換熱器及換熱原理

換熱器及換熱原理第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一如何進(jìn)行熱交換

熱交換系統(tǒng)通常是以熱傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式進(jìn)行熱交換的。熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的一種常見的方式，其過(guò)程中流體各部位之間不發(fā)生相對(duì)的位移；對(duì)流是流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流分為強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流是使用機(jī)械能（如攪拌）使流體發(fā)生對(duì)流而傳熱，比如我們?yōu)榱死鋮s一杯咖啡會(huì)不停的攪拌它；自然對(duì)流是因流體受熱而有密度的局部變化，導(dǎo)致發(fā)生對(duì)流而傳熱。

第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一基礎(chǔ)概念

層流：當(dāng)流體以較小的流速流經(jīng)管道時(shí)，流體成平穩(wěn)狀態(tài)通過(guò)全管，流體的質(zhì)點(diǎn)作平行運(yùn)動(dòng)，與旁側(cè)的流體并無(wú)宏觀的混合，此流動(dòng)形態(tài)稱之為層流。

湍流：當(dāng)流體以較高流速流經(jīng)管道時(shí)，流體成波動(dòng)狀態(tài)，并形成旋渦向四周散開，與旁側(cè)的流體相混合，此種流動(dòng)形態(tài)稱之為湍流。第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一思考

湍流會(huì)使流體內(nèi)部的混合與振蕩增強(qiáng)，使流體以對(duì)流方式傳熱，因而隨著湍動(dòng)程度的增強(qiáng)傳熱的效果會(huì)更好，而層流使流體主要以傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳熱。顯而易見湍流狀態(tài)下的傳熱效果要比層流狀態(tài)下的傳熱效果好。

第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常用類型：板式換熱器（PHE）管式換熱器（THE）第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整體結(jié)構(gòu)

板式換熱器：板片設(shè)計(jì)成傳熱效果最好的瓦楞型，板組牢固地壓緊在框中，瓦楞板上的支撐點(diǎn)保持各板分開，以便在板片之間形成細(xì)小的通道。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整體結(jié)構(gòu)及圖液體通過(guò)板片一角的孔進(jìn)出通道。改變孔的開閉，可使液體從—通道按規(guī)定的線路進(jìn)入另一通道。板周邊和孔周邊的墊圈形成了通道的邊界，以防向外滲漏與內(nèi)部液流混合。第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作示意圖第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)充焊接式的板式換熱器多用于水汽換熱，具有很高的集成度高換熱系數(shù)，體積小，薄型材料不用密封圈，銅\鎳或釬焊接不銹鋼成緊湊直角型的包狀易于安裝，高換熱效率，低成本抗腐蝕性強(qiáng)，抗震，耐高溫，高壓第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖示第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一總結(jié)板式熱交換器是一種新型、高效的節(jié)能熱交換設(shè)備，它具有換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，適應(yīng)性強(qiáng)，熱損失少，可拆卸，可清洗，裝拆和維修方便等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于液液、液汽熱交換，特別適用于各種工藝過(guò)程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝及食品消毒等方面.第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一標(biāo)識(shí)介紹第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整體結(jié)構(gòu)管式換熱器：管式熱交換器，不同于板式熱交換器，它在產(chǎn)品通道上沒(méi)有接觸點(diǎn)，這樣它就可以處理含有一定顆粒的產(chǎn)品,顆粒的最大直徑取決于管子的直徑.第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整體結(jié)構(gòu)在UHT處理中，管式熱交換器要比板式熱交換器運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)。從熱傳遞的觀點(diǎn)看，管式熱交換器比板式熱交換器的傳熱效率低第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作原理通常使用的多管道的管式熱交換是基于傳統(tǒng)的列管式熱交換器的原理，其產(chǎn)品流過(guò)一組平行的通道，提供的介質(zhì)圍繞在管子的周圍，通過(guò)管子和殼體上的螺旋波紋，產(chǎn)生紊流，實(shí)現(xiàn)有效的傳熱。第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)充說(shuō)明同一段內(nèi)可能使用不同規(guī)格/模式的管式熱交換器規(guī)格：包括外部套管的管徑-內(nèi)部列管的管徑-內(nèi)部列管的數(shù)量-總長(zhǎng)度模式：常見的有ABCD四種模式，主要由外部套管上介質(zhì)進(jìn)出口的位置決定第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖示第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一持熱管簡(jiǎn)介第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一必要性及設(shè)計(jì)原理正確的熱處理要求牛乳在殺菌溫度下保持一定的時(shí)間，這可以通過(guò)外設(shè)保持管來(lái)實(shí)現(xiàn)。若已知流量和保持管的內(nèi)管徑，就可以計(jì)算出符合保持時(shí)間的合適的管長(zhǎng)。

第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一設(shè)計(jì)原理由于保持管里流速分布不均勻，某些牛乳粒子的流速要比平均值大。為了確保流速最快的粒子也能充分地巴氏殺菌，必須采用一效率系數(shù)來(lái)校正。這個(gè)系數(shù)取決于保持管的設(shè)計(jì)，通常取0.8～0.9之間。第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一換熱器面積的計(jì)算熱交換器必需的尺寸和結(jié)構(gòu)取決于很多因素，要計(jì)算是非常復(fù)雜的，當(dāng)今通常借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。有幾種因素一定要加以考慮：產(chǎn)品流量液體的物理性質(zhì)第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一續(xù)溫度程序允許的壓力降熱交換器的設(shè)計(jì)清潔度的要求要求運(yùn)行的時(shí)間第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱交換器中逆流傳熱的溫度分配熱交換器中并流傳熱的溫度分配第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一公式解釋p=產(chǎn)品的密度Cp=產(chǎn)品的比熱△t=產(chǎn)品的溫度變化△tm=對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)K=總傳熱系數(shù)第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單項(xiàng)分析流量V，是由乳品廠的設(shè)計(jì)能力決定的。產(chǎn)品密度p由產(chǎn)品決定。比熱cp也由產(chǎn)品決定，比熱值告訴我們將某種物質(zhì)溫度升高1℃，需提供多少熱量。第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單項(xiàng)分析產(chǎn)品的進(jìn)口溫度和出口溫度取決于前段加工情況和后續(xù)加工的要求：Δt1=Δto1-Δti1所用介質(zhì)的進(jìn)口溫度取決于加工條件，介質(zhì)的出口溫度可以用能量平衡公式計(jì)算得出：V1×P1xCp1×△t1=V2×P2xCp2×△t2第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單項(xiàng)分析溫度差異是傳熱推動(dòng)力，溫差越大，傳熱越多，所需的熱交換器越??；然而，對(duì)于敏感性產(chǎn)品，可利用的溫差是有限的。溫差隨著液體流經(jīng)熱交換器而不斷變化，所以，溫差用一個(gè)平均值，LTMD進(jìn)行計(jì)算。決定平均溫差大小的一個(gè)重要因素是介質(zhì)在熱交換器中的流動(dòng)方向。它主要有兩種形式：逆流或并流第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一特別介紹影響總傳熱系數(shù)K的要素:液體允許的壓力降液體的粘度間壁的形狀和厚度間壁的材料污垢物質(zhì)的存在第28頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分析產(chǎn)品和介質(zhì)的壓力降越大，傳遞的熱量越多，熱交換器越小。然而對(duì)機(jī)械攪拌敏感的產(chǎn)品(例如乳脂肪)可能會(huì)因這種劇烈的處理而壞。產(chǎn)品和使用介質(zhì)的粘度對(duì)于確定熱交換器的尺寸也是非常重要的。與低粘度的產(chǎn)品相比，高粘度的液體在通過(guò)熱交換器時(shí)，產(chǎn)生紊流的程度小，如果其它參數(shù)一定，這就意味著需要較大的熱交換器。第29頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分析間壁通常是波紋狀，以實(shí)現(xiàn)更劇烈的紊流。紊流有助于傳熱，厚度也十分重要。間壁越薄，傳熱效果越好。但是這個(gè)厚度要有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受液體的壓力?，F(xiàn)代化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)使得間壁比幾年前的更薄。食品加工中通常采用不銹鋼材料，不銹鋼有相當(dāng)好的傳熱性能第30頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一.加熱介質(zhì)和產(chǎn)品的溫差要盡可能地小，通常比殺菌溫度高2-3℃/4-5℃。相對(duì)于產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果間壁表面太熱，牛乳中的蛋白質(zhì)將會(huì)有凝結(jié)并在間壁上結(jié)焦的危險(xiǎn)。熱量必須通過(guò)這一垢層進(jìn)行傳遞，這將導(dǎo)致總傳熱系數(shù)K值下降。加熱介質(zhì)和產(chǎn)品的溫差與以前相同時(shí)，也不能傳遞同樣多的熱量，產(chǎn)品的出口溫度將會(huì)下降。這可以通過(guò)提高加熱介質(zhì)的溫度來(lái)補(bǔ)償，但這又提高了傳熱表面的溫度，以致更多的蛋白質(zhì)凝結(jié)在換熱器表面上，垢層的厚度增加，K值進(jìn)一步下降。第31頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一污垢聚集的速度取決于很多因素

產(chǎn)品和加熱介質(zhì)的溫差牛乳質(zhì)量產(chǎn)品中空氣的含量加熱段的壓力條件第32頁(yè)，共