板翅式换热器

板翅式换热器

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2023年2月28日发(作者：四季童谣)

换热器原理与设计复习纲要

换热器，也称热交换器，用于不同温度的流体之间进行换热的设备。一种流体温度较高，放

出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。

根据热量的传递方式把换热器分为间壁式、混合式和蓄热式等三大类。

间壁式换热器

也称表面式换热器，其中冷热流体被一固定壁面隔开，热量通过壁面传递。如管壳式换热器。

间壁式换热器在工业中应用最为广泛。

混合式换热器

也称直接接触式换热器，其中冷热流体直接接触而进行换热。如采用空气对水直接冷却的冷

却塔。

蓄热式换热器

也称回热式换热器，其中冷热流体交替地与由固体制成的蓄热体接触，当热流体流过时，热

量存储在蓄热体内；而当冷流体流过时，蓄热体则放出热量。如此反复进行，以达到换热的目的。

如电站回转式空气预热器。

管壳式换热器

由多根平行管组成的管束插入一圆筒形壳体内构成。

1)管束：U形管

2)管板：安装换热管。

3)壳体：固定管板，分隔管内空间与管外空间。一种流体从管内流过，另一种流体从壳体

内流过。

4)管箱和隔板：为确保流体按一定顺序流入管内。折流板：保证壳侧流体以足够的速度横

向掠过管外。

套管式换热器由不同直径的两种管子套在一起组成的同心套管。小圆管内流过一种流体，大

圆管内壁与小圆管外壁之间的环形空间内流过另一种流体。

管式换热器

换热面由许多管子按一定方式排列成的管束构成，管子两端连在管板上形成管内和管外两个

分隔的通道。这种换热器通常用于气体的加热或冷却，气体在管外横向流过；另一种流体从管内

流过，为增强气体流过管外的换热，可采用带有翅片的管子。

板翅式换热器

波形翅片夹在两隔板之间，两侧用封条密封组成。把多个这样的单元重叠起来就构成板翅式

换热器。相邻单元分别流过不同温度的流体，通过两侧带有翅片的平板进行热量传递。

设计基本要求

①、满足工艺过程所提出的要求，传热强度高，热损失少，在有利的平均温差下工作。

②、流动阻力小或符合系统要求，以减少换热器运行的动力消耗。

③、工艺结构合理，制造简单，运行可靠，安装、维修方便。

④、设备紧凑，以减少所需的传热面积，保证有较小的外形尺寸和重量。

第二章换热器热工计算的基本原理

两类热工计算：设计性热工计算，确定换热器的传热面积。

校核性热工计算，确定换热流体的出口温度。

传热基本方程：

热平衡方程式：

平均温差的计算公式

传热单元数（NTU）

定义NTU=KF/W

min

，NTU表示换热器换热能力的大小

m

QKFt

0

1FKFkdF

F



''''''

111222

QMiiMii''''''

11112222

QMCttMCtt

maxmin

maxmin

ln(/)m

tt

t

tt







顺流其中：R

c

=W

min

/W

max

相变时，

逆流

例题

2.1在一台螺旋板式换热器中，热水的流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h，热水进口温度

=80C，冷水进口温度，如果要求将冷水加热到°C，试求顺流和逆流时的平均

温差。

解：首先分别画出顺流、逆流布置的温度分布图

在题述温度范围内，水的比热为C

1

=C

2

=4.2kJ/(kg•°C)，先求出热水出口温度

（a）顺流（b）逆流

例题：2.2温度为99°C的热水进入一个逆流热交换器，将4°C的冷水加热到32°C。热水

的流量为9360kg/h，冷水流量为4680kg/h，平均传热系数为830W/(m

2

•°C)，试计算热交换器

的面积和传热有效度。

解：首先分别画出顺流、逆流布置的温度分布图

W

1

=W

max

，W

2

=W

min

R

c

=W

min

/W

max

=4680/9360=0.5

注意：1.换热器中某种流体既有相变又有对流换热时，应分段计算平均温差

2.其它流动形式的平均温差：温度修正系数

3.当热容量W=MC相同时，两条曲线平行

HeatTransfer传热学HeatExchanger换热器Boiler锅炉Economizer省煤器

Conduction导热Convection对流Radiation辐射Superheater过热器

Counterflow逆流parallelflow顺流Crossflow叉流

第三章管壳式换热器

'

1

t'

2

10tC''

2

30t





''''''

11112222

''

1

''

1

20

50C

MCttMCtt

t

t







m

pc

QKFt

QQ





max

801070Ct

max

803050Ct

min

503020Ct

min

501040Ct

maxmin

max

min

7020

33.9C

70

ln

ln

20

m

tt

t

t

t











maxmin

max

min

5040

44.8C

50

ln

ln

40

m

tt

t

t

t











'"

"'

max

22

''''

1212

324

0.295

994

tt

tt

tttt

















1exp(1)

0.38

1exp(1)

c

cc

NTUR

NTU

RNTUR









minmin

4680

0.380.54186

3600

//2.49

830

NTUKFWFNTUWK





,mmc

tt，

1exp(1)

1

c

c

NTUR

R













1exp(1)

1exp(1)

c

cc

NTUR

RNTUR









max

;0

c

WR

管壳式换热器的基本类型

①、固定管板式换热器

②、U形管式换热器

③、浮头式换热器

④、填料函式换热器

固定管板式换热器（管箱、壳体、管板、传热管、折流板、分程隔板）

管箱：组织管侧流体的流动空间

设计时必须保留15%-20%的裕度，防止管子少量破坏时不能使用

结构：管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与壳体固定在一起。

优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管

或更换。

缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。

U形管式换热器

构造：由U字形弯管组成管束，管子两端固定在同一管板上，弯曲端不加固定。

优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。

缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。

适用场合：管内流体清洁、不易结垢，高温、高压、耐腐蚀性。

浮头式换热器

构造：管板一端与壳体以法兰实行固定连接，另一端可相对于壳体滑动。

优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。

缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。

适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。

填料函式换热器

优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。

缺点：填料处易泄漏。

适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料

的物性限制。

换热管的选用

（1）直径

小直径：单位体积传热面积增大、结构紧凑、

金属耗量减少、传热系数提高

阻力大，不便清洗，易结垢堵塞

用于较清洁的流体

大直径：粘性大或污浊的流体

（2）规格

换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值

多为4～6。

（3）结构型式

①、光管

②、翅片管

③、螺旋槽管

④、螺纹管

多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。

（4）材料

由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。

常用方法有：胀管法、焊接法以及胀焊并用法

胀管法：能保证连接的严密性，不易损坏管子，适用于压力、温度都不太高的场合。

焊接法：在高温、高压下能保证连接的严密性，但是在焊接接头处存在热应力，管孔与管子

间的间隙处易产生间隙腐蚀。

胀焊并用法：适用于高温、高压且接头在操作中反复变形，热冲击、热腐蚀个场合。

换热管排列方式

正三角形

三角形排列紧凑，管间流体扰动强烈，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右（可

多排管），同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。

正方形

管间小桥形成一条直线通道，传热性能不如正三角形排列，但流动阻力相对较小，且便于机

械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。

管间距

管间距指两相邻换热管中心的距离。

管间距3d0≥s≥1.25d0

对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离

为0.25d~10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。

分程隔板（改变管侧流体流动状态）

当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。

此时，利用端盖内的分成隔板为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流

过各程管子。

分程原则

①各程换热管数应大致相等；

②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；

③各程间的密封长度应最短；

④分程隔板的形状应简单。

折流板（改变壳侧流体流动状态）

折流板多为圆缺形，一般为壳体内径的75%，相邻折流板之间的距离为0.2~1.0Ds，厚不小于

3mm。

折流板的安装一般用拉杆和定距管组合并与管板固定在一起。

折流板的作用：组织壳侧流道，使达到一定的传热强度，支撑管束，防止管束振动和弯曲。

挡管和旁路挡板

在换热器中，流体的旁流和漏流不仅影响压降，也影响传热，为防止流体短路，设置挡管与

挡板。

挡管：也称假管，为两端堵死的管子，位于分程隔板附近。

挡板：减小管束外环间隙的短路（如U形管的最里层通道），迫使大部分流体通过管束进行热

交换。一般置于壳体内侧与最外层换热管之间。

流体短路：流体未充分流过受热面就流出；

壳体

换热器的壳体是换热管、管板、管箱和折流板等设计的主要依据。

可拆的焊接式

适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力

不大的场合。

为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨

胀差。

管壳式换热器设计内容

选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定

管数、管程数和壳程数。

流动阻力：流体具有粘性，流动时存在内摩擦。流动阻力的大小与流体的物理性质、流动状况以

及壁面的形状等因素有关。换热器中流动阻力包括二部分，即流体与壁面的摩擦阻力；流体在流

动过程中，由于方向改变或速度突然改变所产生的阻力。

管壳式换热器的总体设计

一、流体空间的布置

管侧：

（1）污浊或易产生分解物的流体；

（2）压力高的流体；

（3）有腐蚀性的流体；

（4）温度很高或很低的流体。

壳侧：

（1）比容大的流体；

（2）粘性较大的流体；

（3）换热系数大的流体；

（4）蒸汽。

二、流速的选取

增加流速，换热系数增大，有利于抑制污垢形成，传热面积减小，但提高流速也使流动阻力

增大，且其增加的幅度远超过换热系数的增加幅度。

1.对气体或低粘度的液体，流速选取按达到湍流状态设计；

2.对于高粘度的液体，为不使动力消耗过大，按层流状态设计。

三、管壳式换热器的热补偿采取的方法

1.减小管子与壳体的温差，2.采用膨胀节，3.使管束与壳体均能自由膨胀，4.弹性管板补偿

四、管壳式换热器的防振

1.流体诱发振动的原因

涡流脱落、湍流抖振和流体弹性回转（或称流体弹性不稳定）。

2.防止振动的措施

1）降低壳侧的流速，2）增加管子的固有频率，3）提高声振频率。

看书上P44，例题3.1；

为某一柴油机配备一台滑油冷却器，初步估算所需的传热面并选型

给定条件：3

1

50/Vmh，进冷却器的油温'

1

45tC，冷却水流量3

2

54/Vmh

，进冷却器的

水温'

2

33tC

要求：冷却器出口油温：''

1

40tC

解：（1）传热量Q：''''''

111111

()()()()QMcttVctt

滑油的平均温度'''

11

()/242.5tttC，查物性表得比热容3

1

1.96610/()cJkgC，

密度3

1

874.5/kgm，则

35

50

874.51.96610(4540)1.1910

3600

QW

（2）冷却水出口温度''

2

t：

''''

22222

/()/()ttQMctQVc

查物性表：水的比热容3

2

4.17910/()cJkgC

，密度3

2

994/kgm

。则

''53

2

54

331.1910/9944.1791034.9

3600

tC









（3）平均温差

m

t

m

t=F×LMTD，查相关资料：管壳式换热器的温度修正系数F=0.99

''''''

1212

''''''

1212

()()

8.46

ln()/()

tttt

LMTDC

tttt







0.998.468.37

m

tC

（4）估算传热面积A：

/()

m

AQKt

估计传热系数2K300W/(m)C，

521.1910/(3008.37)47.4Am

从系列产品中选用250m的1-2型管壳式换热器。

第四章螺旋板式换热器

管壳式换热器结构简单，适应性广，但传热效果欠佳，体积大。

高效间壁式换热器：螺旋板式、板式、板翅式、翅片管以及热管式换热器。

基本构造：由螺旋形传热板、隔板、头盖以及连接管等部件构成，分为可拆式和不可拆式。

三种型式

I型两端全部焊牢，冷流体由壳体连接管进入壳体后，沿螺旋通道流至中心，然后从一端面

排出；热流体则从另一端进入中心，沿螺旋通道流至外缘，然后从与壳体相连的另一接管排出。

II型流动方式同I型。通道的两端面交替焊牢，两端各自另加一可拆顶盖密封。

III型螺旋通道由四张金属板卷制而成，一通道两端全部焊牢，一侧流体由外缘旋转至中心，

然后再由中心旋转至外缘排出；另一侧流体仅作轴向流动。轴向流动通道截面积较螺旋通道大得

多，适用于流量相差较大的场合。

结构特点及高效换热的原因

传热性能好流体在螺旋通道内流动产生离心力使通道内外侧流体之间形成二次流，增加了

扰动，在较低的Re数下，流体仍可以处于湍流状态。其次，等截面通道不存在流动死区，螺旋板

片间的定距柱也可增加流体的扰动。传热系数可达3000W/（m.°C）

自洁能力强流道单一，结垢处局部阻力增加，污垢易被冲刷掉。

传热温差小流道较长，冷热流体的出口温度可精确控制，冷热流体的出口温差可低至2°

C，便于充分利用低温热能。

流动阻力小流道规则、单一。可取高流速，液-2m/s，气-20m/s

二次流：流动方向与主流方向不同。但方向相反则为回流。

工作参数1MPa～2.5MPa，最高4MPa。温度：≤250°C，特殊可达450°C。

第五章板式换热器

板式换热器主要由换热板片、密封圈、盖板、紧固装置等组成。

通常由0.5～1.5mm的金属板压制而成，材质一般为不锈钢、钛、铜、铝合金。选材主要依据换热

介质的腐蚀性。

角孔（4个）：供冷热介质进出口用，一般为圆形，也有三角形的。

密封槽：设在板的四周以及角孔的周围，用来放置密封圈。

倒流槽：设在流体的进出口处，使流体沿板间流通，均匀分布。

缺口：板的上下端，用于定位、支撑、悬挂。

密封圈的作用：

1.密封流体，防止流体外漏和两流体间的内漏；

2.分配流体。组织板片间的流道，引导流体的流向

流程数：流体在板间折返的次数；

通道数：流体从板片一端流向另一端的通道数。

板式换热器的特点

A.传热系数高

1.流道弯曲多变，已形成湍流；

2.导热热阻小；

3.流体流动无旁路。

B.结构紧凑

C.可实现多种介质换热

D.末端温差小

应用场合：

12Ct

1.压力（2.5MPa）、温度（130～250℃）不太高的场合；

2.不适用于含固体颗粒或含纤维类杂物的流体

3.液-液换热

第六章板翅式换热器

组成：隔板、翅片及封条

传热面：由隔板与翅片的表面组成，隔板为一次传热表面，翅片为二次传热表面，二次传热面积

占总传热面积的70％～90％。

作用：

扩大传热面积提高换热器的紧凑性。翅片是隔板的延伸，但比隔板有着较大的比表面积。

提高传热效率由于翅片的特殊结构，流体在流道中形成剧烈扰动，使边界层不断破裂、更

新，有效地降低热阻。

提高换热器的强度和承压能力翅片起着加强肋的作用，使板束形成牢固的整体。

形式：平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片。

平直翅片

主要作用是扩大传热面积，对促进流体湍动的作用很小。

换热系数和阻力系数都比较小，宜用于阻力小、传热好的场合。

平直翅片的强度较高，适用于高压场合。

多孔翅片

孔使传热边界层不断破裂、更新，起到强化传热的效果。

在高雷诺数范围会出现噪音和振动。

翅片上开孔能使流体在翅片中分布更加均匀，利于流体中杂质颗粒的冲刷排除。

用于导流片及流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。

锯齿翅片

间断式翅片。

促进流体湍动，破坏热边界层

在压力损失相同的条件下，传热系数要比平直翅片高30％以上。

在传热量相同的条件下，其压力损失比相应的平直翅片小。

波纹翅片

使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍动、分离或破坏热边界层。

隔板作用：分隔并形成流道，同时承受压力，隔板还起传热表面的作用。其厚度在满足承压

能力的前提下尽可能减薄。

导流片与封头

作用：引导由进口管经封头流入板束的流体，使之均匀地分布于流道之中，或是汇集从流道流出

的流体使之经封头由出口管排出，导流片还有保护翅片，以免通道堵塞的作用。

设计原则

1）保证流道中流体均匀分布。

2）在导流片中流动阻力应保持在最小的恒定值。

3）导流片耐压强度应与整个板束的承压能力匹配。

4）便于制造。

翅片效率的意义：

表示翅片的实际传热量和理想的最大可能传热量(在翅根温度t

w

下)之比。

二次传热面与一次传热面的效果不同，当按一次传热面统一处理时，二次传热面应打的折扣。

翅片低而厚，则h

f

高；翅片高而薄，则h

f

低；

翅片与流体间的对流换热系数越小，则h

f

高；

翅片材料的导热性能越好，则则h

f

高。

板翅式换热器性能特点

mf

f

wf

tt

tt









1）结构紧凑，体积小，重量轻，耗材少；

2）传热效率高；（翅片对边界层的抑制作用，隔板、翅片厚度薄）

3）可实现多种介质的同时换热；

4）流体出口处温差小，有利于低温余热的回收。

流动通道小，易堵，压力损失大，工艺较复杂。

适用于气气、气液、液液换热，亦可用于冷凝、蒸发。

工作温度：-273℃~500℃，工作压力：15～50×10

5

Pa。

空分装置散热器空气冷却器

第七章翅片管式换热器

基本构造

翅片管式换热器由单根或多根翅片管组成。翅片管由基管（圆管、扁平管、椭圆管）与翅片构成。

管内、外流体一般布置成叉流流动方式。

按结构分类

纵向和横向翅片两大类。

按制造工艺分类

翅片管分为整体翅片管、焊接翅片管、高频焊翅片管和机械连接翅片管。

翅片管的基本要求

良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击能力及耐腐蚀能力，易于清理污垢，压降较低等。

加翅原则：根据管内、外两侧流体传热性能进行选择。通常翅片加在对流换热系数小的一侧；

当两侧换热系数接近时，则在管内、外两侧均加翅片，或外加翅片，内加麻花铁、螺旋体等扰动

元件。

泵与风机选型

根据计算的风量、风压，结合风机特性曲线选取风机型式及风机叶片角度。

第八章热管换热器

基本构造

壳体、吸液芯和工作液组成。

特点：小空间、大热流；小温差、高热量

壳体

作用：封闭工作液

基本要求：

1）与工作液有良好的化学相容性，以免产生不凝性气体和腐蚀，影响热管的传热性能。

2）导热系数高。

3）承压性能好，机械强度高，易于加工。

4）与工作液有良好的浸润性。

吸液芯

作用：产生毛细作用力，为工作液提供动力。

要求：

1）与工作液和壳体有良好的化学相容性；

2）导热性能好；

3）与工作液有优良的浸润性；

4）易加工，能与内壁很好的吻合。

工作液

作用：热管的载热体

要求：

1）在要求的工作范围内能产生相变，并具有合适的饱和压力；

2）化学性能稳定，并与壳体和吸液芯有良好的化学相容性；

3）能浸润壳体与吸液芯；

4）高导热系数、高汽化潜热和高密度；

5）低粘度、高表面张力。

热管的相容性：热管在预期的设计寿命内，工作液与壳体不发生显著

的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。

造成不相容的三种形式：产生不凝性气体；工作液体物性恶化；壳体材料的腐蚀、溶解。

粘性限：由粘性力作用达到的最大传热量叫做粘性限。

声速限：蒸发段蒸汽流速达到当地声速，则蒸发段出口工质的单位时间的质量流量达到最大值，

这时的传热量为声速限。

携带限：发生蒸汽带走液滴之前达到的传热量叫做携带限。

毛细限：热管工作于最大毛细力时达到的传热量叫做毛细限。

沸腾限：在工作液发生沸腾之前热管达到的最大传热量叫做沸腾限。

1.温度展平

热管具有良好的均温性，可用于温度展平。

2.热源与冷源隔开

在某些需要进行部件冷却的场合，把冷源或散热器直接布置在被冷却部件的附近可能不方便

或者不允许，使用热管则能满足上述要求。

3.热流方向与热流密度可变

单向传热：无管芯的重力热管可实现单向传热。

4.温度可控

Phasetransaction相变latentheat潜热capillary毛细现象evaporate蒸发

sealed密封的diffuse扩散wickstructure网状结构groves沟、槽

besufficientto足够用于fundamental基础的，基本的demonstrate证明

COP：能量与热量的转换比率，即能效比。

第九章冷却塔

冷却塔属于直接接触式换热器，冷热流体的直接接触进行换热，热交换伴随质交换。

基本构造

典型的冷却塔是由风筒、淋水装置以及配水系统构成。

冷却塔分类：

1）按空气与水接触的方式，可分成湿式冷却塔和干式冷却塔，以及二者结合的干湿式冷却塔。

2）按通风方式，分为自然通风冷却塔和机械通风冷却塔。

自然通风冷却塔利用塔内外的空气密度差造成的通风抽力使空气流通(自然通风)。

机械通风冷却塔又分为抽风式和鼓风式冷却塔，分别利用抽风机或鼓风机强制空气流动。

3）按水和空气的流动方向分，可分为逆流式冷却塔和横流式冷却塔两种。

常见的淋水（填料）装置形式：点滴式、薄膜式和点滴薄膜式。

点滴式淋水装置依靠形成的水滴和水膜进行散热

薄膜式淋水装置水沿淋水板表面以水膜状态缓慢流动，增加了接触面积，加强了热、质交换。

点滴薄膜式淋水装置格网多层叠加，可连续或间隔布置，水以水滴形式淋洒而下。

配水系统作用：将热水均匀地分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。

常用的配水系统有槽式、管式和池式三种。

风筒是冷却塔的外壳，也是气流的通道

作用:创造良好的空气动力条件，并将排出冷却塔的湿热空气送往高空，减少或避免湿热空气回流。

冷却塔内水的降温主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。

冷却系数的内容……