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1、热交换器及换热原理热交换器及换热原理 如何进行热交换如何进行热交换 热交换系统通常是以热传导和对流两种方式进行热交换的。热交换系统通常是以热传导和对流两种方式进行热交换的。热传导是热量传递的一种常见的方式，其过程中流体各部位热传导是热量传递的一种常见的方式，其过程中流体各部位之间不发生相对的位移；对流是流体各部分质点发生相对位之间不发生相对的位移；对流是流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。对流分为移而引起的热量传递过程。对流分为强制强制对流与对流与自然自然对流，对流，强制对流是使用机械能（如搅拌）使流体发生对流而传热，强制对流是使用机械能（如搅拌）使流体发生对流而传热，比如我们为了
2、冷却一杯咖啡会不停的搅拌它；自然对流是因比如我们为了冷却一杯咖啡会不停的搅拌它；自然对流是因流体受热而有密度的局部变化，导致发生对流而传热。流体受热而有密度的局部变化，导致发生对流而传热。基础概念基础概念 层流：层流：当流体以较小的流速流经管道时，流体成平稳状态通当流体以较小的流速流经管道时，流体成平稳状态通过全管，流体的质点作平行运动，与旁侧的流体并无宏观的过全管，流体的质点作平行运动，与旁侧的流体并无宏观的混合，此流动形态称之为层流。混合，此流动形态称之为层流。湍流：湍流：当流体以较高流速流经管道时，流体成波动状态，并当流体以较高流速流经管道时，流体成波动状态，并形成旋涡向四周散开，与旁侧
3、的流体相混合，此种流动形态形成旋涡向四周散开，与旁侧的流体相混合，此种流动形态称之为湍流。称之为湍流。思考思考 湍流湍流会使流体内部的混合与振荡增强，使流体以对流方会使流体内部的混合与振荡增强，使流体以对流方式传热，因而随着湍动程度的增强传热的效果会更好，式传热，因而随着湍动程度的增强传热的效果会更好，而层流使流体主要以传导的方式进行传热。显而易见湍而层流使流体主要以传导的方式进行传热。显而易见湍流状态下的传热效果要比层流状态下的传热效果好。流状态下的传热效果要比层流状态下的传热效果好。常用类型：常用类型：板式换热器（板式换热器（PHE）管式换热器（管式换热器（THE）整体结构整体结构 板式换
4、热器：板式换热器：板片设计成传热效果最好的瓦楞型，板组牢固地压紧板片设计成传热效果最好的瓦楞型，板组牢固地压紧在框中，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，以便在板片之间形成细小的通道。片之间形成细小的通道。整体结构及图整体结构及图 液体通过板片一角的孔进出通液体通过板片一角的孔进出通道。改变孔的开闭，可使液体道。改变孔的开闭，可使液体从从通道按规定的线路进入另通道按规定的线路进入另一通道。板周边和孔周边的垫一通道。板周边和孔周边的垫圈形成了通道的边界，以防向圈形成了通道的边界，以防向外渗漏与内部液流混合。外渗漏与内部液流混合。工作示意图工作示意图补充补充
5、 焊接式的板式换热器焊接式的板式换热器多用于水汽换热，具有很高的集成度多用于水汽换热，具有很高的集成度高换热系数，体积小，薄型材料高换热系数，体积小，薄型材料不用密封圈，铜不用密封圈，铜镍或钎焊接不锈钢成紧凑直角型的包镍或钎焊接不锈钢成紧凑直角型的包状状易于安装，高换热效率，低成本易于安装，高换热效率，低成本抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压图示图示总结总结 板式热交换器是一种新型、高效的节能热交换设备，板式热交换器是一种新型、高效的节能热交换设备，它具有换热效率高，结构紧凑，重量轻，适应性强，它具有换热效率高，结构紧凑，重量轻，适应性强，热损失少，可拆卸，可清洗，装
6、拆和维修方便等特点，热损失少，可拆卸，可清洗，装拆和维修方便等特点，主要应用于液液、液汽热交换，特别适用于各种工艺主要应用于液液、液汽热交换，特别适用于各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝及食品消毒等方过程中的加热、冷却、热回收、冷凝及食品消毒等方面面.标识介绍标识介绍整体结构整体结构 管式换热器：管式换热器：管式热交换器，不同于板式热交换器，它在产品通管式热交换器，不同于板式热交换器，它在产品通道上没有接触点，这样它就可以处理含有一定颗粒的道上没有接触点，这样它就可以处理含有一定颗粒的产品产品,颗粒的最大直径取决于管子的直径颗粒的最大直径取决于管子的直径.整体结构整体结构 在在UHT处理
7、中，管式热交换器要比板式热交换处理中，管式热交换器要比板式热交换器运行的时间长。从热传递的观点看，管式热交器运行的时间长。从热传递的观点看，管式热交换器比板式热交换器的传热效率换器比板式热交换器的传热效率低低工作原理工作原理 通常使用的多管道的管式热交换是基于传统的列管式通常使用的多管道的管式热交换是基于传统的列管式热交换器的原理，其产品流过一组平行的通道，提供热交换器的原理，其产品流过一组平行的通道，提供的介质围绕在管子的周围，通过管子和壳体上的的介质围绕在管子的周围，通过管子和壳体上的螺旋螺旋波纹波纹，产生紊流，实现有效的传热。，产生紊流，实现有效的传热。补充说明补充说明 同一段内可能使用
8、不同同一段内可能使用不同规格规格/模式模式的管式热交换器的管式热交换器规格：规格：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-总长度总长度模式：模式：常见的有常见的有A 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质进出口的位置决定介质进出口的位置决定图示图示持热管简介持热管简介必要性及设计原理必要性及设计原理正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定的时间，这正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定的时间，这可以通过外设保持管来实现。可以通过外设保持管来实现。若已知流量和保持管的内管径，就可以计算出符合保持时若已知流量和
9、保持管的内管径，就可以计算出符合保持时间的合适的管长。间的合适的管长。设计原理设计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值大。为了确保流速最快的粒子也能充分地要比平均值大。为了确保流速最快的粒子也能充分地巴氏杀菌，必须采用一效率系数来校正。这个系数取巴氏杀菌，必须采用一效率系数来校正。这个系数取决于保持管的设计，通常取决于保持管的设计，通常取0.80.9 之间。之间。换热器面积的计算换热器面积的计算 热交换器必需的尺寸和结构取决于很多因素，要计算热交换器必需的尺寸和结构取决于很多因素，要计算是非常复杂的，当今通常借助于计算机进行
10、计算。有是非常复杂的，当今通常借助于计算机进行计算。有几种因素一定要加以考虑：几种因素一定要加以考虑：产品流量产品流量 液体的物理性质液体的物理性质续续温度程序温度程序允许的压力降允许的压力降热交换器的设计热交换器的设计清洁度的要求清洁度的要求要求运行的时间要求运行的时间计算热交换器面积的一般公式计算热交换器面积的一般公式:要求的传热面积为要求的传热面积为:V P x Cp t tm KV=产品的流量产品的流量 续续K值的确定（经验）：黏度值的确定（经验）：黏度p时，时，左右（大间隙）；平均黏度乳液，左右（大间隙）；平均黏度乳液，-之间选择之间选择热交换器中逆流传热的温度分配热交换器中逆流传热
11、的温度分配热交换器中并流传热的温度分配热交换器中并流传热的温度分配 公式解释公式解释p=产品的密度产品的密度Cp=产品的比热产品的比热 t=产品的温度变化产品的温度变化 tm=对数平均温差对数平均温差(LMTD)K=总传热系数总传热系数 单项分析单项分析流量流量V，是由乳品厂的设计能力决定的。，是由乳品厂的设计能力决定的。产品密度产品密度p 由产品决定。比热由产品决定。比热cp也由产品决定，比热也由产品决定，比热值告诉我们将某种物质温度升高值告诉我们将某种物质温度升高1，需提供多少热量。，需提供多少热量。单项分析单项分析产品的进口温度和出口温度取决于前段加工情况和后续产品的进口温度和出口温度取
12、决于前段加工情况和后续加工的要求：加工的要求：t1=to1-ti1所用介质的进口温度取决于加工条件，介质的出口温度所用介质的进口温度取决于加工条件，介质的出口温度可以用能量平衡公式计算得出：可以用能量平衡公式计算得出：V1 P1 x Cp1 t1=V2 P2 x Cp2 t2 单项分析单项分析温度差异是传热推动力，温差越大，传热越多，所需的热温度差异是传热推动力，温差越大，传热越多，所需的热交换器越小；然而，对于敏感性产品，可利用的温差是有交换器越小；然而，对于敏感性产品，可利用的温差是有限的。温差随着液体流经热交换器而不断变化，所以，温限的。温差随着液体流经热交换器而不断变化，所以，温差用一
13、个平均值，差用一个平均值，LTMD进行计算。决定平均温差大小的进行计算。决定平均温差大小的一个重要因素是介质在热交换器中的流动方向。它主要有一个重要因素是介质在热交换器中的流动方向。它主要有两种形式：逆流或并流两种形式：逆流或并流 特别介绍特别介绍影响总传热系数影响总传热系数K的要素的要素:液体允许的压力降液体允许的压力降液体的粘度液体的粘度间壁的形状和厚度间壁的形状和厚度间壁的材料间壁的材料污垢物质的存在污垢物质的存在 分析分析产品和介质的压力降越大，传递的热量越多，热交换器越产品和介质的压力降越大，传递的热量越多，热交换器越小。然而对机械搅拌敏感的产品小。然而对机械搅拌敏感的产品(例如乳脂
14、肪例如乳脂肪)可能会因这可能会因这种剧烈的处理而遭到破坏。种剧烈的处理而遭到破坏。产品和使用介质的粘度对于确定热交换器的尺寸也是非常产品和使用介质的粘度对于确定热交换器的尺寸也是非常重要的。与低粘度的产品相比，高粘度的液体在通过热交重要的。与低粘度的产品相比，高粘度的液体在通过热交换器时，产生紊流的程度小，如果其它参数一定，这就意换器时，产生紊流的程度小，如果其它参数一定，这就意味着需要较大的热交换器。味着需要较大的热交换器。分析分析间壁通常是波纹状，以实现更剧烈的紊流。紊流有助间壁通常是波纹状，以实现更剧烈的紊流。紊流有助于传热，厚度也十分重要。间壁越薄，传热效果越好。于传热，厚度也十分重要
15、。间壁越薄，传热效果越好。但是这个厚度要有足够的强度来承受液体的压力。现但是这个厚度要有足够的强度来承受液体的压力。现代化的设计和生产技术使得间壁比几年前的更薄。代化的设计和生产技术使得间壁比几年前的更薄。食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢有相当好的食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢有相当好的传热性能传热性能.加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀菌温度高加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀菌温度高2-3/4-5 。相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛乳中的蛋白质将会相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛乳中的蛋白质将会有凝结并在间壁上结焦的危险。热量必须通过这一垢层进行有凝结并在
16、间壁上结焦的危险。热量必须通过这一垢层进行传递，这将导致总传热系数传递，这将导致总传热系数K 值下降。加热介质和产品的温值下降。加热介质和产品的温差与以前相同时，也不能传递同样多的热量，产品的出口温差与以前相同时，也不能传递同样多的热量，产品的出口温度将会下降。这可以通过提高加热介质的温度来补偿，但这度将会下降。这可以通过提高加热介质的温度来补偿，但这又提高了传热表面的温度，以致更多的蛋白质凝结在换热器又提高了传热表面的温度，以致更多的蛋白质凝结在换热器表面上，垢层的厚度增加，表面上，垢层的厚度增加，K值进一步下降。值进一步下降。污垢聚集的速度取决于很多因素污垢聚集的速度取决于很多因素产品和加
17、热介质的温差产品和加热介质的温差牛乳质量牛乳质量产品中空气的含量产品中空气的含量加热段的压力条件加热段的压力条件续续利用热流体，如巴氏杀菌乳的热量来预热进口的冷牛利用热流体，如巴氏杀菌乳的热量来预热进口的冷牛乳的方法称之为热回收。冷牛乳也可以冷却热牛乳。乳的方法称之为热回收。冷牛乳也可以冷却热牛乳。这样可以节省水量和能量。在现代化的巴氏杀菌装置这样可以节省水量和能量。在现代化的巴氏杀菌装置中（板换），热回收效率可达中（板换），热回收效率可达94-95%。术语对比总结术语对比总结换热效率：产品和介质的温差之比换热效率：产品和介质的温差之比 热回收率：除介质作用外的温升幅度热回收率：除介质作用外的温升幅度 本次培训结束本次培训结束