热交换器-绪论课件

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1、换热器原理与设计 (Principle and Design of Heat Exchangers) 学时：32 学分：2.0 教材：热交换器原理与设计 第四版 史美中 王中铮编 东南大学出版社 2009年 参考书目： 1.热交换器原理与设计 余建祖编著， 北京航空航天大学出版社， 2006年 2.换热器董其伍 张垚等编，化学工业出版社，2009 3.换热器设计技术，沙拉，赛库利克著（美），机械工业出版社，2010,本课程是热能与动力工程专业的一门重要专业课。热交换器又称换热器，是能源、动力、化工、冶金等各工程领域普遍使用的基本设备。 设置该课程的目的在于使学生获得一定的有关热交换器原理与设计

2、的理论知识、相应的设计和计算能力。它不仅可以巩固学生所学专业基础理论知识，同时也是培养学生分析和解决工程实际问题能力的重要环节之一。,课程的性质和目的,课程主要内容,1. 绪论 2.热交换器计算的基本原理 3.管壳式热交换器 4.高效间壁式热交换器,第0章：绪论,换热器的重要性 换热器的分类 换热器设计计算内容,定义： 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备称为热交换器。 从定义中可知，至少有两种温度不同的流体参与传热，一种流体温度较高，放出热量，另一种流体温度较低，吸收热量。,0.1 研究热交换器的重要性,2.热交换器在工程中广泛应用 动力工业中锅炉设备的：过热器、省

3、煤器、空气预热器； 电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔等等； 制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器； 冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；,0.1 研究热交换器的重要性,核电站中，蒸汽发生器，各种加热器，蒸汽冷凝器等换热器。 在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，热交换器也是不可缺少的重要部件。 制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。,热力发电厂中换热器的型式和传热机理,在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。 （1）石油化工行业，换

4、热器的投资要占到建厂投资的1/5左右，重量占工艺设备总重量的40。 例如：广州石化有一条年产30万吨的乙烯装置，换热器的投资就占到总投资的25。 （2）在一些大中型炼油企业中，各种热交换器的数量达到300500台。 （3）管壳式热交换器的最高压力达84MPa，最高温度可达1500，外形长达33m。,0.1 研究热交换器的重要性,0.1 研究热交换器的重要性,在各个生产领域，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确地设计与使用热交换器密不可分。,换热器在节能中的作用： 换热器是合理利用与节约现有能源，开发新能源的关键设备： 生产工艺流程中使用着大量

5、的换热器，提高其效率，可显著减少能源消耗； 用换热器回收工业余热，可提高设备的热效率。,3. 工程应用中对换热器的基本要求 (1)满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失少（换热器效率要高）； (2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，结构安全，运行可靠，制造简单，装修方便，经济合理； (3) 设备紧凑，节约空间，节约材料等； (4) 保证较低的流动阻力，以减少热交换器的动力消耗。（泵与风机的功耗）。,0.1 研究热交换器的重要性,4. 热交换器的研究与传热学研究的关系 热交换器的发展为传热学研究提供了日渐广泛而深刻的课题，而传热学的研究又为热交换器在传热性能和设计方面

6、提供切实有效的数据和计算方法。,0.1 研究热交换器的重要性,热交换器和传热机理之间的关系是互相促进、 不可分割的。,4. 热交换器的研究与传热学研究的关系 热交换器的研究又有别于传热学的研究，热交换器自身存在着从原理、设计到测试所构成的一个完整的内容体系，它包含着传热学所没有包括的流体力学、工程力学、材料科学等领域以及设计方法、设备结构、测试技术、计算和优化技术等方面的问题。,0.1 研究热交换器的重要性,热交换器对传热虽有其依赖关系，但又有其相对的独立性。,热交换器深入的研究内容 (1)强化传热机理的研究和新型热交换器的研制 ； (2)流体热物性的研究 ；（纳米流体） (3) 制造材料和防

7、腐蚀技术的研究；（材料与保护） (4) 结垢和防垢技术的研究； (5)设计工作的自动化和制造技术的研究； (6)振动与防振措施的研究； (7)测试技术的研究； (8)换热器标准的制定研究等等。,0.1 研究热交换器的重要性,本课程研究内容 各类常规热交换器的工作原理、设计方法及性能测试方面的基本知识。,管壳式热交换器,板式热交换器,螺旋板式热交换器,板翅式热交换器,翅片管式热交换器,0.1 研究热交换器的重要性,1. 按照用途来分类 （1）加热器：用于把流体加热到所需温度，被加 热流体在加热过程中不发生相变。 （2）预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺 装置的效率。 （3）过热器：用于加热饱

8、和蒸汽，使其达到过热 状态。 （4）蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。,0.2 热交换器的分类,（5） 再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再 受热汽化。为蒸馏过程专用设备。 （6） 冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。 （7） 冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放 出潜热而凝结液化。 （8） 再热器：用于电厂再热循环。 （9） 回热器：用于冷凝液的过冷。 （10）省煤器：用于加热锅炉的给水。,0.2 热交换器的分类,2. 按照制造的材料分类 （1）金属材料换热器 由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换

9、热器的传热效率高。 （2）非金属材料换热器 由非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。,0.2 热交换器的分类,3.按流动方向分类,1. 顺流式,顺流：参与换热的两种流体在传热面两侧以相同的方向流动；,逆流：参与换热的两种流体在传热面两侧以相反的方向流动；,0.2 热交换器的分类,3.错流：（又称叉流式）参与换热的两种流体垂直交叉流过传热面两侧。 （当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体的总流动趋势看成逆流或顺流）,4. 混流：（又称杂流式）两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。,0.

10、2 热交换器的分类,0.2 热交换器的分类,4.按传送热量的方法分类,分成间壁式、混合式和蓄热式（热交换器最主要的一种分类方法）,（1）间壁式 冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。适于冷、热流体不允许混合的场合。本课程重点介绍此类换热器。如各种管壳式、板式结构的换热器。,0.2 热交换器的分类,（2）混合式（又称直接接触式） 冷、热流体通过直接接触换热。 典型的例子是冷却塔（冷水塔、凉水塔）， 喷射式热交换器。,0.2 热交换器的分类,由于两种流体混合，应用受限制,（3）蓄热式（又称回热式） 冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。 借助于热容

11、量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。特点是结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。,0.2 热交换器的分类,用于炼焦炉、马丁炉、锅炉、空气预热器,0.2 热交换器的分类,高温空气燃烧技术,0.3 各种类型的间壁式热交换器,异型特殊型式的热交换器,间壁式 热交换器,管式热交换器,板式热交换器,1. 沉浸式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,特点：液槽内液体体积大，流速低，管外液体

12、中的传热以自然对流方式进行，传热温差不大，对工况不敏感。 缺点：传热系数低，体积大 优点：构造简单，制作修理方便，易于清洗，由于更换管子方便，它还适用于有腐蚀性的流体。,2. 喷淋式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,把冷却水直接喷淋到管外表面上，使管内的热流体冷却或冷凝,优点：结构简单，易于制造和检修，便于清除污垢，换热系数和传热系数比沉浸式大，传热效果好，适用于高压流体的冷却或冷凝，耐腐蚀流体的冷却。 缺点：冷却水用量大，当冷却水过分少时，下部管子不能被浸润，并且几乎不参与热交换，不适用石油产品和有机物，金属耗量比较大。,3. 套管式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,套管

13、内管内径：38-57mm 套管外管内径：76-108mm 套管有效长度：4-6米,优点：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热；改变套管根数，可以增减热负荷；做成内管可抽出的套管，易于清除污垢。 缺点：流动阻力大，金属消耗多，体积大，多用于传热面积不大的换热器。,4. 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）,0.3 各种类型的间壁式热交换器,4. 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）,0.3 各种类型的间壁式热交换器,4. 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）,0.3 各种类型的间壁式热交换器,优点：结构坚固、易于制造、适应性强、处理能力大、高温高压下也可应用、清洗方便 缺点：材

14、料消耗大、不紧凑 应用：工业上用得最多，历史悠久，占主导地位,4. 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）,0.3 各种类型的间壁式热交换器,5. 板翅式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,隔板，翅片，封条 冷热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片联成一体的隔板进行热交换。,0.3 各种类型的间壁式热交换器,热交换大部分通过翅片，“二次表面” 结构紧凑、轻巧、传热面高4300m2/m3； 流道狭窄，容易堵塞，结垢后清洗困难，工作压力、温度受一定限制。,6. 翅片管式热交换器（肋片管式热交换器）,0.3 各种类型的间壁式热交换器,常用于空冷器 翅片管外走空气，液体走管内,0

15、.3 各种类型的间壁式热交换器,肋化系数可达25；传热系数可提高12倍 结构较紧凑、适于两侧流体表面传热系数相差较大时 肋片侧流动阻力大、可能有较大的接触热阻,7. 平行板式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,传热板片，密封压片，压紧装置，轴、接管等,0.3 各种类型的间壁式热交换器,并联,串联,7. 平行板式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,优点：板片波纹表面形成复杂的二维或三维流动，加强流体扰动，低雷诺数下形成湍流，传热系数高；紧凑性好（为管壳式3倍）；清洗、检修方便；使用灵活，可实现三种以上流体之间的热交换 缺点：操作压力、温度受结构的

16、限制，0.6MPa以下，120-150度,8. 螺旋板式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,0.3 各种类型的间壁式热交换器,螺旋形传热板，隔板，头盖，连接管 两流体均匀螺旋流动 一侧流体螺旋流动，另一侧流体只作轴向流动,0.3 各种类型的间壁式热交换器,微尺度换热器,主要应用于微电子领域 在嵌入式技术及高性能运算依赖程度较高的航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域,微通道换热器将有具广阔的应用前景。,微尺度换热器,换热器的发展,早期：由铸铁管组装的管式换热器 初步发展：各种类型管式换热器发展迅速 迅速发展时期： 管式换热器，板式换热器，蓄热式换热器，热管 新型材料换热器：石墨、聚四氟乙烯、钛制 其它新型换热器：流化床型管式换热器，多孔物质换热器，同心圆管式换热器,换热器的发展,换热器的发展趋势： 提高传热效率 提高紧凑性 降低材料消耗 增强承受高温、高压、超低温、耐腐蚀能力 减少污塞，便于除垢 扩大容量灵活性 增长使用寿命，提高安全性 降低生产成本 采用新材料、新工艺,热交换器设计计算的内容如下： 1）热计算（