换热器设计1-基本原理

主讲：魏高升
（6） 螺旋板式换热器 由两块金属板卷制而成。
螺旋板式换热器传热性能较好、制造工艺简 单，但承压、密封性能较差 。 主讲：魏高升
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（7）热管式换热器 由多根热管构成。 空气 烟气 热管式空气预热器示意图
换热器的设计
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魏高升
动力工程系工程热物理教研室
传热传质研究所
办公：教4楼 C209房间 电话：80798627，51971318 Email：gaoshengw@ncepu.edu.cn
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2.1 换热器的传热计算的基本参数
一、基本参数和方程
流体1的放热热流量
qm1c1 t1' t1" W1 t1' t1"
流体2的吸热热流量
' " qm 2c2 t2 t2 W2 t2' t2"
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几种常见扩展表面的肋片效率：
实际散热量 f 假想整个肋表面的温度处于肋根温度下的散热量
tanh(mH ) •对于等截面直肋： ＝
0
mH
m
hP 2h Ac
肋片效率的影响因素：
f
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典型间壁的传热热阻
平壁
圆管壁
1 1 1 1 [( rd )1 ( rd ) 2 ] kA Aw h h
ln(d0 / di ) 1 1 1 1 1 [( rd )1 ( rd )2 ] kA di L h 2 L d0 L h
平壁两侧带肋片
1 1 1 1 1 [( rd ) ]1 [( rd ) ]2 kA h A0 Aw h A0
圆管壁外侧带肋片
ln(d0 / di ) 1 1 1 1 1 ( rd )1 [( rd ) ]2 kA di L h 2 L h A0
板式换热器传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑。
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蓄热式：冷、热两种流体依次交替地流过换热器 的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。
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优点：结构紧凑，以单位传热面积计 算，价格比较便宜。不存在永久性的 流动停止区域，因此表面具有自清扫 功能；缺点：主要是泄漏和携带，还 存在密封困难等问题。
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（4） 板翅式换热器 由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。
板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。
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（5） 板式换热器 由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。
换热器的污垢热阻
Rk K W
rk A Rk
rk m K W
2
1 1 rf k k0
m K/W
2
k0、k 分别为结垢 前后的传热系数
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tf 1 tf 2 Rhi Ri Rw Rho Ro tf 1 tf 2 1 1 rhi ri Rw rho ro Ai Ao tf 1 tf 2 Ao ko tf1 tf 2 11 1 1 ro ri Rw Ai hi Aoo ho t f 1 tf 2 ko Ao 1 11 ri Ao Rw ro Ai hi o ho
• 制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证， 以减少初投资； • 安装、运输以及维护方便等
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2.2换热器的设计过程
传热表面的 工作特性 几何参数
流体及材料 的热物理 性质 热设计 传热计算 流阻计算 优化分析
Ko为以管外壁面积为基准计算的传热系数。
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第一章 绪
论
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换热器
换热器也称热交换器，是把热量从一种介质传给 另一种介质的设备
换热器广泛应用于广泛应用于化工、能源、机械、 交通、制冷空调、航空航天以及日常生活等各个领 域。
换热器的传热热流量
tm kA t f 1 t f 2 kAtm 1 kA
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二、换热器的传热热阻
tm tm Ak tm 1 Rk Ak tm tm q k tm 1 rk k
顺排（矩形肋片）：
db a ' H = ( -1)(1+0.35ln ) = 2 rb
'
a =1.28 -0.2 b
'
叉排，三角形（六边形肋）：
b =1.27 -0.3 a
'
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a
rb
b
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混合式（直接接触式） ：换热器内冷、热流体直 接接触、互相混合来实现热量交换。
典型应用：
电厂中的水冷塔
海勒式间接空冷凝汽器
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换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛采用 的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回 收和节能利用的主要设备。
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1. 换热器的分类
按照换热器的工作原理分类 间壁式
混合式（直接接触式）
回热式（蓄热式）
换热器 设计指标
总体布置： 选定类型、结构及材料 流动形式 传热表面 评价依据
最 佳 设 计
评价和抉择
可 供 选 择 的 方 案
结构设计： 构造、强度、振动、 密封、工艺、维修等
择优条件
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第二章 换热器的传热及阻力计算
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；
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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。
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2 换热器设计概述
2.1换热器的合理设计要求
• 在给定的工作条件（流体流量，进口温度等） 下，达到要求的传热量和流体出口温度。 • 流体压降要小，以减少运行中的能量消耗； • 满足外形尺寸和重量的要求； • 安全可靠，满足最高工作压力、工作温度以及 防腐、防漏、工作寿命等方面的要求；
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间壁式 ( 表面式换热器 ) ：其中冷热流体被一个固 体壁面隔开，热量通过固体壁面传递。这种换热器要 发生热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与 冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。
在以上三种类型的换热器中间壁式换热器的用量 最大，是占主导地位的换热器型式。
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（2） 管壳式换热器 由管子和外壳构成。
2壳程、4管程换热器
管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。
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（3） 肋片管式换热器 由带肋片的管束构成的换热装置。
肋片管式换热器适用于管内液体和管外气体之间的 换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。
热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的制 造工艺较复杂，热管的密封性、寿命问题需重点考虑。
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间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向
在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面 面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口 温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。
f
h f
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•等厚度环肋：（工程上常用的，简化的）
tanh(mH ' ) 0＝ mH '
H=
'
d f - db 2
(1+0.35ln
df db
)
•管束外整体肋（制冷装置的蒸发器，空冷凝汽器）
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间壁式换热器的主要型式： （1） 套管式换热器
套管式换热器示意图
特点：结构简单、牢固可靠、可串并联使用，传 热面积有限，传热量小。
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间壁式换热器的总传热热阻 热流体侧对流换热热阻 间壁的导热热阻
Rw1 1 h1 A
Rw A
ln(d 0 / di ) Rw 2 L
冷流体侧对流换热热阻 Rw 2 1
h2 A
Rw 1 h A0
流体与洁净肋片间的对流换热热阻
污垢热阻
d rd Rd d A A
a rb b
Байду номын сангаас
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三、对数平均温差
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顺流与逆流的比较：
（1）顺流时冷流 体的终温永远低于热 流体的终温，而逆流 时冷流体的终温可以 超过热流体的终温； （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；
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参考书
1.《换热器原理与设计》，余建祖 编著，北京航空 航天大学出版社，2005 2.《换热器》，秦叔经， 叶文邦等编，北京-化学 业出版社 2003 3.《电站锅炉空气预热器》，国家电力公司电力机 械局编，中国电力出版社，2002 4.《换热器设计》，毛希澜主编，上海科学技术出 版社 1988 5. 《发电厂空冷技术》，丁尔谋主编，水利电力出 版社，1988 6.《传热学》第四版，杨世铭、陶文铨 编著，高等 教育出版社，2006年