热交换器原理与设计高效间壁式热交换器

1、会计学1热交换器原理与设计高效间壁式热交换热交换器原理与设计高效间壁式热交换器器换热器是由换热器是由两块条两块条形金属板形金属板卷成同心卷成同心螺旋组合件，通道螺旋组合件，通道的交错边缘焊接密的交错边缘焊接密封或两边各配一个封或两边各配一个端盖密封。端盖密封。 主要有主要有可拆可拆式和式和不可拆不可拆式两大类。式两大类。3.1 螺旋板式热交换器3.1.1 基本构造和工作原理基本构造和工作原理(a) 结构简图结构简图 (b) 实物图实物图 图图3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 (可拆式可拆式)定距柱定距柱螺旋板螺旋板回转支座回转支座头盖头盖垫片垫片切向接管切向接管图图3.2 螺旋板式热交

2、换器的三种型式螺旋板式热交换器的三种型式型型 型型 型型 图图3.3 流道的密封流道的密封根据我国现行行业标准根据我国现行行业标准JB / T47512003，螺旋板式换热器的型号表示法为：螺旋板式换热器的型号表示法为：可拆换热器可拆换热器区别代码：区别代码：D堵死型堵死型 G贯通型贯通型不可拆不标注不可拆不标注通道间距，通道间距，mm公称直径，公称直径，mm板宽，板宽，m公称换热面积，公称换热面积，m2公称压力，公称压力，MPa材质代号，材质代号，C碳钢，碳钢，S不锈钢不锈钢L螺旋板换热器螺旋板换热器型式代号：型式代号：K可拆，可拆，B不可拆不可拆特点特点1. 传热效率高，比管传热效率高，比

3、管 式高式高0.51倍。倍。紧凑性达到：紧凑性达到：100m2/m32. 逆流传热，逆流传热， 两端温差小。两端温差小。3. 不易结垢，不易结垢，“自洁自洁” 作用，容易清洗。作用，容易清洗。5 成本低。成本低。 缺点：密封比较困难。缺点：密封比较困难。3.1.2 设计计算设计计算1) 换热系数换热系数 的计算的计算(1) 湍流时湍流时(Re6000)=0.023 /de Re0.8Prm(1+3.54de /Dm)，W/(m2) (3.1)(2) 层流时层流时(Re1000)Nu=Pr0.25(/w)0.170.0315Re0.8-6.65*10-7(lt /b)1.3 (/de) (3.4

4、)当当Re30000时，式中时，式中(lt /b)的影响可忽略。的影响可忽略。(4) 蒸汽冷凝时蒸汽冷凝时 W/(m2) (3.5)0.2tpelMcd8.4-1/32l3l2l-1/3lg41.88图图3.4 凝结换热系数计算曲线凝结换热系数计算曲线(5) 蒸汽冷凝冷却时蒸汽冷凝冷却时 (3.6)(6) 沸腾传热时沸腾传热时核态沸腾时，沸腾换热系数用下式计算核态沸腾时，沸腾换热系数用下式计算1/9l1/31/32/3ll5/3lpl2l23l4gHrcgr0.672.223.220.33vl0.31l0.69plst1prc0.225c2) 传热系数传热系数 K 的计算的计算(3.7)221

5、ii11R11K(3.8)l51.50.00318)(b0.55gbHMl1023p293) 流体压降的计算流体压降的计算螺旋板换热器的总阻力可分为三部分：弯曲通道螺旋板换热器的总阻力可分为三部分：弯曲通道的阻力，定距柱的影响及进出口的局部阻力的阻力，定距柱的影响及进出口的局部阻力。 (3.9)对于蒸汽，轴向流动冷凝时，可用下式计算其压降：对于蒸汽，轴向流动冷凝时，可用下式计算其压降： (3.10) 蒸汽螺旋向流动冷凝时，压降的计算式为蒸汽螺旋向流动冷凝时，压降的计算式为 (3. 11)2w39.23n0.15lRe3.58dlp2s0.25e1dHGd0.04622Gpee0.2e2图图3.

6、5 不等通道螺旋体不等通道螺旋体4) 换热面积及螺旋通道几何尺寸的计算换热面积及螺旋通道几何尺寸的计算(1) 螺旋体的绘制螺旋体的绘制(2) 螺旋板长度计算螺旋板长度计算(3) 螺旋体的有效圈数螺旋体的有效圈数ne(4) 螺旋体的最大外径螺旋体的最大外径D螺旋板式热交换器设计计算螺旋板式热交换器设计计算 例例3.13.2 板式热交换器3.2.1 构造和工作原理构造和工作原理 传热板片是关键部件：使流体低速下发生强烈湍流，强化传热；使流体低速下发生强烈湍流，强化传热；提高板片刚度，能耐较高压力。提高板片刚度，能耐较高压力。图图3.8 我国板式热交换器国家标准的板片波纹形式我国板式热交换器国家标准

7、的板片波纹形式流体的单边流和对角流流体的单边流和对角流图图3.11 密封垫片密封垫片材料名称材料名称 适用场合适用场合304, 316, 316L氯离子含量不高的一般流体氯离子含量不高的一般流体哈氏合金哈氏合金 Hastelloy C-276, C-22氧化性酸，如硫酸，混酸氧化性酸，如硫酸，混酸工业纯钛工业纯钛TA1海水等氯离子含量高的液体海水等氯离子含量高的液体钛钯合金钛钯合金TA9还原酸，如次氯酸还原酸，如次氯酸耐酸钢耐酸钢RS-2强酸，如浓硫酸、硝酸等强酸，如浓硫酸、硝酸等254 SMO海水等氯离子含量高的液体海水等氯离子含量高的液体传热板片材料及适用介质 其他类型板式热交换器的结构其

8、他类型板式热交换器的结构图图3.12 板式蒸发器板式蒸发器图图3.13 板式冷凝器板片板式冷凝器板片图图3.14 流体在板间通道中三维流动流体在板间通道中三维流动图图3.15 板式热交换器中的三种流体换热板式热交换器中的三种流体换热板式热交换器的型号表示法板式热交换器的型号表示法单板公称换热面积是指经圆整后的单板计算换热面积按国标单板公称换热面积是指经圆整后的单板计算换热面积按国标GB 164091996，板式热交换器的型号按如下格式表示：，板式热交换器的型号按如下格式表示： 框架结构形式代号框架结构形式代号垫片材料代号垫片材料代号换热器换热面积，换热器换热面积，m2设计压力，设计压力，MPa

9、单板公称换热面积，单板公称换热面积，m2板片波纹形式代号板片波纹形式代号板片换热器代号板片换热器代号（B, BL, 或或BZ）材料名称材料名称适用温度适用温度适用介质适用介质丁腈橡胶丁腈橡胶-20120水、油类、烃、醛等水、油类、烃、醛等三元乙丙三元乙丙-50150水、一般有机酸、碱等水、一般有机酸、碱等氟橡胶氟橡胶-20250有机溶液、酸、碱、醇有机溶液、酸、碱、醇食品、医药食品、医药橡胶橡胶-20120食品、医药食品、医药氯丁橡胶氯丁橡胶-40100碱及部分酸碱及部分酸硅橡胶硅橡胶-65230部分油类、酒精部分油类、酒精密封材料及适用介质 目前世界上板式热交换器所达到的主要目前世界上板式热

10、交换器所达到的主要技术指标如下技术指标如下 (可拆式可拆式)：最大板片面积：最大板片面积：4.670.475m2，最大角孔尺寸：最大角孔尺寸：450 mm以上，以上，最大处理量：最大处理量： 5000 m3/h，最高工作压力：最高工作压力： 2.8 MPa，最高工作温度：最高工作温度： 橡胶垫片橡胶垫片150 ， 压缩石棉垫片压缩石棉垫片260 ， 压缩石棉橡胶垫片压缩石棉橡胶垫片360 ，最佳传热系数：最佳传热系数： 7000 W/(m2) (水水，无垢阻水水，无垢阻)，紧凑性：紧凑性： 2501000 m2/m3，金属消耗量：金属消耗量： 16 kg/m2。 型号型号技术技术参数参数BR0

11、05BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13单板有效热单板有效热面积面积 m20.0530.10.230.350.520.660.851.3外形尺寸外形尺寸mm500 x170660 x2501000 x3301215x4001440 x5001660 x5001770 x6202140 x820板片厚度板片厚度mm0.50.70.61板片材料板片材料SUS304、316、316L、RS-2、Hastelloy C-276、TAI、H68、Hsn62-1角孔直径角孔直径mm405065100150150170250平均板间距平均板间距mm33.23.53.53.83.83.8

12、3.8平均流道平均流道截面积截面积 m20.000420.0006560.000980.0012250.00170.00170.002150.00284当量直径当量直径m0.0060.00640.0070.0070.00760.00760.00760.0076板式换热器板片主要技术参数型号型号/技术参数技术参数BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13最高使用压力最高使用压力MPa2.5 使用温度范围使用温度范围 oC-19250装机有效面积装机有效面积台台m2 0.55110330156030140502006025090650最大处理量最大处理量 液体液体（气体（

13、气体) m3/h 30 (300)70 (700)100 (1000)200 (2000)300 (3000)300 (3000)600 (6000)1200 (12000)传热系数传热系数(水水-水水) W/m2.k650061005800最大热交换量最大热交换量(水水-水水) MW0.6161630355090接管公称直径接管公称直径mm405065100150150175250设备最大质量设备最大质量 kg7028059014502520270049809800板式换热器整机主要技术参数1、高效换热、高效换热 板片的波纹结构，使流体在板间流动时不断改变流向板片的波纹结构，使流体在板间流动

14、时不断改变流向和速度，形成剧烈湍流，在低流速下可获得高的传热系和速度，形成剧烈湍流，在低流速下可获得高的传热系数。数。 相同工况传热系数比管壳式高相同工况传热系数比管壳式高67倍。倍。2、结构紧凑、结构紧凑 板片表面的波纹增加了有效换热面积，板片表面的波纹增加了有效换热面积，紧凑性达到：紧凑性达到：300m2/m3，约为管壳式的约为管壳式的25倍；体积为管壳式的倍；体积为管壳式的1/5 1/10；重量是管壳式的；重量是管壳式的1/5左右。左右。3、清洗、检修方便、清洗、检修方便 板面光洁，湍流冲击力强，结垢倾向小，一旦结垢，板面光洁，湍流冲击力强，结垢倾向小，一旦结垢，用化学或手工清洗也很方便

15、。用化学或手工清洗也很方便。4、操作灵活、操作灵活 可增可增/减板片数或改变流程组合适应新的换热要求。减板片数或改变流程组合适应新的换热要求。5、通用性与防腐、通用性与防腐 从通常的水到有一定粘度的液体以及含小颗粒的悬浮从通常的水到有一定粘度的液体以及含小颗粒的悬浮液都可处理；钛材可用于防腐。液都可处理；钛材可用于防腐。板板式式热热交交换换器器特特点点 41 41 14 14 14 22 流程流程通道通道(甲甲) 流程流程通道通道(乙乙)（a）串联）串联（b）并联）并联（c）混联）混联3.2.2 流程组合及传热、压降计算流程组合及传热、压降计算图图3.17 板式热交换器的板式热交换器的14流程

16、组合示意图流程组合示意图 22 17 . 13+14 传热计算传热计算板式热交换器的传热面积是扣除不参与板式热交换器的传热面积是扣除不参与部分部分 (板片的角孔及密封垫片等板片的角孔及密封垫片等) 后板片后板片的展开面积，即有效传热面积。的展开面积，即有效传热面积。平均温差平均温差 tm 按纯逆流情况下对数平均按纯逆流情况下对数平均温差温差 tlm, c，再乘以修正系数，再乘以修正系数 ： tm = tlm, c传热系数传热系数 K 的计算的计算：22111rr1K1液体名称液体名称污垢热阻污垢热阻矿化水或蒸馏水矿化水或蒸馏水0.0000017软水软水0.0000034硬水硬水0.000008

17、6处理过的冷却水处理过的冷却水0.0000069沿海海水或港湾水沿海海水或港湾水0.000086大洋的海水大洋的海水0.000052河水、运河水、井水等河水、运河水、井水等0.000086机器夹套水机器夹套水0.0000103润滑油润滑油0.00000340.0000086植物油植物油0.0000170.000052有机溶剂有机溶剂0.00000170.00000103水蒸气水蒸气0.0000017一般工艺流体一般工艺流体0.00000170.00000103表表3.2 板式热交换器中的污垢热阻值板式热交换器中的污垢热阻值 m2/W图图3.18 板式热交换器的温差修正系数板式热交换器的温差修正

18、系数 (LMTD法法)图图3.19 温差修正系数温差修正系数 (NTU法法) 对流换热系数对流换热系数一、无相变情况下，一般板片两侧为传热相似一、无相变情况下，一般板片两侧为传热相似 (3.19) 流体被加热时：流体被加热时：m=0.4 流体被冷却时：流体被冷却时：m=0.3 C、n随板片、流体和流动类型不同而不同：随板片、流体和流动类型不同而不同： C=0.150.4; n=0.650.85; m=0.30.45; Z=0.050.2 (黏度修正项的指数黏度修正项的指数)。0.14wfmfnffPrCReNu二、有相变时，相变换热系数计算很复杂二、有相变时，相变换热系数计算很复杂凝结换热：凝

19、结换热： 重力控制区重力控制区(凝液膜雷诺数凝液膜雷诺数Relf 临界雷诺数临界雷诺数)： (3.24)沸腾换热沸腾换热 (3.25) 式中式中 l 可按式可按式(3.19)计算。计算。1/3fnlfcPrCReNu pgl0.33lnlc)/(Pr/H)C(ReNu lbbF 压力损失计算压力损失计算国产板式热交换器用于无相变换热时的压力国产板式热交换器用于无相变换热时的压力降计算通常以欧拉数降计算通常以欧拉数Eu与雷诺数与雷诺数Re之间准则之间准则关系式给出：关系式给出： Eu=b Red (3.27)式中系数式中系数b和指数和指数d 随板式换热器具体结构而定。随板式换热器具体结构而定。由

20、由Eu=p/w2，可求多程时压降为：，可求多程时压降为： p=mEuw2=mbRedw2 (3.28)m为流程数；为流程数；w为工质在流道中的流速，为工质在流道中的流速，m/s。通道形状通道形状de备注备注传热计算传热计算阻力计算阻力计算套管热交换器套管热交换器d2 d1d1 内管外径内管外径d2 外管内径外管内径板式热交换器板式热交换器2b2Lb/(L+b)L板有效宽板有效宽B板间距板间距螺旋板式热交螺旋板式热交换器换器2b2Hb/(H+b)H板有效宽板有效宽b通道间距通道间距当量直径de 附录B12122ddd Ne=F/FpNt=Ne+2 计算值计算值Nt=m1 n1+m2 n2+1实际

21、值实际值3.2.3 板式热交换器的板式热交换器的 热力计算程序设计热力计算程序设计板式热交换器设计计算板式热交换器设计计算 例例3.23.3 板壳式热交换器板壳式热交换器结构：结构：板壳式热交换器由板壳式热交换器由板管束板管束和和壳体壳体两部分组成两部分组成。将全焊式板管束组装在压力容器。将全焊式板管束组装在压力容器 (壳体壳体) 内，是介于内，是介于管壳式和板式热交换器之间的一种换热器。管壳式和板式热交换器之间的一种换热器。性能性能：既具有板式热交换器传热效率高、结构紧凑既具有板式热交换器传热效率高、结构紧凑及重量轻的优点，又及重量轻的优点，又具有具有管壳式热交换器耐高温高压管壳式热交换器耐

22、高温高压、密封性能好及安全可靠等优点，较好地解决了耐温、密封性能好及安全可靠等优点，较好地解决了耐温、抗压与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。、抗压与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。特点：特点：传热系数达到管壳式的传热系数达到管壳式的23倍；流阻较小，倍；流阻较小，一般压降不超过一般压降不超过0.5bar；同样换热条件下结构紧凑，；同样换热条件下结构紧凑，体积仅为管壳式的体积仅为管壳式的30%左右。左右。图图3.23板板壳壳式式热热交交换换器器结结构构简简图图b) 板管结构板管结构c) 板管束端面板管束端面a) 整体结构整体结构项目项目板壳式换热器板壳式换热器立管式换热器立管式换热器传热面传热面积积

23、 m2350518热流进口温热流进口温度度 478478热流出口温热流出口温度度 120130冷流进口温冷流进口温度度 9292冷流出口温冷流出口温度度 430410总阻力总阻力降降 MPa0.05080.047热端温热端温差差 4868冷端温冷端温差差 2838总传热系总传热系数数 W/m2K666.8200容器直容器直径径 mm10001000设计高设计高度度 mm1015417500设备质设备质量量 t13.528有效热负有效热负荷荷 kW51594660 表表3.3 换热器参数对比换热器参数对比图图3.25大型焊接板壳式热交换器大型焊接板壳式热交换器图图3.26板片及其流道板片及其流道

24、a) 板片组板片组 b) 反应产物流道板反应产物流道板 c) 混合进料流道板混合进料流道板3.3.2 几种典型的板壳式热交换器几种典型的板壳式热交换器1）Packinox公司板壳式换热器公司板壳式换热器图图3.28 LBQ大型板壳式热大型板壳式热交交换器结构换器结构2）国国产产LBQ大大型型板板壳壳式式热热交交换换器器图图3.29 径向流动板壳式热交换器结构简图径向流动板壳式热交换器结构简图3）径向流动板壳式热交换器）径向流动板壳式热交换器b) 波纹板片波纹板片1中间焊缝平面；中间焊缝平面；2波纹；波纹；3四周缝焊边；四周缝焊边；4孔缝焊边；孔缝焊边；5导通孔导通孔)图图3.30新型板壳式热交

25、换器新型板壳式热交换器a) 基本结构基本结构1板外流道进出口；板外流道进出口；2板内流道进出口；板内流道进出口；3板外流道；板外流道；4板内流道；板内流道；5壳体；壳体；6导通孔导通孔4）新新型型板板壳壳式式热热交交换换器器板壳式热交换器设计计算板壳式热交换器设计计算 例例3.33.4 板翅式热交换器3.4.1 构造和工作原理板翅式热交换器的结构与流动形式板翅式热交换器的结构与流动形式翅片翅片隔板隔板封条封条由由隔板隔板、翅片翅片和和封条封条组成单元体。多个单元体根据流动组成单元体。多个单元体根据流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换

26、器的板束或芯体。的板束或芯体。翅片又称翅片又称二次表面二次表面，翅片传热面积约为总传热面积，翅片传热面积约为总传热面积 的的6788%；有翅片比没有翅片体积减少；有翅片比没有翅片体积减少18%。紧凑度一般为紧凑度一般为15002500m2/m3，最高可达，最高可达4370m2/m3。图图3.32 不同流型的板束通道不同流型的板束通道1平板；平板；2翅片；翅片；3封条；封条；4分配段；分配段；5导流片；导流片；6封头；封头；7板束；板束；8封头；封头；9封头封头图图3.33板翅式热交换器板翅式热交换器发动机用板翅式热交换器发动机用板翅式热交换器航空用板翅式热交换器航空用板翅式热交换器类似圆管，扩

27、大传热面积类似圆管，扩大传热面积形成湍流，破坏边界层形成湍流，破坏边界层K 比平直形高比平直形高30%开孔率开孔率510%，K 比平直形高比平直形高促进湍流，促进湍流，波幅愈大，波幅愈大，K 越高越高 图图3.44 板翅基本单元结构尺寸图板翅基本单元结构尺寸图H翅片高；翅片高；翅片厚；翅片厚；s翅片间距翅片间距 (x+)；Le 单元有效长；单元有效长； B单元有效宽；单元有效宽；x内距内距 (s)；y内高内高 (H)；一次传热面：一次传热面：F1=Fx /(x+y) ; 二次传热面：二次传热面：F2=Fy /(x+y) 总传热面：总传热面：F=2(x+y) BLen/s当量直径：当量直径：de

28、=4A/U=2xy/(x+y)单元通道流通面积：单元通道流通面积：Ai =xyB/sn层板束通道流通面积：层板束通道流通面积：A=nAi =nxyB/s3.4.2 板翅式热交换器的设计计算板翅式热交换器的设计计算图图3.45翅片及其表面温度分布示意图翅片及其表面温度分布示意图通过通过隔板表面隔板表面的传热的传热 Q1 Q1 = F1 ( tw - tf )沿沿翅片翅片的传热的传热 Q2 Q2 = F2 ( tm - tf ) 由：由： tw tm Q2 = F2 f (tw tf )隔板隔板表面温度表面温度翅片翅片表面平均温度表面平均温度fwfmftttt翅片效率一次传热面积一次传热面积隔板表

29、面面积隔板表面面积二次传热面积二次传热面积翅片表面面积翅片表面面积Q1 = F1 (tw tf )Q2 = F2 f (tw tf )Q = Q1 +Q2 = F1 (tw tf ) + F2 f (tw tf ) = (F1 +F2 f )(tw tf ) = F 0 (tw tf ) 0 翅片壁面总效率：把二次传热面和一次传把二次传热面和一次传 热面同等看待，认为都处于一次传热面的传热热面同等看待，认为都处于一次传热面的传热 温差温差 (tw tf )下时，对总传热面所应打的折扣。下时，对总传热面所应打的折扣。F 0 = F1 +F2 f = Fe 有效传热面积有效传热面积0 = (F1

30、+F2 f )/F =1F2 /F (1f )0 = 1 y/(x+y)(1f )F2=Fy /(x+y)图图3.49 翅片壁面总效率和翅片几何参数及换热系数的关系翅片壁面总效率和翅片几何参数及换热系数的关系翅片壁面总效率翅片壁面总效率 0 大于翅片效率大于翅片效率 f。f 越高，越高， 0也越大。也越大。当流体当流体A的一个通道与流体的一个通道与流体B的两个通道间隔排列，的两个通道间隔排列， 即即ABBABBABB排列时，翅片表面总效率的计算排列时，翅片表面总效率的计算 式与冷、热流体通道一一间隔时就有所不同。式与冷、热流体通道一一间隔时就有所不同。当忽略当忽略 MmHsinh(mH) 和和

31、 MmHcosh(mH)-1， 且且H=b时，以上三式成为：时，以上三式成为： 1=1/cosh(mb) (3.62) 1 = (1+ 1/cosh(mb) (3.63) 2 = tanh(mb)/(mb) (3.64) 传热量和传热系数计算传热量和传热系数计算 Qc = c Fc oc (tw tfc ) (3.65) Qh = h Fh oh (tfh tw ) (3.66)稳定传热情况下，稳定传热情况下，Qc=Qh=Q，并忽略翅片及，并忽略翅片及 隔板热阻，将式隔板热阻，将式 (3.66) 与式与式 (3.67) 相加可得相加可得 (3.67)流体温度通常是沿流程变化的，可以将式流体温度

32、通常是沿流程变化的，可以将式(3.68) 中两流体温差取为对数平均温差中两流体温差取为对数平均温差tlm，得，得 Q = Kc Fc tlm (3.68)t(tF1F11QfcfhocccohhhlmcocchcohhtF1FF11或或 Q = Kh Fh tlm (3.69)式中式中Kc、Kh 分别为以冷、热通道总分别为以冷、热通道总 传热面积为基准时的传热系数。传热面积为基准时的传热系数。 (3.70) (3.71)lmhchoccohhtFFF111choccohhhocchcohhcFF111K1FF11K4) 换热系数的计算换热系数的计算(1) 无相变时的对流换热系数无相变时的对流换

33、热系数 (3.73)(2) 有相变时的换热系数有相变时的换热系数 冷凝换热冷凝换热当液膜为层流时，凝结换热系数为当液膜为层流时，凝结换热系数为 (3.81)当液膜为紊流时当液膜为紊流时 (3.82) 沸腾换热沸腾换热 (3.83)f(Re)GcPrPr Stjp2/32/31/32l3l2l1/3lc18.38409Re1/32l2l3l0.4lc0.075497Re0.33vl0.31lplsb10.262pqcc图图3.50 板翅式热交换器芯子中板翅式热交换器芯子中 的进口压降和出口压升的进口压降和出口压升5) 压力损失计算压力损失计算板翅式热交换器压降分成入口端、板翅式热交换器压降分成入

34、口端、出口端和中心部分三个部分。出口端和中心部分三个部分。(1) 热交换器芯子入口的阻力热交换器芯子入口的阻力 (3.84)(2) 热交换器芯子出口的阻力热交换器芯子出口的阻力 (3.85)(3) 热交换器芯子中阻力热交换器芯子中阻力 (3.86)总的压力降总的压力降p即为三者之和：即为三者之和： p=p1 p2 + p3 (3.87)12c211212GKGp222c222212GKGp2m1e211234122dfLpGp3.4.3 板翅式热交换器单元尺寸板翅式热交换器单元尺寸 的决定和设计步骤的决定和设计步骤 例例3.43.5.1 构造和工作原理构造和工作原理换热管为带翅片的翅片管。换热

35、管为带翅片的翅片管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。铝或铜材等。翅片管特别适用于换热系数较低翅片管特别适用于换热系数较低的流体。常常用这种换热器来加的流体。常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。热或冷却低压空气。结构不很紧凑，金属消耗量大，结构不很紧凑，金属消耗量大，制造成本较高。制造成本较高。3.5 翅片管式热交换器空调器中的翅片管组空调器中的翅片管组图图3.55 空气冷却器的基本结构空气冷却器的基本结构卧式空冷器卧式空冷器流体出口流体出口流体进口流体进口空气空气空气空气翅片翅片c) 波纹波纹a) 开槽开槽b) 轮辐轮辐图图3.58 几种紊流式翅片管几种紊

36、流式翅片管 a) 纵翅纵翅 b) 横翅横翅图图3.57 管外表面的纵翅管外表面的纵翅 和横翅管和横翅管3.5.2 翅片管的类型和选择翅片管的类型和选择图图3.59 几种机械连接的翅片管几种机械连接的翅片管翅片管的截面翅片管的截面纵向翅片管纵向翅片管横向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管螺旋槽纹管 缩放管缩放管 翅片管型式翅片管型式L型绕型绕片式片式LL型绕型绕片式片式镶片镶片式式双金属轧双金属轧片式片式套片套片式式传热性能传热性能54321耐温性能耐温性能54231耐热冲击能力耐热冲击能力54231耐大气腐蚀能力耐大气腐蚀能力43512清理尘垢的难易清理尘垢的难易程度程度54321制造费用制造费用12

37、345表表3.4 常用的常用的5种翅片管的性能评定种翅片管的性能评定注：注：1 最佳；最佳；5 最差最差图图3.60 翅片管的传热性能比较翅片管的传热性能比较图图3.61翅片高度的选择翅片高度的选择翅片管几何尺寸翅片管几何尺寸1. 基管外径和管壁厚；基管外径和管壁厚；2. 翅片高度和翅片厚度；翅片高度和翅片厚度；3. 翅片距；翅片距；4. 翅化比：翅化比：翅化表面积翅化表面积/光管外表面光管外表面 (单位长单位长) 高翅片高翅片23.4；低翅片；低翅片17.15. 管长：管长：3、4.5、6、9 m。管内对流换热系数管内对流换热系数102030580 W/(m2)28.419.014.2580

38、0 W/(m2)51.647.343.7表表3.5 三种翅化比的传热系数参考值三种翅化比的传热系数参考值翅翅片片类类别别管材管材管径，管径，mm翅片参数，翅片参数，mm翅片管外径翅片管外径管外径管外径内径内径外径外径翅片翅片外径外径翅片翅片高高翅片翅片厚厚翅片翅片距距翅片净翅片净距距低翅片低翅片钢管钢管20255012.50.52.31.82高翅片高翅片钢管钢管20255716.00.52.31.82.28高翅片高翅片铝管铝管19255716.00.52.31.82.28翅翅片片类类别别外表面积，外表面积，m2/m管长管长翅片管与光翅片管与光管外表面积管外表面积的比较的比较空气流通面积的比较空

39、气流通面积的比较光管外光管外表面积表面积Fo翅片翅片面积面积Ff翅片翅片根部面根部面积积Fb翅片管总翅片管总外表面积外表面积Ff +Fb翅化比翅化比Ff +FbFo净截面积净截面积迎风面积迎风面积空气速空气速度度 (管管束束中中)空气速空气速度度 (迎迎风风面面)低翅片低翅片0.0785 1.2790.0611.3417.10.442.27高翅片高翅片0.0785 1.7790.0611.8423.40.502.0高翅片高翅片0.0785 1.7790.0611.8423.40.502.0表表3.6 国产空冷器翅片管的特性参数国产空冷器翅片管的特性参数图图3.62翅片管排列型式及其管距翅片管排

40、列型式及其管距Fb 翅片根部无翅片部分表面积Ff 翅片管上翅片的表面积Ff 翅片管总外表面积， Ff =Fb +Ff Fo 翅片光管外表面积 翅化比，= (Fb +Ff ) /Fo = Ff /Fof 翅片效率 翅片壁面总效率： = (Fb + f Ff ) /Ff Q = Ko Fo tm = Kf Ff tm Ff 、Fo 翅片管外表面积、翅片光管外表面积翅片管外表面积、翅片光管外表面积1. 单层翅片管时单层翅片管时 以光管外表面积以光管外表面积 Fo 为基准时为基准时以翅片管外表面积以翅片管外表面积 Ff 为基准时为基准时2. 复合翅片管时复合翅片管时 以光管外表面积以光管外表面积 Fo

41、 为基准时为基准时以翅片管外表面积以翅片管外表面积 Ff 为基准时为基准时f0ff0fs,i00i0s,ii0i0FF1FFrddln2dFFrFF1K11rddlnL2FrK1ffs,i0ffs,iiff0ff0fs,b0ff0b0bc,ib0i0s,ii0i0FF1FFrddlnL2FFFrddln2dFFrFF1K11rddlnL2FFFrddlnL2FrK1ffs,b0fffbfbc,ibffs,iif3.5.3 翅片管热交换器的传热计算翅片管热交换器的传热计算管内流体温度管内流体温度tf ()接触接触(间隙间隙)热阻热阻rc,o (m2/W)占总热阻百分数占总热阻百分数(%)1000

42、.00007忽略忽略1002000.000090.00017102003002030(应改用别应改用别的的形形式翅片管式翅片管)表表3.7 国产绕片式翅片管接触国产绕片式翅片管接触(间隙间隙)热阻热阻 (以基管外表面积为基准以基管外表面积为基准)对于已定型的翅片管式热交换器，可用对于已定型的翅片管式热交换器，可用简单的简单的关系式来计算其传热系数关系式来计算其传热系数：以热水为热媒的空气加热器以热水为热媒的空气加热器 Kf =c(v)m wn (3.93)以蒸汽为热媒的空气加热器以蒸汽为热媒的空气加热器 Kf =c(v)m (3.94)式中系数式中系数c及指数及指数m，n均由实验确定。均由实验

43、确定。 w管内水流速，管内水流速，m/s； v通过热交换器管窄截面上通过热交换器管窄截面上 质量流速，质量流速，kg/(m2s)3. 湿工况湿工况伴有结露的空气被冷却过程，即减湿伴有结露的空气被冷却过程，即减湿 冷却的运行工况称为湿工况冷却的运行工况称为湿工况。 为析湿系数为析湿系数，考虑伴有湿空气中水考虑伴有湿空气中水 蒸气的凝结而使传热增强蒸气的凝结而使传热增强的的因素。因素。 (3.95)对一些定型的表冷器产品，常由对一些定型的表冷器产品，常由 实验确定传热系数的计算式：实验确定传热系数的计算式： (3.96)t-(tci-i11p11-1npmyfBw1Av1K 换热系数和压力损失的计

44、算换热系数和压力损失的计算1) 空气横向流过圆管外环形翅片管束空气横向流过圆管外环形翅片管束对于低翅片管束，对于低翅片管束，df /db=1.21.6，db=13.516 mm对于高翅片管束，对于高翅片管束，df /db=1.72.4，db=1241mm式中式中：df、db分别为翅片外径和翅根直径，分别为翅片外径和翅根直径，m； Y、H、f分别为翅片的间距、高度和厚度，分别为翅片的间距、高度和厚度，m； cp、按流体平均温度取值；按流体平均温度取值； Gmax最小流通截面处质量流速，最小流通截面处质量流速，kg/(m2h)将将高低翅片管参数代高低翅片管参数代入入，并以光管外表面积为基准，得简化

45、式：，并以光管外表面积为基准，得简化式： 低翅片管低翅片管: o = 412 vNF0.718 高翅片管高翅片管: o = 454 vNF0.718 式中式中：o以基管外表面积为基准的空气侧换热系数，以基管外表面积为基准的空气侧换热系数，W/(m2)； vNF标准状态下迎风面风速，标准状态下迎风面风速，m/s； 校正系数，鼓风式时，校正系数，鼓风式时，=1.0，引风式时，引风式时，值见表值见表3.80.075f0.1641/3p0.667maxbbfYHYcGd0.1507d0.2961/3p0.718maxbbfHYcGd0.1378d标准迎面风速标准迎面风速vNF，m/s管排数管排数456

46、810 值值低翅片低翅片2.240.9160.9350.9470.9630.9733.130.9080.9300.9450.9610.970高翅片高翅片2.540.9160.9350.9470.9630.9723.550.9080.9300.9450.9610.970表表3.8 值值计算空气压降计算空气压降 p = 0.66 n vNF1.725/2.725， N/m2 (3.101)2) 空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束翅侧换热系数可按下式计算：翅侧换热系数可按下式计算：式中式中:db 翅片根部圆直径，翅片根部圆直径，m；nf 每单位长度上翅片数；每单位长

47、度上翅片数；Fb 单位管长以翅根直径为基准单位管长以翅根直径为基准 无翅片部分表面积，无翅片部分表面积，m2/m；Ff 单位长度上翅片的表面积，单位长度上翅片的表面积，m2/m， 图图上上所示两根管共有一个翅片情况，每根管取其一半；所示两根管共有一个翅片情况，每根管取其一半；Gmax 最小流通截面处质量速度，最小流通截面处质量速度，kg/(m2s)。fbfffbbeFF/2nFFdFd0.4b2b10.2b10.2bb10.67maxeefdsds1sdsddsGd0.251d压降按下式计算：压降按下式计算： N/m2式中摩擦系数式中摩擦系数：2nG fp2max 0.9be0.7b10.9b

48、b1-0.245maxedd1sdsddsGd1.463f螺纹管螺纹管螺纹增加换热面积，还增螺纹增加换热面积，还增强紊流和提高换热系数。强紊流和提高换热系数。波纹管波纹管内螺纹管内螺纹管波纹状内螺纹管波纹状内螺纹管内翅片管内翅片管翅翅铝芯铝芯外螺纹管束外螺纹管束(Ff /Fi =34.5)1）外螺纹管外对流换热时）外螺纹管外对流换热时0.14w1/3pes1ocdjde=两翅中心线间翅片管总投影面积两翅中心线间翅片管总投影面积 翅中心距翅中心距1壳方管束排列校正系数，壳方管束排列校正系数，见下见下表表排列排列形式形式四方顺列四方顺列st /df =1.25四方顺列四方顺列st /df =1.3

49、3三角错列三角错列st /df =1.251值值0.900.801.00注：注：st 管心距，管心距，m；df 螺纹管外径，螺纹管外径，m。图图3.67 外螺纹管束的外螺纹管束的 js 及及 fs管外压力损失可按下式计算：管外压力损失可按下式计算： N/m2 (3.105a)2bc0.14w1s24cb0.542nf10G1N1.57p2）外螺纹管外冷凝时）外螺纹管外冷凝时-1/311/3eo1/3212131odFg0.716式中式中：1、1、1分别为凝液导热系数，分别为凝液导热系数，W/(m)； 动力黏度，动力黏度，kg/(ms)及密度，及密度，kg/m3； Fo光管外表面面积，光管外表面

50、面积，m2； 冷凝负荷，冷凝负荷，=M /(l N)，kg/(ms)； M冷凝量，冷凝量，kg/s； L管长，管长，m； N传热管总根数；传热管总根数；3.5.4 空冷器的设计空冷器的设计 例例3.53.6 热管热交换器三流体分离式热管热交换器结构三流体分离式热管热交换器结构热管热管一般由三部分组成：管壳（封闭的金属管）、毛细多一般由三部分组成：管壳（封闭的金属管）、毛细多孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介质（工作液）。孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介质（工作液）。工作原理：工作原理：蒸发段受热使毛细材料中的工作液蒸发，蒸汽流向冷凝段，蒸发段受热使毛细材料中的工作液蒸发，蒸汽流向冷凝段，蒸汽凝结

51、成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。使使热量由热管一端热量由热管一端传至另一端。传至另一端。由于汽化潜热大，由于汽化潜热大，极小温差下就能极小温差下就能传递传递大量热量大量热量。传热状况：传热状况：蒸发段；绝热段；蒸发段；绝热段；冷凝段。冷凝段。图图3.76 热管工作原理简图热管工作原理简图1 管壳；管壳；2 管芯；管芯；3 蒸汽腔；蒸汽腔；4 液体液体3.6.1 热管的组成与工作特性热管的组成与工作特性 热管的热管的管壳管壳是受压部件，要求由高导热率、耐是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。管壳无腐蚀，工质与压、耐热

52、应力的材料制造。管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。管壳不发生化学反应，不产生气体。 管芯管芯是一种毛细结构，通常用多层金属丝网或是一种毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁，衬里也可由多纤维、布等以衬里形式紧贴内壁，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。孔陶瓷或烧结金属构成。 工作液工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，。应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力

53、使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。热管工作过程当热管一端受热，工作液蒸发，蒸汽在微小压差下流向当热管一端受热，工作液蒸发，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。如此循环，热量从一端传到另一端！力流回蒸发段。如此循环，热量从一端传到另一端！热管特点传热效率高传热效率高, ,冷、热流体在管外两侧冷、热流体在管外两侧 流动，两侧可加装翅片，强化传热；流动，两侧可加装翅片，强化传热；管外流动，压力损失小；管外流动，压力损失小； 结构紧凑；结构紧凑；维护费小，没有易损部件，维护费小，没有易损部件， 密封

54、简单可靠，容易清洗。密封简单可靠，容易清洗。图图3.78 两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管 图图3.79 旋转热管旋转热管图图3.80 径向热管工作原理简图径向热管工作原理简图热热工工艺气艺气内管内管被加热水被加热水翅片翅片径向热管径向热管吸液芯吸液芯工作介质工作介质 (蒸汽蒸汽)工作介质工作介质 (水水) 参数参数热管类型热管类型是否有是否有吸液芯吸液芯液体回液体回流动力流动力传热极限传热极限常用场合常用场合两相闭式热管两相闭式热管无无重力重力干涸极限、沸腾干涸极限、沸腾极限、携带极限极限、携带极限常用于热源在冷源下常用于热源在冷源下方的情况方的情况旋转热管旋转热管无无离心力离心力冷凝极限、

55、携带冷凝极限、携带极限、沸腾极限极限、沸腾极限所有需要冷却散热的所有需要冷却散热的旋转零部件旋转零部件分离式热管分离式热管无无重力重力烧干极限、声速烧干极限、声速极限、冷凝极限极限、冷凝极限需要严格避免冷热流需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合体相互渗漏的场合可变导热管可变导热管有些有有些有毛细力毛细力或其他或其他烧干极限、携带烧干极限、携带极限、冷凝极限极限、冷凝极限需要冷凝段需要冷凝段(或蒸发段或蒸发段)的温度不随热负荷变化的温度不随热负荷变化而变的场合而变的场合微型热管及小微型热管及小型热管型热管有有毛细力毛细力毛细极限、毛细极限、沸腾极限沸腾极限电子产品等电子产品等毛细泵回路毛细泵回路有

56、有毛细力毛细力毛细极限等毛细极限等航空领域，电子元器航空领域，电子元器件等件等各种类型热管换热器对比a) 热管启动前的液汽交界面热管启动前的液汽交界面b) 热管工作时的液汽交界面热管工作时的液汽交界面c) 吸液芯内液汽界面参数吸液芯内液汽界面参数图图3.81 热管内质量流、压力和温度分布热管内质量流、压力和温度分布图图3.82 热管液汽分界面的形状热管液汽分界面的形状热管热管工作特性工作特性对普通热管，液体和蒸汽循环的主要动对普通热管，液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。毛细力需要克服液体的流动压降和力。毛细力需要克服液体的流动压降和蒸

57、汽的压降，而液体的体积力在压力平蒸汽的压降，而液体的体积力在压力平衡中或为零，或为推动力，或为阻力。衡中或为零，或为推动力，或为阻力。 p = 21 /R (3.112) p = pv p1 = 21 cos /r (3.113)设加热段和冷却段的毛细头分别为设加热段和冷却段的毛细头分别为 pe 和和 pc， 则热管两端毛细压差为则热管两端毛细压差为pc=pe pc =pv +pl =21(cose /rcosc /r) (3.114)当当cose=1、cosc=0，即加热段，即加热段(蒸发段蒸发段)处于半球状凹面、处于半球状凹面、 冷却段冷却段(冷凝段冷凝段)处于平面时，毛细压差达最大值：处

58、于平面时，毛细压差达最大值： pc, max = 21 /r (3.115)热管不处于水平时，还应考虑重力对液体流动的影响。热管不处于水平时，还应考虑重力对液体流动的影响。 设由此引起的压力损失相应为设由此引起的压力损失相应为pv、p1和和pg，则，则 pc pv +p1 +pg (3.116)热管的传热能力会受到一种或几种因素的限制，热管的传热能力会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、粘性、携带、沸腾等，因而构成如毛细力、声速、粘性、携带、沸腾等，因而构成热管的传热极限热管的传热极限 （或称工作极限）。（或称工作极限）。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸这些传热极限与热管尺寸、

59、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。这些极限主要有：值所决定的。这些极限主要有：热管的传热极限黏性极限黏性极限在蒸汽温度低时，工作流体的在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动更受黏性蒸汽在热管内的流动更受黏性力支配，当因黏滞阻力的作用力支配，当因黏滞阻力的作用使推动蒸汽流动的蒸汽压力下使推动蒸汽流动的蒸汽压力下降至零时，热管的传热能力达降至零时，热管的传热能力达到了极限，称之为黏性极限。到了极限，称之为黏性极限。声速极限

60、声速极限 热管中的蒸汽流动类似于拉伐热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。当蒸发尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出口汽速而加大。但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。达到了声速的极限。 携带极限携带极限热管中蒸汽与液体的流动方向相热管中蒸汽与液体的流动方向相反，交界面上