换热器详细介绍

1 换热器 换热器 用来使热量从热流体传递到冷流体 以满足规定的工艺要求的装置 三种类型换热器 一 概述 根据传热原理和实现热交换的方法 间壁式换热器 是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器 如暖风机 燃气加热器 冷凝器 蒸发器 间壁式挨热器种类很多 从构造上主要可分为 管壳式 肋片管式 套管式 板式 板翅式 螺旋板式等 其中以前两种用得最为广泛 蓄热式换热器 换热器由蓄热材料构成 并分成两半 冷热流体轮换通过它的一半通道 从而交替式地吸收和放出热量 即热流体流过换热器时 蓄热材料吸收并储蓄热量 温度升高 经过一段时间后切换为冷流体 蓄热材料放出热量加热冷流体 一般用于气体 如锅炉中间转式空气预热器 全热回收式空气调节器等 混合式换热器 冷热流体直接接触 彼此混合进行换热 在热交换同时存在质交换 如空调工程中喷淋冷却塔 蒸汽喷射泵等 5 间壁式换热器的主要型式 套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管 并由U型弯头连接而成 每一段套管称为一程 每程有效长度约为4 6m 若管子过长 管中间会向下弯曲 在套管式换热器中 一种流体走管内 另一种流体走环隙 套管式换热器 6 按流体流动方式有顺流和逆流两种 优点 适当选择两管的管径 两流体均可得到较高的流速 且两流体可以为布置为逆流和顺流 另外 套管式换热器构造较简单 能耐高压 传热面积可根据需要增减 应用方便 缺点 管间接头多 易泄露 占地较大 单位传热面消耗的金属量大 因此它较适用于流量不大 所需传热面积不多而要求压强较高的场合 7 2 管壳式换热器 最主要的一种间壁式换热器 传热面由管束组成 管子两端固定在管板上 管束与管板再封装在外壳内 两种流体分管程和壳程 8 增加管程和壳程 管壳式换热器 10 3 交叉流换热器 间壁式换热器的又一种主要形式 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动 交叉流换热器又分管束式 管翅式和板翅式三种 c 板翅式交叉流换热器 b 管翅式 单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标 一般将大于700m2 m3的换热器称为紧凑式换热器 板翅式换热器多属于紧凑式 因此 日益受到重视 11 4 板式换热器 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成 冷热流体间隔地在每个通道中流动 板式换热器 板式换热器 14 5 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成 在其内部形成两个同心的螺旋形通道 换热器中央设有隔板 将螺旋形通道隔开 两板之间焊有定距柱以维持通道间距 在螺旋板两侧焊有盖板 冷热流体分别通过两条通道 在器内逆流流动 通过薄板进行换热 15 5 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器 1热平衡方程式 2传热方程的一般形式 换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的 因此 冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的 换热器中传热过程的计算 热流体放热量 冷流体吸热量 18 对数平均温差 传热方程的一般形式 当温差沿整个壁面不是常数时 可用对数平均温差 19 算术平均温差平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差 算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况 因此 总是大于相同进出口温度下的对数平均温差 当时 两者的差别小于4 当时 两者的差别小于2 3 20 讨论 各种流动形式的比较 顺流和逆流是两种极端情况 在相同的进出口温度下 逆流的最大 顺流则最小 顺流时 而逆流时 则可能大于 可见 逆流布置时的换热最强 21 3 一台换热器的设计要考虑很多因素 而不仅仅是换热的强弱 比如 逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧 使得该处的壁温特别高 可能对换热器产生破坏 因此 对于高温换热器 又是需要故意设计成顺流 实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间 或者有时是逆流 有时又是顺流 由于逆流的平均温差最大 因此 人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差 小于1的修正系数 按逆流布置的对数平均温差 复杂布置时换热器平均温差的计算 23 例 某换热器 壳侧热流体的进 出口温度分别为300 和150 管侧冷流体的进出 口温度分别为35 和85 求该换热器分别布置为顺流 逆流时的平均温差 解 逆流布置 顺流布置 逆流布置的对数温差大 即若换热量相同 传热系数相同时 逆流式换热器所需的换热面积小 换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式 换热器的设计和校核计算 按已知换热器的换热面积求取工作流体的终温或核算换热器的换热量 设计计算 校核计算 根据给定的换热量 求取换热器的换热面积 一般是给定热力工况的某些参数 如流体质量流量 qm 1 qm 2 流体入口温度t 1和t 2 校核流体出口温度及热流量 一般已知热流体和冷流体的初 终温 t 1 t 2 t 1 t 2 中3个 质量流量 qm 1 qm 2 定压质量比热 cp1 cp2 要求确定换热器的类型 传热面积 以及需要传递的热量 等 对已有换热器进行校核 25 换热器的热计算常用方法 对数平均温差法 对数平均温差法设计计算主要步骤 1 根据给定条件 由热平衡式 qm 1cp1 t 1 t 1 qm 2cp2 t 2 t 2 求出进 出口温度中的未知量 及传热量 2 选定流动方式 由冷热流体的进 出口温度确定对数平均温差 tm 3 初步布置传热面 选定传热面的形状和尺寸 如平板或圆管 圆管的直径 壁厚 管间距等 结合流体的质量流量等求出两侧的换热系数并计算出相应的传热系数k 4 由传热方程 kA tm求出所需的换热面积A 及其它参数 如管长L 5 计算换热器的流动阻力 p 若流阻过大 则应改变方案重新设计 一般已知热流体和冷流体的初 终温 t 1 t 2 t 1 t 2 中3个 质量流量 qm 1 qm 2 定压质量比热 cp1 cp2 要求确定换热器的类型 传热面积 热量 等 26 对数平均温差法校核计算主要步骤 校核计算时 由于两种流体的出口温度未知 流体的物性无法确定 表面换热系数h和传热系数k无法求得 所以要用试算法 对数平均温差法校核计算主要步骤如下 1 假定一种流体的出口温度t 1 或t 2 据热平衡式 qm 1cp1 t 1 t 1 qm 2cp2 t 2 t 2 求出另一流体的出口温度t 2 或t 1 并计算传热量 2 根据换热器的流动方式及冷 热流体的进 出口温度求得对数平均温差 tm 3 根据换热器的结构 算出相应工作条件下的表面换热系数h和传热系数k 4 由传热方程 kA tm计算传热量 并与前述步骤 1 计算的热量 相比较 若两者相等或相对误差小于5 则表明前述假定的流体出口温度与事实相符或相近 计算结束 否则重复步骤 1 4 直至取得满意的结果 27 例 一台逆流套管式换热器 热流体为120 的高压热水 流量为12m3 h 冷流体为10 的空气 流量为1800m3 h 标准状态下 经过换热器后被加热到50 若总传热系数为60W m2 K 试求所需的传热面积 解 标准状态下空气的密度 2 1 293kg m3 比热容cp2 1 007kJ kg K 空气的体积流量qV 2 18000 3600 5m3 s 标准状态 qm 2cp2 t 2 t 2 qV 2 2cp2 t 2 t 2 5m3 s 1 293kg m3 1007J kg K 50 10 260410W 热水的参数 qV 1 12 3600 1 300m3 s 密度 1 943kg m3 比热容cp1 4 25kJ kg K 28 逆流时对数平均温差 传热面积 A k tm 260410W 60W m2 K 79 8 54 4m2 由 qm 1cp1 t 1 t 1 qm 2cp2 t 2 t 2 可得 t 1 t 1 qm 1cp1 t 1 qV 1 1cp1 120 260410W 1 300m3 s 943kg m3 4250J kg K 100 5 29 换热器计算 污垢系数 换热器壁表面形成污垢 引起的附加热阻主要取决于污垢的导热系数和污垢的厚度 污垢系数 30 核电厂蒸汽发生器传热计算 传热设计计算是给定结构形式和一回路 二回路参数 求取传热面积 传热校核计算是给定设备传热面积 由已知的一些参数求另一些参数 一 自然循环蒸汽发生器的传热设计计算 蒸汽发生器的热平衡 反应堆冷却剂的热功率 kW 一回路冷却剂质量流量 kg s 反应堆冷却剂进出蒸汽发生器的比焓 kJ kg