《热交换器原理与设计》复习解析.ppt

复习,第一章,什么是热交换器,在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其他流体的设备。,分类简介：,按传递热量的方法来分：,间壁式：冷热流体间有一个固体壁面，两种流体不直接接触，热量通过壁面进行传递。,蓄热式（回热式）：冷热流体轮流和壁面接触，热流体放热，冷流体吸热。,混合式：冷热流体直接接触进行传热。,又可分为管式换热器、板式换热器、夹套式换热器,0.3换热器设计计算的内容,(1)热计算,确定传热系数及传热面积。,(2)结构计算,计算换热器的主要部件的尺寸，如管子的直径、长度、根数、壳体的直径，折流板的尺寸和数目，分程隔板的数目和布置，接管尺寸等。,(3)流动阻力计算,包括管程和壳程的阻力，为选择泵和风机提供依据或校核其是否超过允许的数值。,(4)强度计算,算术平均与对数平均温差,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。,混合流：管子不带翅片，管外的气流可以在横向自由的随意的运动，称为混合流。但是管内的流体属于非混合流。,3、其他流动方式时的平均温差,按逆流方式计算的对数平均温差,温度修正系数,在相同的流体进出口温度条件下，按某种流动形式工作时的平均温差与逆流工作时的对数平均温差的比值,在相同的流体进出口温度条件下，按逆流工作所需的传热面积与按某种流动形式工作所需的传热面积之比值（传热系数相等的条件小），,表示,即：,值的大小说明某种流动形式的换热器在给定工作条件下，接近逆流形式的程度，一般设计时要0.9，0.9，若100即可达到湍流。,可以参考数据选择流体度和换热终温:,热端温差不小于20,冷端温差不小于5,冷却器,冷凝器,冷流体的初温应高于热流体的凝固点,含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5,空冷式热交换器,热流体出口和空气进口之间的温差不低于20,多管程热交换器,尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温差加大到20以上,三、管子直径的选择,小管径,优点：,增强传热,增大单位体积传热面积,缺点：,流动阻力增大,管子与管板连接处的泄漏的可能性增大,容易积垢,管长与管径的比例关系：,一、温差应力计算,2.产生原因,1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接;2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差;3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响.,1.温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。,3.产生后果：1)管子的弯曲变形;2)造成管子与管板连接部分泄漏;3)使管子从管板上拉脱.,一、温差应力计算,2.产生原因,1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接;2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差;3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响.,1.温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。,3.产生后果：1)管子的弯曲变形;2)造成管子与管板连接部分泄漏;3)使管子从管板上拉脱.,第三章高效间壁式热交换器,高效间壁式热交换器,螺旋板式,板式,板翅式,热管,微尺度,能源利用角度方面对热交换器的要求,传热效率高,体积小,高效就是换热效率高，结构紧凑即在增加换热器的传热面积的同时，也要减小换热器的体积“紧凑性”热交换器的单位体积中所包含的传热面积的大小，m2/m3紧凑式热交换器：700m2/m3非紧凑性热交换器：700m2/m3,高效间壁式热交换器,通过“二次表面”来提高紧凑性,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、底部分别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圆鼓的轴心上。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。,第一节螺旋板式热交换器,定距柱,作用,保证流道的间距；加强湍流；增加螺旋板刚度。,固定方式,用310mm的圆钢在卷板前预先焊接在钢板上。,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2000-3000W/（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。,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2000-3000W/（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。,板式换热器的构造,a传热板片,流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热提高板片刚度，能耐较高的压力,人字形板,水平平直波纹板,锯齿形板,作用：,类型：,介质在板片间的流动,单边流,对角流,换向板片：,根据流程的需要，相应不冲出某些角孔，介质遇到盲孔即拐弯，进行换向，增加介质的流程,单边流,对角流,同侧流入、流出,不同侧流入、流出,组装形成三种典型形式：串联、并联、混联,流体在每一程内流经每一垂直流动后，改变方向，流经下一程两介质的主体流向是逆流，但相邻流道中有并流也有逆流。,b密封垫圈,密封作用，防止介质漏出（外漏）,在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏）,承受压力、温度，耐流体的侵蚀,良好的弹性，可重复使用,材料天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅胶（80-150以下）压缩石棉、石棉橡胶（260-300）,双道密封信号孔（凹槽）当介质从第一道密封泄露时，可以从信号空泄出，及早发现和检修信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中去,b密封垫圈,密封作用，防止介质漏出（外漏）,在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏）,承受压力、温度，耐流体的侵蚀,良好的弹性，可重复使用,材料天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅胶（80-150以下）压缩石棉、石棉橡胶（260-300）,双道密封信号孔（凹槽）当介质从第一道密封泄露时，可以从信号空泄出，及早发现和检修信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中去,第三节板翅式热交换器,1基本结构,板束,导流片,封头,隔板翅片封条,基本单元（通道）,板翅式换热器由于两侧都有翅片，做气气换热，传热系数对空气可达350W/(m2)。板翅换热器结构非常紧凑，轻巧，每立方米体积中容纳的传热面积可高达4300m2，承压可达100bar。缺点：容易堵塞，清洗困难，不易检修。适用于清洁和无腐蚀的流体换热。,a翅片,扩大传热面积，提高换热器紧凑性和传热效率,支撑隔板，提高热交换器的强度和承压能力,1平直翅片（PZ）,具有很长光滑壁的长方形翅片，流动和传热特性与圆管内的相似。流动阻力小，换热系数也很小适用于：阻力要求严格，而本身对流换热系数较大的场合。,传热机理：二次传热表面,2锯齿形翅片（JC）,将平直翅片切成许多短小片段，相互错开一定的间隔，间断式；促进流体的湍动，破坏热边界层，强化换热；适用于：气体通道，高、低温介质温差较大的场合、黏度较大的油通道；传热性能与翅片切开长度有关。,3多孔翅片（DK）,平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而形成，翅片开孔率5-10%，孔的排列方式有长方形、平行四边形、正三角形；孔破坏传热边界层，提高传热效果，高Re数时会出现噪音和振动；开孔有利于流体的均匀分配，利于介质中杂质、颗粒的冲刷和排除；适用于：有相变介质的换热，用作入口处的导流片,4波纹翅片（PW）,在平直翅片上压成一定的波形而形成，传热效果介于平直形和锯齿形之间；流体在内流动时不断改变流向，促进湍动，分离、破坏热边界层，强化传热；波纹越密，波幅越大，传热性能越好，但阻力也增大；耐压强度较高；适用于：压力较高的气体换热场合。,其他：百叶窗式，片条式翅片、钉状翅片,5优缺点,传热效率高：可对介质造成扰动，使边界层不断破裂更新，从热强化换热,结构紧凑，重量轻：重量仅为具有相同换热面积的管壳式的1/10，而单位传热面积的金属消耗比管壳式小几倍,适用范围广：可以适用于气气、气液、液液间各种不同介质患热，亦可用作蒸发器、冷凝器。适用于逆流、错流、多股流、多程流等不同工况的换热，可在-273+500温度范围内使用,同一设备内，可允许2-9种介质间进行换热,制造工艺复杂，且要求严格,容易堵塞，清洗和检修较困难,2热管的组成,热管是一种利用气化和冷凝的高潜热及毛细抽吸现象，无需外界动力而能够进行传热的高效节能元件,以吸热芯热管来介绍热管的结构,管壳,毛细多空材料（管芯）,蒸汽通道,蒸发段,绝热段,冷凝段,管壳,作用：,将热管的工作部分封闭起来，在热管两端部接受和放出热量，并承受一定的压力。,要求：,a在整个工作压力范围内不发生工质泄露，寿命够长。,b管壳结构既能承受内部最大的蒸汽压力，又能兼顾降低管壁热阻，管壁尽可能薄。,c管壳材质避免有腐蚀和气体产生的现象出现。,d管壳材料经得住工艺除气工程中的高温。,e管壳材料湿润性好，导热系数高。,材料：,不绣钢，铜，铝，镍，玻璃，陶瓷,管芯（毛细多孔材料）,作用：,产生毛细抽吸力，使液体由冷凝段回流到蒸发段,要求：,a起到有效的毛细泵作用,b具有较高渗透率且传热性能好,c具有足够的刚性，以保证吸液芯与管壁紧密接触,d便于加工，性能可靠，经济性好,分类：,a紧贴管壁的单层及多层网芯,工作液,作用：,携带热量,要求：,a具有较高的汽化潜热和导热系数，及合适的饱和压力和沸点,b具有较