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1、第二章：通用节能设备第一节：换热器 一、定义换热器装置叫换热器，广泛用于加热、冷却、蒸发、冷凝和余热回收 等工艺过程。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热 量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器 的材料具有抗强腐蚀性能。 二、分类直接式 套管式换热器 管壳式列管式间接式（间壁式） 纹管式 板片式板式螺旋板式（一）管壳式1、套管式换热器：套管式换热器的特点： 可逆流操作；传热量截流体流量不大的冷却器，冷凝器，由于安装有可拆装的膨胀技术，故运用于高压1内管2外管3180回弯 和高温流体且易于处理污垢；管子的材料可为金属和非金属；传热系 数（w/m2.
2、k）随流体、工作压力及管材不同差别较大（102450）。2、列管式换热器列管式换热器主要由壳体、管板、管束、封头、流体进出口管等部件 组成。为了提高管程的流体流速，可将管子分成若干组，即为多管程； 同理，为了提高壳程的流体流速，可在壳体内安装横向或纵向折流挡板。 1壳体 2管板 3管束4封头5挡板列管式换热器得特点：1、主要优点是结构简单、坚固、材料范围广、处理能力大、适应性强 、操作弹性较大、尤其适用于高温高压情况。2、换热表面容易清洁，适应性强。3、与某些新型换热器相比，其传热效率及设备的紧凑性差些，单位传 热面积的金属消耗量多些。但在目前的化工生产中列管式换热器仍然占 有非常重要的地位。
3、4、换热量随流体特性、流速、压力及管材不同变化较大（103500） 。 3、纹管式换热器用于管内流体的冷却、冷凝，换热系数较高（6003500）。生产规模不 大。（二）板式换热器板式换热器包括板片式和螺旋板式两种。1、板片式换热器板片式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。它具有换热 效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用 广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式 换 热器高3-5倍，热回收率可高达90%以上。板片式换热器是加热、冷 却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备 。2、螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽汽、汽液、液液，对液传热。它
4、 适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦 化等行业。按 结构形式可分为 不可拆式（型）螺旋板式及可拆式（ 型、型）螺旋 板式换热器。 三、评价换热器内传热过程的性能指标（一）、换热器热效率t 冷介质获得的热量Qc与热介质所放出的热量Qh 的比值。Qh=mh*Cph*（th-t“h）Qc=mc*Cpc*（t“c-tc）Ql=Qh-Qct=0.9799%（二）能量系数换热量Q与热、冷介质流动所消耗功率N之比，称为能量系数。该指标反映了换热器运行经济性的指标或介质流动损失的程度。 （三）换热器的效能常用冷介质所获得的热量与热介质可能所放出的最大热量之比称之为 换热器的效能。换
5、热器的效能证明热介质可传热量中有绝大部分得到传出，反映了换 热器传热性能的好坏。（四）换热器的火用效率假设换热器与外界无热、功的交换（无外部控系）。对于热介质的火用平衡方程为：热介质热导纯系数对于冷介质的火用平衡方程为：为换热器的温度火用效率为换热器的压力火用效率四、影响换热器内传热过程的因素从换热器火用的公式可以看出，换热器的保温情况、热冷介质 的温差、温度水平及压力控制等都会影响换热器内传热过程的 性能。（一）传热温差的影响升高时， 随着升高， 升高（二）传热温度水平的影响升高或者 升高时， 随着升高（三）压力控制的影响五、换热器系统分析简介（一）目的：根据换热器内传热过程能量利用的分析，
6、找出问题，调整工艺流程 及热冷介质参数进行改进，这样能实现能量有效利用与节能。（二）方法：以示火用图为工具，由原始工艺流程出发，结合技术的可行性与经 济的合理性，分析与建立换热器系统的节能型工艺流程与结构。（三）示火用图1-T0/THEQxEl1-T0/THh1 h2C1 h1 1C21-T0/Tabc12ABCElH第二节：热管一、热管的定义：按较精确的定义，应称之谓“封闭两相传热系统”，即在一个封闭的体 系内，依靠流体的相态变化（液相变为汽相或汽相变为液相）来传递热 量的装置。众所周知，当某种介质由液相变为汽相（如水蒸发或沸腾）时，会吸 收热量；而当介质由汽相变为液相（如蒸汽的凝结）时，会
7、放出热量。 将这两种过程巧妙地结合在一起，并置于封闭的容器内，就构成了一个 先进的传热元件-热管。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。 二、热管结构与工作原理：热管一端受热 时管内工质汽化 ，从热源吸收汽 化热，汽化后蒸 汽向另一端流动 并遇冷凝结向散 热区放出潜热。 冷凝液借毛细力 和重力的作用回 流，继续受热汽 化，这样往复循 环将大量热量从 加热区传递到散 热区。热管内热 量传递是通过工 质的相变过程进 行的。v热管的特点：1， 高导热率。 热管的导热率比常用的导热金属材料铜铝高几个数量级 ，从前面表中可以明显的看出，
8、由于热管内部是靠工作液体的汽、液相 变传热，热阻很小；因此轴向的导热性能极高，但是热管的径向导热能 力一般。 2， 等温性好。 热管工作时热管内腔的工质温度总是处于饱和状态，饱 和工质的气态液体温度是相等的，但是气、液两相的转变时会吸收或释 放很大汽化潜热，所以理论上热管可以在等温度情况下传输很大的热量 ，其外在的宏观表象就是热管的等温性非常好，热管在轴向的温度几乎 相等。 3， 热流方向可逆性。 一根有吸液芯的热管，只要芯的毛细力足够，热 管两端即无所谓加热或者冷却端，任意一端温度高于另一端，热量都会 开始传递，从而使两端的温度趋于相等。 4， 热二极管。 没有吸液芯的热管典型的如太阳能用重
9、力热管，由于没 有吸液芯结构，管内工质只能靠重力单向循环，热量只能从下方传递到 上方，而不会在夜间或冬天将已收集的热量反向传递损失掉。5，热开关性 当热管温度低于液体工质的凝固点时热管停止工作；当热 管温度高于工质的临界温度时，热管内充满了过热蒸汽，管内没有相变 传热过程，热管停止工作，所以热管的工作温度在凝固点与临界点之间 。6，热流密度可变性 热管可以独立的改变冷热两端的传热面积，即以较 小的加热面积输入热量而以较大的冷却面积输出热量，或者相反；这样 即可以改变热流密度，解决一些传热方面的难题。7，具有极强的对环境适应能力8，具有结构简单、重量轻、工作可靠、维修量少、寿命长以及运行无需 动
10、力等特性。三、热管换热器的特点：a. 热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全 分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因 发生破坏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺 杂。所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀等流体的换热场 合具有很高的可靠性。b. 热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易 的实现冷、热流体的完全逆流换热；同时冷热流体均在管外 流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数 ，且两侧受热面均可采用扩展受热面。用于品位较低的热能 的回收非常经济。 c. 对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构 尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损
11、堵灰问题。 d.热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时，可以 通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度， 使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。 四、热管的工作特性：热管的工作能力与其影响因素之间的关系，就是热管的工作特性。（一）热流极限1、粘性极限在毛细吸力或重力一致时，随着热流量的增大，蒸汽的流量及凝结液 的回流量都增大。反之，流动阻力增大，当流动阻力增大到与毛细抽力 或重力相等时，蒸汽就不能流动，凝结液也不能回流。这时热管的热流 量就是粘性极限。更确切的说，粘性所限制的凝结液回流量与蒸汽流通 量二者的最小热流量就是粘性极限。QTABCDEF根据理论推导得其热流密度极限为：蒸汽通道
12、的直径(m) ; r工作液的汽化潜热(J/kg)；蒸汽的密度（ ）； 蒸汽的压力（ ）； 热管的有效长度，分别为蒸发段、冷凝段、绝热段的长度（m）； 蒸汽的动力粘度系数。2、声速极限当热管内蒸汽的速度变大，而且和蒸汽声速相比变得可观时，惯性 力和可压缩性影响成了主要因素，蒸汽流动可以看成无粘性可压缩流动 这时蒸汽的流动中可能会出现气体动力学中所述的阻塞现象，蒸汽的质 量流量受到了限制，从而限制了传热量，这种形式限制的传热量，称为 声速极限。声速极限的热流密度为：r工作液的汽化潜热；R工作液的气体常数；分别为达到声速时蒸汽的压力、绝对温度和密度3、携带极限热管工作时，蒸汽与液体的流动方向相反，蒸
13、汽流动的惯性力在汽 液界面上对液体成剪切作用，有把液体从输液芯表面拉走的趋势，而液 体靠其表面张力阻拉。随着液体流量的增加，蒸汽流速增大，其剪切作 用增强。当蒸汽流动的惯性力能克服液体的表面张力，将液体粒从汽液 界面上拉出来，并携带至冷凝段，这时的热流量就是携带极限。携带极限的最大热流密度为：蒸汽通道段面积；r工作液的汽化潜热；液体表面能力；蒸汽密度；输液芯表面毛细孔的水力半径4、毛细极限当蒸发段的蒸发量等于毛细吸力使冷凝液回流量时的热流量，这时 的热流量就是毛细极限。根据毛细理论，液体阻力与流体粘度流量成正 比，与流体截面积成反比。与工作液的流动状态也有一定关系，层流流 动、紊流流动与蒸汽流
14、动阻力与蒸汽流量及粘度成正比，与蒸汽流道半 径的四次方成反比。毛细吸力与表面张力成正比，与孔隙的半径成反比 。毛细吸力容许的凝结液最大回流量输液芯最大的毛细吸力为：由此可得毛细极限的最大热流量为： WK输液芯的渗透率； 输液芯的横断面积； 毛细孔的有效半径； L热管长度;Q热管放置的倾角； 热管有效长度；工作液的动力粘度系数5、沸腾极限热管工作中，当蒸汽段的经向热流量很大时，将会使输液芯由工作也沸腾 产生气泡堵塞毛细孔，减弱与破坏毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足 蒸发的要求而干涸，也会导致管壁温度升高，破坏热管正常工作，甚至焚毁的 现象。因此，当输液芯由沸腾产生气泡可以顺利排出，热管能正
15、常工作的最大 经向热流量，就是沸腾极限。W浸满工作液的输液芯的有效导热系数；热管蒸发段长度； 蒸汽温度；分别为热管管壳的内径与蒸汽腔直径气泡核心半径， 饱和温度；初始沸腾时的径向温差，或叫临界过热度；毛细吸力。（二）流动阻力工作液与蒸汽的流动阻力对热管的性能有很大影响。凝结液能否及时 回流，蒸汽流动能否通畅，工作温度能否稳定等，都和工作液与蒸汽流 动阻力有关。输液芯热管中，要凝结液和蒸汽能维持正常的工作循环， 必须满足下列关系：当热管水平放置时， =0；当为无输液芯的重力热管时， =0如蒸发段在下，则H热管的垂直高度（m);工作液液相与气相的密度差（ ）（三）热管的传热与热阻（四）热管的相容性热管的工作液、外壳、吸液芯之间不发生或很少发生化学和电化学 反应，而不危害热管性能与寿命，称之为热管的相容性。 五、热管的分类1、按热管工作温度场a、低温热管（-2730）b、常温热管（0250 ）c、中温热管（250 45
