換熱器及換熱原理ppt課件

1、熱交換器及換熱原理熱交換器及換熱原理張利芳張利芳2019-5-4如何進行熱交換如何進行熱交換 熱交換系統(tǒng)通常是以熱傳導和對流兩種方式進行熱交換的。熱傳導是熱量傳遞的一種常見的方式，其過程中流體各部位之間不發(fā)生相對的位移；對流是流體各部分質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。對流分為強制對流與自然對流，強制對流是使用機械能如攪拌使流體發(fā)生對流而傳熱，比如我們?yōu)榱死鋮s一杯咖啡會不停的攪拌它；自然對流是因流體受熱而有密度的局部變化，導致發(fā)生對流而傳熱。基礎概念基礎概念 層流：當流體以較小的流速流經管道時，流體成層流：當流體以較小的流速流經管道時，流體成平穩(wěn)狀態(tài)通過全管，流體的質點作平行運動，與平穩(wěn)狀

2、態(tài)通過全管，流體的質點作平行運動，與旁側的流體并無宏觀的混合，此流動形態(tài)稱之為旁側的流體并無宏觀的混合，此流動形態(tài)稱之為層流。層流。湍流：當流體以較高流速流經管道時，流體成波湍流：當流體以較高流速流經管道時，流體成波動狀態(tài)，并形成旋渦向四周散開，與旁側的流體動狀態(tài)，并形成旋渦向四周散開，與旁側的流體相混合，此種流動形態(tài)稱之為湍流。相混合，此種流動形態(tài)稱之為湍流。 考慮考慮 湍流會使流體內部的混合與振蕩增強，使流體以對流方式傳熱，因而隨著湍動程度的增強傳熱的效果會更好，而層流使流體主要以傳導的方式進行傳熱。顯而易見湍流狀態(tài)下的傳熱效果要比層流狀態(tài)下的傳熱效果好。 常用類型：常用類型： 板式換熱器

3、板式換熱器PHE） 管式換熱器管式換熱器THE）整體結構整體結構 板式換熱器：板式換熱器：板片設計成傳熱效果最好的瓦楞型，板片設計成傳熱效果最好的瓦楞型，板組牢固地壓緊在框中，瓦楞板上板組牢固地壓緊在框中，瓦楞板上的支撐點保持各板分開，以便在板的支撐點保持各板分開，以便在板片之間形成細小的通道。片之間形成細小的通道。整體結構及圖整體結構及圖 液體通過板片一角的孔液體通過板片一角的孔進出通道。改變孔的開進出通道。改變孔的開閉，可使液體從閉，可使液體從通道通道按規(guī)定的線路進入另一按規(guī)定的線路進入另一通道。板周邊和孔周邊通道。板周邊和孔周邊的墊圈形成了通道的邊的墊圈形成了通道的邊界，以防向外滲漏與內

4、界，以防向外滲漏與內部液流混合。部液流混合。工作示意圖工作示意圖補充補充 焊接式的板式換熱器焊接式的板式換熱器多用于水汽換熱，具有很高的集成度多用于水汽換熱，具有很高的集成度高換熱系數(shù)，體積小，薄型材料高換熱系數(shù)，體積小，薄型材料不用密封圈，銅不用密封圈，銅鎳或釬焊接不銹鋼鎳或釬焊接不銹鋼成緊湊直角型的包狀成緊湊直角型的包狀易于安裝，高換熱效率，低成本易于安裝，高換熱效率，低成本抗腐蝕性強，抗震，耐高溫，高壓抗腐蝕性強，抗震，耐高溫，高壓圖示圖示總結總結 板式熱交換器是一種新型、高效的節(jié)能熱板式熱交換器是一種新型、高效的節(jié)能熱交換設備，它具有換熱效率高，結構緊湊，交換設備，它具有換熱效率高，結

5、構緊湊，重量輕，適應性強，熱損失少，可拆卸，重量輕，適應性強，熱損失少，可拆卸，可清洗，裝拆和維修方便等特點，主要應可清洗，裝拆和維修方便等特點，主要應用于液液、液汽熱交換，特別適用于各種用于液液、液汽熱交換，特別適用于各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝及食品消毒等方面及食品消毒等方面.標識介紹標識介紹整體結構整體結構 管式換熱器：管式換熱器： 管式熱交換器，不同于板式熱交換器，它管式熱交換器，不同于板式熱交換器，它在產品通道上沒有接觸點，這樣它就可以在產品通道上沒有接觸點，這樣它就可以處理含有一定顆粒的產品處理含有一定顆粒的產品,顆粒的最大直徑顆粒的

6、最大直徑取決于管子的直徑取決于管子的直徑.整體結構整體結構 在在UHT處理中，管式熱交換器要比板處理中，管式熱交換器要比板式熱交換器運行的時間長。從熱傳遞式熱交換器運行的時間長。從熱傳遞的觀點看，管式熱交換器比板式熱交的觀點看，管式熱交換器比板式熱交換器的傳熱效率低換器的傳熱效率低工作原理工作原理 通常使用的多管道的管式熱交換是基于傳通常使用的多管道的管式熱交換是基于傳統(tǒng)的列管式熱交換器的原理，其產品流過統(tǒng)的列管式熱交換器的原理，其產品流過一組平行的通道，提供的介質圍繞在管子一組平行的通道，提供的介質圍繞在管子的周圍，通過管子和殼體上的螺旋波紋，的周圍，通過管子和殼體上的螺旋波紋，產生紊流，實

7、現(xiàn)有效的傳熱。產生紊流，實現(xiàn)有效的傳熱。補充說明補充說明 同一段內可能使用不同規(guī)格同一段內可能使用不同規(guī)格/模式的管式熱交模式的管式熱交換器換器規(guī)格：包括外部套管的管徑規(guī)格：包括外部套管的管徑-內部列管的管徑內部列管的管徑-內部列管的數(shù)量內部列管的數(shù)量-總長度總長度形式：常見的有形式：常見的有A B C D四種模式，主要由外四種模式，主要由外部套管上介質進出口的位置決定部套管上介質進出口的位置決定圖示圖示持熱管簡介持熱管簡介必要性及設計原理必要性及設計原理 正確的熱處理要求牛乳在殺菌溫度下保持一定正確的熱處理要求牛乳在殺菌溫度下保持一定的時間，這可以通過外設保持管來實現(xiàn)。的時間，這可以通過外設

8、保持管來實現(xiàn)。 若已知流量和保持管的內管徑，就可以計算出若已知流量和保持管的內管徑，就可以計算出符合保持時間的合適的管長。符合保持時間的合適的管長。 設計原理設計原理 由于保持管里流速分布不均勻，某些牛乳由于保持管里流速分布不均勻，某些牛乳粒子的流速要比平均值大。為了確保流速粒子的流速要比平均值大。為了確保流速最快的粒子也能充分地巴氏殺菌，必須采最快的粒子也能充分地巴氏殺菌，必須采用一效率系數(shù)來校正。這個系數(shù)取決于保用一效率系數(shù)來校正。這個系數(shù)取決于保持管的設計，通常取持管的設計，通常取0.80.9 之間。之間。換熱器面積的計算換熱器面積的計算 熱交換器必需的尺寸和結構取決于很多因熱交換器必需

9、的尺寸和結構取決于很多因素，要計算是非常復雜的，當今通常借助素，要計算是非常復雜的，當今通常借助于計算機進行計算。有幾種因素一定要加于計算機進行計算。有幾種因素一定要加以考慮：以考慮： 產品流量產品流量 液體的物理性質液體的物理性質續(xù)續(xù) 溫度程序溫度程序 允許的壓力降允許的壓力降 熱交換器的設計熱交換器的設計 清潔度的要求清潔度的要求 要求運行的時間要求運行的時間熱交換器中逆流傳熱的溫度分配熱交換器中逆流傳熱的溫度分配熱交換器中并流傳熱的溫度分配熱交換器中并流傳熱的溫度分配公式解釋公式解釋 p = 產品的密度產品的密度 Cp = 產品的比熱產品的比熱 t = 產品的溫度變化產品的溫度變化 tm

10、 = 對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差(LMTD) K = 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)單項分析單項分析 流量流量V，是由乳品廠的設計能力決定的。，是由乳品廠的設計能力決定的。 產品密度產品密度p 由產品決定。比熱由產品決定。比熱cp也由產品也由產品決定，比熱值告訴我們將某種物質溫度升決定，比熱值告訴我們將某種物質溫度升高高1，需提供多少熱量。，需提供多少熱量。單項分析單項分析 產品的進口溫度和出口溫度取決于前段加工產品的進口溫度和出口溫度取決于前段加工情況和后續(xù)加工的要求：情況和后續(xù)加工的要求： t1= to1- ti1 所用介質的進口溫度取決于加工條件，介質所用介質的進口溫度取決于加工條件，介質的出口溫度

11、可以用能量平衡公式計算得出：的出口溫度可以用能量平衡公式計算得出：V1 P1 x Cp1 t1 = V2 P2 x Cp2 t2單項分析單項分析 溫度差異是傳熱推動力，溫差越大，傳熱越多，溫度差異是傳熱推動力，溫差越大，傳熱越多，所需的熱交換器越??；然而，對于敏感性產品，所需的熱交換器越?。蝗欢?，對于敏感性產品，可利用的溫差是有限的。溫差隨著液體流經熱可利用的溫差是有限的。溫差隨著液體流經熱交換器而不斷變化，所以，溫差用一個平均值，交換器而不斷變化，所以，溫差用一個平均值，LTMD進行計算。決定平均溫差大小的一個重進行計算。決定平均溫差大小的一個重要因素是介質在熱交換器中的流動方向。它主要因素

12、是介質在熱交換器中的流動方向。它主要有兩種形式：逆流或并流要有兩種形式：逆流或并流特別介紹特別介紹影響總傳熱系數(shù)影響總傳熱系數(shù)K的要素的要素:液體允許的壓力降液體允許的壓力降液體的粘度液體的粘度間壁的形狀和厚度間壁的形狀和厚度間壁的材料間壁的材料污垢物質的存在污垢物質的存在分析分析 產品和介質的壓力降越大，傳遞的熱量越多，產品和介質的壓力降越大，傳遞的熱量越多，熱交換器越小。然而對機械攪拌敏感的產品熱交換器越小。然而對機械攪拌敏感的產品(例例如乳脂肪如乳脂肪)可能會因這種劇烈的處理而壞?？赡軙蜻@種劇烈的處理而壞。 產品和使用介質的粘度對于確定熱交換器的尺產品和使用介質的粘度對于確定熱交換器的

13、尺寸也是非常重要的。與低粘度的產品相比，高寸也是非常重要的。與低粘度的產品相比，高粘度的液體在通過熱交換器時，產生紊流的程粘度的液體在通過熱交換器時，產生紊流的程度小，如果其它參數(shù)一定，這就意味著需要較度小，如果其它參數(shù)一定，這就意味著需要較大的熱交換器。大的熱交換器。分析分析 間壁通常是波紋狀，以實現(xiàn)更劇烈的紊流。間壁通常是波紋狀，以實現(xiàn)更劇烈的紊流。紊流有助于傳熱，厚度也十分重要。間壁紊流有助于傳熱，厚度也十分重要。間壁越薄，傳熱效果越好。但是這個厚度要有越薄，傳熱效果越好。但是這個厚度要有足夠的強度來承受液體的壓力。現(xiàn)代化的足夠的強度來承受液體的壓力?，F(xiàn)代化的設計和生產技術使得間壁比幾年

14、前的更薄。設計和生產技術使得間壁比幾年前的更薄。 食品加工中通常采用不銹鋼材料，不銹鋼食品加工中通常采用不銹鋼材料，不銹鋼有相當好的傳熱性能有相當好的傳熱性能 加熱介質和產品的溫差要盡可能地小，通常比殺加熱介質和產品的溫差要盡可能地小，通常比殺菌溫度高菌溫度高2-3/4-5 。 相對于產品來說，如果間壁表面太熱，牛乳中的相對于產品來說，如果間壁表面太熱，牛乳中的蛋白質將會有凝結并在間壁上結焦的危險。熱量蛋白質將會有凝結并在間壁上結焦的危險。熱量必須通過這一垢層進行傳遞，這將導致總傳熱系必須通過這一垢層進行傳遞，這將導致總傳熱系數(shù)數(shù)K 值下降。加熱介質和產品的溫差與以前相同值下降。加熱介質和產品的溫差與以前相同時，也不能傳遞同樣多的熱量，產品的出口溫度時，也不能傳遞同樣多的熱量，產品的出口溫度將會下降。這可以通過提高加熱介質的溫度來補將會下降。這可以通過提高加熱介質的溫度來補償，但這又提高了傳熱表面的溫度，以致更多的償，但這又提高了傳熱表面的溫度，以致更多的蛋白質凝結在換熱器表面上，垢層的厚度增加，蛋白質凝結在換熱器表面上，垢層的厚度增加，K值進一步下降。值進一步下降。污垢聚集的速度取決于很多因素污垢聚集的速度取決于很多因素 產品和加熱介質的溫差產品和加