热载体（大） 用大的热载体，如液体金属na等 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)： 增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度,6.7.3 换热器的传热强化途径,强化方法：提高k、a或tm 目的：传热面积 ，使设备费用降低。 （1）提高k值, 降低污垢热阻； 提高表面传热系数 * 若i 0，提高小( i)的一侧； * 两侧相近，应同时提高两侧流体的 。,提高表面传热系数h的方法 无相变传热 a）提高管内流速,代价：流动阻力，动力消耗，操作费用。,经济优化：选择适宜流速，使总费用最低。,优点：总传热系数，传热面积，设备投资费,流速,非工艺物流：流量,工艺物流：流通截面积,壳程：折流挡板数目,管程：单管程双(多)管程,b）制造人工粗造表面 促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。 c）加设扰流元件 管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片； 增强湍动，破坏层流底层。, 有相变传热 冷凝 ：1）采用滴状冷凝， 2）及时排放不凝气体， 3）气、液流向一致 ， 4）合理布置冷凝面， 5）利用表面张力 （沟槽 ，金属丝）。 沸腾： 1）保持核状沸腾， 2）制造人工表面，增加汽化核心数。,（2）提高传热推动力,限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动。,适用：一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时， 其进口温度可调。,例：提高冷却水用量 tc2， tm 提高加热蒸气压力 p ，ts ， tm 蒸发、闪蒸p ，ts ， tm,（3）增加传热面积 改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。 如采用：,不同异形管 ； 开槽及加翅片 ； 折流形式； 多孔、高效传热面。,4.7.4 其他类型换热器,（1）各种板式换热器, 板式换热器,优点：传热系数大、结构紧凑、操作灵活性大、金属材料消耗量 低、加工容易、检修清洗方便。 缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。,板式换热器流向示意图, 螺旋板式换热器, 板壳式换热器,与列管式换热器的区别：板束管束,板壳式换热器结构示意图,优点：传热系数大、结构紧凑、坚固，能承受很高的温度和压力。 缺点：制造工艺复杂、焊接要求高。,（2）空气冷却器,适用：适用于缺水地区。 缺点：装置比较庞大、占空间多、动力消耗大。,（3）热管换热器,一种新型传热元件。,热 管,优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠； 适用：尤其