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1、热交器原理及应用,张老师 2010年9月15日,目录,一、绪论 1、换热器研究的意义与重要性 2、换热器应用领域 二、换热器原理及分类 1、换热器原理 2、按流动形式 3、按使用领域划分 三、换热器热计算方法和应用 1、计算方法 2、设计计算方法 3、校核计算方法 4、比拟设计计算方法 四、热交换器在制冷空调行业的应用 1、换热器形式与特点 2、应用领域 3、计算方法 冷凝器的设计计算 蒸发器的设计计算,5、用热平衡式求得另一个换热量值，同理此值也是不真实的； 6、比较两个换热量值，误差控制在2%5%以内，重新设定假设温度，重复15过程，直至两个换热量值的误差达到规定的误差范围内为止； 另外，
2、利用通常称之为传热单元数法，即-NTU法也可进行校核计算，其带来的计算误差要比前小得多。 1、换热器效能的定义是犹如所说的冷却效率，其关联式是： 上式中，T1，T2为热流体进出口温度， T3，T4为冷流体进出口温度，知道了效能比，就可分方便的得出未知的温度。 2、按顺流或逆流式计算效能：,3-1,利用传热单元数表示的效能计算公式与图线表结合起来使用，可大大简化计算工作量，如将其制成数据表的形式，在编程中应用，更可缩短计算时间和减少编程时间，减小程序量。上式3-3中的NTU式换热器设计中的一个无量纲参量，从某种意义上可说成是传热系数和传热面积之积的度量。 值得指出，当一侧流体发生相变时，由于(G
3、mCp)max趋于无穷大，因此上式3-4可改写成： 当两侧的水当量相等时，3-4、3-5可简化成：,3-6,传热单元数法计算换热器： 根据-NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知求NTU，而校核计算则是由NTU求取，计算方法与前讲的步骤一致。 在实际应用中，如已知了传热系数k，就不必再假设未知温度，那么这个传热系数k的选取，有两种途径，一是根据推荐的换热流体所能达到的传热系数范围，进行选取，如图表3.1所示。其次，如有数据库的实测数据，也可取得数据且很快完成计算。利用数据库进行计算的方法，这就是下面要讲的比拟计算方法。 比拟计算方法 比拟法称为计算的第三种方法，其是利用现有的
4、翅形、管子尺寸和结构布置形式作为母体，假设新设计的换热器，其设计工况和加工工艺等均和母体相同或类似，其传热系数与母体等同，然后进行设计的一种方法，这种方法，在企业中比较管用，它可缩短换热器的设计开发周期，且成功率比较高，但其最大的要求就是要有现成的换热器试验数据库，目前国内外大的换热器加工企业或公司均有这样的数据库。这对小企业或没有传热性能试验台的单位来说，由于没有数据库，因此应用难度较大，即便已委托某些单位进行测试得到的数据来进行类比，也有一个可信度的问题，相对来说成功率要差些，因此，在应用比拟法时应引起注意。 下面结合一个例题，来推出计算方法。,气气换热器设计 一、已知条件： 增压空气进口
5、温度 170 增压空气出口温度 55 增压空气流量 425kg/h 空气进口温度 25 空气流速 10m/s 芯子高 140mm 芯子宽 600mm 芯子厚 65mm 拟选用管子尺寸 657.8 mm 拟选用波带尺寸 波高7.08mm，波距3.5mm 二、计算量 增压空气流量 0.118kg/s 增压空气侧放热量,设两侧热量相等即,空气侧出口温度计算,按空气平均温度重新选取密度得1.194kg/m3，再计算空气侧出口温度,按空气平均温度重新选取密度得1.198 kg/m3,再计算空气侧出口温度,两者计算出口温度误差为0.1%，计算完成，即两侧的四个温度分别为,计算空气侧的吸热量c,计算热平衡误
6、差,计算对数平均温差,(按逆流计算),机算传热面积A(其中传热系数取25W/m2),实际选用的传热面积计算A1,扩张面散热面积Ac,管子散热面积At,总传热面积,设计和实际传热面积误差,注：考虑实用可靠，通常，设计的传热面积应放1.1倍的余量，其误差为,三、结论 因此，设计的传热面积应为4.389m2，从此数据来看，选用的管型和波形计算的传热面积偏小，因此，如有可能可减小管子高度，增加管子和波带，从而增加传热面积且其到强化管内的传热。 计算完毕。,顺流：两股流体平行同向流动。 逆流：两股流体平行逆向流动。 叉流：两股流体流动方向垂直。,四、热交换器在制冷空调行业的应用 1、换热器形式与特点 在
7、制冷空调领域使用的换热器，有多品种换热器使用，如在制冷制冰行业的换热器，既可以使用盘管换热器，也可使用套管换热器。而在空调应用领域，对冷水机组而言，其蒸发器、冷凝器既可以使用壳管式换热器，也可使用板式换热器等。其系统图如图4.1所示。,图4.1空调系统图,水冷却式冷凝器：在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以是一次性使用，也可以循环使用。水冷却式冷凝器按其不同的结构型式又可分为立式壳管式、卧式壳管式和套管式等多种。 空气冷却式冷凝器：又叫风冷式冷凝器，在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被空气带走。空气可以是自然对流，也可以利用风机作强制流动。这类冷凝器系用于氟利昂制冷装置在供水
8、不便或困难的场所。 水空气冷却式冷凝器：在这类冷凝器中，制冷剂同时受到水和空气的冷却，但主要是依靠冷却水在传热管表面上的蒸发，从制冷剂一侧吸取大量的热量作为水的汽化潜热，空气的作用主要是为加快水的蒸发而带走水蒸气。所以这类冷凝器的耗水量很少，对于空气干燥、水质、水温低而水量不充裕的地区乃是冷凝器的优选型式。这类冷凝器按其结构型式的不同又可分为蒸发式和淋激式两种。 蒸发冷凝式：在这类冷凝器中系依靠另一个制冷系统中制冷剂的蒸发所产生的冷效应去冷却传热间壁另一侧的制冷剂蒸汽，促使后者凝结液化。如复叠式制冷机中的蒸发冷凝器即是。,2、应用领域 换热器在制冷空调领域应用主要集中在两个部分，其一是制冷压缩
9、系统中的冷凝器、蒸发器、中间冷却器。其二是在空调系统中的换热器，如风机盘管、表冷器、 诱导器、新风机组中的换热器、水-水热交换器、水-蒸汽热交换器等。 3、设计计算 、负荷计算 要进行换热器的设计，首先须知道换热器的热负荷，就空调热负荷而言，主要有如下几部分：人体负荷、维护结构负荷、设备负荷、照明负荷等。而对于制冷系统冷负荷，主要包括：维护结构负荷(其与冷藏温度、地理位置、当地常年气象条件有关，如低温库或高温库等)、食品进入冷库的携带负荷(其与冷藏物品的种类有关)冷藏物的总容量、冷库的大小等有关。有关此方面的计算方法，可参阅相应设计手册。 、制冷空调冷凝器的设计计算 由上面图4所示，系统中的冷
10、凝器，是用来冷却来自制冷压缩机的高温高压气体的，其主要将高温高压气体冷凝成液态，其是一个相变过程，即在等压的情况下由气态凝结为液态。冷凝器的冷却方式有很多，有水冷的蒸发式、气冷式、蒸发式和淋激式等。,(1) 水冷式冷凝器 对于水冷式冷凝器主要有管壳式、套管式和板式冷凝器。对于管壳式又有立式和卧式之分，壳程的使用介质有氟利昂和氨。 a、立式 立式管壳式冷凝器，如图4.2所示。其外壳是用钢板卷制成立柱形的大圆筒，圆筒两边焊有管板，管板上开有圆孔，主要是插入散热管之用，散热管与管板连接的方式有涨管和焊接方式之分。冷却水自上而下在管内流过，介质在壳程绕行，由气态变成液态，储存于冷凝器的底部，经出液管，
11、到达储液罐内。冷却水在管程中流动。在冷凝器的顶端，配有水箱，使冷却水能均匀的分配给各管口，管口上装有倾斜式分水器，在结构设计时或焊接时，要尽量缩短露出部分的管子，因为管长的露出将导致水阻的增加。冷却水在管内壁作螺旋状向下流动，在内侧形成降膜水层，其充分吸收来自制冷介质的热量，是较典型的降膜换热方式，由他既提高了冷凝器的冷却效果，同时又节约了水量。 在冷凝器的外壳上，还装有多根功能管，如进气管、出液管、放气管、均压管、安全阀管等，与相应的管路连接。 立式冷凝器的优点是占地面积小，可设置在室外、清洗方便，且可在运行状态下对水一则的管路进行清洗。其缺点是冷却水消耗量较大。其较适合于水源充足、水质较差
12、的地区或场合，如舰船上等。,b、卧式 卧式管壳式冷凝器，如图4.3所示。其外壳是用钢板卷制成立柱形的大圆筒，圆筒两边焊有管板，管板上开有按一定排列的圆孔，主要是插入散热管之用(散热管的形式多为内肋管)，散热管与管板连接的方式有涨管和焊接方式之分。筒体两端有端盖，端盖内设有隔板，其根据设计要求，隔成多个流程，每一流程内的管子呈并联方式。介质在壳程绕行，由气态变成液态，储存于冷凝器的底部，经出液管，到达储液罐内。 在设计中，卧式冷凝器的流程通常设定为偶数流程，其最大的好处是进水和出水在同一端盖上，而在另一侧的端盖上，装有排气管，管上装有阀门，以便在充水时排尽冷凝器中的空气。下部装有排液口，在冬季时
13、，可及时排尽冷凝器中的积液。 卧式冷凝器根据使用介质的不同，其冷却管的材质也不同，对于氨制冷系统，考虑到氨对材料的腐蚀，多采用无缝钢管形式，其管子直径在2532之间。而对于氟利昂介质系统，多采用滚压肋片的形式，以此提高换热器的总传热系数。 卧式冷凝器的优点是传热系数高，冷却耗水量小，冷却水经冷却塔后可重复使用，对水资源比较紧张的地区又必须水冷的系统较为有利。其与立式冷凝器相比，占地面积要大。,c、套管冷凝器 套管式冷凝器的结构如图4.4所示。其结构为在较大直径管内套了一根或数根,图 4.4 套管式冷凝器 1、连接型管，2、内管，3、外管,铜管或带低肋的管子，并扭成螺旋形，制冷剂蒸汽从外管上部进
14、入套管，冷凝后的液态制冷剂由下部流出。冷却水由内管下部进入，由上部流出，水与制冷剂呈反向流动，形成逆流状态，增强了传热效果。 目前，套管式冷凝器在立柜式空调器制冷系统中应用较多。其次，作为制冷系统的中冷器也有使用。,船用钛合金冷凝器,d、板式冷凝器 开发板式冷凝器用于制冷行业，是一个创举，在初始使用时，由于加工工艺等诸多原因，只能用于系统内压力较低的系统。随着加工工艺的和设备的更新换代，板式换热器被广发应用于制冷系统中，其结构如图4.5、图4.6、图4.7和图4.8所示。,图 4.5 板式冷凝器,图 4.6 结构图,1,10 9 8,图 4.7 介质流程图,斜波纹片,双人字,人 字 波,图4.
15、8 板片形状图,e、钎焊板式换热器,图4.9,板式换热器设备是换热、换冷领域中最新型的设备之一。具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作维修方便等优点。并具有处理微小温差的能力。在化工、石油、电力、造纸、冶金、采暖空调等部门得到广泛的应用。已成功地取代了庞大、但效率较低的其它类换热器（如：列管式、容积式、螺旋板式等换热器）；是加热、冷却、热回收、快速杀菌等用途的良好设备。板式换热器的特点 高效换热（既传热系数高）首先，板片选用导热系数较高的材料：1.不锈钢耐酸钢；2.镍基合金；3.工业纯钛及处理的不锈钢等材料，经冷冲压为不同波纹型状结构，这样使流体在板间流动时能够不断改变流动方向及速度，形成
16、剧烈的湍流；在相同的工况下，其传热系数比一般钢制管壳式换热器提高3-5倍。 结构紧凑由于传热板片紧密排列，板间距较小，而板片表面经冲压形成的波纹又大大增加了有效面积，故单位容积中容纳的换热面积很大，占地面积明显少于同换热面积的管壳式换热器；同时相对金属消耗较少，重量轻，一般无需特殊的地基，而且现场装拆不用占额外空间。,可靠耐用板式换热器密封垫利用双密封结构原理，增加了胶垫与板片的内摩擦力，使滑动量大大减小；同时采用了较好的蜂窝状周边刚性结构，把胶垫紧紧锁在里侧，使得换热器密封性大大提高。同时板片采用各种耐腐蚀不锈钢、工业纯钛合金、高强度耐酸钢等板才冲压成型，并经着色探伤、水压试验等严格检查，质量可靠，耐各种介质腐蚀，不会串液。我公司还采用了独特的化学和电化学方法氧化和除去表面的a-铁素体和铁元素，并生成一层透明、致密、富铬以及比自然钝化膜厚100-300倍的转化膜，这种表面转化膜的物理、化学
