过程原理与装备

1、-热交换部分热交换部分 6.2热量交换过程的基本设备 1)三大类别：直接接触式、蓄热式和间壁式。 (2)蓄热式换热器 蓄热式换热器主要由热容较大的 蓄热室构成，室中可充填耐火砖等填料。当冷 热两流体交替地通过同一蓄热室外时，蓄热室 即可将得自热流体的热量，传递给冷流体，达 到换热的目的。这种换热器的结构较为简单， 且可耐高温，常用于高温气体热量的利用或冷 却，但设备体积较大，也难免两种流体在一定 程度上相互混和。蓄热器可分为回转式蓄热器 和固定式蓄热器 6.2热量交换过程的基本设备 1)三大类别：直接接触式、蓄热式和间壁式。 (3)间壁式换热器是冷热两流体间用一固体图7.9 夹 套式换热器壁（

2、金属、石墨或塑料等材料）隔 开，以使两流体进行热量传递而不相互混合。 这类换热器的型式有夹套式、蛇管式、套管式、 列管式、板式、板翅式等等，在过程生产中应 用最为广泛。 6.3设备之间壁式换热器 1)夹套式换热器 釜 夹套 冷凝水出口 冷凝水排除器 冷凝水 加热蒸汽 蒸汽进口 （1）用途：釜式设备的加 热或冷却。特点：环室内 部清洗困难，一般选用不 易结垢的水蒸气、冷却水、 导热油等作为载热体。 （2）夹套式换热器的传热 面积受到一定限制，传热 系数也不高。 （3）强化方法：当环室内 通冷却水时，为提高其对 流传热系数可在夹套内加 设挡板，这样既可使冷却 水流向一定又可提高流速， 从而提高总传

3、热系数。 6.3设备之间壁式换热器 2)套管式换热器 （1）优点： 结构简单，能耐高压，传热面积可根据需 要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大， 且两种流体呈逆流流动，有利于传热。 （2）缺点： 单位传热面积的金属耗量大，管子接头多， 检修清洗不方便。此类换热器适用于高温、高压及小流 量流体间的换热。 6.3设备之间壁式换热器 3)沉浸式蛇管换热器 （1）优点是结构简单、价格低廉、便于防腐、能承受 高压。 （2）缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多，管 外流体的传热膜系数较小，故常需加搅拌装置，以提高 其传热效率。 6.3设备之间壁式换热器 4)喷淋式冷却器 5)翅片管换热器 （

4、1）用途：两种流体的对流传热系数之比超过3:1用。 （2） 换热管的间壁上安装径向或轴向的翅片。连接方 法有热套、镶嵌、张力缠绕和焊接等，翅片管也可采用 整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造。 5)翅片管换热器 图7.13a 空气冷却器的结构 6)管壳式换热器 固定管板式换热器 （ 6)管壳式换热器 固定管板式换热器 （ 6)管壳式换热器 浮头式换热器 （ 6)管壳式换热器 U形管式换热器 图7.17 U型管式换 热器 1 2 3 6)管壳式换热器 填料函式换热器 6)管壳式换热器 釜式换热器 （ 偏 心 锥 壳 堰 板 7) 板式换热器之1 板片式换热器 （ 7) 板式换热器之2 板翅式换

5、热器 7) 板式换热器之(2) 板翅式换热器的翅片 8) 板式换热器之 3螺旋板换热器 （ 7) 板式换热器之4 板壳式换热器 （ 图7.25板壳式换热器示意图 7) 板式换热器之4 板壳式换热器的板束 （ 壳 体 板 束 7.3管壳式换热器的传热过程的强化 1)强化措施的着眼点:( 7.3.1强化传热管之1螺旋槽管 1）机械辊压方法加工而成的一种强化管，辊压使管外表 面形成连续的螺旋形凹槽，内表面形成螺纹状的凸起， 凸起与管轴线呈一定的螺旋角。 2）流体在管内流动时，管内表面螺旋形凸起对近壁处流 体产生扰流作用，使流体形成螺旋运动并产生局部二次 流。螺旋槽管的管内换热系数是光管的1.52.0

6、倍，管 内流动沸腾换热系数可达光管的2倍。 7.3.1强化传热管之2横纹槽管 1）横纹槽管的内表面与螺旋槽管相似，但其外表面是单 个的环形凹槽，内表面是相应的环形凸起。 2）流体掠过凸起时，凸起对流体具有扰流作用，造成边 界层分离，并减薄边界层厚度，从而强化传热。横纹槽 管管内换热系数可达光管的2倍以上。在传热量和泵功 率消耗相同的条件下，用横纹管取代光管，可使换热管 材料消耗减少30%50%。 7.3.1强化传热管之3缩放管 1）管子的横截面积呈周期性变化，且每个周期都由收缩 段和扩张段组成，每一段都呈圆锥形；流体始终受到方 向反复变化的纵向压力梯度作用，在扩张时产生的剧烈 旋涡，在收缩时有

7、效地利用了旋涡的作用，使流体在管 壁内表面不能形成连续的边界层。 2）在同等压力降下，缩放管的传热量比光管增加70%以 上。缩放管的形状为相对流线型，因而流动阻力比横纹 槽管小，更适合低压气体和含杂质的流体传热。 7.3.1强化传热管之4螺旋扁管 1）由圆管轧制而成或由椭圆管扭曲成螺旋形，具有一定 的导程。 2）螺旋形内壁迫使管内流体呈螺旋形流动，不但使流体 湍流度增大，而且冲刷管壁表面液体边界层，能有效提 高管内对流传热系数。 7.3.1强化传热管之5变截面管 1）将普通圆管用机械方法相隔一定节距轧制成互成90o （正方形布管）或互成60o（三角形布管）的扁管形截 面，利用管子扁圆形截面的突

8、出部位相互支撑，不需要 折流板。 2）管内流体由于管截面的变化而改变了流动形态，能破 坏和减薄管壁内表面液体边界层，从而提高管内对流传 热系数。 7.3.1强化传热管之6波纹管 1）以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺使管 内外表面金属塑性变形而成为双侧带有波纹的管型。 2）波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的 流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。其 几何参数为：对于252.5mm的换热管，波距 s=1719mm, 波谷=1.41.6mm；对于192.0mm的 换热管，波距s=1113mm, 波谷=1.01.2mm.。 7.3.1强化传热管之7低翅片螺纹管 1）轧制外

9、表面形成螺纹翅片，强化管外。增加换热面积； 分割层流边层，减薄边界层的厚度。蒸发时增加单位表 面上气泡形成的数量；冷凝时，利管下端冷凝液的滴落， 液膜减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。 2）特点：对壳程介质的蒸发、冷凝、气态流传热、液态 流传热均有一定的强化作用；缺点：腐蚀性强、易结垢、 粘性较大的介质不适用。 。 7.3.1强化传热管之8螺旋槽管 2）T管的沸腾给热系数比光管高1.63.3倍。 高于冷介质 的沸点24就可沸腾，且鼓泡细密、连续、快速，形 成了与光管相比的独特优势。 3）常用的T型翅片管螺距为13mm，开口度为 0150.35mm，翅高在0.91.2mm之间。 1）隧道中形成气

10、泡核， 快速增大，急速喷出， 隧道内部的气液扰动 非常激烈，不易结垢。 具有较高的沸腾传热 能力。 7.3.1强化传热管之9表面多孔管 2）优点是强化介质的沸腾传热，沸腾给热系数约为光滑 表面的67倍。可以在很小的温差下维持沸腾 （0.60.7），从而大大减少传热的不可逆损失。 1）采用机加工、烧结、喷涂等方法 制备一层多孔层 。大量微孔变 成为汽泡形成的核心，气泡核迅 速膨大充满内腔，急速喷出形成 较大的冲刷，垢物不容易在管的 表面形成，抗垢能力较高。多孔 层对管的原始表面结构影响非常 小，因此这种管型对低温工况非 常适用。 7.3.1强化传热管之10高通量换热管 1）高通量换热管管内壁烧结

11、一层多孔表面，管外壁轧制 纵槽。强化管内沸腾传热和管外冷凝。 2）管外的纵槽可有效减薄冷凝液膜，减少冷凝热阻。其 冷凝传热系数是光滑管的56倍。而总传热系数可达光 滑管的35倍。 7.3.2管内插入物的结构管内插入物的结构之1扭带或螺旋扭片 1）扭带和扭片都是金属薄片扭制或塑料薄片热加工而成， 其特性参数是片的扭率（即一个扭程的间距和管径之比） 和片的厚度。 2）扭带或或螺旋扭片使流体在管内产生连续旋流，旋流引 起二次流促进了径向混合，因而强化管内对流传热。 7.3.2管内插入物的结构管内插入物的结构之2静态混合器 1） 静态混合器能够增大管内对流传热系数35倍。插入 物有：扭带、钻孔扭带、错

12、开扭带、静态混合器、径向 混合器和螺旋片。 2）Re95%多孔体，在低雷 诺数下，由于弥散流动促使流体形成湍流，从而强化传 热。 2）由于该元件空隙率大，因而其沿程阻力系数较一般的 多孔介质内插物低得多。 7.3.3 壳程管束支撑结构改进壳程管束支撑结构改进 管束支撑的变化是纵流壳程换热器结构发展的标 志，其主要作用有三个： 支撑管束， 使壳程产生期望的流型和流速， 阻止管子发生流体诱导振动。 管束支撑是壳程的关键结构，不同的管束支撑使 壳程流体的流动形态发生变化，流动形态的改变使换热 器的传热、压降等综合性能也随之发生显著变化。 7.3.3 壳程管束支撑结构改进壳程管束支撑结构改进之1 折流

13、杆支撑 1）为解决管束振动问题而开发的，又称为折流栅，四个 为一组，每组折流栅包括两个横栅和两个纵栅，纵横交 错排列，每个折流栅是由若干平行的折流杆（圆钢）焊 接在一个折流圈上而成。 2）特点：扰流作用。减薄边界层。杆式支撑与换 热管间为点（线）接触，基本消除了“传热死区”。 杆式支撑换热器壳程压降很小。只有较大雷诺数情况 才能显示出优异的性能。 7.3.3 壳程管束支撑结构改进壳程管束支撑结构改进之2空心环支撑 1）空心环支撑换热器以表面强化管（如横纹管）作为换 热管，使管程和壳程同时得到强化，且壳程空隙率大， 对流体形体阻力小，流体的绝大部分压降作用在强化管 的粗糙传热面上，以促进近壁流体

14、传热滞流层的湍流强 度，降低传热热阻。 2）空心环比折流杆支撑提高给热系数约50%，且壳程压 降更小。扰流作用不如折流杆式支撑。 7.3.3 壳程管束支撑结构改进壳程管束支撑结构改进之3刺孔膜片支撑 2）毛刺有扰流作用，各区域的流体通过膜片上小孔实现 混合。刺孔膜片嵌焊于管壁上，既是支撑元件，又是管 壁的延伸，且刺和孔可使换热表面上的边界层不断更新， 可减薄层流内层厚度。壳程流体完全纵向流动，因此壳 程压力降大大降低 1） 是天津大学周理等开发的， 它是将每根换热管上下两 侧相距180o开沟槽，槽内 嵌焊冲有孔和毛刺的膜片， 多块膜片将一纵列管子连 接为一个整体，并将整个 壳程空间分隔为若干彼

15、此 平行的空间 7.3.3 壳程管束支撑壳程管束支撑4管子自支撑螺旋扁管螺旋扁管 2）壳程流体在换热管螺旋面的作用下总体呈纵向流动， 并伴有横向螺旋运动，这种流速和流向的周期性改变加 强了流体的轴向混合和湍动。同时，流体流经相邻管子 的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，又增大了流体 的湍流度，并对管壁面的热边界层有破坏作用。 1）是瑞典Allares公司开发的 一种高效换热管，由圆管 轧制或由椭圆管扭曲而成， 具有一定的导程，靠相邻 管凸起处的点接触支撑管 子。 7.3.3 壳程管束支撑壳程管束支撑4管子自支撑变截面管变截面管 1）是将普通圆管用机械方法相隔一定节距轧制成互成 90o（正方形布管）或互成60o（三角形布管）的扁管 形截面，利用管子变径部分扁圆形截面的凸起部位相互 支撑。流体在壳程中基本呈纵向流动，流经凸起部位时 发生扰流和波动，湍流度增加。 7.3.3 壳程管束支撑壳程管束支撑5螺旋折流板 2）特点： 介质在壳体内做螺旋流动，压降低。 可提 高壳程介质的流