《能源與動力裝置》08 熱質(zhì)交換設(shè)備

第八章

熱質(zhì)交換設(shè)備

熱質(zhì)交換設(shè)備：將熱量以一定的傳熱方式從熱流體傳遞給冷流體的設(shè)備，其間可伴隨有質(zhì)量的傳遞。第二節(jié)表面式換熱器參與換熱的冷、熱流體之間有一固體壁面，兩種流體恒在固體壁面的兩側(cè)流動，熱量通過壁面進(jìn)行傳遞，間壁式換熱器。具體結(jié)構(gòu)的不同，它又可分為管殼式、板式、翅片管式、板翅式、旋板式和熱管換熱器等多種形式。結(jié)構(gòu)特點：有一圓形外殼，內(nèi)裝平行管束，管內(nèi)通道部分稱為管程，管外面與殼體內(nèi)表面之間的通道部分稱為殼程或管間。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、選材范圍廣、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)。處理能力（容量）大、適應(yīng)高溫、高壓能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣的一種換熱器。結(jié)構(gòu)分類：固定管板式、浮頭式和U型管式（含套管式）三類。管殼式換熱器固定管板式換熱器固定管板式換熱器缺點：殼程清掃困難、適應(yīng)熱膨脹能力差

帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器膨脹節(jié)的作用：由于兩塊管板都與殼體固定，當(dāng)殼體、換熱管受熱、受壓都會發(fā)生變形，加入膨脹節(jié)減少熱應(yīng)力來吸收熱膨脹差。2023/5/287在螺旋折流板換熱器中，折流板成螺旋狀，使殼側(cè)流體沿著殼體的軸線螺旋狀地前進(jìn)。由于連續(xù)的螺旋折流板制造加工困難，一般將一個螺旋分割成為4塊首尾相接的扇形。(a)折流板(b)折流板與殼體（管子未示出）螺旋折流板換熱器示意圖2023/5/288下圖是折流板組建的照片，折流板上的小孔是換熱管穿過的地方。螺旋折流板換熱折流板組件照片2023/5/289在折流桿換熱器中用一組折流珊代替垂直折流板。這里用一組縱橫間隔放置的細(xì)桿來固定換熱器管子，使殼側(cè)流體的流動阻力大為減小。(a)折流桿芯體(b)折流珊折流板換熱器示意圖2023/5/2810折流桿換熱器的芯體照片浮頭式換熱器

內(nèi)浮頭式換熱器填函式換熱器優(yōu)點：抗熱膨脹能力強(qiáng)，便于清洗。應(yīng)用：管殼間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填函式滑動面處在高壓時易泄漏，使應(yīng)用受到限制。內(nèi)浮頭式換熱器填函式換熱器U型管式換熱器優(yōu)點：1、每根U形管均可自由膨脹而不受別的管和殼體的約束，故彈性大、熱補(bǔ)償性能好；2、管程流速高傳熱性能好、承壓能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、管束可抽出便于安裝檢修和清洗等。缺點：制造較繁、管側(cè)流阻較大、管內(nèi)清洗不便、中心部位管子不易更換、因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小限制了管板上排列的管子數(shù)目等。應(yīng)用：殼間溫差大，壓力高。但管程流速受允許壓降限制較大，管內(nèi)外介質(zhì)要求無腐蝕性和結(jié)垢性。K-type熱交換器套管式換熱器特點：結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單，純逆流換熱，傳熱溫差大，但流動阻力損失大，除垢困難，適用于換熱量較小的場合。制藥用套管式換熱器纏繞管換熱器特點：殼側(cè)可耐高壓，可實現(xiàn)多股流換熱，結(jié)構(gòu)緊湊。板式換熱器板式換熱器流程組合

串聯(lián)并聯(lián)混聯(lián)板式換熱器流程組合

串聯(lián)并聯(lián)混聯(lián)板式換熱器流程組合

串聯(lián)并聯(lián)混聯(lián)典型的傳熱板片板式換熱器人字波紋片雙人字波紋片斜波紋片板式換熱器的優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)簡單，制造組裝方便。只要改變傳熱板片的數(shù)量就可以得到不同的換熱量。傳熱效率高，容易形成旺盛湍流，傳熱系數(shù)可達(dá)2000到5000W/(m2K)。體積少，重量輕，價格便宜。結(jié)垢少?？刹鹦?，便于清洗維護(hù)。對流動介質(zhì)要求高。不耐壓，一般情況下最大允許壓力為1MPa，最多2MPa。釬焊式板式換熱器

所有密封部分均依靠真空釬焊完成最大工作壓力為3MPa翅片管式換熱器帶縱向肋片的翅片管帶徑向肋片的翅片管各種形式的翅片管各種形式的翅片管整體式翅片管，由鑄造、機(jī)械加工而成，翅片與管子一體，無接觸熱阻，強(qiáng)度高。制作成本高，適用于低翅片。焊接翅片，采用釬焊或氬弧焊等工藝制造，可將不同材料的翅片與母體管連接在一起。傳熱性能與機(jī)械性能好，價格居中。套片管結(jié)構(gòu)繞片管結(jié)構(gòu)機(jī)械連接翅片管：經(jīng)濟(jì)，翅片和管子材料可以任意組合，翅化比可達(dá)40，加工不好會產(chǎn)生較大的接觸熱阻。強(qiáng)制對流的風(fēng)冷冷凝器

自然對流的風(fēng)冷冷凝器

汽車用的平板翅片換熱器板翅式換熱器多股流板翅式換熱器在液化天然氣中的應(yīng)用流程組合三股流板翅式換熱器板翅式換熱器單元體分解圖

部分熱量由翅片經(jīng)隔板傳出，部分熱量由隔板直接傳出導(dǎo)流板（片）的布置型式翅片型式

板翅式換熱器的特點傳熱能力強(qiáng)。翅片對流動的擾動增強(qiáng)傳熱。結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積可達(dá)1500~2500m2/m3，相當(dāng)于管殼式的十幾倍。輕巧牢固。例如0.7mm厚的隔板和0.2mm厚的翅片配合可承壓3.9Mpa.適用性廣。對于氣氣換熱有明顯改善；鋁合金板翅式換熱器的低溫延性和抗拉性好；可以實現(xiàn)多種介質(zhì)在同一換熱器內(nèi)換熱；最高壓力目前可達(dá)4.9MPa,已可用于300~5000C。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，流道小，易阻塞，清洗維修困難，對介質(zhì)要求高。螺旋板式換熱器

海水汽化器海水汽化器六、熱管換熱器

典型熱管的結(jié)構(gòu)原理圖

熱管的傳熱六個同時發(fā)生而又互相關(guān)聯(lián)的過程：1.熱量從熱源通過殼壁和充滿液體工質(zhì)的吸液芯傳遞到液－汽分界面上；2.液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液－汽分界面上蒸發(fā)；3.蒸汽通過蒸汽腔輸送到冷凝段；4.蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽－液分界面上冷凝；5.熱量從冷凝段內(nèi)的汽－液分界面通過吸液芯和殼壁傳給冷源；6.冷凝液借助吸液芯的毛細(xì)作用從冷凝段返回蒸發(fā)段重新工作。加熱段毛細(xì)壓差為:冷凝段毛細(xì)壓差為:熱管液－汽分界面的形狀

熱管才能正常工作蒸汽從加熱段流向冷卻段的壓力損失冷凝液從冷卻段回流到蒸發(fā)段的壓力損失重力對液體流動引起的壓力損失熱管的工作特點1．很高的導(dǎo)熱性，在一定的溫度下，其導(dǎo)熱率約相當(dāng)于銅40~10000倍。2.優(yōu)良的等溫性

3.熱流密度的可變性4.熱流方向的可逆性

5.熱二極管與熱開關(guān)性能

6.環(huán)境的適應(yīng)性

單管組合式熱管換熱器

1-加熱爐2-擾流子翅片管空氣預(yù)熱器3-熱管空氣預(yù)熱器4-鼓風(fēng)機(jī)5-引風(fēng)機(jī)6-煙囪熱管余熱回收系統(tǒng)回轉(zhuǎn)式熱管換熱器

電腦散熱用熱管包括前散熱器和后散熱器各一個，熱管一條，兩款大型的散熱片，以及其他配件。顯卡熱管散熱器2023/5/2856裝上散熱器的金邦黑龍1GBDDR2-1066內(nèi)存分離式熱管CPL美國第五代CCPL分離式熱管換熱器LHP分離式重力式熱管換熱器第三節(jié)

混合式換熱器

混合式換熱器是依靠冷、熱流體直接接觸進(jìn)行傳熱的，冷熱介質(zhì)間沒有固體傳熱面，也可稱為直接接觸式換熱器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、材耗較少、不存在傳熱面帶來的熱阻（包括污垢熱阻）、過熱或腐蝕等問題。有揮發(fā)性液體，則同時存在溫差傳熱和傳質(zhì)傳熱兩種機(jī)理，即氣液溫差引起的顯熱傳遞和液體汽化（或蒸汽冷凝）引起的潛熱傳遞。無揮發(fā)性的液體，在液氣接觸面上不產(chǎn)生蒸發(fā)或凝結(jié)，故只有顯熱傳遞。實質(zhì)上混合式換熱器的特點就是傳熱傳質(zhì)同時進(jìn)行。

冷水塔薄膜多邊形冷水塔電廠雙曲線形冷卻塔

混合式冷凝器

液柱式液膜式填料式噴射式液體分配器槽盤式液體分布器冷卻塔填料絲網(wǎng)波紋填料絲網(wǎng)波紋填料是規(guī)整填料發(fā)展的一個重要里程碑，這種填料由壓成波紋的絲網(wǎng)片排列而成，波紋片傾角30°或50°，相鄰兩波紋片方向相反，在塔內(nèi)填裝時，上下兩人盤填料交錯90°疊放。具有高效、壓降低和通量大的優(yōu)點，產(chǎn)品有BX、CY型，常用于難分離和熱敏性物系的真空精餾，常壓精餾和吸引過程第四節(jié)

蓄熱（冷）式換熱器

蓄熱（冷）式換熱器：冷、熱流體交替地流過裝有固體填料的容器，依靠構(gòu)成傳熱面的物體（填料）的熱容作用（吸熱或放熱），實現(xiàn)冷、熱流體之間的熱交換。蓄熱式換熱器有固定型（閥門切換型）和轉(zhuǎn)動型兩種。蓄熱（冷）式換熱器蜂窩陶瓷體突出優(yōu)點：蓄熱體由多孔型或板型傳熱面構(gòu)成、單位體積傳熱面大、重量輕；結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)備布置；蓄熱板常處于高溫，可減輕傳熱面的低溫腐蝕，此外它的轉(zhuǎn)子高度小，易于吹灰且蓄熱板周期性地通過清潔空氣，有自清掃作用。主要缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機(jī)加工工作量大；由于挾帶、內(nèi)部泄漏等原因造成漏風(fēng)量很大，可達(dá)20%甚至更大。因此，密封問題就成為該種換熱器的主要研究課題?；剞D(zhuǎn)式蓄熱器的優(yōu)點回?zé)崞鳠釞C(jī)典型的自由活塞斯特林熱機(jī)第五節(jié)特殊換熱器為適應(yīng)高溫、高壓、高真空、深冷、有毒、有放射性和腐蝕性等各種工藝條件，換熱器的形式和材料也日新月異，特殊形式的換熱器就是指那些在傳熱、流動及制造工藝等方面采取了新型結(jié)構(gòu)，以及采用特殊材料制造的換熱器。一、小型低溫?fù)Q熱器1、網(wǎng)格式換熱器

浸膠紙墊結(jié)構(gòu)圖2、孔板式換熱器

二、新型材料換熱器

新型材料換熱器是為了適應(yīng)強(qiáng)腐蝕性流體的條件而發(fā)展起來的。結(jié)構(gòu)與上述各種形式的換熱器基本上是大同小異。從材料上考慮，則可分為非金屬材料和稀有金屬材料兩類。而稀有金屬換熱器又是針對高溫和高壓條件下的強(qiáng)腐蝕性流體的換熱問題。1、非金屬換熱器石墨、聚四氟乙烯和玻璃、陶瓷等。

2、稀有金屬換熱器

鈦、鉭、鋯制

第六節(jié)

換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)

一、增強(qiáng)傳熱的基本途徑

傳熱的基本公式：Q=KF△t1、提高傳熱系數(shù)K2、擴(kuò)展傳熱面積F3、加大傳熱溫差△ta二、增強(qiáng)傳熱的方法

1．改變流體的流動情況

1）增加流速

2）加插入物

3）加旋轉(zhuǎn)流動裝置

4）依靠外來能量作用①、用機(jī)械或電的方法使傳熱表面或流體發(fā)生振動。②、對流體施加聲波或超聲波。使之交替地受到壓縮和膨脹，以增加脈動而強(qiáng)化傳熱。③、外加靜電場。對于參與換熱的流體加以高電壓而形成一個非均勻的徑向電場，這樣的靜電場能引起傳熱面附近電介質(zhì)流體的混合作用，因而使對流換熱加強(qiáng)。

2．改變流體的物性