第三章热处理机械与设备

第一节换热设备一、概述换热器是化工厂、食品厂主要的化工设备之一。换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式三类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。间壁式换热器：是以固体壁面把冷热流体隔开，不相混合，通过间壁进行热量交换（有列管式、螺旋板式、板式、夹套式、蛇管式、套管式换热器）混合式换热器：被冷凝的蒸汽直接与冷水接触进行换热。因此传热效果好；设备结构简单，仅在允许冷热流体互相混合时，才能应用。列管式换热器：列管式换热器是化工生产中应用最为广泛的传热设备。优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好，结构简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大。板式换热器：板式换热器优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大，总传热系数高，可根据需要增减板数以调节传热面积，检修和清洗都比较方便等。缺点是处理量不大，操作压强比较低，因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高。板式换热器是一种高效换热设备，其具有许多独特的优点，在食品、化工、制药等，工业中获得广泛应用。如在乳品生产中，大多用作牛奶的高温短时间或超高温杀菌、牛奶的冷却；果汁的加热杀菌和冷却；啤酒厂用于麦芽汁冷却等。二、板式换热器1、板式换热器的工作原理与结构工作原理：它是由许多不锈钢薄片重叠压紧而成的热交换器，加热介质（冷却介质）与料液在相邻两片间流动，通过金属片进行热交换。由于金属片冲压成特殊形状，且板与板的间隙很窄，流动液层很薄，所以换热效果很好。结构：支架、压紧板、扳手、压紧螺杆、上导杆、下导杆、固定紧板、换热片、橡皮垫圈、管接头等。（与板框过滤机相似）其流程可根据工艺要求而定，装配时一定要严格按组合流程排列。流程组合可分为并联、串联和混联流程。三种流程如图所示：并联流程：流体分别流入平行的流道，然后汇成一股流至出口，总的流向和单流隙中均为逆流。串联流程：流体在经过每一垂直流道后，接着就改变方向，冷热两流体的主体流向是逆流，但两种流体在相邻流隙中有逆流也有并流。混联流程：是双程，是串联和并联组合，冷热两流体的主体是逆流，流体在同组的并联板隙中流过，然后再流入另一组并联的板隙，它既有组内板隙间的并联，也有组与组间的串联。2、板片的结构板片是用不锈钢薄板冲压而成。薄片的加工与安装要求：薄片的厚度一般为1－2mm，片与片之间的流道间隙为2－10mm。这就决定了液层的厚度。若安装时不注意，在垂直方向产生相对位移，这样可能会造成两片接触，或使缝隙变的很窄，则流体无法通过，所以要求在安装时各片在导杆上的垂直位置（上下位置），误差＜±0.2－0.25mm。薄片波纹形式：1、凸起状板其表面上有球形凸起和平头凸起组合，球形凸起具有使液体呈涡流作用，平头凸起支承压差。2、三角形波纹板3、梯形波纹板4、斜纹板5、人字形板一般人字形板的斜纹板的传热系数比平行板大，另外，由于多点承受压力差，所以板的厚度薄，但当液体中含有固体时易被堵塞。3、垫片换热片悬挂于导杆上，前端有固定板，旋紧在后支架上。压紧螺杆可使压紧板与各传热片叠合在一起，片与片之间在片的四周用板框橡胶垫圈保证密封，并使两片间有一定的空隙，调节垫圈的厚度即可改变两片间流体通道的大小。在每片的四角上各开一孔口，借圆环垫圈的密封作用，四个孔中只有两个孔口可与金属片一侧的通道相通，另两个孔口则与金属片的另一侧的通道相通。冷热流体在薄片的两边交替流动，进行热交换。拆卸时，只需转动压紧螺杆，使压紧板及换热片沿着导杆滑动松开，清洗、拆装很方便。并联流程串联流程板片的四角孔的作用及垫片：波纹金属片的密封垫圈，只是固定在金属片的一边，每片上都有四个角孔，它们构成流体的通道，在布置垫圈时，必须使薄片组合后构成两种互不通连的冷热流体进入通道，其中有一条通道与两个角孔相通，所以这两条通路彼此依次相向。根据流体流过金属片表面的方式不同，波纹金属片可分为单侧直流片和对角斜流片。①、单侧支流片同一种液体的进出口角孔，在设备同一侧的轴线上，将相邻两片水平放在一起，可见流体呈直线方向流动，左片上，第一种流体从左上角孔流入片面，从金属片下左角流出，两个右角孔用垫圈隔离，在右角孔上第二种液体则流到传热片的另一侧。特点：ａ、左右两片结构一样，组合时，只需把左片旋转180°即成右片，然后依次相同地悬吊在导杆上。ｂ、同一种流体的进出口布置在一侧，使得产品管路（牛奶、果汁之类）有可能与一般流体管路（热水、冷水或盐水）分开，避免产品管路与其他生产线相混置，方便管理，而且既卫生又美观。②、对角斜流片同一种液体进出口两角孔在对角线的两端点位置上，它们左右片的结构、垫圈都不一样。大垫圈围绕着金属片的对角线上的两个角孔，片间流动的总方向是对角线方向。这种流动方式从流体流速的均匀性、传热效果与流体阻力等方面，与单侧直流布置比较没有显著差别，但是需要有两种冲模压制，备用的金属片相对的也较多，在设备管理及外观上也不及前者。因此较少使用。角孔部位密封垫圈的结构（a）正确的（b）不正确的结构（a）：若密封垫圈失效时，流体首先流向设备外部，容易检查，而且两种流体不易相混。结构（b）：角孔垫圈与周边垫圈整体制成的，若垫圈失效引起液体泄漏，造成两种液体渗漏，在外部不易察觉，此结构不正确。4、板式换热器的特点⑴、有较高的传热效率由于两片间的间隙小，形成膜状流动，使两流体都有很高的流速。又因在传热面上冲压成凹凸波纹，则速度大小和方向不断的突然改变，则流体呈湍流状态，减薄边界层，减小热阻，故提高了传热系数K值，可达3500－500w/m2℃。⑵、结构紧凑，占地面积小，在较小的工作体内可容纳较多的传热面积，这是它的最突出的优点之一。如250－1500m2/m3，而管式只有40－150m2/m3。⑶、有较大的适应性。当要求改变工艺条件和生产能力时，只需增减传热片的数目，改变组合即可满足要求。⑷、适宜处理热敏性物料。由于两片间隙小，物料以快速膜状通过，不致产生过热现象，因此用于食品生产特别适宜。⑸、拆装方便、清洗方便。⑹、操作安全，连续生产，物料在密闭中进行，故不染菌。⑺、热利用率高。在一套设备内可进行加热和冷却，便于热量回收。⑻、密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需经常清洗。⑼、当温度超过60℃以上时，易产生脱垫现象。⑽、垫圈伸长变形(11)、当温度超过120℃，垫圈易老化(12)、密封圈断裂，使用寿命短5、板式换热器的计算主要计算出总的传热面积，所需板数z和程数i0。关于总传热面积的计算，仍用传热基本方程式计算。其总的传热量可根据流量、物料比热、温差等工艺条件算出；平均温差的值也可求出；关键是传热系统Ｋ的计算。计算Ｋ值，首先需计算出冷热两流体的给热系数α1与α2的值。例：用薄板换热器冷却鲜奶，每小时处理7吨，鲜奶从25℃冷却到5℃，冰水初温为1℃，计算所需板数。已知：牛奶比热为4.08j／kg.℃；牛奶一边的给热系数为2300w/m2.℃冰水一边的给热系数为8500w/m2.℃冰水为奶量的3倍；水比热4.187kj/kg.℃；采用每块传热面为0.21m2,厚为1mm的不绣钢板，其导热系数为20kcai/m2.h.℃。（1kcai/m.h.℃=1.163w/m2.℃）解：求需传热量：Ｑ＝Ｇ×Ｃ×（t1-t2）＝7000×4.08(25-5)=571200KJ/h求温差：冷却水终温t2：℃Δ℃求传热系数：℃5.7187.470003571200112水水CGQtt15.95.72515ln)5.725()15(mt./48.1679163.120001.085001230011111221mWKλδαα求传热面积：求板数：233.10360015.948.167910571200mtKQFmΔ块）(4921.03.10fFZ第二节预煮设备（自学）一、预煮的目的二、夹层锅三、链带式连续预煮机四、螺旋式连续预煮机