過程原理與裝備

1、-熱交換部分熱交換部分 6.2熱量交換過程的基本設(shè)備 1)三大類別：直接接觸式、蓄熱式和間壁式。 (2)蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器主要由熱容較大的 蓄熱室構(gòu)成，室中可充填耐火磚等填料。當(dāng)冷 熱兩流體交替地通過同一蓄熱室外時(shí)，蓄熱室 即可將得自熱流體的熱量，傳遞給冷流體，達(dá) 到換熱的目的。這種換熱器的結(jié)構(gòu)較為簡單， 且可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的利用或冷 卻，但設(shè)備體積較大，也難免兩種流體在一定 程度上相互混和。蓄熱器可分為回轉(zhuǎn)式蓄熱器 和固定式蓄熱器 6.2熱量交換過程的基本設(shè)備 1)三大類別：直接接觸式、蓄熱式和間壁式。 (3)間壁式換熱器是冷熱兩流體間用一固體圖7.9 夾 套式換熱器壁（

2、金屬、石墨或塑料等材料）隔 開，以使兩流體進(jìn)行熱量傳遞而不相互混合。 這類換熱器的型式有夾套式、蛇管式、套管式、 列管式、板式、板翅式等等，在過程生產(chǎn)中應(yīng) 用最為廣泛。 6.3設(shè)備之間壁式換熱器 1)夾套式換熱器 釜 夾套 冷凝水出口 冷凝水排除器 冷凝水 加熱蒸汽 蒸汽進(jìn)口 （1）用途：釜式設(shè)備的加 熱或冷卻。特點(diǎn)：環(huán)室內(nèi) 部清洗困難，一般選用不 易結(jié)垢的水蒸氣、冷卻水、 導(dǎo)熱油等作為載熱體。 （2）夾套式換熱器的傳熱 面積受到一定限制，傳熱 系數(shù)也不高。 （3）強(qiáng)化方法：當(dāng)環(huán)室內(nèi) 通冷卻水時(shí)，為提高其對 流傳熱系數(shù)可在夾套內(nèi)加 設(shè)擋板，這樣既可使冷卻 水流向一定又可提高流速， 從而提高總傳

3、熱系數(shù)。 6.3設(shè)備之間壁式換熱器 2)套管式換熱器 （1）優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需 要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大， 且兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。 （2）缺點(diǎn)： 單位傳熱面積的金屬耗量大，管子接頭多， 檢修清洗不方便。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流 量流體間的換熱。 6.3設(shè)備之間壁式換熱器 3)沉浸式蛇管換熱器 （1）優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、便于防腐、能承受 高壓。 （2）缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，管 外流體的傳熱膜系數(shù)較小，故常需加攪拌裝置，以提高 其傳熱效率。 6.3設(shè)備之間壁式換熱器 4)噴淋式冷卻器 5)翅片管換熱器 （

4、1）用途：兩種流體的對流傳熱系數(shù)之比超過3:1用。 （2） 換熱管的間壁上安裝徑向或軸向的翅片。連接方 法有熱套、鑲嵌、張力纏繞和焊接等，翅片管也可采用 整體軋制、整體鑄造或機(jī)械加工等方法制造。 5)翅片管換熱器 圖7.13a 空氣冷卻器的結(jié)構(gòu) 6)管殼式換熱器 固定管板式換熱器 （ 6)管殼式換熱器 固定管板式換熱器 （ 6)管殼式換熱器 浮頭式換熱器 （ 6)管殼式換熱器 U形管式換熱器 圖7.17 U型管式換 熱器 1 2 3 6)管殼式換熱器 填料函式換熱器 6)管殼式換熱器 釜式換熱器 （ 偏 心 錐 殼 堰 板 7) 板式換熱器之1 板片式換熱器 （ 7) 板式換熱器之2 板翅式換

5、熱器 7) 板式換熱器之(2) 板翅式換熱器的翅片 8) 板式換熱器之 3螺旋板換熱器 （ 7) 板式換熱器之4 板殼式換熱器 （ 圖7.25板殼式換熱器示意圖 7) 板式換熱器之4 板殼式換熱器的板束 （ 殼 體 板 束 7.3管殼式換熱器的傳熱過程的強(qiáng)化 1)強(qiáng)化措施的著眼點(diǎn):( 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之1螺旋槽管 1）機(jī)械輥壓方法加工而成的一種強(qiáng)化管，輥壓使管外表 面形成連續(xù)的螺旋形凹槽，內(nèi)表面形成螺紋狀的凸起， 凸起與管軸線呈一定的螺旋角。 2）流體在管內(nèi)流動時(shí)，管內(nèi)表面螺旋形凸起對近壁處流 體產(chǎn)生擾流作用，使流體形成螺旋運(yùn)動并產(chǎn)生局部二次 流。螺旋槽管的管內(nèi)換熱系數(shù)是光管的1.52.0

6、倍，管 內(nèi)流動沸騰換熱系數(shù)可達(dá)光管的2倍。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之2橫紋槽管 1）橫紋槽管的內(nèi)表面與螺旋槽管相似，但其外表面是單 個(gè)的環(huán)形凹槽，內(nèi)表面是相應(yīng)的環(huán)形凸起。 2）流體掠過凸起時(shí)，凸起對流體具有擾流作用，造成邊 界層分離，并減薄邊界層厚度，從而強(qiáng)化傳熱。橫紋槽 管管內(nèi)換熱系數(shù)可達(dá)光管的2倍以上。在傳熱量和泵功 率消耗相同的條件下，用橫紋管取代光管，可使換熱管 材料消耗減少30%50%。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之3縮放管 1）管子的橫截面積呈周期性變化，且每個(gè)周期都由收縮 段和擴(kuò)張段組成，每一段都呈圓錐形；流體始終受到方 向反復(fù)變化的縱向壓力梯度作用，在擴(kuò)張時(shí)產(chǎn)生的劇烈 旋渦，在收縮時(shí)有

7、效地利用了旋渦的作用，使流體在管 壁內(nèi)表面不能形成連續(xù)的邊界層。 2）在同等壓力降下，縮放管的傳熱量比光管增加70%以 上?？s放管的形狀為相對流線型，因而流動阻力比橫紋 槽管小，更適合低壓氣體和含雜質(zhì)的流體傳熱。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之4螺旋扁管 1）由圓管軋制而成或由橢圓管扭曲成螺旋形，具有一定 的導(dǎo)程。 2）螺旋形內(nèi)壁迫使管內(nèi)流體呈螺旋形流動，不但使流體 湍流度增大，而且沖刷管壁表面液體邊界層，能有效提 高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之5變截面管 1）將普通圓管用機(jī)械方法相隔一定節(jié)距軋制成互成90o （正方形布管）或互成60o（三角形布管）的扁管形截 面，利用管子扁圓形截面的突

8、出部位相互支撐，不需要 折流板。 2）管內(nèi)流體由于管截面的變化而改變了流動形態(tài)，能破 壞和減薄管壁內(nèi)表面液體邊界層，從而提高管內(nèi)對流傳 熱系數(shù)。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之6波紋管 1）以普通光滑換熱管為基管，采用無切削滾扎工藝使管 內(nèi)外表面金屬塑性變形而成為雙側(cè)帶有波紋的管型。 2）波紋管管內(nèi)被擠出凸肋，從而改變了管內(nèi)壁滯流層的 流動狀態(tài)，減少了流體傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效果。其 幾何參數(shù)為：對于252.5mm的換熱管，波距 s=1719mm, 波谷=1.41.6mm；對于192.0mm的 換熱管，波距s=1113mm, 波谷=1.01.2mm.。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之7低翅片螺紋管 1）軋制外

9、表面形成螺紋翅片，強(qiáng)化管外。增加換熱面積； 分割層流邊層，減薄邊界層的厚度。蒸發(fā)時(shí)增加單位表 面上氣泡形成的數(shù)量；冷凝時(shí)，利管下端冷凝液的滴落， 液膜減薄，熱阻減少，提高冷凝傳熱效率。 2）特點(diǎn)：對殼程介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài) 流傳熱均有一定的強(qiáng)化作用；缺點(diǎn)：腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢、 粘性較大的介質(zhì)不適用。 。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之8螺旋槽管 2）T管的沸騰給熱系數(shù)比光管高1.63.3倍。 高于冷介質(zhì) 的沸點(diǎn)24就可沸騰，且鼓泡細(xì)密、連續(xù)、快速，形 成了與光管相比的獨(dú)特優(yōu)勢。 3）常用的T型翅片管螺距為13mm，開口度為 0150.35mm，翅高在0.91.2mm之間。 1）隧道中形成氣

10、泡核， 快速增大，急速噴出， 隧道內(nèi)部的氣液擾動 非常激烈，不易結(jié)垢。 具有較高的沸騰傳熱 能力。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之9表面多孔管 2）優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)化介質(zhì)的沸騰傳熱，沸騰給熱系數(shù)約為光滑 表面的67倍?？梢栽诤苄〉臏夭钕戮S持沸騰 （0.60.7），從而大大減少傳熱的不可逆損失。 1）采用機(jī)加工、燒結(jié)、噴涂等方法 制備一層多孔層 。大量微孔變 成為汽泡形成的核心，氣泡核迅 速膨大充滿內(nèi)腔，急速噴出形成 較大的沖刷，垢物不容易在管的 表面形成，抗垢能力較高。多孔 層對管的原始表面結(jié)構(gòu)影響非常 小，因此這種管型對低溫工況非 常適用。 7.3.1強(qiáng)化傳熱管之10高通量換熱管 1）高通量換熱管管內(nèi)壁燒結(jié)

11、一層多孔表面，管外壁軋制 縱槽。強(qiáng)化管內(nèi)沸騰傳熱和管外冷凝。 2）管外的縱槽可有效減薄冷凝液膜，減少冷凝熱阻。其 冷凝傳熱系數(shù)是光滑管的56倍。而總傳熱系數(shù)可達(dá)光 滑管的35倍。 7.3.2管內(nèi)插入物的結(jié)構(gòu)管內(nèi)插入物的結(jié)構(gòu)之1扭帶或螺旋扭片 1）扭帶和扭片都是金屬薄片扭制或塑料薄片熱加工而成， 其特性參數(shù)是片的扭率（即一個(gè)扭程的間距和管徑之比） 和片的厚度。 2）扭帶或或螺旋扭片使流體在管內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)旋流，旋流引 起二次流促進(jìn)了徑向混合，因而強(qiáng)化管內(nèi)對流傳熱。 7.3.2管內(nèi)插入物的結(jié)構(gòu)管內(nèi)插入物的結(jié)構(gòu)之2靜態(tài)混合器 1） 靜態(tài)混合器能夠增大管內(nèi)對流傳熱系數(shù)35倍。插入 物有：扭帶、鉆孔扭帶、錯(cuò)

12、開扭帶、靜態(tài)混合器、徑向 混合器和螺旋片。 2）Re95%多孔體，在低雷 諾數(shù)下，由于彌散流動促使流體形成湍流，從而強(qiáng)化傳 熱。 2）由于該元件空隙率大，因而其沿程阻力系數(shù)較一般的 多孔介質(zhì)內(nèi)插物低得多。 7.3.3 殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn) 管束支撐的變化是縱流殼程換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展的標(biāo) 志，其主要作用有三個(gè)： 支撐管束， 使殼程產(chǎn)生期望的流型和流速， 阻止管子發(fā)生流體誘導(dǎo)振動。 管束支撐是殼程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，不同的管束支撐使 殼程流體的流動形態(tài)發(fā)生變化，流動形態(tài)的改變使換熱 器的傳熱、壓降等綜合性能也隨之發(fā)生顯著變化。 7.3.3 殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)之1 折流

13、桿支撐 1）為解決管束振動問題而開發(fā)的，又稱為折流柵，四個(gè) 為一組，每組折流柵包括兩個(gè)橫柵和兩個(gè)縱柵，縱橫交 錯(cuò)排列，每個(gè)折流柵是由若干平行的折流桿（圓鋼）焊 接在一個(gè)折流圈上而成。 2）特點(diǎn)：擾流作用。減薄邊界層。桿式支撐與換 熱管間為點(diǎn)（線）接觸，基本消除了“傳熱死區(qū)”。 桿式支撐換熱器殼程壓降很小。只有較大雷諾數(shù)情況 才能顯示出優(yōu)異的性能。 7.3.3 殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)之2空心環(huán)支撐 1）空心環(huán)支撐換熱器以表面強(qiáng)化管（如橫紋管）作為換 熱管，使管程和殼程同時(shí)得到強(qiáng)化，且殼程空隙率大， 對流體形體阻力小，流體的絕大部分壓降作用在強(qiáng)化管 的粗糙傳熱面上，以促進(jìn)近壁流體

14、傳熱滯流層的湍流強(qiáng) 度，降低傳熱熱阻。 2）空心環(huán)比折流桿支撐提高給熱系數(shù)約50%，且殼程壓 降更小。擾流作用不如折流桿式支撐。 7.3.3 殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)殼程管束支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)之3刺孔膜片支撐 2）毛刺有擾流作用，各區(qū)域的流體通過膜片上小孔實(shí)現(xiàn) 混合。刺孔膜片嵌焊于管壁上，既是支撐元件，又是管 壁的延伸，且刺和孔可使換熱表面上的邊界層不斷更新， 可減薄層流內(nèi)層厚度。殼程流體完全縱向流動，因此殼 程壓力降大大降低 1） 是天津大學(xué)周理等開發(fā)的， 它是將每根換熱管上下兩 側(cè)相距180o開溝槽，槽內(nèi) 嵌焊沖有孔和毛刺的膜片， 多塊膜片將一縱列管子連 接為一個(gè)整體，并將整個(gè) 殼程空間分隔為若干彼

15、此 平行的空間 7.3.3 殼程管束支撐殼程管束支撐4管子自支撐螺旋扁管螺旋扁管 2）殼程流體在換熱管螺旋面的作用下總體呈縱向流動， 并伴有橫向螺旋運(yùn)動，這種流速和流向的周期性改變加 強(qiáng)了流體的軸向混合和湍動。同時(shí)，流體流經(jīng)相鄰管子 的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，又增大了流體 的湍流度，并對管壁面的熱邊界層有破壞作用。 1）是瑞典Allares公司開發(fā)的 一種高效換熱管，由圓管 軋制或由橢圓管扭曲而成， 具有一定的導(dǎo)程，靠相鄰 管凸起處的點(diǎn)接觸支撐管 子。 7.3.3 殼程管束支撐殼程管束支撐4管子自支撐變截面管變截面管 1）是將普通圓管用機(jī)械方法相隔一定節(jié)距軋制成互成 90o（正方形布管）或互成60o（三角形布管）的扁管 形截面，利用管子變徑部分扁圓形截面的凸起部位相互 支撐。流體在殼程中基本呈縱向流動，流經(jīng)凸起部位時(shí) 發(fā)生擾流和波動，湍流度增加。 7.3.3 殼程管束支撐殼程管束支撐5螺旋折流板 2）特點(diǎn)： 介質(zhì)在殼體內(nèi)做螺旋流動，壓降低。 可提 高殼程介質(zhì)的流