《能源动力装置基础》08a课件

第八章热质交换设备第一节概述

热质交换设备是将热量以一定的传热方式从热流体传递的设备，其间，可能伴随着质量的传递。热质交换设备广泛应用于工业生产中。如制冷中的冷凝器、蒸发器、发生器、吸收器、中间冷却器、冷凝蒸发器、回热器以及冷水塔等，气体液化、分离中的精馏塔，低温技术中的蓄热器；电厂中锅炉（省煤器、水冷壁、过热器、再热器、空气预热器）、除氧器、高低压加热器、凝汽器等。另外，在轻工业、纺织工业、造纸、钢铁、食品加工工业等，都要大量使用热质交换设备。换热器的传热性能对装置的影响很大。热交换器的种类多，下面分别讨论。1

第二节表面式换热器

在表面式换热器中，冷、热流体在固体壁面的两侧流动，热量通过壁面进行热传递。表面式换热器又分管壳式、板式、翅片管式、板翅式、旋板式和热管式换热器等。一、管壳式换热器特点：有圆形外壳，内装平行管束，管内通道部分称为管程，

管外面与壳体内表面之间的通流部分称为壳程或管间。冷、热流体分别流过管程和壳程，通过壁面实现热交换。优点：结构简单、造价低廉、选材范围广，清洗方便、适应性强。容量大、适应高温、高压能力强，应用广泛。又有三种形式：21.固定管壳式换热器（1）结构：图8-1为卧式固定管壳式换热器的示意图，钢制圆形外壳，两端焊有固定管板，在管板上开有小孔一安装传热管束。管孔与管束采用胀接、焊接及铺锡焊。冷、热流体分别在管内和管间流动。图8-1所示固定管壳式换热器是用冷却水来冷却石油气、天然气、制冷剂蒸汽。管侧流程有二流程、四流程、六流程以提高冷却水的流速。冷却水在管内流动，原料气在管间流动。在外壳底部还开有排放凝结液的管接头。为了提高原料气的流速和改善传热效果，管间通常用栏板（折流板）将其分成若干室。同时也起支持作用。（2）特点：固定管板式换热器集中了上述各优点，但不好清洗，热膨胀能力差。在火电厂中被广泛应用，如高低压加热器、凝汽器等。33.U型管式换热器和套管式换热器（1）U型管式换热器如图8-4所示，管子两端都固定在同一管板上。优点：

①它具有双管程和浮头式换热器的一些优点，可自由膨胀，弹性好，热补偿性好；

②管程流速高，传热性能好；

③承受能力较强，结构紧凑；

④管束可抽出清洗，便于安装。缺点：管内不好清洗，管侧阻力较大。5（2）套管式换热器套管式换热器（图8-5）是由一根管子组成的串联U形管换热器。作用：常用于换热量较小的场合，如小型制冷装置的冷凝器、蒸发器。

特点：是结构紧凑，制造简单，制冷剂和载冷剂成逆向流动。6二、板式换热器板式换热器是一种高效、结构紧凑的换热设备。广泛使用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源动力、制冷空调诸方面。1.组成：如图8-6所示，板式换热器由传热板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、上下导杆、支撑架及紧固件组成。

73.多流体、多流程板式换热器的通道安排：多流体、多流程换热器的通道数，是靠密封片的合理布置安排实现的。如图8-8、图9-9。94.优点：与管壳换热器相比，板式换热器的优点是：（1）结构简单，制造方便。板式换热器零件数少，组装容易，只要改变传热板片即可。（2）传热效率高，有效传热温差大。板片叠加而形成狭窄的板间空间，流体在其中紊流流动，提高传热效果。（3）体积小，重量轻、价格便宜。（4）结垢少，可靠性高。（5）可拆卸，便于清洗、维护。板式换热器的最大允许工作压力为1MPa左右，最高允许温度为260ºC。105.全焊接式板式换热器：如图8-10所示，其由传热板片和两端的端片组成。（1）构造：传热板片之间、传热板片与端板之间、需要密封的通孔周围等，所有需要密封部位都是用钎焊完成。使结构更简单、牢固。最高工作温度为225ºC，最低工作温度为流体冻结温度；最大工作压力为3MPa

，最小工作压力为真空。（2）材料：不锈钢，有足够的强度和刚度，耐腐蚀，不易结垢。（3）优点：它和管壳换热器相比，还有另外的优点，制冷剂充量少，有利于环保，可降低成本。体积小。抗冻性能好：流体流速高，温度分布均匀。蒸发彻底，经济性好。（4）缺点：周边长，密封困难、容易泄漏；金属板薄，刚性较差，不适应高压、高温差工况。介质流量不能太大。板片制造复杂，成本较高。11焊接翅片：制造简单，经济性好，传热性、机械性能好。机械连接翅片：有绕片式、镶嵌式、热套和胀接式。优点是：经济，材料可任意组合；缺点是：有接触热组，膨胀不均匀，可能产生松动，其工作温度为200~350ºC。耐热性能好，造价高。图8-13为翅片管型式：其中，图8-13a为套片管，图8-13b为绕片管，它是在管外按螺旋状绕一条金属带。优点：传热系数高。缺点：热阻大。图8-13a为套片管，已广泛用于氟利昂制冷机。132.翅片管的工作特点：其优点：（1）传热性能强：因传热面积增大，使传热系数增大；（2）结构紧凑：由于单位体积传热面积大，传热性能增强，在相同热负荷下，翅片管换热器管子少。（3）可有效、合理地利用材料。（4）当翅片被加热时，在相同热负荷下，翅片管管壁温度较低，对减少金属面的高温腐蚀和超温是有利的。其主要缺点：制造工艺复杂，造价高；流阻大，动力消耗大。143.翅片管换热器

翅片管换热器由多个翅片管组合而成。翅片多为换热能力较弱的一侧。图8-14a为强制对流整体套片式风冷冷凝器示意图；（汽车前）图8-14b为自然对流整体套片式风冷冷凝器示意图。（冰箱背后）15换热型式：板翅式换热器由自成流道的单元体组成，可方便地实现多股气流之间的换热和逆流、错流或逆错流等不同的换热型式（图8-16）。17翅片的形式有：（1）光直翅片：由薄金属板冲压而成，如图8-17a所示。（2）锯齿形翅片：可看作光直翅片切成片段再错成一定间隔而形成的间断式翅片。如图8-17b所示。（3）多孔形翅片：他是在光直翅片上开了很多小孔而成，孔有圆形、方形。此外，还有：波纹型、百叶窗型、钉状或片条状翅片等。182.工作特点（1）传热能力强：翅片上孔洞、缝隙、弯曲使流体湍动，可使传热增强；（2）结构紧凑：单位体积的传热面积大，（3）轻巧牢固：因结构紧凑，用薄金属片，重量轻。（4）适应性强：适应各种介质（5）板翅式换热器的主要缺点：结构复杂，造价高；流道小，易阻塞。不能拆卸，难清洗。由于多用铝材，易腐蚀泄漏。19Ⅱ型螺旋板式换热器，它是将Ⅰ型之一个螺旋通道出、入口封死，代之以两个轴向出、入口，如图8-19所示。轴向流道也可以做成多流程。实用于体积流量相差较大的工况，如冷凝器、气体冷却器、再沸器等。定距柱：是保证流道的间距，加强湍流。用3~10mm圆钢或带钢在卷曲前焊接在传热板上，然后卷制；头盖：多为圆锥形、椭圆形盖板。212.工作特点：（1）传热强度高：因阻力小，流速快，使传热系数增大；又是逆向流动，平均传热温差大，可提高传热效率；（2）结构紧凑，不用管材：板形单位体积的传热面积大。平均传热温差大，传热系数大；（3）不易污塞，单流道，高流速，污垢不易沉积。可“自洁”。（4）能有效地利用低温热源。由于流道长，逆向传热，有利于利用地下热能等低温热源。（5）流阻小。其主要缺点：（1）承压能力受限：因传热板薄，压力应<0.5~1.0MPa。工作温度<250ºC；（2）容量受限；单通道，通流能力小，流速不能太高。（3）制造复杂，检修困难。传热部分和密封部分制造困难。22六、热管换热器

热管是一种新型、高效传热装置，其导热系数比优良导体银、铜等高倍。其作用相当于导热能力极高的导热体。1.热管的结构、工作原理（图8-20）（1）热管的结构：热管是一个密封容器：热管轴向看，可分三个区段：蒸发区（或称热源、热段）蒸发输送段（或称绝缘段）冷凝段（或称热汇段、冷段）。23（2）传热过程（工作原理）:①热量从热源通过壳壁和吸液芯传到液—汽界面上；②液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发（吸收潜热）；③蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段；④蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上冷凝（释放潜热）；⑤热量从冷凝段内的汽—液分界面通过吸液芯和壳体传给冷源；⑥冷凝液借助吸液芯的毛细作用从冷凝段返回蒸发段重新工作。252.工作特点热管是依靠管内工作液体的（工质）相变来实现传热，具有以下特点：①高导热性：热管是依靠工作液体（工质）的汽—液相变传热，热阻小，传热能力强。在一定温度下，其导热率是铜的40~10000倍；②良好的等温性：管内蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压降小，温降小，故具有良好的等温性。

③热流密度的可变性：热管可通过改变蒸发段或冷却段的加热面积来改变输入端或输出端的热流密度。即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量；或者以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。可解决其他手段难以实现的传热问题。④热流方向的可逆性：如一水平放置热管，内部循环动力是毛细作用。因此任意一端受热就可以看作蒸发段，而另一向外散热就成为冷凝段。

26热管换热器有许多形式：（1）单管组合式热管换热器（图8-22）：按冷、热流体的种类有：①气-气热管换热器（热管式空气预热器）；②气-液热管换热器（热管式省煤器）；③气-蒸汽热管换热器（热管锅炉）。29（2）分离式热管换热器（图8-23）：热管段的蒸发段和凝结段分开，用汽液管道连通，形成工质的闭合循环回路。热管内的工作液体在蒸发段被加热变成蒸汽通过导汽管输送到凝结段，蒸汽被管外流体冷却，凝结液由液导管回到蒸发段。不断循环。30（3）回转式热管换热器（图8-24）：它由许多热管组成，这些热管绕一定的轴旋转。冷、热流体分别热管的放热段和加热段进行热交换。其最大特点是清灰方便。31第三节混合式换热器混合式换热器是靠冷、热流体直接接触进行换热，冷热流体间没有固体传热面。其优点是：结构简单，耗材少，无热组，无过热或热腐蚀等问题。混合式换热器形式很多。如敞开式设备：借空气自然通风或强制通风来冷却热水的有喷水池和冷却塔。密封容器：两种介质在同一密封容器内直接接触换热，如

混合式冷凝器、洗涤器、蒸发式空冷器、浸没燃烧蒸发器等。321.冷水塔（图8-25）在火电厂，化工生产部门、制冷空调工程中需要大量冷却水，用来冷却蒸汽、空气、气体、油及辅助机械的轴承等。在我国内陆地区的火电厂，为了减少冷却水的消耗，通常采用闭式供水。冷却塔就是让温度已经升高了的冷却水在其中被空气冷却后循环使用。33

冷却塔的结构：如图8-25，由塔体、淋水装置、集水池组成。淋水装置：通常做成栅格状填充物而堆积在塔内，其上设有分水槽。冷却过程：水沿着倾斜的栅板成薄膜状下流而被上升（自然通风，或用引风机）的空气冷却。塔体呈多棱柱或截头多楞锥体，材料有金属骨架，或用砖砌和钢筋混凝土结构。塔体有的高达数十米。

冷却后的水落入集水池，通过循环水泵送电厂使用。34火电厂双曲线型冷却塔结构：图8-26为所示。由塔体（封筒）、淋水装置、集水池组成。冷却过程：从凝汽器来、温度已经升高了的冷却水送10米高处的配水槽、淋水装置、分水槽导水管下落至溅水碟成水滴，然后经多层溅水条落入集水池。空气从塔底部进入（自然通风），从塔顶排出。冷却后的水落入集水池，通过循环水泵送电厂使用。35混合式冷凝器：混合式冷凝器是让蒸汽在其中与冷却水直接接触而凝结。混合式冷凝器的类型：如图8-27：（1）液柱式冷凝器（图8-27a），其中安装有多块圆缺形多孔淋水板，水从板底小孔淋洒而下，以增大冷却水与蒸汽的接触面积。（2）液膜式冷凝器（图8-27b），其中安装有盘环间隔排列的淋水板，冷却水从板上流下时形成液膜，蒸汽与之接触时而凝结。36（3）填充式冷凝器（图8-27c），这里采用环状体作为填料填充于塔体内，冷却水沿填料下流，蒸汽逆流而上，充分接触。出水温度高，省水。（4）喷射式混合冷凝器（图8-27d），其工作原理基于文丘利管，具有一定压力的冷却水从喷嘴以雾状喷出，在蒸汽吸入器内混合凝结。不凝结气体也从底部流出。37第四节蓄热式换热器一、换热原理：在蓄热式换热器中，冷、热流体交替流过装有固体填料的容器，依靠固体填料的热容作用（吸热、放热），实现冷、热流体间的热交换。其换热分两个阶段进行：①先是热流体通过蓄热体使其加热并储蓄；

②接着冷流体通过蓄热体吸取热量并使蓄热体冷却。反复以上过程，就能连续换热。38二、类型：固定型（阀门切换型）结构：如图8-28，其蓄热体由耐火砖砌成“火格子”，冷、热流体交替流过火格子一实现换热。为了连续运行，通常是两套同时工作。冶金工业中的热风炉就是这种型式。392.回转式结构：如图8-29为蓄热式回转式空气预热器，用于火电厂大型锅炉。布置在锅炉尾部烟道。结构：在巨大的转子上分成许多小格仓，格仓内充满蓄热体。转子绕中心轴承以3/4~5/4转/分旋转。工作时，烟气从通过烟道和转子截面的50%向下流出，冷空气从另一侧，经风道和转子截面的30~40%向上进入。转子每转一圈，蓄热板吸、放热一次，以实现烟气和空气之间的换热。特点：传热量大，结构紧凑，便于布置，可减轻低温腐蚀，便于清洗。40第五节特殊换热器为了适应高温、高压、高真空、深冷、有毒、有放射性和腐蚀性等工艺条件，需要用特殊材料制成的换热器。一、小型低温换热器网格式换热器：图8-31。结构：许多方形铜丝网与用低温胶浸渍的开孔纸片交替叠和组装（图8-32）压制而成，形成许多平行通道的刚性结构。工作原理：进行热交换时，气流在平行通道中流动。流道布置为：每一股气流的周围4股逆向流动，以保持最佳的逆流接触传热（图8-31）。412.孔板式换热器工作原理：与网格式换热器基本相同。结构：在结构上与网格式换热器不同之处在于，用开有许多细孔的薄铜片或薄铝片代替铜丝网，使用导热性能较差的材料（塑料或不锈钢）作为隔热衬垫，并用环氧树脂、低温胶粘接或经钎焊而成。其结构和断面如图8-33所示。42换热特点：①具有很大的比表面积与表面换热系数；②轴向间隔减小了纵向导热；③孔板与孔板之间的重集流效应（即气流穿过孔板以后，在衬垫开孔的空间混合重新分配）、因孔板的横向高导热性而减轻了气流不均所引起的效率下降。④多孔板可以显著提高换热器的紧凑度。⑤孔眼的长径比（δ/d=0.5~1.0）小，不能形成稳定的边界层，加之孔板错位，可提高效率。⑥使用镀银不锈钢，使导热效率略有降低。43二、新型材料换热器为了适应耐腐蚀性流体的需要，发展新型材料换热器。1.非金属换热器：主要有石墨、聚四氟乙烯和玻璃制作的换热器。（1）石墨换热器

优点：①石墨具有良好的物理、化学性能，高度化学稳定性；②耐酸和盐类溶液的腐蚀，线膨胀系数小，具有良好的抗热冲击性；③石墨不会污染介质；④对污垢的吸附力小，故容易清洗；⑤石墨导热系数高，据有良好的传热性能；⑥石墨便于加工，具有一定的抗振能力，可保持其机械性能。缺点：易脆裂，抗弯和抗拉性差。作为换热材料，要作不透性处理。形式：管壳式，块式，阶梯式，浸没示，套管式，板式、螺旋板式。44（2）聚四氟乙烯换热器

优点：化学性质稳定，抗腐蚀；表面光滑，不吸附污垢，抗污塞性能好。其传热面积大，可使结构紧凑，成本低。缺点：机械性能和导热性能较差；形式：管壳式，管束多。具有柔性，可做成各种方式。

（3）玻璃换热器：优点：化学稳定性好，耐腐蚀，表面光滑，不易结垢，易清洗，线膨胀系数小。缺点：机械强度差，加工性能差。形式：盘管式、淋盘式、管壳式、套管式、插入式。2.稀有金属换热器特点：材料较贵，有：钛、钽、锆等。其中，常用的是钛金属，具有较强的抗腐蚀性（除硝酸、盐酸、磷酸、氢氟酸外）用作海边电厂的凝汽器。钽金属：其承压、传热性能比石墨、玻璃好；其耐腐蚀和耐热性能超过钛。45第六节换热器的强化传热技术一、增强传热的基本途经

根据传热基本公式，可以通过提高传热系数K、增加传热面积F，加大传热温差t来实现。（1）增加传热面积F：合理提高单位体积的传热面积，如采用翅片管、波纹管、板翅式传热面等。（2）加大传热温差t：通过改变冷热流体的温度来改变传热温差；改变冷热流体的流动方式（逆流、顺流、错流）。（3）提高传热系数K：和材料本身的物理性质有关。46二、增强传热的方法1.改变流体的流动情况（1）增加流速：增加流速可以改变流动状态，提高湍流脉动程度。（2）加插入物：在管内安放或管外套装如金属丝、金属螺旋圈环，盘状构件、麻花铁、翼形物等形式的插入物，可增强扰动、破坏边界层，使传热增强。（3）加旋转流动装置：旋转流动的离心力使流体产生二次流，可强化传热。（4）依靠外来能量作用：有三个措施：①用机械或电的方法使传热表面或流体表面发生振动；②对流体施加声波或超声波，使之受到压缩或膨胀，以增加脉动而强化传热；③外加静电场，对流体加以高压以形成非均匀径向电场，可引起流体传热面混合，使对流换热加强。472.改变流体的物性：流体的物性对对流换热系数影响很大：（1）气体中加入少量固体细粒：可大大提高流体的热容量，固体细粒可使气体湍流增强；固体细粒有较强的热辐射能力。（3）在蒸汽或气体中喷入液滴：形成珠状凝结而提高换热系数。（4）液体中加入少量液体添加剂：如：水中加挥发性强的添加剂，可使空间沸腾换热系数增加40%左右；将能润湿加热面的液体作为添加剂加入换热液体，能增强增强沸腾换热；当传热面被油脂污染时会使沸腾换热系数严重下降；加入少量碳酸钠可使换热系数显著上升。483.改变换热表面的情况换热表面的性质、形状、大小对换热系数有很大的影响，通常可下列方法增强