1、5 空分的换热设备空分的换热设备绪言绪言5.1 传热基本方式传热基本方式5.2 间壁式换热器间壁式换热器5.3 板翅式换热器板翅式换热器5.4 蓄蓄 冷冷 器器5.5 冷凝冷凝 蒸蒸 发发 器器5.6 氮水氮水 预预 冷冷 器器换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称又称热交换器热交换器。取暖用的取暖用的暖气散热片暖气散热片；汽轮机装置中的汽轮机装置中的凝汽器凝汽器；航天火箭上的航天火箭上的油冷却器油冷却器等。等。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门门。换热器发展史换热器发展史主要
2、功能：主要功能：保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。高能源利用率的主要设备之一。既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器交换器。早期：简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，早期：简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如如蛇管式换热器蛇管式换热器等。等。管壳式换热器管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且
3、传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。种典型的换热器。二十世纪二十世纪20年代：出现年代：出现板式换热器板式换热器，并应用于食品，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初：瑞典首次制成年代初：瑞典首次制成螺旋板换热器螺旋板换热器。接着英国。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅板翅式换热器式换热器，用于飞机发动机的散热。，用于飞机发动机的散热。30
4、年代末：瑞典又制造出第一台年代末：瑞典又制造出第一台板壳式换热器板壳式换热器，用，用于纸浆工厂。于纸浆工厂。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器紧凑型板面式换热器的蓬勃的蓬勃发展和广泛应用。发展和广泛应用。自自60年代开始，为了适应年代开始，为了适应高温和高压高温和高压条件下的换热条件下的换热和节能的需要
5、，典型的和节能的需要，典型的管壳式换热器管壳式换热器也得到了进一步也得到了进一步的发展。的发展。70年代中期，为了年代中期，为了强化传热强化传热，在研究和发展热管的，在研究和发展热管的基础上又创制出基础上又创制出热管式换热器热管式换热器。混合式换热器混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器。行热量交换的换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。合于气、液两流体之间的换热。可分为混合式、蓄热式和间壁式三类可分为混合式、蓄热式和间壁式三类例如，例如，化工厂
6、和发电厂的化工厂和发电厂的凉水塔凉水塔，热水由上往下喷，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体蓄热体(填料填料)表面，从而进行热量交换的换热器，表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的如炼焦炉下方
7、预热空气的蓄热室蓄热室。这类换热器主要用。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器这类换热器应用最广应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板管式、板面式和其他型式面式和其他型式。管式换热器管式换热器以
8、以管子管子表面作为传热面（蛇管式换热器、表面作为传热面（蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器）套管式换热器和管壳式换热器）板面式换热器板面式换热器以以板面板面作为传热面（板式换热器、螺作为传热面（板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等）换热器等）其他型式换热器其他型式换热器是为满足某些是为满足某些特殊要求特殊要求而设计的换而设计的换热器（如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却热器（如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器）器）混合式换热器：空冷塔、水冷塔、喷淋塔混合式换热器：空冷塔、水冷塔、喷淋塔蓄热式换热器：蓄冷器，
9、蓄热室蓄热式换热器：蓄冷器，蓄热室间壁式换热器：热管，暖气片间壁式换热器：热管，暖气片换热器分类：换热器分类：混合式换热器操作的一个主要因素：混合式换热器操作的一个主要因素：使两种流体的接触面积尽可能大，以促使它们之间的使两种流体的接触面积尽可能大，以促使它们之间的热量交换。热量交换。为了获得更大的接触面积，可在设备中放置搁栅或填料，为了获得更大的接触面积，可在设备中放置搁栅或填料，有时也把液体喷成细滴。有时也把液体喷成细滴。此类设备通常做成塔状。此类设备通常做成塔状。蓄热式换热器是让两种温度不同的流体先后通过同蓄热式换热器是让两种温度不同的流体先后通过同一种固体填料的表面，如炼焦炉下方的蓄热
10、室中放一种固体填料的表面，如炼焦炉下方的蓄热室中放置的多孔格子砖和在制氧装置中所用的蓄冷器中的置的多孔格子砖和在制氧装置中所用的蓄冷器中的卵石等。卵石等。首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，当冷流体再通过时，将热量带走，这样在填料被加当冷流体再通过时，将热量带走，这样在填料被加热和冷却过程中进行热流体和冷流体间的热量传递热和冷却过程中进行热流体和冷流体间的热量传递在使用这种换热器时，不可避免的会使两种流体有少在使用这种换热器时，不可避免的会使两种流体有少量混合，且必然是成对的使用，即当一个通入热流体量混合，且必然是成对的使用，即当一个通入热流
11、体时，另一个则通入冷流体，并靠自动阀进行交替切换时，另一个则通入冷流体，并靠自动阀进行交替切换使生产连续进行。使生产连续进行。利用固体壁面将进行热量交换的两利用固体壁面将进行热量交换的两种流体隔开，使它们壁面进行传热，种流体隔开，使它们壁面进行传热，这种形式的换热器使用最广泛这种形式的换热器使用最广泛管式换热器管式换热器以圆管为间壁以圆管为间壁板式换热器板式换热器 以板作为间壁以板作为间壁板翅式换热器板翅式换热器特殊式换热器特殊式换热器以特殊形状作为间壁以特殊形状作为间壁5.1 传热基本方式传热基本方式导热：物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子原子及自由导热：物体各部分之间不发生相对位移，依
12、靠分子原子及自由 电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移 冷热流体相互掺混所引起的热量传递冷热流体相互掺混所引起的热量传递辐射换热：物体因为热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射辐射换热：物体因为热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射 辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进 行的物质间热量传递行的物质间热量传递辐射换热辐射换热5.2 间壁式换热器间壁式换热器5.2.1传热基本方程式传热基本方程式Q=K F
13、 tQ 单位时间内两股流体所交换的热量单位时间内两股流体所交换的热量 WK 综合传热系数综合传热系数 W/m2 KF 换热面积换热面积 m2t 冷热流体温度差冷热流体温度差 t=tf1-tf2 传热过程：传热过程：tf1 tw1 tw2 tf2热流体热流体壁面壁面1壁面壁面2冷流体冷流体 对流对流 导热导热 对流对流tKFQtFLQ2111121111LK对流热阻对流热阻导热热阻导热热阻5.2.2 传热的实际计算传热的实际计算平均温差平均温差tm的计算的计算传热量传热量Q的计算的计算传热系数传热系数K的确定的确定平均温差平均温差实际传热过程中，冷热流体的温度沿换热面是变化的实际传热过程中，冷热
14、流体的温度沿换热面是变化的沿换热器高度方向的温差也不是常数，在运用方程时沿换热器高度方向的温差也不是常数，在运用方程时需引入平均温差概念。平均温差取决与以下四个因素需引入平均温差概念。平均温差取决与以下四个因素1、换热器内流体的性质、换热器内流体的性质2、换热器两端冷热流体的温差、换热器两端冷热流体的温差3、冷热流体的流量比、冷热流体的流量比4、流体的相对流向、流体的相对流向 顺流顺流两股流体平行同向流动两股流体平行同向流动逆流逆流两股流体平行逆向流动两股流体平行逆向流动叉流叉流两股流体垂直交叉流动两股流体垂直交叉流动最小最小最大最大居中居中流体相对流向流体相对流向平平 均均 温温 差差对数平
15、均温差对数平均温差算术平均温差算术平均温差minmaxminmaxlntttttm对2minmaxtttm算计算公式计算公式流体进口温度之差及热流体出口温度和冷差度和冷流体出口温度之逆流时为热流体进口温口温差和出口温差顺流时为冷、热流体进两端温差两端温差中较小者两端温差中较大者minmaxtt其他复杂布置时的平均温差计算：其他复杂布置时的平均温差计算：表修正系数，可查专用图逆流对数平均温差对逆对逆叉tmtmmttt热流体经换热器传递给冷流体的热量称为热负荷热流体经换热器传递给冷流体的热量称为热负荷Q热负荷热负荷Q等于热流体失去的热量等于热流体失去的热量Q1等于冷流体得到的热量等于冷流体得到的热
16、量Q2sKgGGKgKJhhKgKJhhhhGQhhGQQQQ/)()(21 22 11 2222 111121冷、热流体质量流量，焓值，冷流体进、出换热器的，焓值，热流体进、出换热器的，)()(2222 1111ttCGttCGQpp板式换热器传热系数计算圆管式换热器传热系数计算21111K21211)(11ddK例1有一台气体冷却器，气侧表面传热系数有一台气体冷却器，气侧表面传热系数 1=95W/（m2K)壁面厚壁面厚 ，水侧表面传热系数水侧表面传热系数 2=5800W/（m2K)。设传热壁看作。设传热壁看作平板，试计算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热平板，试计算各个环节单位面积的
17、热阻及从气到水的总传热系数，并指出强化这一传热过程应从哪个环节入手？系数，并指出强化这一传热过程应从哪个环节入手？mmL5.2)/(5.46KmW例2一蒸汽锅炉炉膛中的蒸发受热面管壁受到温度为1000的烟气加热，管内沸水温度为200烟气与受热面管子外间壁的表面传热系数为100W/（m2K)，沸水与内壁间的表面传热系数为5000W/（m2K)，忽略管壁的导热热阻，管子内外径分别为40mm和52mm，取管子的外表面积作为传热面积，试计算总传热系数和单位管长热负荷。5.2.3 强化传热的措施强化传热的措施提高传热系数提高传热系数在总经济效果有利的条件下增加流速、增加在总经济效果有利的条件下增加流速、
18、增加 对流体的扰动增加较小的放热系数等对流体的扰动增加较小的放热系数等增加传热面积增加传热面积如板翅式换热器、喷淋塔如板翅式换热器、喷淋塔加大平均温差加大平均温差 同样的流体温度应采用逆向流动同样的流体温度应采用逆向流动降低导热热阻降低导热热阻当传热壁面结垢积灰时，必须清洗维护以降当传热壁面结垢积灰时，必须清洗维护以降 低导热热阻低导热热阻5.2.4 低温换热器的特点低温换热器的特点小温差传热小温差传热高效率换热高效率换热允许阻力小允许阻力小物性变化激烈物性变化激烈不稳定传热不稳定传热5.3 板翅式换热器板翅式换热器特点特点又称紧凑式换热器，全铝金属结构；又称紧凑式换热器，全铝金属结构；结构紧
19、凑、质量轻、单位体积内传热面积大；结构紧凑、质量轻、单位体积内传热面积大；传热效率高传热效率高 98%99%；阻力小、启动快；阻力小、启动快；制造技术复杂，容易堵塞，清洗和检修困难；制造技术复杂，容易堵塞，清洗和检修困难；普遍应用于低温工业中；普遍应用于低温工业中；传热系数传热系数K面积高温、低温侧总传热、翅片表面效率、低温侧高温侧020102010220102011102010220111111111FFFFKFFK传热面积传热面积我国生产的铝质板翅换热器单位体积传热面积可达我国生产的铝质板翅换热器单位体积传热面积可达 1500500m2/m3，在同一设备中可允许，在同一设备中可允许29种介质同时种介质同时换热，换热器最大尺寸可达换热，换热器最大尺寸可达1200*1200*7000mm（高宽长）（高宽长）传热温差传热温差minmaxminmaxlntttttm对例：例：板翅式空气冷却器原始参数：板翅式空气冷却器原始参数：干燥空气进口温度干燥空气进口温度140；出口温度；出口温度40；冷冷 却却 水进口温度水进口温度30 ；出口温度；出口温度35；计算空气冷却器的平均传热温差计算空气冷却器的平均传热温差结构结构隔板隔板1mm，导热热阻可以忽略，导热热阻可以忽略翅片翅片0.2mm铝板冲压、滚轧而成铝板冲压、滚轧而成封条封条铝合金材料铝合金材料
