热交换器原理和设计第5章 蓄热式热交换器-PPT课件
换热器设计 基本原理 PPT
量 qm1、qm2 和4个进、出口温度中的3个，需确定换热
器的型式、结构，计算传热系数k、换热面积A、流动
阻力及结构强度等。
设计计算步骤： (a) 根据给定的换热条件，如流体性质、流量、温 度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计
算换热面两侧的表面传热系数 h1、h2 及总传热系数k；
tf1 tf 2
ko
Ao Ai
1
hi
tf1 tf 2
ri
Ao Rw
1
o
1
ho
ro
Ko为以管外壁面积为基准计算的传热系数。
间壁式换热器的总传热热阻
热流体侧对流换热热阻
1 Rw1 h1 A
间壁的导热热阻
Rw
A
Rw
ln(d0 / di
（2）计算证明， 当冷、热流体进出口 温度相同时，逆流的 平均温差大于顺流；
顺流
逆流
（3）逆流时换热面的温度变化大，容易造成热应 力破坏；
其它复杂布置时换热器平均传热温差的计算
对于如图所示的简单多 程交叉流，只要折流一方的 折流次数多于4次，就可以 按纯逆流或纯顺流来计算。
对于复杂的多程交叉流
tm
（2）若有一侧发生相变，P、R中必有一个等于零，
此时 =1。
P t2 t2 t1 t2
R t '1 t1 t2 t2
（3）冷、热流体走管侧还是壳側不影响修正系数， 即不影响传热温差。
(a) : t1 t2 t1 t2 ; (b) : t1 t2 t1 t2
热交换器计算及设计
针对现成的热交换器，目的在于确定流体的出 口温度，并了解该换热器在各种工况下的性能 变化，判断能否完成非设计工况下的换热任务
热交换器热力计算核心参数
传热面积 ＆传热量
热流体出 冷流体入 口温度 口温度
热流体入 口温度
冷流体出 口温度
热力计算的核心在于寻找上面五个物理量之间的关系
换热器设计基本关系式
制糖造纸工业中的蒸发器等等 化工、航天、机械制造、食品、医药行业中。。
凝汽式燃煤电厂生产过程
凝汽部分换热过程
低压加热器
除氧器换热过程
高压加热器
省煤器
过热器
空预器
对换热器的基本要求
满足工艺要求，热交换强度高，热损失小 工艺结构在工作温度压力下不易遭到破坏，
制造简单，维修方便，运行可靠 设备紧凑（对于航天、余热利用、大型设
按照传送热量的方法：间壁式、混合 式、蓄热式（回热式）、流体耦合间 接式等
按照流动方向的分类
a. 顺流 b. 逆流 c. 交叉流（错流） d. 总趋势为逆流的四次
错流 e. 总趋势为顺流的四次
错流 f. 混流式：先顺后逆平
行流 g. 混流式：先逆后顺的
串联混和流
按照热量传输方式划分
间壁式换热器 冷流体和热流体之
该类型热交换器的管子常用直管（蛇管）或螺旋弯管（盘 管）组成传热面，将管子沉浸在液体的容器或池内
多用于液体预热器、蒸发器或气体冷却、冷凝 管外液体中的传热以自然对流方式进行，传热系数低，体
积大，但是结构简单、制造、修理、清洗方便。
沉浸蛇管换热
管式热交换器类型
－喷淋式热交换器
该类型热交换器将冷却水 直接喷淋到管子外表面使 管内的热流体冷却或冷凝
热交换器工作原理
热交换器工作原理
热交换器是一种用于在流体之间传递热量的设备，它广泛应用于工业生产和日
常生活中。
热交换器的工作原理主要包括传热过程和流体流动过程。
首先，让我们来看一下热交换器的传热过程。
热交换器通过传导、对流和辐射
等方式来传递热量。
当两种不同温度的流体经过热交换器时，它们之间会发生热量的交换。
在热交换器内部，通常会设置有许多传热面积较大的传热管或传热片，以增加传热效果。
而流体流经这些传热管或传热片时，热量会通过壁面传递给另一侧的流体，从而实现热量的传递。
其次，让我们来了解一下热交换器的流体流动过程。
热交换器内部的流体流动
通常分为并流和逆流两种方式。
在并流方式下，两种流体分别从两端进入热交换器，在整个传热过程中，它们的流动方向是相同的。
而在逆流方式下，两种流体分别从两端进入热交换器，但它们的流动方向是相反的。
这两种流动方式都有各自的优缺点，可以根据具体的使用情况来选择合适的方式。
此外，热交换器还需要考虑流体的流动阻力和传热效率。
流体在热交换器内部
流动时，会产生一定的流动阻力，这会影响流体的流速和流动状态。
为了减小流动阻力，热交换器通常会采取一些措施，比如优化流道结构、增加传热面积等。
而传热效率则取决于热交换器的设计和制造工艺，包括传热面积、传热介质的选择、流体流动方式等因素。
总的来说，热交换器的工作原理涉及到传热过程和流体流动过程，通过合理设
计和优化结构，可以实现高效的热量传递。
在实际应用中，我们需要根据具体的使用需求来选择合适的热交换器类型和工作参数，以达到最佳的传热效果。
《热交换器原理与设计》热交换器设计
结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换 热器的3倍。
操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作 压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400℃以下。
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具有的共同特点
①强化传热的凹凸形波纹； ②用以安装密封垫片的密封槽； ③介质进出的角孔； ④板片悬挂装置（缺口）； ⑤保证密封垫片压紧时对中的定 位缺口； ⑥板片组装后保持流道一定的间 隙、并使流层“网状”化的触点, 可使板片在两侧介质有压差情况 下减少板片的变形； ⑦使介质能均匀沿板片流道宽度 分布的导流槽；
1—上导杆；2—垫片；3—传热板片；4—角孔； 5—前支柱；6—固定端板；7—下导杆；8—活动端板
29
30
a 传热板片
作用： 流体在低速下发生强烈湍流,以强化传热 提高板片刚度，能耐较高的压力
类型：
人字形板
水平平直波纹板
锯齿形板
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人字形波纹片
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板片的样式
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水平平直波纹
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组成 传热板片
密封垫圈
压紧装置 轴及接口管等
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板式换热器的构造
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20
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平板式换热器的工作原理
若干矩形板片,其上四角开有圆孔，通过圆孔外设置或不 设置圆环形垫片可使每个板间通道只留两个孔相连。
（a）平板式换热器流向示意图
b）平板式换热器板片
平板式换热器
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工作过程
板四角开有角孔,流体由一个角孔流入，即在两块板形成的流道 中流动，而经另一对角线角孔流出（该板的另外两个角孔则由垫 片堵住），流道很窄，通常只有3～4 mm，冷热两流体的流道彼 此相间隔。为了强化流体在流道中的扰动，板面都做成波纹形。 板片间装有密封垫片，它既用来防漏，又用以控制两板间的距离。 冷热两流体分别由板的上、下角孔进入换热器，并相间流过奇数 及偶数流道，然后再从下、上角孔流出。传热板片是板式换热器 的关键元件，不同类型的板片直接影响到传热系数、流动阻力和 承受压力的能力。 板片的材料，通常为不锈钢，对于腐蚀性强的流体（如海水冷却 器），可用钛板。
热交换器原理与设计
绪论1.2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章1.Mc1℃是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W—对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有μ＞０，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差△t总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1＜W2时，μ＞０，△t不断降低，当W1＞W2时，μ＜０，△t不断升高。
5.P（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
（定义式P12）7.从φ值的大小可看出某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。
除非处于降低壁温的目的，否则最好使φ＞0.9，若φ＜0.75就认为不合理。
（P22 例1.1）8.所谓Qmax是指一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。
9.实际传热量Q与最大可能传热量Qmax=Q/Qmax。
意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。
10.根据ε的定义，它是一个无因次参数，一般小于1。
其实用性在与：若已知ε及t1′、t2′时，就可很容易地由Q=εW min(t1′-t2′)确定热交换器的实际传热量。
蓄热式换热器
5.2 与间壁式换热器的比较分析
5.2.2 换热器的热平衡及传热方程 （2）换热量Q可由热气体1与蓄 热体间的对流换热来表示
Principle and design of heat exchanger 2015
5.2 与间壁式换热器的比较分析
5.2.2 换热器的热平衡及传热方程 （３）换热量Q还可由冷气体2 与蓄热体间的对流换热来表示
Principle and design of heat exchanger 2015
5.2 与间壁式换热器的比较分析
5.2.2 换热器的热平衡及传热方程 （４）综合以上三式，可得蓄热式换热 器的传热系数计算式：
Principle and design of heat exchanger 2015
Principle and design of heat exchanger 2015
5.1 结构和工作原理
5.1.2 阀门切换型蓄热换热器
Principle and design of heat exchanger 2015
fuel 燃烧器 B
fuel
炉温 1350℃ 钢板 1250℃
排气 150℃
蓄热式
由于蓄热式换热器中，加热和冷却过程中的平均壁温不
等，使得蓄热式传热量仅为间壁式的（
）倍。
即由传热表面温度不稳定所造成。
Principle and design of heat exchanger 2015
5.2 与间壁式换热器的比较分析
5.2.2 换热器的热平衡及传热方程
当τ→0时，tw1与tw2的曲线将重合，
蓄热式烧嘴结构图
Principle and design of heat exchanger 2015
蓄热式换热器
的直接混合来换热的。
引言
off
fuel
燃烧器 B
炉温 1350℃ 钢板 1250℃
on
fuel
蓄热室B
排气 150℃
air 切换阀
蓄热室A
主要内容及基本要求
蓄热式热交换器主要用于流量大的气－气热交换场合， 如动力、石油化工、冶金等工业中的余热利用和废热回收。
5.1 结构和工作原理 5.2 与间壁式换热器的比较 5.3 传热设计计算特点
2）除了在蓄热式换热器的冷、热气体进口处之外，冷热 气体的温度随时间呈周期性变化。
在蓄热式换热器高度方向上取某一A-A截面，在整个周期内， 该处蓄热材料及气体的温度按图所示情况变化。
5.1 结构和工作原理
5.1.2 阀门切换型蓄热换热器
fuel
fuel
燃烧器 B
炉温 1350℃
钢板 1250℃
排气 150℃
air 切换阀
阀门切换型蓄热式换热器
（a） 蓄热式烧嘴
（b）烧嘴转
蓄热燃烧原理图
空气 煤气
原理图
外置式单蓄热室结构图
砌筑尺寸 砌筑尺寸
内置式蓄热室结构图
外置式双蓄热室结构图
蓄热式烧嘴结构图
5.1 结构和工作原理
从玻璃加热池上 排出的高温烟气进入 蓄热格子体时的温度 约为1100~1300℃， 通过蓄热室后温度约 为400~600℃，进入 蓄热室的空气温度约 100~120℃，排出时 达到约900~1100℃， 然后进入加热池内供 燃油使用。
燃烧器 燃烧室
高炉热风炉结构图
5.1 结构和工作原理
5.1.1 回转式蓄热换热器
回转式换热器又叫再生蓄热式换热器， 主要由圆筒形蓄热体（常称转子）及风罩 两部分组成，分为转子回转型和外壳回转 型。
换热器种类及原理
换热器种类及原理各种换热器优缺点、原理图及适用场合一、换热器种类及原理：1、表面式换热器表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动,通过壁面的导热和流体在壁表面对流,两种流体之间进行换热;表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器;2、蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体,把热量从高温流体传递给低温流体,热介质先通过加热固体物质达到一定温度后,冷介质再通过固体物质被加热,使之达到热量传递的目的;蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等;3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器,是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器,热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环,在高温流体接受热量,在低温流体换热器把热量释放给低温流体;4、直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备,例如,冷水塔、气体冷凝器等;二、换热器优缺点、原理图及适用场合1、表面式换热器：间壁式换热器1、管壳式换热器：优点：结构简单造价低、制造方便和内径小；缺点：由于温差问题会引起管子弯曲造成泄漏、污垢清洗很困难、只适用于温差小、单行程、压力不高以及结垢不严重的场合;2、容积式换热器：优点：供水平稳、安全,易于清除污垢;主要用于热水供应系统;但其传热系数比壳管式换热器低得多;3、板式换热器：优点：传热系数很高；缺点：水质不好形成水垢或污物沉积,都容易堵塞;在我国城镇集中供热系统中开始得到广泛应用;4、螺旋板式换热器：与板式换热器相比,流通截面较宽,不易堵塞;缺点：不能拆卸清洗、2、蓄热式交换器：优点：结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大,适用于气-气热交换;如回转式空气预热器;局限：若两种流体不允许混合,不能采用蓄热式换热器;3、流体连接间接式换热器：4、直接接触式热交换器混合式换热器：优点：传热效率高、单位容积传热面积大、设备结构简单、价格便宜等;仅适用工艺上允许两种流体混合的场合;。
热交换器原理与设计 第5章_蓄热式热交换器
★蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流 过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠 构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热)， 实现冷、热流体之间的热交换。
★与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热 面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固 体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。
与直接接触式相比，差别更为明显，因为
设传热面积为 F，循环 周期为 τ0 (加热时间 τ1， 冷却时间 τ2 )， 可得蓄热传热量：
Q=KF(t1,m – t2,m)τ0 J (5.3) t1,m、t2,m—热、冷流体
平均温度，℃
(a) 假想间壁式换热
(b) 蓄热式换热
图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程
☆传热量Q可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示：
☆如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：
K
2
1
2
W/(m2·℃)
(5.11)
α1 α2
☆比较式(5.3)与(5.8)及(5.7)与(5.11)可见，由于
加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得
其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅
为间壁式热交换器的
1
tw1, m t1,m
M1cp1(t′1 – t″1)=M2cp2 (t″2 – t′2)
(5.1)
☆对蓄热式，气体1所放出的热量：
Q1=M1cp1(t′1,m– t″1,m) 气体2所吸收的热量：
Q2=M2cp2(t″2,m– t′2,m) ☆忽略对外热损失，热平衡：
M1cp1(t′1,m– t″1,m)=M2cp2(t″2,m– t′2,m) (5.2)
蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来 换热的。
第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】
逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设：
1. 冷热流体的质量流量和比热保持定值； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同一种流体从进口到出口，不能既有相变又
有单相对流换热。
要计算整个换热的平均温差，首先需要知道 温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后再沿 整个换热面积进行平均。
过冷
t1″ t2′
t1′ t2″
放热
过热 沸腾
t1′
部分冷凝
t1″
吸热
t2″
吸热
t1″ t2′
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
以顺流为例：已知冷热流体的进出口温度， 针对微元换热面dF一段的传热，温差为：
Δt=t1 – t2
→
dΔt=dt1 – dt2
Fx dΔt μk dF 0 Δt
dΔt μkdF Δt
Δtx ln μkFx Δt
Δtx
Δt
Δtx Δt e
μkFx
Δtx Δt e
Δt Δt e
"
μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
μkF
1 1 μ W1 W2
' 2
热容量：
W = M· C
(W/℃)
Q = W1 · Δt1 =W2 · Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
热交换器原理与设计
绪论1.2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章1.Mc1℃是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W—对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有μ＞０，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差△t总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1＜W2时，μ＞０，△t不断降低，当W1＞W2时，μ＜０，△t不断升高。
5.P（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
（定义式P12）7.从φ值的大小可看出某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。
除非处于降低壁温的目的，否则最好使φ＞0.9，若φ＜0.75就认为不合理。
（P22 例1.1）8.所谓Qmax是指一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。
9.实际传热量Q与最大可能传热量Qmaxε表示，即ε=Q/Qmax。
意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。
10.根据ε的定义，它是一个无因次参数，一般小于1。
其实用性在与：若已知ε及t1′、t2′时，就可很容易地由Q=εW min(t1′-t2′)确定热交换器的实际传热量。
热交换器原理与设计
绪论1.在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为热交换器。
2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式间壁式I：热流体和冷流体间有一固体表面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另一种流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
混合式!：这种热交换器内依靠热流体与冷流体的直接接触而进行传热。
蓄热式I：其中也有固体壁面，但两种流体并非同时而是轮流的和壁面接触，当热流体流过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章, ,1.Mc称为热容量，它的数字代表流体的温度没改变1°C是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W一对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
3.1平均温差指整个热交换器各处温差的平均值。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W］、W2值的大小如何，总有p >0, 因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差At总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1<W2时，p >0，At不断降低，当W1>W2时，p V 0，At不断升高。
5.P—冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率，称为温度效率。
（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
化工原理课程设计-热交换器
化工原理课程设计-热交换器引言热交换器是化工工艺中常用的一种设备，其作用是实现热量的交换，从而实现能量的转移。
本文将从热交换器的原理、设计要点、性能评价等方面进行介绍和讨论。
一、热交换器的原理热交换器是通过两个介质之间的热传导来实现能量转移的设备。
它由一个或多个传热表面组成，介质在这些表面上相互接触，并通过传热表面之间的热传导来实现热量的传递。
根据介质的流动方式，热交换器可以分为管壳式热交换器和板式热交换器。
1.1 管壳式热交换器管壳式热交换器是目前最常用的一种热交换器。
它由一个管子和一个外壳组成，在外壳内部通过一个或多个管子，介质在管子内部流动，通过管子和外壳之间的热传导来实现热量的传递。
管壳式热交换器结构简单、可靠性高，广泛应用于化工、制冷等领域。
1.2 板式热交换器板式热交换器是近年来发展起来的一种新型热交换器。
它由一系列平行排列的波纹板组成，流体通过波纹板之间的间隙流动，通过波纹板的热传导来实现热量的传递。
板式热交换器具有传热效率高、体积小、重量轻等优点，因此在化工工艺中得到广泛应用。
二、热交换器的设计要点热交换器的设计是化工工艺中非常重要的一部分，设计的好坏直接影响到热交换器的性能。
下面将介绍热交换器设计的几个关键要点。
2.1 热传导热传导是热交换器实现热量传递的基本方式。
在设计热交换器时，需要考虑介质之间的热传导系数、传热表面的材料、传热表面的形状等因素，并通过合理的设计来提高热传导效率。
2.2 流体流动流体的流动方式对热交换器的传热效果有着重要影响。
在设计热交换器时，需要考虑流体的流动速度、流动的方式（如层流、湍流）、流体的阻力等因素，并通过合理的设计来优化流体的流动方式，提高传热效率。
2.3 温度差温度差是热交换器实现热量转移的驱动力。
在设计热交换器时，需要考虑介质之间的温度差、介质的流量、介质的性质等因素，并通过合理的设计来控制温度差，提高传热效率。
2.4 材料选择热交换器的材料选择直接影响到其耐腐蚀性、耐高温性、传热效率等性能。
全套电子课件：热交换器原理与设计
Mb
t1 t1expma L
expma L expmb L
(p)
将式(p)代入(n)，则：
Z
t1
t1
t1
t1
expma L mb expma
x L
expmb expmb
L
L
ma x
(q)
式(q)表示了壳侧流体温度沿距离x的变化规律。
若对式(n) x求导，可得壳侧流体温度的变化率：
dZ dt1 dx dx
P’ = P ·R R’ = 1/R
（2）P的物理意义：冷流体的实际温升与理论所
能达到的最大温升之比（< 1） → 温度效率
（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比。
R t1 t1 W2 t2 t2 W1
1) 热流体在管外为一个流程， 冷流体在管内先逆后顺两个
流程<1–2>型热交换器
ψ
R2 1
W1 KS
d 2t1 dx 2
2 dt1 dx
KS W2
t2b
t2a
(h)
将式(b)代入式(h)并整理：
d 2t1 dx 2
2KS W1
dt1 dx
KS W2
2 t1
t1
0
(i)
此为壳侧流体温度沿流动方向的微分方程。
为求解此式，引入新变量：
Z = t′1 – t1
(j)
t′1为热流体起始温度，看作常量，(i)式变成：
Mamaexpma x Mbmb mb x
(r)
将式(f)代入式(r)，考虑到边界条件：
x=0时，t1 =t″1，t2a =t′2，t2b =t″2
则：
Mama
Mbmb
热交换器PPT课件
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三种传热方式的概括比较
传导和对流传热时的传热速率直接与温度差成正比。 辐射传热时的传热速率则与温度的四次方之差成正比。 传热过程中，传导、对流和辐射往往同时发生。高温 （如500℃以上）时辐射传递的热量在总传热量中会 占较大的比重；较低温度（如300℃以下）对流传热 占显著地位。 传导主要发生在固体物料间。对流传热发生在流体之中。 传导、对流、辐射传热的传热速率都与传热面积直接成 正比。
加热器、冷却器、冷凝器 按用途分类
蒸发器、再沸器
按热交换形式分类
混合式 蓄热式 间壁式2Biblioteka 第2页/共50页冷凝管
3
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球形冷凝管
4
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一、列管式热交换器
(1) 结构
5
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Shell Tubes
Stationary Tubesheet
Shell-and-tube heat exchanger
载热体流向：
蒸汽：上
下
液体：下
上
结构简单，但传热面积较小。
夹套反应釜换热时，传热系数K比较低。
常用于制药、有机合成和食品工业中。
19
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三、蛇管式热交换器
优点： 结构简单 能承受高压
缺点： 容器内液体湍流程度小 管外给热系数小
换热面积一般小于15m2.m-3。
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为提高传热系数的强化措施：容器内加搅拌器
33
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能完全吸收辐射能的称为黑体或绝对黑体。 能完全反射辐射能的物体称为镜体或绝对白体。 实际物体只能部分吸收辐射能，通称为灰体。 NOTE： 物料表面越粗糙，则对辐射能的吸收率越高。 颜色与吸收率没有直接关系，许多浅色物体的吸收率 也很高。
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☆忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡： M1cp1(t′1 – t″1 )=M2cp2 (t″2 – t′2 ) (5.1)
☆对蓄热式，气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t′1,m – t″1,m ) 气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t″2,m – t′2,m ) ☆忽略对外热损失，热平衡： M1cp1(t′1,m – t″1,m )=M2cp2(t″2,m – t′2,m )
5 蓄热式热交换器
★蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流 过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠 构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热)， 实现冷、热流体之间的热交换。 ★与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热 面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固 体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。 与直接接触式相比，差别更为明显，因为 蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来 换热的。 ★蓄热式热交换器常用于流量大的气气热交 换场合，如动力、硅酸盐、石油化工等工业 中的余热利用和废热回收等方面。
图5.2 蓄热板结构图
图5.3为外壳回转型蓄热式热 交换器，它由上下回转风罩、 传动装置、蓄热体、密封装 置、烟道和风道构成；一端 为8字形，另一端为圆柱形的 两个风罩盖在定子的上下两 个端面上，其安装方位相同， 并且同步绕轴旋转。
图5.3 风罩旋转的回转型空气预热器
1空气出口；2空气入口；3烟气出口；4回转风罩；5隔板；6烟气入口
5.1.2 阀门切换型蓄热式热交换器
传统的蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌 成的格子砖构成。为连续运行，都具有 两个蓄热室。这种阀门切换型常用于玻 璃窑炉，冶金工业中高炉的热风炉。
图5.4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图
图5.5 蓄热室结构简图
图5.6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图
5.2 蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较
(5.2)
设传热面积为 F，循环 周期为 τ0 (加热时间 τ1，
冷却时间 τ2 )，
可得蓄热传热量： Q=KF(t1,m – t2,m )τ0 J (5.3) t1,m、t2,m—热、冷流体 平均温度，℃
(a) 假想间壁式换热
(b) 蓄热式换热
图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程
☆传热量Q可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示： Q=α1F 0 (t1 – tw1)dτ =α1F(t1,m – tw1,m )τ1 Q=α2F (tw2 – t2)dτ=α2F(tw2,m – t2,m )τ2
☆比较式(5.3)与(5.8)及(5.7)与(5.11)可见，由于 加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得 其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅 为间壁式热交换器的
tw1,m tw2,m 1 t1,m t2,m
倍。
☆称它为考虑非稳定换热影响的系数—Cn。 由于传热表面温度不稳定而产生的。由图5.8(b)，
W/(m2· ℃) (5.6)
如τ1=τ2，则：
tw1,m tw2,m K 1 2 2 t t 1,m 2,m α 1 α 2 1
W/(m2· ℃) (5.7)
☆设有一间壁式热交换器，传热面积为F，但冷 气体及热气体各占一半，热气体的平均温度 为t1,m，冷气体的平均温度为 t2,m 则在时间 τ0 内该间壁式热交换器的传热量： Q=KF(t1,m – t2,m )τ0，
J (5.8)
☆而热气体的放热量为：
Q=α1 F/2(t1,m – tw1,m )τ0， ☆冷气体的吸热量为： Q=α2 F/2(tw2,m – t2,m )τ0，
K 1 2 2 α1 α2
J (5.9)
J (5.10)
☆如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：
W/(m2· ℃) (5.11)
当换热周期 τ0→0时，曲线 tw1与 tw2 将变成同一
直线，因而 tw1,m= tw2,m，此时Cn为1。
与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器在结构 方面有以下三个优点： ☆紧凑性很高。采用20~50目金属网板作蓄热体时， 每m3容积可容纳的传热面积为2296~6560 m2。 而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器 一般只有2000 m2/m3左右。
☆单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且
易于采用耐腐蚀、耐高温的材料(如陶瓷)作传热面。 ☆有一定的自洁作用。因为周期性地受到气体方向 相反流动，并且传热面上积灰较易自动去除。
5.1.1 回转型蓄热式热交换器
回转型蓄热式热交换 器主要由圆筒形蓄热 体 (常称转子)及风罩 两部分组成。它又分 为转子回转型和外壳 回转型。转子就是一 个蓄热体。
图5.1 转子回转型空气预热器 1转子；2转子的中心轴；3环形长齿条；4主动齿轮；5烟气入口； 6烟气出口；7空气入口；8空气出口；9径向隔板；10过渡区；11密封装置
0 τ2
τ1
J (5.4)
☆或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示：
J (5.5)
☆综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数：
K 1 1 1 τ1 τ2 α α 1 2 τ0 τ0 tw1,m tw2,m 1 t t 1,m 2,m
☆特点二：蓄热材料和流体温度变化具有周期性， 即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。
图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化
图5.9 逆流下的间壁式和蓄热式热交换器
☆气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t′1 – t″1 ) ☆气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t″1 – t′2 )
蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、 热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中 传热面及流体温度的变化具有一定的特点。
☆特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不 断变化，而且加热期的变化与冷却期的变化情况也 不相同。同时，除了在热交换器的冷、热气体进口 处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。