第五章?lián)Q熱器ppt課件

1、 第五章 換 熱 器 第一節(jié)第一節(jié) 換熱器概述換熱器概述 一、定義一、定義 換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。 1、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。2、是許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)、是許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的占總投資的11 40 。那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？3.3.可靠性可靠性滿足操作條件滿足操作條件 ,強(qiáng)度足夠強(qiáng)度足夠,保證使用壽命保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)二、衡量標(biāo)

2、準(zhǔn) 2.合理性合理性 1.1.先進(jìn)性先進(jìn)性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 傳熱效率高，流體阻力小，材料省傳熱效率高，流體阻力小，材料省 化工生產(chǎn)對(duì)換熱設(shè)備提出的要求是： 傳熱效率高，流體阻力??； 強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性足夠； 結(jié)構(gòu)合理，節(jié)省材料，成本較低； 制造、裝拆、檢修方便等。 由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產(chǎn)生了各由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產(chǎn)生了各種各樣的換熱器，以適應(yīng)各種特定的工藝條件。種各樣的換熱器，以適應(yīng)各種特定的工藝條件。三、不同目的的換熱器三、不同目的的換熱器 冷卻器冷卻器cooler）冷凝器冷凝器condenser）蒸發(fā)器發(fā)生相變）（蒸發(fā)器

3、發(fā)生相變）（evaporator）加熱器一般不發(fā)生相變）（加熱器一般不發(fā)生相變）（heater）再沸器再沸器reboiler） 廢熱鍋爐廢熱鍋爐waste heat boiler） 四、換熱器的基本類(lèi)型四、換熱器的基本類(lèi)型按傳熱方式或工作原理分類(lèi)按傳熱方式或工作原理分類(lèi)1、混合式換熱器、混合式換熱器（直接接觸式（直接接觸式通過(guò)冷熱流體直通過(guò)冷熱流體直接混合進(jìn)行熱量接混合進(jìn)行熱量交換的設(shè)備稱(chēng)為交換的設(shè)備稱(chēng)為混合式換熱器，混合式換熱器，或直接式換熱器，或直接式換熱器，如冷卻塔、氣壓如冷卻塔、氣壓冷凝器、在傳質(zhì)冷凝器、在傳質(zhì)的同時(shí)進(jìn)行傳熱的同時(shí)進(jìn)行傳熱的塔設(shè)備等。的塔設(shè)備等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效果好，但

4、不能用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間局限：發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間局限：只適用于允許兩流體混合的場(chǎng)合。只適用于允許兩流體混合的場(chǎng)合。圖圖2-1 直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器熱流體熱流體冷流體冷流體熱流體熱流體冷流體冷流體實(shí)例：冷卻塔、氣壓冷凝器2、蓄熱式、蓄熱式溫度較高的場(chǎng)合，溫度較高的場(chǎng)合，但有交叉污染，但有交叉污染，溫度波動(dòng)大溫度波動(dòng)大圖圖7-2蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器冷流體冷流體冷流體冷流體熱流體熱流體熱流體熱流體蓄熱式換熱器利用冷熱兩種流體交替通過(guò)換熱器內(nèi)的同一通蓄熱式換熱器利用冷熱兩種流體交替通過(guò)換熱器內(nèi)的同一通道而進(jìn)行熱量傳遞。道而進(jìn)行熱量傳遞。

5、局限：不能用于兩流體不允許混合的場(chǎng)合。3、間壁式、間壁式重點(diǎn)重點(diǎn)又稱(chēng)表面式換熱器又稱(chēng)表面式換熱器利用間壁固體壁面進(jìn)行熱利用間壁固體壁面進(jìn)行熱交換。交換。冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量熱量由熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流由熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流體。體。應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣，應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等如管殼式換熱器、板式換熱器等中間載熱體式換熱器中間載熱體式換熱器熱管換熱器聚四氟乙烯換熱器石墨換熱器其它型式換熱器傘板式板殼式板翅式板式螺旋板式板面式換熱器纏繞管式管殼式套管式蛇管式管式換熱器間壁式換熱器換熱器的分類(lèi)換熱器的分類(lèi)（1 1按傳

6、熱方式可分為：直接接觸式、蓄熱式、間壁式、中按傳熱方式可分為：直接接觸式、蓄熱式、間壁式、中間載體式。間載體式。（2 2按其工藝用途可分為：冷卻器按其工藝用途可分為：冷卻器coolercooler）、冷凝器）、冷凝器（condensercondenser）、加熱器一般不發(fā)生相變）（）、加熱器一般不發(fā)生相變）（heaterheater）、蒸）、蒸發(fā)器發(fā)生相變）（發(fā)器發(fā)生相變）（evaporatorevaporator）、再沸器）、再沸器reboilerreboiler） 、廢熱鍋爐廢熱鍋爐waste heat boilerwaste heat boiler） 。（3 3）、按材料分類(lèi)：分為金屬材

7、料和非金屬材料換熱器。）、按材料分類(lèi)：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。第二節(jié)第二節(jié) 換熱器的基本結(jié)構(gòu)換熱器的基本結(jié)構(gòu) 管殼式換熱器是把換熱管束與管板連接后，再用筒體與管箱包起來(lái)，形成兩個(gè)獨(dú)立的空間。管內(nèi)的通道及與其相貫通的管箱稱(chēng)為管程；管外的通道及與其相貫通的部分稱(chēng)為殼程。主要分為:固定管板換熱器;浮頭式換熱器; U形管式換熱器以及填料函式換熱器. 1.管殼式換熱器 管殼式換熱器是由圓柱形殼體和安裝在殼體內(nèi)的許多管子組成的管束構(gòu)成的。管殼式換熱器是間壁式換熱設(shè)備中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 管殼式換熱器列管式換熱器殼體、管板、管束、頂蓋（封頭） 、擋板 縱縱向向橫橫向向管殼式換熱器管殼式換熱器優(yōu)

8、點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，對(duì)壓力和溫度的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，對(duì)壓力和溫度的適用范圍大。適用范圍大。管內(nèi)清洗方便，清潔流體宜管內(nèi)清洗方便，清潔流體宜走殼程。走殼程。處理量大。處理量大。缺陷缺陷傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、單位換熱面積的金屬耗單位換熱面積的金屬耗量等不如新型換熱器。量等不如新型換熱器。固定管板式換熱器固定管板式換熱器浮頭式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器形管式換熱器填料函式換熱器填料函式換熱器基本類(lèi)型基本類(lèi)型 管殼式換熱器由管束、管板、殼體，各種接管等主要部件組成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式等四種形式。 兩端管板采用焊接方式與殼體連接固定。優(yōu)點(diǎn)為:結(jié)構(gòu)

9、簡(jiǎn)單、管板有管子支承，比較薄，管子方便更換清洗。 缺陷：管外清洗困難，熱應(yīng)力比較大。它適用于殼體與管子溫差小的場(chǎng)合；當(dāng)殼體與管子溫差大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減小兩者因溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 分程隔板單程列管式換熱器 單程列管式換熱器1 外殼 2管束 3、4接納 5封頭 6管板 7擋板 雙程列管式換熱器 雙程列管式換熱器1殼體 2管束 3擋板 4隔板（2浮頭式換熱器 兩端管箱一個(gè)是固定的，另一個(gè)則是浮動(dòng)的；設(shè)計(jì)目的為： 管束可從殼體內(nèi)抽出，便于清洗； 管束可自由伸縮，消除了熱應(yīng)力。適用于殼體與管束間溫差大且需經(jīng)常進(jìn)行管內(nèi)外清洗的場(chǎng)合。 缺陷：該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，排管數(shù)少，增大了旁路流路，

10、影響了熱效率，而且浮頭處的泄露不易發(fā)現(xiàn)。（3U形管式換熱器 可彌補(bǔ)浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高的不足，同時(shí)又保留換熱管束可以抽出，熱應(yīng)力可以消除的優(yōu)點(diǎn)。這種換熱器只有一塊管板，換熱管彎成U形，管子的兩端均固定在這一塊管板上，中間用分程隔板隔開(kāi)。 該換熱器中間空隙較大，易短路，內(nèi)層換熱管一旦發(fā)生泄漏，只能堵塞而不能更換，只適合于管殼程溫差較大的場(chǎng)合。2.1.2.3 U2.1.2.3 U形管式換熱器形管式換熱器1 1）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：只有一塊管板，換熱管呈）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：只有一塊管板，換熱管呈U U形。形。圖7-6 U形管式換熱器圖圖210 U210 U型管式換熱器結(jié)構(gòu)圖型管式換熱器結(jié)構(gòu)圖2 2）、優(yōu)點(diǎn)

11、：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱）、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力。3 3）、缺陷：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。）、缺陷：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。4 4） 、適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的、適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。物料。圖圖210 U210 U型管式換熱管箱器型管式換熱管箱器 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖圖圖210 U210 U型換熱管結(jié)構(gòu)圖型換熱管結(jié)構(gòu)圖（4填料函式換熱器填料函式換熱器是浮頭式換熱器的一種改型結(jié)構(gòu)，它把原置是浮頭式換熱器的一種改型結(jié)構(gòu)，它把原置于

12、殼程內(nèi)部的浮頭移至體外，用填料函來(lái)密于殼程內(nèi)部的浮頭移至體外，用填料函來(lái)密封殼程內(nèi)介質(zhì)的外泄。因此由原先的靜密封封殼程內(nèi)介質(zhì)的外泄。因此由原先的靜密封改為了動(dòng)密封，易發(fā)生泄漏。改為了動(dòng)密封，易發(fā)生泄漏。 (2)蛇管式換熱器蛇管式換熱器由彎曲成蛇形的管子組成。蛇管的彎曲形狀有折曲形、螺旋形、方形、盤(pán)形等形狀。 蛇管的材料常有鋼管、有色金屬管、陶質(zhì)管、石墨管等。蛇管式換熱器有沉浸式和噴淋式兩種結(jié)構(gòu)。沉浸蛇管換熱器式將蛇管浸在有液體的容器內(nèi)。當(dāng)蛇管內(nèi)通入液體時(shí)，為使整個(gè)管中經(jīng)常充滿液體，液體應(yīng)從蛇管的下端送入，上端流出。當(dāng)蛇管內(nèi)通入蒸汽時(shí)，為了避免因管內(nèi)積存冷液而產(chǎn)生水擊與阻塞，蒸汽應(yīng)從上部進(jìn)入，冷

13、凝液從下端排出。沉浸蛇管換熱器通常用于對(duì)管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或者是用于使管外流體加熱、冷卻和蒸發(fā)等。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作管理方便，蛇管內(nèi)可承受高壓，還可用在傳熱面積不大的反應(yīng)釜內(nèi)作換熱構(gòu)件。缺陷：通常容器內(nèi)的流體流速很低，故管外給熱系數(shù)小，加之容器內(nèi)各處溫度大致接近，因而平均溫差不大，所以換熱效果差，設(shè)備笨重，不適于作為需要換熱面積很大的換熱設(shè)備。噴淋式蛇管換熱器，它的傳熱面是由一系列水平放置，上下排列在同一垂直面上的直管及連接這些直管的U彎頭所組成，并固定在鋼架上。在最上面的管子上方，裝有使冷卻水均勻噴淋的裝置。在換熱器的最下邊設(shè)有用水泥或鋼板做成的水槽，以收集與排放流下來(lái)的冷卻水。

14、操作時(shí)，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)。為了防止傳熱管外表面結(jié)水垢，降低傳熱效果，應(yīng)使冷卻水的最終溫度不得大于4050度。與沉浸式蛇管換熱器相比，除了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低、能承受高壓，可用任何材料制造等優(yōu)點(diǎn)外，噴淋式較沉浸式易于檢查、清洗和檢修，如管子是用法蘭連接時(shí)，更為方便。缺點(diǎn)時(shí)占地面積大，操作時(shí)設(shè)備周?chē)h(huán)境衛(wèi)生較差。所以在場(chǎng)地充足，不怕水滴飛濺時(shí)，可廣泛地用作為冷卻器。套管式換熱器是將傳熱管內(nèi)管以同心圓狀插入外管中，它的傳熱面積是由成組排列的管子所組成，從上到下、從左至右由許多U形彎頭連接在一起，然后采用角鋼或槽鋼焊成支架，組裝而成。套管式換熱器一般適用于傳熱面積較小的場(chǎng)合，它比同樣傳熱面積的管殼

15、式換熱器所需的空間容積要大，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的用作冷卻裝置。 2板面式換熱器板面式換熱器的傳熱元件是板面，其傳熱性能優(yōu)于管式換熱器。常用的結(jié)構(gòu)形式有板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器等。 (1) 板式換熱器 板式換熱器由固定端板、活動(dòng)端板、傳熱板片、密封墊片、壓緊和定位裝置等構(gòu)成。 板式換熱器的板面通常做成波形以增加剛度和流體湍流程度，在板片的四周粘貼墊片，墊片的作用：一是為了密封；二是隔出兩板片之間的流體通道。 優(yōu)點(diǎn)：板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，便于組裝和拆卸，清洗、除垢方便； 缺陷：流道狹窄，處理量小，密封圈也長(zhǎng)，流動(dòng)阻力大，承壓能力差，適應(yīng)溫差和壓

16、力都不大的場(chǎng)合。板式換熱器板片板式換熱器板片(2)螺旋板式換熱器 螺旋板換熱器由螺旋板、頂蓋、接管口等組成。螺旋板由兩張卷制成螺旋狀的金屬板制成。優(yōu)點(diǎn)：螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊(單位體積內(nèi)傳熱面積是管殼式換熱器的23倍)，傳熱效率高(可達(dá)管殼式換熱器的2倍)有自沖刷作用，不易結(jié)垢；缺陷：不能承受高壓，適用于粘性流體或含有固體顆粒的懸浮液的換熱。多孔翅片 波紋翅片 多孔翅片 波紋翅片 多孔翅片 波紋翅片 構(gòu)造和工作原理 翅片管雙金屬翅片管結(jié)構(gòu)示意圖縱剖面） 雙金屬翅片管銅鋁復(fù)合翅片管 銅鋁翅片管是由銅管和鋁管經(jīng)復(fù)合后在軋制出翅片的散熱管，表面均經(jīng)陽(yáng)極化處理，色澤美觀大方，且能有效的防止表面腐蝕 翅

17、片管碳鋼肋片管 開(kāi)齒型 整體型 翅片管翅片管 翅片管散熱器1 1 發(fā)展概述發(fā)展概述 二十世紀(jì)三十年代，英國(guó)的馬爾斯頓艾克歇爾瑟Marston Excelsior公司首次開(kāi)發(fā)出銅及銅合金制板翅式換熱器，并將其用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器。 以后，各種金屬材料的板翅式換熱器相繼出現(xiàn)在工程應(yīng)用中，唯以鋁合金材料為主。 我國(guó)是從60年代初期開(kāi)始試制的。首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分設(shè)備。 近幾年來(lái)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)、科研方面都有較大發(fā)展，應(yīng)用范圍也日趨廣泛。板翅式換熱器板翅式換熱器2 2 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)v 傳熱效率高，溫度控制性好 翅片的特殊結(jié)構(gòu)，使流體形成強(qiáng)烈湍流，從而有

18、效降低熱阻，提高傳熱效率。其傳熱系數(shù)也比列管式換熱器高5-10倍。 傳熱效率與功耗比低，可精確控制介質(zhì)溫度。v 結(jié)構(gòu)緊湊 傳熱面積密度可高達(dá)17300 m2/m3，一般為管殼式換熱器的6-10倍，最大可達(dá)幾十倍。v 輕巧，經(jīng)濟(jì)性好 翅片很薄，而結(jié)構(gòu)很緊湊、體積小、又可用鋁合金制造，因而重量很輕(可比管殼式換熱器降低80%)，故成本低。v 可靠性高 全釬焊結(jié)構(gòu)，杜絕了泄漏可能性。同時(shí)，翅片兼具傳熱面和支撐作用，故強(qiáng)度高。v 靈活性及適應(yīng)性大： 1兩側(cè)的傳熱面積密度可以相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以適應(yīng)兩側(cè)介質(zhì)傳熱的差異，改善傳熱表面利用率； 2可以組織多股流體換熱(可達(dá)12股，這意味著工程、隔熱、支撐和

19、運(yùn)輸?shù)某杀鞠慕档?，每股流的流道數(shù)和流道長(zhǎng)都可不同； 3最外側(cè)可布置空流道絕熱流道），從而最大限度地減少整個(gè)換熱器與周?chē)h(huán)境的熱交換。2 2 優(yōu)缺點(diǎn)缺陷優(yōu)缺點(diǎn)缺陷v 流道狹小，容易引起堵塞而增大壓降；當(dāng)換熱器結(jié)垢以后，清洗比較困難，因此要求介質(zhì)比較干凈。v 鋁板翅式換熱器的隔板和翅片都很薄，要求介質(zhì)對(duì)鋁不腐蝕，若腐蝕而造成內(nèi)部串漏，則很難修補(bǔ)。v 板翅式換熱器的設(shè)計(jì)公式較為復(fù)雜，通道設(shè)計(jì)十分困難，不利于手工計(jì)算；這也是限制板翅式換熱器應(yīng)用的主要原因。3 3 板翅式換熱器應(yīng)用板翅式換熱器應(yīng)用空氣分離裝置空氣分離裝置 可逆式換熱器，冷凝蒸發(fā)器，液化可逆式換熱器，冷凝蒸發(fā)器，液化器，液氮和液態(tài)空氣

20、過(guò)冷器；器，液氮和液態(tài)空氣過(guò)冷器；石油化工石油化工 在天然氣的液化、分離裝置，及合成氨在天然氣的液化、分離裝置，及合成氨工業(yè)中逐步獲得應(yīng)用；工業(yè)中逐步獲得應(yīng)用；動(dòng)力機(jī)械動(dòng)力機(jī)械 內(nèi)燃機(jī)車(chē)散熱器，汽車(chē)散熱器、挖掘機(jī)內(nèi)燃機(jī)車(chē)散熱器，汽車(chē)散熱器、挖掘機(jī)循環(huán)油冷卻器和壓縮機(jī)空冷器、油冷器等；循環(huán)油冷卻器和壓縮機(jī)空冷器、油冷器等；原子能和國(guó)防工業(yè)原子能和國(guó)防工業(yè) 氫液化器和氮液化器。氫液化器和氮液化器。機(jī)車(chē)水冷式中冷器風(fēng)冷式換熱器壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器風(fēng)冷式氣冷卻器冷凝蒸發(fā)器工程機(jī)械風(fēng)冷式油換熱器壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器空分主換熱器機(jī)車(chē)風(fēng)冷式油換熱器板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)板翅式換熱器的結(jié)構(gòu) 板翅式換熱器由芯體、封頭、接管和支座組成。 熱交換由芯體完成，因此最關(guān)鍵的部件是芯體。芯體由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成。1 1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)2 2 翅片作用及類(lèi)型翅片作用及類(lèi)型 翅片是板翅式換熱器最基本的元件，傳熱主要是依靠翅片來(lái)完成，一部分直接由隔板來(lái)完成。（1作用（2類(lèi)型v 翅片有鋸齒形、平直形、多孔形等多種結(jié)構(gòu)型式，可根 據(jù)不同的操