新型换热器课件

1、Page 1,目录,Page 2,一、概述,冰箱,取暖器,Page 3,空调,电热壶,Page 4,冷却塔,Page 5,换热器的概念,在化工生产中，几乎每个生产过程都有热量传递（简称传热）。,进行热量传递的设备称为换热设备，也称热交换器或换热器。 换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10%40%。,Page 6,换热器的作用,加热原料,余热回收,冷却产品,如原油被加热,如汽油、煤油、柴油等产品的冷却,如常、减压炉顶部的烟气余热回收。,Page 7,换热器的分类,按用途分：,换热器,加热器,冷却器,蒸发器,冷凝器等,按冷热流体接触方式分：,混合

2、式换热器,蓄热式换热器,间壁式换热器,二、常见换热器简介,管式 换热器,套管式换热器,蛇管式换热器,管壳式换热器,1,套管式换热器,主要用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。,优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均 对数温差最大，可增减管段数量应用方便。,缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。,蛇管式换热器,喷淋式-冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。,优点：结构简单、造价便宜，能耐高压

3、，便于检修、清洗，传热效果好,缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。,蛇管式换热器,沉浸式-这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。,优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。,缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。,管壳式换热器,固定管板式,浮头式,U型管式,板式 换热器,夹套式换热器,螺旋板式换热器,平板式换热器,2,3,在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体；,主要用于两种流体对流传热系数相差较大的情况。,新型板翅换热器,新型肋片式双源双工道换热器,螺旋扭曲椭圆扁管换热

4、器,三、新型换热器,新型旋梯式螺旋折流板换热器,强化传热,研究新型高效率的换热器就是强化传热的过程。,由传热方程 Q=KAtm 可知：,增大传热系数K、传热面积A或传热平均温差tm，都能是热流量Q增加。,1、增大传热面积A,换热器单位体积内传热面积增大，传热将会得到强化。这通过改进传热面结构就能做到。,例如，采用小直径管，翅片管或者螺纹管等代替光滑管，都可以增大单位体积的传热面积。,2、增大传热系数K,对于在传热过程中无相变的流体，增大流速和改变流动条件都可以增加流体的湍流程度，从而提高对流体的传热系数。 此外，采用导热系数较大的流体以及传热过程中有相变的载热体，都能增大传热系数。,3、增大传

5、热平均温差tm,传热温差主要是由物料和载热体的温度决定，物料温度有生产工艺决定，不能随意改变；载热体温度则与载热体种类有关。,载热体种类很多，温度范围各不相同，在选择是要考虑技术上的可行性和经济上的合理性。,PART ONE,背景,结构原理,特点,发展前景,新型旋梯式螺旋折流板换热器,1,当前的螺旋折流板换热器主要采用 4 块扇形折 流板相互对接的结构形式，使流体在壳程形成近似 的螺旋状流动，这样基本上消除了传统弓形折流板 换热器的流动死区和节流，特别适用于要求低压降、 低污垢累积沉淀以及小诱导振动的情况，可以实现 换热器长周期高效率运行。,背景,然而，现有的螺旋折流板换热器在相邻两块折流板的

6、直边对接处会形成明显的三角区漏流，从而分流了主螺旋流道的介质流量，降低了介质流速和换热器的换热性能。 4 块折流板组成一个螺旋周期的结构安装困难，管束圆度和同心度不易保证，管束刚度也不太好。,新型旋梯式螺旋折流板换热器利用了折面板结构及直边重叠特点，该换热器只需用两块旋梯式折面折流板就能组成一个周期，定位和安装更加简单，可以保证换热器管束的圆度和同心度。,2,结构原理,原始的扇形折流板由标准椭圆切割得到，折流板的两直边相等并与标准椭圆的短轴对称，折流板夹角大于 90且随螺旋角的不同而变化。每块折流板与壳体轴线之间的夹角相同，在换热器壳体横截面上投影角为 90。,旋梯式折面折流板由一块大平板经过

7、两次弯折后形成，其中包含 3 个平面板（见图 b），平面 A 和C 与管束轴线垂直，平面B 与平面 A 和 C 的夹角相同，称为折弯角 。折弯处到圆心距离 S 与圆半径 R 的比值为折弯度=S/R 。折流板在壳体横截面的投影圆，其切割部分的高度L 与圆半径 R 的比值称为切割百分数 =L/ R 。换热器管束中折流板的安装如图 2 所示。,扇形螺旋折流板换热器中流体在壳体外侧和中心区域，轴向速度较大，说明此区域存在明显的轴向漏流，泄漏很严重，因此削弱了换热性能。,由上图可知：换热器在壳程外侧和中心区域速度较大，在折流板背面速度较小。,旋梯式螺旋折流板换热器中流体的速度明显比扇形螺旋折流板换热器大

8、。壳体外侧没有轴向流线且速度较大，说明此处流体为绕壳体的强螺旋流，流体切向速度很大，由此消除了泄漏。同时，流体在整个纵截面上的径向速度也较大，二次流（垂直于管束的径向流动）非常显著。,螺旋折流板换热器的壳程流体的流动方式为近似的螺旋状，可以分解为纵向和横向冲刷管束的速度，前者使流体沿管束轴向流动，后者使流体绕管束旋转流动，分别定义为 ：,VL=Va,VT=(Vr2+Vt2)1/2,式中：VL 是纵向速度，,VT 是横向速度，,Va 是轴向速度，,Vr 是径向速度，,Vt 是切向速度，,横截面 1、2、3 为换热器一个周期中典型的 3 个位置，分别位于一个周期最前端、1/4周期和 1/2 周期处

9、。,由上表可知：扇形螺旋折流板换热器纵向平均速度略小于旋梯式螺旋折流板换热器，横向速度速度明显小于旋梯式螺旋折流板换热器。横向冲刷管束的速度分量可以使径向的速度梯度增大并进一步破坏边界层，产生二次流，增加流体扰动，进而强化换热。,3,特点,缺 点,旋梯式折面折流板具有折面板结构及直边重叠特点，消除了换热器三角区漏流，改善了壳程 流场。与原始扇形螺旋折流板换热器相比，其壳程横向速度明显提高，流体流动为更接近连续的螺旋流动。,此类折流板加工困难，特别是对于大直径换热器，结构复杂、加工难度大，泵耗功率十分有限。,4,发展前景,针对这种换热器的缺点，今后需对其进行改进，改造成更适合工业生产方面的换热器

10、。,但是旋梯式螺旋折流板换热器消除了扇形折流板泄漏这一问题，因此在工业发展上前景广泛。,Page 33,一种新型的板翅换热器,背景,结构原理,特点,发展前景,Page 34,传统板翅换热器：,比表面积大,传热速率高,可多股流换热,可二次传热,特点,背景,在传统型换热器的基础上，新型换热器通过改变流道结构，增加了换热器内流体的湍流效应，最终达到促进换热器内热交换的目的。,结构原理,主要结构,翅片,导流片,隔板,结构,基本原理,传统板翅换热器：,基本原理,新型板翅换热器通过改变流道结构，使流道更复杂，人为添加了许多局部阻力，增强了流体的湍流，流体湍流性能增强，湍流耗散率增加，使新型流道的板翅换热器

11、传热性能大大提高。,特点,1.采用新型流道的板翅式换热器内部流体在各点处的压强高出2倍上下。 2.新型板翅式换热器的流体湍流性能以及湍流耗散率比传统流道结构的换热器高出近10倍。 3.新型流道结构导致不同流道处的流体速率、压强、湍动能等参数相差较大，明显提升了换热器内流体分布效果。,发展前景,板翅式换热器结构紧凑，轻巧，适应性强，并且传热效率高；但其易堵塞，不耐腐蚀。 可用于制冷与空调，汽车与航空工业等领域。 目前在工程机械、通用机械等领域，板翅式换热器被广泛应用于各种油、水、气体冷却器等。,PART THREE,背景,结构原理,特点,发展前景,新型肋片式双源（双工道） 换热器,新型肋片式双源

12、（双工道） 换热器,Page 43,背景,减少传统燃煤供暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗，大力推广使用包括可再生能源在内的清洁能源成为建筑节能工作和提高全社会能源使用效率的一个重要方面。,以多种能源为热源的热泵空调系统成为热泵空调系统研究和应用新的方向，甚至出现以多种能源为热源的复合热源式热泵空调系统。采用风冷式肋片穿套铜管以空气为热源进行换热，或采用种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管以流体为热源进行换热，这种换热方式皆是单一热源换热，不能够实现多种热源在台换热器中同时进行换热。,因此，能够融合风冷式肋片换热器和套管式换热器结构特点和换热性能，实现双源在双工道中复合利用，是复合热源

13、式热泵空调系统的最佳选择。,Page 47,工作原理,标题文字内容,单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容,图为新型肋片式双源（双工道）换热器结构图，该换热器根据风冷式肋片和套管式换热器的特点，以风冷式肋片换热器为基础，通过在换热管内部安装一根换热管实现双工道换热。,该换热器具有内套管管腔、,内管外壁与外管内壁之间和肋片与外管外表面之间个介质通道，其中内管管腔为液体热媒通道，内外管之间为热泵工质通道，肋片与外管外表面之间为空气流通通道，热泵工质可以同时与内管液体热媒和外管外表面的空气热媒进行双工道换热。,Page 49,特点,内外铜管支撑接触在 形转弯点无

14、缝焊接，使得热泵工质通道密封,端部分别 采用 形管平行连接，实现铜管流道连通。双 源流通工道采用15.88外铜管套连 9.52内铜管，内铜管和外铜管在端部通过形管对中通孔自支撑焊接,与现有研究的“气液双热源耦合换 热器”相比，该换热器采用双排盘管，18路水源流道，同程模式，进出热源采用25管道保证设计流速2t/h,发展前景,在理论研究和工程实践的基础上，对新型肋片式双源 （双工道）换热器作了系统的结构设计、加工工艺研究、换热性能实验。 该换热器不仅能够有效实现热泵工质，同时与内管液体热媒和外管外表面的空气热媒进行双工道换热，而且在复合源有效温差范围内，可有效实现对液体热媒和空气源的同时利用，提

15、升热泵机组的制热性能，最大限度简化系统，降低系统成本，减少设备占地面积。在双源、单源模式节能控制下，不仅可以实现机组在复杂情况下有效运行，（新型肋片式双源（双工道）换热器的最大换热效率在左右），而且该换热器在提高换热效率的同时可以有效解决外界恶劣环境下的机组结霜问题，满足不同地区各类建筑的供暖需求，对改善城市生态环境，提高村镇住宅环境质量，提供了一种新的方法和思路。,发展前景,双击添加 标题文字,（1）今后将用于建筑空调、 供暖以及生活用水的加热 。 （2） 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，将趋于更节能、耐用。,Page 52,概述,结构及原理,优缺点,发展前景,

16、概述,螺旋扭曲椭圆扁管双壳程换热器是近年来出现的一种新型高效的强化传热换热器，相比于传统的弓形折流板换热器其有着独特的优点。,Page 53,概述,对于扭曲管换热器的研究可以追溯到20世纪80年代,世界公认扭曲管换热器最早是由瑞典的Alards公司于1984年研发出来的,美国Brown Fintube公司的R.Donald Morgan等人对其结构进行了改进,并将其真正推广到石油精炼、化工、发电领域的工业应用中来。 进入二十一世纪以来,俄罗斯学者将数值模拟方法应用到扭曲管换热器的研究中来,对扭曲管的结构参数对于换热器的热工水力性能的影响进行分析，证明了数值模拟方法的有效性。,Page 54,概

17、述,Page 55,国外学者对于扭曲管换热器的最新研究成果还包括美国辛辛那提大学的Fady Bishara和MiHnd A. Jog等人的研究，换热管内的努塞尔数和摩擦因子与扭曲比和雷诺数的关系紧密，雷诺数较大时,传热效果得到明显强化。 直到20世纪90年代,国内才有关于螺旋扭曲扁管换热器的研究文献出现。,结构及原理,螺旋扭曲椭圆扁管双管程换热器：扭曲管是一种新型高效强化传热管型,1984年,由瑞典的Alards公司研制开发出来,后经美国Brown公司对其结构进行改进,特点是管子换热段的任一截面均为一个长圆,我国学者后又在其基础上幵发出一种截面为椭圆的螺旋椭圆扁管。,Page 56,结构及原理

18、,由于扭曲管的螺旋形结构，使得其纵、横截面呈现出交替放大、缩小的形状，正是由于这种特殊的结构，就使得其管内流体的速度变化非常剧烈，流体的湍流程度较普通的直圆管和椭圆管有了明显的提高，传热边界层被大大减弱，可以强化管内流体的传热。,结构及原理,由于扭曲管的螺旋形结构，使得其纵、横截面呈现出交替放大、缩小的形状，正是由于这种特殊的结构，就使得其管内流体的速度变化非常剧烈，流体的湍流程度较普通的直圆管和椭圆管有了明显的提高，传热边界层被大大减弱，可以强化管内流体的传热。,壳程流体流动状况,Page 59,结构及原理,概述,螺旋扭曲椭圆扁管双管程换热器：扭曲管换热器在管束中不设折流板，依靠扭曲管外缘保持螺旋线紧密接触来相互支撑。扭曲管紧密接触排列在管间形成了螺旋形流道。,Page 60,结构及原理,螺旋扭曲椭圆扁管双管程换热器：换热管任意水平截面为椭圆形。,Page 61,结构及原理,螺旋扭曲椭圆扁管双壳程换热器：扭曲管换热器于双管程换热器的结合！,Page