热交换器原理与设计第3章 高效间壁式热交换器ppt课件.ppt
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1、何谓 紧凑型热交换器? (compact heat exchanger)应用在一些关键或特殊部位、场合。衡量紧凑程度的指标是:m2/m3 达到 700 m2/m3 称为紧凑式换热器。,3 高效间壁式热交换器,换热器是由两块条形金属板卷成同心螺旋组合件,通道的交错边缘焊接密封或两边各配一个端盖密封。 主要有可拆式和不可拆式两大类。,3.1 螺旋板式热交换器,3.1.1 基本构造和工作原理,(a) 结构简图 (b) 实物图 图3.1 螺旋板式热交换器 (可拆式),定距柱,螺旋板,回转支座,头盖,垫片,切向接管,图3.2 螺旋板式热交换器的三种型式,型 型 型 图3.3 流道的密封,根据我国现行行业
2、标准JB / T47512003,螺旋板式换热器的型号表示法为:,特点1. 传热效率高,比管 式高0.51倍。紧凑性达到:100m2/m32. 逆流传热, 两端温差小。3. 不易结垢,“自洁” 作用,容易清洗。5 成本低。 缺点:密封比较困难。,3.1.2 设计计算,1) 换热系数 的计算(1) 湍流时(Re6000)=0.023 /de Re0.8Prm(1+3.54de /Dm),W/(m2) (3.1)(2) 层流时(Re1000)Nu=Pr0.25(/w)0.170.0315Re0.8-6.65*10-7(lt /b)1.3 (/de) (3.4)当Re30000时,式中(lt /b)
3、的影响可忽略。(4) 蒸汽冷凝时 W/(m2) (3.5),图3.4 凝结换热系数计算曲线,(5) 蒸汽冷凝冷却时 (3.6)(6) 沸腾传热时核态沸腾时,沸腾换热系数用下式计算,2) 传热系数 K 的计算,(3.7),(3.8),3) 流体压降的计算螺旋板换热器的总阻力可分为三部分:弯曲通道的阻力,定距柱的影响及进出口的局部阻力。 (3.9)对于蒸汽,轴向流动冷凝时,可用下式计算其压降: (3.10) 蒸汽螺旋向流动冷凝时,压降的计算式为 (3. 11),图3.5 不等通道螺旋体,4) 换热面积及螺旋通道几何尺寸的计算(1) 螺旋体的绘制(2) 螺旋板长度计算(3) 螺旋体的有效圈数ne(4
4、) 螺旋体的最大外径D,螺旋板式热交换器设计计算 例3.1,3.2 板式热交换器,3.2.1 构造和工作原理,传热板片是关键部件:使流体低速下发生强烈湍流,强化传热;提高板片刚度,能耐较高压力。,图3.8 我国板式热交换器国家标准的板片波纹形式,流体的单边流和对角流,图3.11 密封垫片,传热板片材料及适用介质,其他类型板式热交换器的结构,图3.12 板式蒸发器,图3.13 板式冷凝器板片,图3.14 流体在板间通道中三维流动,图3.15 板式热交换器中的三种流体换热,板式热交换器的型号表示法单板公称换热面积是指经圆整后的单板计算换热面积按国标GB 164091996,板式热交换器的型号按如下
5、格式表示:,密封材料及适用介质,目前世界上板式热交换器所达到的主要技术指标如下 (可拆式):最大板片面积:4.670.475m2,最大角孔尺寸:450 mm以上,最大处理量: 5000 m3/h,最高工作压力: 2.8 MPa,最高工作温度: 橡胶垫片150 , 压缩石棉垫片260 , 压缩石棉橡胶垫片360 ,最佳传热系数: 7000 W/(m2) (水水,无垢阻),紧凑性: 2501000 m2/m3,金属消耗量: 16 kg/m2。,板式换热器板片主要技术参数,板式换热器整机主要技术参数,1、高效换热 板片的波纹结构,使流体在板间流动时不断改变流向和速度,形成剧烈湍流,在低流速下可获得高
6、的传热系数。 相同工况传热系数比管壳式高67倍。2、结构紧凑 板片表面的波纹增加了有效换热面积,紧凑性达到:300m2/m3,约为管壳式的25倍;体积为管壳式的1/5 1/10;重量是管壳式的1/5左右。3、清洗、检修方便 板面光洁,湍流冲击力强,结垢倾向小,一旦结垢,用化学或手工清洗也很方便。4、操作灵活 可增/减板片数或改变流程组合适应新的换热要求。5、通用性与防腐 从通常的水到有一定粘度的液体以及含小颗粒的悬浮液都可处理;钛材可用于防腐。,板式热交换器特点,41 41,14 14,14 22,流程通道(甲) 流程通道(乙),(a)串联,(b)并联,(c)混联,3.2.2 流程组合及传热、
7、压降计算,图3.17 板式热交换器的14流程组合示意图 22,17 . 13+14,传热计算板式热交换器的传热面积是扣除不参与部分 (板片的角孔及密封垫片等) 后板片的展开面积,即有效传热面积。平均温差 tm 按纯逆流情况下对数平均温差 tlm, c,再乘以修正系数 : tm = tlm, c传热系数 K 的计算:,表3.2 板式热交换器中的污垢热阻值 m2/W,图3.18 板式热交换器的温差修正系数 (LMTD法),图3.19 温差修正系数 (NTU法),对流换热系数一、无相变情况下,一般板片两侧为传热相似 (3.19) 流体被加热时:m=0.4 流体被冷却时:m=0.3 C、n随板片、流体
8、和流动类型不同而不同: C=0.150.4; n=0.650.85; m=0.30.45; Z=0.050.2 (黏度修正项的指数)。,二、有相变时,相变换热系数计算很复杂凝结换热: 重力控制区(凝液膜雷诺数Relf 临界雷诺数): (3.24)沸腾换热 (3.25) 式中 l 可按式(3.19)计算。,压力损失计算国产板式热交换器用于无相变换热时的压力降计算通常以欧拉数Eu与雷诺数Re之间准则关系式给出: Eu=b Red (3.27)式中系数b和指数d 随板式换热器具体结构而定。由Eu=p/w2,可求多程时压降为: p=mEuw2=mbRedw2 (3.28)m为流程数;w为工质在流道中的
9、流速,m/s。,当量直径de 附录B,Ne=F/FpNt=Ne+2 计算值Nt=m1 n1+m2 n2+1实际值,3.2.3 板式热交换器的 热力计算程序设计,板式热交换器设计计算 例3.2,3.3 板壳式热交换器,结构:板壳式热交换器由板管束和壳体两部分组成。将全焊式板管束组装在压力容器 (壳体) 内,是介于管壳式和板式热交换器之间的一种换热器。性能:既具有板式热交换器传热效率高、结构紧凑及重量轻的优点,又具有管壳式热交换器耐高温高压、密封性能好及安全可靠等优点,较好地解决了耐温、抗压与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。特点:传热系数达到管壳式的23倍;流阻较小,一般压降不超过0.5bar;同样
10、换热条件下结构紧凑,体积仅为管壳式的30%左右。,图3.23板壳式热交换器结构简图,b) 板管结构,c) 板管束端面,a) 整体结构,表3.3 换热器参数对比,图3.25大型焊接板壳式热交换器,图3.26板片及其流道,a) 板片组,b) 反应产物流道板,c) 混合进料流道板,3.3.2 几种典型的板壳式热交换器1)Packinox公司板壳式换热器,图3.28 LBQ大型板壳式热交换器结构,2)国产LBQ大型板壳式热交换器,图3.29 径向流动板壳式热交换器结构简图,3)径向流动板壳式热交换器,b) 波纹板片1中间焊缝平面;2波纹;3四周缝焊边;4孔缝焊边;5导通孔)图3.30新型板壳式热交换器
11、,a) 基本结构1板外流道进出口;2板内流道进出口;3板外流道;4板内流道;5壳体;6导通孔,4)新型板壳式热交换器,板壳式热交换器设计计算 例3.3,3.4 板翅式热交换器3.4.1 构造和工作原理,板翅式热交换器的结构与流动形式,翅片,隔板,封条,由隔板、翅片和封条组成单元体。多个单元体根据流动方式的布置叠置起来,钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。翅片又称二次表面,翅片传热面积约为总传热面积 的6788%;有翅片比没有翅片体积减少18%。紧凑度一般为15002500m2/m3,最高可达4370m2/m3。,图3.32 不同流型的板束通道,1平板;2翅片;3封条;4分配段;5导流片;
12、6封头;7板束;8封头;9封头图3.33板翅式热交换器,发动机用板翅式热交换器,航空用板翅式热交换器,类似圆管,扩大传热面积,形成湍流,破坏边界层K 比平直形高30%,开孔率510%,K 比平直形高,促进湍流,波幅愈大,K 越高,图3.44 板翅基本单元结构尺寸图H翅片高;翅片厚;s翅片间距 (x+);Le 单元有效长; B单元有效宽;x内距 (s);y内高 (H);一次传热面:F1=Fx /(x+y) ; 二次传热面:F2=Fy /(x+y) 总传热面:F=2(x+y) BLen/s,当量直径:de=4A/U=2xy/(x+y)单元通道流通面积:Ai =xyB/sn层板束通道流通面积:A=n
13、Ai =nxyB/s,3.4.2 板翅式热交换器的设计计算,图3.45翅片及其表面温度分布示意图,通过隔板表面的传热 Q1 Q1 = F1 ( tw - tf )沿翅片的传热 Q2 Q2 = F2 ( tm - tf ) 由: tw tm Q2 = F2 f (tw tf ),隔板表面温度,翅片表面平均温度,翅片效率,一次传热面积隔板表面面积,二次传热面积翅片表面面积,Q1 = F1 (tw tf )Q2 = F2 f (tw tf )Q = Q1 +Q2 = F1 (tw tf ) + F2 f (tw tf ) = (F1 +F2 f )(tw tf ) = F 0 (tw tf ) 0
14、翅片壁面总效率:把二次传热面和一次传 热面同等看待,认为都处于一次传热面的传热 温差 (tw tf )下时,对总传热面所应打的折扣。F 0 = F1 +F2 f = Fe 有效传热面积0 = (F1 +F2 f )/F =1F2 /F (1f )0 = 1 y/(x+y)(1f ),F2=Fy /(x+y),图3.49 翅片壁面总效率和翅片几何参数及换热系数的关系,翅片壁面总效率 0 大于翅片效率 f。f 越高, 0也越大。,当流体A的一个通道与流体B的两个通道间隔排列, 即ABBABBABB排列时,翅片表面总效率的计算 式与冷、热流体通道一一间隔时就有所不同。当忽略 MmHsinh(mH)
15、和 MmHcosh(mH)-1, 且H=b时,以上三式成为: 1=1/cosh(mb) (3.62) 1 = (1+ 1/cosh(mb) (3.63) 2 = tanh(mb)/(mb) (3.64),传热量和传热系数计算 Qc = c Fc oc (tw tfc ) (3.65) Qh = h Fh oh (tfh tw ) (3.66)稳定传热情况下,Qc=Qh=Q,并忽略翅片及 隔板热阻,将式 (3.66) 与式 (3.67) 相加可得 (3.67)流体温度通常是沿流程变化的,可以将式(3.68) 中两流体温差取为对数平均温差tlm,得 Q = Kc Fc tlm (3.68),或 Q
16、 = Kh Fh tlm (3.69)式中Kc、Kh 分别为以冷、热通道总 传热面积为基准时的传热系数。 (3.70) (3.71),4) 换热系数的计算(1) 无相变时的对流换热系数 (3.73)(2) 有相变时的换热系数 冷凝换热当液膜为层流时,凝结换热系数为 (3.81)当液膜为紊流时 (3.82) 沸腾换热 (3.83),图3.50 板翅式热交换器芯子中 的进口压降和出口压升,5) 压力损失计算板翅式热交换器压降分成入口端、出口端和中心部分三个部分。(1) 热交换器芯子入口的阻力 (3.84)(2) 热交换器芯子出口的阻力 (3.85)(3) 热交换器芯子中阻力 (3.86)总的压力降
17、p即为三者之和: p=p1 p2 + p3 (3.87),3.4.3 板翅式热交换器单元尺寸 的决定和设计步骤 例3.4,3.5.1 构造和工作原理换热管为带翅片的翅片管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。翅片管特别适用于换热系数较低的流体。常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。结构不很紧凑,金属消耗量大,制造成本较高。,3.5 翅片管式热交换器,空调器中的翅片管组,图3.55 空气冷却器的基本结构,卧式空冷器,c) 波纹,a) 开槽,b) 轮辐,图3.58 几种紊流式翅片管,a) 纵翅 b) 横翅图3.57 管外表面的纵翅 和横翅管,3.5.2 翅片管的类型和选择,图3.59 几种机械
18、连接的翅片管,翅片管的截面,纵向翅片管,横向翅片管,螺旋槽纹管,缩放管,表3.4 常用的5种翅片管的性能评定,注:1 最佳;5 最差,图3.60 翅片管的传热性能比较,图3.61翅片高度的选择,翅片管几何尺寸1. 基管外径和管壁厚;2. 翅片高度和翅片厚度;3. 翅片距;4. 翅化比:翅化表面积/光管外表面 (单位长) 高翅片23.4;低翅片17.15. 管长:3、4.5、6、9 m。,表3.5 三种翅化比的传热系数参考值,表3.6 国产空冷器翅片管的特性参数,图3.62翅片管排列型式及其管距,Fb 翅片根部无翅片部分表面积Ff 翅片管上翅片的表面积Ff 翅片管总外表面积, Ff =Fb +F
19、f Fo 翅片光管外表面积 翅化比,= (Fb +Ff ) /Fo = Ff /Fof 翅片效率 翅片壁面总效率: = (Fb + f Ff ) /Ff,Q = Ko Fo tm = Kf Ff tm Ff 、Fo 翅片管外表面积、翅片光管外表面积1. 单层翅片管时 以光管外表面积 Fo 为基准时,以翅片管外表面积 Ff 为基准时,2. 复合翅片管时 以光管外表面积 Fo 为基准时,以翅片管外表面积 Ff 为基准时,3.5.3 翅片管热交换器的传热计算,表3.7 国产绕片式翅片管接触(间隙)热阻 (以基管外表面积为基准),对于已定型的翅片管式热交换器,可用简单的关系式来计算其传热系数:以热水为
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