管殼式熱交換器設計全解實用課件

1、1 高效間壁式熱交換器高效間壁式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器 3.2 板式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器 3.4 翅片管熱交換器 3.5 熱管熱交換器 3.6 蒸發(fā)冷卻（冷凝）器的結(jié)構(gòu) 2 高效就是換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊 即在增加換熱器的傳熱面積的同時，也要減 小換熱器的體積 “緊湊性”熱交換器的單位體積中所包含 的傳熱面積的大小，m m2 2/m/m3 3 緊湊式熱交換器：700m700m2 2/m/m3 3 非緊湊性熱交換器：700m700m2 2/m/m3 3 高效間壁式熱交換器 3 螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋狀而構(gòu)成的。卷制 后，在器內(nèi)形成兩條相互

2、隔開的螺旋形通道，在頂、底部分別焊有封頭和兩流體進出 口接管。其中有一對進出口接管是設在園周邊上，而另一對進出口則設在圓鼓的軸心 上。換熱時，冷、熱流體分別進入兩條通道，在器內(nèi)作嚴格的逆流流動。 第一節(jié) 螺旋板式熱交換器 4 基本構(gòu)造 外殼 螺旋體密封裝置進出口 中心處有隔板將板片兩側(cè)流體隔開，各通道為環(huán)狀單一通道，其截面積為矩形， 進出管分別接于兩通道的邊緣端 具體的說螺旋板式熱交換器的構(gòu)造 螺旋形傳熱板 隔板頭蓋連接管 5 工作過程 冷熱兩種流體分別在兩個螺旋通道中流動，流體1 1從中 心進入，沿螺旋形通道流到周邊流出；流體2 2則由周邊進入， 沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高傳

3、熱系數(shù)。 6 定距柱 作用保證流道的間距； 加強湍流； 增加螺旋板剛度。 固定方式 用3 310mm10mm的圓鋼在卷板前預先焊接在鋼板上。 7 8 分類 不可拆式: 可 拆 式 通道兩端全部墊入密封條后焊接密封 冷流體由外周邊流向中心排出，熱流體由中心外周排出，純逆流 夜液熱交換器，公稱壓力2.5MPa2.5MPa 通道兩端面交錯焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片 冷流體由外周流向中心，熱流體由中心流向周邊，純逆流 氣液熱交換器，公稱壓力1.6MPa1.6MPa 一通道兩端焊死，另一通道兩端全部敞開，兩端面的密封采用端蓋加墊片 一側(cè)流體由外周流向中心在流向另一周邊，另側(cè)流體做軸向流動 氣液冷凝

4、器，公稱壓力1.6MPa1010時，即可產(chǎn)生劇烈湍流，一般總傳熱系 數(shù)可高達300030008000W/M8000W/M2 2.K.K。 端部溫差小 逆流換熱，可達到11的端部溫差。 熱損失小 只有板片邊緣暴露，不需保溫，熱效率98%98%。 適應性好，易調(diào)整 通過改變板片數(shù)目和組合方式即可調(diào)節(jié)換熱能 力，與變化的熱負荷相匹配。 流體滯留量小，對變化反應迅速，拆裝簡單，容易維護 板片是獨 立的單元體，拆裝簡單，可將密封墊密閉的板片拆開、清洗。 結(jié)垢傾向低 高度紊流、光滑板表面，使積垢機率很小，且具自清 潔功能，不易堵塞。 低成本 使用一次沖壓成型的波紋板片裝配而成，金屬耗量低，當 使用耐蝕材料

5、時，投資成本明顯低于其他的換熱器。 49 缺點：處理能力不大，操作壓力比較低，一般不超過20 atm20 atm，受 墊片耐熱性的限制，操作溫度不能太高，一般合成橡膠墊不超過 130130，壓縮石棉墊圈也不超過250250。 50 3 型號表示法 板式換熱器代號 板式波紋形式代號 單板工程換熱面積 設計壓力 換熱器換熱面積 墊片材料代號 框架結(jié)構(gòu)形式 代號 舉例： BR0.3BR0.31.61.61515N NI I B板式熱交換器BL板式冷凝器BZ板式蒸發(fā)器 51 第三節(jié) 板翅式熱交換 器1 1 基本結(jié)構(gòu) 板束導流片封頭 隔板 翅片 封條基本單元（通道） 52 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)組成 由基本換

6、熱元件組成， （a），在兩塊平隔板1中夾著一塊波紋形導熱翅 片3，兩端用側(cè)條2密封，形成一層基本換熱元件， 許多這樣的元件交錯疊合（使相鄰兩流道流動方 向交錯）焊接起來構(gòu)成板式換熱器。（b）是一 種疊合方式。 波紋板形式 （a）為平直形翅片，還有鋸齒翅 片圖 、翅片帶孔圖、彎曲翅片圖等形式，目的 是增加流體的擾動，增強傳熱。 板翅式換熱器由于兩側(cè)都有翅片，做氣氣換熱， 傳熱系數(shù)對空氣可達350 W/(m2)。板翅換熱 器結(jié)構(gòu)非常緊湊，輕巧，每立方米體積中容納的 傳熱面積可高達4300 m2，承壓可達100bar。但 它容易堵塞，清洗困難，不易檢修。適用于清潔 和無腐蝕的流體換熱。 53 板翅式

7、換熱器結(jié)構(gòu)原理圖 1 1平隔板；2 2側(cè)條；3 3翅片；4 4流體 54 光直翅片 鋸齒翅片 多孔翅片 55 板翅式換熱器 1 1，3 3側(cè)板；2 2，5 5隔板；4 4翅片 不同流型的板束通道 56 57 a 翅片 b 隔板 c 封條 d 分配段 e 集流箱 兩種流體逆流換熱時板 翅式熱交換器分解圖 58 a 翅片 擴大傳熱面積，提高換熱器緊湊性和傳熱效率 支撐隔板，提高熱交換器的強度和承壓能力 1 平直翅片（PZPZ） 具有很長光滑壁的長方形翅片，流 動和傳熱特性與圓管內(nèi)的相似。 流動阻力小，換熱系數(shù)也很小 適用于：阻力要求嚴格，而本身對 流換熱系數(shù)較大的場合。 傳熱機理：二次傳熱表面 5

8、9 2 2 鋸齒形翅片（JCJC） 將平直翅片切成許多短小片段， 相互錯開一定的間隔，間斷式； 促進流體的湍動，破壞熱邊界層， 強化換熱； 適用于：氣體通道，高、低溫介 質(zhì)溫差較大的場合、黏度較大的 油通道； 傳熱性能與翅片切開長度有關(guān)。 60 3 3 多孔翅片（DKDK） 平直翅片上沖出許多圓孔或方孔而 形成，翅片開孔率5-10%5-10%，孔的排 列方式有長方形、平行四邊形、正 三角形； 孔破壞傳熱邊界層，提高傳熱效果， 高ReRe數(shù)時會出現(xiàn)噪音和振動； 開孔有利于流體的均勻分配，利于 介質(zhì)中雜質(zhì)、顆粒的沖刷和排除； 適用于：有相變介質(zhì)的換熱，用作 入口處的導流片 61 4 4 波紋翅片（

9、PWPW） 在平直翅片上壓成一定的波形而形 成，傳熱效果介于平直形和鋸齒形 之間； 流體在內(nèi)流動時不斷改變流向，促 進湍動，分離、破壞熱邊界層，強 化傳熱； 波紋越密，波幅越大，傳熱性能越 好，但阻力也增大； 耐壓強度較高； 適用于：壓力較高的氣體換熱場合。 其他：百葉窗式，片條式翅片、釘狀翅片 62 翅片的表示方法：用漢語拼音和數(shù)字 65PZ210365PZ2103表示： 6565翅高6.5mm6.5mm2121節(jié)距2.1mm2.1mm 0303翅厚0.3mm0.3mmPZPZ平直 63 b b 封條 使流體在單元體的流道中流動而不向兩側(cè)外流 c c 隔板 表面覆蓋一層釬料合金的金屬板，與翅

10、片焊接成整體，釬料合金厚度約為0.1-0.4mm0.1-0.4mm。 含硅5-12%5-12% d d 導流片（分配段） 使介質(zhì)在翅片中均勻分布，便于封頭的布置 保護較薄翅片制造時不受損壞，避免通道堵塞 64 65 I I型：主要用于換熱器的端部有兩個封頭，需把流體引導到端部一例的封頭內(nèi)的場合。 IIII型：主要用于換熱器端部有三個以上的封頭，需把一股流體引導到中間封頭的場 合。 IIIIII型：主要用于換熱器端部敞 開或僅有一個封頭的場合，或 用于錯流形的換熱器 66 IV型 主要用于換熱器端部無法布置封頭，需把封頭 布置于兩側(cè)的場合 e e 封頭 即為集流器，聚集流體，并使板束和工藝管道連

11、接起來 V V型：應用較少，主要用于管路布置中 67 順流形式 換熱效率較低，應用較少，主要用在加熱時需要避 免流體被 加熱（或冷卻）到高（或低）于某一規(guī)定 溫度的場合 3 3 流道布置 優(yōu)點： 68 逆流形式 熱利用率高， 平均溫差較小， 應用最普遍 優(yōu)點： 69 錯流形式 錯逆流形式 傳熱效率高，可使換熱 器布置比較合理，常用 于一側(cè)有相變或溫差變 化很小的場合 可縮小通道截面積，提高 介質(zhì) 初速，從而提高給熱 系數(shù)，結(jié) 構(gòu)緊湊，適用于 兩種流體換熱 系數(shù)相差較 大的場合 優(yōu)點 優(yōu)點： 70 混流形式 可同時處理幾種流體的換 熱， 并能合理分配各種流體 的傳熱 面積，使換熱器更為 緊湊，減

12、 小冷量損失，適用 于多種流體 進行換熱的場合 優(yōu)點： 71 4 組裝結(jié) 構(gòu) 并聯(lián)組裝 在制造時截面積和長度都要受到釬焊工藝的限制 單個板束熱交換器不能滿足使用需要，采用組裝體 72 串 聯(lián) 組 裝 73 串并聯(lián)組裝 74 5 5 優(yōu)缺點 傳熱效率高：可對介質(zhì)造成擾動，使邊界層不斷破裂更新，從 熱強化換熱 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕：重量僅為具有相同換熱面積的管殼式的1/101/10， 而單位傳熱面積的金屬消耗比管殼式小幾倍 適用范圍廣：可以適用于氣氣、氣液、液液間各種不同介 質(zhì)患熱，亦可用作蒸發(fā)器、冷凝器。適用于逆流、 錯流、多股流、多程流等不同工況的換熱，可在 -273-273+500+500溫度范

13、圍內(nèi)使用 同一設備內(nèi)，可允許2-92-9種介質(zhì)間進行換熱 制造工藝復雜，且要求嚴格 容易堵塞，清洗和檢修較困難 75 2 傳熱機理 傳熱特點是：具有擴展的二次傳熱表面( (翅片) )。如圖所示，高溫側(cè)流體的熱量除 了由一次表面（隔板）導入低溫側(cè)流體，還沿翅片高度方向傳遞部分熱量。即沿翅片 高度方向由隔板導入熱量，再將這些熱量對流傳遞給低溫側(cè)流體。 翅片高度大大超過了翅片的厚度，因此沿翅片高度方向的導熱過程類似于均質(zhì)細 長導桿的導熱，翅片熱阻不能被忽略。 翅片表面的溫度分布情況如果所示。翅片兩端溫度最高，等于隔板溫度。隨著翅 片和流體的對流放熱，溫度不斷降低直至在翅片中部趨于流體溫度。 76 第

14、五節(jié) 熱管熱交換器 1 熱管的發(fā)展及現(xiàn)狀 19441944年: :通用發(fā)動機公司的R.S.GauglerR.S.Gaugler首先提出了熱管的工作原理, ,但是他的想 法當時并沒有被廣泛的采納利用。 19631963年: :美國的Los AlamosLos Alamos國家實驗室的G.M.GroverG.M.Grover重新獨立發(fā)明了這種傳熱元 件, ,并進行了性能測試實驗, ,將這種傳熱元件正式命名為熱管-heat -heat pipepipe。 19651965年:Cotter:Cotter首次提出了較完整的熱管理論。 7070年代以來: :熱管技術(shù)飛速發(fā)展. .我國也自7070年代開始,

15、 , 展開了對熱管的研究和應 用。 現(xiàn)在熱管在電子工業(yè)、余熱回收、新能源等方面得到了廣泛應用 熱管的工作原理及結(jié)構(gòu) 77 2 2 熱管熱管的組成的組成 熱管是一種利用氣化和冷凝的高潛 熱及毛細抽吸現(xiàn)象，無需外界動力 而能夠進行傳熱的高效節(jié)能元件 以吸熱芯熱管來介紹熱管 的結(jié)構(gòu) 管殼毛細多空材料（管芯）蒸汽通道 蒸發(fā)段 絕熱段 冷凝段 78 3 3 熱管的工作過程 熱量由蒸發(fā)段輸入后，毛細材料中的工作液受熱蒸發(fā)，蒸汽順著蒸汽通道流 向冷凝段；在冷凝段，蒸汽受到冷凝結(jié)成液體，放出熱量；凝結(jié)液體再沿多孔材 料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。 79 80 熱管工作的主要任務是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳

16、熱過程，把熱量 輸送到冷卻段，從而實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，完成這一轉(zhuǎn)移有六個同時發(fā)生又相互關(guān)聯(lián)的 主要過程： （1）熱量從熱源通過熱管管殼和吸液芯（吸液芯中充滿工作 液體）傳遞到液汽 分界面 （2）液體的蒸發(fā)段內(nèi)的液汽分界面上蒸發(fā) （3 3）蒸氣腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷卻段 （4 4）蒸氣在冷卻段內(nèi)的汽液分界面上的凝結(jié) （5 5）熱量從液汽分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源 （6 6）在吸液芯內(nèi)由毛細作用使冷凝液從冷卻段回流到蒸發(fā)段 81 管 殼 作用： 將熱管的工作部分封閉起來，在熱管兩端部接受和放出熱量，并承受一定的 壓力 要求： a a 在整個工作壓力范圍內(nèi)不發(fā)生工質(zhì)泄露，壽命夠長 b b 管殼

17、結(jié)構(gòu)既能承受內(nèi)部最大的蒸汽壓力，又能兼顧降低 管壁熱阻，管壁盡可能薄 c c 管殼材料與工質(zhì)必須相容，避免有腐蝕和氣體產(chǎn)生的現(xiàn) 象出現(xiàn) d d 管殼材料經(jīng)得住工藝除氣工程中的高溫 e e 管殼材料濕潤性好，導熱系數(shù)高 材料：不繡鋼，銅，鋁，鎳，玻璃，陶瓷 82 管芯（毛細多孔材料） 作用：產(chǎn)生毛細抽吸力，使液體由冷凝段回流到蒸發(fā)段 要求：a a 起到有效的毛細泵作用 b b 與工質(zhì)、管壁材料必須相容 c c 具有較高滲透率且傳熱性能好 d d 具有足夠的剛性，以保證吸液芯與管壁緊密接觸 e e 便于加工，性能可靠，經(jīng)濟性好 分類：a a 緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯 83 b b 燒結(jié)粉末管芯 c

18、 c 軸向槽道式管芯 d d 組合管芯 一定數(shù)目的金屬粉末或金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面而 成 在管殼內(nèi)壁開軸向細槽，以提供毛細壓頭及液體 回流通道 84 工作液 作用：攜帶熱量 要求： a a 具有較高的汽化潛熱和導熱系數(shù)，及合適的飽和壓力 和沸點 b b 具有較低的粘度，良好的穩(wěn)定性 c c 具有較大的表面張力和潤濕毛細結(jié)構(gòu)的能力 d d 對毛細結(jié)構(gòu)和管壁無溶解作用 種類： 隨熱管內(nèi)部的工作溫度而定 低溫范圍內(nèi)：乙醇，丙酮，氟利昂，液氨，液氮，液氫 常溫：水 高溫范圍內(nèi)：聯(lián)苯，萘，汞，液態(tài)金屬（鉀、鈉、鉀鈉合金） 85 4 4 熱管的分類 吸熱芯熱管（依靠毛細力） 兩相熱虹吸管（依靠重力回流）

19、旋轉(zhuǎn)熱管（依靠離心力） 重力輔助( (依靠毛細力和重力) ) 電動力熱管 磁液體動力熱管 平板熱管 脈動熱管 回路熱管 86 5 5 熱管工作時的特點 假設熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)是均勻的，沿冷凝段冷凝也是均勻的，則熱管工作時其內(nèi) 的質(zhì)量流量、壓力及溫度分布如圖： 質(zhì)量流量： 在冷凝段上，工作液在流動方向上因蒸汽 不斷冷凝而增加；而在蒸發(fā)段，工作液在 流動方向上因蒸發(fā)而不斷減少；在絕熱段， 工作液保持不變 溫度： 蒸發(fā)段的飽和溫度稍高于冷凝段飽和溫 度，此溫差1-290，為不浸潤液體，液 面在表面張力的作用下下降。 90,為浸潤液體，液面 在表面張力的作用下上升 6 6 普通熱管原理 88 1 1

20、2 2 2 12121 R dS dS R dS dSdSdSpp 受力分析得到方程: 假定R R1 1=R=R2 2整理后得到: : R p 2 89 熱管內(nèi)的毛細頭熱管內(nèi)的毛細頭 gh R p ghppghpp AB 2 0 0 grgR h cos22 平衡時有: : 上升高度h:h: 就是毛細頭, ,它是熱管循環(huán)的 基本推動力 p 90 7 7 熱管的傳熱極限 粘性極限 聲速極限 攜帶極限 毛細極限 沸騰極限 91 粘性極限：1-21-2 熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力 聲速極限：2-32-3 熱管內(nèi)蒸汽流速在某一點達到當?shù)芈曀俣拗茻岬膫鳠崮芰?攜帶極限：3-43-

21、4 熱管內(nèi)部蒸氣流速過高，將逆向回流的冷凝液體部分地從汽液交界面上“撕脫” 下來，攜帶至熱管的冷凝段，從而破壞了熱管的正常工作并達到傳熱極限 92 毛細極限：4-54-5 熱管在工作條件下，內(nèi)部的汽、液循環(huán)流動所產(chǎn)生的壓力降和重力場對管內(nèi)流動的影 響，由此面帶來的壓力損失恰好與熱管內(nèi)吸液芯所產(chǎn)生的最大毛細壓頭相平衡，此時 所達到的熱管傳熱極限 沸騰極限：5-65-6 熱管加熱段吸液芯中的液體受熱沸騰所產(chǎn)生的氣泡阻礙了正常液體的回流， 或由于徑向熱流密度過大，從而形成膜態(tài)沸騰，使得壁面干涸所產(chǎn)生的傳熱 極限 93 8 8 熱管的優(yōu)點 很高的導熱性:比普通的金屬導體高幾個數(shù)量級。 優(yōu)良的等溫性:蒸

22、汽處于飽和狀態(tài),從而保證了 很小的溫差,利用該特性來實現(xiàn)溫度展平。 熱流密度可變性:可以通過改變蒸發(fā)段和冷凝段 的面積來很方便的調(diào)節(jié)熱流密度。 熱流方向的可逆性:由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細 力,所以任意一端受熱都可以成為蒸發(fā)段。 環(huán)境的適應性:熱管的形狀可以隨熱源和冷源的 條件而變化,并可以將熱源和冷源分隔在兩個場 所進行熱交換。 94 由兩塊平行的板殼和吸液芯組成, ,通道截 面為扁平的矩形。 目前, ,出現(xiàn)了由多個微型熱管平行排列組 成的新型平板熱管, ,它的兩塊平行紫銅板中 間采用焊接的方式固定若干互相平行的細銅 絲, ,其中每相鄰兩根銅絲和上下兩塊紫銅板 之間圍成一個通道, ,通道截面由

23、兩條半圓曲 線和兩條平行直線構(gòu)成。 平板熱管由于質(zhì)量輕、良好的啟動性和 均溫性的優(yōu)勢, ,而成為目前電子元件散熱方 面的熱點研究, ,在國外已經(jīng)得到應用。 平板熱管 95 脈動熱管是由金屬毛細管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu), 管內(nèi)抽成真空后充注部分工作介質(zhì),由于管徑 足夠小,管內(nèi)將形成氣泡柱和液體柱間隔布置 并呈隨機分布的狀態(tài)。在蒸發(fā)端,工質(zhì)吸熱產(chǎn) 生氣泡,迅速膨脹和升壓,推動工質(zhì)流向低溫冷 凝端。那里,氣泡冷卻收縮并破裂,壓力下降。 這樣,由于兩端間存在壓差以及相鄰管子之間 存在的壓力不平衡,使得工質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝 端之間振蕩流動,從而實現(xiàn)熱量的傳遞 96 (Loop Heat Pipe , (Loop

24、Heat Pipe , 簡稱LHP) LHP) 作為一種新型熱控技術(shù), ,經(jīng)過近三十 年的發(fā)展, ,已日趨成熟, , 利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細芯產(chǎn)生的毛細力驅(qū)動回路運 行, ,利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝, ,能在小溫差、長距離的情況下傳遞大量的熱 量, ,是一種高效的兩相傳熱裝置, ,主要應用于空間技術(shù)熱控制。 環(huán)路熱管 97 Thank you for your attention 98 4 4 混合式熱交換器混合式熱交換器 4.1 冷水塔 4.1.1 冷水塔的類型（干式和濕式）（） 4.1.2 冷水塔的構(gòu)造 （） 4.1.3 冷水塔的工作原理（） 4.1.4 冷水塔的熱力計算 4.1.5 冷水塔的通風阻力計算 4.1.6 冷水塔的設計計算 依靠冷、熱流體直接接觸進行傳熱的， 這種方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)污垢 所形成的熱阻。 99 思考題： 1 冷水塔的構(gòu)造包括哪幾部分？各自的作用是什么？ 2 冷水塔內(nèi)水溫下降的原因是什么？各自的推動力是什么？ 3 冷卻數(shù)和冷水塔特性數(shù)的定義各是什么？其意義各是什么？各值均與那些量 有關(guān)？計算中兩值各怎么確定？ 100 4.2 噴射式熱交換器 4.2.1 噴射式熱交換器的一般問題（） 4.2.2 汽水噴射式熱交換器 4.2.3 水水噴射式熱交換器 思考題： 1 噴射式