热交换器考试殷浩

1绪论热交换器按传送热量的方法分为：间壁式，混合式，蓄热式。间壁式：两流体分别在一个固体壁面两侧流动，不直接接触，热量通过壁面进行传递。其类型有：管式（沉浸式、喷淋式、套管式、管壳式）、板式、夹套式、扩展表面式、热管式混合式：或称直接接触式。两种流体直接接触传热。蓄热式：或称回热式。两种流体分别分时轮流和壁面接触，热量借助蓄热壁面传递。按照流体流动方向分为：顺流式，逆流式，错流式，混流式。顺流式：两种流体平行地向着同一方向流动。逆流式：两种流体也是平行流动，但流动方向相反。错流式：两种流体的流动方向互相垂直交叉。混流式：既有顺流部分，又有逆流部分。流程数：管外空间装设纵向隔板使流体在壳体内进行曲折流动的次数或管箱内装进分层隔板使流体在管层内流动的次数。第一章热计算类型：设计性热计算（平均温差法），校核性热计算（传热有效度法）区别：设计性热计算目的在于决定热交换器的传热面积，同时计算时需要确定结构尺寸，往往与结构计算交叉进行。校核性热计算是针对现成的热交换器，目的在于确定流体的出口温度，并了解该热交换器在非设计工况下的性能变化,判断能否在非设计工况下完成换热任务。热计算公式：传热方程式（确定传热面积），热平衡方程式（确定热负荷或流体流量）（公式）热容量：乘积Mc，代表流体的温度每改变1℃所需要的热量，用W表示。热损失系数ηL：对于实际上有散热的热交换器热损失QL，实际吸热量和放热量之比。平均温差：算数平均温差（恒大于对数平均温差），对数平均温差，积分平均温差顺、逆流时对数平均温差的计算公式是在什么假定条件下得到的？答：1。两种流体的质量流量和比热在整个传热面上保持定值；2。传热系数在整个传热面上不变；3。热交换器没有热损失；4。沿管子的轴向导热可以忽略；5。同一种流体从进口到出口的流动过程中，不能既有相变又有单相对流换热。其他流动方式平均温差（以流体进出口温度按照逆流算出对数平均温差，然后乘以一个修正系数ψ）ψ=f（P，R）ψ值反应某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。采用多壳程或多台串联的方式来代替，使ψ值增大。温度效率P：代表冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率。（公式）R：冷流体的热容量与热流体的热容量之比。（公式）非混合流：在热交换器中某种流体流动时被限制在各自形成的独立通道中，垂直流动方向上不能自由运动，也就不可能自身混合，称为非混合流。热交换器的最大可能传热量Qmax：指一个面积为无穷大且其流量和进出口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。A无穷大，逆流（公式）传热有效度ε：实际传热量与最大可能传热量之比（公式）传热单元数NTU：传热系数与传热面积的乘积与两种流体中的最小热容量的比值。（公式）无因次数Rc：代表热交换器传热能力的大小。（最小热容量和最大热容量的比值）（公式）Rc=0时，即有相变传热时，顺流与逆流传热有效度相同。ε=f（NTU，Rc）查图或公式计算顺流和逆流比较1.在同样的传热单元数时，逆流的ε总是大于顺流，且随NTU的增大而增大；而顺流则相反，ε随NTU增大而趋于定值，ε达到一定值后，NTU的增大对ε没有贡献。2.在流体进、出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流则最小，其他的流动方式介于顺流和逆流之间。逆流时所需传热面最小或传热量最多。3.逆流式冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度，而顺流时t2″总是低于t1″。所以，逆流时可以有较大的温度变化δt，可使流体消耗减小。但是片面追求高的温度变化会使得换热器两端的温差降低，平均温差降低，换热面积增加。4.从热工角度看，逆流比顺流有利，但流体的最高温度发生在换热器一端，一端壁温高。而且，逆流时传热面在整个长度方向上温度差别大，壁面温度不均匀。（5当冷流体在最后加热阶段遇到高温要有化学变化危险时，不用逆流）流动方式的选择原则（按照经济性、方便性、满足需求性，抓住主要矛盾）1.在给定的温度状况下，保证获得较大的平均温差，以减小传热面积，减低金属或其他材料的消耗；2.使流体本身的温度变化值尽可能大，从而使流体的热量得到合理利用，减少流体的消耗量，并可节省泵或风机的投资与能量消耗；3.尽可能使传热面积的温度均匀，并在较低温度下工作，以便使用较便宜的材料制造换热器；应有最好的传热工况，以便获得较高的传热系数，减小传热面。温度交叉：在热交换器中局部出现了热流体温度比冷流体温度低的情况，在温度分布曲线上表现为冷热流体的温度曲线出现了交叉。出现可能：先逆后顺的1-2型热交换器。避免温度交叉的方法：增加管外程数或改为两台单壳程换热器串联，2如两台1-2型，改为2-4型。混流和错流时应注意的问题：1.管内偶数程的简单混流，相同进出口温度下，平均温度相同，与顺流和逆流顺序无关；管内奇数程的简单混流，增加其中的逆流程数可以提高平均温差。2.1-2n型热交换器的ψ值比1-2型有所减小，但相差很小，可用同一线算图。3.采用先逆后顺的热交换器时，要特别注意温度交叉现象！避免温度交叉的方法：增加管外程数或改为两台单壳程换热器串联，如两台1-2型，改为2-4型。4.采用多次混流，可以显著提高平均温差的数值，同时也提高了流速，增加了传热系数，而结构却复杂了，制造困难和流阻都增加。第二章管壳式热交换器：是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子，让两种流体分别从管内空间和管外空间流过进行热量交换。管壳式热交换器分为固定管板式，U形管式，浮头式，填料函式。管子在管板上的固定：胀管法（保证可靠），焊接法（在焊接接头处的热应力可能造成应力腐蚀和破裂，在管口和管子间存在间隙），胀焊法（压力低于4MP，温度低于300度，管径小于20mm时，胀接困难，对管子厚度也有一定要求）。管板：固定、支撑管束。管子在管板上的排列原则：1保证管板有必要的强度，而且管子和管板的连接要固定和紧密；2设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速；3要使制造、安装和修理、维护简便管子在管板上的排列方式：等边三角形排列，同心圆排列，正方形排列排列特点：等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大，最合理常用。同心圆法，靠近壳体的布管均匀；管板上划线、制造和装配比较困难。正方形排列，虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。换热管中心距：管板上两根管子中心线的距离称为换热管中心距，其大小主要与管板强度和清洗管子外表所需间隙，管子在管板上上的固定方法有关。采用焊接时中心距过小不能保证焊接质量。胀管时过小中心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用而产生变形，失去管板与管子之间的连接力。一般认为换热管中心距不小于1.25倍的管外径。分程隔板：在管箱内安装分成隔板是为了将热交换器的管呈分为若干流程，增加流速，提高换热系数。原则：形状结构力求简单，使密封长度尽可能短；应使每一程管子数大致相等；程数取为1、2、4、6、8、10、12七种。在考虑分层的时候，最好使相邻程间平均壁温之差不超过28摄氏度。折流板：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热在管外空间常设纵向隔板或折流板。折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑管束，防止管束震动和弯曲的作用。分为弓形折流板和盘环形。折流板切除对流动的影响：弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。缺口弦高一般为壳体内径的20％～45％。折流板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取折流板间距为壳体内径的0.2～1.0倍，且不小于50mm，不大于表2.5的规定。且不超过圆筒内径。两块管板与端部两块折流板的距离通常大于中间一些折流板的距离，以便为壳程进出口提供额外空间。折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。弓形折流板：缺口上下方向排列，缺口左右方向排列。当流过壳程的全是单相的清洁物料宜用前者。若气体中含少量液体时，应在缺口朝上的折流板最低处开通液口。若液体中含少量气体时，应在缺口朝下的折流板最高处开通气口。挡管和旁路挡板：防止流体短路而设置。挡管：两端堵死的管子，布置于相应分程隔板槽后的位置上，占据一个根换热管的位置，不穿过管板，点焊于折流板上。通常每隔3~4排管子安排一根挡管。不应设置在折流板缺口处。旁路挡板：为减小管束外环间隙的短路而设。厚度一般与折流板相同，嵌入折流板内，并点焊在折流板上。一般设置1~2对。只有当壳程流体的换热系数起控制作用时，安装挡管或旁路挡板才有意义。防冲板与导流筒：壳程进口管流体的值较大时，在壳程进口管处设置防冲板或导流筒。当壳程进口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减少流体停滞区。进出口接管应注意问题：1.接管应与壳体内表面平齐，尽量沿换热器的径向或轴向设置；2.设计温度等于或高于300℃时，接管应采用对焊法兰；3.必要时应设置温度计接口、压力表接口及液面计接口；4.对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的热交换器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，最小公称直径为20mm；5.立式热交换器可设置溢流口。卡路里温度：对于油类或其他高粘度流体，对于加热或冷却过程中粘度发生很大变化，若采用流体进出口温度的算术平均温度做为定性温度，往往会使换热系数的数值有很大误差，虽然可以分段计算，但是工作量较大，工业上常采用卡路里温度作定性温度。定型尺寸：对流体运动或传热发生主导影响的尺寸。3贝尔法思想：假定全部壳程流体都以错流形式通过理想管束，求得传热因子，再根据热交换器结构参数及操作条件不同，引入各项修正因子。五个校正因子：校正1非完全错流折流板缺口校正因子jc,校正2A、D流路泄漏折流板泄漏校正因子jl,校正3C、E流路泄漏管束旁通校正因子jb校正4进出口折流板间距不等校正,js校正5逆向温度梯度jr理想管束：管子与折流板上的管孔之间、壳体内壁与折流板的外缘之间、壳体内壁与管束外缘之间均无间隙的换热管束。思考题管壳式热交换器设计中，如果将换热管加长、管子数目减少以保证传热面积不变，结果会带来什么影响？答：对于管程，管子数目减少，流速增加，换热系数增加，但相应流动阻力也增加。对于壳层，壳程的流程变长，增大了流动阻力。而且增加管长也使得管程不稳定，增大了管子与管板连接处的泄漏的可能性，而且使安装维护不便。进出口折流板间距与中间折流板的间距不等时，对壳侧的传热及流动阻力有何影响？答：进出口折流板间距一般比中间折流板间距稍大，为壳程进出口提供足够空间，折流板间距大，流速降低，传热系数降低，但流动阻力也相对减少。热交换器设计中怎样合理确定流速和压降？答：在一般情况下，流速的增加将使换热系数也随之增加，但是增加流速也使流动阻力随之增大，且增加速率远超过换热系数的增加速率，因此流速的增加会使压降增加。选择的流速要尽量使流体呈湍流状态，为避免产生过大的压降，才不得不选用层流状态下的流速，即在允许的压降范围内，尽量使流速达到湍流状态。流体在热交换器内流动空间的选择原则：（1）要尽量提高使传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近；（2）尽量节省金属材料，特别是贵重材料，以降低制造成本；（3）要便于清洗积垢，以保证运行可靠；（4）在温度较高的热交换器中应减少热损失，而在制冷设备中则应减少冷量损失；（5）要减小壳体和管子因受热不同而产生的温差应力，以便使结构得到简化；（6）在高压下工作的热交换器，应尽量使密封简单而可靠；（7）要便于流体的流入、分配和排出。流动空间选择：1机油的水冷器：机油走壳程，水走管程。机油粘性大，走壳程，容易达到湍流状态。2水蒸汽的冷凝器，冷却介质为水：水蒸气走壳程，水走管程。水蒸气冷凝走壳程易排走。3热流体：水，进口温度110℃，出口温度80℃，流量55t/h，运行压力4bar；冷流体：氨，进口温度20℃，出口温度45℃，运行压力12bar：氨走壳程，清洁。水走管程，有水垢，管程易清洗。流动空间具体选择：管侧：容积流