毕业设计（论文）-换热器的设计.doc

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1、本科毕业论文 摘 要 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发的合理性与有效性的要求不断提 高，从而对换热器性能的要求也日益加强。特别是对换热器的研究必须满足各种特 殊情况和苛刻条件的要求。因此，在换热器的生产及研究开发上除了满足各种必需 的工艺条件之外，对它的综合性能也提出了更高的要求。深入研究换热器结构参数、 流动参数与换热性能三方面综合性能对换热器参数优化设计，缩短设计周期，提高 设计效率和经济效益都具有重大的理论意义和现实意义。 本文主要从换热器的原理和构造阐述了换热器的换热性能，并且通过换热器的 传热计算明确了影响换热器传热的关键参数。同时为了提高换热器的换热特性，提 出了高效相变换

2、热器，明白了它的换热过程和途径，以及高效相变换热器的分类特 点和应用范围。同时阐述了相变换热器结垢过程和结垢带来的消耗，以及为了减少 换热器结垢采取的相应措施。高效热管换热器在余热回收当中显著的换热效果。 现在，为了充分体现换热器的高效回收余热和节能降耗的传热特性，国内外在 改进换热器的性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方 面取得了显著的成绩。 关键词：高效相变换热器、回收余热、节能降耗、热管换热器 本科毕业论文 Abstract With the continuous development of industry, energy use, the developme

3、nt of the requirements of rationality and effectiveness of continuous improvement, and thus the requirements of heat exchangers are also increasing. Especially for heat exchanger studies must meet special circumstances and requirements of harsh conditions, its research will become more important. Th

4、erefore, in the heat exchanger in addition to production and research and development to meet all the necessary conditions, the overall performance it also has set higher requirements. Depth study of the structure parameters of heat exchangers, flow parameters and heat transfer performance of three

5、integrated performance optimization of heat exchanger design, shorten the design cycle and improve design efficiency and economic benefits are of great theoretical and practical significance. This article from the heat exchanger described the principles and structure of the heat transfer performance

6、 of heat exchangers and heat transfer through the heat exchanger calculation of heat transfer defined the key parameters. Meanwhile, in order to improve heat transfer characteristics of heat exchangers is proposed efficient phase change heat, heat it to understand the process and means, and the effi

7、cient application of phase change heat range. It illustrates the process of phase change heat exchanger fouling and scaling caused by consumption and heat exchanger fouling in order to reduce the corresponding measures taken. Now, to fully reflect the efficient recovery of waste heat exchanger and h

8、eat transfer characteristics of energy saving, home and abroad to improve the performance of heat exchangers to improve heat transfer efficiency and reduce the heat transfer area of lower pressure drop and improve the device thermal strength, etc. Achieved remarkable results. Keywords: efficient pha

9、se change heat, waste heat recovery, energy saving, heat pipe heat exchanger 本科毕业论文 目目 录录 引 言.1 第一章 换热器概念.2 1.1 换热器简介及分类 2 1.2 常见换热器原理及特点 3 第二章 高效相变换热器种类和特点.5 2.1 紧凑式换热器概述 5 2.2. 板式换热器 .6 2.2.1 基本型式及特点 6 2.2.2 与管壳式换热器的比较及应用 7 2.3 板翅式换热器 8 2.3.1 基本型式及特点 8 2.3.2 与管壳式换热器比较及应用 9 2.4 螺旋板式换热器 .11 2.4.1 基本

10、形式及特点 .11 2.4.2 与管壳式换热器的比较及应用 .12 2.5 翅片管式换热器 .13 2.5.1 基本型式及特点 .13 2.5.2 与管壳式换热器的比较及应用 .14 2.6 热管换热器 .14 2.6.1 基本型式及特点 .14 2.6.2 与管壳式换热器的比较及应用 .15 第三章 高效热管换热器17 3.1 热管换热器的基本结构: 17 3.2 热管换热器的种类 .18 3.3 热管的工作原理 .18 3.4 热管换热器的优点 .18 3.5 热管换热器的传热模型 .21 本科毕业论文 3.6 应用计算机优化热管换热器的设计计算 .23 第四章 相变换热器污垢形成过程24

11、 4.1 结垢介绍 .24 4.2 相变结垢形成过程 .24 4.3 结垢带来的消耗 .29 第五章 高效相变换热器的展望30 5.1 近期国内外开发研究的发展方向 .30 参考文献.32 结 论.32 谢 辞.34 本科毕业论文 1 引 言 随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人 们的重视。我国明确提出，在“十一五”期间单位 GDP 能源消耗要比“十五”期末 降低 20，为此全国各行各业广泛开展了“节能降耗”工作3。换热器在工业生产 中是调节工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备， 其换热性能和动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量

12、和造价决定了整个 生产系统的投资。因此，换热器的强化传热、降低流阻以及提高综合性能一直是国 内外科研人员和工程技术人员研究的热点，也取得了大量科研成果。目前，先进的 热交换技术已在能源、动力、化工、石油、冶金、核能、制药、轻工、纺织及航空 航天等领域得到广泛应用。 强化传热技术是提高换热器效率的主要措施。对换热器的强化传热研究已有较 长的历史，并取得了许多应用效果良好的技术成果，如新型管束支撑、强化传热管 和管内插入物等1。目前，换热器强化传热技术一般采用改变传热结构及其表面状 况的被动强化措施，在实现强化传热的同时不可避免地使流动阻力显著增加，且在 许多情况下流阻增加的速率远远大于传热增加的

13、速率，相应地增大了系统的动力消 耗，这不利于高效回收余热和节能降耗。因此，换热器的结构发展和综合性能完善 受到很大限制。今后进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式换热器， 满足高负荷传热的要求势在必行。 本文主要介绍了换热器的种类和对应的特点，以及换热器的一些相关计算和未 来发展趋势。第一章主要讲述了换热器的分类，特点和各种换热器的原理。第二章 讲述了各种高效紧凑式换热器的结构和特性， 。第三章讲述了高效热管换热器的结构、 分类、原理以及传热模型和设计计算。第四章讲述了在充分利用换热器优点的同时， 但是它的结垢现象阻碍了换热器换热效率。第五章讲述了高效换热器在未来的发展 趋势。 本科

14、毕业论文 2 第一章 换热器概念 1.1 换热器简介及分类 换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质， 在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调 等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收 和节能。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传 热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一 种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长 期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工

15、业。以板代管制成的换热器， 结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式6。30 年代初，瑞典首次制成螺 旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器， 用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆 工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热 器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种 高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺 得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外， 自 60 年代开始，为了适应高温和高压条

16、件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换 热器也得到了进一步的发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基 础上又创制出热管式换热器。 现在换热器的种类很多，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更 大的发挥换热器的传递热量的作用。现在由于人们追求换热器重量轻、占地面积少、 使用经济性高，从而推动了紧凑式换热表面的发展，所以紧凑式换热器在实际应用 中种类很多。除了工业中用到的主要换热器种类，如紧凑式换热器、管壳式换热器、 再生器和板式换热器外，还有其他特殊的换热器，如双套管、热管、螺旋式、夹套 式等。 换热器根据传递过程分为：间接接触式直接传递式、蓄热式、流化床等。 本科毕业论

17、文 3 直接接触式冷却塔。 根据流动形式分类：并流、逆流、错流。 根据分程情况分类：单程换热器、多程换热器。 根据流体的相态分类：气-液换热器、液-液换热器、气-气换热器。 根据传热机理分类：冷凝器、蒸发器。 1.2 常见换热器原理及特点 各种换热器的作用、工作原理、结构以及其中工作的流体种类、数量等差别 很大，因此几种常见换热器的构造和原理如下： 板式换热器的构造原理、特点： 板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及 活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧 板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有

18、供介质进出的角孔，上下有挂孔5。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低 速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不 会串漏。 列管式换热器的构造原理、特点： 列管式换热器（又名列管式冷凝器），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 1500m2，可根据用户需要定制。 管式换热器的构造原理、特点： DLG 型列管式换热器利用热传导和热辐射的原理，烟道气通过管程与逆流通过 壳程的空气进行能量交换，从而达到输出洁净热空气的目的。该换

19、热器结构紧凑， 运行可靠，列管采用耐高温的薄壁波纹管，增加发传热面积和换热效率。广泛应用 于化工、制药、轻工等行业废气余热利用和空气加热。 热管换热器的构造原理、特点： 本科毕业论文 4 热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有 均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有 热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且还具有安 装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏 等特点。 热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后 注入最佳液态工质而成，随注入液态工质的成

20、分和比例不同，分为 KLS 低温热管换 热器、GRSC-A 中温热管换热器、GRSC-B 高温热管换热器。热管一端受热时管内工质 汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。 冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加 热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。将热管元件按 一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段 隔开，构成热管换热器。 空气换热器的构造原理、特点： 加热炉窑为了降低能耗，在烟道中设置空气换热器，以回收烟气中的大量余热， 达到节约燃料、降低生产成本，提高燃烧温度、增加

21、炉子的产量。空气换热器是余 热利用的理想设备，在轧钢加热炉、热处理炉、煅造加热炉等各种工业炉窑上得到 广泛应用。炉用空气换热器的种类很多， 目前国内外绝大多数采用的是金属换热器， 空气换热器是利用炉窑排出的尾气热量将空气预热至一定的温度后返回炉内助燃或 用于其它设备。金属换热器具有体积小、热交换效率高、严密性好、结构简单等特 点。 波纹管换热器的构造原理、特点： 产品特点一种新型的强化传热节能型高效换热设备，在传统列管式换热器的基 础上，采用强化传热技术，是对传统各类换热器的重大突破。公称通径 DN3252000mm；公称压力 P0.61.4Mpa；换热管规格 19,25,32,42.壁厚 0

22、.51.0cm；工作介质水水、汽水、油水、油油等多种换热介质。总传热 系数水水 K20003500W/；汽水 K25004000W/；其它介质视介质物 理性能及工况而定。优性能传热效率高，防腐能力好，不污、不堵、不易结垢，无 需维护，密封可靠，运行平稳，占地少，节省投资。 本科毕业论文 5 第二章 高效相变换热器种类和特点 随着能源问题的日渐突显，节能降耗成为工业生产的重要目标。高效换热作为 换热设备的主要性能指标，高效性和紧凑性已成为近几十年来工程设计和理论研究 人员的主要研究目标。研制适用于不同工况要求的高效能换热设备已成为当前发展 节能技术的关键，相应的设计方法和软件亟待开发3。本章针对

23、几种高效紧凑式换 热器作简单的介绍。其中，板式、板翅式、螺旋板式、翅片管式、热管换热器尤为 突出，且在目前及未来的工程应用中具有较为广阔的发展前景。与传统换热器相比， 其优越性主要体现在以下三个方面： 1结构设计能诱使流体产生湍流流动以获得较高传热系数； 2阻止污垢形成而使污垢系数较小； 3流程设计使冷热流体间温差推动力达到最大值。 2.1 紧凑式换热器概述 由于追求在较小的空间中安排尽可能多的传热面积，以提高传热效率和降低成 本，通过开发和应用新型强化传热表面，可以设计出更加高效的换热器，即紧凑式 换热器(Compact Heat Exchanger, 缩写 CHE)。紧凑式换热器是各种传热

24、面积与体积 之比很大的工业用换热器的总称，其单侧传热面积与该侧流道体积之比称为该侧传 热面积密度，即比表面积。根据Shah 和Mueller给出的定义，紧凑式换热器的 值大于700m2/m3；而根据Reay的定义，值只需大于200m2/m3；因而比传统管壳式 换热器更紧凑的板框式换热器的面积密度值虽然在200m2/m3 左右，但仍然被认为 是紧凑式换热器。同传统的换热器相比，大的比表面积往往使得紧凑式换热器体积 小，重量轻，随之而来是低成本，高性能8。 根据定义很多种类的换热器都可以被认为是紧凑式换热器。事实上，市场上至 少有15 种不同类型的紧凑式换热器，常见的紧凑式换热器有板式、板翅式、螺

25、旋板 式、翅片管式、热管换热器等。不同类型的紧凑式换热器有其各自的特点。如铝制 板翅式换热器传热效率高，体积小，但其耐高温性差；螺旋板式换热器的两侧流体 本科毕业论文 6 呈纯逆流流动，且对污垢具有自冲刷作用，但其承压能力有限。相对于紧凑式换热 器，传统的管壳式换热器不但在比表面积上没有优势，在压降上也没有优势。总的 来说，紧凑式换热器的优点可以概括为： 1.传热效率高具有扩展表面，换热面积大；水力直径小，消耗的泵送功率少； 体积小，重量轻。 2.安装成本低 需要安装的管道少，减少基础成本。 3.多股流或多流程结构 适用于吸收循环。 4.工艺条件控制严格准确 系统的惯性小。 5.安全可靠性好

26、降低了泄漏的可能性，当工作介质为氨或者碳氢化合物 （HC），这一点尤为重要。 2.2. 板式换热器 板式换热器是以波纹板为传热面的高效、紧凑型换热器。早前，因可进行周期 性的检查与清洁，板式换热设备广泛用于食品和饮料工业。由于突出的优点，最近 几年，板式换热器不断开拓新的应用领域，如化工、加工及联合工业，其应用前景 也被不断证实。基于对安全性与可靠性的考虑，使用板式换热器很可能将会成为满 足传热要求的一种经济型方法。 2.2.1 基本型式及特点 板式换热器有多种结构型式：垫片密封式、半焊接式、AflaRex 全焊接式、钎 焊式、Bavex 全焊接式、Platula 全焊接式、Compabloc

27、 全焊接式、Packinox 全焊 接式等。板式换热器具有传热效率高、阻力小、结构紧凑、拆装方便、操作灵活等 优点，主要应用于供热和空调工程。 本科毕业论文 7 图2-1 板式换热器 2.2.2 与管壳式换热器的比较及应用 板式换热器内的流体介质比管壳式换热器的具有更大的紊流性，这就意味着在 相同工作条件下，板式换热器有着较小的污垢系数，经经验分析，其值约为管壳式 换热器污垢系数的10。加之板式换热器便于清洁和更换板片，板式换热器具有较 高的流速、较宽的流量范围和较高的传热系数12。如Alfa Laval 生产的板式换热 器最大流速可以达到1000kg/s，处理量约为0.183600m3/h，

28、由于其剧高的紊流性 和极小的污垢系数，在适宜工况条件下，总传热系数（K 值）通常可以达到8000 W/（m）。而对于传统的管壳式换热器，其K 值还不到2500 W/（m）。 另外，在相同的工作条件下，AlfaRex 换热器所需要的基底空间比管壳式换热器少 20。其重量只有管壳式的20。由于采用优化的逆流设计，AlfaRex 换热器完成 相同负荷工作所需要的传热面较小，因而降低了成本。 曾文良等以现场的压缩空气为试验工质，对人字形波纹板式换热器传热与流阻 性能进行了试验研究，给出了换热效率E 与传热单元数NTU 的关系曲线，如图2-2 所示。由图可知，板式换热器的换热效率远远高出1-2 型管壳式

29、换热器。这主要是 由于板式换热器两侧流体完全呈逆流流动，且板片间流体返混极小，从而最大限度 地减小了传热过程的温差及有效能损失，极大提高了有效能的利用。 本科毕业论文 8 图2-2 换热效率E与传热单元数NTU的关系 板式换热器突出的紧凑性和高效性也逐渐被重视，进而在某些领域逐步代替管 壳式换热器，取得了较好的经济效益。AAD(Australian Antarctic Division)采用 换热器回收电力系统中产生的废热来给地面站房屋供暖14。原管壳式换热器回收的 废热不足以给整个地面站房屋供暖，需要采用锅炉来提供额外所需热量。因此， 2003 年底，Casey 站试运行Alfa Laval

30、 板式换热器来代替原来的管壳式换热器。 结果表明，在电力设备的全负荷运行下，板式换热器回收热量113kw，比管壳式换热 器（回收热量87kw）提高了30，原料及劳力的成本回收期也只要12个月，且板式 换热器所需要的维修保养费用还不到管壳式换热器的50。可以预见，在所有站点 安装板式换热器将节省更多的能源。国内张家港某厂的联碱生产中，采用两台人字 形波纹板式换热器串联在联碱过程替代管壳式换热器，节电收益102.348万元/年， 间接创收65.175 万元/年，为企业带来了可观的经济效益。 目前，对板式换热器的研究还在继续深入，以求研究更高效的换热设备，进而 创更大的经济效益。Vlasogiann

31、is等尝试在板式换热器中采用两相流介质，即采用 空气和水的混合物作为冷流。试验发现，用气液混合物做冷流时，两相换热系数随 水流速度的增加而增加，并且所测得的换热系数值比单用水做冷流要高。在试验范 围内，当水表观速度为2.5 m/s，空气表观速度为5.0 m/s 时，仅冷侧传热系数就可 以达到约18000 W/(m)。 本科毕业论文 9 2.3 板翅式换热器 板翅式换热器可满足对流、错流、逆流、错逆流换热，尤其便于多股流流道的 布置，可进行气-液、气-气、液-液间的冷却、冷凝和蒸发等换热过程，被认为是最 有发展前途的新型换热器设备之一。随着技术和加工工艺的提高，对高性能板翅式 换热器的研究更加深

32、入，其设计已向微通道和耐高压方向发展，应用领域越来越广， 包括石油化工、空分、航空、船舶、车辆及原子能等行业。 2.3.1 基本型式及特点 板翅式换热器有钎焊和扩散焊两种基本结合型式。大多数热交换工况采用的是 真空钎焊的铝制板翅式换热器，对于腐蚀性较高的介质，有真空钎焊的不锈钢板翅 式换热器和钛板翅式换热器。Rolls Laval 换热器公司将成本低廉的超塑性成形和 扩散连接技术应用于板翅式换热器的整体制造，提高了换热器的强度，增加了抗腐 蚀性。板翅式换热器的翅片有锯齿形、平直形、多孔形等多种结构型式，可根据不 同的操作条件来选择合适的翅片型式。翅片的扩展面和翅片对流体的扰流能力决定 了热交换

33、能力，因此板翅式换热器具有结构紧凑、轻巧及传热效率高等特点。如微 通道换热器的通道尺寸可达90m95m，换热比表面积高达15000m2/m3（而列管 式换热器一般仅为160 m2/m3 左右）；国内研究开发的高压板翅式换热器耐压能力 为8MPa，其重量还不到管壳式换热器的1/51/10。 本科毕业论文 10 图2-3 翅片类型及其单元 2.3.2 与管壳式换热器比较及应用 6个翅片/cm 的铝制板翅式换热器大约每立方米体积有1300m2的传热面。该类换 热器大概是相同工作条件下的19mm 管径的管壳式换热器体积的10。表2-1 和图2- 4给出了在北海海洋（North Sea）平台上采用纯钛板

34、翅式换热器（扩散焊接）和管 壳式换热器作为气体冷却器的情况。由此可见板翅式换热器具有明显的优势。在各 种生产设备中，许多公司配套采用板翅式换热器来使设备更加紧凑、高效16。烟台 通用板翅式换热器厂为液压挖掘机配套的液压油冷却器，采用了铝制板翅式换热器， 经台架试验表明，该机冷却器散热系数为6135（管式）机油冷却器的11.5倍，散热 效率为6135的7.6倍，散热能力是6135的3倍，而重量仅为6135的1/3。由于它具备优 越的散热性能，所以已应用于许多工程机械。 表2-1 紧凑的优势 规格Rolls Laval 板翅片式换热器管壳式换热器 材料纯钛纯钛 设计压力/bar 6464 长度/m

35、 1.110.0 本科毕业论文 11 宽度/m 1.01.3 空机重量/t 3.718.0 操作重量/t 4.028.0 图2-4 北海海洋平台上气体冷却器尺寸 但是，研究发现，通过对板翅式换热器结构的优化，可以获得更高的换热效率。 焦安军等通过研究导流角度下导流片的导流特性，发现目前工业设计中广泛使用的 90的导流片的导流性能较差，而导流角度45时的导流片具有良好的导 流性能，而阻力特性没有较大的变化。Wen 和Li提出对板翅式换热器封头的结构进 行改进，通过在封头中安装一个合适尺寸的微孔挡板可以有效改善流动时出现的流 体分布不均匀情况。 2.4 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是一种由螺旋状

36、传热板片构成的高效间壁式传热设备，其流道 内的两种介质获得相同的流动性质，这种设计接近于理想热传递设备12。对于易于 堵塞或被颗粒污染的流体，螺旋板换热器更是理想的结构，其单一的螺旋形通道结 构使得流道内流体对污垢有自冲刷作用，所以，螺旋板换热器的污垢速度约只为管 壳式换热器的十分之一。 本科毕业论文 12 2.4.1 基本形式及特点 图2-5 螺旋板式换热器类型 螺旋板换热器有型、型和型三种基本形式。型螺旋板换热器为不可拆 结构，通道两端全封闭，适用于对流传热，主要用于液-液流体的传热；型螺旋板 换热器一般采用可拆式结构，通道交替封闭，主要用于气-液的热交换；型螺旋板 换热器一般也为垫片密封

37、式的可拆式结构，一个通道敞开，另一个通道封闭，主要 用于蒸汽冷凝。相比于管壳式换热器，螺旋板换热器有许多优势：在换热器两侧的 流动条件最优；流体流动均匀分布，不存在死角；温度均匀分布，不存在冷或热角； 更高的热效率，更高的热传递因子；处理时出口温度可重叠或交叉；支撑时间短， 体积小；移动一个端盖，就可以露出一个通道的整个表面，易于检查清洁和维修。 2.4.2 与管壳式换热器的比较及应用 工作条件相同的情况下，螺旋板换热器的换热面积为90m2，板式换热器的为60 m2，而管壳式换热器的为125m2。结构尺寸的比较如下图2-6所示。在氨水生产过程 中，郑燕萍和倪晓斌20用一台螺旋板式换热器取代了原

38、来一组管壳式换热器，分 析表明，两者传热系数比K（螺旋）/ K（管壳）=2.69；两者的单位面积传热量比 Q（螺旋）/ Q（管壳）=3.27，工艺中的吸氨效率从78提高到96%。新疆八一钢铁 集团某公司将管壳式废水冷却器改为高效节能的螺旋板换热器，需要换热面积从 本科毕业论文 13 440m2 降低到240m2，废水流量从原来的20m3/h 提高到40m3/h，大大节约了低温水 用量，传热系数达到了980W/(m2)，而原管壳式的只有430 W/(m2)，洗氨、洗 苯效果明显改善，换热效果及节能效果显著提高。 王如竹等将螺旋板换热器的其中一个通道作为热流体的流道，另一个装入吸附 剂密封起来作为

39、吸附床，顶端的法兰上带有吸附流道和解吸流道，用这样一个吸收 式制冷机来做制冷试验。试验结果表明，作为吸附设备的螺旋板换热器适合于吸附 制冷系统，其良好的传热性能使得吸附系统的循环时间较短。 图2-6 各种换热器的尺寸 螺旋板换热器在化工流程的紧凑化方面有很大的发展空间。陈亚平等采用降膜 型螺旋板式换热器代替管壳式换热器应用于发生精馏器，试验发现组成的螺旋板式 氨水吸收式制冷机结构紧凑且可以实现连续操作。此降膜型螺旋板式换热器还可以 应用于其他化工流程。 2.5 翅片管式换热器 翅片管式换热器是一种带翅的管式热交换器，可以有壳体也可以没有，可以仅 由一根或若干根翅片管组成。翅片管式换热器在动力、

40、化工、制冷等工业中有广泛 的应用，特别在制冷、空调领域中，是主要的部件之一。 2.5.1 基本型式及特点 翅片管是翅片管式换热器中的主要换热元件，由于翅片有效地扩大了传热面积， 本科毕业论文 14 改善了传热的流动条件，使得换热器变得更加紧凑和高效。翅片管由基管和翅片组 合而成，基管通常为圆管，也有扁平管和椭圆管；翅片从平直翅片发展成百叶窗式、 波纹式、蜂窝式等新型翅片。 图 2-6 翅片单管形式 翅片管与光管相比，在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积，带来了 传热系数的提高，达到二次强化传热的目的，其特点就是能有效增加传热面积和传 热系数，并且制造方便且能保证操作的稳定性。换热器翅片管

41、材料应根据换热器的 用途和操作条件等不同而选择，目前常用的材料有铝、铝合金、铜、黄铜、镍、钛、 钢、因康镍合金等，其中以铝和铝合金用的最多。对于翅片管式换热器母材的基本 要求是有较好的钎焊性和成型性、较高的机械强度及良好的耐腐蚀性和导热性。铝 及铝合金不仅满足了这些要求，而且具有延展性和抗拉强度随温度的降低而提高的 特性，所以在世界各国的紧凑式换热器中，特别是在低温的紧凑式换热器中，已经 获得了最为广泛的应用。 2.5.2 与管壳式换热器的比较及应用 唐娟等人通过设计四类换热器得出的计算结果表明翅片管换热器尽管加工工艺 比管壳式换热器复杂，但是其尺寸较小，便于安装，所以采用冷轧翅片管式换热器

42、作为温度调节的设备。其试验结果也说明了此翅片管式换热器的设计是成功的。詹 清流和邓先和通过研究花瓣状翅片管的强化传热特性，得出结论：雷诺数Re低时， 花瓣管（翅片为花瓣形的换热管）的传热系数比光管（传统管壳式换热器所用换热 管）还低，但当时花瓣状翅片管的强化性能开始体现，按实际换热面积计算的给热 本科毕业论文 15 系数比光管提高22.6，而且横向冲刷比纵向的应用价值更高17。同样，仇性启等 人的试验数据表明：与传统的管壳式换热器相比，纵向翅片管换热器的壳程压力损 失较小，传热系数有显著提高，其更适合于壳程介质粘度大、流速低的工况条件。 2.6 热管换热器 热管是20世纪60年代中期发展起来的

43、一种新型高效的传热元件，其导热能力可 达优良金属导体的103104 倍，有超导体之称7。在过去的十年中，紧凑式热管换 热器因其热效率高、尺寸小及设计上的灵活性，在微小型热泵、制冷、气体及冷量 存储系统中小型化方面十分受欢迎。 2.6.1 基本型式及特点 热管束或两相热虹吸设备是热管换热器的重要概念，换热器中的热管可以分为 三个部分：蒸发段、绝热段、冷凝段。新热管包括传统热管、热管面板、回路热管、 蒸汽动力学热虹吸管，微小型/小型热管、吸附热管等等。不同型式的热管制成的热 交换器有不同的应用领域。热管换热器也分为低温、常温、中温、高温换热器。在 给空气预热的工程中，换热温度一般为140370，在

44、流体流动方向上，所有热管 不能都采用同一种工质。以水、甲苯作为工质的热管通常用于温度较低段 （30200）；导热姆、萘用于温度较高段3。热管面板应用于热泵及制冷方面； 在吸附循环中，成对应用蒸汽动力学热管和回路热管；小型热管用于电子散热或制 冷方面；在吸附热管的一段设置吸附床，另一段设置冷凝设备或蒸发设备，这样比 传统热管具有更大的传热传质作用。 相比于传统换热设备，热管换热器具有突出的优点：不需要其他的动力设备， 只要制定合适的交错面距离，就可以传递大量热量；设计及制造简单方便，末端温 差小，应用温度范围大（4-3000K）；在各种温度下，可以控制改变热流密度来输出 热量，这是热管式换热的独

45、特特性；作为冷凝器和蒸发器的热管换热器换热系数 103105 W/(mK)，热管热阻0.0010.003（m2K）/W，因此紧凑度较高。 2.6.2 与管壳式换热器的比较及应用 热管换热器可以应用于冶金、电力、石油精炼、玻璃等各部门，但作为废热回 本科毕业论文 16 收设备的热管换热器，主要有三个应用领域： 1.利用工艺废热来预热工艺中所需要的空气流； 2.利用工艺废热来做空间取暖或空调用； 3.从商业或个人建筑物的空调系统中回收废热来预热空气流。 美国休斯飞机公司对热管换热器和其他类型的换热器进行了比较和评定（如下 表2-2 所示），结果表明，只有板翅式换热器的综合指标比较接近热管换热器（表

46、 中括号中的数字表示品质因素，最好是5，最差是0）。 表2-2 各种换热器性能指标 型式压降传热系数维修辅机动力总计 蓄热式中 （2） 高（4）高（2）有（0） 8 管壳式高 （3） 高（4）中（3）无（5） 15 辅助流体式低 （4） 低（2）高（2）有（0） 8 板翅式低 （4） 中（3）中（3）无（5） 15 热管式低 （4） 高（4）很低（5）无（5） 18 国内秦皇岛市某厂过去采用列管式废锅进行余热回收，因其故障率高，1995 年 采用了RFG-480型热管废热锅炉对3台造气炉进行集中余热回收。与原系统相比，采 用热管废热锅炉降低了系统阻力，单炉小时发气量平均提高了10以上，同时入炉

47、 煤耗下降20，洗气水耗、电耗下降了30，工艺余热得到了充分回收。在试验条 件下研究了空调系统中采用热管换热器对相对湿度控制的影响。试验结果表明，采 用热管换热器以后，空气流中的相对湿度从90100降低至7074%，说明在试验 条件下的空调系统，几乎不需要额外的能量来预热输出空气；不仅如此，试验条件 下系统的冷却能力也提高了2032.7；可见，在实际应用中，当要求输出空气 相对湿度低于70时，热管换热器可以代替传统的预热器。 本科毕业论文 17 第三章 高效热管换热器 热管换热器与制冷机、热泵一样，在解决诸如温室效应、CO2的排放和能源缺乏 等世界性问题中，起到非常重要的作用。热管换热器就是从

48、丰富的自然环境和大量 的余热资源吸收余热，且吸热的温度范围非常广泛,可以从诸如地热自然环境的 10到工业余热资源的 1000。在吸收余热温度范围上，热管换热器比制冷机和热 泵要广泛的多，温度要高的多，另外，还不消耗任何形式的能量。热管换热器不制 本科毕业论文 18 造、不消耗 、也不储存能量，只是高效率地传递能量，从余热资源中吸收余热，然 后转化给工业和生活中需要的水 、空气和蒸汽等。用于工业用热水 、热风、蒸汽 、采暖、空调 、烘干、排潮、炉膛助燃、锅炉供水等，从而减少大量的一次能源的 消耗。 3.1 热管换热器的基本结构: 图 3-1 热管换热器 l-壳体；2-中隔板；3-热管蒸发段；4-

49、热管冷凝段 在地面应用的热管换热器中，广泛使用重力热管，可以倾斜安装，但是冷凝段 必须在蒸发段上部，以回流凝结液。 热管式换热器的主要部件有热管管束、壳体和隔板。在由框架和外壳组成的壳 体中，热管管束固定在中隔板上，中隔板将冷、热流体隔开，使其不相通，上部为 冷凝段，下部为蒸发段。与普通换热器的根本区别是热管换热器的冷、热流体全部 在管外流动。每根热管可以作为一个独立的换热单元，通过热管内部工质的相变传 热把热量从下部的蒸发段传向上部的冷凝段。中隔板除了隔开冷、热流体外，还起 支撑作用。为了减小热管外部的对流换热热阻，热管表面常常设有翅片扩展换热面， 翅片有环肋和高频焊螺旋肋片。 3.2 热管换热器的种类 热管换热器按结构形式可以分为整体式、分离式、回转式和移动层式的热管换 热器。 按冷热流体种类分为气-气热管换热器、气-液热管换热器和气-蒸汽热管换热器。 本科毕业论文 19 3.3 热管的工作原理 热管换热器由许多根热管，按一定的排列方式组成，每只热管都是独立的换热 元件，所以，其传热效率的高低取决于每只热管，