教学目的

教学要求

学习本节的目的是使学生掌握各种换热器的结构、工作原理，了解几种特殊情况下的传热

重点与难点

重点： 各种换热器的结构、工作原理

难点：

教具及

参考资料

教具： 图片、模型

参考资料： 1、高福成。食品工程原理，中国轻工业出版社。1998。

2、无锡轻工学院等。《食品工程原理》上、下册，北京：轻工业出版社，1985。

3、谭天恩等编，《化工原理》上、下册，北京：化学工业出版社1984。

主要教学方法

讲授法，演示法

学时分配

3 学时

教学主要过程与主要内容

3.6__ 换热器

换热器的分类：

按用途分：加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等

按传热方式分：间壁式、混合式

按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类：管式和板式两类。前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等，后者包括板式、螺旋板式、夹套式等

结构：两种直径不同的标准管组成同心套管，内管可用U形管连接，而外管之间也由管子连接。

3.6.1__ 间壁式换热器

（1）套管式换热器

注意：适当选择两个管径，以使内管与环隙间的流体呈湍流状态，使具有较高的总传热系数，同时也减少垢层的形成。

缺点：单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，故一般适用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。

优点：结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。

（2）蛇管式换热器

蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种。

沉浸式蛇管换热器

蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器需要的形状，沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。

优点：结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。

缺点：管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小，如增设搅拌装置，则可提高传热效果。

喷淋蛇管式换热器冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下，沿管表面下流，而被冷却的流体自最下面管子流入，由最上面管子中流出，与外面的冷流体进行热交换，所以传热效果较沉浸式为好。与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。其缺点是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。

（3） 列管式换热器(管壳式)

结构：壳体、管束、管板（又称花板）、封头（端盖）等。

冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。

换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。

管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。

为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：

浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。

优点：容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流体，维修清洗方便。

缺点：结合面较多，易泄漏。

补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。

U形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳

无关。

3.6.2 板式换热器

板式换热器是以板壁为换热壁的换热器，常见的有平板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。

(1) 平板式换热器

板片被压制成槽形或波纹形的目的：

增强刚度，不致受压变形；

增强液体的湍动程度，增大传热面积，亦利于流体的均匀分布。

优点：

总传热系数高，污垢热阻亦较小；

结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；

操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；

加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。____

缺点：

允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏；

操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制；

处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。

(2) 螺旋板式换热器

由两张平行的薄钢卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度。

优点：结构紧凑，单位体积提供的传热面积大，总传热系数较大，传热效率高，不易堵塞。

缺点：操作压力和温度不能太高，流体阻力大，不易检修。

（3） 夹套式换热器

夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。

使用注意事项：

该换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。适于传热量不大的场合，为提高传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流。

当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。

用于冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。

由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。

（4） 旋转刮板式换热器

由刮板在靠近传热面处连续不断地运动，使料液成薄膜状流动。换热器由内面磨光的中空圆筒和带有刮板的内转筒以及外圆筒所构成。内转筒与中间圆筒内面之间狭窄的环形空间即为被处理料液的通道。

刮板的作用：

提高换热器的传热系数；

形成乳化、混合和增塑作用。

优点：传热系数高，拆装清洗方便。

缺点：功率消耗大。

3.6.3混合式换热器

混合式换热器常用于蒸汽的冷凝或气体的冷却器，有时兼作除尘器以及增湿或减湿之用。

1、喷射式冷凝器

用逐渐收缩的锥形喷嘴将水或其他液体冷却剂喷射，致使产生一定的真空度，使得水蒸气吸入，经导向板进入混和室，使其冷却。适用于真空系统中水蒸气的排除。

2、填料式冷却器

___ 冷水从上部喷淋，与上升的蒸汽在填料层内接触，从而发生传热和传质。

3、孔板式冷凝器

3.7_ 几种特殊情况下的传热3.7.1_ 不稳定导热

（1） 不稳定导热微分方程（无内热源的静止介质）

此方程难以得到分析解，通常只能求数值解。

当物体为平壁圆柱和圆球等简单几何体，初始温度 to为均匀且投入介质的温度tf 恒定时，则导热微分方程可化为一维形式：

（2） 不稳定导热微分方程解__ ——无因次数准数关联式

其中：__

称作量纲为一温度。

称作毕渥特(Biot)数___________ ，表示固体导热热阻与外侧流体对流热阻之比。

称作傅里叶（Fourier)准数_______________ ，即量纲为一时间。

称作量纲为一距离____________ ，表示相对位置。

（3） 简单几何形体的不稳定导热图算法

以球体为例介绍图算过程。食品中, 汤团、碗豆、黄豆等在速冻产品生产过程涉及的导热属于球体的不稳定导热。

其导热微分方程为

边界条件: 当 r = R 时

初始条件：t = 0,_ T/ = 1 则方程解的形式为

当欲求球心位置参数时，即r = 0 ,则

注意：应用此图算法时，须将长度和时间的单位分别统一为厘米和分钟。

流体的间歇式换热

食品生产中需要在搅拌槽中对物料进行间歇式加热或冷却，槽內料液的温度是随时间而变化的。

假设：

K=C；

槽內容量一定，且比热不变；

槽内料液各处温度因有搅拌而一致；

无散热损失。

（1） 恒温加热剂（或冷却剂）对液体间壁加热（或冷却）

单位时间传热量为：

式中____ Th —加热剂温度；

___________ G —物料质量（kg)；

________ to—料液的初温；

________ t—加热时间τ 后料液的温度；

________ Cp—料液比热；

________ A —传热面积；

________ K—总传热系数；

分离变量并积分得：

上式适用于以饱和水蒸汽为加热剂在夹套放热的情形。冷却时，只须将Tc代替Th即可，但前提是冷却剂为蒸发吸热的相变过程（恒温工质）。

（2） 搅拌槽以变温工质对液体进行加热（或冷却）

微分方程为：

积分可得任意时刻的温度表达式为

式中___ G’_ C’p 为工质的参数，T 1_ T2 为工质的进、出口温度。

___________ T0__ T___ 为物料的初温和任意时刻到达的温度。