热交换器

•螺旋板式热交换器（spiral plate heat exchanger）
结构如图所示 螺旋板式换热器的换热 表面是由两块金属板卷 制而成，冷、热流体在 螺旋状的通道中流动。 螺旋流道的污垢形成速 度大约是壳管式的1/10， 单位体积内的换热面积 为壳管式的3倍，因此种 换热器换热效果好，但 清洗与检修困难，承压 能力较低。
2.平均温差法用作校核计算时步骤如下：
(1)先假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口 温度。 (2)根据4个进、出口温度求得平均温差Δ tm 。 (3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数k的值。 (4)已知kA和Δ tm ，按传热方程式求出Φ 值。因为流体的出口温度是 假设性的，因此求出的Φ 值未必是真实的数值。 (5)根据4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个Φ 值，同理，这个 Φ 值也是假设性的。 (6)比较步骤(4)和(5)中求得的两个Φ 值。一般来说，两者总是不同 的。这说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个 流体的出口温度，重复以上步骡(1)至(6)，直到由步骤(4)和(5) 求得的两个Φ 值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称 满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于 2％～5％。
t t 200 100 tm 144C t 200 ln ln t 100
由计算结果知，逆流平均温差比顺流大，换热器采用逆流效果好
知识延伸 换热器的设计与校核
基本概念及公式 1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需
的换热面积。
2.校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器。
是大管套小管，结构如图所示 船上常用作锅炉装 置和柴油机装置的 燃油加热器用
1
2
1
2
水蒸汽在管内流过，加热套管间流过的 燃油。这种加热器由于蒸汽凝结放热系 数远大于油对壁面的放热系数，因此， 套管式换热器 在内管的外侧都设有轴向平肋，以减小 油侧的热阻，提高整个加热器的传热系 数。
二、板式热交换器
对顺流换热过程
dQ qm1c1dt1 qm2 c2 dt2
d t1 dQ dQ q m1 c1 W1
dQ dQ d t2 qm 2 c2 W2
1 1 d (t1 t 2 ) ( )dQ W1 W2
1 1 令t t1 t 2 , m 则得 W1 W2 d (t ) m dQ
换热器中流体的温度分布
t t1 t t1 t2
t2
t1 t2
A
t1
t2
t t1 t2
A
t1
t2
t
t1
t1 t2
A
t2
A
对数平均温差公式推导
设t1′，t1〃，qm1和c1分别表示热流体的进出口温度、流量 和比热容； t2′，t2〃，qm2和c2分别表示冷流体的进出口温度、 流量和比热容。
例：已知一换热器，热流体进口温度t1’=3000C,出口温度 为t1’’ = 1500C；冷流体进口温度t2’=500C,出口温度 为t2’’=1000C。求换热器在顺流布置和逆流布置时的 对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。 解：顺流时 对于逆流 t t f 1 t f 2 300 100 200C
• 板翅式热交换器
（plate-fin heat exchanger） 结构示于图所示 板翅的作用： （1）扩大传热面积，提高 热交换器的紧凑性。 （2）利用翅片的特殊结构， 使流体在通道中形成强烈的 扰动，提高传热系数。 （3）翅片起到支撑和加固 作用。
翅片 封条
2 1
隔板
板翅式热交换器
•平行板式热交换器（plate heat exchanger）
第十八章
学习目标：
• • •
热交换器
了解船用热交换器的常见类型的结构、特点及应用； 了解污垢系数，顺流、逆流换热器的流体温度沿流 了解热管换热器的工作原理及应用
程变化曲线，掌握对数平均传热温差的计算； • 了解对数平均温差法及传热单元数法对热交换器进
行设计与校核。
• 换热器定义： 把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。
适用于冷热两种流体的换热系数相差悬殊的情况。如 汽车发动机汽缸的冷却水散热器、船用柴油机的空气 冷却器、制冷和空气调节装置的蒸发器、冷凝器以及 柴油机增压器的中间冷却器等。 1 结构如图所示 在换热系数小的一侧加装肋片
2
肋片管式换热器
• 套管式热交换器（double-pipe heat exchanger）
逆流时的对数平均温差
计算P、R 值，查图表定
•各种流动形式的比较
在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两 种极端情况。在相同的进、出口温度条件下，逆流 的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各
种流动形式介与顺流和逆流之间。逆流的缺点是：
热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，
使得该处的温度特别高，这是应该避免的。
Thermodynamic system
一、管式热交换器（tubular heat exchanger）
•壳管式热交换器（shell and tube heat exchanger）
是间壁式换热器的一种主要形式。船上广泛地应用这 种热交换器作冷凝器、滑油冷却器、燃油加热器及造 水蒸发器、压缩机的中间冷却器等。壳管式热交换器 结构如图所示。 一种流体(图中冷流体)从封头进口流进管于里，再经封 头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的 连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动，这条路 径称为壳程。
Q kA(t1 t 2 ) kAt m
热流体放出的热量 冷流体吸收的热量
t1 ) Q1 qm1c1 (t1 t 2 ) Q2 qm c2 (t 2
t1 ) qm2 c2 (t 2 t 2 ) qm1c1 (t1
qm1c1 W1 qm 2c2 W2
结构如图所示，它由一组几何结构相同的平行薄平板叠加组成。 型板板片被冲压成特殊波纹形状以构成流体通道。型板角上开有 流体通道孔，板片四周和通道孔周围装有密封垫片。密封垫片是 板式换热器的重要构件，一般由耐热橡胶或合成树脂制成。装配 时，首先用黏结剂把垫片粘在板片四周和通道孔周围的密封槽中。 若板角通道孔的密封槽中装有密封垫片，则流体不能进入该型板； 若不装垫片，则允许流体进入该型板。按换热量的要求，将若干 块型板叠合起来，并用前后端板架及长连接螺栓将全部板片压紧， 相邻型板之间由于密封垫片的隔开，形成一个个通道，借助型板 角孔是否安装垫片，使相邻两通道中分别流过冷、热两种流体。
简单的壳管式换热器示意图
为了提高管程流体的流速，在壳管式换热器中，一端的封头 里加了 一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处 l表示壳程数，2表示管程数)。下图是一个1-2型换热器的剖面图。
1-2型换热器剖面示意图
•肋片管式热交换器（fin-tube heat exchanger）
—换热器一端、 另一端的温差
d (t ) mdQ
t t mQ
'' '
t t Q ' kA t ln '' t
' ''
t '' ln ' m kA t
Q 由 t m 得 kA
t t t m＝ ' t ln '' t
'
''
对数平均温差
对逆流换热过程
在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务。
3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式：
Φ =kAΔ tm
qm1c1 (t1 t1 ) qm 2 c2 (t 2 t 2 )
4.换热器热计算的方法有两类：平均温差法及传热单
元数法
一、换热器热计算的平均温差法
所谓平均温差法，就是直接应用热平衡方程式和传热方程式进行热计 算的方法。
t
dQ qm1c1dt1 qm2 c2 dt2
t1 t2
'
A
t1 t2
dQ dQ dt1 q m1c1 W1 dQ dQ dt2 qm 2 c2 W2
t t t m＝ ' t ln '' t
对数平均温差
''
1 1 d (t1 t 2 ) ( )dQ W1 W2
t t f 1 t f 2 300 50 250C
t t f 1 t f 2 150 100 50C
tm t t 250 50 124C t 250 ln ln t 50
t t f 1 t f 2 150 50 100C
平行板式换热器
由于型板的特殊形状，板片问的流道方向和截面不断发生变 化，因而增大了流体的扰动和放热系数。水—水型板式热交换 器的传热系数可达到 7 000 W/(m2 K) ，且结构紧凑，每立方米 2 容积的换热面积值为 40~150 m ，拆装方便，容易清洗。其缺 点是密封垫片损坏时容易漏泄，不耐高温，一般只适用于 150 以 C 下的流体。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物 的流体（如牛奶等有机流体）的换热。
t max t min t m t max ln t min
t max 当 2时 t min 1 t m＝ (t max t min ) 2
其他复杂布置时流换热器平均温差的计算
叉流和混合流
t max t min t m t t max ln t min
1.平均温差法用作设计计算时步骤如下：
(1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。 (2)根据给定条件，由热平衡方程式求出进、出口温度中的那个待定 的温度。 (3)由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差Δ tm，计算时要注 意保持修正系数φ 具有合适的数值。 (4)由传热方程式求出所需的换热面积A，并核算换热两侧流体 的流动阻力。 (5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。
按流动方向分类：
1、顺流式 2、逆流式
3、叉流式
4、混合流式（杂流式）
按流程分类： 单流程：
双流程：
多流程：
第一节 间壁式换热器的主要类型
间壁式换热器的主要型式 壳管式热交换器 管式热交换器 肋片管式热交换器
套管式热交换器
板式热交换器 板翅式热交换器 平行板式热交换器 螺旋板式热交换器
第一节 间壁式换热器的主要类型
传热方程
Q KA(tf 1 tf 2) KAtm tm —整个换热器流程上热、冷流体的平均温差 A—热交换器的换热面积 K —热交换器的传热系数
二、污垢系数：污垢热阻是热交换器源自文库干净和运行 一段时间在壁面结垢两种情况下，通过实验确定 其传热系数K净和K污值后求得的。
1 1 rf K污 K净
螺旋板式换热器
第二节 换热器的热计算
一、热计算公式
热平衡方程
Q m1cp1(t f 1 t f 1) m 2cp 2(t f 1 t f 1) m1，m 2 —热、冷流体的质量流量 cp1，cp 2 —热、冷流体的质量定压比热 t f 1，t f 1—热流体流经热交换器进出、口处的温度 t f 2，t f 2 —冷流体流经热交换器进出、口处的温度
三、平均温差 1、顺流：
2、逆流：
热流体 冷流体
热流体 冷流体
2.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收 热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量 时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为Δ tm。 据此，传热方程式的一般形式应为: Φ =kA Δ tm
对微元面积dA，传热方程为
dQ k (t1 t 2 )dA
dQ t t1 t 2 kdA
d (t ) m dQ
d ( t ) A m kdA ' t t 0 '' t t t ln ' m kA t
t ' '
d（t） mkdA t
•按冷热流体的接触方式分类：
间壁式： 冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。 混合式： 冷、热流体通过直接接触换热。 蓄热式 冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。 (回热式）
在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本章将对其结构 型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详 细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式 换热器，其工作原理具有一定特点。