高效间壁式热交换器VIP

1,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,2,高效间壁式热交换器,3.1 螺旋板式热交换器3.2 板式热交换器3.3 板翅式热交换器3.4 翅片管热交换器3.5 热管热交换器3.6 蒸发冷却（冷凝）器的结构,3,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,4,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,5,基本构造,外壳,螺旋体,密封装置,进出口,中心处有隔板将板片两侧流体隔开，各通道为环状单一通道，其截面积为矩形，进出管分别接于两通道的边缘端,具体的说螺旋板式热交换器的构造,螺旋形传热板,隔板,头盖,连接管,6,工作过程,冷热两种流体分别在两个螺旋通道中流动，流体1从中心进入，沿螺旋形通道流到周边流出；流体2则由周边进入，沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高传热系数。,7,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。,8,9,分类,不可拆式:,可拆式,通道两端全部垫入密封条后焊接密封,冷流体由外周边流向中心排出，热流体由中心外周排出，纯逆流,夜液热交换器，公称压力<2.5mpa,通道两端面交错焊死，两端面的密封采用端盖加垫片,冷流体由外周流向中心，热流体由中心流向周边，纯逆流,气液热交换器，公称压力<1.6mpa,一通道两端焊死，另一通道两端全部敞开，两端面的密封采用端盖加垫片,一侧流体由外周流向中心在流向另一周边，另侧流体做轴向流动,气液冷凝器，公称压力<1.6mpa,10,螺旋板式换热器,按流道布置和封头形式可分为： 4="" i="" ii="" iii="" 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" a="" b="" c="">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。,50,板式换热器缺点,缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20 atm，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。,51,3 型号表示法,板式换热器代号,板式波纹形式代号,单板工程换热面积,设计压力,换热器换热面积,垫片材料代号,框架结构形式代号,举例：,BR0.31.615NI,B板式热交换器,BL板式冷凝器,BZ板式蒸发器,52,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）,53,板翅式换热器结构组成   由基本换热元件组成，（a），在两块平隔板1中夹着一块波纹形导热翅片3，两端用侧条2密封，形成一层基本换热元件，许多这样的元件交错叠合（使相邻两流道流动方向交错）焊接起来构成板式换热器。（b）是一种叠合方式。波纹板形式   （a）为平直形翅片，还有锯齿翅片图 、翅片带孔图、弯曲翅片图等形式，目的是增加流体的扰动，增强传热。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350 W/(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4300 m2，承压可达100bar。但它容易堵塞，清洗困难，不易检修。适用于清洁和无腐蚀的流体换热。,54,板翅式换热器结构原理图1平隔板；2侧条；3翅片；4流体,55,光直翅片,锯齿翅片,多孔翅片,56,板翅式换热器   1，3侧板；2，5隔板；4翅片,不同流型的板束通道,57,58,a 翅片,b 隔板,c 封条,d 分配段,e 集流箱,两种流体逆流换热时板翅式热交换器分解图,59,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,60,2 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。,61,3 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,62,4 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,63,翅片的表示方法：用汉语拼音和数字,65PZ2103表示：,65翅高6.5mm,21节距2.1mm,03翅厚0.3mm,PZ平直,64,b 封条,使流体在单元体的流道中流动而不向两侧外流,c 隔板,表面覆盖一层钎料合金的金属板，与翅片焊接成整体，钎料合金厚度约为0.1-0.4mm。含硅5-12%,d 导流片（分配段）,使介质在翅片中均匀分布，便于封头的布置,保护较薄翅片制造时不受损坏，避免通道堵塞,65,66,I型：主要用于换热器的端部有两个封头，需把流体引导到端部一例的封头内的场合。,II型：主要用于换热器端部有三个以上的封头，需把一股流体引导到中间封头的场合。,III型：主要用于换热器端部敞开或仅有一个封头的场合，或用于错流形的换热器,67,IV型 主要用于换热器端部无法布置封头，需把封头布置于两侧的场合,e 封头,即为集流器，聚集流体，并使板束和工艺管道连接起来,V型：应用较少，主要用于管路布置中,68,顺流形式,换热效率较低，应用较少，主要用在加热时需要避           免流体被加热（或冷却）到高（或低）于某一规定           温度的场合,3 流道布置,优点：,69,逆流形式,热利用率高，平均温差较小，应用最普遍,优点：,70,错流形式,错逆流形式,传热效率高，可使换热          器布置比较合理，常用          于一侧有相变或温差变          化很小的场合,可缩小通道截面积，提高      介质初速，从而提高给热      系数，结构紧凑，适用于      两种流体换热系数相差较      大的场合,优点,优点：,71,混流形式,可同时处理几种流体的换          热，并能合理分配各种流体          的传热面积，使换热器更为          紧凑，减小冷量损失，适用          于多种流体进行换热的场合,优点：,72,4 组装结构,并联组装,在制造时截面积和长度都要受到钎焊工艺的限制单个板束热交换器不能满足使用需要，采用组装体,73,串联组装,74,串并联组装,75,5 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,76,2 传热机理,传热特点是：具有扩展的二次传热表面(翅片)。如图所示，高温侧流体的热量除了由一次表面（隔板）导入低温侧流体，还沿翅片高度方向传递部分热量。即沿翅片高度方向由隔板导入热量，再将这些热量对流传递给低温侧流体。   翅片高度大大超过了翅片的厚度，因此沿翅片高度方向的导热过程类似于均质细长导杆的导热，翅片热阻不能被忽略。   翅片表面的温度分布情况如果所示。翅片两端温度最高，等于隔板温度。随着翅片和流体的对流放热，温度不断降低直至在翅片中部趋于流体温度。,77,第五节 热管热交换器,1 热管的发展及现状,1944年:通用发动机公司的R.S.Gaugler首先提出了热管的工作原理,但是他的想法当时并没有被广泛的采纳利用。1963年:美国的Los Alamos国家实验室的G.M.Grover重新独立发明了这种传热元件,并进行了性能测试实验,将这种传热元件正式命名为热管-heat pipe。1965年:Cotter首次提出了较完整的热管理论。70年代以来:热管技术飞速发展.我国也自70年代开始, 展开了对热管的研究和应用。现在热管在电子工业、余热回收、新能源等方面得到了广泛应用,热管的工作原理及结构,78,2 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,79,3 热管的工作过程,热量由蒸发段输入后，毛细材料中的工作液受热蒸发，蒸汽顺着蒸汽通道流向冷凝段；在冷凝段，蒸汽受到冷凝结成液体，放出热量；凝结液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。,80,81,热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移，完成这一转移有六个同时发生又相互关联的主要过程：,（1）热量从热源通过热管管壳和吸液芯（吸液芯中充满工作  液体）传递到液汽分界面,（2）液体的蒸发段内的液汽分界面上蒸发,（3）蒸气腔内的蒸汽从蒸发段流到冷却段,（4）蒸气在冷却段内的汽液分界面上的凝结,（5）热量从液汽分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源,（6）在吸液芯内由毛细作用使冷凝液从冷却段回流到蒸发段,82,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 管壳材料与工质必须相容，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,83,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 与工质、管壁材料必须相容,c 具有较高渗透率且传热性能好,d 具有足够的刚性，以保证吸液芯与管壁紧密接触,e 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,84,b 烧结粉末管芯,c 轴向槽道式管芯,d 组合管芯,一定数目的金属粉末或金属丝网烧结在管内壁面而成,在管壳内壁开轴向细槽，以提供毛细压头及液体回流通道,85,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 具有较低的粘度，良好的稳定性,c 具有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力,d 对毛细结构和管壁无溶解作用,种类：,随热管内部的工作温度而定,低温范围内：乙醇，丙酮，氟利昂，液氨，液氮，液氢,常温：水,高温范围内：联苯，萘，汞，液态金属（钾、钠、钾钠合金）,86,4 热管的分类,吸热芯热管（依靠毛细力）,两相热虹吸管（依靠重力回流）,旋转热管（依靠离心力）,重力辅助(依靠毛细力和重力),电动力热管,磁液体动力热管,平板热管,脉动热管,回路热管,87,5 热管工作时的特点,假设热管中沿蒸发段蒸发是均匀的，沿冷凝段冷凝也是均匀的，则热管工作时其内的质量流量、压力及温度分布如图：,质量流量：,在冷凝段上，工作液在流动方向上因蒸汽不断冷凝而增加；而在蒸发段，工作液在流动方向上因蒸发而不断减少；在绝热段，工作液保持不变,温度：,蒸发段的饱和温度稍高于冷凝段饱和温度，此温差<1-2,压力：,88,表面张力与毛细管现象>90，为不浸润液体，液面在表面张力的作用下下降。<90,为浸润液体，液面在表面张力的作用下上升,6 普通热管原理,89,受力分析得到方程:,假定R1=R2整理后得到:,90,热管内的毛细头,平衡时有:,上升高度h:,就是毛细头,它是热管循环的基本推动力,91,7 热管的传热极限,粘性极限,声速极限,携带极限,毛细极限,沸腾极限,92,粘性极限：1-2,热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力,声速极限：2-3,热管内蒸汽流速在某一点达到当地声速而限制热的传热能力,携带极限：3-4,热管内部蒸气流速过高，将逆向回流的冷凝液体部分地从汽液交界面上“撕脱”下来，携带至热管的冷凝段，从而破坏了热管的正常工作并达到传热极限,93,毛细极限：4-5,热管在工作条件下，内部的汽、液循环流动所产生的压力降和重力场对管内流动的影响，由此面带来的压力损失恰好与热管内吸液芯所产生的最大毛细压头相平衡，此时所达到的热管传热极限,沸腾极限：5-6,热管加热段吸液芯中的液体受热沸腾所产生的气泡阻碍了正常液体的回流，或由于径向热流密度过大，从而形成膜态沸腾，使得壁面干涸所产生的传热极限,94,8 热管的优点,很高的导热性:比普通的金属导体高几个数量级。优良的等温性:蒸汽处于饱和状态,从而保证了很小的温差,利用该特性来实现温度展平。热流密度可变性:可以通过改变蒸发段和冷凝段的面积来很方便的调节热流密度。热流方向的可逆性:由于其内部循环动力是毛细力,所以任意一端受热都可以成为蒸发段。环境的适应性:热管的形状可以随热源和冷源的条件而变化,并可以将热源和冷源分隔在两个场所进行热交换。,95,由两块平行的板壳和吸液芯组成,通道截面为扁平的矩形。   目前,出现了由多个微型热管平行排列组成的新型平板热管,它的两块平行紫铜板中间采用焊接的方式固定若干互相平行的细铜丝,其中每相邻两根铜丝和上下两块紫铜板之间围成一个通道,通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成。    平板热管由于质量轻、良好的启动性和均温性的优势,而成为目前电子元件散热方面的热点研究,在国外已经得到应用。,平板热管,96,脉动热管是由金属毛细管弯曲成蛇形结构,管内抽成真空后充注部分工作介质,由于管径足够小,管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推动工质流向低温冷凝端。那里,气泡冷却收缩并破裂,压力下降。这样,由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡,使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动,从而实现热量的传递,97,(Loop Heat Pipe , 简称LHP) 作为一种新型热控技术,经过近三十年的发展,已日趋成熟, 利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行,利用工质的蒸发和冷凝,能在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,是一种高效的两相传