热交换器原理与设计 第5章_蓄热式热交换器
热交换器原理与设计总结演示幻灯片
10
对数平均温差，记为 Δtm
? tm
?
?t ? ?t'
ln
? ?
t t
'
?
? tlm
?
? tmax ? ? tmin ln ? tmax
? tmin
11
? 对于对数温差，如果流体的温度沿传热面变
化不大Δtmax <2Δtmin 时，可以用算术平均温差 0.5( Δtmax + Δtmin )近似计算，误差在4％以内。 Δtmax <1.7Δtmin 时,误差在2.3％以内.
t1'
放热
t2 沸腾
t1” t2'
t1 冷凝 吸热
t1' 过热 冷凝
t2” t2”
吸热
过冷
t1” t2'
? 对于上面有相变情况1，2两种情况无顺逆流 之分，对于第三种需要分段处理
12ห้องสมุดไป่ตู้
修正系数Ψ的求取
? 按照逆流算出对数平均温差如下：
? tlm.c
?
(t1'
?
t2
)?
(t1
?
t
' 2
)
ln
(t1' (t1
? ?
t2
t
' 2
) )
?
设辅助参数
? tlm.c
?
(R ? 1) ? (t2 ? ln (1? P)
t2' )
(1? PR)
? P代表冷流体的实 际升温（吸热量） 与最大可能吸热
p?
t2 t1'
? t2' ? t2'
热交换器原理与设计
热交换器原理与设计热交换器是一种用于传热的设备，它可以将热量从一个流体传递到另一个流体，而两者之间并不直接接触。
热交换器广泛应用于工业生产和日常生活中，如空调系统、冷却系统、加热系统等。
在本文中，我们将深入探讨热交换器的原理与设计。
热交换器的原理主要基于热传导和对流传热。
在热交换器中，两种流体分别流经热交换器的两侧，通过热传导和对流传热的方式，实现热量的传递。
热交换器的设计主要包括换热面积、传热系数、流体流速等因素。
换热面积越大，传热效果越好；传热系数越大，传热效率越高；流体流速对于传热效果也有着重要的影响。
热交换器的设计需要考虑多种因素，如流体的性质、温度、压力、换热面积、传热系数等。
在实际工程中，需要根据具体的工况条件来选择合适的热交换器类型，如板式热交换器、管式热交换器、壳管式热交换器等。
不同类型的热交换器适用于不同的工况条件，需要根据实际情况进行合理选择。
在热交换器的设计过程中，需要进行热力学计算、流体力学分析、材料选型等工作。
通过这些工作，可以确定热交换器的尺寸、结构、材料等参数，确保热交换器在实际工作中能够达到预期的换热效果。
此外，还需要考虑热交换器的清洗维护、安装调试等问题，确保热交换器的长期稳定运行。
总的来说，热交换器是一种重要的传热设备，它在工业生产和日常生活中都有着重要的应用。
热交换器的原理基于热传导和对流传热，设计时需要考虑多种因素，如流体性质、温度、压力、换热面积、传热系数等。
合理的热交换器设计可以提高能源利用效率，降低生产成本，对于工业生产和环境保护都具有重要意义。
因此，热交换器的原理与设计是一个值得深入研究的课题，也是工程技术人员需要掌握的重要知识。
蓄热式换热器工作原理
蓄热式换热器工作原理
蓄热式换热器工作原理是：蓄热式换热器通过多孔填料或基质的短暂能量储存，将热量从一种流体传递到另外一种流体。
首先，在习惯上称为加热周期的时间内，热气流流过蓄热式换热器中的填料，热量从气流传递到填料，气流温度降低。
在这个周期结束时，流动方向进行切换，冷流体流经蓄热体。
在冷却周期，流体从蓄热填料吸收热量。
因此，对于常规的流向变换，蓄热体内的填料交替性的与冷热流体进行换热，蓄热体内以及气流在任意位置的温度都不断随时间波动。
启动后，经过数个切换周期，蓄热式换热器进入稳定运行时状态，蓄热体内某一位置随时间的波动在相继的周期内都是相同的。
从运行的特性上很容易区分蓄热式换热器和回热式换热器，回热式换热器中两种流体的换热是通过各个位置的固定边界进行的，在稳定运行时换热器的内的温度只与位置有关，而在蓄热式换热器热量的传递都是动态的，同时依赖于位置和时间。
蓄热式热交换器传热设计计算
第三章蓄热式热交换器传热设计计算由于蓄热式热交换器始终处于不稳定传热工况下工作，换热流体或传热面的温度都随时间和它的位置而变化，所以传热系数和传热量也随时间而变。
为了解决这一困难，在计算中常把加热期和冷却期合在一起作为一个循环周期来考虑，即传热系数为一个循环周期内的平均值。
这样，我们就可以像普通的间壁式热交换器那样进行设计计算。
蓄热式热交换器设计计算的基本方法为对数平均温差法，由于篇幅所限，本章仅根据这类热交换器因结构和工作情况的不同而导致的传热设计计算上的差异作一必要的阐述。
第一节传热系数对于回转型蓄热式热交换器，基于式（!"#）同时还应考虑到烟气、空气冲刷转子的份额不同（一般，烟气冲刷占$%&!，空气冲刷占$!&!，过渡区为!’(&!）及蓄热板表面积灰等因素，因而传热系数的计算式为)*!·+"$$,$-$.$,!-!，#$（%!·&）（$"$）式中!———综合考虑烟气对蓄热板表面的灰污以及烟气和空气对传热面未能冲刷完全及漏风等因素对传热系数影响的利用系数，一般，!*&/%0&/1；+"———考虑低转速时不稳定导热影响的系数，其值主要与转速有关；,$、,!———分别为烟气、空气冲刷转子的份额，可表示为!"#!"!$#%"%#&"&!’#!’!$#%’%#&’&式中%、%"、%’———分别为总的、通过烟气和空气处的传热面积；&、&"、&’———分别为总的、烟气和空气的流通截面积。
对于阀门切换型蓄热式热交换器，由于蓄热体是格子砖，其蓄热能力及砖表面与内部温度之差等对传热的影响较大，所以每周期传热系数的计算式常表式为(#［")"!"*")’!’*’+"#$%］,"，!（"’，#周期）（-,’）式中+———格子砖的平均比热；"———格子砖的容重；#———格子砖的厚度；$———格子砖的利用率；%———格子砖的温度变动系数。
热交换器原理与设计第5章 蓄热式热交换器
图5 .4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图
图5 . 5 蓄热室结构简图
图5 .6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图
5.2 蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较
蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、 热流体通道周期性地交替 ，使得蓄热式热交换器中 传热面及流体温度的变化具有一定的特点。
φ— 与温度有关的校正系数。
由于烟气温度高 ， 对于烟气与格子砖间换热 除了包含对流换热外同时应考虑辐射换热 ，
即采用复合换热系数：
“1, t = “1, tc +“1, tr
(5 . 17a)
“1, b = “1, bc +“1, br
(5 . 17b)
对于空气与格子砖间换热则仅考虑对流换热：
“2, t = “2, tc
图5 . 1 转子回转型空气预热器 1转子； 2转子的中心轴； 3环形长齿条； 4主动齿轮； 5烟气入口； 6烟气出口； 7空气入口； 8空气出口； 9径向隔板； 10过渡区； 11密封装置
图5.2 蓄热板结构图
图5.3为外壳回转型蓄热式热 交换器 ， 它由上下回转风罩、 传动装置 、蓄热体 、密封装 置 、烟道和风道构成； 一端 为8字形 ， 另一端为圆柱形的 两个风罩盖在定子的上下两 个端面上 ，其安装方位相同， 并且同步绕轴旋转。
☆设有一 间壁式热交换器 ，传热面积为F，但冷 气体及热气体各占一半 ， 热气体的平均温度
为t 1,m， 冷气体的平均温度为t 2,m 则在时间 τ0
内该间壁式热交换器的传热量：
Q=KF(t1,m – t 2,m) τ0 ，
☆而热气体的放热量为：
J (5 .8)
Q=α1 F/2 (t1,m – t w1,m) τ0 ， J (5 .9)
热交换器原理与设计总结(21)
热交换器的试验与研究
传热特性试验
阻力特性试验
强化传热 热交换器性能评价
对数平均温差，记为Δtm
t max t min t t t m tlm " t max t ln ln ' t min t
" '
对于对数温差，如果流体的温度沿传热面变 化不大Δtmax<2Δtmin时，可以用算术平均温差 0.5(Δtmax+ Δtmin)近似计算，误差在4％以内。 Δtmax<1.7Δtmin时,误差在2.3％以内.
1 同左； 2 根据热交换器的设计原 则，确定流动方式，求 出RC和ε，用相应的公 式或线图求出传热单元 数值NTU； 3 同左； 4 由F=WminNTU/K确定传 热面积F。
校核性热力计算的比较
平均温差法 1 假定一个出口温度，利用 热平衡方程求出另一个未 知温度； 2 由传热面的已知布置情况 计算相应的传热系数K； 3 根据四个进出口温度及流 体的流动方式，计算出平 均温差Δtm； ； 4 将F、K、△tm代入传热方 程，计算传热量Q； 5 根据热平衡方程核算流体 出口温度； 6将所求温度与假设值相比， 根据误差情况决定是否需 要重新假设。 传热单元数法
1 1 ) W1 W2
t t e t t
" 1 ' 1 " 2 ' 2
KF (
1 1 ) W1 W2
热平衡方程
t t W1 t t W2
" 2 ' 1 ' 2 " 1
1 e 1 Rc
NTU (1 Rc )
顺流条件下
1 e 1 Rc
换热器
1）浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与
结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：
1、换热器按传热原理可分为：
1）间壁式换热器
间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。
第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】
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。
要计算整个换热的平均温差，首先需要知道 温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后再沿 整个换热面积进行平均。
过冷
t1″ t2′
t1′ t2″
放热
过热 沸腾
t1′
部分冷凝
t1″
吸热
t2″
吸热
t1″ t2′
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
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
Fx dΔt μk dF 0 Δt
dΔt μkdF Δt
Δtx ln μkFx Δt
Δtx
Δt
Δtx Δt e
μkFx
Δtx Δt e
Δt Δt e
"
μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
μkF
1 1 μ W1 W2
' 2
热容量：
W = M· C
(W/℃)
Q = W1 · Δt1 =W2 · Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
热交换器原理与设计课程设计参考资料
第一章 绪论1.1 换热器基本概况使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。
在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。
一种流体温度较高，放出热量；一种流体温度较低，吸收热量。
换热器的应用广泛，日常生活中的取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。
它的主要功能是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。
对于迅速发展的化工、石油、和石油化学工业来说，换热器尤为重要。
例如常压、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。
催化重整及加氢脱硫装置中约占15%。
通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11%。
换热器即可是一种单独的设备，如加热器、冷凝器和凝汽器等；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。
在制冷工业中，以食品冷藏业常用的以氨为制冷的蒸汽压缩制冷装置为例，进过压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体；液化后的高压液态氨在膨胀机或节流阀中绝热膨胀，使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流经蒸发器时（布置在冷藏管中）吸热蒸发而回复到原先进入压缩机是的氨气状态，然后再重复心得循环。
在其他各种制冷装置中，都存在冷凝器和蒸发器等换热器。
在火力发电厂中装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热器。
实际上蒸汽锅炉本身就可以看作是一个大型复杂的换热器。
燃料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热介质，使工质汽化、过热称为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用。
表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率。
工业余热数量大，分布广，各国均已把余热回收列为节能工作的一个重要方面。
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Qmaxε表示，即ε=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。
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★蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流 过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠 构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热)， 实现冷、热流体之间的热交换。
★与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热 面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固 体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。
与直接接触式相比，差别更为明显，因为
设传热面积为 F，循环 周期为 τ0 (加热时间 τ1， 冷却时间 τ2 )， 可得蓄热传热量：
Q=KF(t1,m – t2,m)τ0 J (5.3) t1,m、t2,m—热、冷流体
平均温度，℃
(a) 假想间壁式换热
(b) 蓄热式换热
图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程
☆传热量Q可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示：
☆如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：
K
2
1
2
W/(m2·℃)
(5.11)
α1 α2
☆比较式(5.3)与(5.8)及(5.7)与(5.11)可见，由于
加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得
其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅
为间壁式热交换器的
1
tw1, m t1,m
M1cp1(t′1 – t″1)=M2cp2 (t″2 – t′2)
(5.1)
☆对蓄热式，气体1所放出的热量：
Q1=M1cp1(t′1,m– t″1,m) 气体2所吸收的热量：
Q2=M2cp2(t″2,m– t′2,m) ☆忽略对外热损失，热平衡：
M1cp1(t′1,m– t″1,m)=M2cp2(t″2,m– t′2,m) (5.2)
蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来 换热的。
★蓄热式热交换器常用于流量大的气气热交 换场合，如动力、硅酸盐、石油化工等工业 中的余热利用和废热回收等方面。
5.1.1 回转型蓄热式热交换器
回转型蓄热式热交换 器主要由圆筒形蓄热 体 (常称转子)及风罩 两部分组成。它又分 为转子回转型和外壳 回转型。转子就是一 个蓄热体。
tw2, m t2,m
W/(m2·℃)
(5.6)
α1
τ1 τ0
α2
τ2 τ0
如τ1=τ2，则：
K
2
1
2Leabharlann 1 tw1, m t1,m
tw2, m t2,m
α1 α2
W/(m2·℃) (5.7)
☆设有一间壁式热交换器，传热面积为F，但冷 气体及热气体各占一半，热气体的平均温度
图5.6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图
5.2 蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较
蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、 热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中 传热面及流体温度的变化具有一定的特点。
☆特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不 断变化，而且加热期的变化与冷却期的变化情况也 不相同。同时，除了在热交换器的冷、热气体进口 处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。
为t1,m，冷气体的平均温度为 t2,m 则在时间 τ0 内该间壁式热交换器的传热量：
Q=KF(t1,m – t2,m)τ0， J
(5.8)
☆而热气体的放热量为：
Q=α1F/2(t1,m – tw1,m)τ0, J
(5.9)
☆冷气体的吸热量为：
Q=α2 F/2(tw2,m – t2,m)τ0, J
(5.10)
图5.1 转子回转型空气预热器 1转子；2转子的中心轴；3环形长齿条；4主动齿轮；5烟气入口； 6烟气出口；7空气入口；8空气出口；9径向隔板；10过渡区；11密封装置
图5.2 蓄热板结构图
5.1.2 阀门切换型蓄热式热交换器
图5.3为外壳回转型蓄热式热 交换器，它由上下回转风罩、 传动装置、蓄热体、密封装 置、烟道和风道构成；一端 为8字形，另一端为圆柱形的 两个风罩盖在定子的上下两 个端面上，其安装方位相同， 并且同步绕轴旋转。
Q=α1F
τ 0
1(t1
–
tw1)dτ
=α1F(t1,m–
tw1,m)τ1
J
(5.4)
☆或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示：
Q=α2F
τ 0
2(tw2
–
t2)dτ=α2F(tw2,m
–
t2,m)τ2
J
(5.5)
☆综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数：
K
1
1
1
1
tw1, m t1,m
tw2, m t2,m
倍。
☆称它为考虑非稳定换热影响的系数—Cn。
由于传热表面温度不稳定而产生的。由图5.8(b)，
当换热周期 τ0→0时，曲线 tw1与 tw2 将变成同一 直线，因而 tw1,m= tw2,m，此时Cn为1。
与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器在结构 方面有以下三个优点： ☆紧凑性很高。采用20~50目金属网板作蓄热体时， 每m3容积可容纳的传热面积为2296~6560 m2。 而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器 一般只有2000 m2/m3左右。 ☆单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且 易于采用耐腐蚀、耐高温的材料(如陶瓷)作传热面。 ☆有一定的自洁作用。因为周期性地受到气体方向 相反流动，并且传热面上积灰较易自动去除。
☆特点二：蓄热材料和流体温度变化具有周期性， 即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。
图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化
图5.9 逆流下的间壁式和蓄热式热交换器
☆气体1所放出的热量：
Q1=M1cp1(t′1 – t″1) ☆气体2所吸收的热量：
Q2=M2cp2(t″1 – t′2) ☆忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡：
图5.3 风罩旋转的回转型空气预热器
1空气出口；2空气入口；3烟气出口；4回转风罩；5隔板；6烟气入口
蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌成的格 子砖构成。为连续运行，都具有两个蓄 热室。这种阀门切换型常用于玻璃窑炉 ，冶金工业中高炉的热风炉。
图5.4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图
图5.5 蓄热室结构简图
与间壁式相比，蓄热式主要缺点：
☆ 同一蓄热体交替地作为冷、热气体的通道和受 热面，势必导致一通道中的气体带入另一通道。两 气体通道间的密封不严，将会造成冷、热气体之间 某种程度的混合。在阀门切换型中，也会由于阀门 的切换而使冷、热气体之间有不同程度的混合。