化工原理少课时版第六节换热器.ppt

第四章 传 热,第六节 换热器,换热器的外形,换热器的管束,典型的换热设备,直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。 间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。,套管式换热器,冷溶液进,冷溶液出,热溶液进,热溶液出,传热过程的基本问题, 载热体用量的确定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。,解决这些问题需要两个基本关系式,热量恒算式,若忽略过程热损失,传热速率关系,传热速率(热流量) Q ：单位时间内所交换的热量(W), 传热基本方程式,传热通量(热流密度) q：单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2),K 总传热系数，W/(m2K),一、换热器 的分类,按传热特征分： 间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积固定，热量传递为-导热-对流的串联过程。 混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。 蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流体交替通过换热器的同一蓄热室。 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。 按结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。 选取换热器时，应根据工艺要求选用合适的类型，还应按传热基本原理选定合理的换热流程，确定换热器的传热面积、结构尺寸以及校核流体阻力等。 对系列化标准换热器，需通过必要的计算 (A，p) 来选用。,二、间壁式换热器,（一）夹套式换热器,主要用于反应器的加热或冷却，将反应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与反应器内的物料进行换热。,在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。 为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。,间壁式换热器的类型和结构型式,（二）浸没式蛇管换热器,结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。,当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅拌器。,间壁式换热器的类型和结构型式,（三）喷淋式蛇管换热器,通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。 喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,间壁式换热器的类型和结构型式,（四）套管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,套管式换热器,结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活； 缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。,螺旋套管换热器,（五）螺旋板式换热器,螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管。其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在园鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流动。,螺旋板式换热器,按流道布置和封头形式可分为： I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流体均作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流入，形成完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。 II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。一流体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流体的流量相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使用。 III 型结构：一流体作螺旋形流动，另一流体则是轴向流动和螺旋流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷却。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器的特点,传热系数高 由于离心力的作用，可在较低Re数下出现湍流(Re=1400-1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达2000-3000 W/（m2K）。 不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。 由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。 结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的3倍。 操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400以下。 不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。,其他类型的换热器,（六）板式换热器：,其他类型的换热器,板式换热器：,1.固定压紧板 2.夹紧螺栓 3.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板,板式换热器,结构紧凑，占用空间小 很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/31/5。 传热系数高 雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达30008000W/M2.K。 端部温差小 逆流换热，可达到1的端部温差。 热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率98%。 适应性好，易调整 通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。 流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护 板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。 结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。 低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。,板式换热器,缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130，压缩石棉垫圈也不超过250。,（七）板翅式换热器,在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体； 将各单元体进行不同的叠集和适当地排列，再用钎焊予以固定，形成逆流、并流和错流的板翅式换热器组装件(芯部或板束) ； 将带有进、出口的集流箱焊接到板束上。,特点：传热效果更好、结构更为紧凑。 我国目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片。,板翅式换热器,传热效果好 板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数高，同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片换热，因而具有很高的传热速率。 结构紧凑 单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。 轻巧牢固 由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。 适应性强，操作范围广 由于铝合金的导热系数高，特别适合于低温和超低温条件下的换热。 流道很小，容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。 由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。,（八）热管换热器,结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。,1导管 2吸液芯 3蒸汽 4吸热蒸发端 5保温层 6放热冷凝端,热管换热器,热管式CPU散热器,热管换热器,热管式CPU散热器,热管换热器,Zalman夹心式一体化热管显卡散热器,热管换热器,AeroCool热管散热器DP-102,将1700+超到2.2GHz以上的水平时，CPU温度仅仅只有19度,热管换热器,热管换热器,用途：给热系数很小的气-气换热过程。 当液体和气体换热时，可将管外表面翅化以强化传热，但对气-气传热的情况，管内的传热强化则比较困难； 热管可把管内的对流传热转化为管外表面的传热，从而可采用加装翅片的方法进行强化。例如利用热管换热器回收锅炉排出的烟气余热预热燃烧所需空气，效果良好； 由于热管两端的管外表面被翅化，管外对流传热强化，管内籍助工作液体的沸腾和冷凝过程来传热，而沸腾和冷凝的给热系数很大，因而热管的传热速率很高； 若将热管的传热速率折算成管体轴向表观导热系数，则热管的导热率是银的1000倍以上,（九）列管式换热器,列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。,固定管板式换热器,结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。,间壁式换热器的类型和结构型式,U 型管式换热器,结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。 缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。,间壁式换热器的类型和结构型式,U 型管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,浮头式换热器,我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，252.5mm换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。,结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。,三、列管式换热器的选用计算中的有关问题,选用和设计中应考虑的问题,流体流动通道的选择： (1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出； (6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； (7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在 Re100 即可达到湍流。 以上各点往往不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。,如图所示,进行热交换时，一种流体由顶盖的进口接管进入，通过平行管束的管内，从另一端顶盖出口接管流出，称为管程。另一种流体则由壳体的接管进入，在壳体与管束间的空隙处流过，而由另一接管流出，称为壳程。管束的表面积（一般为外表面积）即为传热面积。,流体一次通过管程称为单管程，一次通过壳程称为单壳程。,列管式换热器当传热面积较大时，管子数目就较多。为提高管程流体流速，常将全部管子分成若干组，使流体在管内依次往返流过多次，称为多管程。如2、4、6、8。但程数过多，虽然提高的管内流体的流速，提高了管内的给热系数，但同时使流体阻力增大，平均温差降低，因此程数不宜过多，一般以2、4、6、程为常见。,同样，为了提高壳程流体的流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，这样即可提高流体速度。同时也可使壳程流体按规定的路径流过，多次的错流流过管束，有利于管外传热系数的增大。,挡板有圆缺形，弓形等。 列管换热器在操作时，由于冷热两者温度不同，使壳体和管束的温度不同，其热膨胀程度不同。如果两者温差较大（500C以上）就可能引起设备变形，甚至扭弯或破裂。对此，就必须从结构上考虑热膨胀的影响，采用各种补偿的办法。,常采用的方法有如下几种：,（1）固定管板式 在壳体加入几补偿 适用温度较大，受压不高时 。 （2）U型管式换热器 耐高温高压,但管程不易清洗。 （3）浮头式热器 有一端是与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动，故称为浮头式，检测清洗方便,应用较多,可耐用高温高压。 以上几种换热器,因为都是有标准化产品 对型号的一些解释,FB 800180164 ,型式, 浮头B型: 252.5 正方排列 A型: 192 正三角排列 壳体公称直径 mm 换热面积 m2 公称压力 MPa 管程数 4,（二）、流体流速的选择 流速增加, 有利于增加传热系数，减少传热面积，减少污垢的沉积。 但流体阻力增加，能耗增加。再者有可能增加管长，程数增加，推动力减少应从技术经济综合考虑，一般流速选取择见表,流体两端温度的选择,一般热流体的温度是由工艺规定的，不存在选择问题，经常冷却的出口温度需设计者选择。出口温度高，可节约用水，但会减少传热推动力，增加传热面积，需要根据技术经济衡算来确定。一般设计时进出口温差可取510 4、管子的规格，排列方法 我国日前的换热器的管子规格只采用二种 252.5 和 192 。长度一般有1.5, 2, 3和 6m 排列有正方形，正方形错列，正三角形排列等。 管间距一般取 t=（1.31.5)d,t,（三）换热管规格及排列,管径：d，单位体积设备内的A，但更容易堵塞。目前我国系列标准规定采用252.5mm, 192mm两种规格的管子。管长的选择以清洗方便和合理使用管材为准，我国生产的钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，以3米和6米最为普遍。 换热管的排列方式：等边三角形排列比正方形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，但正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45度放置，也可提高给热系数。,（四）折流挡板,作用：提高管外的给热系数； 形状：园缺型、园盘型、分流型等； 挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。 挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外h ；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。,六、强化传热的途径,传热过程的强化目