第7章 热交换热处理机械与设备

为广泛。
（一）管式热交换器
管式热交换器是通过管子壁面进行传热的换热器。
按照传热管的结构形式分为： 1．盘管式热交换器 2．套管式热交换器 3．列管式热交换器 4．翅片管式热交换器
这种管式杀菌器由多种管状组件构成，这些组件 以串联和并联的方式组成一个能换热的系统。
1．盘管式热交换器
U形管补偿 每根换热管都弯成
c. U形管式
U型管子的两端分别安装在 某 一端固定管板的两侧，中间用 隔板分成两 室。
4、翅片管式热交换器
作用： 增大传热面积(表面积可为光滑管的2~9倍)；提
高流体的湍流程度，从而提高传热膜系数。
管壁上有翅片，热交换效率明显高于光管换热器
为什么用翅片式热交换器?
(1)普通套管式热交换器
操作时， 一种流体 在内管流 动， 另一流体 在套管环隙内流 动。利用蒸汽加热内管中的液 体时， 液体 从下方进入套管的 内管，顺序流过各段套管而由 上方流出。 蒸汽 则由上方套管 进入环隙中， 冷凝水 由最下面 的套管排出。 套管式热交换器 每程的有效 长度 不能太长，否则管子易向 下弯曲从而引起环隙中的流体 分布不均。通常采用的 长度为 4~6m。
特点：
(2)喷淋式蛇管热交换器
与沉浸式相比，喷淋式盘管换热 器的管外表面传热系数有所提高
，因此所需传热面积、材料消耗
和制造成本都较低。此外，作为 卫生式设备，清洗消毒也较方便
。同时，冷却水消耗量只有沉浸式
的一半。 但这种设备占地面积大，操作时
管外有水汽収生，对环境不利，
故常安装在室外；另外，管子氧 化快、寿命短，喷淋的液体量有
•特点： •同一种流体的进出口在设备的同一侧
•第五章 热交换热处理设备
(2) 对角斜流
同一种液体进出口两角孔在对角线的两端点位置上，左右
片的结构不一样，垫圈也不一样。

片间流动的总方向是对角线方向。
需要有两种冲模压制
刮板式换热器的应用场合
2、刮板式热交换器
Product outlet
•主要构件
1、传热板
板式换热器为高效间壁 式换热设备，由若干金属 波纹板片交替排列，通过 橡胶质密封垫片形成冷热 通道，实现全逆流换热。 其中，板式换热器金属波 纹板片为核心传热原件， 波纹形式的合理设计对设 备的换热性能、压降性能 及设备承压能力产生决定 作用，密封垫片的合理设 计对使用便捷、可靠性及 可重复利用性至关重要。
图7. 3 喷淋式蛇管热交换器
变化时，温度响应极为敏感 。
2．套管式热交换器
套管式热交换器有普通套管式和新型套管式两种型式。 换热原理上两者无本质区别，但材料和结构方式，后者作 了较大改进，因而目前已经广泛用于黏稠流体的ຫໍສະໝຸດ Baidu热。
t2
(1) 普通套管式热交换器 (2) 新型套管式热交换器
T2 T1
t1
这种热交换器盘管浸没在装有 流体的容器中，管内和容器内的 两种流体通过盘管进行热交换。 形状： 排管状 、 螺旋形 ( 称 为盘香管)。 特点：这种热交换器管外空间 较 大 ， 因 而 管外流体流速较
小 ， 表面传热系数不高 ， 热 交换器传热效率低 ，是较古
老的一种设备。 优点：结构简单，制造维修方 便，造价低，能承受较高压强。
高粘度产品 带颗粒的产品
这种热交换器靠近传热面处有刮板
连续不断地刮扫运动，使料液成薄膜状流 动。这种热交换器因此也称为刮板薄 膜式热交换器，或称为刮面式热交换器。
Media
旋转刮板式热交换器的结构主要
由内面磨光夹套换热圆筒、刮板转子、
密封机构和驱动装置等组成。
Media
Product inlet
传热系数的大小与冷热流体的性质、换热的操作条件（如流速、温度等）、传 热面的结垢状况以及换热器的结构和尺寸等许多因素有关。
管内换热系数大，管外小，传热的阻力主要来自管外侧。怎样才能提高圆管的传热量呢？ 最有效的方法之一就是在管子外表面采用扩展表面，即做成翅片管。虽然换热系数仍然 很低，但传热面积大大增加了，从而使整个传热过程增强。
也称蛇管式热交换器。
应用广泛，例如：冷库中的冷排管和盘管式冷凝器；某 些大型搅拌反应罐内的盘管式热交换器；乳品工业用这 种形式的热交换器作奶油、炼乳等高黏度制品的加热或 冷却用；盘管式换热用作超高温灭菌器的加热器。
(1)沉浸式盘管热交换器 (2)喷淋式蛇管热交换器
(1)沉浸式盘管热交换器
Expansion
Joint
b. 浮头
浮头补偿是使换热器两端管板 之一不固定在 外壳上，此端称 为浮头。当管子受热或受冷 时，
a. 补偿圈（膨胀节）
补偿圈补偿是在外壳上焊上一 个补偿圈。当外 壳和管子热胀 冷缩时，补偿圈就发生弹性变 形，达到补偿的目的。
就可连同浮头一起自由伸缩，
而与外壳 的胀缩无关。
特
点
结构简单 ，能耐高压， 可保证逆流操作 ， 排
数和程数可任意添加或拆除，伸缩性很大。它特
别适用于载热体用量小或物料有腐蚀性时的换热。 缺点： 管子接头多，易泄漏，换热面积小，且单位传 热面的金属材料消耗量大。 适合于需要传热面不大的情况。
(2)新型套管式热交换器
背景： 随着材料科学、金属加工技术的发展，以及对已有 种类热交换器分析研究，基于套管式的热交换器的性能得到了 很大的改善，出现了新型套管式热交换器。 特点：所用材料为薄壁无缝不锈钢管，弯管的弯曲半径较小，
食品工厂机械与设备
第7章 热交换热处理机械与设备
食品科学学院食品教研室
王海鸥
第7章 热交换热处理机械与设备
7.1 热交换器
主 要 内 容
7.2
热处理机械
7.3
挤压机械
第7章 热交换热处理机械与设备
食品加工过程中，物料进行加热或冷却处理(即热交换) 是一项普遍而重要的单元操作。物料涉及从原料到包装半 成品。杀菌、冷却、干燥、浓缩、冷冻等等。
旋转刮板式热交换器
3 夹套式热交换器
载热体通道： 夹套与容器壁之间形成的环形空间 载热体流向： 蒸汽： 上 液体： 下 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。
二、直接式热交换器
也称为混合式热交换器，其特点是冷、热流体直接混 直接式与间接式相比，省去了传热间壁，因而结构简
目前使用最广的热交换器
优点：易于制造，生产成本低， 适应性强，可以选用的材料较广， 维修、清洗都较方便，特别是对高 压流体更为适用。在食品工业中常 用作预热器、加热器和冷却器，在 冷冻系统中可以用作冷凝器和蒸収 器。用蒸汽加热时，蒸汽在管外流 动。在考虑食品的卫生要求时，与 食品物料直接接触的部分应采用不 锈钢作材料。 缺点：结合面较多，易造成泄漏。
热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式
多样，应用广泛。适于冷、热流体不允许混 合的场合，符合食品卫生要求。
混合式（又称直接接触式）
冷、热流体通过直接接触换热。典型的例子 是冷却塔（冷水塔、凉水塔），喷射式热交换器。
一、间壁式热交换器
间壁式热交换器的特点是换热介质和换热物料被金属材 这种加热方式符合食品卫生要求，在食品工业中应用最 间壁式热交换器按其传热面的形状和结构可分为： 管壁传热和板壁传热两种形式。 料隔开，两者不相混合，通过间壁进行热量的交换。
物料的三种传热方式：对流、传导和辐射。
食品物料状态有液体、固体两大类。对它们加热或冷却 操作可在通用或专用热交换设备进行，例如，对于液体物 一般可采用专用热处理设备，如挤压机、油炸机、热烫机
料可用各种间接或直接式热交换器，对于未包装固体物料，
等。
食品加工的热交换热处理设备类型
物料状态 流体 固体 设备类型 换热形 式
用于液体物料的在线加热和冷却。
•板式换热器
•第五章
热交换热处理设备
特 点
（1）传热效率高。由于换热板间距小，板面上有波纹或凸凹状花纹， 流 体 高 速 通 过 ， 形 成 湍 流 ， 故 传 热 系 数 高 ， 一 般 可 达 3500— 4000W/(m2℃ ) （2）结构紧凑。板式换热器在较小的结构内可容纳较大的传热面积。 按单位体积的结构中所占传热面积算比管式换热器高4—7倍。
（二）板式热交换器
板式热交换器的特征是采用板壁作为换热壁，
常见的有板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套
式热交换器等。
–1．板式热交换器
–2．旋转刮板式热交换器
1．板式热交换器
板式换热器是以成型传热板片为传热面的高效
间壁换热器。
冷热流体分别是条形和网状薄层湍流连续通
过板片两侧的空间，进行热交换。
液体食品如牛乳、果汁等的杀菌，同时还应
挡板(折流板)
挡板(折流板)的作用： •引导流体沿规定路径走
•提高传热系数
热膨胀补偿
热交换器内管内外温度不同， 管壁温度和壳壁温度也不同，致 使管束与壳体的热膨胀程度有差 别。 这种热胀冷缩所产生的应力往 往使管子发生弯曲，或从管板上 脱落，甚至还会使热交换器毁坏。 当管壁和壳壁的温度差大于 50℃时，应考虑补偿措施以消除 这种应力。 常用的热补偿方法有浮头补偿、 补偿圈补偿和U形管补偿。
单位容积有较大的换热 面积(每m3有效容积的传热 面一般为60~80m2.m-3)，是 传热效率较高的热交换器。
Shell
Tubes
Stationary Tubesheet
Shell-and-tube heat exchanger
单程列管式换热器
单壳程双管程换热器
折流挡板
对于管外壳间的流体， 为了提高管外表面传热系 数，则在管外装设折流板( 或称挡板)。折流板形式常 用的有弓形和盘环形两种。
加热介质或冷却介质之间
放置了一个间壁物，热量
由介质传到间壁，再由间
壁传到产品。
热交换器：间接加热or
直接加热？
7.1 热交换器
热交换器主要指的是用于对流体食品或流体
加工介质进行加热或冷却处理的设备。
两大类型：
一、间壁式热交换器
二、直接式（混合式）热交换器
间壁式 冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，
合进行换热，从而在热交换的同时，还収生物质交换。
单、传热效率高、操作成本低。但采用这种设备只限于允许
两种流体混合的场合。 常见直接式热交换器有直接式蒸汽加热器和混合式蒸汽 （一）蒸汽直接式加热器 （二）混合式蒸汽冷凝器
冷凝器。
（一）直接式蒸汽加热器
并可在一个外管内套装多个内管；直管部分的内外管均为波纹
状管子，大大提高了传热系数；大多采用螺旋式快装接头；由 于管壁较薄、弯曲半径小，以及多管套在一起，其单位体积换 热面积较传统套管式热交换器有很大的提高。 型式：双管同心套管式、多管列管式和多管同心套管式。
3．列管式热交换器
也称壳管式热交换器 特点与应用
在生产上常常遇到一种情况，热交换器间壁两侧 流体的表面传热系数相差颇为悬殊。例如，食品工业 常见的干燥和采暖装置中用水蒸气加热空气时，管内 的表面传热系数要比管外的大几百倍，成为传热过程 的主要阻力。这时宜采用翅片管式热交换器。一般来 ？ 说，当两种流体表面传热系数相差 3倍以上时，宜采 用翅片管式热交换器。
(3）适应性广。 增减换热板数，改变板的组合，可满足多种不同生产 工艺的要求。
（4）适于处理热敏性的物料。因物料在换热器内通过的时间短，受热 所产生的损失少。 (5）便于清洗、操作安全。 拆装容易，可就地清洗，流体有泄漏时易 发现，能保持良好的卫生条件。 （6）连续作业，可配置自动控制装置。 （7）若加热温度过高，可使垫圈老化，或垫圈从换热板上脱落。 （8）因安装不当或垫圈变形断裂，使流体漏泄。
为了防止流体的外漏和内漏，板间应放置密封垫圈
2、垫 圈
垫圈耐热、耐压、耐腐蚀、有弹性。 周边垫圈与角孔垫圈
料口
•
密封圈
分配区 板片
a、密封垫圈
•
传热板
• (1)单边流
同一种液体的进出口角孔，在设备同一侧的轴线。将相邻两片水平放在一 起，流体呈直线方向流动。
左片上，第一种液体从左上角孔流入片间，从金属片下左角孔流出，两个右 角孔垫圈隔离，在右角孔上第二种液体则流到传热片的另一侧。
蛇管、列管、套管、翅片管、板式、刮板式、夹层式、 间接式 螺旋板式热交换器等。 蒸汽喷射式加热器、蒸汽注入式加热器、混合冷凝器等 直接式 油炸设备、热烫处理设备 直接式 螺旋挤压机、微波加热器、红外线加热器 其他
•：是将加热介 直接加热和间接加热 直接加热
质与产品直接混合。
间接加热：是在产品和