热交换器原理与设计第3章 高效间壁式热交换器.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,根据我国现行行业标准JB/T

2、47512003，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)的影响可忽略。(4)蒸汽冷凝时 W/(m2)(3

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)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,

4、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

5、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：3

6、00m2/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、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

7、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，

8、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

9、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

10、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,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

11、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；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

12、 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=nAi=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 Q

13、2=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 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

14、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)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

15、，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=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

16、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

17、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

18、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+Ff 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

19、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：以热水为热媒的空气加热器 Kf=c(v)m wn(3.93)以蒸汽为热媒的空气加热器 Kf=c(v)m(3.94)式中系数c及指数m，n均由实验确定。w管内水流速，m/s；v通过热交换器管窄截面上 质量流速，kg/(m2s),3.湿工况伴有结露的空气被冷却过程，即减湿 冷却的运行工况称为湿工况。为析湿系数，考虑伴有湿空气中水 蒸气的凝结而使传热增强的因素。(3.95)对一些定型的表冷器产品，常由 实验确定传热系数的计算式：(3.96),换热系数和压力损失的计算1)空气横向流过圆管外环形翅片管束对于低翅片管束，df/db=1.21.6，db

20、=13.516 mm对于高翅片管束，df/db=1.72.4，db=1241mm式中：df、db分别为翅片外径和翅根直径，m；Y、H、f分别为翅片的间距、高度和厚度，m；cp、按流体平均温度取值；Gmax最小流通截面处质量流速，kg/(m2h)将高低翅片管参数代入，并以光管外表面积为基准，得简化式：低翅片管:o=412 vNF0.718 高翅片管:o=454 vNF0.718 式中：o以基管外表面积为基准的空气侧换热系数，W/(m2)；vNF标准状态下迎风面风速，m/s；校正系数，鼓风式时，=1.0，引风式时，值见表3.8,表3.8 值,计算空气压降 p=0.66 n vNF1.725/2.7

21、25，N/m2(3.101),2)空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束翅侧换热系数可按下式计算：式中:db 翅片根部圆直径，m；nf 每单位长度上翅片数；Fb 单位管长以翅根直径为基准 无翅片部分表面积，m2/m；Ff 单位长度上翅片的表面积，m2/m，图上所示两根管共有一个翅片情况，每根管取其一半；Gmax 最小流通截面处质量速度，kg/(m2s)。,压降按下式计算：N/m2式中摩擦系数：,螺纹管螺纹增加换热面积，还增强紊流和提高换热系数。,波纹管,内螺纹管,波纹状内螺纹管,内翅片管,翅,铝芯,外螺纹管束(Ff/Fi=34.5)1）外螺纹管外对流换热时,de=两翅中心线间翅片管总投影面积 翅中

22、心距1壳方管束排列校正系数，见下表,注：st 管心距，m；df 螺纹管外径，m。,图3.67 外螺纹管束的 js 及 fs,管外压力损失可按下式计算：N/m2(3.105a),2）外螺纹管外冷凝时,式中：1、1、1分别为凝液导热系数，W/(m)；动力黏度，kg/(ms)及密度，kg/m3；Fo光管外表面面积，m2；冷凝负荷，=M/(l N)，kg/(ms)；M冷凝量，kg/s；L管长，m；N传热管总根数；,3.5.4 空冷器的设计 例3.5,3.6 热管热交换器,三流体分离式热管热交换器结构,热管一般由三部分组成：管壳（封闭的金属管）、毛细多孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介质（工作液）。工作原

23、理：蒸发段受热使毛细材料中的工作液蒸发，蒸汽流向冷凝段，蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。使热量由热管一端传至另一端。由于汽化潜热大，极小温差下就能传递大量热量。传热状况：蒸发段；绝热段；冷凝段。,图3.76 热管工作原理简图1 管壳；2 管芯；3 蒸汽腔；4 液体,3.6.1 热管的组成与工作特性,热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。管芯是一种毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低

24、的粘度及良好的稳定性。应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。,热管工作过程当热管一端受热，工作液蒸发，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。如此循环，热量从一端传到另一端！,热管特点传热效率高,冷、热流体在管外两侧 流动，两侧可加装翅片，强化传热；管外流动，压力损失小；结构紧凑；维护费小，没有易损部件，密封简单可靠，容易清洗。,图3.78 两相闭式热虹吸管 图3.79 旋转热管,图3.80 径向热管工作原理简图,各种类型热管换热器对比,a)热管启动前的液汽交界面,b)热管工作时的液汽交界面,c)吸液芯内液

25、汽界面参数,图3.81 热管内质量流、压力和温度分布,图3.82 热管液汽分界面的形状,热管工作特性对普通热管，液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。毛细力需要克服液体的流动压降和蒸汽的压降，而液体的体积力在压力平衡中或为零，或为推动力，或为阻力。,p=21/R(3.112)p=pv p1=21 cos/r(3.113)设加热段和冷却段的毛细头分别为 pe 和 pc，则热管两端毛细压差为pc=pe pc=pv+pl=21(cose/rcosc/r)(3.114)当cose=1、cosc=0，即加热段(蒸发段)处于半球状凹面、冷却段(冷凝段)处于平面时，毛细压差达最大值：p

26、c,max=21/r(3.115)热管不处于水平时，还应考虑重力对液体流动的影响。设由此引起的压力损失相应为pv、p1和pg，则 pc pv+p1+pg(3.116),热管的传热能力会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、粘性、携带、沸腾等，因而构成热管的传热极限（或称工作极限）。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。这些极限主要有：,热管的传热极限,黏性极限在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动更受黏性力支配，当因黏滞阻力的作用使推动蒸汽流动的蒸汽压力下降至零时，热管的传热能力达

27、到了极限，称之为黏性极限。声速极限 热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。,携带极限热管中蒸汽与液体的流动方向相反，交界面上二者相互作用，阻止对方流动。液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当返回蒸发段的液体不足甚至中断，造成蒸发段干涸，使热管停止工作，达到热管的携带传热极限。毛细极限又称吸液极限，当汽、

28、液循环压降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，传热量达到最大值。如再加大蒸发量和冷凝量，会因毛细压头不足使抽回的液体量不能满足蒸发需要量，将发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。,冷凝极限指通过冷凝段汽液交界面所能传递的最大热量。热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。沸腾极限当蒸发段径向热流密度很大时，会使管芯内工作液体沸腾。如热流密度达到临界值，由于所发生的大量汽泡堵塞毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。,连续流动极限对小型热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处

29、于自由分子状态或稀薄、真空状态。这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。冷冻启动极限对高温热泵，室温下吸液芯中，工质通常为固态（冷冻状态），启动运行后，冷凝的蒸汽可能在冷冻的吸液芯表面冻结，不能回流至蒸发段。而另方面，因为轴向热传导，吸液芯工质可能液化回流至蒸发段。如总的液体回流量小于蒸发量，这会使饱和液体区的液体量减少，甚至可能使蒸发段干涸，因而达到冷冻启动极限。,工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。而高温下则应防止毛细极限及沸腾极限。对于高温热管，注意冷冻启动极限；对于小型热管和微型热管，则注意连续流动极限。热管的工作点必须选择在包络线的下方。,热管的传热极限,3.6.2

30、 热管热交换器的传热计算,典型吸液芯热管传热可分解为以下传热环节1.环境热源与热管加热段外壁间的换热 R12.热管加热段管壁的导热R23.热管蒸发段吸液芯液体组合层的传热R34.蒸发段液汽界面的相变换热R45.从蒸发段到凝结段蒸汽流动传热R56.凝结段汽液界面蒸汽的相变换热R67.凝结段吸液芯液体组合层的传热R78.凝结段管壁的导热R89.冷却段外壁与环境冷源间的换热R910.从加热段至冷却段管壁的轴向导热R1011.通过吸液芯的轴向导热R11,图3.84 热管热阻线路图,3.6.3 热管热交换器的流动阻力计算指热管外流体流过热管管束时的流动阻力。1)流体横掠光滑管束 p=0.334 Cf n

31、 Gmax2/(2)，N/m2(3.145)2)流体横掠错排翅片管束 流体横掠错排圆芯管环形翅片管束 p=fs n Gmax2/(2)，N/m2(3.146)流体横掠错排圆芯管矩形翅片管束 可用本书式(3.103)。,3.6.4 热管热交换器的热管工作安全性校验为保证热管工作安全可靠，应作以下工作安全性校验：1)热管工作温度核算。包括平均工作温度tv，可能达到的最高和最低工作温度tv,max、tv,min。tv=tm1 Rc/Rt+tm2 Re/Rt(3.152)tv，max=t1 Qs,f Re(3.153a)tv，min=t1 Qs,l Re(3.153b)2)单管热负荷计算。对吸液芯热管

32、，毛细极限 是主要的性能限制：Qs,max Qc,max(毛细极限时)热虹吸管(重力热管)：Qs,maxQe,max(携带极限时)Qs,max=tmax/Rt(3.154),垂直两相闭式热虹吸管：W(3.155)对斜置的两相闭式热虹吸管：W(3.156)3)壁温计算 tp，min=t1 Qs,l R1(3.157),3.6.5 热管热交换器的热力设计 例3.6,3.7 蒸发冷却(冷凝)器,图3.85 蒸发冷却器结构简图,蒸发冷却(冷凝)器在工作原理上是一种同时具有冷水塔(直接接触式)和管壳式热交换器性能的热交换器。当管内被冷却的工艺流体不发生相变时，称它为蒸发冷却器；当发生相变(冷凝)时，称为

33、蒸发冷凝器。,3.7.1 蒸发冷却(冷凝)器的结构,图3.86 蒸发冷却器截面上流体温度分布,图3.87 沿流程的温度分布,3.7.2 蒸发冷却(冷凝)器中的传热,取蒸发冷却器的微元高度段dx来讨论，管内流体失去的热量为：Mt ct dtt=-Ko(tt tw)dx(3.158a)喷淋水的温度变化是因从管内流体传入的 热量与向空气传出的热量之差所致：Mwcwdtw=-KM(i*i)dx+Ko(tt tw)dx(3.159a)空气得到的热量为 Ma di=-KM(i*i)dx(3.160a)传热系数(以管外表面积为基准)J/(m2s)(3.161),3.7.3 蒸发冷却器传热面积的计算 例3.7

34、,3.8 微型热交换器3.8.1 分类与基本构造2003年4月第一届微通道和微小型通道国际会议限定微通道的特征尺度在10m3mm范围内。热能与动力工程领域，通常将水力当量直径1mm10 m内的热交换器称为微型热交换器或微通道热交换器。微型热交换器的通道有深槽(深度与宽度比大于1)、扁槽(深度与宽度比小于1)、圆形、三角形、梯形、双梯形及多孔等，但以深槽和扁槽居多。,图3.88 微型热交换器的多种通道形状,图3.89 微通道热交换器结构 图3.90 多程多通道微型热交换器(板A、B叠装),图3.91流体在树枝状通道中的流动 图3.92微型多通道蒸发器,3.8.2 传热与阻力特性1)微型热交换器研

35、究和应用：微型热交换器具有很高的紧凑度(可达10000 m2/m3以上)和传热率(可达几百W/cm2)。据文献报导，某错流式微型热交换器，通道深200 m、宽40 m、长9000 m的，紧凑度达15294 m2/m3，总传热系数为24.7 kW/(m2.K)，单位体积传热量为5446 MW/m3。2)微通道中的单相流：对于液体单相流，当通道水力当量直径减小到某一值(约381 m)时，常规的理论公式已不适用于微通道的摩阻及努塞尔数的计算，微通道换热已具有微尺度效应(表面效应)。对气体单相流，当努森数Kn 0.001时，其传热和压降规律与常规通道相同。对单相流，还要考虑壁面粗糙度(对微型通道，相对

36、粗糙度很大)、进口段及通道壁的非均匀热条件的影响，轴向导热等。,3)微通道中的流动沸腾：两相流传热，要比单相流复杂得多。微通道中两相流动的不稳定性，使流型随时间不断变化。而且，由于气泡迅速膨胀成气块，会推动液体前后运动，并造成流体的逆向流动。这些现象会引起临界热负载的出现。微通道的流动沸腾换热系数也可用现有的常规通道时的沸腾换热关联式来预测。4)微通道中的凝结：微通道中的凝结换热显著地高于常规通道，实验观察到，微通道内凝结换热除在常规尺度流道内可能有的环状流，波状流等流型外，还有珠状流，喷射流等流型。由于实验和测试的困难，目前关于微通道中的凝结换热规律尚无明确的论断。不论是凝结或沸腾的两相流动

37、换热，受流道尺寸、流体性质等因素影响很大，需要进一步深入研究。,3.8.3 制造工艺与应用前景微型热交换器的材料有聚甲基丙烯酸甲酯、镍、硅、铜、铝、陶瓷等。制造工艺因通道尺寸范围不同而异，选择上还要考虑被加工材料的性质。制造工艺可分为两大类：传统微加工工艺，如，磨削和锯削、电火花加工、超声波和水力切割、光刻、电成形等；现代加工工艺，如，激光加工、聚集离子束、湿化学蚀刻、干等离子蚀刻、紫外光刻、晶片链接等，对于毫米到几百微米尺寸的通道，可用普通的制造工艺。在几微米到0.1 m以下范围内的通道，可用属于半导体制造工艺类的湿化学蚀刻及干等离子蚀刻等。,目前应用研究中，主要关注的是几微米到几百微米的微

38、通道，它们的制造工艺可从传统工艺、现代的半导体制造工艺或其他现代的工艺中优选。微型热交换器的微通道结构经历了从二维到三维的发展，对三维通道的加工工艺有：光刻电镀(LIGA)，准分子激光微细加工，双光子聚合(TPP)加工。不过，三维复杂微成形在技术上仍未得到很好的解决，正在积极开发新型的更有效的微加工和微成形技术。对于微型热交换器的整体封装，因不同的使用温度对材料的要求不同，故封装工艺也有很大差别。目前，对于采用多层槽道板叠装布置的结构，一般用扩散焊进行密封。,微型热交换器在设计、制造、装配、密封技术和参数测量等方面还存在很多难点，在运行上存在阻力大、对流体的清洁度要求高等问题，但由于它结构紧凑、传热效率高、质量轻等特点，尤其在一些特殊要求的场合具有不可替代的优势，所以对它的研究和应用发展迅速。它已在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却及涡轮机叶片的冷却等多方面得到了应用。,