《热交换器原理与设计》复习

1、复复 习习第一章什么是热交换器在工程中，将在工程中，将某种流体的热量某种流体的热量以一定的以一定的传热方式传热方式传传递给递给其他流体其他流体的设备。的设备。分类简介：分类简介：u 按传递热量的方法来分：按传递热量的方法来分：间壁式：间壁式：冷热流体间有一个固体壁面，两种流体冷热流体间有一个固体壁面，两种流体不直接接触不直接接触，热量通过壁面进行传递。，热量通过壁面进行传递。蓄热式（回热式）：蓄热式（回热式）：冷热流体轮流和壁面接触，冷热流体轮流和壁面接触，热流体放热，冷流体吸热。热流体放热，冷流体吸热。混合式：混合式：冷热流体冷热流体直接接触直接接触进行传热。进行传热。又可分为又可分为管式换

2、热器管式换热器、板式换热器、夹板式换热器、夹套式换热器套式换热器0.3 换热器设计计算的内容(1) 热计算热计算确定传热系数及传热面积。确定传热系数及传热面积。(2) 结构计算结构计算计算换热器的主要部件的尺寸，如管子的直径、长计算换热器的主要部件的尺寸，如管子的直径、长度、根数、壳体的直径，折流板的尺寸和数目，分度、根数、壳体的直径，折流板的尺寸和数目，分程隔板的数目和布置，接管尺寸等。程隔板的数目和布置，接管尺寸等。(3) 流动阻力计算流动阻力计算包括管程和壳程的阻力，为选择泵和风机提供依据包括管程和壳程的阻力，为选择泵和风机提供依据或校核其是否超过允许的数值。或校核其是否超过允许的数值。

3、(4) 强度计算强度计算算术平均与对数平均温差算术平均与对数平均温差2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差时，两者的差别小于别小于4 4；当；当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.32.3。2minmaxtt7 . 1minmaxtt混合流：管子不带翅片，管外的气流可以在横向自由的随意的运动，称为混合流。但是管内的流体属于非混合流。3 、其他流动方式时的平均温差 c

4、lmmtt,按逆流方式计算的对数平均温差clmt,温度修正系数在相同的流体进出口温度条件下，按某种流动形式工作时的平均温差 与逆流工作时的对数平均温差 的比值在相同的流体进出口温度条件下，按逆流工作所需的传热面积 与按某种流动形式工作所需的传热面积 之比值（传热系数相等的条件小），表示即：othercounterclmmFFtt,clmt,mtcounterFotherF 值的大小说明某种流动形式的换热器值的大小说明某种流动形式的换热器在给定工作条件下，接近逆流形式的在给定工作条件下，接近逆流形式的程度，一般设计时要程度，一般设计时要0.9 0.9 ， 0.750.9 ，若，若100 Re10

5、0 即可达到湍流。即可达到湍流。可以参考数据选择流体度和换热终温可以参考数据选择流体度和换热终温: 热端温差不小于热端温差不小于2020冷端温差不小于冷端温差不小于55冷却器冷却器冷凝器冷凝器冷流体的初温应冷流体的初温应高于高于热流体的凝固点热流体的凝固点含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下低于被冷凝气体的露点以下5空冷式热交换器空冷式热交换器热流体出口和空气进口之间的温差不低于热流体出口和空气进口之间的温差不低于20多管程热交换器多管程热交换器尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温差加大到差加大

6、到2020以上以上三、管子直径的选择三、管子直径的选择小管径小管径优点：优点：增强传热增强传热增大单位体积传热面积增大单位体积传热面积缺点：缺点：流动阻力增大流动阻力增大管子与管板连接处的泄漏的可能性增大管子与管板连接处的泄漏的可能性增大容易积垢容易积垢管长与管径的比例关系：管长与管径的比例关系：一、温差应力计算一、温差应力计算 2.2.产生原因产生原因1)1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接; ;2)2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差; ;3)3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大

7、材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响小的影响. .1.1.温差应力：温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。仅由管壁与壳壁温差引起的应力。3.3.产生后果：产生后果： 1)1)管子的弯曲变形管子的弯曲变形; ; 2) 2)造成管子与管板连接部分泄漏造成管子与管板连接部分泄漏; ; 3) 3)使管子从管板上拉脱使管子从管板上拉脱. .一、温差应力计算一、温差应力计算 2.2.产生原因产生原因1)1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接; ;2)2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差; ;

8、3)3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响小的影响. .1.1.温差应力：温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。仅由管壁与壳壁温差引起的应力。3.3.产生后果：产生后果： 1)1)管子的弯曲变形管子的弯曲变形; ; 2) 2)造成管子与管板连接部分泄漏造成管子与管板连接部分泄漏; ; 3) 3)使管子从管板上拉脱使管子从管板上拉脱. .第三章第三章 高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器螺旋板式螺旋板式板式板式板翅式板翅式热管热管微尺度微尺度能源利用角度方面对热交换器的要求能源利用角度方面

9、对热交换器的要求传热效率高传热效率高体积小体积小高效就是换热效率高，结构紧凑高效就是换热效率高，结构紧凑即在增加换热器的传热面积的同时，即在增加换热器的传热面积的同时，也要减小换热器的体积也要减小换热器的体积“紧凑性紧凑性”热交换器的单位体积热交换器的单位体积中所包含的传热面积的大小，中所包含的传热面积的大小，m m2 2/m/m3 3紧凑式热交换器：紧凑式热交换器：700m700m2 2/m/m3 3非紧凑性热交换器：非紧凑性热交换器：700m700m2 2/m/m3 3高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器通过通过“二次表面二次表面”来提高紧凑性来提高紧凑性螺旋板式换热器螺旋板式换热器由两块

10、金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋状而构成的。旋状而构成的。卷制后，卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道，在在顶、底部分别焊有封头和两流体进出口接管顶、底部分别焊有封头和两流体进出口接管。其中有一对进出。其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在圆鼓的轴心上。口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在圆鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流动。动。 第一节 螺旋板式热交换器定距柱定距柱作用作用保证流道的间距；保

11、证流道的间距；加强湍流；加强湍流；增加螺旋板刚度。增加螺旋板刚度。固定方式固定方式用用3 310mm10mm的圆钢在卷板前预先焊接在钢板上。的圆钢在卷板前预先焊接在钢板上。传热系数高传热系数高 由于由于离心力的作用，可在较低离心力的作用，可在较低ReRe数下出现湍流数下出现湍流(Re=1400-1800)(Re=1400-1800)，允许流速可达，允许流速可达2m/s2m/s，故传热系数较高，如水对，故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达水的换热，传热系数可达2000-3000 W/2000-3000 W/（m m2 2K K）。不易堵塞不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较

12、好的发由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来流体中的悬浮物不易沉积下来。由于流道长，可为完全逆流由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。螺旋板换热器比较合适。结构紧凑，制造简便结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的热器的3 3倍。倍。 操作压力和温度不能太高操作压力和

13、温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，尤其是所能承受的压力比较低，操作操作压力只能在压力只能在20atm20atm以下，操作温度约在以下，操作温度约在300-400300-400以下。以下。不易检修不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。泄漏或其他故障，设备即告报废。 传热系数高传热系数高 由于由于离心力的作用，可在较低离心力的作用，可在较低ReRe数下出现湍流数下出现湍流(Re=1400-1800)(Re=1400-1800)，允许流速可达，允许流速可达2m/s2m/s，故传热系数较高，如水对，

14、故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达水的换热，传热系数可达2000-3000 W/2000-3000 W/（m m2 2K K）。不易堵塞不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来流体中的悬浮物不易沉积下来。由于流道长，可为完全逆流由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合

15、适。螺旋板换热器比较合适。结构紧凑，制造简便结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的热器的3 3倍。倍。 操作压力和温度不能太高操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，尤其是所能承受的压力比较低，操作操作压力只能在压力只能在20atm20atm以下，操作温度约在以下，操作温度约在300-400300-400以下。以下。不易检修不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。泄漏或其他故障，设备即告报废。 板式换热器的构造a 传热板片流体在低

16、速下发生强烈湍流，以强化传热流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热提高板片刚度，能耐较高的压力提高板片刚度，能耐较高的压力人字形板人字形板水平平直波纹板水平平直波纹板锯齿形板锯齿形板作用作用：类型类型：介质在板片间的流动单边流单边流对角流对角流换向板片换向板片：根据流程的需要，相应不冲出某些角孔，介质遇根据流程的需要，相应不冲出某些角孔，介质遇到盲孔即拐弯，进行换向，增加介质的流程到盲孔即拐弯，进行换向，增加介质的流程单边流单边流对角流对角流同侧流入、流出同侧流入、流出不同侧流入、流出不同侧流入、流出 组装形成三种典型形式组装形成三种典型形式：串联、并联、混联串联、并联、混联流体在每一程内流经每

17、一垂直流动后，改变方向，流经下一程流体在每一程内流经每一垂直流动后，改变方向，流经下一程两介质的主体流向是逆流，但相邻流道中有并流也有逆流。两介质的主体流向是逆流，但相邻流道中有并流也有逆流。b 密封垫圈密封作用，防止介质漏出（密封作用，防止介质漏出（外漏外漏）在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏内漏）承受压力、温度，耐流体的侵蚀承受压力、温度，耐流体的侵蚀良好的弹性，可重复使用良好的弹性，可重复使用材料材料天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅胶（胶、三元乙丙橡胶、硅胶（80-15080

18、-150以下）以下）压缩石棉、石棉橡胶（压缩石棉、石棉橡胶（260-300260-300）双道密封双道密封 信号孔（凹槽）信号孔（凹槽）当介质从第一道密封泄露时，可以从信号当介质从第一道密封泄露时，可以从信号空泄出，及早发现和检修空泄出，及早发现和检修信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中去质漏到另一种介质中去b 密封垫圈密封作用，防止介质漏出（密封作用，防止介质漏出（外漏外漏）在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏内漏）承受压力、温度，耐流体的侵蚀承受压力、温度，耐流体的侵蚀良好的弹性，可重

19、复使用良好的弹性，可重复使用材料材料天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅胶（胶、三元乙丙橡胶、硅胶（80-15080-150以下）以下）压缩石棉、石棉橡胶（压缩石棉、石棉橡胶（260-300260-300）双道密封双道密封 信号孔（凹槽）信号孔（凹槽）当介质从第一道密封泄露时，可以从信号当介质从第一道密封泄露时，可以从信号空泄出，及早发现和检修空泄出，及早发现和检修信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中去质漏到另一种介质中去第三节 板翅式热交换器1 1 基本结构基本结构板束板束导流片导流

20、片封头封头隔板隔板 翅片翅片 封条封条基本单元（通道基本单元（通道） 板翅式换热器由于两侧都有翅片，做气气换热，传热系数对空气可达350 W/(m2)。板翅换热器结构非常紧凑，轻巧，每立方米体积中容纳的传热面积可高达4300 m2，承压可达100bar。 缺点：容易堵塞，清洗困难，不易检修。 适用于清洁和无腐蚀的流体换热。a 翅片扩大传热面积，提高换热器紧凑性和传热效率扩大传热面积，提高换热器紧凑性和传热效率支撑隔板，提高热交换器的强度和承压能力支撑隔板，提高热交换器的强度和承压能力1 平直翅片（平直翅片（PZPZ）具有很长光滑壁的长方形具有很长光滑壁的长方形翅片，流动和传热特性与翅片，流动和

21、传热特性与圆管内的相似。圆管内的相似。流动阻力小，换热系数也流动阻力小，换热系数也很小很小适用于：适用于：阻力要求严格，阻力要求严格，而本身对流换热系数较大而本身对流换热系数较大的场合。的场合。传热机理：传热机理：二次传热表面二次传热表面2 2 锯齿形翅片（锯齿形翅片（JCJC）将平直翅片切成许多短将平直翅片切成许多短小片段，相互错开一定小片段，相互错开一定的间隔，间断式；的间隔，间断式；促进流体的湍动，破坏促进流体的湍动，破坏热边界层，强化换热；热边界层，强化换热；适用于：气体通道，高、适用于：气体通道，高、低温介质温差较大的场低温介质温差较大的场合、黏度较大的油通道；合、黏度较大的油通道；

22、传热性能与翅片切开长传热性能与翅片切开长度有关。度有关。3 3 多孔翅片（多孔翅片（DKDK）平直翅片上冲出许多圆孔平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而形成，翅片开孔或方孔而形成，翅片开孔率率5-10%5-10%，孔的排列方式，孔的排列方式有长方形、平行四边形、有长方形、平行四边形、正三角形；正三角形；孔破坏传热边界层，提高孔破坏传热边界层，提高传热效果，高传热效果，高ReRe数时会出数时会出现噪音和振动；现噪音和振动；开孔有利于流体的均匀分开孔有利于流体的均匀分配，利于介质中杂质、颗配，利于介质中杂质、颗粒的冲刷和排除；粒的冲刷和排除；适用于：有相变介质的换适用于：有相变介质的换热，用作入口处的导

23、流片热，用作入口处的导流片4 4 波纹翅片（波纹翅片（PWPW）在平直翅片上压成一定的在平直翅片上压成一定的波形而形成，传热效果介波形而形成，传热效果介于平直形和锯齿形之间；于平直形和锯齿形之间；流体在内流动时不断改变流体在内流动时不断改变流向，促进湍动，分离、流向，促进湍动，分离、破坏热边界层，强化传热；破坏热边界层，强化传热；波纹越密，波幅越大，传波纹越密，波幅越大，传热性能越好，但阻力也增热性能越好，但阻力也增大；大；耐压强度较高；耐压强度较高；适用于：压力较高的气体适用于：压力较高的气体换热场合。换热场合。其他：百叶窗式，片条式翅片、钉状翅片5 5 优缺点优缺点传热效率高：可对介质造成

24、扰动，使边界层不断破裂更新，从传热效率高：可对介质造成扰动，使边界层不断破裂更新，从 热强化换热热强化换热结构紧凑，重量轻：重量仅为具有相同换热面积的管壳式的结构紧凑，重量轻：重量仅为具有相同换热面积的管壳式的1/101/10， 而单位传热面积的金属消耗比管壳式小几倍而单位传热面积的金属消耗比管壳式小几倍适用范围广：可以适用于气适用范围广：可以适用于气气、气气、气液、液液、液液间各种不同介液间各种不同介 质患热，亦可用作蒸发器、冷凝器。适用于逆流、质患热，亦可用作蒸发器、冷凝器。适用于逆流、 错流、多股流、多程流等不同工况的换热，可在错流、多股流、多程流等不同工况的换热，可在 -273-273

25、+500+500温度范围内使用温度范围内使用同一设备内，可允许同一设备内，可允许2-92-9种介质间进行换热种介质间进行换热制造工艺复杂，且要求严格制造工艺复杂，且要求严格容易堵塞，清洗和检修较困难容易堵塞，清洗和检修较困难2 热管的组成 热管是一种利用热管是一种利用气化气化和和冷凝冷凝的高潜的高潜热及热及毛细抽吸毛细抽吸现象，无需外界动力现象，无需外界动力而能够进行传热的高效节能元件而能够进行传热的高效节能元件以以吸热芯热管吸热芯热管来介来介绍热管的结构绍热管的结构管壳管壳毛细多空材料（管芯）毛细多空材料（管芯） 蒸汽通道蒸汽通道蒸发段蒸发段绝热段绝热段冷凝段冷凝段管管 壳壳作用作用： 将将热管的工作部分封闭起来，在热管两端部接受和放出热热管的工作部分封闭起来，在热管两端部接受和放出热量，并承受一定的压力。量，并承受一定的压力。要求要求： a a 在整个工作压力范围内不发生工质泄露，寿命够长。在整个工作压力范围内不发生工质泄露，寿命够长。b b 管壳结构既能承受管壳结构既能承受内部最大的蒸汽压力，又能兼顾降低内部最大的蒸汽压力，又能兼顾降低 管壁热阻，管壁尽可能薄管壁热阻，管壁尽可能薄。c c 管壳材质避免有腐蚀和气体产生的现象出现。管壳材质避免有腐蚀和气体产生的现象出现。d d 管壳材料经得住工艺除气工程中的高温。管壳材料经得住工艺除气工程中