过程原理第四章传热

第四章传热与设备 教学目的 掌握传热的三种基本方式 传热计算及传热设备 教学重点 导热 圆管中的强制对流传热 传热计算及基本的传热设备类型与选用 教学难点 圆管中的强制对流传热 教学思路 传热的三种基本方式 传热计算 传热设备安排学时 12 4 1概述 4 1 1传热在化工生产中的应用 T 传热 化工对传热过程的要求 强化传热过程 削弱传热过程 4 1 2传热的三种基本方式 1热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分 或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导 又称导热 特点 在纯的热传导过程中 物体各部分之间不发生相对位移 即没有物质的宏观位移 气体 气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 液体 类似于气体和类似于非导电固体 2对流流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程 对流只能发生在流体中 3热辐射辐射是一种以电磁波传播能量的现象 物体会因各种原因发射出辐射能 其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 固体 导电固体 非导电固体 自由电子 晶格结构振动 对流 自然对流 强制对流 温度不同 密度不同 某种外力的强制作用 4 1 3传热过程中冷热流体的接触方式 4 1 4热载体及其选择 1加热剂 热水 40 100 饱和水蒸气 100 180 矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物 180 540 烟道气 500 1000 等 除此外还可用电来加热 2冷却剂 工业中常用的有水 20 30 空气 冷冻盐水 液氨 33 4 等等 水又可分为河水 海水 井水等 水的传热效果好 应用最为普遍 在水资源较缺乏的地区 宜采用空气冷却 但空气传热速度慢 起加热作用的热载体 起冷却作用的热载体 4 1 5间壁式换热器的传热过程 1基本概念 热负荷Q 工艺要求 热流体或冷流体达到指定温度需要吸收或放出的热量 传热速率Q 又称热流量 单位时间内通过传热面传递的热量 J s或W 热流密度q 又称热通量 单位时间内通过单位传热面传递的热量 或W m2 J s或W 式中A 总传热面积 m2 2稳态与非稳态传热 稳态传热 非稳态传热 3间壁式传热过程 热流体以对流传热方式把热量Q1传递给管壁内侧 热量Q2从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁的外侧 热量Q3从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁的外侧 稳态传热 总传热速率方程 式中K 总传热系数或比例系数 W m2 或W m2 K Q 传热速率 W或J s A 总传热面积 m2 两流体的平均温差 或K 4 2热传导 4 2 1有关热传导的基本概念 1 温度场和等温面 温度场 某一时刻 物体 或空间 各点的温度分布 图4 1温度场与等温面 式中t 某点的温度 x y z 某点的坐标 时间 不稳定温度场 稳定温度场 等温面 在同一时刻 温度场中所有温度相同的点组成的面 不同温度的等温面不相交 2 温度梯度 温度梯度 两等温面的温度差 t与其间的垂直距离 n之比 在 n趋于零时的极限 即表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率 4 2 2傅立叶定律 傅立叶定律 某一微元的热传导速率 单位时间内传导的热量 与该微元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比 式中dQ 热传导速率 W或J s dA 导热面积 m2 t n 温度梯度 m或K m 导热系数 表征材料导热性能的物性参数 越大 导热性能越好 W m 或W m K 用热通量来表示 一维稳态热传导 4 2 3导热系数 物理意义 温度梯度为1时 单位时间内通过单位传热面积的热通量 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量 导热性能越好 从强化传热来看 选用 大的材料 相反要削弱 传热 选用 小的材料 f 物质的结构 物质的组成 温度 压力 1 固体 纯金属 纯金属比合金的 大 非金属 同样温度下 越大 越大 在一定温度范围内 温度变化不太大 式中 t 时的导热系数 W m 或W m K 0 时的导热系数 W m 或W m K a 温度系数 对大多数金属材料为负值 a0 2 液体 非金属液体 导热系数低 水的导热系数最大 金属液体 导热系数较高 除水和甘油等少量液体物质外 绝大多数液体 略微 一般来说 纯液体的 大于溶液 3 气体 气体 在通常压力范围内 p对 的影响一般不考虑 金属固体 非金属固体 液体 气体 的大概范围 金属固体101 102W m K 建筑材料10 1 100W m K 绝缘材料10 2 10 1W m K 液体10 1W m K 气体10 2 10 1W m K 4 2 4通过平壁的稳定热传导 1通过单层平壁的稳定热传导 假设 1 平壁内温度只沿x方向变化 y和z方向上无温度变化 即这是一维温度场 2 各点的温度不随时间而变 稳定的温度场 在平壁内取厚度为dx的薄层 并对其作热量衡算 对于稳定温度场 薄层内无热量积累 在稳定温度场中 各传热面的传热速率相同 不随x而变 统一用Q来表示 代入上面的傅立叶公式中 边界条件为 改变上式形式 得 设 不随t而变 所以 和Q均可提到积分号外 得 式中Q 热流量 即单位时间通过平壁的热量 W或J s A 平壁的面积 m2 b 平壁的厚度 m 平壁的导热系数 W m 或W m K t1 t2 平壁两侧的温度 当 不随t变化 t x直线关系 若 随t变化关系为 则t x抛物线关系 2通过多层平壁的稳定热传导 假定 1 一维 稳定的温度场 2 各层接触良好 接触面两侧温度相同 推广至n层 3各层的温差 例 接例5 3如不用保温砖 但热损失还要不变 问建筑砖厚度增加多少 t不变 即R不变 即 由此可知 当用建筑砖代替保温砖时 有1668mm的建筑砖相当于150mm的保温砖 两种材料 不同 但热阻相同时 存在下列关系 相同热阻时 与b成正比 上题 有 b2 0 613m 思考 为了保温 在炉平壁上包了两层保温材料 或厚度相同 二种材料 2 2 1 试从散热角度分析下列两方案有无优劣 1材料在内侧 2材料在内侧 根据串联热阻的概念 总的热阻 各部分热阻之和 故热阻与顺序无关 若厚度不同 结果也一样 两材料接触面上的t两种情况下不同 结论 在稳定多层壁导热过程中 哪层热阻大 哪层温差就大 反之 哪层温差大 哪层热阻一定大 当总温差一定时 传热速率的大小取决于总热阻的大小 4 2 5通过圆筒壁的稳定热传导 1通过单层圆筒壁的稳定热传导 假设 1 各点温度不随时间而变 稳定温度场 2 各点温度只沿径向变化 一维温度场 一维稳定的温度场 以柱坐标表示 傅立叶定律可写为 在圆筒壁内取厚度为dr同心薄层圆筒 并对其作热量衡算 稳定温度场 薄层内无热量积累 边界条件为 设 不随t而变 所以 和Q均可提到积分号外 得 式中Q 热流量 即单位时间通过圆筒壁的热量 W或J s 圆筒壁的导热系数 W m 或W m K t1 t2 圆筒壁两侧的温度 r1 r2 圆筒壁内外半径 m 1 上式可以变为 其中 为对数平均温度 2 对于 的圆筒壁 以算术平均值代替对数平均值 导致的误差 4 作为工程计算 这一误差可以接受 此时 3 分析圆筒壁内的温度分布情况 上限从 改为 积分得 t r成对数曲线变化 假设 不随t变化 4 在圆筒壁的热传导中 圆筒的内外表面积不同 各层圆筒的传热面积不相同 所以在各层圆筒的不同半径r处传热速率Q相等 但各处热通量q却不等 2通过多层圆筒壁的稳定热传导 所以在稳定传热时 单位时间通过各层的传热量Q虽然相同 但单位时间通过各层内外壁单位面积的热通量q却不相同 其相互的关系为 或 6 3对流传热 HeatTransferbyConvection 6 3 1概述 1对流给 传 热 对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程 热传导规律制约 流体流动规律的支配 6 3 1概述 2对流传热的分类 无相变 有相变 强制对流 自然对流 层流 湍流 过渡流 蒸汽冷凝 液体沸腾 对流给热 6 3 2对流传热过程分析 传热壁面 热流体T 冷流体t 层流内层 该层中的温度梯度较大 传热以热传导为主 过渡区 热传导与对流均起作用 其温度是逐步连续变化的 湍流主体 流体间温差小 温度梯度小 传热以对流为主 6 3 3牛顿冷却定律 设热流体的温度T和壁面的温度TW之差全部发生在厚度为 t的有效膜内 而此有效膜层的传热方式为热传导 由傅立叶定律有 牛顿冷却定律 说明 t 有效膜厚度m t不是实际的流体层厚度 而是某个虚拟的当量流体层厚度 称之为有效膜厚度 在此厚度内集中了全部的传热热阻 这样把一个给热过程的热阻相当于某个厚度为 t的静止流体膜所造成的导热热阻 比例系数 又称对流传热系数W m2 6 3 4对流传热系数 物理意义 流体与壁面相差1 时 单位时间通过单位传热面积所传递的热量 表征对流传热的强度 t为有效膜厚度 其值不能从理论推出 只能由实验测定 1对流传热系数的影响因素 流动状态 层流 湍流 流体的种类和相变化情况 流体的性质 Cp 层流时 t最大 最小 加热板 流体对流的起因 a b两点将产生压差为 L b a 体积膨胀系数 自然对流 流体受热后的密度减小 传热面的形状 相对位置和尺寸 单位体积流体由温度差而产生的浮力 加热板 2对流传热的无因次准数 无相变过程中 努塞尔准数 雷诺准数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数 表示对流与导热间关系的准数 包含待定的对流传热系数 表示流体的湍流程度对对流传热的影响 表示流体的物性对对流传热的影响 表示自然对流对对流传热的影响 自然对流强制对流 在使用准数关联式时 需注意以下几点 使用范围 关联式中Re Pr等准数的数值范围 特征尺寸 Nu Re中的l如何取定 d de l 定性温度 各准数中的物性按什么温度定 平均温度 6 3 5无相变过程的对流传热系数经验关联式 流体在管内的强制对流 1 圆形直管内的强制湍流 流体被加热时b 0 4流体被冷却时b 0 3 注意 使用范围 Re 10000 0 730 40 定性温度取流体进出温度的算术平均值tm 特征尺寸l为管内径di 对于高粘度液体 须另外引入一个无因次的粘度比 液体被加热时 被冷却时 对于l d 60的短管 层流底层较薄 热阻小 略大 2 非圆形直管内强制对流 套管环隙 式中 d1 d2 分别为套管外管内径或内管外径 适用范围 d1 d2 1 65 17 思考题 常压空气在内径为20mm的管内由20 加热到100 空气的平均流速为20m s 试求管壁对空气的对流传热系数 若空气的流量增加一倍 则传热系数有何变化 流体在管外的强制对流 如图所示 流体垂直绕过单根圆管时的流动情况 自驻点开始 管外边界层厚度逐渐增厚 热阻逐渐增大 逐渐减小 边界层脱体以后因产生了漩涡 给热系数 逐渐增大 除高温流体外 对于一般换热器 需要的只是整个圆周的平均给热系数 1 流体垂直流过管束 流体垂直流过管束时 管束的排列情况可以有直列和错列两种 应用范围 1 Re 5 103 7 104 x1 d 1 2 5 x2 d 1 2 5 2 特征尺寸 管外径d0 3 定性温度tm 4 流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度 式中常数C n见下表 由于各排的给热系数不等 整个管束的平均给热系数为 2 流体在换热器管壳间流动 一般在列管换热器的壳程加折流挡板 折流挡板分为圆形和圆缺形两种 由于装有不同形式的折流挡板 流动方向不断改变 在较小的Re下 Re 100 即可达到湍流 圆缺形折流挡板 弓形高度为25 D 的计算式 2 流体在换热器管壳间流动 2 定性温度 进 出口温度平均值 tw w 适用范围 1 Re 2 103 106 3 特征尺寸 当量直径de 4 流速u根据流体流过的最大截面积Amax计算 5 气体取1 0 液体被加热取1 05 被冷却取0 95 强制对流小结 影响 最主要的因素是Re 所以应力求使流体在换热器中达到湍流 增加湍流程度 加挡板 管中添加物或选螺纹管 管内湍流时 流过管间时 可增加u 或减小d de 增加u的效果显著 大空间的自然对流传热 所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面 传热面 放置在大空间内 并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在 如沉浸式换热器的传热过程 换热设备或管道的热表面向周围大气的散热 应用条件 1 特性尺寸对水平管取外径do 垂直管或板取管长l和板高H 2 定性温度取膜温 tm tw 2 3 A b f 传热面的形状和位置 Gr Pr lgNu lg GrPr 有相变时 值比无相变时大很多 100倍 可达5000 15000W m2 K 因为相变时液体吸收汽化热 变为蒸汽或蒸汽放出汽化热 变为液体 对于同一液体 其 比CP大很多 所以相变时的 值比无相变时的 大 6 4冷凝给热与沸腾给热 膜状冷凝 filmwisecondensation 若冷凝液能够润湿壁面 则在壁面上形成一层完整的液膜此种传热现象称为膜状冷凝 蒸汽冷凝的方式 滴状冷凝 dropwisecondensation 由于表面张力的作用 冷凝液在壁面上形成许多液滴 并沿管壁落下 此种传热现象称为滴状冷凝 滴状冷凝时 冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜将蒸汽分开 大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中 可供蒸汽冷凝 因此热阻小得多 实验结果表明 滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数大5 10倍 冷凝给热系数 液膜沿垂直壁面流动时 液膜厚度沿壁高的变化必然导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布 在壁上部液膜呈层流 膜厚增加 减小 如壁的高度足够高 冷凝液量较大 则壁下部液膜发生湍流流动 此时局部给热系数反而有所提高 影响冷凝给热的因素及强化措施 1 流体物性的影响冷凝液 则液膜厚度越小 冷凝液 冷凝潜热r 同样的热负荷Q下冷凝液量小 则液膜厚度越小 2 温度差影响当液膜作层流流动时 t ts tW t 则蒸汽冷凝速率加大 液膜增厚 3 不凝气体的影响 额外附加了一热阻 而且由于气体的导热系数 小 使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降 实验可证明 当蒸汽中含空气量达1 时 下降60 左右 4 蒸汽流速与流向的影响 蒸汽与液膜流向相同时 会加速液膜流动 使液膜变薄 蒸汽与液膜流向相反时 会阻碍液膜流动 使液膜变厚 但u 时 会吹散液膜 5 蒸汽过热的影响蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽 过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触 tW ts 壁面无冷凝现象 此时为无相变的对流传热过程 过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触 tW ts 由两个串联的传热过程组成 冷却和冷凝 6 冷凝面的高度及布置方式以减薄壁面上的液膜厚度为目的 7 强化传热措施对于纯蒸汽冷凝 恒压下ts为一定值 即在气相主体内无温差也无热阻 的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性 所以 在流体一定的情况下 一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程 液体沸腾分类 按设备的尺寸和形状分 1 大容积沸腾 热得快 6 4 2液体沸腾给热 大容积沸腾时 液体中一方面存在着由温差引起的自然对流 另一方面又因气泡运动所导致的液体运动 2 管内沸腾 锅炉 液体在一定压差作用下 以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象 管内沸腾时 管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动 管内造成了复杂的两相流动 这种沸腾的机理更为复杂 按液体主体温度是否达到相应压力下的饱和温度来分 若加热表面上有汽泡产生 但tl ts 此时加热面上产生的汽泡在脱离壁面后在液流主体中重新凝结 热量的传递就是通过这种汽化 冷凝过程实现的过冷沸腾的机理十分复杂 至今尚未弄清 当tl ts时 则离开加热壁面的汽泡不会重新凝结 这种沸腾称为饱和沸腾 1 过冷沸腾 2 饱和沸腾 液体沸腾分类 1 大容器饱和沸腾现象 大容积饱和沸腾曲线 液体被加热时 汽泡总是产生在过热程度较高的加热面上且形成汽化核心位置在粗糙不平的地点 由于壁温较高 液体温度也略高于汽泡内的温度 传入的热量使汽泡继续长大直至离开壁面 此时 周围的液体便会涌来填补空位 使靠近壁面的液体成剧烈的扰动状态 液体加热沸腾的主要特征是在液体内部的加热壁面上不断有气泡生成 长大 脱离和浮升到液面 2 沸腾曲线 1 AB段 自然对流此阶段 t较小 只是在加热面少量汽化核心上 形成汽泡 而且汽泡长大的速度也很慢 边界层受到的扰动不大 传热以自然对流为主 变化不大 2 BC段 核状沸腾随 t 汽化核心数增加 汽泡长大速度较快 气泡不断地离开壁面上升 使液体受到剧烈的扰动 因此 较大 称此过程为核状沸腾 3 CD段 膜状冷凝随 t 加热面上产生的汽泡也大大增多 且产生气泡的速度大于脱离表面的速度 气泡在脱离表面前连接起来 形成一层不稳定的蒸汽膜 使液体不能和加热表面直接接触 由于蒸汽导热性能差 气膜的附加热阻使急剧下降 此过程称为膜状冷凝 6 5传热过程的计算 6 5 1热量衡算 假设换热器绝热良好 热损失可以忽略时 则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 即 6 5 1热量衡算 式中 Cp 流体的定压比热容 kJ kg T t 热流体和冷流体的温度 r 饱和蒸汽的汽化热 kJ kg TS 冷凝液的饱和温度 管内对流 管壁热传导 管外对流 6 5 2总传热速率微分方程 两流体的热交换过程由三个串联的传热过程组成 对于稳定传热 式中 K 总传热系数 w m2 K值的物理意义 单位温差下的总传热通量 它表示冷热流体进行传热的一种能力 6 5 3总传热系数 K值的计算 1 当传热面为平面时 dA dA1 dA2 dAm 则 2 当传热面为圆筒壁时 如以外表面为基准 即取上式中dA dA2 则 式中 K2 以换热管的外表面为基准的总传热系数 dm 换热管的对数平均直径 以内表面为基准 以平均表面积为基准 3 污垢热阻 式中 R1 R2 传热面两侧的污垢热阻 m2 W 提高总传热系数的途径 若传热面为平壁或薄管壁时 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 K值总是接近于 小的流体的对流传热系数值 且永远小于 的值 6 5 4传热推动力和总传热速率方程 总传热速率方程 若以表示整个传热面的平均推动力 且K为常数 则 1 恒温差传热 当换热器间壁两侧均有相变化时 例饱和蒸汽与饱和液体间的传热 逆流 并流 错流 折流 2 变温差传热 2 变温差传热 以逆流为例 推导的公式 说明 此公式是以逆流推导的 并流也会有同样的结果 一般以温差大的为 小的为 时 可用算术平均值 错流和折流时 3 流向的选择 从提高传热推动力来言 逆流最佳 1 在热负荷Q K相同时 采用逆流可以较小的传热面积A完成相同的换热任务 2 在热负荷Q A相同时 可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热 3 逆流时 传热面上冷热流体间的温度差较为均匀 在流体进出口温度相同的条件下 逆流的平均温差最大 并流最小 其它流动型式的 tm介于两者之间 6 5 5稳定传热的计算 热量衡算方程 总传热速率方程 1 换热器的设计型计算 设计任务 将一定流量mh的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2 设计条件 可供使用的冷却介质温度t1 即冷流体的进口温度 计算目的 确定经济上合理的传热面积A及换热器其它有关尺寸 计算方法 由传热任务计算热负荷 计算平均推动力 需选择流体流向以及t2 计算 1 2和总传热系数K 流体走管内外的选择 流体流速的选择 计算传热面积A 2 换热器的操作型计算 第一类命题 给定条件 换热器的传热面积以及有关尺寸 冷 热流体的物理性质 冷 热流体的流量和进口温度以及流体的流动方式 计算目的 冷 热流体的出口温度 第二类命题 给定条件 换热器的传热面积以及有关尺寸 冷 热流体的物理性质 热流体的流量和进 出口温度 冷流体的进口温度以及流动方式 计算目的 所需冷流体的流量及出口温度 对第一类操作型命题 可采取如下方法计算 辐射指以电磁波形式传播能量的过程 被传递的能量称为辐射能 当物体因热的原因而引起电磁波的辐射称为热辐射 4 6辐射传热 Q QR QA QDR A D 1反射率吸收率透过率 1 白体 R 1能全部反射辐射能的物体 2 黑体 A 1能全部吸收辐射能的物体 如 没有光泽的黑漆表面A 0 96 0 98雪A 0 96近似黑体 3 灰体 R 1介于白体和黑体之间的物体 4 透热体 D 1能全部透射辐射能的物体 4 7换热器 4 7 1换热器的分类1 换热器的用途分 加热器 冷却器 蒸发器 冷凝器等 2 换热器传递热量的方式分 1 间壁式换热器其中又分为 夹套式 蛇管式 套管式 列管式 板式 板翅式等 2 直接接触式换热器 3 蓄热式换热器 优点 结构简单 能耐高压可根据需要增减传热面积 适当地选择管内 外径 可使流体的流速 到达湍流状态 故K较大另外 两侧流体可严格地逆流 t大 传热效果好 缺点 接头多而易漏 单位长度上具有的传热面积有限 4 7 2间壁式换热器的类型1 套管式换热器 2 蛇管式换热器 由于容器较大 容器内料液流速较低 故蛇管外侧 较小 K较小 通常在容器内装置搅拌器提高管外 1 沉浸式蛇管换热器 优点 结构简单 能承受高压 可用耐腐蚀材料制成 故可防腐 缺点 传热面积有限 2 喷淋蛇管式换热器 优点 结构简单 造价便宜 且比沉浸式的要大 也便于清洗检修 缺点 喷淋不易均匀 由于安装在室外 需定期清除管外积垢 3 热管 传热系数大 构造简单 应用温度可在 200 2000 之间 因而应用比较广泛 4 列管式换热器 管程 一种流体从顶盖的进口接管进入 经过平行管束的管内从另一端顶盖出口接管流出 壳程 流体在管束与壳体之间的空隙中流过 单程列管换热器 管程流体在管束间只流过一次多程列管换热器 管程流体在管束间流过多次 如 二程 四程 六程等 4 列管式换热器 管壳式换热器 常用的挡板有 圆缺形 圆盘形 环形等 热膨胀的影响 根据热补偿的方法不同 有如下几种形式 1 固定管板式换热器主要由壳体 管束 管板 封头和折流挡板等部件组成 在壳体上安装热补偿圈来减小热应力 优点 结构简单 制造成本低 适用于壳体和管体温差小管外物料比较清洁 不易结垢的场合 2 浮头式换热器优点 两端的管板有一端不与壳体相连 可以沿管长方向在壳体内自由伸缩 浮头 从而解决了热补偿的问题 缺点 结构比较复杂 金属消耗量大 造价较高 3 U型管式换热器优点 每根管子皆可自由伸缩 从而解决了热补偿问题 结构简单 质量轻 适用于高温 高压条件 缺点 管内的清洗比较困难 以上几种类型的列管换热器都有系列标准 可供选用 如 FB 600 95 16 2浮动式 壳直径 mm 面积 m2 压力 kgf m2 管程数2 A 19 2正三角形 B 25 2 5正方形 加热 蒸汽从上部进入夹套 冷却水由下部流出 冷却 冷却水从夹套下部接管进入 而由上部流出 优点 结构简单 价格低廉 缺点 传热系数小 传热面积受容器的限制 一般不超过10m2 5 夹套式换热器 6 板式换热器 主要由传热板片 密封垫片和压紧装置三部分组成 优点 传热系数K大 板间距小 结构紧凑 操作灵活性大 缺点 允许的操作压强低 温度不能太高 处理量不大 7 螺旋板式换热器 主要由两张互相平行的钢板 卷制成互相隔开的螺旋形流道两板之间焊有定距柱 以维持流道的间距 优点 结构紧凑 单位体积提供的传热面积大 总传热系数大 传热效率高 不易堵塞 能利用低温热源和精密控制温度 缺点 操作温度和压力不能太高 流体阻力较大 不易检修且对焊接质量要求很高 8 板翅式换热器是一种轻巧 紧凑 高效的换热器 优点 传热系数K大 结构紧凑 轻巧牢固 缺点 易堵塞 清洗困难 1 列管式换热器设计和选用的有关问题 1 流程的选择 不清洁和易结垢的流体走管内 以便清洗 流量小或传热系数小的流体走管内 腐蚀性流体宜走管内 压力高的流体走管内 饱和蒸气走管间 壳程 被冷却的流体宜走管间 粘度大的物料走壳程为宜 4 7 3列管式换热器的设计和选用 2 流速的选择一般情况 流体流经换热器的压力降和Re数值都不得超过某一范围 比如 液体 p 10 100kPa Re 5000 20000 气体 p 1 10kPa Re 104 105 3 平均温差的计算流体流动不是简单的并流 逆流 而是比较复杂的流动 如错流 简单折流 通常用逆流的方法计算 再根据流向加以校正 4 管子的规格及排列方式 直径d时 可根据流速及流量确定 国标中一般管的规格有两种 即 19 2mm 用于正三角形排列 25 2 5mm 用于正方形排列 选管长l时 以清洗方便和合理使用管材为准 我国生产的钢管多为6m或9m 故系列标准中管长l有 1 5 2 3 4 5 6和9m等六种 排列方式有 5 折流挡板安装折流挡板是为了提高壳程流体的对流传热系 为了获得良好效果 通常切口高度与直径之比为0 15 0 45常见的是0 20和0 25两种 挡板间距过小 检修不方便 流体阻力也大 间距过大 不能保证流体直流过管束 使对流传热系数降低 一般取间距为壳体内径的0 2 1 0倍 如我国系列标准 固定管板式 100 150 200 300 450 600 700mm七种 浮头式 100 150 200 250 300 350 450 600mm八种 6 列管式对流传热系数 管程传热系数 1管内流动的传热系数可按前面介绍的经验式计算 当Re 104时 可用式 4 23 计算 即 壳程传热系数 2当Re 100时 即可达到湍流状态 其传热系数的计算方法很多 当使用25 直径 圆缺形挡板时 可用下式计算 7 流体通过换热器的阻力损失 压力降 列管换热器中阻力损失的计算包括管程和壳程两方面 管程阻力损失管内的总阻力损失应是各程直管损失与每程局部损失之和 即 壳程阻力损失下面推荐一个常用的计算式 2 列管式换热器设计和选用的方法步骤 1 试算并初选设备规格 确定流体在换热器中的流动途径 根据生产任务 计算热负荷 选择列管换热器的形式 计算平均温度差 依据总传热系数的经验范围或按生产实际情况 选定总传热系数K值