通用機械與設(shè)備之一換熱器

核電站通用機械與設(shè)備

－－－－換熱器

2009年11月20日第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器內(nèi)進行的基本是穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

（1）熱量平衡微分方程式圖為一套管式換熱器，內(nèi)管為傳熱管，傳熱管外徑d1，內(nèi)徑d2，微元傳熱管外表面積dA1，管外側(cè)對流換熱系數(shù)；內(nèi)表面積dA2，內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)，平均面積dAm，壁面導(dǎo)熱系數(shù)。對微元體做熱量衡算得：第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

以上兩式是在以下的假設(shè)前提下：①熱流體流量和比熱沿傳熱面不變；②熱流體無相變化；③換熱器無熱損失；④控制體兩端面的熱傳導(dǎo)可以忽略。（2）微元傳熱速率方程式套管換熱器中，熱量由熱流體傳給管壁外側(cè)，再由管壁外側(cè)傳至內(nèi)側(cè)，最后由管壁內(nèi)側(cè)傳給冷流體。

第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

對上述微元，有傳熱方程：

令：則：第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

式中：K——總傳熱系數(shù)，W/m2·K

因為沿著流體流動方向（套管換熱器沿管長）流體的溫度是變化的，所以值也是變化的。但若取一定性溫度，則與傳熱面無關(guān)，可以認(rèn)為是一常數(shù)，這樣K也為一常數(shù)。對進行積分，可以得到：

令：則：第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（3）傳熱系數(shù)和熱阻

①K的計算由知道，傳熱過程的總熱阻1/K由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成，原則上減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可提高傳熱系數(shù)，增大傳熱過程的速率。但是，各環(huán)節(jié)熱阻不同時，其對總熱阻的影響也不同，由K的表達(dá)式我們可以知道，熱阻1/K的數(shù)值將主要由其中最大熱阻所決定。現(xiàn)在討論K的計算dA≠dA1≠dA2≠dAm,而dA可取其中的任何一個，我國換熱器的基準(zhǔn)一般取傳熱管的外表面積，即dA=dA1，則：第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（3）傳熱系數(shù)和熱阻－①K的計算對于套管換熱器，則：

對于平壁，dA=dA1=dA2=dAm，則：第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（3）傳熱系數(shù)和熱阻

②污垢熱阻上面推導(dǎo)的過程中，都未考慮傳熱面污垢的影響。換熱器在實際運行中，表面污垢會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱阻。換熱器使用一段時間后，傳熱表面有污垢積存，因此污垢層的熱阻一般不可忽略。而污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)無法測量，故污垢熱阻只能是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定。計算污垢熱阻的總熱阻為：

式中：Rs1、Rs2——分別為傳熱管外側(cè)、內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（4）壁溫的計算由可以看出，在傳熱過程中熱阻大的環(huán)節(jié)其溫差也大。若金屬壁的熱阻可忽略，即則，即壁溫接近于熱阻較小或換熱系數(shù)較大的一側(cè)流體的溫度。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（5）傳熱基本方程式（設(shè)兩流體作逆流流動）由前面分析可知：

式中：A=0A=A第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

對于穩(wěn)定工況，、是常數(shù)，取流體平均溫度下的比熱，則、也是常數(shù)，若將換熱面各微元的局部K值也作為一常數(shù)，則上式中只有沿?fù)Q熱面而變。分離變量，并在A=0（）至A=A（）間積分，得

由整個換熱面熱量平衡得：，第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

將代入得到：因此可得出逆流時：，稱為對數(shù)平均溫度差。當(dāng)<2時，。同理，可以導(dǎo)出順流時的

第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（6）對數(shù)平均推動力在傳熱過程中，冷熱流體的溫差是沿加熱面連續(xù)變化的，但由于此溫差與冷、熱流體溫度成線性關(guān)系，故可用換熱器兩端溫差的對數(shù)平均溫度差來表示。對數(shù)平均溫度差（或推動力）恒小于算術(shù)平均溫度差，特別是當(dāng)換熱器兩端溫度差相差懸殊時，對數(shù)平均溫度差將急劇減小。在冷、熱流體進出口溫度相同的情況下，順流運行的兩端推動力相差較大，其對數(shù)平均值必小于逆流運行。因此，就增加傳熱過程推動力而言，逆流運行總是優(yōu)于順流運行。

第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

（6）對數(shù)平均推動力在實際操作的換熱器內(nèi)，純粹的逆流和順流操作是不多見的，經(jīng)常采用的是錯流、折流及其他復(fù)雜流動，復(fù)雜流動的該怎么求呢？可根據(jù)逆流流動求出，然后再乘以溫差校正系數(shù)得到實際的平均溫差，即的取值可查相關(guān)文獻。溫差校正系數(shù)<1，這是由于在列管換熱器內(nèi)增設(shè)了折流擋板及采用多管程，使得換熱的冷、熱流體在換熱器內(nèi)呈折流或錯流，導(dǎo)致實際平均傳熱溫差恒低于純逆流時的平均傳熱溫差。若一側(cè)為飽和蒸汽冷凝的復(fù)雜流動，其。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.2換熱器的設(shè)計型計算

（1）設(shè)計型計算的命題方式設(shè)計任務(wù)：將一定流量的熱流體自給定溫度冷卻至指定溫度；或?qū)⒁欢髁康睦淞黧w自給定溫度加熱至指定溫度。設(shè)計條件：給定了冷卻介質(zhì)即冷流體的進口溫度；或給定了加熱介質(zhì)即熱流體的進口溫度。計算目的：確定經(jīng)濟上合理的傳熱面積及換熱器其它有關(guān)尺寸。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.2換熱器的設(shè)計型計算

（2）設(shè)計型問題的計算方法設(shè)計計算的大致步驟：①首先由傳熱任務(wù)用熱量衡算式計算換熱器的熱負(fù)荷；②作出適當(dāng)?shù)倪x擇并計算平均推動力；③計算冷、熱流體與管壁的對流傳熱系數(shù)、及總傳熱系數(shù)；④由總傳熱速率方程計算傳熱面積或管長。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.2換熱器的設(shè)計型計算

（3）設(shè)計型計算中參數(shù)的選擇由總傳熱速率方程式可知，為確定所需的傳熱面積，必須知道平均推動力和總傳熱系數(shù)。為計算對數(shù)平均溫差，設(shè)計者首先必須：①選擇流體的流向，即決定采用逆流、順流還是其它復(fù)雜流動方式；②選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度或加熱介質(zhì)的出口溫度。為求得傳熱系數(shù)K，須計算兩側(cè)的對流換熱系數(shù)，故設(shè)計者必須決定：①冷、熱流體各走管內(nèi)還是管外；②選擇適當(dāng)?shù)牧魉?。同時，還必須選定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙琛５谝徽聯(lián)Q熱器傳熱過程計算

1.2換熱器的設(shè)計型計算

（3）設(shè)計型計算中參數(shù)的選擇由上所述，設(shè)計型計算必涉及設(shè)計參數(shù)的選擇。各種選擇決定之后，所需的傳熱面積及管長等換熱器其它尺寸是不難確定的。不同的選擇有不同的計算結(jié)果，設(shè)計者必須作出恰當(dāng)?shù)倪x擇才能得到經(jīng)濟上合理、技術(shù)上可行的設(shè)計，或者通過多方案計算，從中選出最優(yōu)方案。近年來，利用計算機進行換熱器優(yōu)化設(shè)計日益得到廣泛的應(yīng)用。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.2換熱器的設(shè)計型計算

（4）選擇的依據(jù)①流向選擇對熱敏性物料，順流操作可避免出口溫度過高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。在某些高溫?fù)Q熱器中，逆流操作因冷卻流體的最高溫度和集中在一端，會使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫可采用順流，以延長換熱器的使用壽命。②冷卻或加熱介質(zhì)的出口溫度的選擇。③流速的選擇。（5）設(shè)計型計算的例題：略第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

在實際工作中，換熱器的操作型計算問題是經(jīng)常碰到的。如，判斷一個現(xiàn)有換熱器對指定的生產(chǎn)任務(wù)是否適用，或者預(yù)測某些參數(shù)的變化對換熱器傳熱能力的影響等都屬于操作型問題。（1）操作型計算的命題方式①第一類命題給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，冷、熱流體的流量和進口溫度以及流體的流動方式。計算目的：求某些參數(shù)改變后冷、熱流體的出口溫度及換熱器的傳熱能力。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

（1）操作型計算的命題方式②第二類命題給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，熱流體（或冷流體）的流量和進、出口溫度，冷流體（或熱流體）的進口溫度以及流動方式。計算目的：求某些參數(shù)改變后所需冷流體（或熱流體）的流量及出口溫度。③換熱器校核計算給定條件：換熱器的傳熱面積及有關(guān)尺寸，傳熱任務(wù)。計算目的：判斷現(xiàn)有換熱器對指定的傳熱任務(wù)是否適用。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

（2）操作型問題的計算方法在換熱器內(nèi)所傳遞的熱流量，可由總傳熱速率方程式計算。同時還應(yīng)滿足熱量衡算式，即（對逆流）聯(lián)立以上兩式，可得

第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

（2）操作型問題的計算方法對于第一類命題的操作型問題，可將傳熱基本方程式變換為線性方程，然后采用消元法求出冷、熱流體的溫度。對于第二類命題的操作型問題，須直接處理非線性的總傳熱基本方程式，無論采用何種方法求解，試算均不可避免。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

（4）傳熱過程的調(diào)節(jié)

傳熱過程的調(diào)節(jié)問題本質(zhì)上也是操作型問題的求解過程，現(xiàn)在以熱流體的冷卻為例加以說明。在換熱器中，若熱流體的流量或進口溫度發(fā)生變化，而要求其出口溫度保持原來數(shù)值不變，可通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量來達(dá)到目的。這種調(diào)節(jié)作用不能單純地從熱量平衡的觀點理解為冷流體的流量大帶走的熱量多，流量小帶走的熱量少。正確的考慮是由傳熱基本方程式出發(fā)，冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，改變了換熱器內(nèi)傳熱過程的速率。傳熱速率的改變，可能來自的變化，也可能來自的變化，綜合因素是由兩者共同引起的。第一章?lián)Q熱器傳熱過程計算

1.3換熱器的操作型計算

（4）傳熱過程的調(diào)節(jié)

如果冷流體的遠(yuǎn)大于熱流體的，調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量，基本不變，調(diào)節(jié)作用主要要靠的變化。如果冷流體的與熱流體的相當(dāng)或遠(yuǎn)小于后者，改變冷卻介質(zhì)的流量，將使和皆有較大變化，此時過程調(diào)節(jié)是兩者共同作用的結(jié)果。如果換熱器在原工況下冷卻介質(zhì)的溫升已經(jīng)很小，即出口溫度很低，增大冷卻水流量不會使有較大的增加。此時，如熱流體給熱不是控制步驟，增大冷卻介質(zhì)流量可使值增大，從而使傳熱速率有所增加。但是若熱流體給熱為控制步驟，增大冷卻介質(zhì)的流量已無調(diào)節(jié)作用。這就提示我們，在設(shè)計時冷卻介質(zhì)的出口溫度也不宜取得過低，以便留有調(diào)節(jié)的余地

第二章?lián)Q熱器分類

換熱器是核電廠及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。核電廠運行中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。由于生產(chǎn)規(guī)模、介質(zhì)的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。

第二章?lián)Q熱器分類

2.1直接接觸式（混合式）在這類換熱器中，冷熱兩種流體通過直接混合進行熱量交換。用在工藝上允許兩種流體相互混合的情況下，這是比較方便和有效的，且其結(jié)構(gòu)比較簡單。直接接觸式換熱器常用于氣體的冷卻或水蒸汽的冷凝。

第二章?lián)Q熱器分類

2.2蓄熱式

蓄熱式換熱器又稱為蓄熱器。主要由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，室中可填耐火磚或金屬帶等作為填料。當(dāng)冷、熱兩種流體交替地通過同一蓄熱室時，即可通過填料將來自熱流體的熱量，傳遞給冷流體，達(dá)到換熱的目的。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，且可耐高溫，常用于氣體的余熱及其冷量的利用。其缺點是設(shè)備體積較大，而且兩種流體交替時難免有一定程度的混合。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

這一類換熱器的特點是在冷熱兩種流體之間用一金屬壁（或石墨等導(dǎo)熱性好的非金屬）隔開，以使兩種流體在不相混合的情況下進行熱量交換。由于在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多，本章重點討論間壁式換熱器。（1）夾套式換熱器結(jié)構(gòu)：夾套裝在容器外部，在夾套和容器壁之間形成密閉空間，成為一種流體的通道。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。缺點：傳熱面積A小，傳熱效率低。用途：廣泛用于反應(yīng)器的加熱和冷卻。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（2）沉浸式蛇管換熱器結(jié)構(gòu)：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應(yīng)容器所需要的形狀，沉浸在容器內(nèi)，冷熱流體在管內(nèi)外進行換熱。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，便于防腐，能承受高壓。缺點：傳熱面積不大，蛇管外對流傳熱系數(shù)小，為了強化傳熱，容器內(nèi)加攪拌。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（3）噴淋式換熱器結(jié)構(gòu)：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進行換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進行重新分配。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好。缺點：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。用途：用于冷卻或冷凝管內(nèi)液體。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（4）套管式換熱器結(jié)構(gòu)：由不同直徑組成的同心套管，可根據(jù)換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使平均對數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應(yīng)用方便。缺點：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。用途：廣泛用于超高壓生產(chǎn)過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器（管殼式換熱器）列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用。主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器-續(xù)（管殼式換熱器）優(yōu)點：單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好；結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。

為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器-續(xù)（管殼式換熱器）殼體內(nèi)裝有管束，管束兩端固定在管板上。由于冷熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，如兩者溫差較大，管子會扭彎，從管板上脫落，甚至毀壞換熱器。所以，列管式換熱器必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償?shù)霓k法，消除或減小熱應(yīng)力。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器-續(xù)（管殼式換熱器）根據(jù)所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為以下幾個型式。固定管板式結(jié)構(gòu)：殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器-續(xù)（管殼式換熱器）浮頭式結(jié)構(gòu)：兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。特點：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。第二章?lián)Q熱器分類

2.3間壁式

（5）列管式換熱器-續(xù)（管殼式換熱器）U型管式結(jié)構(gòu)：把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點：結(jié)構(gòu)較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。第二章?lián)Q熱器分類

2.4管殼式換熱器的設(shè)計和選用

（1）設(shè)計和選用時應(yīng)考慮的問題除了前面講過流體的流向，流速和流體出口溫度的選擇外，還應(yīng)考慮：①冷熱流體流動通道的選擇a、不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便，但U形管式的不宜走管程；b、腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕；c、壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力；d、飽和蒸汽宜走殼程，飽和蒸汽比較清潔，而且冷凝液容易排出；e、被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱；f、若兩流體溫差大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力；g、流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因在殼程

即可達(dá)到湍流。但這不是絕對的，如果流動阻力損失允許，將這種流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而會得到更高的給熱系數(shù)。

以上各點常常不可能同時滿足，而且有時還會相互矛盾，故應(yīng)根據(jù)具體情況，抓住主要方面，作出適宜的決定。

第二章?lián)Q熱器分類

2.4管殼式換熱器的設(shè)計和選用

②流動方式的選擇除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動。當(dāng)流量一定時，管程或殼程越多，對流傳熱系數(shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動力費用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)采用多管程或多殼程時，列管式換熱器內(nèi)的流動形式復(fù)雜，對數(shù)平均值的溫差要加以修正。③換熱管規(guī)格和排列選擇換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。因此對于潔凈的流體管徑可取得小些。但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取的大些，以免堵塞。為了制造和維修的方便，我國目前試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用19×2mm和25×2.5mm兩種規(guī)格，管長有1.5、2.0、3.0、6.0m，排列方式：正三角形、正方形直列和錯列排列。

第二章?lián)Q熱器分類

2.4管殼式換熱器的設(shè)計和選用

各種排列方