《能源与动力装置》08 热质交换设备

第八章

热质交换设备

热质交换设备：将热量以一定的传热方式从热流体传递给冷流体的设备，其间可伴随有质量的传递。第二节表面式换热器参与换热的冷、热流体之间有一固体壁面，两种流体恒在固体壁面的两侧流动，热量通过壁面进行传递，间壁式换热器。具体结构的不同，它又可分为管壳式、板式、翅片管式、板翅式、旋板式和热管换热器等多种形式。结构特点：有一圆形外壳，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道部分称为壳程或管间。优点：结构简单、造价低廉、选材范围广、清洗方便、适应性强。处理能力（容量）大、适应高温、高压能力强，是应用最广的一种换热器。结构分类：固定管板式、浮头式和U型管式（含套管式）三类。管壳式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器缺点：壳程清扫困难、适应热膨胀能力差

带膨胀节的固定管板式换热器膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。2023/5/287在螺旋折流板换热器中，折流板成螺旋状，使壳侧流体沿着壳体的轴线螺旋状地前进。由于连续的螺旋折流板制造加工困难，一般将一个螺旋分割成为4块首尾相接的扇形。(a)折流板(b)折流板与壳体（管子未示出）螺旋折流板换热器示意图2023/5/288下图是折流板组建的照片，折流板上的小孔是换热管穿过的地方。螺旋折流板换热折流板组件照片2023/5/289在折流杆换热器中用一组折流珊代替垂直折流板。这里用一组纵横间隔放置的细杆来固定换热器管子，使壳侧流体的流动阻力大为减小。(a)折流杆芯体(b)折流珊折流板换热器示意图2023/5/2810折流杆换热器的芯体照片浮头式换热器

内浮头式换热器填函式换热器优点：抗热膨胀能力强，便于清洗。应用：管壳间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。缺点：结构复杂、填函式滑动面处在高压时易泄漏，使应用受到限制。内浮头式换热器填函式换热器U型管式换热器优点：1、每根U形管均可自由膨胀而不受别的管和壳体的约束，故弹性大、热补偿性能好；2、管程流速高传热性能好、承压能力较强、结构紧凑、管束可抽出便于安装检修和清洗等。缺点：制造较繁、管侧流阻较大、管内清洗不便、中心部位管子不易更换、因最内层管子弯曲半径不能太小限制了管板上排列的管子数目等。应用：壳间温差大，压力高。但管程流速受允许压降限制较大，管内外介质要求无腐蚀性和结垢性。K-type热交换器套管式换热器特点：结构紧凑、制作简单，纯逆流换热，传热温差大，但流动阻力损失大，除垢困难，适用于换热量较小的场合。制药用套管式换热器缠绕管换热器特点：壳侧可耐高压，可实现多股流换热，结构紧凑。板式换热器板式换热器流程组合

串联并联混联板式换热器流程组合

串联并联混联板式换热器流程组合

串联并联混联典型的传热板片板式换热器人字波纹片双人字波纹片斜波纹片板式换热器的优缺点结构简单，制造组装方便。只要改变传热板片的数量就可以得到不同的换热量。传热效率高，容易形成旺盛湍流，传热系数可达2000到5000W/(m2K)。体积少，重量轻，价格便宜。结垢少。可拆卸，便于清洗维护。对流动介质要求高。不耐压，一般情况下最大允许压力为1MPa，最多2MPa。钎焊式板式换热器

所有密封部分均依靠真空钎焊完成最大工作压力为3MPa翅片管式换热器带纵向肋片的翅片管带径向肋片的翅片管各种形式的翅片管各种形式的翅片管整体式翅片管，由铸造、机械加工而成，翅片与管子一体，无接触热阻，强度高。制作成本高，适用于低翅片。焊接翅片，采用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可将不同材料的翅片与母体管连接在一起。传热性能与机械性能好，价格居中。套片管结构绕片管结构机械连接翅片管：经济，翅片和管子材料可以任意组合，翅化比可达40，加工不好会产生较大的接触热阻。强制对流的风冷冷凝器

自然对流的风冷冷凝器

汽车用的平板翅片换热器板翅式换热器多股流板翅式换热器在液化天然气中的应用流程组合三股流板翅式换热器板翅式换热器单元体分解图

部分热量由翅片经隔板传出，部分热量由隔板直接传出导流板（片）的布置型式翅片型式

板翅式换热器的特点传热能力强。翅片对流动的扰动增强传热。结构紧凑，单位体积传热面积可达1500~2500m2/m3，相当于管壳式的十几倍。轻巧牢固。例如0.7mm厚的隔板和0.2mm厚的翅片配合可承压3.9Mpa.适用性广。对于气气换热有明显改善；铝合金板翅式换热器的低温延性和抗拉性好；可以实现多种介质在同一换热器内换热；最高压力目前可达4.9MPa,已可用于300~5000C。结构复杂，造价高，流道小，易阻塞，清洗维修困难，对介质要求高。螺旋板式换热器

海水汽化器海水汽化器六、热管换热器

典型热管的结构原理图

热管的传热六个同时发生而又互相关联的过程：1.热量从热源通过壳壁和充满液体工质的吸液芯传递到液－汽分界面上；2.液体在蒸发段内的液－汽分界面上蒸发；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；5.热量从冷凝段内的汽－液分界面通过吸液芯和壳壁传给冷源；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。加热段毛细压差为:冷凝段毛细压差为:热管液－汽分界面的形状

热管才能正常工作蒸汽从加热段流向冷却段的压力损失冷凝液从冷却段回流到蒸发段的压力损失重力对液体流动引起的压力损失热管的工作特点1．很高的导热性，在一定的温度下，其导热率约相当于铜40~10000倍。2.优良的等温性

3.热流密度的可变性4.热流方向的可逆性

5.热二极管与热开关性能

6.环境的适应性

单管组合式热管换热器

1-加热炉2-扰流子翅片管空气预热器3-热管空气预热器4-鼓风机5-引风机6-烟囱热管余热回收系统回转式热管换热器

电脑散热用热管包括前散热器和后散热器各一个，热管一条，两款大型的散热片，以及其他配件。显卡热管散热器2023/5/2856装上散热器的金邦黑龙1GBDDR2-1066内存分离式热管CPL美国第五代CCPL分离式热管换热器LHP分离式重力式热管换热器第三节

混合式换热器

混合式换热器是依靠冷、热流体直接接触进行传热的，冷热介质间没有固体传热面，也可称为直接接触式换热器。优点：结构简单、材耗较少、不存在传热面带来的热阻（包括污垢热阻）、过热或腐蚀等问题。有挥发性液体，则同时存在温差传热和传质传热两种机理，即气液温差引起的显热传递和液体汽化（或蒸汽冷凝）引起的潜热传递。无挥发性的液体，在液气接触面上不产生蒸发或凝结，故只有显热传递。实质上混合式换热器的特点就是传热传质同时进行。

冷水塔薄膜多边形冷水塔电厂双曲线形冷却塔

混合式冷凝器

液柱式液膜式填料式喷射式液体分配器槽盘式液体分布器冷却塔填料丝网波纹填料丝网波纹填料是规整填料发展的一个重要里程碑，这种填料由压成波纹的丝网片排列而成，波纹片倾角30°或50°，相邻两波纹片方向相反，在塔内填装时，上下两人盘填料交错90°叠放。具有高效、压降低和通量大的优点，产品有BX、CY型，常用于难分离和热敏性物系的真空精馏，常压精馏和吸引过程第四节

蓄热（冷）式换热器

蓄热（冷）式换热器：冷、热流体交替地流过装有固体填料的容器，依靠构成传热面的物体（填料）的热容作用（吸热或放热），实现冷、热流体之间的热交换。蓄热式换热器有固定型（阀门切换型）和转动型两种。蓄热（冷）式换热器蜂窝陶瓷体突出优点：蓄热体由多孔型或板型传热面构成、单位体积传热面大、重量轻；结构紧凑，便于设备布置；蓄热板常处于高温，可减轻传热面的低温腐蚀，此外它的转子高度小，易于吹灰且蓄热板周期性地通过清洁空气，有自清扫作用。主要缺点：结构较复杂，机加工工作量大；由于挟带、内部泄漏等原因造成漏风量很大，可达20%甚至更大。因此，密封问题就成为该种换热器的主要研究课题。回转式蓄热器的优点回热器热机典型的自由活塞斯特林热机第五节特殊换热器为适应高温、高压、高真空、深冷、有毒、有放射性和腐蚀性等各种工艺条件，换热器的形式和材料也日新月异，特殊形式的换热器就是指那些在传热、流动及制造工艺等方面采取了新型结构，以及采用特殊材料制造的换热器。一、小型低温换热器1、网格式换热器

浸胶纸垫结构图2、孔板式换热器

二、新型材料换热器

新型材料换热器是为了适应强腐蚀性流体的条件而发展起来的。结构与上述各种形式的换热器基本上是大同小异。从材料上考虑，则可分为非金属材料和稀有金属材料两类。而稀有金属换热器又是针对高温和高压条件下的强腐蚀性流体的换热问题。1、非金属换热器石墨、聚四氟乙烯和玻璃、陶瓷等。

2、稀有金属换热器

钛、钽、锆制

第六节

换热器的强化传热技术

一、增强传热的基本途径

传热的基本公式：Q=KF△t1、提高传热系数K2、扩展传热面积F3、加大传热温差△ta二、增强传热的方法

1．改变流体的流动情况

1）增加流速

2）加插入物

3）加旋转流动装置

4）依靠外来能量作用①、用机械或电的方法使传热表面或流体发生振动。②、对流体施加声波或超声波。使之交替地受到压缩和膨胀，以增加脉动而强化传热。③、外加静电场。对于参与换热的流体加以高电压而形成一个非均匀的径向电场，这样的静电场能引起传热面附近电介质流体的混合作用，因而使对流换热加强。

2．改变流体的物性