《能源动力装置基础》08a.ppt
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1、1,第八章 热质交换设备,第一节 概 述 热质交换设备是将热量以一定的传热方式从热流体传递冷流体的设备,其间,可能伴随着质量的传递。热质交换设备广泛应用于工业生产中。如制冷中的冷凝器、蒸发器、发生器、吸收器、中间冷却器、冷凝蒸发器、回热器以及冷水塔等,气体液化、分离中的精馏塔,低温技术中的蓄热器;电厂中锅炉(省煤器、水冷壁、过热器、再热器、空气预热器)、除氧器、高低压加热器、凝汽器等。另外,在轻工业、纺织工业、造纸、钢铁、食品加工工业等,都要大量使用热质交换设备。换热器的传热性能对装置的经济性影响很大。热交换器的种类多,下面分别讨论。,2,第二节 表面式换热器,在表面式换热器中,冷、热流体在固
2、体壁面的两侧流动,热量通过壁面进行热传递。表面式换热器又分管壳式、板式、翅片管式、板翅式、旋板式和热管式换热器等。一、管壳式换热器特点:有圆形外壳,内装平行 管束,管内通道部分称为管程,管外面与壳体内表面之间的通流部分称为壳程或管间。冷、热流体分别流过管程和壳程,通过壁面实现热交换。优点:结构简单、造价低廉、选材范围广,清洗方便、适应性强。容量大、适应高温、高压能力强,应用广泛。又有三种形式:,3,1.固定管壳式换热器,(1)结构:图8-1为卧式固定管 壳式换热器的示意图,钢制圆形外壳,两端焊有固定管板,在管板上开有小孔一安装传热管束。管孔与管束采用胀接、焊接及铺锡焊。冷、热流体分别在管内和管
3、间流动。图8-1所示固定管壳式换热器是用冷却水来冷却石油气、天然气、制冷剂蒸汽。管侧流程有二流程、四流程、六流程以提高冷却水的流速。冷却水在管内流动,原料气在管间流动。在外壳底部还开有排放凝结液的管接头。为了提高原料气的流速和改善传热效果,管间通常用栏板(折流板)将其分成若干室。同时也起支持作用。(2)特点:固定管板式换热器集中了上述各优点,但不好清洗,热膨胀能力差。在火电厂中被广泛应用,如高低压加热器、凝汽器等。,4,2.浮头式换热器,由于固定管板式换热器热膨胀能力差,浮头式换热器两端的管板只用一端与外壳固定死,另一端可相对于壳体滑动(浮头)。内浮头式换热器:图8-2为示意图。外浮头式换热器
4、:浮头露在壳体外的称为外浮头式。与外壳的密封结构如图8-3所示。特点:浮头式换热器可解决膨胀、热应力问题。浮头端可把管子拆卸下来清洗。但要产生泄漏。,5,3.U型管式换热器和套管式换热器(1)U型管式换热器 如图8-4所示,管子两端都固定在同一管板上。优点:它具有双管程和浮头式换热器的一些优点,可自由膨胀,弹性好,热补偿性好;管程流速高,传热性能好;承受能力较强,结构紧凑;管束可抽出清洗,便于安装。缺点:管内不好清洗,管侧阻力较大。,6,(2)套管式换热器 套管式换热器(图8-5)是由一根管子组成的串联U形管换热器。作用:常用于换热量较小的场合,如小型制冷装置的冷凝器、蒸发器。特点:是结构紧凑
5、,制造简单,制冷剂和载冷剂成逆向流动。,7,二、板式换热器 板式换热器是一种高效、结构紧凑的换热设备。广泛使用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源动力、制冷空调诸方面。1.组成:如图8-6所示,板式换热器由传热板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、上下导杆、支撑架及紧固件组成。,8,2.传热板片:板式换热器的关键部件是传热板片,种类很多,如图8-7。(1)瘤形板片 板上交替排列着许多半球突起或平头突起的“瘤”。瘤形板片中的流动属网状流动,阻力小,传热系数可达4650W/m.c。如图8-7a。(2)水平平直波纹板 断面形状为等腰三角形,传热系统可达5800W/m.c。如图8-7b。(3)
6、人字形板片 如图8-7c所示。为网状形,刚度好,传热性能好;其缺点是流动阻力大。,9,3.多流体、多流程板式换热器的通道安排:多流体、多流程换热器的通道数,是靠密封片的合理布置安排实现的。如图8-8、图9-9。,10,4.优点:与管壳换热器相比,板式换热器的优点是:(1)结构简单,制造方便。板式换热器零件数少,组装容易,只要改变传热板片即可。(2)传热效率高,有效传热温差大。板片叠加而形成狭窄的板间空间,流体在其中紊流流动,提高传热效果。(3)体积小,重量轻、价格便宜。(4)结垢少,可靠性高。(5)可拆卸,便于清洗、维护。板式换热器的最大允许工作压力为1MPa 左右,最高允许温度为260C。,
7、11,5.全焊接式板式换热器:如图8-10所示,其由传热板片和两端的端片组成。,(1)构造:传热板片之间、传热板片与端板之间、需要密封的通孔周围等,所有需要密封部位都是用钎焊完成。使结构更简单、牢固。最高工作温度为225C,最低工作温度为流体冻结温度;最大工作压力为3MPa,最小工作压力为真空。(2)材料:不锈钢,有足够的强度和刚度,耐腐蚀,不易结垢。(3)优点:它和管壳换热器相比,还有另外的优点,制冷剂充量少,有利于环保,可降低成本。体积小。抗冻性能好:流体流速高,温度分布均匀。蒸发彻底,经济性好。(4)缺点:周边长,密封困难、容易泄漏;金属板薄,刚性较差,不适应高压、高温差工况。介质流量不
8、能太大。板片制造复杂,成本较高。,12,三、翅片管式换热器,翅片管是带有肋片管子,可增大换热面、促进湍流。这种换热器如:风冷冷凝器、表面式蒸发器、空气冷却器,锅炉省煤器、暖气片等。如图8-11。1.翅片管的型式:主要有纵向和径(横)向两类。翅片可在管内、管外或兼有。根据加工不同,有整体翅片、焊接翅片、机械连接翅片。图8-12。整体翅片:有铸造、机械加工而成。翅片和管子做成一体。无接触热阻,强度高,耐热振和机械振动。机械性能、传热性、膨胀性好。但制造成本高。,13,焊接翅片:制造简单,经济性好,传热性、机械性能好。机械连接翅片:有绕片式、镶嵌式、热套和胀接式。优点是:经济,材料可任意组合;缺点是
9、:有接触热组,膨胀不均匀,可能产生松动,其工作温度为200350C。耐热性能好,造价高。图8-13为翅片管型式:其中,图8-13a为套片管,图8-13b为绕片管,它是在管外按螺旋状绕一条金属带。优点:传热系数高。缺点:热阻大。图8-13a为套片管,已广泛用于氟利昂制冷机。,14,2.翅片管的工作特点:其优点:(1)传热性能强:因传热面积增大,使传热系数增大;(2)结构紧凑:由于单位体积传热面积大,传热性能增强,在相同热负荷下,翅片管换热器管子少。(3)可有效、合理地利用材料。(4)当翅片被加热时,在相同热负荷下,翅片管管壁温度较低,对减少金属面的高温腐蚀和超温是有利的。其主要缺点:制造工艺复杂
10、,造价高;流阻大,动力消耗大。,15,3.翅片管换热器,翅片管换热器由多个翅片管组合而成。翅片多为换热能力较弱的一侧。图8-14a为强制对流整体套片 式风冷冷凝器示意图;(汽车前)图8-14b为自然对流整体套片 式风冷冷凝器示意图。(冰箱背后),16,四、板翅式换热器(紧凑式、二次表面式换热器)它是一种紧凑、轻巧、高效的换热器。1.基本结构:如图8-15,它由翅片、隔板、封条三种元件组成的单元体叠积所构成。波形翅片置于两隔板之间,由侧封条封固。多个单元体按不同组合可组成逆流、错流或逆错流的组件(即板束、芯体)。这些板束配上导流体、封头和出入口接管就构成了完整的板翅式换热器。冷、热流体分别流过间
11、隔放置的冷流层和热流层而实现换热。,17,换热型式:板翅式换热器由自成流道的单元体组成,可方便地实现多股气流之间的换热和逆流、错流或逆错流等不同的换热型式(图8-16)。,18,翅片的形式有:,(1)光直翅片:由薄金属板冲压而成,如图8-17a所示。(2)锯齿形翅片:可看作光直翅片切成片段再错成一定间隔而形成的间断式翅片。如图8-17b所示。(3)多孔形翅片:他是在光直翅片上开了很多小孔而成,孔有圆形、方形。此外,还有:波纹型、百叶窗型、钉状或片条状翅片等。,19,2.工作特点,(1)传热能力强:翅片上孔洞、缝隙、弯曲使流体湍动,可使传热增强;(2)结构紧凑:单位体积的传热面积大,(3)轻巧牢
12、固:因结构紧凑,用薄金属片,重量轻。(4)适应性强:适应各种介质(5)板翅式换热器的主要缺点:结构复杂,造价高;流道小,易阻塞。不能拆卸,难清洗。由于多用铝材,易腐蚀泄漏。,20,五、螺旋板式换热器,1.基本结构:该换热器是一种高效换热器,如图8-18。由传热板、定距柱、连接管、头盖及衬垫等部件组成。传热板:两块厚约6mm金属板卷成一对同心圆的螺旋形流道,流道始于中心,终于边缘,中心处用隔板将两边流体隔开。甲、乙两流体在金属板两边的流道内逆向流动,以实现换热。螺旋板式换热器的流道型式:型螺旋板式换热器(图8-18),通常,冷流体由周边向中间流动,热流体从中心流向外周。由于型螺旋板式换热器流道窄
13、小,一般用作两流体换热。,图8-18,21,型螺旋板式换热器,它是将型之一个螺旋通道出、入口封死,代之以两个轴向出、入口,如图8-19 所示。轴向流道也可以做成多流程。实用于体积流量相差较大的工况,如冷凝器、气体冷却器、再沸器等。定距柱:是保证流道的间距,加强湍流。用310mm圆钢或带钢在卷曲前焊接在传热板上,然后卷制;头盖:多为圆锥形、椭圆形盖板。,22,2.工作特点:(1)传热强度高:因阻力小,流速快,使传热系数增大;又是逆向流动,平均传热温差大,可提高传热效率;(2)结构紧凑,不用管材:板形单位体积的传热面积大。平均传热温差大,传热系数大;(3)不易污塞,单流道,高流速,污垢不易沉积。可
14、“自洁”。(4)能有效地利用低温热源。由于流道长,逆向传热,有利于利用地下热能等低温热源。(5)流阻小。其主要缺点:(1)承压能力受限:因传热板薄,压力应0.51.0MPa。工作温度250C;(2)容量受限;单通道,通流能力小,流速不能太高。(3)制造复杂,检修困难。传热部分和密封部分制造困难。,23,六、热管换热器,热管是一种新型、高效传热装置,其导热系数比优良导体银、铜等高 倍。其作用相当于导热能力极高的导热体。1.热管的结构、工作原理(图8-20)(1)热管的结构:热管是一个密封容器:热管轴向看,可分三个区段:蒸发区(或称热源、热段)蒸发输送段(或称绝缘段)冷凝段(或称热汇段、冷段)。,
15、24,从径向(纵剖面)看,可分三部分:密闭管壳,毛细结构(吸液芯),蒸汽通道(蒸汽腔)。管壳:材料要求与工质有良好的相容性,有高导热率、耐压、耐热应力。吸液芯:紧贴管壳内壁的毛细结构,能将液体从冷凝段输送到蒸发段。液态载热工质:要求有较高的汽化潜热、导热系数、密度,较低的粘度、容点和适当的沸点。,25,(2)传热过程(工作原理):热量从热源通过壳壁和吸液芯传到液汽界面上;液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发(吸收潜热);蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段;蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上冷凝(释放潜热);热量从冷凝段内的汽液分界面通过吸液芯和壳体传给冷源;冷凝液借助吸液芯的毛细作用从冷凝段返回蒸发段重新工作。
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