第3章 高效间壁式热交换器

1、CUCDReview and Forecast on MSW Incineration in China 热交换器原理与设计热交换器原理与设计第三章：高效间壁式热交换器第三章：高效间壁式热交换器南京师范大学能源与机械工程学院 高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器 优点：结构简单、造价较低、应用范围广、清洗方便、处理能力大。缺点：紧凑性不足。管壳式热交换器管壳式热交换器 热交换器单位体积所具有的传热面积间壁式热交换器间壁式热交换器 q 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器q 板式热交换器板式热交换器q 板翅式热交换器板翅式热交换器q 翅片管热交换器翅片管热交换器q 热管热交换器热管热交换器q 蒸发冷

2、却器蒸发冷却器q 微型热交换器微型热交换器高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 基本构造与工作原理基本构造与工作原理螺旋板式换热器由两张间距一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧设有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。螺旋板式换热器由螺旋板、隔板、头盖、连接管等构成。 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器

3、螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 螺旋板式换热器的优点离心力的作用定距柱的干扰较低雷诺数下达到湍流流动阻力较小允许大流速传热系数高1.52倍离心力的作用悬浮颗粒不易沉积流体速度较大流速增加污垢沉积自洁不易结垢堵塞3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 螺旋板式换热器的优点3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 能利用温度较低的热源：由于流体流动的流道较长和两流体可进行完全逆流，故可在较小的温差下操作，能充分利用温度较低的热源。结构紧凑：单位

4、体积的传热面积为列管式的3倍，可节约金属材料。 螺旋板式换热器的不足3.1 螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 操作压强和温度不宜太高：目前操作压力一般不超过0.51MPa，温度不超过250。不易检修：因整个换热器被焊成一体（型），一旦损坏，修理很困难。 3.2 板式热交换器板式热交换器 构造和工作原理在固定压紧板上交替排列金属薄板和垫圈，然后按放活动压紧板，最后旋紧压紧螺栓，即构成一台板式热交换器。两薄板与垫圈之间空间为冷热流体的流道。主要有：平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、多孔翅片、条片翅片、钉状翅片。传热板片 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热

5、交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 3.2 板式热交换器板式热交换器 板式换热器的优点波纹板片交叉相叠形成复杂流动较低雷诺数下达到湍流较小的板间距传热系数高3.2 板式热交换器板式热交换器 结构紧凑：一般板间距为46mm，单位体积设备可提供的传热面为2501000m2/m3（列管式换热器只有40150 m2/m3）。平板式换热器的金属消耗量可减少一半以上。具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。操作灵活性大，检修、清洗也都比较方便。 板式换热器的缺点3.2

6、 板式热交换器板式热交换器 允许的操作压强和温度比较低：通常操作压强低于1.5MPa，最高不超过2.0MPa，压强过高容易泄露；操作温度受垫片材料的耐热性限制，一般不超过250。另外由于两板的间距仅几毫米，流通面积较小，而流速又不大，因而处理量较小。 板式换热器的用途3.2 板式热交换器板式热交换器 螺旋板式换热器和平板式换热器都具有结构紧凑、材料消耗少，传热系数大的特点，属于新型的高效紧凑式换热器。这类换热器一般不耐高温高压，但对于压强较低（ 1.5MPa），温度不高（ 150 ）或腐蚀性强必须用贵重材料的场合，则显示出更大的优越性，目前已广泛应用于食品、轻工和化学等工业。 板式换热器的拓展

7、3.2 板式热交换器板式热交换器 板式热交换器（可拆式）耐温耐压性能差：将薄板之间直接焊接，取代密封垫片连接形式（全焊式）耐温耐压能力增强，但无法拆卸密封垫片与焊接组合形式（半焊式）应用于两种温度和压力相差较大的流体换热场合 板翅式热交换器是一种高效、紧凑、轻巧的换热器，过去由于制造成本高，仅用于宇航、电子、原子能等少数部门。现已逐渐用于石油化工及其它工业部门，取得良好效果。3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 板翅式热交换器的背景 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 板翅式热交换器结构形式多样，但其基本结构元件相同，即在两块平行薄金属板之间，加入特殊形状的金属翅片，将两侧面封死，即成为一个

8、换热基本元件。将各基本元件进行适当排列，并通过钎焊制成顺流、逆流或错流的板翅式热交换器的板束（芯体），然后再将带由流体进出口接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。板翅式热交换器的结构 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 板翅式热交换器的优点：结构紧凑（单位体积设备的传热面一般达到2500 m2/m3，最高可达4300 m2/m3）；重量轻（铝合金制造，在相同的传热面下，其重量约为列管式的十分之一）；传热系数较高（由于翅片促进了流体的湍动并破坏了热边界层的发展）；强度大（除增加传热面积外，翅片也提高芯体的强度）。板翅式热交换器的特点 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 铝合金不仅导热系

9、数高，而且在零度以下操作时，其延性和抗拉强度都很高，适用于低温和超低温的场合，可在绝对零度至200范围内使用，是板翅式热交换器的理想材料。同时因翅片对隔板有支撑作用，板翅式换热器允许操作压强也比较高，可达5MPa。这种换热器的缺点是设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，故所处理的物料应较洁净或预先净制；另外由于隔板的翅片多由薄铝板制成，故要求介质对铝不腐蚀。板翅式热交换器的应用 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 板翅式热交换器中流体的流动形式常采用顺流、逆流或错流 3.3 板

10、翅式热交换器板翅式热交换器 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 翅片的型式翅片的型式很多，有平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状制片、百叶窗式翅片、片条翅片等。我国目前常用的翅片型式有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种。 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 翅片的型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 锯齿型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 多孔型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 波纹型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 百叶窗式型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 封条的型式 3.3 板翅式热交换器板翅式热

11、交换器 导流片 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 导流片 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 导流片 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 流动形式 3.3 板翅式热交换器板翅式热交换器 流动形式 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管热交换器是管式热交换器的拓展，由基管和翅片组成，是一种带翅（肋）的管式热交换器。热交换器中，当两种流体的对流传热系数相差较大时，可以通过在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管热交换器的基管通常是圆管，也有扁平管和椭圆管。翅片可以各自加在每根单管上，也可以同时与数根管子相连接。 3.4 翅片管热交换器翅片

12、管热交换器 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管的类型与选择 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 是否需要设置翅片何处设置翅片视管内外传热系数设置在传热系数较小侧管内外传热系数接近，两侧均需设置翅片管的类型与选择 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 圆形翅片矩形翅片传热系数不足使气流流经翅片时产生扰流，破坏边界层翅片管的类型与选择 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管的类型与选择管片按制造方法分为整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接翅片。 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管的类型与选择 3.4 翅片管热交换器翅片管热交换器 翅片管的类型与选择 3.4 翅片管热

13、交换器翅片管热交换器 翅片管的类型与选择 3.5 热管热交换器热管热交换器 1944年：通用发动机公司的 Gaugler 首先提出了热管的工作原理，但是他的想法当时并没有被广泛地采纳利用。1963年：美国Los Alamos国家实验室的Grouer重新独立发明了这种传热元件，并进行了性能测试实验，将它正式命名为热管（Heat Pipe）。1965年：Cotter首次提出了较完整的热管理论。70年代以来：热管技术飞速发展；我国也自70年代开始，展开了对热管的研究和应用。现在：热管在电子工业、余热回收、新能源等方面得到了广泛应用。热管热交换器概述热管热交换器概述 3.5 热管热交换器热管热交换器

14、热管的组成及工作原理热管的组成及工作原理以以吸液芯热管吸液芯热管为例为例管壳毛细多孔材料（管芯）蒸气通道液体工作原理：工作液体在热端吸收热量而沸腾气化，产生的蒸气流至冷端冷凝放出潜热，冷凝液返回至热端，再次吸热沸腾气化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。 3.5 热管热交换器热管热交换器 热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移，完成这一转移有六个同时发生又相互关联的主要过程：（1）热量从热源通过热管管壳和吸液芯（包括工作液体）传递到气-液分界面（2）液体在蒸发段内的气-液分界面上蒸发（3）蒸气腔内的蒸气从蒸发段流到冷却段（4）蒸气在

15、冷却段内的气-液分界面上的凝结（5）热量从气-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源（6）在吸液芯内由毛细作用使冷凝液从冷却段回流到蒸发段 3.5 热管热交换器热管热交换器 热量由蒸发段输入后，毛细材料中的工作液受热蒸发，蒸气顺着蒸气通道流向冷凝段；在冷凝段，蒸气受到冷凝结成液体，放出热量；凝结液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。 3.5 热管热交换器热管热交换器 3.5 热管热交换器热管热交换器 热管的分类热管的分类按凝结液的回流作用力来划分按凝结液的回流作用力来划分q 吸液芯热管吸液芯热管q 两相热虹吸管两相热虹吸管q 旋转热管旋转热管q 重力辅助热管重力辅助热管典型热管典型热管 3

16、.5 热管热交换器热管热交换器 p 热管管壳热管管壳作用作用将热管的工作部分封闭起来，在热管两端部接受和放出热量，中部绝热，并承受一定的压力。要求要求a 在整个工作压力范围内不发生工质泄露，寿命够长；b 管壳材料与工质必须相容，避免有腐蚀和气体产生的现象出现；c 管壳材料经得住工艺除气工程中的高温；d 管壳结构既能承受内部最大的蒸汽压力，又能兼顾降低管壁热阻，管壁尽可能薄；e 管壳材料湿润性好，导热系数高。材料材料不绣钢，铜，铝，镍，玻璃，陶瓷 3.5 热管热交换器热管热交换器 p 热管管芯热管管芯作用作用：产生毛细抽吸力，使液体由冷凝段回流到蒸发段要求要求：a 起到有效的毛细泵作用；b 与工

17、质、管壁材料必须相容；c 具有较高渗透率且传热性能好；d 具有足够的刚性，以保证吸液芯与管壁紧密接触；e 便于加工，性能可靠，经济性好。分类分类：a 紧贴管壁的单层或多层网芯 3.5 热管热交换器热管热交换器 3.5 热管热交换器热管热交换器 b 烧结粉末管芯c 轴向槽道式管芯d 组合管芯一定数目的金属粉末或金属丝网烧结在管内壁面而成在管壳内壁开轴向细槽，以提供毛细压头及液体回流通道+p 热管管芯热管管芯 3.5 热管热交换器热管热交换器 p 热管工质热管工质作用作用：传递热量要求要求：a 具有较高的汽化潜热和导热系数，及合适的饱和压力和沸点；b 具有较低的粘度，良好的稳定性；c 具有较大的表

18、面张力和润湿毛细结构的能力；d 对毛细结构和管壁无溶解作用。种类种类：随热管内部的工作温度而定低温工质（100）中温工质（100500）高温工质（500） 3.5 热管热交换器热管热交换器 p 热管工质热管工质热管工作时其内的质量流量、压力及温度分布如图所示质量流量：质量流量：蒸发、冷凝段上，工质蒸发和冷凝速率均匀，质量流量呈线性变化；在绝热段，不发生热交换，工质不变。温度：温度：蒸发段的饱和温度稍高于冷凝段饱和温度，此温差 90，为不浸润液体，液面，为不浸润液体，液面在表面张力的作用下下降。在表面张力的作用下下降。 90，为浸润液体，液面在，为浸润液体，液面在表面张力的作用下上升。表面张力的作用下上升。 3.6 蒸发冷