化工原理第四章第七节讲稿pptA

1、第4章 传热(chun r)4.7.1、换热器的类型4.7.2、列管式换热器的基 本型式 新型换热器4.7.3、各种( zhn)间壁式换热器的比较和传热的强化途径4.7 换热器2022/7/25共五十二页 换热器的类型(lixng)根据传热原理(yunl)和实现热交换的方法间壁式混合式蓄热式换热面的型式 管式板式翅片式2022/7/25共五十二页1、管式换热器 1）沉浸式换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如图所示。优点 ：结构简单、价格低廉，能承受(chngshu)高压，

2、可用耐腐蚀材料制造 缺点 ：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。 2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2）喷淋式换热器2022/7/25共五十二页3）套管(to un)式换热器2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页4）列管式换热器 优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固(jn )传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性2022/7/25共五十二页较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。 在列管式换热器中，由于管内外流体温度(wnd)不同，管束和壳体的温度(w

3、nd)也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温差较大，就可能由于热应力而引起设备变形，管子弯曲，甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温差超过50时，就应采用热补偿的措施。根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为以下几种主要形式：（1）固定管板式 2022/7/25共五十二页固定管板式的两端管板和壳体制成一体。因此它具有结构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修困难，要求(yoqi)壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种

4、补偿方法简单，但不宜应用两流体温差过大（应不大于70）和壳程流体压强过高的场合。2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页（2）2022/7/25共五十二页（3)2022/7/25共五十二页2、板式(bnsh)换热器 1）夹套式换热器 冷却水进却2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2）2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在较低的雷诺数（一般Re=14001800或

5、更低些）下即达到湍流，并且允许选用(xunyng)较高的流速（对液体为2m/s，气体为20m/s），故传热系数较高。如水对水的换热，其传热系数可达20003000W/（m2.K），而列管式换热器一般为10002000 W/（m2.K）。2022/7/25共五十二页2）不易结垢和堵塞：由于流体的速度较高，又有惯性离心力的作用，流体中悬浮的颗粒(kl)被抛向螺旋形通道的外缘而受到流体本身的冲刷，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，适合处理悬浮液及粘度较大的介质。 3）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。4）结构紧凑：单位体

6、积的传热面积为列管式的3倍，可节约金属材料。 2022/7/25共五十二页螺旋板换热器的主要缺点是：（1）操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过2Mpa，温度不超过300400。（2）不易检修：因整个换热器被焊成一体(yt)，一旦损坏，修理很困难。1 3）平板式换热器 平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片2022/7/25共五十二页的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个(y )圆孔，其中有一对圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放置垫片而阻止流体

7、进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在相邻板上是错开的以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.53mm，通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。 2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页平板式换热器的优点

8、是： 1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200左右(zuyu)）下即达到湍流。而且板片厚度又小，故传热系数大。例如水对水的传热系数可达15004700W/（m2.）。2）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。2022/7/25共五十二页3）具有(jyu)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。平板式换热器的主要缺点是允许的操作压强和温度都比较低。通常操作压强低于1.5Mpa，

9、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，流速又不大，处理量较小。螺旋板式换热器和平板式换热器都具有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大的特点，都属于新型的高效紧凑式换热器。这类换热器一般都不耐高温高压，但对于压强较低，温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场合，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。2022/7/25共五十二页3、翅片式换热器1） 翅片管换热器翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有热套

10、、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此外，翅片管也可采用整体(zhngt)轧制、整体(zhngt)铸造或机械加工等方法制造。当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。 2022/7/25共五十二页例如用水蒸气加热空气，该过程的主要热阻是空气侧对流传热热阻。在空气侧加装翅片，可以起到强化换热器传热的效果。当然，加装翅片会使设备费提高，但一般，当两种流体的对流传热系数之比超过3：1，采用翅片管换热器经济上是合算的。近年来用翅片管制成的空气冷却器（简称空冷器）在化工中应用很广。用空冷代替(dit)水冷，不仅在缺水地区适用，而且在水源充足的地方，采用空冷也可取得较大的经济效

11、果。 2022/7/25共五十二页2022/7/25共五十二页2)2022/7/25共五十二页4、 热管2022/7/25共五十二页4.7.2换热器的设计(shj)和选型1管壳式换热器的型号与标准基本(jbn)型号与系列标准2管壳式换热器设计时应考虑的问题1)流体流径的选择不洁净及易结垢的物料走管程易清洗腐蚀性物料走管程-压力高的流体走管程饱和蒸汽走壳程2022/7/25共五十二页被冷却物料走管程大及u小的物料走壳程对刚性结构,t较大，大的流体走壳程依次考虑压力、腐蚀、清洗、对流传热系数、压力降等的要求。2）流体流速的选择 ，S，设备(shbi)费 u hf，动力消耗，操作费常用的流速范围见表

12、2022/7/25共五十二页3）流体两端温度的确定工艺流体的进出口温度一般由工艺条件确定，而非工艺流体，如冷却水，一般只知道进口温度，出口温度要设计者选定。 Wc， 操作费 t2 tm，S，设备(shbi)费 一般， 。4）管子的规格和排列方法(1) 规格 252.5mm 192mm(2) 管长：1.5、2、3、6m(3) 排列方法 正三角形 正方形直列 正方形错列2022/7/25共五十二页(4) 管心距 (1.31.5)do，且t(do+6)，胀接法 1.25do，焊接法5管程和壳程数的确定当管程流速低于常用流速范围下限，或因管程流速较低使管程对流传热系数较小，从而使总传热系数达不到要求时

13、（经验值），可采用多管程来提高管程流速。标准管程数：1、2、4、6。当温（度）差校正系数t0.8时，可采用多壳程来提高t。但在一个换热器内一般只采用2壳程，2壳程以上则用多个换热器串联来代替。壳程流速不够时，可缩小(suxio)挡板间距来提高。6折流挡板挡板的形式有三种，见图4-28 固定式：150、300、600标准挡板间距 浮头式：150、200、300、450、600 U形管形：150、200、250、300、4507外壳直径的确定一般由需要的传热面积，根据钢制管壳式换热器行业标准确定壳体的内径，并同时确定其它的工艺尺寸。或由下式计算式中 最外层管中心距壳体内壁的距离。 管束中心线上的管

14、数，可按下式估算：2022/7/25共五十二页(4) 管心距 (1.31.5)do，且t(do+6)，胀接法 1.25do，焊接法5）管程和壳程数的确定当管程流速低于常用流速范围下限，或因管程流速较低使管程对流传热系数较小，从而(cng r)使总传热系数达不到要求时（经验值），可采用多管程来提高管程流速。标准管程数：1、2、4、6。当温（度）差校正系数t0.8时，可采用多壳程来提高t。但在一个换热器内一般只采用2壳程，2壳程以上则用多个换热器串联来代替。壳程流速不够时，可缩小挡板间距来提高。6）折流挡板挡板的形式有三种，见图 固定式：150、300、600标准挡板间距 浮头式：150、200、

15、300、450、600 U形管形：150、200、250、300、4507）外壳直径的确定一般由需要的传热面积，根据钢制管壳式换热器行业标准确定壳体的内径，并同时确定其它的工艺尺寸。或由下式计算式中 最外层管中心距壳体内壁的距离。 管束中心线上的管数，可按下式估算：2022/7/25共五十二页，正三角形 ，正方形式中 n 总管数。8）主要附件(1) 封头 椭圆形封头管箱 平盖管箱(2) 缓冲挡板(3) 导流简(4) 放气孔、排液孔(5) 接管 1.52m/S，液体 2050m/S，蒸汽，或见表1-1（P20）。 (0.150.2)，气体9）材料选用 主要根据操作温度、压力、流体的腐蚀性及材料的

16、价格(jig)来选用，常用的材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢。见表4-18。10）流体流动阻力（压力降）的计算(1) 管程阻力 =1.4，252.5mm式中 Ft结垢校正因数 =1.5，192mm 串联的壳程数； 管程数；2022/7/25共五十二页直管阻力， 回弯管阻力，可按下式估算：(2) 壳程阻力式中 流体横过管束的阻力，Pa； 流体通过折流板缺口的阻力，Pa； =1.15，液体FS结垢校正因数 =1.0， 气体而 式中 F管子排列方式(fngsh)校正因数； 0.5，正三角形 0.4，45正方形 0.3，正方形o壳程摩擦系数；nc管束中心线上的管子数；NB折流板数；h折流板间距，m；uo

17、由管间最大截面积Ao计算的流速。2022/7/25共五十二页四、选型或设计步骤1选定加热剂或冷却剂2选定换热器型式3选定流体管壳程4选定流体流动方向5选定加热剂或冷却剂出口温度6算出定性温度7查出物性参数8计算平均温差tm逆9求出温差校正系数t0.8，并确定壳程数10 计算热负荷Q11 由总传热系数的经验值，初选K12 初算传热面积13 选定公称压力14 选定材料15 由初算传热面积，根据换热器行业标准，初选换热器的规格(型号)16 核算总传热系数17 核算压力降五、各种间壁式换热器的比较 各种换热器都有其优缺点，没有一种换热器可以适用各种情况，所以视具体情况选择适用的换热器。六、传热的强化途径由 知，1增大S：应提高单位体积换热器内的传热面积。2增大 ：一般由工艺条件限定，变化有限，采用逆流可得最大的温差。3增大K(1) 提高或：提高流速或管内(un ni)装入麻花铁等扦