【正文】 ，也會產(chǎn)生很大的導熱熱阻，因此不能忽略。這樣在日常的管理中必須定期對水垢層和煙渣層進行清理，才能保證設備的正常工作，提高換熱設備的傳熱系數(shù)。 傳熱的增強 156 在實際工程中，為了節(jié)約能源，提高設備的熱效率，或為了減少管道和設備的熱損失，保持冷、熱流體的溫度，常常需要減小傳熱。由前面講過的傳熱學原理可知，當冷熱流體的溫度保持不變時，可通過增大傳熱熱阻的方法來減小傳熱。大多數(shù)情況下是在壁面上附加一層熱絕緣材料（保溫層），以增加導熱熱阻的方式來實現(xiàn)削弱傳熱的目的。一般工程上所說的熱絕緣（保溫）材料通常指導熱系數(shù)不大于 W/(m℃ )的材料。例如目前常用的材料有巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸鈣、珍珠巖等，它們的導熱系數(shù)均在 ～ W/(m℃ )范圍內(nèi)。 熱絕緣的目的和技術(shù)措施 傳熱的削弱（熱絕緣） 157 熱絕緣層是用來減小熱損失的輔助層，從理論角度分析，熱絕緣材料越厚，導熱熱阻就越大，當熱絕緣材料的厚度趨于無窮大時管道和設備的熱損失趨于零。但熱絕緣材料越厚從經(jīng)濟的角度考慮就意味著更大的經(jīng)濟投資，這顯然是不現(xiàn)實的。因此就要在投資和熱絕緣的效果之間進行折中考慮，在保證熱絕緣效果的同時減少投資，由此而確定的熱絕緣厚度就是經(jīng)濟厚度。確定方法如下：首先計算不同厚度絕緣層的熱損失，然后根據(jù)熱量損失求出各種不同厚度時的年度經(jīng)濟損失（費用），這樣就可以將絕緣層厚度與年度熱量損失費用的關(guān)系用曲線表示出來。如 圖 2。其次，計算不同厚度熱絕緣的初投資費用和年度折舊費用，并將厚度和費用的關(guān)系也用曲線表示。 熱絕緣層的經(jīng)濟厚度 傳熱的削弱（熱絕緣） 158 如 圖 1。由圖中可以看出，年度熱量損失費用，隨絕緣層厚度的增加而減少，而熱絕緣層的初投資費用和折舊費用則隨絕緣厚度的增加而增大。最后求出不同絕緣層厚度時兩種費用的總和，并將這一關(guān)系表示為曲線 3，見 圖 ，曲線 3最低點的橫坐標所對應的絕緣層厚度，即為最經(jīng)濟的絕緣層厚度，用 δ經(jīng)濟 表示。 圖 確定最經(jīng)濟絕熱 層厚度的圖解法 傳熱的削弱（熱絕緣） 159 臨界熱絕緣直徑 圖 臨界熱絕緣直徑 傳熱的削弱（熱絕緣） 160 傳熱的削弱（熱絕緣） 161 傳熱的削弱（熱絕緣） RE GONG XUE JI CHU 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設備類類專業(yè)規(guī)劃教材 162 第二部分 單元 10 傳熱學原理 應用舉例 熱 工 學 基礎(chǔ) 163 換熱器選型及計算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 4） 單元 10 傳熱學原理應用舉例 間壁式換熱器的類型及特點 ┄┄┄┄┄ （ 6） 單元 10 傳熱學原理應用舉例 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 3） 換熱器的熱力計算原理 ┄┄┄┄┄┄┄ （ 17） 換熱器的選擇及評價 ┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 24） 維護結(jié)構(gòu)熱工計算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 28） 參考文獻 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 37） 164 【 知識點 】 換熱器的類型及特點；換熱器熱力計算公式；維護結(jié)構(gòu)最小熱阻的概念及維護結(jié)構(gòu)熱阻計算公式及計算方法。 【 能力目標 】 掌握 ：換熱器的類型及特點；相關(guān)計算公式。 理解 ：換熱器的評價及選擇的方法；維護結(jié)構(gòu)最小熱 阻的概念。 熟悉 ：換熱器熱力計算公式及計算方法；維護結(jié)構(gòu)熱 阻計算公式及計算方法。 應用 ：使用換熱器熱力計算公式進行選型計算和校核 計算；正確選擇換熱器；維護結(jié)構(gòu)最小熱阻的 校核和計算。 單元 10 傳熱學原理應用舉例 165 換熱器是實現(xiàn)兩種或兩種以上溫度不同的流體相互換熱的設備。按工作原理不同可分為三類。 （ 1）間壁式換熱器 冷熱流體被一壁面隔開，如暖風機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器。 （ 2）混合式換熱器 冷熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱，在熱交換時存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中的噴淋室、蒸汽噴射泵等。 換熱器選型及計算 166 （ 3）回熱式換熱器 回熱式換熱器的換熱面交替地吸收和放出熱量，熱流體流過換熱面時溫度升高，換熱面吸收并儲蓄熱量，然后冷流體流過換熱面，換熱面放出熱量加熱冷流體，如鍋爐中回熱式空氣預熱器、全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。 作為換熱器的基礎(chǔ)知識，本章僅介紹間壁式換熱器。間壁式換熱器種類很多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翹式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。 換熱器選型及計算 167 管殼式換熱器 圖 。流體 Ⅰ 在管外流動，管外各管間常設置一些圓缺形的擋板，其作用是提高管外流體的流速（擋板數(shù)增加，流速提高），使流體能充分流經(jīng)全部管面，改善流體對管子的沖刷角度，從而提高殼側(cè)的換熱系數(shù)。此外，擋板還可以起支承管束、保持管間距離等作用。流體 Ⅱ 在管內(nèi)流動。流體 Ⅱ 從管的一端流到另一端稱為一個管程，當管子總數(shù)及流體流量一定時，管程數(shù)分得越多，則管內(nèi)流速越高。 圖 。 圖 （ a）為 2殼程 4管程， 圖 （ b） 為 3殼程 6管程。 間壁式換熱器的類型及特點 換熱器選型及計算 168 圖 管殼式換熱器示意圖 1— 管板； 2— 外殼； 3— 管子； 4— 擋板； 5— 隔板； 7— 管程進口、出口 。 9— 殼程進口、出口 換熱器選型及計算 169 管殼式熱交換器結(jié)構(gòu)堅固，易于制造，適應性強，處理能力大，高溫、高壓情況下亦可應用，換熱器表面清洗較方便。這一類型換熱設備是工業(yè)上用得最多，歷史最久的一種，是占主導地位的換熱設備。其缺點是材料消耗大，不緊湊。除 圖 ， U形管式及套管式（一根大管中套一小管）換熱器也屬此類。 圖 多殼程與多管程換熱器 （ a） 2殼程 4管程 。 （ b） 3殼程 6管程 換熱器選型及計算 170 肋片管式換熱器 肋片管亦稱翹片管， 圖 意圖。在管子外壁加肋，肋化系數(shù)可達 25左右，大大增加了空氣側(cè)的換熱面積，強化了傳熱。與光管相比，傳熱系數(shù)可提高 1～ 2倍。這類換熱器結(jié)構(gòu)較緊湊，適用于兩側(cè)流體換熱系數(shù)相差較大的場合。 圖 肋片管式換熱器 換熱器選型及計算 171 肋片管式換熱器結(jié)構(gòu)上最值得注意的是肋的形狀和結(jié)構(gòu)以及鑲嵌在管子上的方式。肋的形狀可做成圓盤式、帶槽或孔式、皺紋式、釘式和金屬絲式等。肋與管的連接方式可采用張力纏繞式、嵌片式、熱套脹接、焊接、整體軋制、鑄造及機加工等。肋片管的主要缺陷是肋片側(cè)的流動阻力較大。不同的結(jié)構(gòu)與鑲嵌方式對流動阻力，特別是對傳熱性能影響很大。當肋根與管之間接觸不緊密而存在縫隙時，將形成接觸熱阻而使傳熱系數(shù)降低。 換熱器選型及計算 172 板式換熱器 板式換熱器是由若干傳熱板片疊置壓緊組裝而成，板四角開有角孔，流體由一個角孔流入，即在兩塊板形成的流道中流動，而經(jīng)另一對角線角孔流出（該板的另外兩個角孔則由墊片堵?。?，流道很窄，通常只有3～ 4 mm，冷熱兩流體的流道彼此相間隔。為了強化流體在流道中的擾動，板面都做成波紋形。板片間裝有密封墊片，它既用來防漏，又用以控制兩板間的距離。冷熱兩流體分別由板的上、下角孔進入換熱器，并相間流過奇數(shù)及偶數(shù)流道，然后再從下、上角孔流出。傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件，不同類型的板片直接影響到傳熱系數(shù)、流動阻力和承受壓力的能力。板片的材料，通常為不銹鋼，對于腐蝕性強的流體（如海水冷卻器），可用鈦板。 換熱器選型及計算 173 板式換熱器傳熱系數(shù)高、阻力相對較?。ㄏ鄬τ诟邆鳠嵯禂?shù)）、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬消耗量低、使用靈活性大（傳熱面積可以靈活變更）、拆裝清洗方便等，已廣泛應用于供熱采暖系統(tǒng)及食品、醫(yī)藥、化工等部門。目前板式換熱器性能已達：最佳傳熱系數(shù) 7 000 W/（ m2℃ ）（水 水），最大處理量 1 000 m3/h，最高操作壓強 28 bar（ 1 bar＝ 100 kPa），緊湊性 250～ 1 000 m2/m3，金屬消耗 16 kg/m2。 圖 。 圖 板式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖 換熱器選型及計算 174 板翅式換熱器 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)方式很多，但都是由若干層基本換熱元件組成，如 圖 （ a） 所示，在兩塊平隔板 1中夾著一塊波紋形導熱翅片 3，兩端用側(cè)條 2密封，形成一層基本換熱元件，許多這樣的元件交錯疊合（使相鄰兩流道流動方向交錯）焊接起來構(gòu)成板式換熱器。圖 （ b） 是一種疊合方式。波紋板可做成多種形式，圖 （ a） 為平直形翅片，還有鋸齒翅片、翅片帶孔、彎曲翅片等形式，目的是增加流體的擾動，增強傳熱。熱系數(shù)對空氣可達 350 W/(m2℃ )。板翅換熱器結(jié)構(gòu)非常緊湊，輕巧，每立方米體積中容納的傳熱面積可高達 4 300 m2，承壓可達 100 bar。但它容易堵塞，清洗困難，不易檢修。適用于清潔和無腐蝕的流體換熱。 換熱器選型及計算 175 圖 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖 1— 平隔板； 2— 側(cè)條； 3— 翅片； 4— 流體 圖 螺旋板換熱器 換熱器選型及計算 176 螺旋板換熱器 螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)原理如 圖 ，它是由兩塊平行的金屬板卷制起來，構(gòu)成兩個螺旋通道，再加上下蓋及連接管即成換熱器，其制造工藝簡單。冷熱兩種流體分別在兩個螺旋通道中流動，如 圖 ，流體 1從中心進入，沿螺旋形通道流到周邊流出；流體2則由周邊進入，沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道K值可達 2 200 W/（ m2℃ ）。螺旋流道的沖刷效果好，污垢形成速度低，僅是管殼式的十分之一。此外，結(jié)構(gòu)比管殼式緊湊，一般單位體積的傳熱面積約為管殼式的 2倍。使用板材制造，比管材價廉。缺點是不易清洗，承壓能力低，一般用于壓力 10 bar以下場合。 換熱器選型及計算 177 浮動盤管式換熱器 浮動盤管式換熱器如 圖 ，是 20世紀 80年代從國外引進的一種新型半即熱式換熱器，它由上（左）、下（右）兩個端蓋、外筒、熱介質(zhì)導入管、 冷凝水（回水）導出管及垂直（水 平）浮動盤管組成。垂直（水平） 浮動盤管是由紫銅管經(jīng)多次成型加 工而成，各部分之間均采用螺栓連 接，為設備的檢修提供了可靠的條 件。這種換熱器具有以下優(yōu)點：換 熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度 高、便于清垢、熱媒溫度調(diào)節(jié)方便。 圖 浮動盤管式 換熱器的結(jié)構(gòu)和附件 換熱器選型及計算 178 換熱器的計算分為兩種情況，一種是設計計算，另一種是校核計算。設計計算的目的是根據(jù)生產(chǎn)任務給定的換熱條件（冷熱媒的溫度、換熱量）確定換熱器的形式、換熱面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)。而校核計算的目的則是根據(jù)已知的換熱器的結(jié)構(gòu)形式和換熱面積，校核換熱器能否滿足預定的換熱要求，一般是校核流體的出口溫度和換熱量能否達到要求。 換熱器的熱力計算原理 換熱器選型及計算 179 換熱器傳熱計算的基本公式 換熱器選型及計算 180 平均溫差 在前述傳熱基本計算公式中，冷熱兩流體沿傳熱面進行換熱，其溫度沿流向是不斷變化的，故溫度差 Δt也是不斷變化的，而且隨流體在換熱器中流動情況與流體種類的不同，溫度變化的規(guī)律也不同，因此傳熱計算時需取它的平均溫差。在表面式換熱器中，熱流體與冷流體可以平行流動，也可以交叉流動，平行流動時，還可以再分為順流和逆流。當兩種流體的流動方向相互垂直時，稱為橫流或叉流，如 圖 。 圖 流體在換熱器中的流動方式 換熱器選型及計算 181 圖 順流時流體溫度變化 換熱器選型及計算 182 圖 逆流時流體溫度變化 換熱器選型及計算 183 換熱器選型及計算 184 換熱器選型及計算 185 換熱器的類型很多，在選型和設計時，一般應考慮下列幾項基本的要求： （ 1）達到換熱量、溫度等要求； （ 2）強度可靠； （ 3）便于制造、安裝和檢修； （ 4）經(jīng)濟合理。 這些要求時常是互相制約的。例如，對于腐蝕性介質(zhì)，則要求采用昂貴的耐腐蝕材料，從而影響造價。緊湊式換熱器雖然傳熱性能優(yōu)異，但設備投資較大，或檢修不方便，為了給換熱器的選型和設計提供依據(jù)，就需要對換熱器的性能進行定量的評價。 換熱器的選擇及評價 換熱器選型及計算 186 換熱器性能評價涉及熱力學性能（不可逆損失）、傳熱性能、機械性能（容積、強度、重量、材質(zhì)）、可靠性及經(jīng)濟性（投資、運行、維修），故全面評價換熱器性能是一項困難的工作，從國內(nèi)外做過的大量研究工作看，評價方法根據(jù)不同的情況大致有以下一些類