熱交換器原理與設(shè)計(jì)高效間壁式熱交換器

熱交換器原理與設(shè)計(jì)高效間壁式熱交換器第1頁(yè)/共130頁(yè)換熱器是由兩塊條形金屬板卷成同心螺旋組合件，通道的交錯(cuò)邊緣焊接密封或兩邊各配一個(gè)端蓋密封。主要有可拆式和不可拆式兩大類。3.1

螺旋板式熱交換器3.1.1基本構(gòu)造和工作原理第2頁(yè)/共130頁(yè)第3頁(yè)/共130頁(yè)(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(b)實(shí)物圖圖3.1螺旋板式熱交換器(可拆式)定距柱螺旋板回轉(zhuǎn)支座頭蓋墊片切向接管第4頁(yè)/共130頁(yè)圖3.2螺旋板式熱交換器的三種型式第5頁(yè)/共130頁(yè)Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型

圖3.3流道的密封第6頁(yè)/共130頁(yè)根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4751—2003，螺旋板式換熱器的型號(hào)表示法為：可拆換熱器區(qū)別代碼：D—堵死型G—貫通型不可拆不標(biāo)注通道間距，mm公稱直徑，mm板寬，m公稱換熱面積，m2公稱壓力，MPa材質(zhì)代號(hào)，C－碳鋼，S－不銹鋼L－螺旋板換熱器型式代號(hào)：K－可拆，B－不可拆第7頁(yè)/共130頁(yè)特點(diǎn)1.傳熱效率高，比管式高0.5~1倍。緊湊性達(dá)到：100m2/m32.逆流傳熱，兩端溫差小。3.不易結(jié)垢，“自潔”作用，容易清洗。5成本低。缺點(diǎn)：密封比較困難。第8頁(yè)/共130頁(yè)3.1.2設(shè)計(jì)計(jì)算1)換熱系數(shù)α

的計(jì)算(1)湍流時(shí)(Re>6000)α=0.023

λ

/deRe0.8Prm(1+3.54de/Dm)，W/(m2·℃)(3.1)(2)層流時(shí)(Re<2000)

W/(m2·℃)(3.3)(3)過(guò)渡流至湍流(Re>1000)Nu=Pr0.25(μ/μw)0.17[0.0315Re0.8-6.65*10-7(lt/b)1.3](λ/de)

(3.4)當(dāng)Re>30000時(shí)，式中(lt/b)的影響可忽略。(4)蒸汽冷凝時(shí)

W/(m2·℃)(3.5)第9頁(yè)/共130頁(yè)圖3.4凝結(jié)換熱系數(shù)計(jì)算曲線第10頁(yè)/共130頁(yè)(5)蒸汽冷凝冷卻時(shí)

(3.6)(6)沸騰傳熱時(shí)核態(tài)沸騰時(shí)，沸騰換熱系數(shù)用下式計(jì)算2)傳熱系數(shù)

K的計(jì)算(3.7)(3.8)第11頁(yè)/共130頁(yè)3)流體壓降的計(jì)算螺旋板換熱器的總阻力可分為三部分：彎曲通道的阻力，定距柱的影響及進(jìn)出口的局部阻力。

(3.9)對(duì)于蒸汽，軸向流動(dòng)冷凝時(shí)，可用下式計(jì)算其壓降：

(3.10)蒸汽螺旋向流動(dòng)冷凝時(shí)，壓降的計(jì)算式為

(3.11)第12頁(yè)/共130頁(yè)圖3.5不等通道螺旋體4)換熱面積及螺旋通道幾何尺寸的計(jì)算(1)螺旋體的繪制(2)螺旋板長(zhǎng)度計(jì)算(3)螺旋體的有效圈數(shù)ne(4)螺旋體的最大外徑D第13頁(yè)/共130頁(yè)螺旋板式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算

[例3.1]第14頁(yè)/共130頁(yè)3.2

板式熱交換器3.2.1構(gòu)造和工作原理第15頁(yè)/共130頁(yè)第16頁(yè)/共130頁(yè)

傳熱板片是關(guān)鍵部件：★使流體低速下發(fā)生強(qiáng)烈湍流，強(qiáng)化傳熱；★提高板片剛度，能耐較高壓力。第17頁(yè)/共130頁(yè)圖3.8我國(guó)板式熱交換器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的板片波紋形式第18頁(yè)/共130頁(yè)流體的單邊流和對(duì)角流第19頁(yè)/共130頁(yè)圖3.11密封墊片第20頁(yè)/共130頁(yè)材料名稱適用場(chǎng)合304,316,316L氯離子含量不高的一般流體哈氏合金Hastelloy

C-276,C-22氧化性酸，如硫酸，混酸工業(yè)純鈦TA1海水等氯離子含量高的液體鈦鈀合金TA9還原酸，如次氯酸耐酸鋼RS-2強(qiáng)酸，如濃硫酸、硝酸等254SMO海水等氯離子含量高的液體傳熱板片材料及適用介質(zhì)第21頁(yè)/共130頁(yè)其他類型板式熱交換器的結(jié)構(gòu)圖3.12板式蒸發(fā)器第22頁(yè)/共130頁(yè)圖3.13板式冷凝器板片第23頁(yè)/共130頁(yè)圖3.14流體在板間通道中三維流動(dòng)第24頁(yè)/共130頁(yè)圖3.15板式熱交換器中的三種流體換熱第25頁(yè)/共130頁(yè)板式熱交換器的型號(hào)表示法單板公稱換熱面積是指經(jīng)圓整后的單板計(jì)算換熱面積按國(guó)標(biāo)GB16409—1996，板式熱交換器的型號(hào)按如下格式表示：框架結(jié)構(gòu)形式代號(hào)墊片材料代號(hào)換熱器換熱面積，m2設(shè)計(jì)壓力，MPa單板公稱換熱面積，m2板片波紋形式代號(hào)板片換熱器代號(hào)（B,BL,或BZ）第26頁(yè)/共130頁(yè)材料名稱適用溫度適用介質(zhì)丁腈橡膠-20~120℃水、油類、烴、醛等三元乙丙-50~150℃水、一般有機(jī)酸、堿等氟橡膠-20~250℃有機(jī)溶液、酸、堿、醇食品、醫(yī)藥橡膠-20~120℃食品、醫(yī)藥氯丁橡膠-40~100℃堿及部分酸硅橡膠-65~230℃部分油類、酒精密封材料及適用介質(zhì)第27頁(yè)/共130頁(yè)目前世界上板式熱交換器所達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下(可拆式)：最大板片面積：4.67～0.475m2，最大角孔尺寸：450mm以上，最大處理量：5000m3/h，最高工作壓力：2.8MPa，最高工作溫度：橡膠墊片—150℃，壓縮石棉墊片—260℃，壓縮石棉橡膠墊片—360℃，最佳傳熱系數(shù)：7000W/(m2·℃)(水水，無(wú)垢阻)，緊湊性：250～1000m2/m3，金屬消耗量：16kg/m2。第28頁(yè)/共130頁(yè)型號(hào)\技術(shù)參數(shù)BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13單板有效熱

面積m20.0530.10.230.350.520.660.851.3外形尺寸mm500x170660x2501000x3301215x4001440x5001660x5001770x6202140x820板片厚度mm0.5～0.70.6～1板片材料SUS304、316、316L、RS-2、HastelloyC-276、TAI、H68、Hsn62-1角孔直徑mm405065100150150170250平均板間距mm33.23.53.53.83.83.83.8平均流道

截面積m20.000420.0006560.000980.0012250.00170.00170.002150.00284當(dāng)量直徑m0.0060.00640.0070.0070.00760.00760.00760.0076板式換熱器板片主要技術(shù)參數(shù)第29頁(yè)/共130頁(yè)型號(hào)/技術(shù)參數(shù)BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13最高使用壓力MPa2.5使用溫度范圍oC-19～250裝機(jī)有效面積臺(tái)m20.5～51～103～3015～6030～14050～20060～25090～650最大處理量液體（氣體)m3/h30(300)70(700)100(1000)200(2000)300(3000)300(3000)600(6000)1200(12000)傳熱系數(shù)(水-水)W/m2.k≤6500≤6100≤5800最大熱交換量

(水-水)MW0.6161630355090接管公稱直徑mm405065100150150175250設(shè)備最大質(zhì)量kg7028059014502520270049809800板式換熱器整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)第30頁(yè)/共130頁(yè)第31頁(yè)/共130頁(yè)1、高效換熱板片的波紋結(jié)構(gòu)，使流體在板間流動(dòng)時(shí)不斷改變流向和速度，形成劇烈湍流，在低流速下可獲得高的傳熱系數(shù)。相同工況傳熱系數(shù)比管殼式高6~7倍。2、結(jié)構(gòu)緊湊板片表面的波紋增加了有效換熱面積，緊湊性達(dá)到：300m2/m3，約為管殼式的2~5倍；體積為管殼式的1/5

~

1/10；重量是管殼式的1/5左右。3、清洗、檢修方便板面光潔，湍流沖擊力強(qiáng)，結(jié)垢傾向小，一旦結(jié)垢，用化學(xué)或手工清洗也很方便。4、操作靈活可增/減板片數(shù)或改變流程組合適應(yīng)新的換熱要求。5、通用性與防腐從通常的水到有一定粘度的液體以及含小顆粒的懸浮液都可處理；鈦材可用于防腐。板式熱交換器特點(diǎn)第32頁(yè)/共130頁(yè)4×1

4×11×4

1×41×4

2×2

流程×通道(甲)

流程×通道(乙)（a）串聯(lián)（b）并聯(lián)（c）混聯(lián)3.2.2流程組合及傳熱、壓降計(jì)算第33頁(yè)/共130頁(yè)圖3.17板式熱交換器的1×4流程組合示意圖

2×2第34頁(yè)/共130頁(yè)1×7.1×3+1×4第35頁(yè)/共130頁(yè)傳熱計(jì)算板式熱交換器的傳熱面積是扣除不參與部分(板片的角孔及密封墊片等)后板片的展開(kāi)面積，即有效傳熱面積。平均溫差Δtm按純逆流情況下對(duì)數(shù)平均溫差Δtlm,c，再乘以修正系數(shù)Ψ：

Δtm

=ΨΔtlm,c傳熱系數(shù)

K的計(jì)算：第36頁(yè)/共130頁(yè)液體名稱污垢熱阻礦化水或蒸餾水0.0000017軟水0.0000034硬水0.0000086處理過(guò)的冷卻水0.0000069沿海海水或港灣水0.000086大洋的海水0.000052河水、運(yùn)河水、井水等0.000086機(jī)器夾套水0.0000103潤(rùn)滑油0.0000034~0.0000086植物油0.000017~0.000052有機(jī)溶劑0.0000017~0.00000103水蒸氣0.0000017一般工藝流體0.0000017~0.00000103表3.2板式熱交換器中的污垢熱阻值

m2·℃/W第37頁(yè)/共130頁(yè)圖3.18板式熱交換器的溫差修正系數(shù)(LMTD法)圖3.19溫差修正系數(shù)(NTU法)第38頁(yè)/共130頁(yè)對(duì)流換熱系數(shù)一、無(wú)相變情況下，一般板片兩側(cè)為傳熱相似

(3.19)

流體被加熱時(shí)：m=0.4

流體被冷卻時(shí)：m=0.3

C、n隨板片、流體和流動(dòng)類型不同而不同：

C=0.15~0.4;n=0.65~0.85;m=0.3~0.45;

Z=0.05~0.2(黏度修正項(xiàng)的指數(shù))。第39頁(yè)/共130頁(yè)二、有相變時(shí)，相變換熱系數(shù)計(jì)算很復(fù)雜☆凝結(jié)換熱：

重力控制區(qū)(凝液膜雷諾數(shù)Relf

<臨界雷諾數(shù)，

約150~500)：

(3.23)

剪切力控制區(qū)(Relf>臨界雷諾數(shù))：

(3.24)☆沸騰換熱

(3.25)式中αl

可按式(3.19)計(jì)算。第40頁(yè)/共130頁(yè)壓力損失計(jì)算國(guó)產(chǎn)板式熱交換器用于無(wú)相變換熱時(shí)的壓力降計(jì)算通常以歐拉數(shù)Eu與雷諾數(shù)Re之間準(zhǔn)則關(guān)系式給出：

Eu=bRed

(3.27)式中系數(shù)b和指數(shù)d隨板式換熱器具體結(jié)構(gòu)而定。由Eu=Δp/ρw2，可求多程時(shí)壓降為：

Δp=mEuρw2=mbRedρw2

(3.28)m為流程數(shù)；w為工質(zhì)在流道中的流速，m/s。第41頁(yè)/共130頁(yè)通道形狀de備注傳熱計(jì)算阻力計(jì)算套管熱交換器d2

–d1d1

—內(nèi)管外徑d2

—外管內(nèi)徑板式熱交換器2b2Lb/(L+b)L—板有效寬B—板間距螺旋板式熱交換器2b2Hb/(H+b)H—板有效寬b—通道間距當(dāng)量直徑de

附錄B第42頁(yè)/共130頁(yè)Ne=F/FpNt=Ne+2

←計(jì)算值Nt=m1

n1+m2n2+1←實(shí)際值3.2.3板式熱交換器的

熱力計(jì)算程序設(shè)計(jì)第43頁(yè)/共130頁(yè)板式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算

[例3.2]第44頁(yè)/共130頁(yè)3.3板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)：板殼式熱交換器由板管束和殼體兩部分組成。將全焊式板管束組裝在壓力容器(殼體)內(nèi)，是介于管殼式和板式熱交換器之間的一種換熱器。性能：既具有板式熱交換器傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，又具有管殼式熱交換器耐高溫高壓、密封性能好及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了耐溫、抗壓與結(jié)構(gòu)緊湊、高效傳熱之間的矛盾。特點(diǎn)：傳熱系數(shù)達(dá)到管殼式的2～3倍；流阻較小，一般壓降不超過(guò)0.5bar；同樣換熱條件下結(jié)構(gòu)緊湊，體積僅為管殼式的30%左右。第45頁(yè)/共130頁(yè)圖3.23板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖b)板管結(jié)構(gòu)c)板管束端面a)整體結(jié)構(gòu)第46頁(yè)/共130頁(yè)項(xiàng)目板殼式換熱器立管式換熱器傳熱面積

m2350518熱流進(jìn)口溫度

℃478478熱流出口溫度

℃120130冷流進(jìn)口溫度

℃9292冷流出口溫度

℃430410總阻力降

MPa0.05080.047熱端溫差

℃4868冷端溫差

℃2838總傳熱系數(shù)

W/m2·K666.8200容器直徑

mm10001000設(shè)計(jì)高度

mm1015417500設(shè)備質(zhì)量

t13.528有效熱負(fù)荷

kW51594660表3.3換熱器參數(shù)對(duì)比第47頁(yè)/共130頁(yè)圖3.25大型焊接板殼式熱交換器圖3.26板片及其流道a)板片組b)反應(yīng)產(chǎn)物流道板c)混合進(jìn)料流道板3.3.2幾種典型的板殼式熱交換器1）Packinox公司板殼式換熱器第48頁(yè)/共130頁(yè)圖3.28LBQ大型板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)2）國(guó)產(chǎn)LBQ大型板殼式熱交換器第49頁(yè)/共130頁(yè)圖3.29徑向流動(dòng)板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3）徑向流動(dòng)板殼式熱交換器第50頁(yè)/共130頁(yè)b)波紋板片1—中間焊縫平面；2—波紋；3—四周縫焊邊；4—孔縫焊邊；5—導(dǎo)通孔)圖3.30新型板殼式熱交換器a)基本結(jié)構(gòu)1—板外流道進(jìn)出口；2—板內(nèi)流道進(jìn)出口；3—板外流道；4—板內(nèi)流道；5—?dú)んw；6—導(dǎo)通孔4）新型板殼式熱交換器第51頁(yè)/共130頁(yè)板殼式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算

[例3.3]第52頁(yè)/共130頁(yè)3.4

板翅式熱交換器3.4.1構(gòu)造和工作原理板翅式熱交換器的結(jié)構(gòu)與流動(dòng)形式第53頁(yè)/共130頁(yè)翅片隔板封條由隔板、翅片和封條組成單元體。多個(gè)單元體根據(jù)流動(dòng)方式的布置疊置起來(lái)，釬焊成一體組成板翅式熱交換器的板束或芯體。☆翅片又稱二次表面，翅片傳熱面積約為總傳熱面積的67~88%；有翅片比沒(méi)有翅片體積減少18%。☆緊湊度一般為1500~2500m2/m3，最高可達(dá)4370m2/m3。第54頁(yè)/共130頁(yè)圖3.32不同流型的板束通道第55頁(yè)/共130頁(yè)1平板；2翅片；3封條；4分配段；5導(dǎo)流片；6封頭；7板束；8封頭；9封頭圖3.33板翅式熱交換器第56頁(yè)/共130頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)用板翅式熱交換器航空用板翅式熱交換器第57頁(yè)/共130頁(yè)類似圓管，擴(kuò)大傳熱面積形成湍流，破壞邊界層K比平直形高30%開(kāi)孔率5~10%，K比平直形高促進(jìn)湍流，波幅愈大，K越高第58頁(yè)/共130頁(yè)

圖3.44板翅基本單元結(jié)構(gòu)尺寸圖H─翅片高；δ─翅片厚；s─翅片間距(x+δ)；Le─單元有效長(zhǎng)；B─單元有效寬；x─內(nèi)距(s–δ)；y─內(nèi)高(H–δ)；一次傳熱面：F1=F·x/(x+y);

二次傳熱面：F2=F·y/(x+y)總傳熱面：F=2(x+y)·B·Le·n/s當(dāng)量直徑：de=4A/U=2xy/(x+y)單元通道流通面積：Ai=xy·B/sn層板束通道流通面積：A=nAi=nxy·B/s3.4.2板翅式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算第59頁(yè)/共130頁(yè)圖3.45翅片及其表面溫度分布示意圖第60頁(yè)/共130頁(yè)通過(guò)隔板表面的傳熱Q1

Q1

=α

F1

(tw

-tf

)沿翅片的傳熱Q2

Q2

=α

F2

(tm

-tf

)由：

tw

>tm

Q2

=αF2

ηf

(tw

–tf

)隔板表面溫度翅片表面平均溫度翅片效率一次傳熱面積隔板表面面積二次傳熱面積翅片表面面積第61頁(yè)/共130頁(yè)Q1

=αF1

(tw–tf

)Q2

=αF2

ηf

(tw–tf

)Q

=Q1

+Q2

=

αF1

(tw–tf

)+

αF2

ηf

(tw–tf)=

α

(F1

+F2

ηf)(tw–tf)=

αF

η0(tw–tf)

η0

—翅片壁面總效率：把二次傳熱面和一次傳熱面同等看待，認(rèn)為都處于一次傳熱面的傳熱溫差(tw–tf)下時(shí)，對(duì)總傳熱面所應(yīng)打的折扣。F

η0

=F1

+F2

ηf=

Fe

→有效傳熱面積η0

=(F1

+F2

ηf)/F

=1–F2/F(1–ηf)η0

=1–y/(x+y)(1–ηf)←F2=F·y/(x+y)第62頁(yè)/共130頁(yè)圖3.49翅片壁面總效率和翅片幾何參數(shù)及換熱系數(shù)的關(guān)系翅片壁面總效率η0大于翅片效率ηf。ηf越高，η0也越大。第63頁(yè)/共130頁(yè)☆當(dāng)流體A的一個(gè)通道與流體B的兩個(gè)通道間隔排列，

即ABBABBABB…排列時(shí)，翅片表面總效率的計(jì)算

式與冷、熱流體通道一一間隔時(shí)就有所不同?！町?dāng)忽略

MmHsinh(mH)和MmH[cosh(mH)-1]，且H=b時(shí)，以上三式成為：η1′=1/cosh(mb)

(3.62)η1=

?(1+1/cosh(mb))

(3.63)η2=

tanh(mb)/(mb)

(3.64)第64頁(yè)/共130頁(yè)

傳熱量和傳熱系數(shù)計(jì)算

Qc=αcFcηoc(tw–tfc)

(3.65)

Qh=αhFhηoh(tfh–tw)

(3.66)☆穩(wěn)定傳熱情況下，Qc=Qh=Q，并忽略翅片及

隔板熱阻，將式(3.66)與式(3.67)相加可得

(3.67)☆流體溫度通常是沿流程變化的，可以將式(3.68)

中兩流體溫差取為對(duì)數(shù)平均溫差Δtlm，得

Q=KcFcΔtlm

(3.68)第65頁(yè)/共130頁(yè)或

Q=KhFhΔtlm

(3.69)☆式中Kc、Kh—分別為以冷、熱通道總

傳熱面積為基準(zhǔn)時(shí)的傳熱系數(shù)。

(3.70)

(3.71)第66頁(yè)/共130頁(yè)4)換熱系數(shù)的計(jì)算(1)無(wú)相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)

(3.73)(2)有相變時(shí)的換熱系數(shù)①冷凝換熱當(dāng)液膜為層流時(shí)，凝結(jié)換熱系數(shù)為

(3.81)當(dāng)液膜為紊流時(shí)

(3.82)②沸騰換熱

(3.83)第67頁(yè)/共130頁(yè)圖3.50板翅式熱交換器芯子中

的進(jìn)口壓降和出口壓升5)壓力損失計(jì)算板翅式熱交換器壓降分成入口端、出口端和中心部分三個(gè)部分。(1)熱交換器芯子入口的阻力

(3.84)(2)熱交換器芯子出口的阻力

(3.85)(3)熱交換器芯子中阻力

(3.86)總的壓力降Δp即為三者之和：Δp=Δp1–Δp2+Δp3

(3.87)第68頁(yè)/共130頁(yè)3.4.3板翅式熱交換器單元尺寸

的決定和設(shè)計(jì)步驟

[例3.4]第69頁(yè)/共130頁(yè)3.5.1構(gòu)造和工作原理☆換熱管為帶翅片的翅片管?！畛崞牧峡刹捎锰间摗⒉讳P鋼、鋁或銅材等?！畛崞芴貏e適用于換熱系數(shù)較低的流體。常常用這種換熱器來(lái)加熱或冷卻低壓空氣。☆結(jié)構(gòu)不很緊湊，金屬消耗量大，制造成本較高。3.5翅片管式熱交換器第70頁(yè)/共130頁(yè)第71頁(yè)/共130頁(yè)空調(diào)器中的翅片管組第72頁(yè)/共130頁(yè)圖3.55空氣冷卻器的基本結(jié)構(gòu)第73頁(yè)/共130頁(yè)臥式空冷器流體出口流體進(jìn)口空氣空氣翅片第74頁(yè)/共130頁(yè)第75頁(yè)/共130頁(yè)c)波紋a)開(kāi)槽b)輪輻圖3.58幾種紊流式翅片管a)縱翅b)橫翅圖3.57管外表面的縱翅

和橫翅管3.5.2翅片管的類型和選擇第76頁(yè)/共130頁(yè)圖3.59幾種機(jī)械連接的翅片管翅片管的截面第77頁(yè)/共130頁(yè)縱向翅片管橫向翅片管螺旋槽紋管縮放管第78頁(yè)/共130頁(yè)翅片管型式L型繞片式LL型繞片式鑲片式雙金屬軋片式套片式傳熱性能54321耐溫性能54231耐熱沖擊能力54231耐大氣腐蝕能力43512清理塵垢的難易程度54321制造費(fèi)用12345表3.4常用的5種翅片管的性能評(píng)定注：1—最佳；5—最差第79頁(yè)/共130頁(yè)圖3.60翅片管的傳熱性能比較圖3.61翅片高度的選擇第80頁(yè)/共130頁(yè)翅片管幾何尺寸1.基管外徑和管壁厚；2.翅片高度和翅片厚度；3.翅片距；4.翅化比：翅化表面積/光管外表面

(單位長(zhǎng))

高翅片23.4；低翅片17.15.管長(zhǎng)：3、4.5、6、9m。管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)102030580W/(m2·℃)28.419.014.25800W/(m2·℃)51.647.343.7表3.5三種翅化比的傳熱系數(shù)參考值第81頁(yè)/共130頁(yè)翅片類別管材管徑，mm翅片參數(shù)，mm翅片管外徑管外徑內(nèi)徑外徑翅片外徑翅片高翅片厚翅片距翅片凈距低翅片鋼管20255012.50.52.31.82高翅片鋼管20255716.00.52.31.82.28高翅片鋁管19255716.00.52.31.82.28翅片類別外表面積，m2/m管長(zhǎng)翅片管與光管外表面積的比較空氣流通面積的比較光管外表面積Fo翅片面積Ff′翅片根部面積Fb′翅片管總外表面積Ff′

+Fb′翅化比Ff

′+Fb′Fo凈截面積迎風(fēng)面積空氣速度(管束中)空氣速度(迎風(fēng)面)低翅片0.07851.2790.0611.3417.10.442.27高翅片0.07851.7790.0611.8423.40.502.0高翅片0.07851.7790.0611.8423.40.502.0表3.6國(guó)產(chǎn)空冷器翅片管的特性參數(shù)第82頁(yè)/共130頁(yè)圖3.62翅片管排列型式及其管距第83頁(yè)/共130頁(yè)Fb′

—翅片根部無(wú)翅片部分表面積Ff′

—翅片管上翅片的表面積Ff

—翅片管總外表面積，

Ff=Fb′

+Ff′

Fo

—翅片光管外表面積β

—翅化比，β=

(Fb′

+Ff′

)/Fo=

Ff

/Foηf—翅片效率η—翅片壁面總效率：

η

=(Fb′

+ηfFf′

)/Ff第84頁(yè)/共130頁(yè)Q

=KoFo

Δtm=KfFf

ΔtmFf、Fo

—翅片管外表面積、翅片光管外表面積1.單層翅片管時(shí)以光管外表面積Fo為基準(zhǔn)時(shí)以翅片管外表面積Ff為基準(zhǔn)時(shí)2.復(fù)合翅片管時(shí)以光管外表面積Fo為基準(zhǔn)時(shí)以翅片管外表面積Ff為基準(zhǔn)時(shí)3.5.3翅片管熱交換器的傳熱計(jì)算第85頁(yè)/共130頁(yè)管內(nèi)流體溫度tf(℃)接觸(間隙)熱阻rc,o(m2·℃/W)占總熱阻百分?jǐn)?shù)(%)≤100≤0.00007忽略100～2000.00009～0.0001710200～30020~30(應(yīng)改用別的形式翅片管)表3.7國(guó)產(chǎn)繞片式翅片管接觸(間隙)熱阻(以基管外表面積為基準(zhǔn))第86頁(yè)/共130頁(yè)對(duì)于已定型的翅片管式熱交換器，可用簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)計(jì)算其傳熱系數(shù)：☆以熱水為熱媒的空氣加熱器

Kf

=c(vρ)mwn

(3.93)☆以蒸汽為熱媒的空氣加熱器

Kf

=c(vρ)m

(3.94)式中系數(shù)c及指數(shù)m，n均由實(shí)驗(yàn)確定。

w—管內(nèi)水流速，m/s；

vρ—通過(guò)熱交換器管窄截面上

質(zhì)量流速，kg/(m2·s)第87頁(yè)/共130頁(yè)3.濕工況☆伴有結(jié)露的空氣被冷卻過(guò)程，即減濕

冷卻的運(yùn)行工況稱為濕工況?！瞀?/p>

為析濕系數(shù)，考慮伴有濕空氣中水

蒸氣的凝結(jié)而使傳熱增強(qiáng)的因素。

(3.95)☆對(duì)一些定型的表冷器產(chǎn)品，常由實(shí)驗(yàn)確定傳熱系數(shù)的計(jì)算式：

(3.96)第88頁(yè)/共130頁(yè)

換熱系數(shù)和壓力損失的計(jì)算1)空氣橫向流過(guò)圓管外環(huán)形翅片管束對(duì)于低翅片管束，df

/db=1.2~1.6，db=13.5~16mm對(duì)于高翅片管束，df/db=1.7~2.4，db=12~41mm式中：df、db—分別為翅片外徑和翅根直徑，m；

Y、H、δf—分別為翅片的間距、高度和厚度，m；cp、μ、λ—按流體平均溫度取值；

Gmax—最小流通截面處質(zhì)量流速，kg/(m2·h)將高低翅片管參數(shù)代入，并以光管外表面積為基準(zhǔn)，得簡(jiǎn)化式：

低翅片管:αo=412vNF0.718Φ

高翅片管:αo=454vNF0.718Φ式中：αo—以基管外表面積為基準(zhǔn)的空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

vNF—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s；

Φ—校正系數(shù)，鼓風(fēng)式時(shí)，Φ=1.0，引風(fēng)式時(shí)，Φ值見(jiàn)表3.8第89頁(yè)/共130頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速vNF，m/s管排數(shù)456810Φ

值低翅片2.240.9160.9350.9470.9630.9733.130.9080.9300.9450.9610.970高翅片2.540.9160.9350.9470.9630.9723.550.9080.9300.9450.9610.970表3.8

Φ值☆計(jì)算空氣壓降

Δp

=0.66nvNF1.725/ρ2.725，N/m2(3.101)第90頁(yè)/共130頁(yè)2)空氣橫向流過(guò)圓管外橫向矩形翅片管束翅側(cè)換熱系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中:db—翅片根部圓直徑，m；nf—每單位長(zhǎng)度上翅片數(shù)；F′b—單位管長(zhǎng)以翅根直徑為基準(zhǔn)

無(wú)翅片部分表面積，m2/m；F′f—單位長(zhǎng)度上翅片的表面積，m2/m，

圖上所示兩根管共有一個(gè)翅片情況，每根管取其一半；Gmax—最小流通截面處質(zhì)量速度，kg/(m2·s)。第91頁(yè)/共130頁(yè)壓降按下式計(jì)算：

N/m2式中摩擦系數(shù)：第92頁(yè)/共130頁(yè)螺紋管螺紋增加換熱面積，還增強(qiáng)紊流和提高換熱系數(shù)。波紋管內(nèi)螺紋管波紋狀內(nèi)螺紋管內(nèi)翅片管翅鋁芯第93頁(yè)/共130頁(yè)外螺紋管束(Ff/Fi

=3~4.5)1）外螺紋管外對(duì)流換熱時(shí)de=兩翅中心線間翅片管總投影面積翅中心距Φ1—?dú)し焦苁帕行Ｕ禂?shù)，見(jiàn)下表排列形式四方順列st

/df

=1.25四方順列st

/df

=1.33三角錯(cuò)列st

/df

=1.25Φ1值0.900.801.00注：st

—管心距，m；df

—螺紋管外徑，m。圖3.67外螺紋管束的js及fs☆管外壓力損失可按下式計(jì)算：

N/m2(3.105a)第94頁(yè)/共130頁(yè)2）外螺紋管外冷凝時(shí)式中：λ1、μ1、ρ1—分別為凝液導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

動(dòng)力黏度，kg/(m·s)及密度，kg/m3；Fo—光管外表面面積，m2；

?！淠?fù)荷，Γ=M/(lN)，kg/(m·s)；M—冷凝量，kg/s；L—管長(zhǎng)，m；N—傳熱管總根數(shù)；第95頁(yè)/共130頁(yè)3.5.4空冷器的設(shè)計(jì)

[例3.5]第96頁(yè)/共130頁(yè)3.6熱管熱交換器第97頁(yè)/共130頁(yè)第98頁(yè)/共130頁(yè)三流體分離式熱管熱交換器結(jié)構(gòu)第99頁(yè)/共130頁(yè)熱管一般由三部分組成：管殼（封閉的金屬管）、毛細(xì)多孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介質(zhì)（工作液）。工作原理：蒸發(fā)段受熱使毛細(xì)材料中的工作液蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段，蒸汽凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力流回蒸發(fā)段。使熱量由熱管一端傳至另一端。由于汽化潛熱大，極小溫差下就能傳遞大量熱量。傳熱狀況：蒸發(fā)段；絕熱段；冷凝段。圖3.76熱管工作原理簡(jiǎn)圖1管殼；2管芯；3蒸汽腔；4液體3.6.1熱管的組成與工作特性第100頁(yè)/共130頁(yè)

熱管的管殼是受壓部件，要求由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造。管殼無(wú)腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。

管芯是一種毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。

工作液要有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。應(yīng)有較大的表面張力和潤(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。第101頁(yè)/共130頁(yè)熱管工作過(guò)程當(dāng)熱管一端受熱，工作液蒸發(fā)，蒸汽在微小壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量從一端傳到另一端！第102頁(yè)/共130頁(yè)熱管特點(diǎn)☆傳熱效率高,冷、熱流體在管外兩側(cè)流動(dòng)，兩側(cè)可加裝翅片，強(qiáng)化傳熱；☆管外流動(dòng)，壓力損失??；

☆結(jié)構(gòu)緊湊；

☆維護(hù)費(fèi)小，沒(méi)有易損部件，密封簡(jiǎn)單可靠，容易清洗。第103頁(yè)/共130頁(yè)圖3.78兩相閉式熱虹吸管圖3.79旋轉(zhuǎn)熱管第104頁(yè)/共130頁(yè)圖3.80徑向熱管工作原理簡(jiǎn)圖熱工藝氣內(nèi)管被加熱水翅片徑向熱管吸液芯工作介質(zhì)(蒸汽)工作介質(zhì)(水)第105頁(yè)/共130頁(yè)參數(shù)熱管類型是否有吸液芯液體回流動(dòng)力傳熱極限常用場(chǎng)合兩相閉式熱管無(wú)重力干涸極限、沸騰極限、攜帶極限常用于熱源在冷源下方的情況旋轉(zhuǎn)熱管無(wú)離心力冷凝極限、攜帶極限、沸騰極限所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件分離式熱管無(wú)重力燒干極限、聲速極限、冷凝極限需要嚴(yán)格避免冷熱流體相互滲漏的場(chǎng)合可變導(dǎo)熱管有些有毛細(xì)力或其他燒干極限、攜帶極限、冷凝極限需要冷凝段(或蒸發(fā)段)的溫度不隨熱負(fù)荷變化而變的場(chǎng)合微型熱管及小型熱管有毛細(xì)力毛細(xì)極限、沸騰極限電子產(chǎn)品等毛細(xì)泵回路有毛細(xì)力毛細(xì)極限等航空領(lǐng)域，電子元器件等各種類型熱管換熱器對(duì)比第106頁(yè)/共130頁(yè)a)熱管啟動(dòng)前的液汽交界面b)熱管工作時(shí)的液汽交界面c)吸液芯內(nèi)液汽界面參數(shù)圖3.81熱管內(nèi)質(zhì)量流、壓力和溫度分布圖3.82熱管液汽分界面的形狀熱管工作特性對(duì)普通熱管，液體和蒸汽循環(huán)的主要?jiǎng)恿κ敲?xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。毛細(xì)力需要克服液體的流動(dòng)壓降和蒸汽的壓降，而液體的體積力在壓力平衡中或?yàn)榱?，或?yàn)橥苿?dòng)力，或?yàn)樽枇?。?07頁(yè)/共130頁(yè)

Δp=2σ1/R

(3.112)

Δp=pv–p1=2σ1cosθ/r

(3.113)☆設(shè)加熱段和冷卻段的毛細(xì)頭分別為

Δp′e

和

Δp′c，

則熱管兩端毛細(xì)壓差為Δpc=Δp′e

–Δp′c=Δpv+Δpl

=2σ1(cosθe

/r–cosθc

/r)(3.114)☆當(dāng)cosθe=1、cosθc=0，即加熱段(蒸發(fā)段)處于半球狀凹面、

冷卻段(冷凝段)處于平面時(shí)，毛細(xì)壓差達(dá)最大值：

Δpc,

max=2σ1/r

(3.115)☆熱管不處于水平時(shí)，還應(yīng)考慮重力對(duì)液體流動(dòng)的影響。

設(shè)由此引起的壓力損失相應(yīng)為Δpv、Δp1和Δpg，則

Δpc

≥

Δpv+Δp1+Δpg

(3.116)第108頁(yè)/共130頁(yè)★熱管的傳熱能力會(huì)受到一種或幾種因素的限制，如毛細(xì)力、聲速、粘性、攜帶、沸騰等，因而構(gòu)成熱管的傳熱極限（或稱工作極限）?！镞@些傳熱極限與熱管尺寸、形狀、工作介質(zhì)、吸液芯結(jié)構(gòu)、工作溫度等有關(guān)，限制熱管傳熱量的級(jí)限類型是由該熱管在某種溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。這些極限主要有：熱管的傳熱極限第109頁(yè)/共130頁(yè)黏性極限在蒸汽溫度低時(shí)，工作流體的蒸汽在熱管內(nèi)的流動(dòng)更受黏性力支配，當(dāng)因黏滯阻力的作用使推動(dòng)蒸汽流動(dòng)的蒸汽壓力下降至零時(shí)，熱管的傳熱能力達(dá)到了極限，稱之為黏性極限。聲速極限熱管中的蒸汽流動(dòng)類似于拉伐爾噴管中的氣體流動(dòng)。當(dāng)蒸發(fā)段溫度一定，降低冷凝段溫度可使蒸汽流速加大，傳熱量因而加大。但當(dāng)蒸發(fā)段出口汽速達(dá)到聲速時(shí)，進(jìn)一步降低冷凝段溫度也不能再使蒸發(fā)段出口處汽速超過(guò)聲速，因而傳熱量也不再增加，這時(shí)熱管的工作達(dá)到了聲速的極限。

攜帶極限熱管中蒸汽與液體的流動(dòng)方向相反，交界面上二者相互作用，阻止對(duì)方流動(dòng)。液體表面由于受逆向蒸汽流的作用產(chǎn)生波動(dòng)，當(dāng)蒸汽速度高到能把液面上的液體剪切成細(xì)滴并帶到冷凝段時(shí)，液體被大量攜帶走，使應(yīng)當(dāng)返回蒸發(fā)段的液體不足甚至中斷，造成蒸發(fā)段干涸，使熱管停止工作，達(dá)到熱管的攜帶傳熱極限。毛細(xì)極限又稱吸液極限，當(dāng)汽、液循環(huán)壓降與所能提供的最大毛細(xì)壓頭達(dá)到平衡時(shí)，傳熱量達(dá)到最大值。如再加大蒸發(fā)量和冷凝量，會(huì)因毛細(xì)壓頭不足使抽回的液體量不能滿足蒸發(fā)需要量，將發(fā)生蒸發(fā)段吸液芯的干涸和過(guò)熱。導(dǎo)致殼壁溫度劇烈升高，甚至“燒毀”。第110頁(yè)/共130頁(yè)冷凝極限指通過(guò)冷凝段汽—液交界面所能傳遞的最大熱量。熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制，不凝性氣體的存在降低了冷凝段的冷卻效率。沸騰極限當(dāng)蒸發(fā)段徑向熱流密度很大時(shí)，會(huì)使管芯內(nèi)工作液體沸騰。如熱流密度達(dá)到臨界值，由于所發(fā)生的大量汽泡堵塞毛孔，減弱或破壞了毛細(xì)抽吸作用，致使凝結(jié)液回流量不能滿足蒸發(fā)要求。連續(xù)流動(dòng)極限對(duì)小型熱管，如微型熱管，以及工作溫度很低的熱管，熱管內(nèi)的蒸氣流動(dòng)可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。這時(shí)，由于不能獲得連續(xù)的蒸氣流，傳熱能力將受到限制。冷凍啟動(dòng)極限對(duì)高溫?zé)岜?，室溫下吸液芯中，工質(zhì)通常為固態(tài)（冷凍狀態(tài)），啟動(dòng)運(yùn)行后，冷凝的蒸汽可能在冷凍的吸液芯表面凍結(jié)，不能回流至蒸發(fā)段。而另方面，因?yàn)檩S向熱傳導(dǎo)，吸液芯工質(zhì)可能液化回流至蒸發(fā)段。如總的液體回流量小于蒸發(fā)量，這會(huì)使飽和液體區(qū)的液體量減少，甚至可能使蒸發(fā)段干涸，因而達(dá)到冷凍啟動(dòng)極限。第111頁(yè)/共130頁(yè)工作溫度低時(shí)，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。而高溫下則應(yīng)防止毛細(xì)極限及沸騰極限。對(duì)于高溫?zé)峁?，注意冷凍啟?dòng)極限；對(duì)于小型熱管和微型熱管，則注意連續(xù)流動(dòng)極限。熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方。熱管的傳熱極限第112頁(yè)/共130頁(yè)3.6.2熱管熱交換器的傳熱計(jì)算

典型吸液芯熱管傳熱可分解為以下傳熱環(huán)節(jié)1.環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間的換熱—R12.熱管加熱段管壁的導(dǎo)熱—R23.熱管蒸發(fā)段吸液芯液體組合層的傳熱—R34.蒸發(fā)段液汽界面的相變換熱—R45.從蒸發(fā)段到凝結(jié)段蒸汽流動(dòng)傳熱—R56.凝結(jié)段汽液界面蒸汽的相變換熱—R67.凝結(jié)段吸液芯液體組合層的傳熱—R78.凝結(jié)段管壁的導(dǎo)熱—R89.冷卻段外壁與環(huán)境冷源間的換熱—R910.從加熱段至冷卻段管壁的軸向?qū)帷猂1011.通過(guò)吸液芯的軸向?qū)帷猂11圖3.84熱管熱阻線路圖第113頁(yè)/共130頁(yè)3.6.3熱管熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算指熱管外流體流過(guò)熱管管束時(shí)的流動(dòng)阻力。1)流體橫掠光滑管束

Δp=0.334CfnGmax2/(2ρ)，

N/m2(3.145)2)流體橫掠錯(cuò)排翅片管束

☆流體橫掠錯(cuò)排圓芯管—環(huán)形翅片管束

Δp=fsnGmax2/(2ρ)，

N/m2(3.146)

☆流體橫掠錯(cuò)排圓芯管—矩形翅片管束

可用本書(shū)式(3.103)。第114頁(yè)/共130頁(yè)3.6.4熱管熱交換器的熱管工作安全性校驗(yàn)為保證熱管工作安全可靠，應(yīng)作以下工作安全性校驗(yàn)：1)熱管工作溫度核算。包括平均工作溫度tv

，

可能達(dá)到的最高和最低工作溫度tv,max、tv,min。

tv=tm1

Rc/Rt+tm2Re/Rt

℃(3.152)

tv，max=t1′–Qs,fRe

℃(3.153a)

tv，min

=t1″–Qs,lRe

℃(3.153b)2)單管熱負(fù)荷計(jì)算。對(duì)吸液芯熱管，毛細(xì)極限

是主要的性能限制：

Qs,max<Qc,max

(毛細(xì)極限時(shí))

☆熱虹吸管(重力熱管)：

Qs,max<Qe,max

(攜帶極限時(shí))

Qs,

max=Δtmax/Rt

(3.154)第115頁(yè)/共130頁(yè)☆垂直兩相閉式熱虹吸管：

W(3.155)☆對(duì)斜置的兩相閉式熱虹吸管：

W(3.156)3)壁溫計(jì)算

tp，min

=t1″–Qs,l

R1

(3.157)第116頁(yè)/共130頁(yè)3.6.5熱管熱交換器的熱力設(shè)計(jì)

[例3.6]第117頁(yè)/共130頁(yè)3.7蒸發(fā)冷卻(冷凝)器圖3.85蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖蒸發(fā)冷卻(冷凝)器在工作原理上是一種同時(shí)具有冷水塔(直接接觸式)和管殼式熱交換器性能的熱交換器。當(dāng)管內(nèi)被冷卻的工藝流體不發(fā)生相變時(shí)，稱它為蒸發(fā)冷卻器；當(dāng)發(fā)生相變(冷凝)時(shí)，稱為蒸發(fā)冷凝器。3.7.1蒸發(fā)冷卻(冷凝)器的結(jié)構(gòu)第118頁(yè)/共130頁(yè)圖3.86蒸發(fā)冷卻器截面上流體溫度分布圖3.87沿流程的溫度分布3.7.2蒸發(fā)冷卻(冷凝)器中的傳熱第119頁(yè)/共130頁(yè)☆取蒸發(fā)冷卻器的微元高度段dx來(lái)討論，

管內(nèi)流體失去的熱量為：