換熱器的分類換熱器的分類用來(lái)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(guò)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。回?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(guò)同一傳熱元件壁面的，一會(huì)兒是熱流體，一會(huì)兒是冷流體，當(dāng)熱流體流過(guò)壁面時(shí)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(guò)同一壁面時(shí)是冷卻期，傳熱元件將儲(chǔ)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(guò)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(guò)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(guò)熱度比較高時(shí)其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們?cè)诤竺娼榻B水蒸氣性質(zhì)時(shí)會(huì)有認(rèn)識(shí)的，可見(jiàn)理想氣體與實(shí)際氣體沒(méi)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(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)較難維護(hù)，且轉(zhuǎn)動(dòng)部位較難密封，特別是當(dāng)兩種流體壓力差較大時(shí)，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(duì)密封性要求較高。混合式換熱器02換熱器的分類有火力發(fā)電廠中的水蒸氣，當(dāng)過(guò)熱度比較高時(shí)其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們?cè)诤竺娼榻B水蒸氣性質(zhì)時(shí)會(huì)有認(rèn)識(shí)的，可見(jiàn)理想氣體與實(shí)際氣體沒(méi)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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，在熱量傳遞的同時(shí)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(guò)熱度比較高時(shí)其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們?cè)诤竺娼榻B水蒸氣性質(zhì)時(shí)會(huì)有認(rèn)識(shí)的，可見(jiàn)理想氣體與實(shí)際氣體沒(méi)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(jì)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(jiǎn)單，但當(dāng)不允許冷熱兩種流體直接混合時(shí)，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(guò)熱度比較高時(shí)其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們?cè)诤竺娼榻B水蒸氣性質(zhì)時(shí)會(huì)有認(rèn)識(shí)的，可見(jiàn)理想氣體與實(shí)際氣體沒(méi)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(jì)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(kāi)，分別在壁面兩側(cè)流動(dòng)，在換熱過(guò)程中兩種流體互不接觸，熱量由熱流體通過(guò)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(guò)熱度比較高時(shí)其性質(zhì)也接近于理想氣體，這點(diǎn)我們?cè)诤竺娼榻B水蒸氣性質(zhì)時(shí)會(huì)有認(rèn)識(shí)的，可見(jiàn)理想氣體與實(shí)際氣體沒(méi)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(jì)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(duì)流體適應(yīng)性較強(qiáng)，又沒(méi)有傳動(dòng)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(guò)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(méi)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(jiān)固，易于制造，適應(yīng)性強(qiáng)，便于清洗，高溫高壓場(chǎng)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(dòng)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(dòng)來(lái)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(guò)固體壁進(jìn)行熱量交換，因此，除了流體發(fā)生相變時(shí)會(huì)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(dòng)時(shí)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(lái)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(shí)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(shí)流體的溫度分布平均傳熱溫差順流和逆流時(shí)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(shí)，氣體的比體積比較大，這時(shí)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(lái)處理。

（2）順流時(shí)，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(shí)，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(shí)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(dòng)方式。例如，火力發(fā)電廠中的過(guò)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(gè)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(shí)或被加熱、或被冷卻，此時(shí)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(shí)的平均傳熱溫差由于該平均傳熱溫差中含有對(duì)數(shù)，故又稱作對(duì)數(shù)平均傳熱溫差。上式中順流與逆流流動(dòng)布置不同，則兩端傳熱溫差的表示不同，計(jì)算的平均傳熱溫差不同。平均傳熱溫差2.復(fù)雜流動(dòng)的平均傳熱溫差修正系數(shù)ψ除與流動(dòng)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(dòng)型式在給定工況下接近純逆流的程度。ψ值越大，說(shuō)明該換熱器的流動(dòng)方式越接近純逆流。換熱器計(jì)算換熱器計(jì)算方程式01換熱器計(jì)算分類02目

錄Content01換熱器計(jì)算方程式換熱器計(jì)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(wú)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(jì)算換熱方程式規(guī)定說(shuō)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(gè)換熱面上是常量；

3、傳熱系數(shù)不變；

4、換熱器無(wú)散熱損失；換熱器計(jì)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(jì)算分類換熱器計(jì)算換熱器的傳熱計(jì)算，根據(jù)目的不同分為兩種類型，一類是設(shè)計(jì)計(jì)算，一類是校核計(jì)算。換熱器計(jì)算的方法有兩種，即對(duì)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(jì)計(jì)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(gè)進(jìn)出口溫度中的三個(gè)），設(shè)計(jì)一臺(tái)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(zhǎng)、管程數(shù)、每管程管根數(shù)等）。1.設(shè)計(jì)計(jì)算換熱器計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算通常采用對(duì)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(gè)進(jìn)出口溫度中的未知溫度。（3）根據(jù)換熱器型式計(jì)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(jì)算相應(yīng)的傳熱系數(shù)K。（5）根據(jù)傳熱方程計(jì)算傳熱面積A。（6）根據(jù)允許的流速計(jì)算所需管長(zhǎng)、管子根數(shù)等。（7）用流體力學(xué)知識(shí)計(jì)算換熱面兩側(cè)的流動(dòng)阻力ΔP，若ΔP太大，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。換熱器計(jì)算校核計(jì)算是對(duì)現(xiàn)有的換熱器，在非設(shè)計(jì)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(jì)算校核計(jì)算時(shí)，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(wú)法直接確定，且物性參數(shù)也無(wú)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(jì)算。換熱器計(jì)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^(guò)程的特點(diǎn)02目

錄Content各受熱面?zhèn)鳠徇^(guò)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(guò)熱器；3-后屏過(guò)熱器；4-高溫過(guò)熱器；5-低溫過(guò)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)煔猓?jīng)水冷壁、過(guò)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(guò)熱器、低溫過(guò)熱器和高溫過(guò)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。空氣經(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^(guò)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(guò)熱器主要以輻射換熱為主，也稱輻射式受熱面；高、低溫過(guò)熱器、再熱器，輻射和對(duì)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(duì)流為主，也稱對(duì)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(jí)，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(dòng)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)1200℃，溫差較大，平均溫差較小的省煤器也超過(guò)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(guò)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^(guò)程鍋爐受熱面的傳熱分析1.水冷壁的傳熱過(guò)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(guò)熱器的傳熱過(guò)程按照傳熱方式，過(guò)熱器可分為輻射、半輻射及對(duì)流三種型式，過(guò)熱器的蒸汽高溫段采用對(duì)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(duì)于輻射式過(guò)熱器簡(jiǎn)化為輻射換熱方式，對(duì)于對(duì)流式過(guò)熱器簡(jiǎn)化為對(duì)流換熱方式，對(duì)于半輻射式過(guò)熱器則對(duì)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(guò)程再熱器實(shí)際上就是一種中壓過(guò)熱器，其工作原理與過(guò)熱器是相同的。與過(guò)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(guò)熱蒸汽小得多。再熱蒸汽對(duì)管壁的冷卻能力差，管壁溫度超過(guò)管中蒸汽溫度的程度大于過(guò)熱蒸汽。煙氣側(cè)的復(fù)合換熱，對(duì)于輻射式再熱器簡(jiǎn)化為輻射換熱方式，對(duì)于對(duì)流式再熱器簡(jiǎn)化為對(duì)流換熱方式，對(duì)于半輻射式再熱器則對(duì)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(guò)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(dòng)，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(guò)程空氣預(yù)熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量來(lái)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(gè)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(dòng)，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(guò)程包含以下五個(gè)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(duì)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(shí)間后，換熱面上會(huì)積起水垢、污泥、油污之類的覆蓋物垢層，有時(shí)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