板换换热器及换热原理课件

1a 如何如何进行行热交交换 热交交换系系统通常是以通常是以热传导和和对流两种方式流两种方式进行行热交交换的。的。热传导是是热量量传递的一种常的一种常见的方式，其的方式，其过程中流体各部位程中流体各部位之之间不不发生相生相对的位移；的位移；对流是流体各部分流是流体各部分质点点发生相生相对位位移而引起的移而引起的热量量传递过程。程。对流分流分为强制制对流与流与自然自然对流，流，强制制对流是使用机械能（如流是使用机械能（如搅拌）使流体拌）使流体发生生对流而流而传热，比如我比如我们为了冷却一杯咖啡会不停的了冷却一杯咖啡会不停的搅拌它；自然拌它；自然对流是因流是因流体受流体受热而有密度的局部而有密度的局部变化，化，导致致发生生对流而流而传热。2a基基础概念概念 层流：流：当流体以当流体以较小的流速流小的流速流经管道管道时，流体成平，流体成平稳状状态通通过全管，流体的全管，流体的质点作平行运点作平行运动，与旁，与旁侧的流体并无宏的流体并无宏观的混合，此流的混合，此流动形形态称之称之为层流。流。湍流：湍流：当流体以当流体以较高流速流高流速流经管道管道时，流体成波，流体成波动状状态，并，并形成旋形成旋涡向四周散开，与旁向四周散开，与旁侧的流体相混合，此种流的流体相混合，此种流动形形态称之称之为湍流。湍流。3a思考思考 湍流湍流会使流体内部的混合与振会使流体内部的混合与振荡增增强，使流体以，使流体以对流方流方式式传热，因而随着湍，因而随着湍动程度的增程度的增强传热的效果会更好，的效果会更好，而而层流使流体主要以流使流体主要以传导的方式的方式进行行传热。显而易而易见湍湍流状流状态下的下的传热效果要比效果要比层流状流状态下的下的传热效果好。效果好。4a常用常用类型：型：板式板式换热器（器（PHEPHE）管式管式换热器（器（THETHE）5a整体整体结构构 板式板式换热器：器：板片板片设计成成传热效果最好的瓦楞型，板效果最好的瓦楞型，板组牢固地牢固地压紧在框中，瓦楞板上的支撑点保持各板分开，以便在板在框中，瓦楞板上的支撑点保持各板分开，以便在板片之片之间形成形成细小的通道。小的通道。6a 整体整体结构及构及图 液体通液体通过板片一角的孔板片一角的孔进出出通道。改通道。改变孔的开孔的开闭，可使液，可使液体从体从通道按通道按规定的定的线路路进入入另一通道。板周另一通道。板周边和孔周和孔周边的的垫圈形成了通道的圈形成了通道的边界，以防界，以防向外渗漏与内部液流混合。向外渗漏与内部液流混合。7a 工作示意工作示意图8a补充充 焊接式的板式接式的板式换热器器多用于水汽多用于水汽换热，具有很高的集成度，具有很高的集成度高高换热系数，体系数，体积小，薄型材料小，薄型材料不用密封圈，不用密封圈，铜 镍或或钎焊接不接不锈钢成成紧凑直角型的包凑直角型的包状状易于安装，高易于安装，高换热效率，低成本效率，低成本抗腐抗腐蚀性性强，抗震，耐高温，高，抗震，耐高温，高压9a图示示10a总结 板式板式热交交换器是一种新型、高效的器是一种新型、高效的节能能热交交换设备，它具有它具有换热效率高，效率高，结构构紧凑，重量凑，重量轻，适，适应性性强，热损失少，可拆卸，可清洗，装拆和失少，可拆卸，可清洗，装拆和维修方便等特点，修方便等特点，主要主要应用于液液、液汽用于液液、液汽热交交换，特，特别适用于各种工适用于各种工艺过程中的加程中的加热、冷却、冷却、热回收、冷凝及食品消毒等方回收、冷凝及食品消毒等方面面.11a标识介介绍12a整体整体结构构 管式管式换热器：器：管式管式热交交换器，不同于板式器，不同于板式热交交换器，它在器，它在产品通品通道上没有接触点，道上没有接触点，这样它就可以它就可以处理含有一定理含有一定颗粒的粒的产品品,颗粒的最大直径取决于管子的直径粒的最大直径取决于管子的直径.13a整体整体结构构 在在UHTUHT处理中，管式理中，管式热交交换器要比板式器要比板式热交交换器运行的器运行的时间长。从。从热传递的的观点看，管式点看，管式热交交换器比板式器比板式热交交换器的器的传热效率效率低低14a工作原理工作原理 通常使用的多管道的管式通常使用的多管道的管式热交交换是基于是基于传统的列管的列管式式热交交换器的原理，其器的原理，其产品流品流过一一组平行的通道，提平行的通道，提供的介供的介质围绕在管子的周在管子的周围，通，通过管子和壳体上的管子和壳体上的螺螺旋波旋波纹，产生紊流，生紊流，实现有效的有效的传热。15a 补充充说明明 同一段内可能使用不同同一段内可能使用不同规格格/模式模式的管式的管式热交交换器器规格：格：包括外部套管的管径包括外部套管的管径-内部列管的管径内部列管的管径-内部列管内部列管的数量的数量-总长度度模式：模式：常常见的有的有A B C DA B C D四种模式，主要由外部套管上四种模式，主要由外部套管上介介质进出口的位置决定出口的位置决定16a图示示17a持持热管管简介介18a必要性及必要性及设计原理原理正确的正确的热处理要求牛乳在理要求牛乳在杀菌温度下保持一定的菌温度下保持一定的时间，这可以通可以通过外外设保持管来保持管来实现。若已知流量和保持管的内管径，就可以若已知流量和保持管的内管径，就可以计算出符合保持算出符合保持时间的合适的管的合适的管长。19a设计原理原理由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳粒子的流速由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳粒子的流速要比平均要比平均值大。大。为了确保流速最快的粒子也能充分地了确保流速最快的粒子也能充分地巴氏巴氏杀菌，必菌，必须采用一效率系数来校正。采用一效率系数来校正。这个系数取个系数取决于保持管的决于保持管的设计，通常取，通常取0.80.80.9 0.9 之之间。20a换热器面器面积的的计算算 热交交换器必需的尺寸和器必需的尺寸和结构取决于很多因素，要构取决于很多因素，要计算是非常复算是非常复杂的，当今通常借助于的，当今通常借助于计算机算机进行行计算。算。有几种因素一定要加以考有几种因素一定要加以考虑：产品流量品流量 液体的物理性液体的物理性质21a续温度程序温度程序允允许的的压力降力降热交交换器的器的设计清清洁度的要求度的要求要求运行的要求运行的时间22a计算算热交交换器面器面积的一般公式的一般公式:要求的要求的传热面面积为:V P x Cp t V P x Cp t tm K tm KV=V=产品的流量品的流量23a 续K值的确定（的确定（经验）：黏度）：黏度p时，左右（大左右（大间隙）；平均黏度乳液，隙）；平均黏度乳液，-之之间选择24a热交交换器中逆流器中逆流传热的温度分配的温度分配热交交换器中并流器中并流传热的温度分配的温度分配25a 公式解公式解释p=p=产品的密度品的密度Cp=Cp=产品的比品的比热 t=t=产品的温度品的温度变化化 tm=tm=对数平均温差数平均温差(LMTD)(LMTD)K=K=总传热系数系数26a 单项分析分析流量流量V V，是由乳品厂的，是由乳品厂的设计能力决定的。能力决定的。产品密度品密度p p 由由产品决定。比品决定。比热cpcp也由也由产品决定，比品决定，比热值告告诉我我们将某种物将某种物质温度升高温度升高11，需提供多少，需提供多少热量。量。27a 单项分析分析产品的品的进口温度和出口温度取决于前段加工情况和后口温度和出口温度取决于前段加工情况和后续加工的要求：加工的要求：t1=to1-ti1 t1=to1-ti1所用介所用介质的的进口温度取决于加工条件，介口温度取决于加工条件，介质的出口温度的出口温度可以用能量平衡公式可以用能量平衡公式计算得出：算得出：V1 P1 x Cp1 V1 P1 x Cp1 t1=V2 P2 x Cp2 t2t1=V2 P2 x Cp2 t228a 单项分析分析温度差异是温度差异是传热推推动力，温差越大，力，温差越大，传热越多，所需的越多，所需的热交交换器越小；然而，器越小；然而，对于敏感性于敏感性产品，可利用的温差是有品，可利用的温差是有限的。温差随着液体流限的。温差随着液体流经热交交换器而不断器而不断变化，所以，温化，所以，温差用一个平均差用一个平均值，LTMDLTMD进行行计算。决定平均温差大小的一算。决定平均温差大小的一个重要因素是介个重要因素是介质在在热交交换器中的流器中的流动方向。它主要有两方向。它主要有两种形式：逆流或并流种形式：逆流或并流29a 特特别介介绍影响影响总传热系数系数K K的要素的要素:液体允液体允许的的压力降力降液体的粘度液体的粘度间壁的形状和厚度壁的形状和厚度间壁的材料壁的材料污垢物垢物质的存在的存在30a 分析分析产品和介品和介质的的压力降越大，力降越大，传递的的热量越多，量越多，热交交换器越器越小。然而小。然而对机械机械搅拌敏感的拌敏感的产品品(例如乳脂肪例如乳脂肪)可能会因可能会因这种种剧烈的烈的处理而遭到破坏。理而遭到破坏。产品和使用介品和使用介质的粘度的粘度对于确定于确定热交交换器的尺寸也是非常器的尺寸也是非常重要的。与低粘度的重要的。与低粘度的产品相比，高粘度的液体在通品相比，高粘度的液体在通过热交交换器器时，产生紊流的程度小，如果其它参数一定，生紊流的程度小，如果其它参数一定，这就意就意味着需要味着需要较大的大的热交交换器。器。31a 分析分析间壁通常是波壁通常是波纹状，以状，以实现更更剧烈的紊流。紊流有助烈的紊流。紊流有助于于传热，厚度也十分重要。，厚度也十分重要。间壁越薄，壁越薄，传热效果越好。效果越好。但是但是这个厚度要有足个厚度要有足够的的强度来承受液体的度来承受液体的压力。力。现代化的代化的设计和生和生产技技术使得使得间壁比几年前的更薄。壁比几年前的更薄。食品加工中通常采用不食品加工中通常采用不锈钢材料，不材料，不锈钢有相当好的有相当好的传热性能性能32a.加加热介介质和和产品的温差要尽可能地小，通常比品的温差要尽可能地小，通常比杀菌温度高菌温度高2-2-3/4-5 3/4-5 。相相对于于产品来品来说，如果，如果间壁表面太壁表面太热，牛乳中的蛋白，牛乳中的蛋白质将会将会有凝有凝结并在并在间壁上壁上结焦的危焦的危险。热量必量必须通通过这一垢一垢层进行行传递，这将将导致致总传热系数系数K K 值下降。加下降。加热介介质和和产品的温品的温差与以前相同差与以前相同时，也不能，也不能传递同同样多的多的热量，量，产品的出口温品的出口温度将会下降。度将会下降。这可以通可以通过提高加提高加热介介质的温度来的温度来补偿，但，但这又提高了又提高了传热表面的温度，以致更多的蛋白表面的温度，以致更多的蛋白质凝凝结在在换热器器表面上，垢表面上，垢层的厚度增加，的厚度增加，K K值进一步下降。一步下降。33a污垢聚集的速度取决于很多因素垢聚集的速度取决于很多因素产品和加品和加热介介质的温差的温差牛乳牛乳质量量产品中空气的含量品中空气的含量加加热段的段的压力条件力条件34a续利用利用热流体，如巴氏流体，如巴氏杀菌乳的菌乳的热量来量来预热进口的冷牛口的冷牛乳的方法称之乳的方法称之为热回收。冷牛乳也可以冷却回收。冷牛乳也可以冷却热牛乳。牛乳。这样可以可以节省水量和能量。在省水量和能量。在现代化的巴氏代化的巴氏杀菌装置菌装置中（板中（板换），），热回收效率可达回收效率可达94-95%94-95%。35a术语对比比总结换热效率：效率：产品和介品和介质的温差之比的温差之比 热回收率：除介回收率：除介质作用外的温升幅度作用外的温升幅度36a 本次培本次培训结束束37a