食品机械与设备第03章换热设备

1、第一节换热设备第一节换热设备一、概述一、概述 换热器是化工厂、食品厂主要的化工设备之一。换热换热器是化工厂、食品厂主要的化工设备之一。换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。 依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁间壁式、混合式及蓄热式式、混合式及蓄热式三类，其中以间壁式换热器应用最为三类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。普遍。 间壁式换热器：间壁式换热器： 是以固体壁面把冷热流体隔开，不相混是以固体壁面把冷热流体隔开，不相混合，通过间壁进行热量交换（有列管式、螺旋板式、板

2、式、合，通过间壁进行热量交换（有列管式、螺旋板式、板式、夹套式、蛇管式、套管式换热器）夹套式、蛇管式、套管式换热器） 混合式换热器：混合式换热器：被冷凝的蒸汽直接与冷水接触进行换热。被冷凝的蒸汽直接与冷水接触进行换热。因此传热效果好；设备结构简单，仅在允许冷热流体互相因此传热效果好；设备结构简单，仅在允许冷热流体互相混合时，才能应用。混合时，才能应用。 列管式换热器：列管式换热器： 列管式换热器是化工生产中应用最为广泛的传热设备。列管式换热器是化工生产中应用最为广泛的传热设备。优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好，结构优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好，结构简单，制造的材料范

3、围较广，操作弹性也较大。简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大。 板式换热器：板式换热器： 板式换热器优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热板式换热器优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大，总传热系数高，可根据需要增减板数以调节传热面面积大，总传热系数高，可根据需要增减板数以调节传热面积，检修和清洗都比较方便等。缺点是处理量不大，操作压积，检修和清洗都比较方便等。缺点是处理量不大，操作压强比较低，因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高。强比较低，因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高。 板式换热器是一种高效换热设备，其具有许多独特的优板式换热器是一种高效换热设备，其具有许多独特的优

4、点，在食品、化工、制药等，工业中获得广泛应用。如在乳点，在食品、化工、制药等，工业中获得广泛应用。如在乳品生产中，大多用作牛奶的高温短时间或超高温杀菌、牛奶品生产中，大多用作牛奶的高温短时间或超高温杀菌、牛奶的冷却；果汁的加热杀菌和冷却；啤酒厂用于麦芽汁冷却等。的冷却；果汁的加热杀菌和冷却；啤酒厂用于麦芽汁冷却等。 二、板式换热器二、板式换热器 1、板式换热器的工作原理与结构、板式换热器的工作原理与结构 工作原理：工作原理：它是由许多不锈钢薄片重叠压紧而成的热它是由许多不锈钢薄片重叠压紧而成的热交换器，加热介质（冷却介质）与料液在相邻两片间流动，交换器，加热介质（冷却介质）与料液在相邻两片间流

5、动，通过金属片进行热交换。由于金属片冲压成特殊形状，且通过金属片进行热交换。由于金属片冲压成特殊形状，且板与板的间隙很窄，流动液层很薄，所以换热效果很好。板与板的间隙很窄，流动液层很薄，所以换热效果很好。 结构：结构：支架、压紧板、扳手、压紧螺杆、上导杆、下支架、压紧板、扳手、压紧螺杆、上导杆、下导杆、固定紧板、换热片、橡皮垫圈、管接头等。（与板导杆、固定紧板、换热片、橡皮垫圈、管接头等。（与板框过滤机相似）框过滤机相似） 其流程可根据工艺要求而定，装配时一定要严格按组合其流程可根据工艺要求而定，装配时一定要严格按组合流程排列。流程组合可分为并联、串联和混联流程。三种流流程排列。流程组合可分为

6、并联、串联和混联流程。三种流程如图所示：程如图所示：并联流程：并联流程：流体分别流入平行的流道，然后汇成一股流至出口，总流体分别流入平行的流道，然后汇成一股流至出口，总的流向和单流隙中均为逆流。的流向和单流隙中均为逆流。 串联流程：串联流程： 流体在经过每一垂直流道后，接着就改变方向，冷热流体在经过每一垂直流道后，接着就改变方向，冷热两流体的主体流向是逆流，但两种流体在相邻流隙中有逆两流体的主体流向是逆流，但两种流体在相邻流隙中有逆流也有并流。流也有并流。 混联流程：混联流程： 是双程，是串联和并联组合，冷热两流体的主体是逆是双程，是串联和并联组合，冷热两流体的主体是逆流，流体在同组的并联板隙

7、中流过，然后再流入另一组并流，流体在同组的并联板隙中流过，然后再流入另一组并联的板隙，它既有组内板隙间的并联，也有组与组间的串联的板隙，它既有组内板隙间的并联，也有组与组间的串联。联。 2、板片的结构、板片的结构 板片是用不锈钢薄板冲压而成。板片是用不锈钢薄板冲压而成。 薄片的加工与安装要求：薄片的加工与安装要求：薄片的厚度一般为薄片的厚度一般为12mm，片与片之间的流道间隙为片与片之间的流道间隙为210mm。这就决定了液层的厚。这就决定了液层的厚度。若安装时不注意，在垂直方向产生相对位移，这样可度。若安装时不注意，在垂直方向产生相对位移，这样可能会造成两片接触，或使缝隙变的很窄，则流体无法通

8、过，能会造成两片接触，或使缝隙变的很窄，则流体无法通过，所以要求在安装时各片在导杆上的垂直位置（上下位置），所以要求在安装时各片在导杆上的垂直位置（上下位置），误差误差0.20.25mm。 薄片波纹形式：薄片波纹形式：1、凸起状板、凸起状板 其表面上有球形凸起和平头凸起组合，球形凸起具有其表面上有球形凸起和平头凸起组合，球形凸起具有使液体呈涡流作用，平头凸起支承压差。使液体呈涡流作用，平头凸起支承压差。2、三角形波纹板、三角形波纹板3、梯形波纹板、梯形波纹板4、斜纹板、斜纹板5、人字形板、人字形板 一般人字形板的斜纹板的传热系数比平行板大，另外，一般人字形板的斜纹板的传热系数比平行板大，另外，

9、由于多点承受压力差，所以板的厚度薄，但当液体中含有由于多点承受压力差，所以板的厚度薄，但当液体中含有固体时易被堵塞。固体时易被堵塞。 3、垫片、垫片 换热片悬挂于导杆上，前端有固定板，旋紧在后支架上。换热片悬挂于导杆上，前端有固定板，旋紧在后支架上。压紧螺杆可使压紧板与各传热片叠合在一起，片与片之间压紧螺杆可使压紧板与各传热片叠合在一起，片与片之间在片的四周用板框橡胶垫圈保证密封，并使两片间有一定在片的四周用板框橡胶垫圈保证密封，并使两片间有一定的空隙，调节垫圈的厚度即可改变两片间流体通道的大小。的空隙，调节垫圈的厚度即可改变两片间流体通道的大小。 在每片的四角上各开一孔口，借圆环垫圈的密封作

10、用，在每片的四角上各开一孔口，借圆环垫圈的密封作用，四个孔中只有两个孔口可与金属片一侧的通道相通，另两四个孔中只有两个孔口可与金属片一侧的通道相通，另两个孔口则与金属片的另一侧的通道相通。冷热流体在薄片个孔口则与金属片的另一侧的通道相通。冷热流体在薄片的两边交替流动，进行热交换。拆卸时，只需转动压紧螺的两边交替流动，进行热交换。拆卸时，只需转动压紧螺杆，使压紧板及换热片沿着导杆滑动松开，清洗、拆装很杆，使压紧板及换热片沿着导杆滑动松开，清洗、拆装很方便。方便。并并 联联 流流 程程串串 联联 流流 程程板片的四角孔的作用及垫片：板片的四角孔的作用及垫片： 波纹金属片的密封垫圈，只是固定在金属片

11、的一边，波纹金属片的密封垫圈，只是固定在金属片的一边，每片上都有四个角孔，它们构成流体的通道，在布置垫圈每片上都有四个角孔，它们构成流体的通道，在布置垫圈时，必须使薄片组合后构成两种互不通连的冷热流体进入时，必须使薄片组合后构成两种互不通连的冷热流体进入通道，其中有一条通道与两个角孔相通，所以这两条通路通道，其中有一条通道与两个角孔相通，所以这两条通路彼此依次相向。根据流体流过金属片表面的方式不同，波彼此依次相向。根据流体流过金属片表面的方式不同，波纹金属片可分为单侧直流片和对角斜流片。纹金属片可分为单侧直流片和对角斜流片。 、单侧支流片、单侧支流片 同一种液体的进出口角孔，在设备同一侧的轴线

12、上，将同一种液体的进出口角孔，在设备同一侧的轴线上，将相邻两片水平放在一起，可见流体呈直线方向流动，左片上，相邻两片水平放在一起，可见流体呈直线方向流动，左片上，第一种流体从左上角孔流入片面，从金属片下左角流出，两第一种流体从左上角孔流入片面，从金属片下左角流出，两个右角孔用垫圈隔离，在右角孔上第二种液体则流到传热片个右角孔用垫圈隔离，在右角孔上第二种液体则流到传热片的另一侧。的另一侧。特点：特点： 、左右两片结构一样，组合时，只需把左片旋转、左右两片结构一样，组合时，只需把左片旋转180即成右片，然后依次相同地悬吊在导杆上。即成右片，然后依次相同地悬吊在导杆上。 、同一种流体的进出口布置在一

13、侧，使得产品管路、同一种流体的进出口布置在一侧，使得产品管路（牛奶、果汁之类）有可能与一般流体管路（热水、冷水或（牛奶、果汁之类）有可能与一般流体管路（热水、冷水或盐水）分开，避免产品管路与其他生产线相混置，方便管理，盐水）分开，避免产品管路与其他生产线相混置，方便管理，而且既卫生又美观。而且既卫生又美观。 、对角斜流片、对角斜流片 同一种液体进出口两角孔在对角线的两端点位置上，它同一种液体进出口两角孔在对角线的两端点位置上，它们左右片的结构、垫圈都不一样。大垫圈围绕着金属片的对们左右片的结构、垫圈都不一样。大垫圈围绕着金属片的对角线上的两个角孔，片间流动的总方向是对角线方向。角线上的两个角孔

14、，片间流动的总方向是对角线方向。 这种流动方式从流体流速的均匀性、传热效果与流体阻这种流动方式从流体流速的均匀性、传热效果与流体阻力等方面，与单侧直流布置比较没有显著差别，但是需要有力等方面，与单侧直流布置比较没有显著差别，但是需要有两种冲模压制，备用的金属片相对的也较多，在设备管理及两种冲模压制，备用的金属片相对的也较多，在设备管理及外观上也不及前者。因此较少使用。外观上也不及前者。因此较少使用。 角孔部位密封垫圈的结构角孔部位密封垫圈的结构 （a）正确的（）正确的（b）不正确的）不正确的结构（结构（a） ：若密封垫圈失效时，流体首先流向设备外部，：若密封垫圈失效时，流体首先流向设备外部，

15、容易检查，而且两种流体不易相混。容易检查，而且两种流体不易相混。结构（结构（b） ：角孔垫圈与周边垫圈整体制成的，若垫圈失效：角孔垫圈与周边垫圈整体制成的，若垫圈失效 引起液体泄漏，造成两种液体渗漏，在外部不引起液体泄漏，造成两种液体渗漏，在外部不 易察觉，此结构不正确。易察觉，此结构不正确。4、板式换热器的特点、板式换热器的特点 、有较高的传热效率、有较高的传热效率 由于两片间的间隙小，形成膜状流动，使两流体都有很由于两片间的间隙小，形成膜状流动，使两流体都有很高的流速。又因在传热面上冲压成凹凸波纹，则速度大小和高的流速。又因在传热面上冲压成凹凸波纹，则速度大小和方向不断的突然改变，则流体呈

16、湍流状态，减薄边界层，减方向不断的突然改变，则流体呈湍流状态，减薄边界层，减小热阻，故提高了传热系数小热阻，故提高了传热系数K值，可达值，可达3500500w/m2。 、结构紧凑，占地面积小，在较小的工作体内可容纳、结构紧凑，占地面积小，在较小的工作体内可容纳较多的传热面积，这是它的最突出的优点之一。如较多的传热面积，这是它的最突出的优点之一。如2501500m2/m3，而管式只有，而管式只有40150m2/m3。 、有较大的适应性。当要求改变工艺条件和生产能力、有较大的适应性。当要求改变工艺条件和生产能力时，只需增减传热片的数目，改变组合即可满足要求。时，只需增减传热片的数目，改变组合即可满

17、足要求。 、适宜处理热敏性物料。由于两片间隙小，物、适宜处理热敏性物料。由于两片间隙小，物料以快速膜状通过，不致产生过热现象，因此用于食品生产料以快速膜状通过，不致产生过热现象，因此用于食品生产特别适宜。特别适宜。 、拆装方便、清洗方便。、拆装方便、清洗方便。 、操作安全，连续生产，物料在密闭中进行，、操作安全，连续生产，物料在密闭中进行，故不染菌。故不染菌。 、热利用率高。在一套设备内可进行加热和冷、热利用率高。在一套设备内可进行加热和冷却，便于热量回收。却，便于热量回收。 、密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈、密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需经常清洗。需经常清洗。 、当温度超过

18、、当温度超过60以上时，易产生脱垫现象。以上时，易产生脱垫现象。 、垫圈伸长变形、垫圈伸长变形 (11)、当温度超过、当温度超过120，垫圈易老化，垫圈易老化 (12)、密封圈断裂，使用寿命短、密封圈断裂，使用寿命短5、板式换热器的计算、板式换热器的计算 主要计算出总的传热面积，所需板数主要计算出总的传热面积，所需板数z和程数和程数i0。 关于总传热面积的计算，仍用传热基本方程式计算。关于总传热面积的计算，仍用传热基本方程式计算。其总的传热量可根据流量、物料比热、温差等工艺条件算其总的传热量可根据流量、物料比热、温差等工艺条件算出；平均温差的值也可求出；关键是传热系统的计算。出；平均温差的值也可求出；关键是传热系统的计算。计算值，首先需计算出冷热两流体的给热系数计算值，首先需计算出冷热两流体的给热系数1与与2的值。的值。例：例：用薄板换热器冷却鲜奶，每小时处理用薄板换热器冷却鲜奶，每小时处理7吨，鲜奶从吨，鲜