热交换器计算及设计 (含锅炉设计计算)
教师：王勤辉/余春江 2015年3月
课程信息
教材：《锅炉原理》第二版，周强泰主编， 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：87953129 [email protected] [email protected]
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） 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。。
热交换器在工业生产中极为普遍
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
a. b. c. d. e. f. g.
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，但是冷热流体 的混合使应用受限制。
气体冷却塔
热水加热
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。
蓄热换热器
蓄热室原理
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
板式换热器流向示意图
板式
夹套换热器
螺旋板
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、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
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％
管壳式换热器内的构成
◎ 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。
◎ 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，传热系数↑。
双管程固定管板换热器
传热面积：
A双 A单 d o Ln
S单
流通截面积：
4
di n
2
1 S 双 S单 2
说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi ↑，强化传热
。
折流挡板 作用：提高壳程流体湍动程度(Re>100 湍流)，ho，强化传热。 冲刷沉积物，减小污垢热阻； 对壳体起支撑作用。
代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。
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。
弓形
圆盘形
a）固定管板式换热器
固定管板式 浮头式 U形管式
优点：* 结构简单，成本低； 局限： 管、壳温度不同，产生热应力，当Δt＞50℃时，管弯曲、断裂或管板变 形。 壳程不易机械清洗；
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。
带膨胀节的固定管板换热器
b）浮头式换热器
一端可以沿轴向自由浮动
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。
c）U形管式换热器
结构:
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。
热交换器设计计算内容
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 必须改变热交换器的某些尺寸，或者改变 流速等等。
强度计算内容
计算热交换器各部件尤其是受压部件（如 壳体）的应力大小，检查其强度是否在允 许范围内，对于高温高压下工作的热交换 器，这一点尤为重要。在考虑强度时应该 尽量采用我国生产的标准材料和部件，按 照国家压力容器安全技术规定进行计算或 校核
热交换器热力计算基本原理
设计性热力计算
目的在于决定热交换器的传热面积。当然同样 大小的传热面积可以采用不同的结构尺寸，另 外结构尺寸也影响热力计算的过程，实际上这 种热力计算必须与结构计算交叉进行 针对现成的热交换器，目的在于确定流体的出 口温度，并了解该换热器在各种工况下的性能 变化，判断能否完成非设计工况下的换热任务
校核性热力计算
热交换器热力计算核心参数
传热面积 ＆传热量 热流体出 冷流体入 口温度 口温度
热流体入 口温度
冷流体出 口温度
热力计算的核心在于寻找上面五个物理量之间的关系
换热器设计基本关系式
(以间壁式为例)
传热方程式
Q ktdF
0 F
Q：热负荷w k：换热器换热面上任一微元处的传热系数w / m 2 C t：微元处两种流体温差 C
简化计算：
Q KFt m Q：热负荷w K：整个换热面上平均传热系数w / m 2 C t m：两种流体平均温差 C
换热器设计基本关系式
热平衡方程式
" ' Q M 1 (i1' i1" ) M 2 (i2 i2 )
Q：热负荷w M：质量流量kg / s i：流体焓值j / kg
" ' M 1 (i1' i1" ) M 2 (i2 i2 ) Ql
上标： ' 进口 "出口 下标： 1 热流体 2冷流体
Ql：热损失 简化计算： M 1 (i1' i1" )可以在无相变时写成M1 " C1dt1
t t'
如果采用工程中常用的一定温度范围内的平均比热c1则 M1c1 (t1' t1" ) M1c1t1
M1c1可定义为热容量W，代表流体每改变一度所需热量。
平均温差
对于最简单的平行流动有(纵坐标温度，横坐标表示传热面积)
t1
t2 冷凝 t1 t 2’ 冷凝 t 2” 吸热
沸腾
相变的发生与否影响平行流动传热温差
t 1’
放热 t 1” t2 沸腾
平均温差
对于最简单的平行流动有(纵坐标温度，横坐标表示传热面积)
t 1’ t 1’ 放热 吸热 无相变顺流情况 t1 ’ t 2” 吸热 一种流体有相变 逆流情况 过热 t 1” t 2” 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’ t 1’ t 2” 吸热 部分可凝流 体的冷凝 t 1” t 2’
t 2’
无相变逆流情况
t 1’
冷凝
过冷
t 1” t” t2’ 2 过热
放热 沸腾 吸热
t 1”
t 2’
一种流体有相变 逆流情况
一般情况下，两种流体之间的传热温差在 热交换器内是处处不等的，所谓平均温差 指整个换热器各处温差的平均值。
应用不同的平均方法，有不同的名称，例 如算术平均温差、对数平均温差、积分平 均温差等
对数平均温差
在传热学里针对顺流、逆流导出 理论推导的假设
两种流体的质量流量和比热在整个传热面上保 持定值 传热系数在整个传热面上不变 热交换器没有热损失 沿管子的轴向导热可以忽略 同一种流体从进口到出口的流动过程中，不能 既有相变又有单相对流换热
在满足上述条件下
传热温差沿传热面的变化规律可导出如下
t x t e t t e
"
' KFx "
t 1’
放热
t 1” t 2”
当Fx F时，t x t
' KF
t2
’
吸 热
无相变顺流情况
t 1’ 放热
上式中Δt’ΔtxΔt”分别为流体在传热面的开始 t 1’ F＝0、中间某处F＝x以及终端 F＝F处的温差。
1 1 W1 W2
t2 ”
吸
热
t 1”
t 2’
常数公式中正号用于顺流，负号用于逆流
无相变逆流情况
顺流条件下
无论W1、W2的值，总有>0，温差Δt总是不断降低
逆流条件下
W10，此时温差Δt沿热流体从进口到出口 的方向上总是不断降低 W1>W2时，总有
根据传热学推导，对于下面的温差变化
t x t e
' KFx
可以导出对于顺流逆流均可以适用的平均温差计算公 式，就是所谓的对数平均温差，记为Δtm 对数平均温差逆流计为Δtlm或者LMTD
t max t min t " t ' t m tlm " t max t ln ln ' tmin t
对于对数温差，如果流体的温度沿传热面 变化不大Δtmax
放热
t 1” t2 沸腾 t 2’ t1 冷凝 t 2” 吸热
t 1’ t 2”
t1
’
过热
冷凝 吸热
过冷 t 1” t 2’
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
顺逆流是理论上最简 单的流动方式，工程 应用上往往由于需要 传递大量的热而又受 到空间的限制，需要 采取多流程、错流以 及更为复杂方式流动 的换热器
混合流＆非混合流
错流中在垂直与流动的方向上能不能自由运动是 判断是否是混合流的标准
错流式换热器中，非混合流的温度在流动方向上 和垂直与流动的方向上都是变化的
平均温差法
对于错流＆混流流动的计算非常复杂，在 附加简化条件后可以导出繁复的数学表达 式。工程上不适用。
通常将这些流动方式的流体进出口温度先 按照逆流算出对数平均温差，然后乘上考 虑因其流动方式不同与逆流而引入的修正 系数Ψ，即Δtm=ΨΔtlm.c
Ψ的求取
按照逆流算出对数平均温差如下：
' " ' (t1 t 2 ) (t1" t 2 ) ( R 1) (t 2 t2 ) t lm.c ' " (1 P) (t1 t 2 ) ln ln " ' (1 PR ) (t1 t 2 ) ' "
tlm.c
设辅助参数
' t2 t2 冷流体的升温 p ' ' t1 t 2 两流体的进口温差 "
R
t1 t 热流体的降温 " 冷流体的升温 t2 t
" 1 ' 2
'
P代表冷流体的实际 升温（吸热量）与 最大可能吸热量之 比，称为温度效率， 恒小于1。 R是冷流体和热流体 的热容量之比
对于特定的流动形式，Ψ=f(P,R) 函数形 式因流动方式而异。
Ψ函数形式求取实例
热流体在管外一个流程，冷流体在管内先逆后顺两个流程型热 交换器 附加条件：
管外流体横向充分混合 管内两流程面积相等
联立热平衡方程和传热方程，由于已经假设换热系数恒定，流体热容
量无变化，可以通过换热量解得精确的平均温度Δtm
t m ln
" ' 2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 ) ' " " ' 2 t1' t1" t 2 t2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 ) ' " " ' 2 t1' t1" t 2 t2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 )
代入P.R后 t m ln R2 1 2 P (1 R ) R 1
2
(t t )
" 2 ' 2
2 P(1 R ) R 2 1 1 P ln R2 1 1 PR R 1 2 P(1 R R 2 1) ln 2 P(1 R R 2 1)
型Ψ函数线算图
其他类型Ψ函数线算图
流体比热或传热系数变化对温差影响
流体比热不变，则温度的 变化与热量的吸放量成正 比线性关系 实际上比热一般随着温度 变化而变化，呈非线性关 系 如果在换热器工作范围内， 比热随温度显著变化时， 对数平均温差推出的条件 不能满足，误差变大 此时用积分平均温差计算
积分平均温差
出发点：虽然流体比热在整个温度范围内变化， 但是若把温度分为若干小区域，每个小段内的比 热变化并不大时，就可以把比热当作常数处理。 在每一个小段中的传热温差可采用对数或者算术 平均温差 该思路也可用于发生相变的热交换过程，一种流 体处于冷凝、过冷，或者加热并沸腾、过热时， 相当于比热发生剧烈变化的情况，可以分段处理。 如果流体是可凝气体与不凝气体的混合物，也就 是说放出的热量和温度的变化不成比例，此时分 段计算平均温差的思路依然可行
传热系数的影响
对数传热温差的推导中应用了传热系数不 变的条件，实际在整个传热过程中它也是 变化的
但是工程中大多数情况下由于物性变化不 大，反映到传热系数上变化更小，所以一 般工程计算中可以把热交换器各部分的传 热系数视为常数。若确实变化较大，分段 计算的思路依然可用
传热有效度法的提出
利用平均温差和Ψ对换热器进行设计计算是比较 方便的，两种流体的进出口温度已知。温差可以 直接求得。但是对于校核性工作，流体出口温度 未知，此时需要大量的试算迭代，不方便。 利用P，R值查线算图时，有时存在Ψ=f(P,R)函数 在某些范围内dΨ/dP值很大，P稍有偏差，Ψ相差 很多。 针对这些问题提出了传热有效度－传热单元数的 方法，简称NTU法。
传热有效度定义
对一个换热器提出最大可能传热量Qmax的概念，Qmax 是指一个面积为无穷大且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 在这个虚拟热交换器中，热流体可以被冷却到 t2’(冷流体进口温度)或者冷流体被加热到t1’(热 流体进口温度)，由于两种流体中只有
热容量较小的 那种才有可能达到最大温度变化 实际传热量和Qmax之比称为传热有效度ε
最大可能传热量可表达为： Qmax=Wmin(t1’-t2’) 实际传热量和Qmax之比称为传热有效度ε 如果W1是Wmin，就是如下左图， ε＝(t1’-t1”)/(t1’-t2’) 如果W2是Wmin，就是如下右图， ε＝(t2”-t2’)/(t1’-t2’) 可以统一写成ε＝δtmax/(t1’-t2’),是无量纲小于1数 如果知道传热有效系数和两种流体的入口温度，可以很容易 得到热交换器的实际换热量，从而得到其他各参数。
t 1’ 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’
t 1’ 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’
逆流情况
引入了ε后，校核换热器的任务就归结到求ε上 对于顺流情况可以理论推导得到
将KF/Wmin定义为传热单元数NTU,它代表热交换器 传热能力的大小，同时定义Rc=W1/W2,则顺流时
顺流时 ε＝Ф（NTU,Rc）
逆流时 ε＝Ф（NTU,Rc）
型热交换器 ε＝Ф（NTU,Rc）
传热有效度法小结
平均温差法和传热有效度法推出的基础一 样，都是热平衡和传热方程，无本质区别， 只是整理成不同的线算图而已。 同样的传热单元数，逆流的ε总是要大于 顺流的，且随着NTU增大而增大； 应用传热有效度法时注意，在顺流中ε随 着NTU增大到一定程度后趋于定值，所以设 计时需注意，ε达到一定程度后没必要增 加传热单元数。
热交换器热力计算方法比较
设计计算和校核计算的基础都是传热方程和热平 衡方程，二个方程，共有7个基础量：KF、W1、 W2和4个温度，必须知道5个才封闭 平均温差法和有效传热度法本质相同、结果相同， 但是解决问题步骤不同。 对于设计计算两种方法繁简程度类似，但是采用 平均温差法时可以通过Ψ的大小判断和标准逆流 之间的差距，有利于流动形式的比较 在校核计算时，两种方法都要试算，但是有时K可 以套用经验数据，此时传热单元法更方便些
换热器流动方式选择
给定温度状况下，尽量获得较大的平均温差，以 减少传热面积，降低金属消耗量 使流体本身的温度变化值尽可能大，使流体的热 量得到合理利用，减少损失，也节省风机泵的消 耗和投资 尽可能使传热面的温度比较均匀，并使之工作在 较低温度下，以便选材 争取获得较高的传热系数，同样可以减小传热面 积 以上各点往往互相矛盾，需要通盘考虑，综合权衡
顺流和逆流
在进出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流 的平均温差最小，其他流动方式介于两种情况之间。 逆流时冷流体出口温度可能高于热流体出口温度，顺流时 冷流体出口一定低于热流体出口，所以逆流时流体的温
度 变化值较大，可以使流体消耗量显著减少。 但是一味增加流体温度变化幅度会降低温差，如果热负荷 一定，则需要增加换热面积，增加金属的耗量 逆流从热工角度看一定比顺流有利，但是两种流体的最高 温区发生在同一端，会使该端的金属壁温较高，且逆流温 降大，使传热面在长度方向不均匀性增加，热应力增加， 这些会对换热器的制造带来不不利影响
t 1’ t2
’
放热 t 1” · 吸热 无相变顺流情况 t 2”
t 1’
放热 t 2”
吸热 无相变逆流情况
t 1” t 2’
END
热交换器计算及设计 (含锅炉设计计算)
教师：王勤辉/余春江 2015年3月
课程信息
教材：《锅炉原理》第二版，周强泰主编， 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：87953129 [email protected] [email protected]
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） 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。。
热交换器在工业生产中极为普遍
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
a. b. c. d. e. f. g.
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，但是冷热流体 的混合使应用受限制。
气体冷却塔
热水加热
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。
蓄热换热器
蓄热室原理
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
板式换热器流向示意图
板式
夹套换热器
螺旋板
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、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
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％
管壳式换热器内的构成
◎ 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。
◎ 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，传热系数↑。
双管程固定管板换热器
传热面积：
A双 A单 d o Ln
S单
流通截面积：
4
di n
2
1 S 双 S单 2
说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi ↑，强化传热
。
折流挡板 作用：提高壳程流体湍动程度(Re>100 湍流)，ho，强化传热。 冲刷沉积物，减小污垢热阻； 对壳体起支撑作用。
代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。
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。
弓形
圆盘形
a）固定管板式换热器
固定管板式 浮头式 U形管式
优点：* 结构简单，成本低； 局限： 管、壳温度不同，产生热应力，当Δt＞50℃时，管弯曲、断裂或管板变 形。 壳程不易机械清洗；
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。
带膨胀节的固定管板换热器
b）浮头式换热器
一端可以沿轴向自由浮动
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。
c）U形管式换热器
结构:
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。
热交换器设计计算内容
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 必须改变热交换器的某些尺寸，或者改变 流速等等。
强度计算内容
计算热交换器各部件尤其是受压部件（如 壳体）的应力大小，检查其强度是否在允 许范围内，对于高温高压下工作的热交换 器，这一点尤为重要。在考虑强度时应该 尽量采用我国生产的标准材料和部件，按 照国家压力容器安全技术规定进行计算或 校核
热交换器热力计算基本原理
设计性热力计算
目的在于决定热交换器的传热面积。当然同样 大小的传热面积可以采用不同的结构尺寸，另 外结构尺寸也影响热力计算的过程，实际上这 种热力计算必须与结构计算交叉进行 针对现成的热交换器，目的在于确定流体的出 口温度，并了解该换热器在各种工况下的性能 变化，判断能否完成非设计工况下的换热任务
校核性热力计算
热交换器热力计算核心参数
传热面积 ＆传热量 热流体出 冷流体入 口温度 口温度
热流体入 口温度
冷流体出 口温度
热力计算的核心在于寻找上面五个物理量之间的关系
换热器设计基本关系式
(以间壁式为例)
传热方程式
Q ktdF
0 F
Q：热负荷w k：换热器换热面上任一微元处的传热系数w / m 2 C t：微元处两种流体温差 C
简化计算：
Q KFt m Q：热负荷w K：整个换热面上平均传热系数w / m 2 C t m：两种流体平均温差 C
换热器设计基本关系式
热平衡方程式
" ' Q M 1 (i1' i1" ) M 2 (i2 i2 )
Q：热负荷w M：质量流量kg / s i：流体焓值j / kg
" ' M 1 (i1' i1" ) M 2 (i2 i2 ) Ql
上标： ' 进口 "出口 下标： 1 热流体 2冷流体
Ql：热损失 简化计算： M 1 (i1' i1" )可以在无相变时写成M1 " C1dt1
t t'
如果采用工程中常用的一定温度范围内的平均比热c1则 M1c1 (t1' t1" ) M1c1t1
M1c1可定义为热容量W，代表流体每改变一度所需热量。
平均温差
对于最简单的平行流动有(纵坐标温度，横坐标表示传热面积)
t1
t2 冷凝 t1 t 2’ 冷凝 t 2” 吸热
沸腾
相变的发生与否影响平行流动传热温差
t 1’
放热 t 1” t2 沸腾
平均温差
对于最简单的平行流动有(纵坐标温度，横坐标表示传热面积)
t 1’ t 1’ 放热 吸热 无相变顺流情况 t1 ’ t 2” 吸热 一种流体有相变 逆流情况 过热 t 1” t 2” 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’ t 1’ t 2” 吸热 部分可凝流 体的冷凝 t 1” t 2’
t 2’
无相变逆流情况
t 1’
冷凝
过冷
t 1” t” t2’ 2 过热
放热 沸腾 吸热
t 1”
t 2’
一种流体有相变 逆流情况
一般情况下，两种流体之间的传热温差在 热交换器内是处处不等的，所谓平均温差 指整个换热器各处温差的平均值。
应用不同的平均方法，有不同的名称，例 如算术平均温差、对数平均温差、积分平 均温差等
对数平均温差
在传热学里针对顺流、逆流导出 理论推导的假设
两种流体的质量流量和比热在整个传热面上保 持定值 传热系数在整个传热面上不变 热交换器没有热损失 沿管子的轴向导热可以忽略 同一种流体从进口到出口的流动过程中，不能 既有相变又有单相对流换热
在满足上述条件下
传热温差沿传热面的变化规律可导出如下
t x t e t t e
"
' KFx "
t 1’
放热
t 1” t 2”
当Fx F时，t x t
' KF
t2
’
吸 热
无相变顺流情况
t 1’ 放热
上式中Δt’ΔtxΔt”分别为流体在传热面的开始 t 1’ F＝0、中间某处F＝x以及终端 F＝F处的温差。
1 1 W1 W2
t2 ”
吸
热
t 1”
t 2’
常数公式中正号用于顺流，负号用于逆流
无相变逆流情况
顺流条件下
无论W1、W2的值，总有>0，温差Δt总是不断降低
逆流条件下
W10，此时温差Δt沿热流体从进口到出口 的方向上总是不断降低 W1>W2时，总有
根据传热学推导，对于下面的温差变化
t x t e
' KFx
可以导出对于顺流逆流均可以适用的平均温差计算公 式，就是所谓的对数平均温差，记为Δtm 对数平均温差逆流计为Δtlm或者LMTD
t max t min t " t ' t m tlm " t max t ln ln ' tmin t
对于对数温差，如果流体的温度沿传热面 变化不大Δtmax
放热
t 1” t2 沸腾 t 2’ t1 冷凝 t 2” 吸热
t 1’ t 2”
t1
’
过热
冷凝 吸热
过冷 t 1” t 2’
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
顺逆流是理论上最简 单的流动方式，工程 应用上往往由于需要 传递大量的热而又受 到空间的限制，需要 采取多流程、错流以 及更为复杂方式流动 的换热器
混合流＆非混合流
错流中在垂直与流动的方向上能不能自由运动是 判断是否是混合流的标准
错流式换热器中，非混合流的温度在流动方向上 和垂直与流动的方向上都是变化的
平均温差法
对于错流＆混流流动的计算非常复杂，在 附加简化条件后可以导出繁复的数学表达 式。工程上不适用。
通常将这些流动方式的流体进出口温度先 按照逆流算出对数平均温差，然后乘上考 虑因其流动方式不同与逆流而引入的修正 系数Ψ，即Δtm=ΨΔtlm.c
Ψ的求取
按照逆流算出对数平均温差如下：
' " ' (t1 t 2 ) (t1" t 2 ) ( R 1) (t 2 t2 ) t lm.c ' " (1 P) (t1 t 2 ) ln ln " ' (1 PR ) (t1 t 2 ) ' "
tlm.c
设辅助参数
' t2 t2 冷流体的升温 p ' ' t1 t 2 两流体的进口温差 "
R
t1 t 热流体的降温 " 冷流体的升温 t2 t
" 1 ' 2
'
P代表冷流体的实际 升温（吸热量）与 最大可能吸热量之 比，称为温度效率， 恒小于1。 R是冷流体和热流体 的热容量之比
对于特定的流动形式，Ψ=f(P,R) 函数形 式因流动方式而异。
Ψ函数形式求取实例
热流体在管外一个流程，冷流体在管内先逆后顺两个流程型热 交换器 附加条件：
管外流体横向充分混合 管内两流程面积相等
联立热平衡方程和传热方程，由于已经假设换热系数恒定，流体热容
量无变化，可以通过换热量解得精确的平均温度Δtm
t m ln
" ' 2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 ) ' " " ' 2 t1' t1" t 2 t2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 ) ' " " ' 2 t1' t1" t 2 t2 (t1' t1" ) 2 (t 2 t2 )
代入P.R后 t m ln R2 1 2 P (1 R ) R 1
2
(t t )
" 2 ' 2
2 P(1 R ) R 2 1 1 P ln R2 1 1 PR R 1 2 P(1 R R 2 1) ln 2 P(1 R R 2 1)
型Ψ函数线算图
其他类型Ψ函数线算图
流体比热或传热系数变化对温差影响
流体比热不变，则温度的 变化与热量的吸放量成正 比线性关系 实际上比热一般随着温度 变化而变化，呈非线性关 系 如果在换热器工作范围内， 比热随温度显著变化时， 对数平均温差推出的条件 不能满足，误差变大 此时用积分平均温差计算
积分平均温差
出发点：虽然流体比热在整个温度范围内变化， 但是若把温度分为若干小区域，每个小段内的比 热变化并不大时，就可以把比热当作常数处理。 在每一个小段中的传热温差可采用对数或者算术 平均温差 该思路也可用于发生相变的热交换过程，一种流 体处于冷凝、过冷，或者加热并沸腾、过热时， 相当于比热发生剧烈变化的情况，可以分段处理。 如果流体是可凝气体与不凝气体的混合物，也就 是说放出的热量和温度的变化不成比例，此时分 段计算平均温差的思路依然可行
传热系数的影响
对数传热温差的推导中应用了传热系数不 变的条件，实际在整个传热过程中它也是 变化的
但是工程中大多数情况下由于物性变化不 大，反映到传热系数上变化更小，所以一 般工程计算中可以把热交换器各部分的传 热系数视为常数。若确实变化较大，分段 计算的思路依然可用
传热有效度法的提出
利用平均温差和Ψ对换热器进行设计计算是比较 方便的，两种流体的进出口温度已知。温差可以 直接求得。但是对于校核性工作，流体出口温度 未知，此时需要大量的试算迭代，不方便。 利用P，R值查线算图时，有时存在Ψ=f(P,R)函数 在某些范围内dΨ/dP值很大，P稍有偏差，Ψ相差 很多。 针对这些问题提出了传热有效度－传热单元数的 方法，简称NTU法。
传热有效度定义
对一个换热器提出最大可能传热量Qmax的概念，Qmax 是指一个面积为无穷大且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 在这个虚拟热交换器中，热流体可以被冷却到 t2’(冷流体进口温度)或者冷流体被加热到t1’(热 流体进口温度)，由于两种流体中只有
热容量较小的 那种才有可能达到最大温度变化 实际传热量和Qmax之比称为传热有效度ε
最大可能传热量可表达为： Qmax=Wmin(t1’-t2’) 实际传热量和Qmax之比称为传热有效度ε 如果W1是Wmin，就是如下左图， ε＝(t1’-t1”)/(t1’-t2’) 如果W2是Wmin，就是如下右图， ε＝(t2”-t2’)/(t1’-t2’) 可以统一写成ε＝δtmax/(t1’-t2’),是无量纲小于1数 如果知道传热有效系数和两种流体的入口温度，可以很容易 得到热交换器的实际换热量，从而得到其他各参数。
t 1’ 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’
t 1’ 放热 t 2” 吸热 t 1” t 2’
逆流情况
引入了ε后，校核换热器的任务就归结到求ε上 对于顺流情况可以理论推导得到
将KF/Wmin定义为传热单元数NTU,它代表热交换器 传热能力的大小，同时定义Rc=W1/W2,则顺流时
顺流时 ε＝Ф（NTU,Rc）
逆流时 ε＝Ф（NTU,Rc）
型热交换器 ε＝Ф（NTU,Rc）
传热有效度法小结
平均温差法和传热有效度法推出的基础一 样，都是热平衡和传热方程，无本质区别， 只是整理成不同的线算图而已。 同样的传热单元数，逆流的ε总是要大于 顺流的，且随着NTU增大而增大； 应用传热有效度法时注意，在顺流中ε随 着NTU增大到一定程度后趋于定值，所以设 计时需注意，ε达到一定程度后没必要增 加传热单元数。
热交换器热力计算方法比较
设计计算和校核计算的基础都是传热方程和热平 衡方程，二个方程，共有7个基础量：KF、W1、 W2和4个温度，必须知道5个才封闭 平均温差法和有效传热度法本质相同、结果相同， 但是解决问题步骤不同。 对于设计计算两种方法繁简程度类似，但是采用 平均温差法时可以通过Ψ的大小判断和标准逆流 之间的差距，有利于流动形式的比较 在校核计算时，两种方法都要试算，但是有时K可 以套用经验数据，此时传热单元法更方便些
换热器流动方式选择
给定温度状况下，尽量获得较大的平均温差，以 减少传热面积，降低金属消耗量 使流体本身的温度变化值尽可能大，使流体的热 量得到合理利用，减少损失，也节省风机泵的消 耗和投资 尽可能使传热面的温度比较均匀，并使之工作在 较低温度下，以便选材 争取获得较高的传热系数，同样可以减小传热面 积 以上各点往往互相矛盾，需要通盘考虑，综合权衡
顺流和逆流
在进出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流 的平均温差最小，其他流动方式介于两种情况之间。 逆流时冷流体出口温度可能高于热流体出口温度，顺流时 冷流体出口一定低于热流体出口，所以逆流时流体的温
度 变化值较大，可以使流体消耗量显著减少。 但是一味增加流体温度变化幅度会降低温差，如果热负荷 一定，则需要增加换热面积，增加金属的耗量 逆流从热工角度看一定比顺流有利，但是两种流体的最高 温区发生在同一端，会使该端的金属壁温较高，且逆流温 降大，使传热面在长度方向不均匀性增加，热应力增加， 这些会对换热器的制造带来不不利影响
t 1’ t2
’
放热 t 1” · 吸热 无相变顺流情况 t 2”
t 1’
放热 t 2”
吸热 无相变逆流情况
t 1” t 2’
END