高效间壁式热交换器

1第三章高效间壁式热交换器高效间壁式热交换器螺旋板式板式板翅式热管微尺度能源利用角度方面对热交换器的要求传热效率高体积小2高效间壁式热交换器3.1螺旋板式热交换器3.2板式热交换器3.3板翅式热交换器3.4翅片管热交换器3.5热管热交换器3.6蒸发冷却（冷凝）器的结构3高效就是换热效率高，结构紧凑即在增加换热器的传热面积的同时，也要减小换热器的体积“紧凑性”—热交换器的单位体积中所包含的传热面积的大小，m2/m3紧凑式热交换器：700m2/m3非紧凑性热交换器：700m2/m3高效间壁式热交换器4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、底部分别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圆鼓的轴心上。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。第一节螺旋板式热交换器5基本构造外壳螺旋体密封装置进出口中心处有隔板将板片两侧流体隔开，各通道为环状单一通道，其截面积为矩形，进出管分别接于两通道的边缘端具体的说螺旋板式热交换器的构造螺旋形传热板隔板头盖连接管6工作过程冷热两种流体分别在两个螺旋通道中流动，流体1从中心进入，沿螺旋形通道流到周边流出；流体2则由周边进入，沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高传热系数。7定距柱作用保证流道的间距；加强湍流；增加螺旋板刚度。固定方式用3～10mm的圆钢在卷板前预先焊接在钢板上。89分类不可拆式:可拆式通道两端全部垫入密封条后焊接密封冷流体由外周边流向中心排出，热流体由中心外周排出，纯逆流夜—液热交换器，公称压力2.5MPa通道两端面交错焊死，两端面的密封采用端盖加垫片冷流体由外周流向中心，热流体由中心流向周边，纯逆流气—液热交换器，公称压力1.6MPa一通道两端焊死，另一通道两端全部敞开，两端面的密封采用端盖加垫片一侧流体由外周流向中心在流向另一周边，另侧流体做轴向流动气—液冷凝器，公称压力1.6MPa10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。11螺旋板换热器结构形式Ⅲ型螺旋板换热器12螺旋板式换热器13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2000-3000W/（m2·K）。不易堵塞由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的3倍。操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400℃以下。不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。14(2)螺旋板式换热器1516结构板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两个相邻板片的边缘衬以垫片(各种橡胶或压缩石棉等制成)压紧，板片四角有圆孔，形成流体的通道。第二节板式热交换器17传热板片密封垫圈压紧装置轴及接口管等组成18板式换热器的构造192021平板式换热器若干矩形板片，其上四角开有圆孔，通过圆孔外设置或不设置圆环形垫片可使每个板间通道只留两个孔相连。（a）平板式换热器流向示意图(b）平板式换热器板片平板式换热器22板四角开有角孔，流体由一个角孔流入，即在两块板形成的流道中流动，而经另一对角线角孔流出（该板的另外两个角孔则由垫片堵住），流道很窄，通常只有3～4mm，冷热两流体的流道彼此相间隔。为了强化流体在流道中的扰动，板面都做成波纹形。板片间装有密封垫片，它既用来防漏，又用以控制两板间的距离。冷热两流体分别由板的上、下角孔进入换热器，并相间流过奇数及偶数流道，然后再从下、上角孔流出。传热板片是板式换热器的关键元件，不同类型的板片直接影响到传热系数、流动阻力和承受压力的能力。板片的材料，通常为不锈钢，对于腐蚀性强的流体（如海水冷却器），可用钛板。工作过程23板式换热器结构原理图2425板式换热器26板式换热器的工作原理271.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28安装固定压紧板上交替的安放一张板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板，旋转压紧螺栓。1—上导杆；2—垫片；3—传热板片；4—角孔；5—前支柱；6—固定端板；7—下导杆；8—活动端板293031a传热板片流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热提高板片刚度，能耐较高的压力人字形板水平平直波纹板锯齿形板作用：类型：3233板片的样式34353637①强化传热的凹凸形波纹；②用以安装密封垫片的密封槽；③介质进出的角孔；④板片悬挂装置（缺口）；⑤保证密封垫片压紧时对中的定位缺口；⑥板片组装后保持流道一定的间隙、并使流层“网状”化的触点，可使板片在两侧介质有压差情况下减少板片的变形；⑦使介质能均匀沿板片流道宽度分布的导流槽；具有的共同特点38介质在板片间的流动单边流对角流换向板片：根据流程的需要，相应不冲出某些角孔，介质遇到盲孔即拐弯，进行换向，增加介质的流程单边流对角流39组装形成三种典型形式：流体在每一程内流经每一垂直流动后，改变方向，流经下一程两介质的主体流向是逆流，但相邻流道中有并流也有逆流。40并联流程介质分别流入平行的流道，然后汇集成一股流出，为单程41复杂流程同一程内流道是并联的，在程与程之间是串联的42流程组合方式43流程组合的表示方式332211332211nmnmnmNMNMNMM1,M2,M3,m1,m2,m3——热侧、冷侧流体流道相同的流程数N1,N2,N3,n1,n2,n3——相应于对应流程内的流道数都是从固定压紧板开始44综上所述流程可以是单流程或多流程，两流体的流程数可以相等或不相等两流体的流程中通道数不一定相等习惯上以（流程×通道数）来表示流程板片的组合41413232224122411×4表示甲流体为单流程、四通道2×2表示乙流体为两流程、两通道45b密封垫圈密封作用，防止介质漏出（外漏）在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏）承受压力、温度，耐流体的侵蚀良好的弹性，可重复使用材料天然橡胶、丁晴橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅胶（80-150℃以下）压缩石棉、石棉橡胶（260-300℃）双道密封信号孔（凹槽）当介质从第一道密封泄露时，可以从信号空泄出，及早发现和检修信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中去46双道密封47板式换热器的垫圈48c压紧装置将垫圈压紧，产生足够密封力，固定与活动的压紧板、压紧螺栓组成：作用：49板式换热器优点结构紧凑，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1/3～1/5。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3000～8000W/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。50板式换热器缺点缺点：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℃。513型号表示法板式换热器代号板式波纹形式代号单板工程换热面积设计压力换热器换热面积垫片材料代号框架结构形式代号举例：BR0.3—1.6—15—N—IB＿板式热交换器BL＿板式冷凝器BZ＿板式蒸发器52第三节板翅式热交换器1基本结构板束导流片封头隔板翅片封条基本单元（通道）53•板翅式换热器结构组成由基本换热元件组成，（a），在两块平隔板1中夹着一块波纹形导热翅片3，两端用侧条2密封，形成一层基本换热元件，许多这样的元件交错叠合（使相邻两流道流动方向交错）焊接起来构成板式换热器。（b）是一种叠合方式。•波纹板形式（a）为平直形翅片，还有锯齿翅片图、翅片带孔图、弯曲翅片图等形式，目的是增加流体的扰动，增强传热。•板翅式换热器由于两侧都有翅片，做气－气换热，传热系数对空气可达350W/(m2·℃)。板翅换热器结构非常紧凑，轻巧，每立方米体积中容纳的传热面积可高达4300m2，承压可达100bar。但它容易堵塞，清洗困难，不易检修。适用于清洁和无腐蚀的流体换热。54板翅式换热器结构原理图1—平隔板；2—侧条；3—翅片；4—流体55光直翅片锯齿翅片多孔翅片56板翅式换热器1，3—侧板；2，5—隔板；4—翅片不同流型的板束通道5758a翅片b隔板c封条d分配段e集流箱两种流体逆流换热时板翅式热交换器分解图59a翅片扩大传热面积，提高换热器紧凑性和传热效率支撑隔板，提高热交换器的强度和承压能力1平直翅片（PZ）具有很长光滑壁的长方形翅片，流动和传热特性与圆管内的相似。流动阻力小，换热系数也很小适用于：阻力要求严格，而本身对流换热系数较大的场合。传热机理：二次传热表面602锯齿形翅片（JC）将平直翅片切成许多短小片段，相互错开一定的间隔，间断式；促进流体的湍动，破坏热边界层，强化换热；适用于：气体通道，高、低温介质温差较大的场合、黏度较大的油通道；传热性能与翅片切开长度有关。613多孔翅片（DK）平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而形成，翅片开孔率5-10%，孔的排列方式有长方形、平行四边形、正三角形；孔破坏传热边界层，提高传热效果，高Re数时会出现噪音和振动；开孔有利于流体的均匀分配，利于介质中杂质、颗粒的冲刷和排除；适用于：有相变介质的换热，用作入口处的导流片624波纹翅片（PW）在平直翅片上压成一定的波形而形成，传热效果介于平直形和锯齿形之间；流体在内流动时不断改变流向，促进湍动，分离、破坏热边界层，强化传热；波纹越密，波幅越大，传热性能越好，但阻力也增大；耐压强度较高；适用于：压力较高的气体换热场合。其他：百叶窗式，片条式翅片、钉状翅片63翅片的表示方法：用汉语拼音和数字65PZ2103表示：65—翅高6.5mm21—节距2.1mm03—翅厚0.3mmPZ—平直64b封条使流体在单元体的流道中流动而不向两侧外流c隔板表面覆盖一层钎料合金的金属板，与翅片焊接成整体，钎料合金厚度约为0.1-0.4mm。含硅5-12%d导流片（分配段）使介质在翅片中均匀分布，便于封头的布置保护较薄翅片制造时不受损坏，避免通道堵塞6566I型：主要用于换热器的端部有两个封头，需把流体引导到端部一例的封头内的场合。II型：主要用于换热器端部有三个以上的封头，需把一股流体引导到中间封头的场合。III型：主要用于换热器端部敞开或仅有一个封头的场合，或用于错流形的换热器67IV型主要用于换热器端部无法布置封头，需把封头布置于两侧的场合e封头即为集流器，聚集流体，并使板束和工艺管道连接起来V