福州大学化工原理电子教案传热 67换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。化工生产中, 换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质 传热的要求等各不相同,故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可 分为三大类:混合式、蓄热式、间壁式 671直接接触式(混合式 在这类换热器中,冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况 下,这是比较方便和有效的,且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 6.72蓄热式 蓄热式换热器又称为蓄热器,它主要由热容量较大的蓄热室构成,室中可填耐火砖或金属带等作为填 料。当冷、热两种流体交替地通过冋一蓄热室时,即可通过填料将得自热流体的热量,传递给冷流体,达 到换热的目的。这类换热器的结构简单,且可耐高温,常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备 体积较大,而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 673间壁式 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性好的非金属)隔开,以使两 种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中,间壁式换热器应用最多,因此下面重点 讨论间壁式换热器 (1)夹套式换热器 结构:夹套装在容器外部,在夹套和容器壁之间形成密闭空间,成为一种流体的通道。 优点:结构简单,加工方便 缺点:传热面积A小,传热效率低。 用途:广泛用于反应器的加热和冷却 为了提高传热效果,可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 (2)沉浸式蛇管换热器 结构:蛇管一般由金属管子弯绕而制成,适应容器所需要的形状,沉浸在容器内,冷热流体在管内外 进行换热 优点:结构简单,便于防腐,能承受高压 缺点:传热面积不大,蛇管外对流传热系数小, 为了强化传热,容器内加搅拌 (3)喷淋式换热器 结构:冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来,沿管表面流下来,被冷却的流体从最上面的管子 流入,从最下面的管子流出,与外面的冷却水进行换热。在下流过程中,冷却水可收集再进行重新分配。 优点:结构简单、造价便宜,能耐高压,便于检修、清洗,传热效果好 缺点:冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果,只能安装在室外。 用途:用于冷却或冷凝管内液体 (4)套管式换热器 结构:由不同直径组成的同心套管,可根据换热要求,将几段套管用U形管连接,目的增加传热面积; 冷热流体可以逆流或并流。 优点:结构简单,加工方便,能耐高压,传热系数较大,能保持完全逆流使平均对数温差最大,可增 减管段数量应用方便 缺点:结构不紧凑,金属消耗量大,接头多而易漏,占地较大。 用途:广泛用于超高压生产过程,可用于流量不大,所需传热面积不多的场合。 (5)列管式换热器(管壳式换热器) 列管式换热器又称为管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器,历史悠久,占据主导作用。主要由壳 体、管東、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动,其行程称为管程:另一种流体在管外 流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面
福州大学化工原理电子教案 传热 - 1 - 6.7 换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中， 换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、 传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可 分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 6.7.1 直接接触式（混合式） 在这类换热器中，冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况 下，这是比较方便和有效的，且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 6.7.2 蓄热式 蓄热式换热器又称为蓄热器，它主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可填耐火砖或金属带等作为填 料。当冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体，达 到换热的目的。这类换热器的结构简单，且可耐高温，常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备 体积较大，而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 6.7.3 间壁式 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两 种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点 讨论间壁式换热器。 （1）夹套式换热器 结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。 优点：结构简单，加工方便。 缺点：传热面积 A 小，传热效率低。 用途：广泛用于反应器的加热和冷却。 为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 （2）沉浸式蛇管换热器 结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外 进行换热。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小， 为了强化传热，容器内加搅拌。 （3）喷淋式换热器 结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子 流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。 优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。 缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 用途：用于冷却或冷凝管内液体。 （4）套管式换热器 结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用 U 形管连接，目的增加传热面积； 冷热流体可以逆流或并流。 优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增 减管段数量应用方便。 缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。 用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。 （5）列管式换热器（管壳式换热器） 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳 体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外 流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面
福州大学化工原理电子教案传热 优点:单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广, 操作弹性大,大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的 折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、増加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使 湍动程度大为增加 常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种,前者更为常用。 体单块以折流 圆板 壳体内装有管束,管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同,壳体和管束受热不同,其膨胀程 度也不同,如两者温差较大,管子会扭弯,从管板上脱落,甚至毁坏换热器。所以,列管式换热器必须从 结构上考虑热膨胀的影响,采取各种补偿的办法,消除或减小热应力。 根据所采取的温差补偿措施,列管式换热器可分为以下几个型式。 (1)固定管板式 壳体与传热管壁温度之差大于50°C,加补偿圈,也称膨胀节,当壳体和管束之间有温差时,依靠补偿 圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀 特点:结构简单,成本低,壳程检修和清洗困难,壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质 (2)浮头式 两端的管板,一端不与壳体相连,可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时, 管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩,可完全消除热应力。 特点:结构较为复杂,成本高,消除了温差应力,是应用较多的一种结构形式。 (3)U型管式 把每根管子都弯成U形,两端固定在同一管板上,每根管子可自由伸缩,来解决热补偿问题。 特点:结构较简单,管程不易淸洗,常为洁净流体,适用于高压气体的换热。 674管壳式换热器的设计和选用
福州大学化工原理电子教案 传热 - 2 - 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广， 操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的 折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使 湍动程度大为增加。 常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。 壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程 度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从 结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。 根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。 （1）固定管板式 壳体与传热管壁温度之差大于 50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿 圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。 特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。 （2）浮头式 两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时， 管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。 （3）U 型管式 把每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。 6.7.4 管壳式换热器的设计和选用
福州大学化工原理电子教案传热 (1)设计和选用时应考虑的问题 除了前面讲过流体的流向,流速和流体出口温度的选择外,还应考虑: ①冷热流体流动通道的选择 a、不洁净或易结垢的液体宜在管程,因管内清洗方便,但U形管式的不宜走管程 b、腐蚀性流体宜在管程,以免管束和壳体同时受到腐蚀; 压力高的流体宜在管内,以免壳体承受压力 d、饱和蒸汽宜走壳程,饱和蒸汽比较清洁,而且冷凝液容易排出; e、被冷却的流体宜走壳程,便于散热; f、若两流体温差大,对于刚性结构的换热器,宜将给热系数大的流体通入壳程,以减小热应力 g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜,因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的,如 果流动阻力损失允许,将这种流体通入管内并采用多管程结构,反而会得到更高的给热系数 以上各点常常不可能同时满足,而且有时还会相互矛盾,故应根据具体情况,抓住主要方面,作出适 宜的决定 ②流动方式的选择 除逆流和并流之外,在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量 定时,管程或壳程越多,对流传热系数越大,对传热过程越有利。但是,采用多管程或多壳程必导致流体 力损失,即输送流体的动力费用増加。因此,在决定换热器的程数时,需权衡传热和流体输送两方面的 损失。当采用多管程或多壳程时,列管式换热器内的流动形式复杂,对数平均值的温差要加以修正 ③换热管规格和排列选择 换热管直径越小,换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体管径可取得小些。但对于不 洁净或易结垢的流体,管径应取的大些,以免堵塞。为了制造和维修的方便,我国目前试行的系列标准规 定采用φ19×2mm和ψ25×2.5mm两种规格,管长有1.5、2.0、3.0、6.0m,排列方式:正三角形、正方形 直列和错列排列 露 (1)正三角形排列(2)正方形排列(3)正方形错列 各种排列方式的优点: 「正方形排列:易清洗,但给热效果较差 正方形错列:可提高给热系数 等边三角形:排列紧凑,管外流体湍流程度高给热系数大 ④折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数,为取得良好的效果,挡板的形状和间距必须适当 对圆缺形挡板而言,弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图可以看出,弓形缺口太 大或太小都会产生"死区",既不利于传热,又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影 响。间距太大,不能保证流体垂直流过管束,使管外表面传热系数下降:间距太小,不便于制造和检修, 阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2~1.0倍。 a切除过少 b.切除适当 c切除过多 挡板切除对流动的影响 (2)管壳式换热器的给热系数 给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数,管内流体的给热系数前面已经学过,而壳程的给 热系数与折流挡板的形状、板间距,管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关
福州大学化工原理电子教案 传热 - 3 - （1）设计和选用时应考虑的问题 除了前面讲过流体的流向，流速和流体出口温度的选择外，还应考虑： ① 冷热流体流动通道的选择 a、不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但 U 形管式的不宜走管程； b、腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀； c、压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力； d、饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出； e、被冷却的流体宜走壳程，便于散热； f、若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力； g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程 Re 100 即可达到湍流。但这不是绝对的，如 果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给热系数。 以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要方面，作出适 宜的决定。 ② 流动方式的选择 除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一 定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体 阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的 损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。 ③ 换热管规格和排列选择 换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体管径可取得小些。但对于不 洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。为了制造和维修的方便，我国目前试行的系列标准规 定采用19×2mm 和25×2.5mm 两种规格，管长有 1.5、2.0、3.0、6.0m，排列方式：正三角形、正方形 直列和错列排列。 各种排列方式的优点： 等边三角形：排列紧凑，管外流体湍流程度高，给热系数大 正方形错列：可提高给热系数 正方形排列：易清洗，但给热效果较差 ④ 折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。 对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图可以看出，弓形缺口太 大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影 响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修， 阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的 0.2～1.0 倍。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 挡板切除对流动的影响 （2）管壳式换热器的给热系数 给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过，而壳程的给 热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关
福州大学化工原理电子教案传热 壳程中由于设有折流挡板,流体在壳程中横向穿过管束,流向不断变化,湍动增强,当Re>100即可 达到湍流状态 (3)流体通过换热器的阻力损失 ①管程阻力损失 包括各程直管阻力损失hn、回弯阻力损失h2及换热器进出口阻力损失h/3构成,其中hs可忽略不 h=(hn+hr)f,N 式中f-—管程结垢校正系数,对三角形排列取1.5,正方形排列取1.4 N一一管程数 式中——换热管长度,m; 234 (hn2包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和,取阻力系数为3) 管程阻力损失也可写成 由于1xNp,所以A2∝Np 对同一换热器,若单程改为双程,阻力损失剧增为原来的8倍,而给热系数只增为原来的1.74倍, 因此在选择换热器管程数时,应该兼顾传热与流体压降两方面的得失 ②壳程阻力损失 壳程由于流动状态比较复杂,结构参数较多,提出的公式较多,但可归结为 不同的计算公式,决定2和u的方法不同,计算结果往往不一致。 (4)对数平均温差的修正 前面学过的对数平均温差Δ仅适用于纯并流或纯逆流的情况,当采用多管程或多壳程时,由于其内 流动形式复杂,平均推动力△t的计算式相当复杂。为了方便,可将这些复杂流型的平均推动力的计算结 果与进出口温度相同的纯逆流相比较,求出修正系数ψ,即 其中v的求法为: t2-1冷流体温升 T1-1两流体最初温差 饣T1-T2热流体温降 t2-1冷流体温升 根据P,R值由图查出各种情况的v值。 在设计时注意应使y>0.8,为什么? 因为①经济上不合理;②操作温度略有变动,则ψ下降很快,使操作不稳定 (5)管壳式换热器的设计和选用步骤 ①由己知条件计算传热量及逆流平均温差Mn逆 Q=KN=K4wNYm逆
福州大学化工原理电子教案 传热 - 4 - 壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当 Re 100 即可 达到湍流状态。 （3）流体通过换热器的阻力损失 ① 管程阻力损失 包括各程直管阻力损失 f 1 h 、回弯阻力损失 f 2 h 及换热器进出口阻力损失 f 3 h 构成，其中 f 3 h 可忽略不 计。 1 2 p hft = (hf + hf ) f tN 式中 t f —— 管程结垢校正系数，对三角形排列取 1.5，正方形排列取 1.4； Np ——管程数； 2 2 1 i i f u d l h = 式中 l ——换热管长度，m； 2 3 2 2 i f u h = （ f 2 h 包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，取阻力系数为 3） 管程阻力损失也可写成 2 3 2 p i t i t u f N d l p = + 由于 ui Np ，所以 3 pt NP 。 对同一换热器，若单程改为双程，阻力损失剧增为原来的 8 倍，而给热系数只增为原来的 1.74 倍， 因此在选择换热器管程数时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。 ② 壳程阻力损失 壳程由于流动状态比较复杂，结构参数较多，提出的公式较多，但可归结为 2 2 uo hfs = 不同的计算公式，决定 和 o u 的方法不同，计算结果往往不一致。 （4）对数平均温差的修正 前面学过的对数平均温差 m t 仅适用于纯并流或纯逆流的情况，当采用多管程或多壳程时，由于其内 流动形式复杂，平均推动力 m t 的计算式相当复杂。为了方便，可将这些复杂流型的平均推动力的计算结 果与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数 ，即 tm =tm逆 其中 的求法为： 冷流体温升 热流体温降 ＝ 两流体最初温差 冷流体温升 = − − = − − = = 2 1 1 2 1 1 2 1 ( , ) t t T T R T t t t P f P R 根据 P ， R 值由图查出各种情况的 值。 在设计时注意应使 >0.8，为什么？ 因为①经济上不合理；②操作温度略有变动，则 下降很快，使操作不稳定。 （5）管壳式换热器的设计和选用步骤 ① 由已知条件计算传热量及逆流平均温差 tm逆 Q = KAtm = KAtm逆
福州大学化工原理电子教案传热 由上式可知,要求A,必须知道K,y;而K和y则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的 因此,在冷、热流体的流量及进出口温度已知的条件下,选用或设计换热器必须通过试差计算。 ②初选换热器的尺寸规格 a、初步选定流体流动方式,由冷热流体的进出口温度计算温差修正系数ψ,应使ψ>0.8,否则应改 变流动方式,重新计算 b、依据经验估计总传热系数K估,估算传热面积A估 c、根据A估,根据系列标准选定换热管的直径、长度及排列:如果是选用,可根据A在系列标准中 选用适当的换热器型号; ③计算管程的压降和给热系数 a、根据经验选定流速,确定管程数目,并计算管程压降A,若A>4允’必须调整管程数目重新 计算 b、计算管内给热系数a2,若a24允 应重新估计K估,另选一换热器型号进行试算 ④计算壳程压降和给热系数; a、根据流速范围确定挡板间距,并计算壳程压降A,若Ap,>4允,可增大挡板间距 计算壳程给热系数a1,若α1太小可减小挡板间距。 ⑤计算传热系数,校核传热面积 根据流体性质选择适当的垢层热阻R,由R、a1、a2计算K计,再由传热基本方程计算At。当At小 于初选换热器实际所具有的传热面积A,则计算可行。考虑到所用换热器计算式的准确度及其他未可预料 的因素,应使选用换热器面积有15%25%的裕度,即A/A=1.15-1.25,否则应重新估计一个K估,重复 以上计算 675传热过程的强化措施 由Q=KAΔMm,要增大热流量Q可通过提高K,增大A,增大Δ来达到。 (1)增大传热平均温度差△t ②提高加热剂T1的温度(如用蒸汽加热,可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的);降低冷 却剂1的温度 利用△n↑来强化传热是有限的 (2)增大总传热系数K b d K (+R31)++(+R ①尽可能利用有相变的热载体(α大); ②用λ大的热载体,如液体金属Na等 ③减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 ④提高a较小一侧有效。 提高a的方法 无相变传热:1)增大流速:2)管内加扰流元件:3)改变传热面形状和增加粗糙度 (3)增大单位体积的传热面积A ①直接接触传热:可增大A和湍动程度,使g个 ②采用高效新型换热器。 在传统的间壁式换热器中,除夹套式外,其他都为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑,单位 换热面积所提供的传热面小,金属消耗量大。随工业的发展,陆续出现了不少的高效紧凑的换热器并逐渐 趋于完善。这些换热器基本可分为两类,一类是在管式换热器的基础上加以改进,另一类是采用各种板状 换热表面 如图所示几种强化传热管和板翅式换热器的翅片
福州大学化工原理电子教案 传热 - 5 - 由上式可知，要求 A ，必须知道 K ， ；而 K 和 则是由传热面积 A 的大小和换热器结构决定的。 因此，在冷、热流体的流量及进出口温度已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算。 ② 初选换热器的尺寸规格 a、初步选定流体流动方式，由冷热流体的进出口温度计算温差修正系数 ，应使 >0.8，否则应改 变流动方式，重新计算； b、依据经验估计总传热系数 K估 ，估算传热面积 A估 ； c、根据 A估 ，根据系列标准选定换热管的直径、长度及排列；如果是选用，可根据 A估 在系列标准中 选用适当的换热器型号； ③ 计算管程的压降和给热系数； a、根据经验选定流速，确定管程数目，并计算管程压降 pt ，若 pt > pt允 ，必须调整管程数目重新 计算。 b、计算管内给热系数 2 ，若 2 pt允 ，则 应重新估计 K估 ，另选一换热器型号进行试算。 ④ 计算壳程压降和给热系数； a、根据流速范围确定挡板间距，并计算壳程压降 ps ，若 ps > ps允 ，可增大挡板间距。 b、计算壳程给热系数 1 ，若 1 太小可减小挡板间距。 ⑤ 计算传热系数，校核传热面积。 根据流体性质选择适当的垢层热阻 R，由 R、1、 2 计算 K计 ，再由传热基本方程计算 A计 。当 A计 小 于初选换热器实际所具有的传热面积 A ，则计算可行。考虑到所用换热器计算式的准确度及其他未可预料 的因素，应使选用换热器面积有 15%~25%的裕度，即 A / A计 =1.15~1.25，否则应重新估计一个 K估 ，重复 以上计算。 6.7.5 传热过程的强化措施 由 Q = KAtm ，要增大热流量 Q 可通过提高 K ，增大 A ，增大 m t 来达到。 （1）增大传热平均温度差 m t ① 两侧变温情况下，尽量采用逆流流动； ② 提高加热剂 T1 的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）；降低冷 却剂 t 1 的温度。 利用 m t 来强化传热是有限的。 （2）增大总传热系数 K 2 1 2 m 2 1 1 1 ) 1 ) ( 1 ( 1 d d R d b d R K = + s + + + s ① 尽可能利用有相变的热载体（ 大）； ② 用大的热载体，如液体金属 Na 等； ③ 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻； ④ 提高 较小一侧有效。 提高 的方法 无相变传热：1）增大流速；2）管内加扰流元件；3）改变传热面形状和增加粗糙度。 （3）增大单位体积的传热面积 A/V ① 直接接触传热：可增大 A 和湍动程度，使 Q； ② 采用高效新型换热器。 在传统的间壁式换热器中，除夹套式外，其他都为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑，单位 换热面积所提供的传热面小，金属消耗量大。随工业的发展，陆续出现了不少的高效紧凑的换热器并逐渐 趋于完善。这些换热器基本可分为两类，一类是在管式换热器的基础上加以改进，另一类是采用各种板状 换热表面。 如图所示几种强化传热管和板翅式换热器的翅片
福州大学化工原理电子教案传热 (a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片 67.6换热器的强化和其他类型 由前面的我们已经知道,Ω=KAΔMm,要增大热流量ρ可通过提高K,增大A,增大Δ-,那么对 换热器进行怎样的改造或设计能达到提高K,增大A,增大Δt,从而实现强化传热的目的呢? (1)板式换热器 ①平板式换热器 板式换热器早在20世纪20年代开始用于食品工业,50年代逐渐用于化工及其相近工业部门,现已发 展成为一种传热效果较好,结构紧凑的化工换热设备。主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成,用框 架夹紧组装在支架上。两相邻流体板的边缘用垫片压紧,达到密封的作用,四角有圆孔形成流体通道,冷 热流体在板片的两侧流过,通过板片换热。板上可被压制成多种形状的波纹,可增加刚性:提高湍动程度 增加传热面积;易于液体的均匀分布 0 传持醒片 2定框架聚极 选柱 正选 优点:传热效率高,总传热系数大,结构紧凑,操作灵活,安装检修方便。 缺点:耐温、耐压性较差,易渗漏,处理量小。 ②螺旋板式换热器 螺旋板式换热器主要由两张平行的薄钢板卷制而成,构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以 螺旋板为传热面相间流动,两板之间焊有定距柱以维持流道间距,同时也可増加螺旋板的刚度。在换热器
福州大学化工原理电子教案 传热 - 6 - (a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片 6.7.6 换热器的强化和其他类型 由前面的我们已经知道， Q = KAtm ，要增大热流量 Q 可通过提高 K ，增大 A ，增大 m t ，那么对 换热器进行怎样的改造或设计能达到提高 K ，增大 A ，增大 m t ，从而实现强化传热的目的呢？ （1）板式换热器 ① 平板式换热器 板式换热器早在 20 世纪 20 年代开始用于食品工业，50 年代逐渐用于化工及其相近工业部门，现已发 展成为一种传热效果较好，结构紧凑的化工换热设备。主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成，用框 架夹紧组装在支架上。两相邻流体板的边缘用垫片压紧，达到密封的作用，四角有圆孔形成流体通道，冷 热流体在板片的两侧流过，通过板片换热。板上可被压制成多种形状的波纹，可增加刚性；提高湍动程度； 增加传热面积；易于液体的均匀分布。 优点：传热效率高，总传热系数大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。 缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。 ② 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器主要由两张平行的薄钢板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以 螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器
福州大学化工原理电子教案传热 中心设有中心隔板,使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管 券 优点:结构紧凑,传热效率高,不易堵塞,结构紧凑A大,成本较低。 缺点:操作压力、温度不能太高,螺旋板难以维修,流体阻力较大 ③板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果好,更为紧凑的板式换热器。过去由于焊接技术的限制,制造成本较高, 仅限用于宇航、电子、原子能等少数部门,作为散热冷却器。现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分 离等部门中应用获得良好效果 板翅式换热器的基本结构,是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。如图所示,在两块平 行薄金属板(平隔板)间,夹入波纹状或其他形状的翅片,两边以侧条密封,即组成为一个单元体。各个 单元体又以不同的叠积适当排列,并用钎焊固定,成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件,或称为 板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上,就成为板翅式换热器 (a)逆流 (b)错流 优点:结构高度紧凑,传热效率高,允许较高的操作压力 缺点:制造工艺复杂,检修清洗困难 ④板壳式换热器 将管壳式换热器中的管束用板束代替,即为板壳式换热器。其结构紧凑,传热系数高、坚固、能承受 很高的压强和温度,但制造工艺复杂,焊接要求高。 (2)强化管式换热器 在管式换热器的基础上,采取某些强化措施,提高传热效果。如管外加翅片,增大A、管外的α;管 内安装内插物,增大A、管内的a,从而增大K (3)热管换热器 热管是一种新型传热元件,它是在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体,然后封闭并 抽除不凝性气体。当加热段受热时,工作液体遇热沸腾,产生的蒸汽流至加热段再次沸腾。如此过程反复 循环,热量则由加热段传至冷却段 在热管内部,热量的传递是通过沸腾冷凝过程。由于沸腾和冷凝表面传热系数皆很大,蒸汽流动的阻 力损失很小,因此管壁温度相当均匀。这种新型的换热器具有传热能力大,应用范围广,结构简单等优点 特点:有相变对流传热系数大,结构简单,壁温均匀 (4)流化床换热器 通过在流体中加固体颗粒,当管程内的流体由下往上流动,使众多的固体颗粒保持稳定的流化状态,对换 热器管壁起到冲刷、洗垢作用。同时,使流体在较低流速下也能保持湍流,大大强化了穿热速率
福州大学化工原理电子教案 传热 - 7 - 中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。 优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑 A/V 大，成本较低。 缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。 ③ 板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果好，更为紧凑的板式换热器。过去由于焊接技术的限制，制造成本较高， 仅限用于宇航、电子、原子能等少数部门，作为散热冷却器。现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分 离等部门中应用获得良好效果。 板翅式换热器的基本结构，是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。如图所示，在两块平 行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。各个 单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称为 板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。 (a)逆流 (b)错流 优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。 缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。 ④ 板壳式换热器 将管壳式换热器中的管束用板束代替，即为板壳式换热器。其结构紧凑，传热系数高、坚固、能承受 很高的压强和温度，但制造工艺复杂，焊接要求高。 （2）强化管式换热器 在管式换热器的基础上，采取某些强化措施，提高传热效果。如管外加翅片，增大 A 、管外的 ；管 内安装内插物，增大 A 、管内的 ，从而增大 K 。 （3）热管换热器 热管是一种新型传热元件，它是在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体，然后封闭并 抽除不凝性气体。当加热段受热时，工作液体遇热沸腾，产生的蒸汽流至加热段再次沸腾。如此过程反复 循环，热量则由加热段传至冷却段。 在热管内部，热量的传递是通过沸腾冷凝过程。由于沸腾和冷凝表面传热系数皆很大，蒸汽流动的阻 力损失很小，因此管壁温度相当均匀。这种新型的换热器具有传热能力大，应用范围广，结构简单等优点。 特点：有相变对流传热系数大，结构简单，壁温均匀。 （4）流化床换热器 通过在流体中加固体颗粒，当管程内的流体由下往上流动，使众多的固体颗粒保持稳定的流化状态，对换 热器管壁起到冲刷、洗垢作用。同时，使流体在较低流速下也能保持湍流，大大强化了穿热速率