传热学换热器

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第十二章换热器第二篇传热学

1本章主要内容换热器及其分类表面式换热器的传热计算表面式换热器传热实例分析2

212-1换热器及其分类1.换热器：用来实现将热量从热流体传给冷流体的设备。一、换热器及在电厂中的应用2.电厂中的换热器：锅炉车间：炉内各种受热面（水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器）、减温器、暧风器等。汽机车间：凝汽器、冷油器、回热加热器、除氧器、冷却塔、轴封加热器等。发电机内：氢气-空气冷却器等。3

3二、换热器的一般分类（按工作原理分）（1）概念：将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式；（2）特点：①两种流体直接接触，换热后最终出口温度相同，而且还有质量交换；②传热速度快，传热效率高，设备简单，但使用范围受限制。（3）电厂中应用：除氧器、喷水减温器、冷却塔属这类。1.混合式换热器：4

4除氧器的换热过程作用：对凝结水进行除氧和加热5

5喷水减温器的换热过程作用：调节过热蒸汽温度6

6冷却水塔的换热过程作用：对循环冷却水进行冷却，以供凝汽器再使用。7

72.回热式换热器（蓄热式换热器）（1）概念：先将热流体的热量储存在蓄热元件中，然后再由蓄热元件将热量传递给冷流体。（2）特点：①蓄热元件周期性的分别被热、冷流体加热和冷却，传热过程是不稳定的；②结构紧凑，传热效率较高，通常用于换热系数不大的气体间的传热。（3）电厂中应用：回转式空气预热器8

8回转式空气预热器的换热过程作用：加热进入锅炉的空气，以利于燃烧和干燥及输送煤粉。9

93.表面式换热器——应用最广泛（1）概念：热流体通过固体壁面将热量传给冷流体的换热器。（2）特点：①热、冷流体互不接触，对流体适应性强；②无转动机构，使用、维修、密封方便；③传热效率没前两种高。（3）电厂中应用：过热器、再热器、省煤器、凝汽器、高压加热器、冷油器等。10

10三、表面式换热器的分类特点：承压能力强，可用于高压流体，安装、使用灵活性较大，清洗方便；但换热量较小，且占地面积大。套管式换热器（1—内管，2—外管）1.按换热器结构分：（1）套管式换热器11

11（2）壳管式换热器特点：结构坚固、易于制造、适应性强、便于清洗、高温高压下均可用，应用广泛；但传热系数低、体积较大、显得笨重。管子折流板12

12（2）壳管式换热器按壳程数和管程数，壳管式换热器又可分为：1-1型、1-2型、2-4型等。1-1型壳管式换热器示意图1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板壳程：管外流体的行程管程：管内流体的行程13

131-2型壳管式换热器示意图1—壳体2—管束3—挡板4—隔板1-1型壳管式换热器示意图14

14（3）肋管式换热器特点：管外加肋片以强化传热。15

15（4）板式换热器有板翅式和螺旋板式16

162.按热、冷流体流动方向分分为顺流、逆流、交叉流17

1712-2表面式换热器的传热计算1.热平衡方程式：热流体放出的热量冷流体吸收的热量能量守恒Φ1=Φ2=Φ一、传热计算的基本方程式18

182.传热方程式：∆tm----平均温差，热、冷流体沿整个换热面的温差平均值。K----传热系数，对平壁：19

19二、平均温差的计算1.算术平均温差：由于算术平均温差没有考虑流体温度变化的实际情况，故计算误差较大。20

202.对数平均温差：（1）纯顺流和纯逆流时的对数平均温差：∆tmax---换热器两端热、冷流体温差中数值较大的端差；∆tmin---换热器两端热、冷流体温差中数值较小的端差；21

21（2）交叉流的对数平均温差：先按纯逆流计算，再根据流动方式由辅助量P、R查得温差修正系数Ψ（如图12-15至12-17）22

22例题分析例12-1有一台表面式换热器，冷、热流体均无相变。热流体进、出口温度分别为300℃、150℃，冷流体进、出口温度分别为50℃、100℃。求：（1）试比较顺流和逆流时的对数平均温差；（2）若两种流体一次交叉，且两种流体各自都不混合，求此时的对数平均温差。Δtmax=t1′-t2′=300-50=250℃,Δtmin=t1″-t2″=150-100=50℃.则顺流时的对数平均温差为：解：（1）顺流时：23

23Δtmax=300-100=200℃,Δtmin=150-50=100℃.则逆流时的对数平均温差为：（2）逆流时：（3）交叉流时：计算得P=0.2，R=3.由P和R查线图12-17，得ψ=0.96则交叉流时的对数平均温差为：当热、冷流体的进、出口温度相同，且流体无相变时：24

24表面式换热器中冷、热流体采用顺流和逆流布置的优缺点比较：（1）相同条件下，Δtm(逆)＞Δtm(顺)，当Φ和K一定时，A(逆)＜A(顺)；当A相同时，采用逆流布置则可传递更多的热量。（2）顺流时，t2″总是低于t1″；而逆流时，t2″可高于t1″，故采用逆流可得到较高的冷流体温度。（3）逆流布置的安全性较顺流差。（如高温过热器往往采用先逆流后顺流的综合布置方式）若冷、热流体中有一种流体发生了相变，那么采用顺、逆流布置对表面式换热器的对数平均温差有何影响呢？25

25三、表面式换热器的传热计算换热器的热计算分为两种类型：(1)设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积等。（平均温差法）(2)校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。（效能-传热单元数法）26

26换热器的设计计算包括：（1）传热计算；（2）流动阻力计算；（3）材料强度计算；（4）技术经济分析与比较；（5）考虑初投资、运行费用及安全可靠等因素.27

27用平均温差法进行设计计算的主要步骤：（1）根据热平衡方程式，求出未知的流体终温及传热量Φ；（2）根据热、冷流体的进、出口温度，计算对数平均温差Δtm；（3）确定传热系数K；（4）根据传热方程式计算传热面积A（A=Φ/K.Δtm）.28

28例题分析例12-2计算水－油表面式换热器所需的传热面积。（用平均温差法求解）油侧：t1′＝110℃，t1″＝65.5℃；水侧：t2′＝37.8℃，t2″＝71.1℃，qm2＝0.793kg/s，cp2＝4.18kJ/(kg.℃)；换热器的传热系数K＝340W/(m2.℃).解：根据t2″>t1″可知，该表面式换热器中冷、热流体为逆流布置。29

29Δtmax=110-71.1=38.9℃,Δtmin=65.5-37.8=27.7℃.逆流时：根据传热方程式，可得该换热器所需的传热面积为：30

3012-3表面式换热器传热实例分析一、锅炉各受热面的传热分析1.锅炉各受热面及其工作过程水冷壁过热器(屏过、低过、高过）再热器省煤器空气预热器31

312.锅炉各受热面的传热特点（1）各受热面换热方式不同：水冷壁、屏过主要是辐射换热；高、低温过热器和再热器，辐射+对流；省煤器和空预器主要是对流换热。（2）各换热器热负荷数值相差大：炉膛最高（104W/m2)，空预器最低（1200～2300W/m2)。（3）各换热器采用不同的流动型式：除高过采用先逆流后顺流的综合布置外，其它均采用逆流布置。32

32（4）各换热器平均温差都较大：水冷壁（管内工质平均约为343℃,管外火焰平均为1200℃），省煤器的热、冷流体温差也超过150℃。（5）各换热器传热系数都不大：因烟气侧热阻大。传热系数最高为省煤器，约K=85W/(m2.K)，最低为空预器，约K=20W/(m2.K)。2.锅炉各受热面的传热特点33

33二、汽轮机主要辅助设备的传热分析包括：凝汽器、回热加热器、冷油器等。传热特点：（1）对流换热强，而辐射换热很弱，可不计。（2）传热系数大。凝汽器和加热器的K值一般在2500～10000[W/(m2.K)]，冷油器的K值也在250～350[W/(m2.K)]。（3）平均温差小。凝汽器和加热器的平均温差在10℃左右，冷油器在10～20℃间。34

34复习提问1、根据工作原理不同，换热器可分为哪几种类型？并结合火力发电厂举例说明。2、表面式换热器的“传热平均温差”及“传热端差”两个概念有何不同？35

35课堂练习教材P187.习题12-636

36例题分析例12-3（教材P187.习题12-6）解：由p=0.0049MPa，x=0.85查得ts=32.5℃，h=2197kJ/kg，h′=136kJ/kg则蒸汽的凝结放热量（即传热量）为∵d2/d1<2，∴可按平壁计算传热系数K，即37

37Δtmax=32.5-25=7.5℃,Δtmin=32.5-30=2.5℃.又根据传热方程式，则该凝汽器的换热面积为：38

38课外作业教材P187.习题12-439

39混合式换热器工作原理简图40

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41回转式空气预热器结构42

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44单壳程双管程(1-2型)壳管式换热器45

45板式换热器46

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47顺流和逆流时流体温度的沿程变化48

48高温过热器中流动方式的综合布置49

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50传热学复习要点51

51导　热温度场的表示及温度梯度的性质傅里叶定律的表达式及式中各量含义热导率的影响因素及保温材料的热导率范围通过平壁和圆筒壁的一维稳定导热计算52

52对流换热热对流与对流换热的概念牛顿冷却公式，影响对流换热的因素蒸汽膜状凝结换热的影响因素大容器沸腾换热的三个阶段，沸腾换热设备安全经济的工作区53

53辐射换热热辐射的本质及特点热射线、黑度、黑体及灰体的概念四次方定律，基尔霍夫定律有效辐射的概念，角系数的性质增强和削弱辐射换热的主要措施54

54传热过程复合换热系数的确定及传热过程的概念传热方程式，传热系数及传热热阻通过平壁的传热计算增强传热的目的及主要途径结合电厂具体换热设备进行传热分析（写出传热过程的各个环节，说明主要热阻及增强传热的具体措施）55

55换热器换热器的主要类型及电厂中实例比较表面式换热器冷、热流体采用顺、逆流布置的优缺点用对数平均温差法进行表面式换热器的设计计算56