傳熱過程及換熱器（熱工學(xué)課件）

換熱器的分類換熱器的分類用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置統(tǒng)稱換熱器。在這種設(shè)備內(nèi)，至少有兩種溫度不同的流體參與傳熱，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。換熱器在熱力發(fā)電廠中有極其重要的應(yīng)用，電廠中的水冷壁、過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、凝汽器、回?zé)峒訜崞鳌⒊跗鞯鹊榷际菗Q熱器。本部分內(nèi)容介紹換熱器的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理?；?zé)崾綋Q熱器01混合式換熱器02目

錄Content表面式換熱器0201回?zé)崾綋Q熱器換熱器的分類回?zé)崾綋Q熱器工作原理示意圖如圖3.1-1所示，這類換熱器利用了換熱元件的蓄熱作用，在這種換熱器中，流過同一傳熱元件壁面的，一會兒是熱流體，一會兒是冷流體，當(dāng)熱流體流過壁面時是加熱期，熱量被壁面吸收并蓄積在傳熱元件中，當(dāng)冷流體流過同一壁面時是冷卻期，傳熱元件將儲存的熱量釋放給冷流體，使冷流體溫度升高。這樣冷熱流體交替地流過同一固體壁面，傳熱元件壁面被周期性地加熱和冷卻，熱量也就周期性地不斷由熱流體傳給冷流體。在連續(xù)的運(yùn)行中，雖然傳熱元件吸收和放出的熱量相等，但熱傳遞過程卻是非穩(wěn)態(tài)的。換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過熱度比較高時其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們在后面介紹水蒸氣性質(zhì)時會有認(rèn)識的，可見理想氣體與實(shí)際氣體沒有明顯界限，在什么情況下應(yīng)視為何種氣體，要根據(jù)工程計算所允許的誤差范圍而定。這類換熱器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約金屬，傳熱效率較高，通常用于換熱系數(shù)不大的氣體介質(zhì)之間的傳熱。由于傳動機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)行時較難維護(hù)，且轉(zhuǎn)動部位較難密封，特別是當(dāng)兩種流體壓力差較大時，往往有高壓側(cè)流體向低壓側(cè)泄漏的現(xiàn)象，從而造成不同流體的混合。因此，為了防止冷熱流體間的混合及向外界泄漏，對密封性要求較高?；旌鲜綋Q熱器02換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過熱度比較高時其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們在后面介紹水蒸氣性質(zhì)時會有認(rèn)識的，可見理想氣體與實(shí)際氣體沒有明顯界限，在什么情況下應(yīng)視為何種氣體，要根據(jù)工程計算所允許的誤差范圍而定。在混合式換熱器中，進(jìn)入換熱器的冷熱流體完全混合，熱量的交換是依靠熱冷流體的直接接觸和混合來實(shí)現(xiàn)的，在熱量傳遞的同時還伴隨有質(zhì)量交換，且混合加熱的結(jié)果，可使冷熱兩種流體最終達(dá)到相同的出口溫度。電廠中的除氧器、噴水減溫器、冷卻水塔等都屬于這類換熱器。換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過熱度比較高時其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們在后面介紹水蒸氣性質(zhì)時會有認(rèn)識的，可見理想氣體與實(shí)際氣體沒有明顯界限，在什么情況下應(yīng)視為何種氣體，要根據(jù)工程計算所允許的誤差范圍而定。混合式換熱器傳熱速度快，傳熱效率高，設(shè)備簡單，但當(dāng)不允許冷熱兩種流體直接混合時，就不能使用，所以其應(yīng)用范圍受到一定限制。表面式換熱器03換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過熱度比較高時其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們在后面介紹水蒸氣性質(zhì)時會有認(rèn)識的，可見理想氣體與實(shí)際氣體沒有明顯界限，在什么情況下應(yīng)視為何種氣體，要根據(jù)工程計算所允許的誤差范圍而定。在表面式換熱器中，冷熱流體被壁面隔開，分別在壁面兩側(cè)流動，在換熱過程中兩種流體互不接觸，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鬟f給冷流體。換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過熱度比較高時其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們在后面介紹水蒸氣性質(zhì)時會有認(rèn)識的，可見理想氣體與實(shí)際氣體沒有明顯界限，在什么情況下應(yīng)視為何種氣體，要根據(jù)工程計算所允許的誤差范圍而定。由于表面式換熱器具有冷熱流體互不摻混的特點(diǎn)，對流體適應(yīng)性較強(qiáng)，又沒有傳動機(jī)構(gòu)，使用、維修、密封都較方便，因而應(yīng)用最為廣泛。發(fā)電廠中的換熱設(shè)備大多是表面式換熱器。如過熱器、再熱器、省煤器。換熱器的分類(1)套管式換熱器這種換熱器沒有大直徑的外殼，承壓能力強(qiáng)，可作為高壓流體的熱交換器，且使用、安裝的靈活性較大，清洗容易，但其換熱量較少，且占地面積大。換熱器的分類(2)殼管式換熱器這是表面式換熱器的主要形式，應(yīng)用最為廣泛，電廠中的冷油器、凝汽器等都屬于殼管式換熱器。殼管式換熱器結(jié)構(gòu)堅固，易于制造，適應(yīng)性強(qiáng)，便于清洗，高溫高壓場合下均可應(yīng)用。但因其傳熱系數(shù)低，以致體積較大，顯得笨重。換熱器的分類(3)肋管式換熱器這種換熱器在管外加有肋片，以減少管外熱阻，使換熱得到強(qiáng)化。換熱器的分類(4)板式換熱器這類換熱器以板作傳熱表面，由于流體沿板流動的換熱系數(shù)較小，通常在板上加翅片或設(shè)法使流體受到擾動來強(qiáng)化傳熱，故也常稱為板翅式換熱器和螺旋板式換熱器。平均傳熱溫差平均傳熱溫差在換熱器中，由于冷熱流體不斷通過固體壁進(jìn)行熱量交換，因此，除了流體發(fā)生相變時會保持溫度不變外，換熱器中熱流體的溫度從入口到出口總是沿程降低，冷流體的溫度從入口到出口總是沿程升高，即冷熱流體沿?fù)Q熱面流動時溫度是不斷發(fā)生變化的，在換熱器不同位置冷熱流體的傳熱溫差是不同的。下面我們來討論換熱器內(nèi)流體的溫度分布和換熱器傳熱溫差的確定。順流和逆流時流體的溫度分布01平均傳熱溫差的確定02目

錄Content01順流和逆流時流體的溫度分布平均傳熱溫差順流和逆流時流體溫度的沿程變化平均傳熱溫差當(dāng)實(shí)際氣體的溫度較高、壓力較低時，氣體的比體積比較大，這時就可以忽略分子本身體積及分子之間的相互作用力，作為理想氣體來處理。

（2）順流時，冷熱流體的出口集中在換熱器的同一端，冷流體的出口溫度受到熱流體出口溫度的限制，

總是低于

；逆流時，冷熱流體的出口分別在換熱器的兩端，若傳熱面足夠大，則冷流體的出口溫度

可高于熱流體的出口溫度

。（3）在進(jìn)出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫差大于順流的平均溫差，平均傳熱溫差

從改善傳熱面的工作條件出發(fā)，有時應(yīng)放棄逆流方式在傳熱方面的優(yōu)點(diǎn)，改用順流或其他流動方式。例如，火力發(fā)電廠中的過熱器低溫段布置成逆流而高溫段布置成順流。平均傳熱溫差（5）若換熱器的冷熱流體中有一種發(fā)生相變，則發(fā)生相變的流體在整個換熱面上溫度始終為飽和溫度（如冷凝器和蒸發(fā)器），溫度分布為一條水平線，如圖所示而另一種流體這時或被加熱、或被冷卻，此時采用順流和逆流的平均傳熱溫差相同。平均傳熱溫差確定02平均傳熱溫差1.純順流和純逆流時的平均傳熱溫差由于該平均傳熱溫差中含有對數(shù)，故又稱作對數(shù)平均傳熱溫差。上式中順流與逆流流動布置不同，則兩端傳熱溫差的表示不同，計算的平均傳熱溫差不同。平均傳熱溫差2.復(fù)雜流動的平均傳熱溫差修正系數(shù)ψ除與流動方式有關(guān)外，還與輔助量P和R有關(guān)。P、R定義如下：ψ值實(shí)際上表示的是特定流動型式在給定工況下接近純逆流的程度。ψ值越大，說明該換熱器的流動方式越接近純逆流。換熱器計算換熱器計算方程式01換熱器計算分類02目

錄Content01換熱器計算方程式換熱器計算熱平衡方程式反映了冷熱流體吸收與放出熱量的平衡關(guān)系。根據(jù)能量守恒定律，在換熱器無熱損失的情況下，換熱器中冷流體吸收的熱量應(yīng)等于熱流體放出的熱量。

換熱器計算換熱方程式規(guī)定說明：1、在參數(shù)表示中：下角標(biāo)1、2分別表示熱、冷流體，上角標(biāo)‘、“表示進(jìn)口流體與出口流體。

2、冷、熱流體的質(zhì)量流量及比熱容在整個換熱面上是常量；

3、傳熱系數(shù)不變；

4、換熱器無散熱損失；換熱器計算熱流體放出的熱量為冷流體吸收的熱量為傳熱方程式

02換熱器計算分類換熱器計算換熱器的傳熱計算，根據(jù)目的不同分為兩種類型，一類是設(shè)計計算，一類是校核計算。換熱器計算的方法有兩種，即對數(shù)平均溫差法（LMTD法）和效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）換熱器的設(shè)計計算是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)給定的要求和參數(shù)（流體種類、qm1c1、qm2c2和四個進(jìn)出口溫度中的三個），設(shè)計一臺新的換熱器。為此需要確定換熱器的型式、傳熱面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)（殼管式換熱器的管長、管程數(shù)、每管程管根數(shù)等）。1.設(shè)計計算換熱器計算設(shè)計計算通常采用對數(shù)平均溫差法，基本步驟如下：（1）根據(jù)給定的條件，初步確定換熱器類型。（2）由熱平衡方程求出四個進(jìn)出口溫度中的未知溫度。（3）根據(jù)換熱器型式計算平均傳熱溫差△tm，應(yīng)盡量使ψ≥0.9。（4）初步布置換熱面，計算相應(yīng)的傳熱系數(shù)K。（5）根據(jù)傳熱方程計算傳熱面積A。（6）根據(jù)允許的流速計算所需管長、管子根數(shù)等。（7）用流體力學(xué)知識計算換熱面兩側(cè)的流動阻力ΔP，若ΔP太大，則應(yīng)修改設(shè)計方案重新計算。換熱器計算校核計算是對現(xiàn)有的換熱器，在非設(shè)計工況下校核它是否能滿足預(yù)定的換熱要求。通常已知換熱器型式及換熱面積A、流體種類、qm1c1、qm2c2及流體的進(jìn)口溫度，需要校核流體的出口溫度和換熱量是否滿足要求。2.校核計算校核計算時，由于兩種流體的出口溫度均未知，平均傳熱溫差及換熱量都無法直接確定，且物性參數(shù)也無法查取，因而需要先假設(shè)一種流體的出口溫度進(jìn)行試算，然后再校核其誤差是否在允許范圍內(nèi)，若誤差太大則需用逐次逼近的迭代法重新假設(shè)計算。換熱器計算液態(tài)居中，因此當(dāng)氣體離液態(tài)區(qū)越遠(yuǎn)，分子間距越大分子間作用力越小，就可以看做理想氣體。

鍋爐受熱面的傳熱分析受熱面的組成及工作環(huán)境01受熱面?zhèn)鳠徇^程的特點(diǎn)02目

錄Content各受熱面?zhèn)鳠徇^程0301受熱面的組成及工作環(huán)境鍋爐受熱面的傳熱分析1-水冷壁；2-前屏過熱器；3-后屏過熱器；4-高溫過熱器；5-低溫過熱器；6-高溫再熱器；7-低溫再熱器；8-省煤器；9-空氣預(yù)熱器鍋爐受熱面的傳熱分析在煙氣側(cè)，冷空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后送入爐膛，在爐膛內(nèi)，燃料與熱空氣混合燃燒后生成高溫?zé)煔?，?jīng)水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等設(shè)備依次放熱冷卻后排出爐外。在工質(zhì)側(cè)，給水經(jīng)省煤器加熱后送入汽包，由汽包經(jīng)下降管到爐膛底部的下聯(lián)箱，再經(jīng)水冷壁加熱生成飽和蒸汽重新進(jìn)入汽包，汽包里的飽和蒸汽被依次引入屏式過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器后，送入汽輪機(jī)高壓缸，高壓缸的排汽又送入鍋爐再熱器加熱，然后送入汽輪機(jī)中壓缸?？諝饨?jīng)空氣預(yù)熱器加熱后，一部分送入制粉系統(tǒng)干燥并輸送煤粉，另一部分送入鍋爐爐膛助燃。02各受熱面?zhèn)鳠徇^程的特點(diǎn)鍋爐受熱面的傳熱分析

(1)由于布置的位置不同，換熱方式各不相同。水冷壁、屏式過熱器主要以輻射換熱為主，也稱輻射式受熱面；高、低溫過熱器、再熱器，輻射和對流都有明顯作用，也稱半輻射式受熱面；而省煤器和空氣預(yù)熱器，因煙氣溫度較低，流速較高，則以對流為主，也稱對流受熱面。(2)各換熱器熱負(fù)荷的數(shù)值相差較大，爐膛的熱負(fù)荷最高，一般在104W/m2的數(shù)量級，空氣預(yù)熱器的最小，一般(1200~2300)W/m2。為了保證受熱面的安全，布置在爐膛內(nèi)的輻射式、半輻射式受熱面，均采用較高的質(zhì)量流速。鍋爐受熱面的傳熱分析(3)各換熱器采用不同流動型式。空氣預(yù)熱器、省煤器為了提高冷空氣、給水的溫度，總流布置成逆流。低溫過熱器與再熱器為了減少換熱器體積，節(jié)省金屬材料，也采用逆流布置。但超高壓鍋爐高溫過熱器采用的是低溫段逆流、高溫段順流的綜合布置，這主要是因?yàn)楦邷囟尾贾迷跓煔鉁囟容^高的地方，從安全運(yùn)行的角度出發(fā)，蒸汽出口處的管壁溫度不能超出材料的承受能力，采用順流，可避開冷熱流體的最高溫度集中在換熱器的同一端。鍋爐受熱面的傳熱分析

(4)各換熱器平均溫差都較大。水冷壁內(nèi)工質(zhì)平均溫度約343℃，火焰平均溫度超過1200℃，溫差較大，平均溫差較小的省煤器也超過150℃。為了受熱面安全，大型機(jī)組燃燒器附近的水冷壁常采用內(nèi)螺紋管。(5)各換熱器傳熱系數(shù)都不大。從表中可以看出，傳熱系數(shù)最低的是空氣預(yù)熱器，K值約20W/(m2·℃)，最高的是低溫省煤器，K值不超過85W/(m2·℃)，其余受熱面的傳熱系數(shù)介于這二者之間。03各受熱面?zhèn)鳠徇^程鍋爐受熱面的傳熱分析1.水冷壁的傳熱過程水冷壁的基本作用為：吸收爐膛內(nèi)火焰的熱量，保護(hù)鍋爐爐墻。鍋爐受熱面的傳熱分析2.過熱器的傳熱過程按照傳熱方式，過熱器可分為輻射、半輻射及對流三種型式，過熱器的蒸汽高溫段采用對流式，低溫及中溫段采用輻射或半輻射。鍋爐受熱面的傳熱分析液態(tài)居中，因此當(dāng)氣體離液態(tài)區(qū)越遠(yuǎn)，分子間距越大分子間作用力越小，就可以看做理想氣體。煙氣側(cè)的復(fù)合換熱，對于輻射式過熱器簡化為輻射換熱方式，對于對流式過熱器簡化為對流換熱方式，對于半輻射式過熱器則對流換熱和輻射換熱均要考慮。鍋爐受熱面的傳熱分析3.再熱器的傳熱過程再熱器實(shí)際上就是一種中壓過熱器，其工作原理與過熱器是相同的。與過熱器相比，再熱蒸汽壓力低，蒸汽比容大，密度小，放熱系數(shù)比過熱蒸汽小得多。再熱蒸汽對管壁的冷卻能力差，管壁溫度超過管中蒸汽溫度的程度大于過熱蒸汽。煙氣側(cè)的復(fù)合換熱，對于輻射式再熱器簡化為輻射換熱方式，對于對流式再熱器簡化為對流換熱方式，對于半輻射式再熱器則對流換熱和輻射換熱均要考慮。鍋爐受熱面的傳熱分析4.省煤器的傳熱過程省煤器布置在鍋爐尾部煙道，利用鍋爐煙溫較低的尾部煙氣的熱量加熱鍋爐給水。省煤器多臥式布置在尾部煙道中，利用水在蛇形管內(nèi)自下而上流動，煙氣在管外自上而下橫向沖刷管壁，以實(shí)現(xiàn)煙氣與給水之間的熱量交換。鍋爐受熱面的傳熱分析5.空氣預(yù)熱器的傳熱過程空氣預(yù)熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量來加熱燃燒所需空氣的一種熱交換裝置。凝汽器的傳熱分析凝汽器的傳熱分析凝汽器的主要功能是在汽輪機(jī)的排汽部分建立一個較低的背壓，使蒸汽能最大限度地做功，并接受汽輪機(jī)排汽使之冷卻成凝結(jié)水。凝汽器利用水或空氣作為冷卻工質(zhì)，直接或間接同蒸汽接觸，將蒸汽凝結(jié)成水。凝汽器的傳熱分析01凝汽器傳熱的強(qiáng)化02目

錄Content01凝汽器的傳熱分析凝汽器的傳熱分析目前大多數(shù)發(fā)電機(jī)組采用表面式凝汽器。表面式凝汽器中汽輪機(jī)排汽在冷卻表面一側(cè)凝結(jié)，而冷卻工質(zhì)在冷卻表面另一側(cè)流動，互不接觸。一般表面式凝汽器以水為冷卻介質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，能建立高真空，且能保持凝結(jié)水潔凈；缺點(diǎn)是消耗大量有色金屬，制造成本高。凝汽器的傳熱分析若考慮污垢的產(chǎn)生，表面式凝汽器傳熱過程包含以下五個環(huán)節(jié)：總熱阻包括管外表面上蒸汽凝結(jié)換熱熱阻、銅或不銹鋼管壁的導(dǎo)熱熱阻、管內(nèi)冷卻水的對流換熱熱阻、管內(nèi)外表面的污垢熱阻幾部分。凝汽器的傳熱分析凝汽器運(yùn)行一段時間后，換熱面上會積起水垢、污泥、油污之類的覆蓋物垢層，有時還由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起覆蓋物垢層。所有這些覆蓋物都