热交换器

第十八章热交换器学习目标：•了解船用热交换器的常见类型的结构、特点及应用；•了解污垢系数，顺流、逆流换热器的流体温度沿流程变化曲线，掌握对数平均传热温差的计算；•了解热管换热器的工作原理及应用•了解对数平均温差法及传热单元数法对热交换器进行设计与校核。•按冷热流体的接触方式分类：间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。混合式：冷、热流体通过直接接触换热。蓄热式(回热式）冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。•换热器定义：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本章将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式换热器，其工作原理具有一定特点。按流动方向分类：1、顺流式2、逆流式3、叉流式4、混合流式（杂流式）按流程分类：单流程：双流程：多流程：第一节间壁式换热器的主要类型间壁式换热器的主要型式管式热交换器板式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器螺旋板式热交换器Thermodynamicsystem第一节间壁式换热器的主要类型一、管式热交换器（tubularheatexchanger）•壳管式热交换器（shellandtubeheatexchanger）是间壁式换热器的一种主要形式。船上广泛地应用这种热交换器作冷凝器、滑油冷却器、燃油加热器及造水蒸发器、压缩机的中间冷却器等。壳管式热交换器结构如图所示。一种流体(图中冷流体)从封头进口流进管于里，再经封头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。简单的壳管式换热器示意图为了提高管程流体的流速，在壳管式换热器中，一端的封头里加了一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。下图是一个1-2型换热器的剖面图。1-2型换热器剖面示意图•肋片管式热交换器（fin-tubeheatexchanger）适用于冷热两种流体的换热系数相差悬殊的情况。如汽车发动机汽缸的冷却水散热器、船用柴油机的空气冷却器、制冷和空气调节装置的蒸发器、冷凝器以及柴油机增压器的中间冷却器等。结构如图所示12肋片管式换热器在换热系数小的一侧加装肋片•套管式热交换器（double-pipeheatexchanger）1122套管式换热器是大管套小管，结构如图所示船上常用作锅炉装置和柴油机装置的燃油加热器用水蒸汽在管内流过，加热套管间流过的燃油。这种加热器由于蒸汽凝结放热系数远大于油对壁面的放热系数，因此，在内管的外侧都设有轴向平肋，以减小油侧的热阻，提高整个加热器的传热系数。•板翅式热交换器12隔板封条翅片板翅式热交换器板翅的作用：（1）扩大传热面积，提高热交换器的紧凑性。（2）利用翅片的特殊结构，使流体在通道中形成强烈的扰动，提高传热系数。（3）翅片起到支撑和加固作用。二、板式热交换器结构示于图所示（plate-finheatexchanger）•平行板式热交换器（plateheatexchanger）结构如图所示，它由一组几何结构相同的平行薄平板叠加组成。型板板片被冲压成特殊波纹形状以构成流体通道。型板角上开有流体通道孔，板片四周和通道孔周围装有密封垫片。密封垫片是板式换热器的重要构件，一般由耐热橡胶或合成树脂制成。装配时，首先用黏结剂把垫片粘在板片四周和通道孔周围的密封槽中。若板角通道孔的密封槽中装有密封垫片，则流体不能进入该型板；若不装垫片，则允许流体进入该型板。按换热量的要求，将若干块型板叠合起来，并用前后端板架及长连接螺栓将全部板片压紧，相邻型板之间由于密封垫片的隔开，形成一个个通道，借助型板角孔是否安装垫片，使相邻两通道中分别流过冷、热两种流体。平行板式换热器27000W/(mK)240~150m150C由于型板的特殊形状，板片问的流道方向和截面不断发生变化，因而增大了流体的扰动和放热系数。水—水型板式热交换器的传热系数可达到，且结构紧凑，每立方米容积的换热面积值为，拆装方便，容易清洗。其缺点是密封垫片损坏时容易漏泄，不耐高温，一般只适用于以下的流体。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体（如牛奶等有机流体）的换热。螺旋板式换热器•螺旋板式热交换器（spiralplateheatexchanger）螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动。螺旋流道的污垢形成速度大约是壳管式的1/10，单位体积内的换热面积为壳管式的3倍，因此种换热器换热效果好，但清洗与检修困难，承压能力较低。结构如图所示第二节换热器的热计算一、热计算公式1111221112121122()()pffpffppffffQmcttmcttmmcctttt，，，，—热、冷流体的质量流量—热、冷流体的质量定压比热—热流体流经热交换器进出、口处的温度—冷流体流经热交换器进出、口处的温度热平衡方程12()ffmmQKAttKAttAK—整个换热器流程上热、冷流体的平均温差—热交换器的换热面积—热交换器的传热系数传热方程二、污垢系数：污垢热阻是热交换器在干净和运行一段时间在壁面结垢两种情况下，通过实验确定其传热系数K净和K污值后求得的。三、平均温差1、顺流：2、逆流：11-frKK污净热流体冷流体热流体冷流体2.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为Δtm。据此，传热方程式的一般形式应为:Φ=kAΔtm换热器中流体的温度分布tA1t1t2t2ttA1t1t2t2ttA1t1t2t2ttA1t1t2t2t设t1′，t1〃，qm1和c1分别表示热流体的进出口温度、流量和比热容；t2′，t2〃，qm2和c2分别表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。mtkAttkAQ)(21热流体放出的热量)(11111ttcqQm冷流体吸收的热量)(2222ttcqQm)()(22221111ttcqttcqmm111222mmqcWqcW对数平均温差公式推导222111dtcqdtcqdQmm22221111WdQcqdQdtWdQcqdQdtmmdQWWttd)11()(2121mdQtdWWmttt)(11,2121则得令对顺流换热过程kdAdQttt21对微元面积dA，传热方程为dAttkdQ)(21mdQtd)(mkdAttd）（mkAttmkdAttdAtt'''0ln)('''tt—换热器一端、另一端的温差mdQtd)(mQtt'''mkAtt'''lnkAQtttt''''''ln得由kAQtm''''''lntttttm＝对数平均温差对逆流换热过程222111dtcqdtcqdQmmtA1t1t2t2t22221111WdQcqdQdtWdQcqdQdtmmdQWWttd)11()(2121''''''lntttttm＝对数平均温差minmaxminmaxlntttttm)(212minmaxminmaxtttttm＝时当叉流和混合流minmaxminmaxlnttttttm逆流时的对数平均温差其他复杂布置时流换热器平均温差的计算计算P、R值，查图表定•各种流动形式的比较在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各种流动形式介与顺流和逆流之间。逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的温度特别高，这是应该避免的。例：已知一换热器，热流体进口温度t1’=3000C,出口温度为t1’’=1500C；冷流体进口温度t2’=500C,出口温度为t2’’=1000C。求换热器在顺流布置和逆流布置时的对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。1230050250Cffttt1215010050Cffttt25050124C250lnln50mttttt12300100200Cffttt1215050100Cffttt200100144C200lnln100mttttt解：顺流时对于逆流由计算结果知，逆流平均温差比顺流大，换热器采用逆流效果好知识延伸换热器的设计与校核1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的换热面积。2.校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器。在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务。3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式：Φ=kAΔtm4.换热器热计算的方法有两类：平均温差法及传热单元数法)()(22221111ttcqttcqmm基本概念及公式一、换热器热计算的平均温差法所谓平均温差法，就是直接应用热平衡方程式和传热方程式进行热计算的方法。1.平均温差法用作设计计算时步骤如下：(1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。(2)根据给定条件，由热平衡方程式求出进、出口温度中的那个待定的温度。(3)由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差Δtm，计算时要注意保持修正系数φ具有合适的数值。(4)由传热方程式求出所需的换热面积A，并核算换热两侧流体的流动阻力。(5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。2.平均温差法用作校核计算时步骤如下：(1)先假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口温度。(2)根据4个进、出口温度求得平均温差Δtm。(3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数k的值。(4)已知kA和Δtm，按传热方程式求出Φ值。因为流体的出口温度是假设性的，因此求出的Φ值未必是真实的数值。(5)根据4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个Φ值，同理，这个Φ值也是假设性的。(6)比较步骤(4)和(5)中求得的两个Φ值。一般来说，两者总是不同的。这说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个流体的出口温度，重复以上步骡(1)至(6)，直到由步骤(4)和(5)求得的两个Φ值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于2％～5％。二、换热器热计算的效能-传热单元数法1.传热单元数和换热器的效能换热器的效能ε按下式定义：传热单元数按下式定义：效能ε表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。已知ε后，换热器交换的热流量Φ即可根据两种流体的进口温度确定：则：21max)(tttt)()(21minttcqmNTUcqkAmmin)(maxminmaxmin)()(1)()(1)(exp1cqcqcqcqNTUmmmm顺流maxminmaxminmaxmin)()(1)(exp)()(1)()(1)(exp1cqcqNTUcqcqcqcqNTUmmmmmm逆流2.用效能-传热单元数（ε-NTU法）计算换热器的步骤根据ε及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ε求NTU，而校核计算则是由NTU求取ε，如图中箭头所示。它们的计算步骤都与平均温差法中对应计算大致相似。可作为逆流、顺流处理的情况三、换热器设计时的综合考虑1）换热器设计是个