傳熱換熱器精品課件

1、傳熱換熱器2022/9/15第1頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一一、換熱器的類型根據(jù)傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法間壁式混合式蓄熱式換熱面的型式 管式板式翅片式2022/9/15第2頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一1、管式換熱器 1）沉浸式換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀（多盤成蛇形，常稱蛇管），并沉浸在容器內的液體中。蛇管內、外的兩種流體進行熱量交換。幾種常見的蛇管形式如圖所示。優(yōu)點 ：結構簡單、價格低廉，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造 缺點 ：容器內液體湍動程度低，管外對流傳熱系數(shù)小。 2022/9/15第3頁，共63

2、頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第4頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第5頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第6頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2）噴淋式換熱器噴淋式換熱器也為蛇管式換熱器，多用作冷卻器。這種換熱器是將蛇管成行地固定在鋼架上，熱流體在管內流動，自最下管進入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管流下，均勻地分布在蛇管上，并沿其兩側逐排流經(jīng)下面的管子表面，最后流入水槽而排出，冷水在各排管表面上流過時，與管內流體進行熱交換。這種換熱器的管外形成

3、一層湍動程度較高的液膜，因而管外對流傳熱系數(shù)較大。另外，噴淋式換熱器常放置在室外空氣2022/9/15第7頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一流通處，冷卻水在空氣中汽化時也帶走一部分熱量，提高了冷卻效果。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果要好得多。同時它還便于檢修和清洗等優(yōu)點。其缺點是噴淋不易均勻。3）套管式換熱器 套管式換熱器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型彎頭連接而成。每一段套管稱為一程，每程有效長度約為46m，若管子過長，管中間會向下彎曲。 在套管式換熱器中，一種流體走管內，另一種流體走環(huán)隙2022/9/15第8頁，共63頁，2022年，5月20日

4、，15點49分，星期一2022/9/15第9頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第10頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第11頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一適當選擇兩管的管徑，兩流體均可得到較高的流速，且兩流體可以為逆流，對傳熱有利。另外，套管式換熱器構造較簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，應用方便 缺點：管間接頭多，易泄露，占地較大，單位傳熱面消耗的金屬量大。因此它較適用于流量不大，所需傳熱面積不多而要求壓強較高的場合。4）列管式換熱器 優(yōu)點 ：單位體積所具有的傳熱面積大，結構

5、緊湊、緊固傳熱效果好。能用多種材料制造，故適用性較強，操作彈性2022/9/15第12頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中多采用列管式換熱器。 在列管式換熱器中，由于管內外流體溫度不同，管束和殼體的溫度也不同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫差較大，就可能由于熱應力而引起設備變形，管子彎曲，甚至破裂或從管板上松脫。因此，當兩流體的溫差超過50時，就應采用熱補償?shù)拇胧?。根?jù)熱補償方法的不同，列管式換熱器分為以下幾種主要形式：（1）固定管板式 2022/9/15第13頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一固定管板

6、式的兩端管板和殼體制成一體。因此它具有結構簡單和成本低的優(yōu)點。但是殼程清洗和檢修困難，要求殼程流體必須是潔凈而不易結垢的物料。當兩流體的溫差較大時，應考慮熱補償。即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應外殼和管束不同的熱膨脹程度。這種補償方法簡單，但不宜應用兩流體溫差過大（應不大于70）和殼程流體壓強過高的場合。2022/9/15第14頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第15頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一（2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的特點是有一端管板不與外殼連為

7、一體，可以沿軸向自由浮動。這種結構不但完全消除了熱應力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與殼體連接，整個管束可以從殼體中抽出，因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應用較為普遍，但它的結構比較復雜，造價較高。（3）U型管式換熱器 U型管式換熱器每根管子都彎成U型，進出口分別安裝在同一管板的兩側，封頭用隔板分成兩室。這樣，每根管子2022/9/15第16頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第17頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第18頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一可以自由伸縮。而與其他管子和殼

8、體均無關。這種換熱器結構比浮頭式簡單，重量輕，但管程不易清洗，只適用于潔凈而不易結垢的流體，如高壓氣體的換熱。2、板式換熱器 1）夾套式換熱器 夾套式換熱器式最簡單的板式換熱器，它是在容器外壁安裝夾套制成，夾套與容器之間形成的空間為加熱介質或冷卻介質的通路。這種換熱器主要用于反應過程的加熱 2022/9/15第19頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一或冷卻。在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質（如冷卻水）由夾套下部接管進入，由上部接管流出。夾套式換熱器結構簡單，但其加熱面受容器的限制，且傳熱系數(shù)也不高。為提高傳熱系數(shù)，可

9、在器內安裝攪拌器，為補充傳熱面的不足，也可在器內安裝蛇管。2）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成，在其內部形成兩個同心的螺旋形通道。換熱器中央2022/9/15第20頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第21頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一設有隔板，將螺旋形通道隔開，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距。在螺旋板兩側焊有蓋板。冷熱流體分別通過兩條通道，在器內逆流流動，通過薄板進行換熱。螺旋板式換熱器的優(yōu)點： 1）傳熱系數(shù)高：螺旋流道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾，在較低的雷諾數(shù)（一般Re

10、=14001800或更低些）下即達到湍流，并且允許選用較高的流速（對液體為2m/s，氣體為20m/s），故傳熱系數(shù)較高。如水對水的換熱，其傳熱系數(shù)可達20003000W/（m2.K），而列管式換熱器一般為10002000 W/（m2.K）。2022/9/15第22頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第23頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第24頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第25頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第26頁，共6

11、3頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第27頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第28頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2）不易結垢和堵塞：由于流體的速度較高，又有慣性離心力的作用，流體中懸浮的顆粒被拋向螺旋形通道的外緣而受到流體本身的沖刷，故螺旋板換熱器不易結垢和堵塞，適合處理懸浮液及粘度較大的介質。 3）能利用溫度較低的熱源：由于流體流動的流道較長和兩流體可進行完全逆流，故可在較小的溫差下操作，能充分利用溫度較低的熱源。4）結構緊湊：單位體積的傳熱面積為列管式的3倍，可節(jié)約金屬材料。 2022/9

12、/15第29頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一螺旋板換熱器的主要缺點是：（1）操作壓強和溫度不宜太高：目前最高操作壓強不超過2MPa，溫度不超過300400。（2）不易檢修：因整個換熱器被焊成一體，一旦損壞，修理很困難。3）平板式換熱器 平板式換熱器簡稱板式換熱器，是由一組長方形的薄金屬板平行排列，加緊組裝于支架上而構成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片2022/9/15第30頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一的厚度調節(jié)通道的大小。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有一對圓孔和一組板間流道相通，另外一對圓孔則通

13、過在孔的周圍放置墊片而阻止流體進入該組板間的通道。這兩對圓孔的位置在相鄰板上是錯開的以分別形成兩流體的通道。冷熱流體交錯地在板片兩側流過，通過板片進行換熱。板片厚度約為0.53mm，通常壓制成凹凸地波紋狀。例如人字形波紋板。增加了板的剛度以防止板片受壓時變形，同時又使流體分布均勻，增強了流體湍動程度和加大了傳熱面積，有利于傳熱。 2022/9/15第31頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第32頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第33頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第3

14、4頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第35頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第36頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第37頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第38頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第39頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第40頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一平板式換熱器的優(yōu)點是： 1）傳熱系數(shù)高：由于平板

15、式換熱器中板面有波紋或溝槽，可在低雷諾數(shù)（Re=200左右）下即達到湍流。而且板片厚度又小，故傳熱系數(shù)大。例如水對水的傳熱系數(shù)可達15004700W/（m2.）。2）結構緊湊：一般板間距為46mm，單位體積設備可提供的傳熱面為2501000m2/m3（列管式換熱器只有40150 m2/m3）。平板式換熱器的金屬消耗量可減少一半以上。2022/9/15第41頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一3）具有可拆結構：可根據(jù)需要，用調節(jié)板片數(shù)目的方法增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修、清洗也都比較方便。平板式換熱器的主要缺點是允許的操作壓強和溫度都比較低。通常操作壓強低于1.5MPa

16、，最高不超過2.0MPa，壓強過高容易泄露。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250。另外由于兩板的間距僅幾毫米，流通面積較小，流速又不大，處理量較小。 螺旋板式換熱器和平板式換熱器都具有結構緊湊，材料消耗低，傳熱系數(shù)大的特點，都屬于新型的高效緊湊式換熱器。這類換熱器一般都不耐高溫高壓，但對于壓強較低，溫度不高或腐蝕性強而需用貴重材料的場合，則顯示出更大的優(yōu)越性，目前已廣泛應用于食品、輕工和化學等工業(yè)。2022/9/15第42頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一3、翅片式換熱器1） 翅片管換熱器 翅片管換熱器是在管的表面加裝翅片制成，翅片與管表面的連接應緊密無間，

17、否則連接處的接觸熱阻很大，影響傳熱效果。常用的連接方法有熱套、鑲鉗、張力纏繞和焊接等方法。此外，翅片管也可采用整體軋制、整體鑄造或機械加工等方法制造。 當兩種流體的對流傳熱系數(shù)相差較大時，在傳熱系數(shù)較小的一側加翅片可以強化傳熱。 2022/9/15第43頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一例如用水蒸氣加熱空氣，該過程的主要熱阻是空氣側對流傳熱熱阻。在空氣側加裝翅片，可以起到強化換熱器傳熱的效果。當然，加裝翅片會使設備費提高，但一般，當兩種流體的對流傳熱系數(shù)之比超過3：1，采用翅片管換熱器經(jīng)濟上是合算的。近年來用翅片管制成的空氣冷卻器（簡稱空冷器）在化工中應用很廣。用空冷代

18、替水冷，不僅在缺水地區(qū)適用，而且在水源充足的地方，采用空冷也可取得較大的經(jīng)濟效果。 2022/9/15第44頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第45頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2)板翅式換熱器 板翅式換熱器是一種更為高效、緊湊、輕巧的換熱器，過去由于制造成本較高，僅用于宇航、電子、原子能等少數(shù)部門。現(xiàn)在已逐漸用于石油化工及其它工業(yè)部門，取得良好效果。 板翅式換熱器的結構形式很多，但是基本結構元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板之間，加入波紋狀或其它形狀的金屬翅片，將兩側面封死，即成為一個換熱基本元件。將各基本元件進行不同的疊積

19、和適當?shù)呐帕校⒂免F焊固定，即可2022/9/15第46頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一制成并流、逆流或錯流的板束（或稱芯部），然后再將帶由流體進出口的接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。我國目前常用的翅片形式有光直型翅片、鋸齒型翅片和多孔型翅片三種 板翅式換熱器的優(yōu)點是：結構高度緊密、輕巧、單位體積設備所提供的傳熱面一般能達到2500 m2/m3，最高可達4300 m2/m3。通常用鋁合金制造，故重量輕，在相同的傳熱面下，其重量約為列管式的十分之一。由于翅片促進了流體的湍動并破壞了熱邊界層的發(fā)展，故其傳熱系數(shù)較高；另外2022/9/15第47頁，共63頁，2

20、022年，5月20日，15點49分，星期一鋁合金不僅導熱系數(shù)高，而且在零度以下操作時，其延性和抗拉強度都很高，適用于低溫和超低溫的場合，故操作范圍廣，可在200至絕對零度范圍內使用。同時因翅片對隔板有支撐作用，板翅式換熱器允許操作壓強也比較高，可達5MPa。 這種換熱器的缺點是設備流道很小，易堵塞，且清洗和檢修困難，故所處理的物料應較潔凈或預先凈制；另外由于隔板的翅片均由薄鋁板制稱成，故要求介質對鋁不腐蝕。 2022/9/15第48頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第49頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一 4、 熱管 熱管是60

21、年代中期發(fā)展起來的一種新型傳熱元件。它是由一根抽除不凝性氣體的密封金屬管內充以一定量的某種工作液體而成。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流至冷端冷凝放出潛熱，冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復循環(huán)，熱量不斷從熱端傳至冷端。冷凝液的回流可以通過不同的方法（如毛細管作用、重力、離心力）來實現(xiàn)，目前應用最廣的方法是將具有毛細結構的吸液芯裝在管的內壁，利用毛細管的作用使冷凝液由冷端回流至熱端2022/9/15第50頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一采用不同的工作液體（氨、水、汞等）。熱管可以在很寬的溫度范圍內使用。 熱管的傳熱特點是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、

22、蒸汽流動和蒸汽冷凝三步進行，由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度都很大，兩端管表面比管截面大很多，而蒸汽流動阻力損失又較小，因此熱管兩端溫差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。與熱管截面相同的金屬壁面的導熱能力比較，熱管的導熱能力可達最良好的金屬導熱體的103104倍。因此它特別適用于低溫差傳熱以及某些等溫性要求較高的場合。 2022/9/15第51頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一熱管的這種傳熱特性為器（或室）內外的傳熱強化提供了極有利的手段。例如器兩側均為氣體的情況，通過器壁裝熱管，增加熱管兩端的長度，并在管外裝翅片，就可以大大加速器內外的傳熱。 此外，熱管還具有

23、結構簡單，使用壽命長，工作可靠，應用范圍廣等優(yōu)點。 熱管最初主要應用于宇航和電子工業(yè)部門，近年來在很多領域都受到了廣泛的重視，尤其在工業(yè)余熱的利用上取得了很好的效果。2022/9/15第52頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2022/9/15第53頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一管殼式換熱器的選用及校核計算管殼式換熱器的選用及設計原則 （一）形式與結構的選定 1、固定式與浮頭式的選定 當冷熱兩流體的極限溫度超過110或殼程流體易結垢、有腐蝕時選浮頭式； 2、管束形式及管徑、管長的選擇 FA19，正三角形排列； FB25.5，正方形排列斜轉45；

24、2022/9/15第54頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一FA金屬耗量低，小管有利傳熱，可承受較高壓力，但殼程不易清洗；長管可節(jié)省金屬，一般采用L6米的管子（二）管程和殼程的確定 主要由流體性質、流量、生垢及腐蝕情況，并根據(jù)有利傳熱、減少壓降、便于清掃等原則來確定。2022/9/15第55頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一（三）操作條件的確定1、流速原則：只要壓降在允許范圍內，盡可能提高流速；推薦壓降參考268表- 殼程流速一般約為管程的1/2 2、換熱終溫：應考慮換熱器的經(jīng)濟合理性 U傳熱系數(shù)減少生垢壓降2022/9/15第56頁，共63頁，2

25、022年，5月20日，15點49分，星期一二、無相變時管殼式換熱器的給熱系數(shù)管程給熱系數(shù)當ms一定時：當ui一定時：2022/9/15第57頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一三、換熱器壓降的計算換熱器壓降管程壓降殼程壓降直管阻力i+局部阻力r2022/9/15第58頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一二、換熱器傳熱過程的強化 1、傳熱過程的強化途徑 換熱器的強化，就是提高換熱器中冷、熱流體間的傳熱速率。 1）增大傳熱面積 增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱速率。但是增大傳熱面積不能靠增大換熱器的尺寸來實現(xiàn)，而是要從設備的結構入手，提高單位體積的傳熱面積。如采用小直徑管，用螺旋管、波紋管代替光滑管，采用翅片式換熱器等都是增大傳熱面積的有效方法。2022/9/15第59頁，共63頁，2022年，5月20日，15點49分，星期一2） 增大平均溫差 平均溫差的大小主要取決與兩流體的溫度條件。物料的溫度由生產(chǎn)工藝所決定，一般不能隨意變動，而加熱介質或冷卻介質溫度由于所選介質不同，可以有很大差異，如化工中常用的加熱介質是飽和水蒸氣，提高蒸汽的壓強就可以提高蒸汽的溫度。但提高介質的溫度必須考慮到技術上的可能和經(jīng)濟上的