强化传热与换热器

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1、第六节 传热强化与换热器,传热的强化与削弱,根据传热基本方程,传热强化,增加传热温差,饱和水蒸气加热时，蒸汽压力，蒸汽温度；用水冷却时，水温温差；在冷热流体进出口温度固定不变时，可采用逆流操作以增加传热温差，等等。 物料温度一般由工艺条件给定，不能任意变动，而加热剂(或冷却剂)的进口温度往往也不能改动，如冷却水的初温决定于环境气候，而出口温度虽可通过增大水流量而降低，但会导致流动阻力的迅速增加，操作费用升高。 由热力学第二定律，传热温差越大，有效能的损失越大。为了降低有效能损失，应设法减小温差。,传热的强化,提高传热系数,(1) 提高冷热流体的两个给热系数； (2) 降低间壁热阻和污垢热阻。

2、金属壁的导热一般不构成主要热阻； 垢层热阻随使用时间而变大，常成为控制传热速率的主要因素，应防止结垢和经常除垢； 间壁两侧的对流传热热阻，若两个 存在数量级的差别时，应设法增加小的 (薄弱环节)，若两个 数值相近，应同时予以提高。强化对流传热应致力于减薄滞流底层的厚度，增强边界层的湍动程度。,传热的强化,提高传热系数,(1) 提高流体速度 hu0.8。如列管式换热器，可增加管程数来提高流速；增加折流挡板数来提高壳程流速。但pu2，用增加流速的方法来强化传热，是以增大泵耗为代价的，强化具有局限性。 (2) 改变流动状态 通过特殊设计的传热壁面不断改变流体的流动速度和方向，从而增强边界层的扰动，如

3、：粗糙换热表面；管内表面上加工螺纹槽，制成螺纹管或螺旋槽管，管内安装插入物 (麻花纽带) 等。 (3) 引入机械振动 使传热表面振动，或使流体振动，或是施加电场作用，目的是加强滞流底层的湍动。 沸腾和冷凝传热的给热系数已相当高，也有相应的强化传热理论和技术。,传热的强化,增大传热面积,增加传热面积的方法： 用螺纹管或螺旋槽管代替光管； 在园管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片。,由于扩展表面的温度低于基管的温度，传热量的增加率低于传热面积的增加率。 强化传热面：能导致 KA 增加的换热表面。,保温隔热技术,利用保温隔热材料对高温和低温设备进行保温隔热，以减少设备与环境间的热交换。 保温

4、材料：导热系数很低，导热热阻很大的材料。 判断热力管道保温效果的方法：,Q0 单位长度裸管的散热量，W/m； Q 单位长度保温层厚度为 的管子的散热量，W/m。, 保温效率,保温技术的一个重要方面，就是选择合适的保温材料，选用时应根据本地区的实际情况加以选用。,保温隔热技术,常用保温材料,换热器,按传热特征分： 间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积固定，热量传递为：对流-导热-对流的串联过程。 混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。 蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流体交替通过换热器的同一蓄热室。 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。 按

5、结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。 选取换热器时，应根据工艺要求选用合适的类型，还应按传热基本原理选定合理的换热流程，确定换热器的传热面积、结构尺寸以及校核流体阻力等。 对系列化标准换热器，需通过必要的计算 (A，p) 来选用。,间壁式换热器的类型和结构型式,夹套式换热器,主要用于反应器的加热或冷却，将反应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与反应器内的物料进行换热。,在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。 为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对

6、流。,间壁式换热器的类型和结构型式,浸没式蛇管换热器,结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。,当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅拌器。,间壁式换热器的类型和结构型式,喷淋式蛇管换热器,通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。 喷淋式换热器的最

7、大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,间壁式换热器的类型和结构型式,套管式换热器,结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活； 缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。,螺旋套管换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温

8、、高压和大型装置中采用更为普遍。,固定管板式换热器,结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。,间壁式换热器的类型和结构型式,U 型管式换热器,结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。 缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。,间壁式换热

9、器的类型和结构型式,U 型管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,浮头式换热器,我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，252.5mm换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。,结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。,列管式换热器的选用和设计,选用和设计中应考虑的问题,流体流

10、动通道的选择： (1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速提高 h 的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其 h 与流速无关； (6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； (7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在 Re100 即可达到湍流。 以上各点往往不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体

11、的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。,选用和设计中应考虑的问题,换热管规格及排列 ：,管径：d，单位体积设备内的A，但更容易堵塞。目前我国系列标准规定采用252.5mm, 192mm两种规格的管子。管长的选择以清洗方便和合理使用管材为准，我国生产的钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，以3米和6米最为普遍。 换热管的排列方式：等边三角形排列比正方形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，但正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45度放置，也可提高给热系数。,选用和设计中应考虑的问题,折流挡板 ：,

12、作用：提高管外的给热系数； 形状：园缺型、园盘型、分流型等； 挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。 挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外h ；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。,列管换热器的选用和设计的步骤,(1) 确定流动路径，由传热任务计算Q，确定流体进、出口温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取流体物性

13、，计算平均温差，根据 0.8 的原则，确定壳程数。 (2) 依据K的经验值，或按生产实际情况选定K估，由传热基本方程估算A估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在系列标准中选择适当的换热器型号。 (3) 根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压降，检查是否合理或满足工艺要求，若不符合，需调整流速，再确定管程数或折流挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压力降直至满足要求为止。 (4) 计算管、壳程的 h1 和 h2，确定 Rs1 和 Rs2, 计算 K计，A计，比较 A估 和 A计，若 A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需

14、另设 K估 值，重复以上步骤。,其他类型的换热器,板式换热器：,其他类型的换热器,板式换热器：,1.固定压紧板 2.夹紧螺栓 3.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板,板式换热器,结构紧凑，占用空间小 很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/31/5。 传热系数高 雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达30008000W/M2.K。 端部温差小 逆流换热，可达到1的端部温差。 热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率98%。 适应性好，易调整

15、通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。 流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护 板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。 结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。 低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。,板式换热器,缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130，压缩石棉垫圈也不超过250。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制

16、成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管。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园鼓的轴心上。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动。,螺旋板式换热器,按流道布置和封头形式可分为： I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流体均作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流入，形成完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。 II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。一流体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流体的流量相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使用。 III 型结构：一流体作螺旋形流动，另一流体则是轴向流动和螺旋流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷却。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器的特点,传热系数高 由于离心力的作用，可在较低Re数下出现湍流(Re=1400-1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达2000-3000