01第一讲 热交换器绪论和概述
热交换器原理与设计
绪论1.2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章1.Mc1℃是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W—对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有μ＞０，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差△t总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1＜W2时，μ＞０，△t不断降低，当W1＞W2时，μ＜０，△t不断升高。
5.P（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
（定义式P12）7.从φ值的大小可看出某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。
除非处于降低壁温的目的，否则最好使φ＞0.9，若φ＜0.75就认为不合理。
（P22 例1.1）8.所谓Qmax是指一个面积为无穷大且其流体流量和进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。
9.实际传热量Q与最大可能传热量Qmax=Q/Qmax。
意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。
10.根据ε的定义，它是一个无因次参数，一般小于1。
其实用性在与：若已知ε及t1′、t2′时，就可很容易地由Q=εW min(t1′-t2′)确定热交换器的实际传热量。
热交换器
第三章; 热交换器.第一节热交换器的原理和功能;热交换器是用来加热或是冷却介质来达到生产或是生活所需的一种换热设备. 在石油工业中更多的用于利用加热和冷却来达到石油天燃气处理的参数,充分利用和回收利用热能,减少能量损失,浪费. 热交换就是一种热量从高温到低温热传递的过程,而热交换器就是为热能传送所提供的设备.一般的换热器传热是由固体内部的热传导及各种流体与固体表面间的对流传热组合而成.热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行:(1)热流体以对流传热方式将热量传给固体表面;(2)热量以热传导方式由间壁的热侧面传给冷侧面;(3)冷流体以对流方式将间壁传来的热量带走.流体通过间壁的热量交换图中示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况。
热流体以对流方式将热量传给间壁的一侧，如果热流体不发生相变，则热流体的温度逐渐降低；在间壁中沿热流方向温度降低；当热量传给冷流体后，如果冷流体也不发生相变，则其温度将逐渐升高。
第二节热交换器的种类和结构;2.1换热器种类很多，按热量交换的原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类, 而我们石油工业所用的大部分是间壁式的热交换器; 按照传热面的型式，间壁式换热器又可分为夹套式、管式、板式和各种异型传热面组成的特殊型式换热器.A.夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却，夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成。
一般用于换热表面积要求低于40平方米的条件下.它的优点是成本低,结构简单,容易维修和适用范围广,但是它所占空间比较大,而且对材质要求比较高, 夹套式换热器由于传热面积的限制，常常难以满足及时移走大量反应热的换热需求,夹套式换热器,在用冷却水进行冷却天燃气时，则冷却水由夹套下部进入，而由上部流出,天燃气从上部的内部管束进人,而由下部的内管流出.下图为一典型夹套式换热器图例.B. 列管式换热器（又称管壳式换热器）是工业上应用最广泛的换热设备。
与前述换热器相比，它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。
热交换器-绪论
除氧器
锅炉（蒸发器） 冷水塔 低压给水加热器
直接接触式
间壁式 直接接触式 间壁式
接触传热、传质
辐射—导热—两相传热 接触传热、传质 凝结—导热—对流
高压给水加热器
间壁式
凝结—导热—对流
§0.1 研究热交换器的重要性
在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热 交换器的场合更是不胜枚举。 （1）石油化工行业，换热器的投资要占到建厂投资 的1/5左右，重量占工艺设备总重量的40％。 例如：广州石化有一条年产30万吨的乙烯装置，换 热器的投资就占到总投资的25％。 （2）在一些大中型炼油企业中，各种热交换器的数 量达到300～500台。 （3）管壳式热交换器的最高压力达84MPa，最高温 度可达1500℃，外形长达33m。
§0.3 各种类型的间壁式热交换器
肋化系数可达25；传热系数可提高1~2倍 结构较紧凑、适于两侧流体表面传热系数相差较大时 肋片侧流动阻力大、可能有较大的接触热阻
§0.3 各种类型的间壁式热交换器 7. 平行板式热交换器
传热板片，密封压片，压 紧装置，轴、接管等
§0.3 各种类型的间壁式热交换器
可根据两种流体的总流动趋 势看成逆流或顺流）
4. 混流：（又称杂流式） 两种流体在流动过程中 既有顺流部分，又有逆 流部分。
§0.2 热交换器的分类
§0.2 热交换器的分类
4.按传送热量的方法分类 分成间壁式、混合式和蓄热式（热交换器最主要的 一种分类方法） （1）间壁式 冷、热流体被固体壁面隔开，互 不接触，热量由热流体通过壁面传递 给冷流体。形式多样，应用广泛。适 于冷、热流体不允许混合的场合。本 课程重点介绍此类换热器。如各种管 壳式、板式结构的换热器。
并联
热交换器原理
热交换器原理
热交换器是一种用于热能传递的设备，其原理基于热传导和换热面积的优化利用。
它通常由许多并排的金属管或片组成，这些管或片之间存在热传导的接触。
热交换器的工作原理如下：
1. 流体流动：热交换器内部有两种流体，一个是要被加热的流体（热流体），另一个是需要吸收热量的流体（冷流体）。
2. 热传导：热流体通过热交换器的管道或片内流动时，其热能会通过金属材料逐渐传递给冷流体。
这是通过两种流体之间的热传导实现的。
3. 换热面积：热交换器的设计旨在最大化换热面积，以确保足够的热能传递。
通常，热交换器的管道或片会采用螺旋形状或叠放形式，以增加换热面积。
4. 流体分离：热交换器内的流体是分离的，它们不会混合，但通过金属管壁或片之间的接触而进行换热。
热交换器的优点在于它能够高效地传递热能并方便维护。
通过优化设计和选择合适的材料，热交换器可以实现高热传导效率和较低的能量损失。
这使得热交换器在许多工业和家用应用中得到广泛使用，例如空调系统、汽车发动机、化工过程等。
热交换器原理与设计—第1章_热交换器热计算的基本原理_(1)
两种流体中只有一种横向混合的错流式热交换器，其 值为：
能源与动力工程教研室
对于某种特定的流动形式， 是辅助参数P、R的函 数 f ( P, R) 该函数形式因流动方式而异。
对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器， 可将辅助参数的取法归纳为：
t m ,算术
t max t min 2
使用条件：如果流体的温度沿传热面变化不大， 范围在
t max 2 内可以使用算数平均温差。 t min
能源与动力工程教研室
算术平均与对数平均温差
t m ,算术
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
R 1 t t 2 2 1 P ln 1 PR
的函数
t1m,c
能源与动力工程教研室
为了简化 的计算，引入两辅助参数：
t 2 t2 p t2 t1
t1 t1 R t 2 t2
冷流体的加热度 两种流体的进口温差
能源与动力工程教研室
1.2 平均温差
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差
简单顺流时的对数平均温差 假设：
(1)冷热流体的质量流量qm2、qm1 以及比热容c2, c1是常数； (2)传热系数是常数；
(3)换热器无散热损失； (4)换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。 下标1、2分别代表热冷流体。 上标1撇和2撇分别代表进出口
能源与动力工程教研室
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
第1章_热交换器基本原理
按传热面形状和结构分
1. 管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管
结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、 套管式换热器、翅片式换热器等。 2. 板式换热器
通过板面进行传热的换热器。按传热板的结 构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。 3. 特殊形式换热器
根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的 换热器。如回转式、热管式换热器等。
t2 (cold) x
顺流
t
t’
t1
t”
t2 x
逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设：
1. 冷热流体的质量流量和比热保持定值； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同一种流体从进口到出口，不能既有相变又
有单相对流换热。
以顺流为例：已知冷热流体的进出口温度，
针对微元换热面dF一段的传热，温差为：
Δt=t1 – t2 → dΔt=dt1 – dt2
通过微元面dF，两流体的换热量为:
dQ=k·Δt·dF
分别对热流体与冷流体:
热流体：dQ
- M1c1dt 1
dt1
-
1 W1
dQ
冷流体： dQ
M2c2dt 2
dt
2
1 W2
内部构造
管壳式换热器的外形
管壳式换热器端部流程安排
多流程焊接式换热器
1 热交换器热计算基本原理
热(力)计算是换热器设计的基础
以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算， 其他形式的换热器计算方法相同。
设计性计算 设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热 面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸 会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。
热交换器的原理
热交换器的原理
热交换器是一种用于热量传递的设备，其原理基于热量的传导和对流。
热交换器通常由一对互相交叉的管道组成，其中一个管道用于输送热源（如热水或蒸汽），另一个管道用于输送冷却介质（如冷水或空气）。
这两个管道之间通过金属板、管子或片状材料等热导体连接在一起。
在工作过程中，热源通过一个管道进入热交换器，然后流过热导体，热量开始从热源传导到热导体上。
同时，冷却介质通过另一个管道进入热交换器，并流过热导体。
由于热导体的存在，导热板和冷却介质之间会形成一个热传导的接触面，使热量通过导热板从热源一侧传递到冷却介质一侧。
此外，通过流体的对流效应，热源和冷却介质之间的热量交换会更加高效。
当热源传导的热量到达热导体表面时，热量会通过冷却介质的对流而迅速散发出去。
反之，冷却介质也会通过对流将其带走的热量传递给热源一侧。
热交换器的设计可以根据需要进行调整，以确保达到预期的热量传递效果。
例如，热交换器的导热板可以增加表面积，以增加热量的交换量。
此外，通过增加管道的长度或使用多道管道，可以增加热导体的热传导面积，提高热交换器的传热效率。
总的来说，热交换器利用热传导和对流效应，将热源和冷却介质的热量通过热导体相互传递，实现了热能的高效利用。
热交换器原理
热交换器原理
热交换器是一种用于热能传递的设备，它可以在不同流体之间
传递热能，常见的应用包括空调系统、供暖系统、工业生产过程等。
热交换器的原理是利用热传导和对流传热来实现不同流体之间的热
能交换，下面我们来详细了解一下热交换器的原理。
首先，热交换器通过热传导来实现热能的传递。
当两种不同温
度的流体接触时，热能会通过热传导从高温流体传递到低温流体。
这种传热方式主要发生在热交换器的传热表面上，通过传热表面的
材料来实现热能的传递。
传热表面的材料通常具有良好的导热性能，以便更有效地传递热能。
其次，热交换器还利用对流传热来实现热能的传递。
对流传热
是指流体通过对流的方式将热能传递给另一种流体。
在热交换器中，通常会通过管道或其他设备将两种流体分开，并通过设计合理的结
构来促进对流传热的进行。
这样可以有效地提高热交换效率，从而
实现更高效的热能传递。
此外，热交换器的原理还包括热交换器的结构设计。
热交换器
通常包括换热管道、传热表面、流体分隔设备等部分。
这些部分的
设计和布局对热交换器的传热效果有着重要的影响。
合理的结构设计可以提高热交换器的换热效率，减小设备的体积和重量，从而更好地满足不同场合的使用需求。
总的来说，热交换器的原理是通过热传导和对流传热来实现不同流体之间的热能交换。
在实际应用中，热交换器可以根据不同的传热要求和流体特性进行设计和选择，以实现更高效的热能传递。
通过深入了解热交换器的原理，可以更好地应用和优化热交换器设备，为各种工业和生活场合提供更加可靠和高效的热能传递解决方案。
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3.按流动方向分类：P3
顺流式、逆流式、错流式和混流式
1. 顺流式
顺流：参与换热的两种流 体在传热面两侧以相同的 方向流动；
2. 逆流式
逆流：参与换热的两种流 体在传热面两侧以相反的 方向流动；
错流：（又称叉流式）参 与换热的两种流体垂直交 叉流过传热面两侧。 （当交叉次数在四次以上时，
可根据两种流体的总流动趋 势看成逆流或顺流）
热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广 泛。适于冷、热流体不允许混合的场合。本课程重 点介绍此类换热器。如各种管壳式、板式结构的换 热器。
（2）混合式（又称直接接触式） 冷、热流体通过直接接触换热。
典型的例子是冷却塔（冷水塔、凉水塔），喷 射式热交换器。
（3）蓄热式（又称回热式） 冷、热流体周期性地流过固
热流体 热流体
冷流体 冷流体
预热空气 (1270 K)
燃料
分散式余热回收方式
交替切换 烧嘴A 烧嘴B
(1620 K) 钢坯 废气
陶瓷球型蓄热体
切换阀 空气
Nox排放 燃料
废气
➢中央空调系统中的余热回收（全热回收器）等等
§0.3 各种类型的间壁式热交换器
壳管式热交换器 肋片管式热交换器 套管式热交换器
(3) 设备紧凑；节约空间，节约材料等
(4) 较低的流动阻力，以减少热交换器的动力消耗。 （泵与风机的功耗）
4. 热交换器的研究 (1)强化传热机理的研究和新型热交换器的研制 ； (2)流体热物性的研究 ；（纳米流体） (3) 制造材料和防腐蚀技术的研究；（材料与保护） (4) 结垢和防垢技术的研究； (5)设计工作的自动化和制造技术的研究； (6)振动与防振措施的研究； (7)测试技术的研究； (8)换热器标准的制定研究等等。
板翅式热交换器 平行板式热交换器 螺旋板式热交换器
夹套式热交换器
异型特殊型式的 热交换器
1. 沉浸式热交换器
2. 喷淋式热交换器
3. 套管式热交换器
4. 夹套式热交换器
5. 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）
6. 板翅式热交换器
7. 翅片管式热交换器（肋片管式热交换器）
8. 平行板式热交换器
8. 螺旋板式热交换器
§0.4 热交换器设计计算的内容
热交换器设计计算的内容如下： 教材
1）热计算（热力计算）
P6
传热系数
传热面积
2）结构计算
各种尺寸
3）流动阻力计算
各类流动阻力，为选择泵和风机提供依据
4）强度计算
强度是否符合要求
谢谢！
（3）管壳式热交换器的最高压力达84MPa，最高温 度可达1500℃，外形长达33m。
教材
3. 工程应用中对换热器的基本要求
P1
(1)满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高， 热损失少，在有利的平均温差下工作；
(2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏 的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理， 运行可靠；
§0.2 热交换器的分类
1. 按照用途来分（根据用途命名） （1）加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热
流体在加热过程中不发生相变。 （2ห้องสมุดไป่ตู้预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装
置的效率。 （3）过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状
态。 （4）蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。 （5）再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受
体壁面换热。 借助于热容量较大的固体蓄
热体，将热量由热流体传给冷 流体。当蓄热体与热流体接触 时，从热流体处接受热量，蓄 热体温度升高，然后与冷流体 接触，将热量传递给冷流体， 蓄热体温度下降，从而达到换 热的目的。特点是结构简单， 可耐高温，体积庞大，不能完 全避免两种流体的混和。适于 高温气体热量的回收或冷却。 如回转式空气预热器。
其它方面：
石油化工、冶金、建筑、食品、医疗及航空航天领 域等等。
（1）石油化工行业，换热器的投资要占到建厂投资 的1/5左右，重量占工艺设备总重量的40％。
例如：广州石化有一条年产30万吨的乙烯装置，换 热器的投资就占到总投资的25％。
（2）在一些大中型炼油企业中，各种热交换器的数 量达到300～500台。
混流：（又称杂流式）两 种流体在流动过程中既有 顺流部分，又有逆流部分。
顺流
总趋势逆 流的四次
错流
逆流 错流
总趋势顺流 的四次错流
先顺后逆的 混流
先逆后顺的混流
4.按传送热量的方法分类：P3
分成间壁式、混合式和蓄热式（热交换器最主要的 一种分类方法）
（1）间壁式 冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由
热汽化。为蒸馏过程专用设备。 （6）冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。 （7）冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出
潜热而凝结液化。
（8）再热器：用于电厂再热循环。 （9）回热器：用于冷凝液的过冷。 （10）省煤器：用于加热锅炉的给水。
2. 按照制造的材料来分 （1）金属材料换热器 由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、 合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。 因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率 高。 （2）非金属材料换热器 有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、 玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小， 故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性 的物系。