0_热交换器计算及设计.ppt
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1、热交换器计算及设计 (含锅炉设计计算),教师:王勤辉/余春江 2012年2月,课程信息,学分: 1.5 教材:电站锅炉原理容銮恩,袁镇福等,中国电力出版社 主要参考书: 管壳式换热器的分析与计算潘纪红,田茂诚编著,科学出版社,1996 锅炉原理及计算(第二版)冯俊凯,沈幼庭主编,科学出版社,1992 锅炉例题习题集贾鸿祥编,水利电力出版社,1990 换热器设计、运行及CAD系统刘燕春编著,冶金工业出版社,1998 教师联系方式: 王勤辉 Tel:87952802 余春江 Tel:87952801 ,热交换器的重要性,在工程中,将某种流体(介质)的热量以一定的传热方式传递给他种流体(介质)的设
2、备,称为热交换器 至少有两种温度不同的流体参与传热 传热为主要过程(目的) 热交换器在工业生产中极为普遍 锅炉设备中。 电厂热力系统中。 轧钢工艺中的空气煤气预热器、制冷机中的冷凝器、制糖造纸工业中的蒸发器等等 化工、航天、机械制造、食品、医药行业中。,凝汽式燃煤电厂生产过程,凝汽部分换热过程,低压加热器,除氧器换热过程,高压加热器,省煤器,过热器,空预器,对换热器的基本要求,满足工艺要求,热交换强度高,热损失小 工艺结构在工作温度压力下不易遭到破坏,制造简单,维修方便,运行可靠 设备紧凑(对于航天、余热利用、大型设备尤为重要) 流动阻力低,热交换器的动力消耗小 其他工艺要求的特殊能力,热交换
3、器研究的背景科学,和传热学的密切联系和互动 热交换器发展为传热学提供日益深广的课题 传热学为热交换器发展提供理论基础和设计方法 换热器的研究不局限于传热学研究,从换热器的原理、设计到测试构成了自己独特的内容体系,除了传热学,还包括流体力学、工程力学、化学、材料力学以及设计方法、设备结构、测试技术、计算和优化技术等方面的内容,换热器相关深入研究的领域,强化传热机理和新型换热器的研制 流体热物性的研究 制造材料和防腐技术研究 结垢机理和防垢技术研究 振动和防振措施的研究 测试技术研究 热交换器CAD设计、自动设计、模拟和系统与设备的优化等,本课程关注的内容,常规热交换器类型、原理,基本设计思路 作
4、为一门能源与环境工程专业的专业课,着重以电站锅炉为主要对象介绍锅炉设备工作过程中所涉及热交换器相关内容 掌握锅炉设备工作过程中所涉及的相关知识如燃料特性及其燃烧产物的计算等 掌握有关锅炉热平衡计算以及整体设计的基本知识 掌握锅炉的热力计算的基本方法,包括炉膛和对流受热面等热交换部件的计算方法 在掌握锅炉的设计与计算方法的基础上,理解各类热交换器的设计与计算方法。,热交换器设计与计算的基本原理,热交换器原理、形式 热交换器设计及计算的重要性 各类热交换器传热计算分析,换热器分类,按照用途分类:预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器 按照制造材料分类:金属换热器、陶瓷换热器、石墨换热器等 按照冷流体和热流
5、体的流动方向分:顺流式、逆流式、错流式、混合流等 按照传送热量的方法:间壁式、混合式、蓄热式(回热式)、流体耦合间接式等,按照流动方向的分类,顺流 逆流 交叉流(错流) 总趋势为逆流的四次错流 总趋势为顺流的四次错流 混流式:先顺后逆平行流 混流式:先逆后顺的串联混和流,按照热量传输方式划分,间壁式换热器 冷流体和热流体之间有一固体壁面,一种流体恒在壁面的一侧流动,而另一种流体在他侧流动,两种流体不直接接触,热量通过壁面进行传递,按照热量传输方式划分,混合换热器(直接接触式换热器) 这种换热器内依靠热流体和冷流体的直接接触而进行换热,理论上混合流体均匀地处于同温同压下离开换热器,换热效率最高,
6、但是冷热流体的混合使应用受限制。,热水加热,气体冷却塔,按照热量传输方式划分,蓄热式换热器(回热式) 换热器中也有固体壁面,但是两种流体并非同时,而是轮流地与壁面接触,当热流体流过时,把热量蓄于壁内,其温度逐渐升高,而当冷流体流过时,壁面放出热量,其温度逐渐降低,如此反复进行,以达到热交换的目的。,蓄热室原理,蓄热换热器,按照热量传输方式划分,流体耦合间接式 由两台间壁式换热器组成,他们之间通过某种传热介质(水或者液态金属)的循环耦合在一起。 冷热流体换热面不直接耦合使换热器形体设计比较方便; 有利于紧凑的机械布置,热管换热,间壁式换热器,换热过程物理概念清晰,纯粹的传热。其生产经验、分析研究
7、和计算方法比较完整和丰富,其他两种换热器的计算往往要部分或大部分引用间壁式换热器的计算设计方法 冷热流体相互之间不掺混,满足绝大多数工业过程的要求,是应用最为广泛的换热器类型,间壁式换热器类型,按照传热壁面的形状间壁式换热器可分 管式热交换器 板式热交换器 夹套式热交换器 其他异形传热面组成的特殊类型换热器,板式,螺旋板,夹套换热器,板式换热器流向示意图,管式热交换器类型 沉浸式热交换器,该类型热交换器的管子常用直管(蛇管)或螺旋弯管(盘管)组成传热面,将管子沉浸在液体的容器或池内 多用于液体预热器、蒸发器或气体冷却、冷凝 管外液体中的传热以自然对流方式进行,传热系数低,体积大,但是结构简单、
8、制造、修理、清洗方便。,沉浸蛇管换热,管式热交换器类型 喷淋式热交换器,该类型热交换器将冷却水直接喷淋到管子外表面使管内的热流体冷却或冷凝 优点是结构简单、制造、修理、清洗方便,换热系数通常大于沉浸式,加上管外的蒸发气化及空气也能吸收部分热量,传热效果好 缺点是冷却水较少时下部的管子不能被润湿,而且几乎不参与热交换,喷淋式,管式热交换器类型 套管式热交换器,该类型热交换器将不同直径的两根管子做成同心套管作为元件,然后把多个元件加以连接而成。可以做到纯逆流或者纯顺流运行 优点是结构简单适用于高温高压流体,特别是小流量流体的传热,改变套管根数可以方便地增减热负荷。如果做成内管可抽出式,则非常便于清
9、除污垢 缺点是流动阻力大,金属耗量大,体积大,占地面积也大,套管式,管式热交换器类型 管壳式热交换器(列管式),该类型热交换器在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子(管束),让两种流体分别从管内空间(管程)和管外空间(壳程)流过进行热量的交换,u型换热,补偿圈,浮头,管壳式换热器,管壳式换热器主要优点是结构简单,造价较低,选材范围广,处理能力大,设计灵活,适应高温高压要求 高可靠性和广泛适应性使该型换热器在各种新型换热器的挑战下仍然占优势地位,在现代电力生产中其优势地位更为突出 文献数据:管壳式换热器在日本产量占全部换热器的70,产值占了60, 结构:壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体
10、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。,管壳式换热器内的构成, 优点: 单位体积设备所能提供的传热面积大, 传热效果好, 结构坚固, 可选用的结构材料范围宽广, 操作弹性大,,管壳式换热器内的多程 。,多程: 多管程:封头内设置分程隔板 单管程多管程 多壳程: 相当于单壳程串联,传热面积。,流通截面积:,传热面积:,说明:管程数,流通截面积,管内流速,hi ,强化传热。,安装:上下安装,常用; 左右安装,排液不畅时采用。,常用形式:弓形,圆盘形。,折流挡板,作用:提高壳程流体湍动程度(Re100 湍流),ho,强化传热。 冲刷沉积物,减小污垢热
11、阻; 对壳体起支撑作用。,代价:壳体阻力,系统动力消耗。,弓形,圆盘形,a)固定管板式换热器,适用: * 壳程流体不易结垢或容易化学清洗; * 壳体与传热管壁温度之差小于50C,否则加膨胀节。,局限: 管、壳温度不同,产生热应力,当t50时,管弯曲、断裂或管板变形。 壳程不易机械清洗;,优点:* 结构简单,成本低;,固定管板式 浮头式 U形管式,特点:消除了温差应力、便于清洗和检修; 结构复杂、成本高; 适用:应用广泛。,b)浮头式换热器,一端可以沿轴向自由浮动,c)U形管式换热器,特点:具有温度补偿作用; 管程不易清洗。 适用:可用于高温高压,适用于管程为洁净而不易结垢的流体。,结构:,热交
12、换器设计计算内容,设计一个全新的热交换器一般包括: 热力计算 结构计算 流动阻力计算 强度计算 其他可能涉及的专项问题:振动、污垢等等,热力计算主要内容,根据给出的具体条件,如热交换器类型,流体进出口温度,压力,流体物理化学性质,相变情况等,求出热交换器的传热系数,进而算出传热面积的大小,结构计算内容,根据传热面积的大小计算热交换器主要部件和构件的尺寸,例如管子的直径、长度、根数,壳体的直径、纵向隔板和折流板的尺寸和数目,分程隔板的数目和布置,以及连接管尺寸等。,流动阻力计算,进行流动阻力的计算目的在于为选择风机和泵提供依据,或者核算其压降是否在限定的范围内。当压降超过允许数值时,则必须改变热
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