热交换器及换热原理

1、热交换器及换热原理热交换器及换热原理张利芳张利芳2008-5-4如何进行热交换如何进行热交换 热交换系统通常是以热传导和对流两种方式进热交换系统通常是以热传导和对流两种方式进行热交换的。热传导是热量传递的一种常见的行热交换的。热传导是热量传递的一种常见的方式，其过程中流体各部位之间不发生相对的方式，其过程中流体各部位之间不发生相对的位移；对流是流体各部分质点发生相对位移而位移；对流是流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。对流分为引起的热量传递过程。对流分为强制强制对流与对流与自自然然对流，强制对流是使用机械能（如搅拌）使对流，强制对流是使用机械能（如搅拌）使流体发生对流而传热，比如我

2、们为了冷却一杯流体发生对流而传热，比如我们为了冷却一杯咖啡会不停的搅拌它；自然对流是因流体受热咖啡会不停的搅拌它；自然对流是因流体受热而有密度的局部变化，导致发生对流而传热。而有密度的局部变化，导致发生对流而传热。基础概念基础概念 层流：层流：当流体以较小的流速流经管道时，流体成当流体以较小的流速流经管道时，流体成平稳状态通过全管，流体的质点作平行运动，与平稳状态通过全管，流体的质点作平行运动，与旁侧的流体并无宏观的混合，此流动形态称之为旁侧的流体并无宏观的混合，此流动形态称之为层流。层流。湍流：湍流：当流体以较高流速流经管道时，流体成波当流体以较高流速流经管道时，流体成波动状态，并形成旋涡向

3、四周散开，与旁侧的流体动状态，并形成旋涡向四周散开，与旁侧的流体相混合，此种流动形态称之为湍流。相混合，此种流动形态称之为湍流。 思考思考 湍流湍流会使流体内部的混合与振荡增强，使流会使流体内部的混合与振荡增强，使流体以对流方式传热，因而随着湍动程度的增体以对流方式传热，因而随着湍动程度的增强传热的效果会更好，而层流使流体主要以强传热的效果会更好，而层流使流体主要以传导的方式进行传热。显而易见湍流状态下传导的方式进行传热。显而易见湍流状态下的传热效果要比层流状态下的传热效果好。的传热效果要比层流状态下的传热效果好。 常用类型：常用类型： 板式换热器（板式换热器（PHE） 管式换热器（管式换热器

4、（THE）整体结构整体结构 板式换热器：板式换热器： 板片设计成传热效果最好的瓦楞型，板组板片设计成传热效果最好的瓦楞型，板组牢固地压紧在框中，瓦楞板上的支撑点保牢固地压紧在框中，瓦楞板上的支撑点保持各板分开，以便在板片之间形成细小的持各板分开，以便在板片之间形成细小的通道。通道。整体结构及图整体结构及图 液体通过板片一角的孔液体通过板片一角的孔进出通道。改变孔的开进出通道。改变孔的开闭，可使液体从闭，可使液体从通道通道按规定的线路进入另一按规定的线路进入另一通道。板周边和孔周边通道。板周边和孔周边的垫圈形成了通道的边的垫圈形成了通道的边界，以防向外渗漏与内界，以防向外渗漏与内部液流混合。部液

5、流混合。工作示意图工作示意图补充补充 焊接式的板式换热器焊接式的板式换热器多用于水汽换热，具有很高的集成度多用于水汽换热，具有很高的集成度 高换热系数，体积小，薄型材料高换热系数，体积小，薄型材料 不用密封圈，铜不用密封圈，铜镍或钎焊接不锈钢成紧凑直镍或钎焊接不锈钢成紧凑直角型的包状角型的包状 易于安装，高换热效率，低成本易于安装，高换热效率，低成本 抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压图示图示总结总结 板式热交换器是一种新型、高效的节能热板式热交换器是一种新型、高效的节能热交换设备，它具有换热效率高，结构紧凑，交换设备，它具有换热效率高，结构紧凑，重量轻，适应性强，热

6、损失少，可拆卸，重量轻，适应性强，热损失少，可拆卸，可清洗，装拆和维修方便等特点，主要应可清洗，装拆和维修方便等特点，主要应用于液液、液汽热交换，特别适用于各种用于液液、液汽热交换，特别适用于各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝及食品消毒等方面及食品消毒等方面.标识介绍标识介绍整体结构整体结构 管式换热器：管式换热器： 管式热交换器，不同于板式热交换器，它管式热交换器，不同于板式热交换器，它在产品通道上没有接触点，这样它就可以在产品通道上没有接触点，这样它就可以处理含有一定颗粒的产品处理含有一定颗粒的产品,颗粒的最大直径颗粒的最大直径取决于管子的直径取决

7、于管子的直径.整体结构整体结构 在在UHT处理中，管式热交换器要比板处理中，管式热交换器要比板式热交换器运行的时间长。从热传递式热交换器运行的时间长。从热传递的观点看，管式热交换器比板式热交的观点看，管式热交换器比板式热交换器的传热效率换器的传热效率低低工作原理工作原理 通常使用的多管道的管式热交换是基于传通常使用的多管道的管式热交换是基于传统的列管式热交换器的原理，其产品流过统的列管式热交换器的原理，其产品流过一组平行的通道，提供的介质围绕在管子一组平行的通道，提供的介质围绕在管子的周围，通过管子和壳体上的的周围，通过管子和壳体上的螺旋波纹螺旋波纹，产生紊流，实现有效的传热。产生紊流，实现有

8、效的传热。补充说明补充说明 同一段内可能使用不同同一段内可能使用不同规格规格/模式模式的管式热交的管式热交换器换器 规格：规格：包括外部套管的管径包括外部套管的管径-内部列管的管径内部列管的管径-内部列管的数量内部列管的数量-总长度总长度 模式：模式：常见的有常见的有A B C D四种模式，主要由四种模式，主要由外部套管上介质进出口的位置决定外部套管上介质进出口的位置决定图示图示持热管简介持热管简介必要性及设计原理必要性及设计原理 正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定的时间，这可以通过外设保持管来实现。的时间，这可以通过外设保持管来实现。 若已知流量

9、和保持管的内管径，就可以计算出若已知流量和保持管的内管径，就可以计算出符合保持时间的合适的管长。符合保持时间的合适的管长。 设计原理设计原理 由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳粒子的流速要比平均值大。为了确保流速粒子的流速要比平均值大。为了确保流速最快的粒子也能充分地巴氏杀菌，必须采最快的粒子也能充分地巴氏杀菌，必须采用一效率系数来校正。这个系数取决于保用一效率系数来校正。这个系数取决于保持管的设计，通常取持管的设计，通常取0.80.9 之间。之间。换热器面积的计算换热器面积的计算 热交换器必需的尺寸和结构取决于很多因热交换器必需的尺寸和结构取决于很多因素

10、，要计算是非常复杂的，当今通常借助素，要计算是非常复杂的，当今通常借助于计算机进行计算。有几种因素一定要加于计算机进行计算。有几种因素一定要加以考虑：以考虑： 产品流量产品流量 液体的物理性质液体的物理性质续续 温度程序温度程序 允许的压力降允许的压力降 热交换器的设计热交换器的设计 清洁度的要求清洁度的要求 要求运行的时间要求运行的时间热交换器中逆流传热的温度分配热交换器中逆流传热的温度分配热交换器中并流传热的温度分配热交换器中并流传热的温度分配公式解释公式解释 p = 产品的密度产品的密度 Cp = 产品的比热产品的比热 t = 产品的温度变化产品的温度变化 tm = 对数平均温差对数平均

11、温差(LMTD) K = 总传热系数总传热系数单项分析单项分析 流量流量V，是由乳品厂的设计能力决定的。，是由乳品厂的设计能力决定的。 产品密度产品密度p 由产品决定。比热由产品决定。比热cp也由产品也由产品决定，比热值告诉我们将某种物质温度升决定，比热值告诉我们将某种物质温度升高高1，需提供多少热量。，需提供多少热量。单项分析单项分析 产品的进口温度和出口温度取决于前段加工产品的进口温度和出口温度取决于前段加工情况和后续加工的要求：情况和后续加工的要求： t1= to1- ti1 所用介质的进口温度取决于加工条件，介质所用介质的进口温度取决于加工条件，介质的出口温度可以用能量平衡公式计算得出

12、：的出口温度可以用能量平衡公式计算得出：V1 P1 x Cp1 t1 = V2 P2 x Cp2 t2单项分析单项分析 温度差异是传热推动力，温差越大，传热越多，温度差异是传热推动力，温差越大，传热越多，所需的热交换器越小；然而，对于敏感性产品，所需的热交换器越小；然而，对于敏感性产品，可利用的温差是有限的。温差随着液体流经热可利用的温差是有限的。温差随着液体流经热交换器而不断变化，所以，温差用一个平均值，交换器而不断变化，所以，温差用一个平均值，LTMD进行计算。决定平均温差大小的一个重进行计算。决定平均温差大小的一个重要因素是介质在热交换器中的流动方向。它主要因素是介质在热交换器中的流动方

13、向。它主要有两种形式：逆流或并流要有两种形式：逆流或并流特别介绍特别介绍影响总传热系数影响总传热系数K的要素的要素: 液体允许的压力降液体允许的压力降 液体的粘度液体的粘度 间壁的形状和厚度间壁的形状和厚度 间壁的材料间壁的材料 污垢物质的存在污垢物质的存在分析分析 产品和介质的压力降越大，传递的热量越多，产品和介质的压力降越大，传递的热量越多，热交换器越小。然而对机械搅拌敏感的产品热交换器越小。然而对机械搅拌敏感的产品(例例如乳脂肪如乳脂肪)可能会因这种剧烈的处理而坏。可能会因这种剧烈的处理而坏。 产品和使用介质的粘度对于确定热交换器的尺产品和使用介质的粘度对于确定热交换器的尺寸也是非常重要

14、的。与低粘度的产品相比，高寸也是非常重要的。与低粘度的产品相比，高粘度的液体在通过热交换器时，产生紊流的程粘度的液体在通过热交换器时，产生紊流的程度小，如果其它参数一定，这就意味着需要较度小，如果其它参数一定，这就意味着需要较大的热交换器。大的热交换器。分析分析 间壁通常是波纹状，以实现更剧烈的紊流。间壁通常是波纹状，以实现更剧烈的紊流。紊流有助于传热，厚度也十分重要。间壁紊流有助于传热，厚度也十分重要。间壁越薄，传热效果越好。但是这个厚度要有越薄，传热效果越好。但是这个厚度要有足够的强度来承受液体的压力。现代化的足够的强度来承受液体的压力。现代化的设计和生产技术使得间壁比几年前的更薄。设计和

15、生产技术使得间壁比几年前的更薄。 食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢有相当好的传热性能有相当好的传热性能 加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀菌温度高菌温度高2-3/4-5 。 相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛乳中的相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛乳中的蛋白质将会有凝结并在间壁上结焦的危险。热量蛋白质将会有凝结并在间壁上结焦的危险。热量必须通过这一垢层进行传递，这将导致总传热系必须通过这一垢层进行传递，这将导致总传热系数数K 值下降。加热介质和产品的温差与以前相同值下降。加热介质和产品的温差与以前相同时，也不能传递同样多的热量，产品的出口温度时，也不能传递同样多的热量，产品的出口温度将会下降。这可以通过提高加热介质的温度来补将会下降。这可以通过提高加热介质的温度来补偿，但这又提高了传热表面的温度，以致更多的偿，但这又提高了传热表面的温度，以致更多的蛋白质凝结在换热器表面上，垢层的厚度增加，蛋白质凝结在换热器表面上，垢层的厚度增加，K值进一步下降。值进一步下降。污垢聚集的速度取决于很多因素污垢聚集的速度取决于很多因素 产