換熱器2014講解

1、 傳熱及換熱器 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 能量傳遞的兩種方式能量傳遞的兩種方式-做功和傳熱做功和傳熱 本單元介紹熱量傳遞的三種基本方式：本單元介紹熱量傳遞的三種基本方式： 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 對流換熱對流換熱 熱輻射熱輻射 換熱規(guī)律換熱規(guī)律 復(fù)雜傳熱過程的傳熱規(guī)律復(fù)雜傳熱過程的傳熱規(guī)律 傳熱計算傳熱計算 傳熱規(guī)律在傳熱器中的應(yīng)用傳熱規(guī)律在傳熱器中的應(yīng)用 熱量從高溫流體穿過壁面?zhèn)鬟f給低溫流體的過程稱為熱量從高溫流體穿過壁面?zhèn)鬟f給低溫流體的過程稱為 傳熱過程傳熱過程。 傳熱過程往往是傳熱過程往往是導(dǎo)熱導(dǎo)熱、熱對流熱對流和和熱輻射熱輻射三種基本熱量三種基本熱量 傳遞方式的傳遞方式的組合組合。 墻體內(nèi)壁墻體內(nèi)壁室外空氣

2、室外空氣 對流換熱對流換熱 室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 墻體外壁墻體外壁 對流與輻射換熱對流與輻射換熱 如冷庫墻體如冷庫墻體 的傳熱方式的傳熱方式 如換熱器中冷熱流如換熱器中冷熱流 體的熱交換過程體的熱交換過程 高溫流體高溫流體 對流換熱對流換熱 低溫流體低溫流體 固體表面另一側(cè)固體表面另一側(cè) 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 固體表面一側(cè)固體表面一側(cè) 對流換熱對流換熱 （3）傳熱過程）傳熱過程至少由兩種熱量傳遞的基本方式組合而成至少由兩種熱量傳遞的基本方式組合而成 。 （1）傳熱過程至少）傳熱過程至少由三個熱量傳遞的環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成由三個熱量傳遞的環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成。 傳熱過程特點傳熱過程特點 （2）根據(jù)能量守恒的原

3、則，穩(wěn)態(tài)傳熱過程中）根據(jù)能量守恒的原則，穩(wěn)態(tài)傳熱過程中每一個環(huán)節(jié)每一個環(huán)節(jié) 傳遞的熱流量相等傳遞的熱流量相等。 如如導(dǎo)熱導(dǎo)熱 + 對流換熱對流換熱 如空氣流過如空氣流過 暖氣散熱器暖氣散熱器 輻射輻射 對流對流 +如鍋爐爐膛如鍋爐爐膛 里的煙氣里的煙氣 傳熱方程式 式中：式中：K K是傳熱系數(shù)是傳熱系數(shù)( (總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)) )。越大傳熱。越大傳熱 越強，反之越弱越強，反之越弱 )( 21ff ttKAtKA )( 21ff ttKtK A K R t K t 1 式中：式中：R RK K是熱阻是熱阻 21 RRRRK 是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標(biāo)。 換熱器換熱器 一、換熱器的基本

4、結(jié)構(gòu)與工作原理一、換熱器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 使熱量從使熱量從熱流體熱流體傳遞到傳遞到冷流體冷流體以滿足規(guī)定的工藝要求以滿足規(guī)定的工藝要求 的設(shè)備統(tǒng)稱為的設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器換熱器。 換熱器換熱器 1、按工作原理和特點可分為、按工作原理和特點可分為 換熱器的分類換熱器的分類 回?zé)崾剑ɑ責(zé)崾娇疹A(yù)器）回?zé)崾剑ɑ責(zé)崾娇疹A(yù)器） 混合式（除氧器冷卻塔減溫器）混合式（除氧器冷卻塔減溫器） 表面式（過熱器再熱器省煤器凝汽器冷油器）表面式（過熱器再熱器省煤器凝汽器冷油器） 換熱器的主要型式換熱器的主要型式 1.管殼式換熱器管殼式換熱器 應(yīng)用最廣泛的表面式換熱器，又稱為應(yīng)用最廣泛的表面式換熱器，又稱為列管式換熱器列

5、管式換熱器。 管程管程 流體從管的一端流到流體從管的一端流到 另一端稱為另一端稱為一個管程一個管程。 殼程殼程 2、根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)分類、根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)分類 2.套管式換熱器套管式換熱器 由兩根同心圓管組成，流體由兩根同心圓管組成，流體在內(nèi)外管間環(huán)形通道中在內(nèi)外管間環(huán)形通道中 流動，流體流動，流體在內(nèi)管中流動。在內(nèi)管中流動。 結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊，一結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊，一 般用于高壓逆流換熱的場合。般用于高壓逆流換熱的場合。 3.肋片管式換熱器肋片管式換熱器 又稱又稱翅片管翅片管，由幾組管外加裝了肋片的蛇形管組成，由幾組管外加裝了肋片的蛇形管組成， 一般用于管內(nèi)流體和管外空氣的熱交換。一般用于

6、管內(nèi)流體和管外空氣的熱交換。 結(jié)構(gòu)較緊湊，對于結(jié)構(gòu)較緊湊，對于換熱換熱 面的兩側(cè)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)面的兩側(cè)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 相差較大相差較大的場合非常合適。的場合非常合適。 從而使管外的熱阻從而使管外的熱阻 減小，傳熱增強減小，傳熱增強 由一組已沖壓出凹凸波紋的長方形薄金屬板（型板）由一組已沖壓出凹凸波紋的長方形薄金屬板（型板） 平行排列，并以密封墊片及夾緊裝置組裝而成平行排列，并以密封墊片及夾緊裝置組裝而成 。冷、熱兩。冷、熱兩 種流體在板間通道內(nèi)相間流動，每一塊板面都是傳熱面。種流體在板間通道內(nèi)相間流動，每一塊板面都是傳熱面。 4.板式換熱器板式換熱器 傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)大， 結(jié)構(gòu)緊湊，具

7、有結(jié)構(gòu)緊湊，具有 可拆結(jié)構(gòu)，檢修可拆結(jié)構(gòu)，檢修 和清洗都和清洗都 較方便。但操較方便。但操 作壓力和溫度作壓力和溫度 都不能太高。都不能太高。 不宜處理易結(jié)不宜處理易結(jié) 垢的物料。垢的物料。 5.螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 由兩塊平行的金屬板卷制由兩塊平行的金屬板卷制 起來，構(gòu)成兩個螺旋通道，再起來，構(gòu)成兩個螺旋通道，再 加上上下蓋及連接管而成，冷加上上下蓋及連接管而成，冷 熱兩種流體分別在兩螺旋通道熱兩種流體分別在兩螺旋通道 中流動。中流動。 結(jié)構(gòu)較緊湊，結(jié)構(gòu)較緊湊，螺旋流通有螺旋流通有 利于提高傳熱系數(shù)，利于提高傳熱系數(shù)，沖刷效果沖刷效果 好，污垢形成速度低，且材料好，污垢形成速度低，且

8、材料 范圍廣。但不易清洗，檢修困范圍廣。但不易清洗，檢修困 難，承壓能力低。難，承壓能力低。 6.板翅式換熱器板翅式換熱器 (b) 由若干層基本換熱元件疊由若干層基本換熱元件疊 合（使相鄰兩流道流動方向交合（使相鄰兩流道流動方向交 錯）焊接組成，錯）焊接組成， 兩側(cè)都有翅片，兩側(cè)都有翅片， 傳熱能力強。結(jié)構(gòu)非常緊湊、傳熱能力強。結(jié)構(gòu)非常緊湊、 輕巧，但易堵塞，清洗困難，輕巧，但易堵塞，清洗困難， 檢修不易。檢修不易。 適用于清潔和腐蝕性低的適用于清潔和腐蝕性低的 流體換熱。近年來在制冷空調(diào)流體換熱。近年來在制冷空調(diào) 技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 1平隔板；平隔板；2側(cè)條；側(cè)條；3翅

9、片；翅片；4流體流體 7.熱管式換熱器熱管式換熱器 在一根抽除不凝性氣體的密閉金屬管內(nèi)充以一定量的在一根抽除不凝性氣體的密閉金屬管內(nèi)充以一定量的 某種工作液體構(gòu)成。利用工作液體反復(fù)循環(huán)地在熱端吸熱某種工作液體構(gòu)成。利用工作液體反復(fù)循環(huán)地在熱端吸熱 汽化，蒸汽流到冷端放熱凝結(jié)，使熱量不斷的由熱端傳遞汽化，蒸汽流到冷端放熱凝結(jié)，使熱量不斷的由熱端傳遞 到冷端。到冷端。 凝結(jié)液的回流可以通過不同的方法來實現(xiàn)，如毛細管凝結(jié)液的回流可以通過不同的方法來實現(xiàn)，如毛細管 作用或重力等。作用或重力等。 熱管的工作液熱管的工作液 體可以是氨、水、體可以是氨、水、 丙酮、汞等。丙酮、汞等。 一、表面式換熱器 1、

10、9管板；管板；2外殼；外殼；3換熱管；換熱管； 4折流擋板；折流擋板；5殼程流體進口；殼程流體進口； 6管程隔板；管程隔板；7管程流體出口；管程流體出口； 8管程流體進口；管程流體進口；10殼程流體出口殼程流體出口 冷熱流體分別從流道壁面的兩側(cè)流過。冷熱流體分別從流道壁面的兩側(cè)流過。 應(yīng)用最廣泛的表面式（管殼式）換熱器，又稱為應(yīng)用最廣泛的表面式（管殼式）換熱器，又稱為列管式換熱器列管式換熱器。 管程管程 流體從管的一端流到流體從管的一端流到 另一端稱為另一端稱為一個管程一個管程。 殼程殼程 管子總數(shù)及流體流量一定時，管子總數(shù)及流體流量一定時， 管程數(shù)越多，管內(nèi)流速越高管程數(shù)越多，管內(nèi)流速越高

11、低壓加熱器 低壓加熱器器芯 省煤器 省煤器 省煤器 屏過 頂棚過熱器 過熱器 二、回?zé)崾綋Q熱器 蓄熱元件 回轉(zhuǎn)式空預(yù)器 回?zé)崾交責(zé)崾綋Q熱器：換熱器：換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通 過它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過換熱器過它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過換熱器 時，蓄熱材料吸收并儲蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過一段時間后切換為冷流時，蓄熱材料吸收并儲蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過一段時間后切換為冷流 體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于

12、氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空 氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。 混合式混合式換熱器：冷熱流體換熱器：冷熱流體 直接接觸，彼此混合進行直接接觸，彼此混合進行 換熱，在熱交換同時存在換熱，在熱交換同時存在 質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴 淋冷卻塔，蒸汽噴射泵等；淋冷卻塔，蒸汽噴射泵等； 三、混合式換熱器 除氧器 3.按流動形式分按流動形式分 順流順流 逆流逆流 叉流叉流 復(fù)雜流復(fù)雜流 表面式換熱器內(nèi)冷、熱流體的相對流向表面式換熱器內(nèi)冷、熱流體的相對流向 在冷、熱流體進口溫度相同、流量相同、換熱面面積在冷、熱流體進口溫度相同、流量相同、換熱面面積 相同的情

13、況下，流動型式影響冷、熱流體的相同的情況下，流動型式影響冷、熱流體的出口溫度出口溫度、換換 熱溫差熱溫差、換熱量換熱量以及以及換熱器內(nèi)的溫度分布換熱器內(nèi)的溫度分布。 工程上換熱器一般都工程上換熱器一般都 盡可能采用逆流布置盡可能采用逆流布置 (a)順流 (b)逆流 (c)錯流 （d）混合流 熱流體 冷流體 熱流體 冷流體 熱流體 冷流體 k ( tf1- tf2 ) Ak A t 這里，假設(shè)二側(cè)流體溫度始終保持不變， ttf1- tf2 =常量 實際上，在換熱器中，一定流量的熱流體沿程 放出熱量，溫度不斷下降；冷流體沿程吸收 熱量，溫度不斷上升。而且，冷、熱流體間 的溫差是不斷變化的，即：t

14、常量 因此，利用傳熱方程式來計算整個傳熱面 上的熱流量時，如何選用傳熱溫差t？ 必須使用整個傳熱面上的平均溫差 tm 傳熱過程計算的基本公式傳熱過程計算的基本公式 1 1 熱平衡方程式熱平衡方程式 2 2 傳熱方程的一般形式：傳熱方程的一般形式： hc kA tt 換熱器中冷流體溫度沿換熱面是不斷變化的，因換熱器中冷流體溫度沿換熱面是不斷變化的，因 此，冷卻流體的局部換熱溫差也是沿程變化的。此，冷卻流體的局部換熱溫差也是沿程變化的。 換熱器中傳熱過程的計算換熱器中傳熱過程的計算 hhhhh q ctt ccccc q ctt 熱流體放熱量 冷流體吸熱量 hhhhhccccc q cttq ct

15、t m tkA 熱流體放出熱量熱流體放出熱量=冷流體吸收熱量冷流體吸收熱量 tm平均傳熱溫差。平均傳熱溫差。 31 Cold fluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid 順流順流逆流逆流 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2 假設(shè)溫度t的角碼表示為：“ ” 進口溫度， “ ” ” 出口溫度。 角標(biāo)表示為：“1”一熱流體，“2”一冷流體。 2 tt tm 式中：式中： t進口溫差，進口溫差， t”出口溫差出口溫差 平均溫差的計算方法：平均溫差的計算方法： l、算術(shù)平均溫差：算術(shù)平均溫差： 順 流 逆 流 進口溫差：

16、tt1- t2 進口溫差：tt1- t2” 出口溫差：t”= t1”- t2” 出口溫差：t”= t1”-t2 t1 t1” t2 t2” t1 t1” t2” t2 順流順流 逆流逆流 34 討論：討論： 各種流動形式的比較各種流動形式的比較 順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆 流的流的 最大，順流則最??；最大，順流則最??； 順流時順流時 ，而逆流時，而逆流時， 則可能大于則可能大于 ，可見，逆，可見，逆 流布置時的換熱最強。流布置時的換熱最強。 m t hc tt c t h t dq i T o T h dT c dT T

17、 InOut dq i T o T h dT c dT T In Out 2 minmax , tt tm 算術(shù) 算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相 同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng) 時，兩者的差時，兩者的差 別小于別小于4；當(dāng)；當(dāng) 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.3。 2 minmax tt 7 . 1 minmax tt 2、對數(shù)平均溫差、對數(shù)平均溫差 min max minmax m ln t t tt t 基本假定：基本假定： 換熱器無熱損失；換熱器無熱損失； 流體的熱

18、容不變；流體的熱容不變； 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K不變。不變。 較之算術(shù)平均溫較之算術(shù)平均溫 差法精確許多差法精確許多 (1) 此式對順流、逆流都適用。此式對順流、逆流都適用。 (2) 對叉流、混合流，按逆流計算，再加以修正。對叉流、混合流，按逆流計算，再加以修正。 實際換熱器一般都是處于順流和逆流之間，或者有時是逆流， 有時又是順流。由于逆流的平均溫差最大，因此，人們想到對 純逆流的對數(shù)平均溫差進行修正以獲得其他情況下的平均溫差。 ctfmm tt)( _小于小于1 1的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。 按逆流布置的對數(shù)平均溫差；按逆流布置的對數(shù)平均溫差； ctf m t 復(fù)雜布置時換熱器平均溫差的計算復(fù)雜布置時換熱器平均溫差的計算 換熱器熱計算的基本方程式是換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式傳熱方程式及及熱平衡式熱平衡式 m tkA 換熱器的設(shè)計和校核計算換熱器的設(shè)計和校核計算 1 1112222mm q c ttqctt 按已知換熱器的換熱面積求取工作按已知換熱器的換熱面積求取工作流體的終溫流體的終溫 或核算換熱器的換熱量或核算換熱器的換熱量。 設(shè)計計算設(shè)計計算 校核計算校核計算 根據(jù)給定的換熱量，求取換熱器的根據(jù)給定的換熱量，求取換熱器的換熱面積換熱面積； 一般是給定