PrincipiaandDesignofHeatExchangerDevice热交换器原理

1、 Principia and Design of Heat Exchanger Device热交换器原理与设计山东大学能源与动力工程学院杜文静电话: 8839900-2511一、螺旋板式热交换器 第三章 紧凑式热交换器1基本构造和原理 优点：高传热系数，温差小，紧凑，易加工易安装； 由于压降小，可以采取较高流速，水为2m/s，气体为20m/s； 传热系数可以比管壳式换热器高出50%100%； 流程长，因此可用于低温能量回收。 缺点：最大尺寸受限，最大压力0.62.5Mpa； 由于结构特征，难以修理。 结构：螺旋形传热板，隔板，头盖，连接管等。 类别：可拆式，不可拆式。根据热交换器连接方式和流体

2、流动类型的不同，螺旋换热器主要可分为三种：I型：两侧流体均螺旋流动 冷流体由外周边流向中心排出，热流体由中心派向外围排出，实现了纯逆流换热，常用于液-液热交换，由于受到通道断面的限制，只能能用在流量不大的场合。 通道两端焊接，为不可拆结构。II型：流动方式同I型，交错焊接，密封垫圈，可拆卸。III型: 一侧螺旋流动（从周边进，从另一周边流出），一侧轴向流动。 通道的密封结构为一个通道的两端焊接，另一个通道两端全敞开。 轴向流通截面比螺旋通道的大很多，适宜于两流体的体积流量相差大的情况，故常用作泠凝器等气-液热交换。 标准 JB/T47512003 螺旋板式换热器型号表示方法：X X X X/X

3、 X X/X X/X X B/K L C/S 工作压力 换热面积 板宽/直径 通道间距 D/G B不可拆，K可拆，L螺旋板式换热器，C碳钢，S不锈钢，D堵死型，G贯通型。2. 设计计算1）换热系数计算 a）湍流（Re6000) de 当量直径，m，de =2Heb/（He+b) He 螺旋板有效宽度，m Dm 螺旋通道平均直径，m，Dm=（D+d）/2 b 通道间距，mb）层流（Re1000）M 质量流速，kg/m2slt 螺旋通道长，m2）流体压降的计算 包括弯曲通道的阻力，定距柱的影响和进出口的局部阻力。对于介质为液体时，二、板式热交换器 1基本构造与原理 主要部件：传热板片、密封垫片、压

4、紧装置等。 优点：低雷诺数下湍动度高，高换热系数，低污垢因子， 容易清洗、检查和维护，灵活，可用于多流体换热。 缺点：不能承受高压、高温和大的压差温差，不适用于腐蚀性流体。 分类：可拆卸（密封垫式），全焊式，半焊式。 可拆卸板式换热器由三个主要部件构成：传热板片，密封垫片，压紧装置。 在固定压紧板上，交替的安放一些板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板，旋紧压紧螺栓即构成一台板式热交换器。各传热板片按一定的顺序相叠形成板片间的流道，冷热流体在板片两端各自的流道内流动，通过传热板片进行热交换。流程组合：流体可以串联、并联和混联；流程可以接受单流程和多流程。2. 设计计算1）换热系数计算 平均温差：

5、传热系数: 对流换热系数: 当量直径: L：有效板宽 b：板间距2）压力损失计算 包括弯曲通道的阻力，定距柱的影响和进出口的局部阻力。对于介质为液体时，当量直径： 欧拉数m 流程数查图三、板翅式热交换器1基本结构与原理 冷热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。 优点：高传热系数，紧凑，高表面密度，灵活性， 都适用于气-气，气-液，液-液，相变工况。 缺点：制造加工复杂，易腐蚀，不易清洁和检查。 结构：平板、波纹板、封条三部分构成了结构基本单元。 分类：平直翅片

6、，多孔翅片，锯齿形翅片，波纹翅片，钉状翅片，百叶窗式 翅片等。 布置方式：逆流，顺流，叉流，混流。2. 设计计算1）翅片效率及翅片表面总效率 a）翅片效率f由隔板传递的热量沿翅片传入的热量tw 隔板表面温度tm 翅片表面平均温度，是一个未知参数用tw来代替tm，翅片效率即可求出因此，f定义：翅片的实际传热量和最大传热量（在翅根温度下）之比。它表征了翅片的热性能。 b 定型尺寸 翅片厚度影响翅片效率的因素：1）翅片定型尺寸越小，热阻越小，翅片效率越高。所以，单叠布置优于复叠布置。2）翅片越厚，热阻越小，翅片效率越高。3）翅片与流体间的换热系数越小，沿翅片表面的散热量也越小，翅片效率越高。4）翅片

7、材料的导热性能越好，翅片效率越高。b）翅片壁面总效率0例题 一个板翅式换热器翅片为矩形肋，肋高24mm，肋厚0.12mm，肋密度为600个肋/m。空气流过肋的传热系数为170W/m2K。肋材料为铜，热导率为401为W/mK，求肋效率。 如果肋厚度减小到0.06mm，肋效率和传热速率会如何变化？假设传热系数不变，如何改变肋密度才能使肋厚度变薄的情况下保持相同的换热性能？ 如果将肋材料改为铝，铝的热导率为237 W/mK，肋效率和传热速率又会如何变化？ 铜和铝的密度分别为8933和2702kg/m3。解题分析：已知数据： 铜肋： 铝肋：求：（a）如果铜肋厚度由0.12mm变为0.06mm，肋效率和

8、传热速率的改变？（b）如果铜肋厚度由0.12mm变为0.06mm时要保持相同传热速率，肋密度应如何改变？（c）如果肋材料由铜变为铝，且保持相同的肋结构，肋效率将如何变化？假设：传热系数不随肋密度的改变而改变。分析：带入公式计算铜肋的肋效率因此，如果肋厚度减小到0.06mm，则故， 所以说，肋效率从0.759减小到0.625，减小了约18%，进而传热速率也减小了约18%。为了简化计算，我们没有考虑基础表面的影响。 通过增大18%的肋表面积（比如将肋密度从每米600个肋增加到每米729个），肋的传热速率可以大体保持不变。此处，我们假设传热系数不随肋密度的变化而变化。实际上，传热系数一般情况下会随肋

9、密度的增加而增加。 将肋材料由铜变为铝，则：2）换热系数计算 对于无相变时的对流换热系数j 传热因子 G 质量流率j 的具体形式因翅片类型和结构参数不同而异。 锯齿翅片Re=3007500 多孔翅片Re=40010000 平直翅片Re=40010000对于有相变时的对流换热系数参考课本。3）传热量和传热系数计算分别以冷、热通道总传热面积为基准时，4）压力损失计算 a）热交换器芯子入口的阻力G 质量流速，kg/m2s 流体通道的自由流通面积与横截面积之比Kc 收缩阻力系数 b）热交换器芯子出口的阻力ke 扩大阻力系数c）热交换器芯子中阻力f 摩擦因子L 热交换器芯子长度，mde通道当量直径m流体平均密度