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　　1、热交换器及换热原理 张利芳 2008-5-4 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移而 引起的热量传递过程。对流分为 强制 对流与 自 然 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，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。 基础概念 层流： 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混合，此流动形态称之为 层流。

　　2、湍流： 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，与旁侧的流体 相混合，此种流动形态称之为湍流。 思考 湍流 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，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。 常用类型： 板式换热器（ PHE） 管式换热器（ THE） 整体结构 板式换热器： 板片设计成传热效果*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，以便在板片之间形成细小的 通道。 整体结构及图 液体通过板片一角的孔 进出通道。改变孔的开 闭，

　　3、可使液体从 通道 按规定的线路进入另一 通道。板周边和孔周边 的垫圈形成了通道的边 界，以防向外渗漏与内 部液流混合。 工作示意图 补充 焊接式的板式换热器 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 不用密封圈，铜 镍或钎焊接不锈钢成紧凑直 角型的包状 易于安装，高换热效率，低成本 抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压 图示 总结 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，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 工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝 及食品消毒等方面 .

　　4、 标识介绍 整体结构 管式换热器： 管式热交换器，不同于板式热交换器，它 在产品通道上没有接触点，这样它就可以 处理含有一定颗粒的产品 ,颗粒的*大直径 取决于管子的直径 . 整体结构 在 UHT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，管式热交换器比板式热交 换器的传热效率 低 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 螺旋波纹 ， 产生紊流，实现有效的传热。 补充说明 同一段内可能使用不同 规格 /模式 的管式热交 换器 规格： 包括外部套管的管径 -

　　5、内部列管的管径 -内部列管的数量 -总长度 模式： 常见的有 A B C D四种模式，主要由 外部套管上介质进出口的位置决定 图示 持热管简介 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 符合保持时间的合适的管长。 设计原理 由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳 粒子的流速要比平均值大。为了确保流速 *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。这个系数取决于保 持管的设计，通常取 0.8 0.9 之间。 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，要计算是非常复杂的，当

　　6、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： 产品流量 液体的物理性质 续 温度程序 允许的压力降 热交换器的设计 清洁度的要求 要求运行的时间 热交换器中逆流传热的温度分配 热交换器中并流传热的温度分配 公式解释 p = 产品的密度 Cp = 产品的比热 t = 产品的温度变化 tm = 对数平均温差 (LMTD) K = 总传热系数 单项分析 流量 V，是由乳品厂的设计能力决定的。 产品密度 p 由产品决定。比热 cp也由产品 决定，比热值告诉我们将某种物质温度升 高 1 ，需提供多少热量。 单项分析 产品的进口温度和出口温度取决于前段加工 情况和后续加工的要求： t1= t

　　7、o1- ti1 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： V1 P1 x Cp1 t1 = V2 P2 x Cp2 t2 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，温差用一个平均值， LTMD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 要有两种形式：逆流或并流 特别介绍 影响总传热系数 K的要素 : 液体允许的压力降 液体的粘度 间壁的形状和厚度 间壁的材料 污垢物质的存在 分析 产品和介质的压力降越大

　　8、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 (例 如乳脂肪 )可能会因这种剧烈的处理而坏。 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，这就意味着需要较 大的热交换器。 分析 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。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。 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 . 加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀 菌

　　9、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传递，这将导致总传热系 数 K 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表面上，垢层的厚度增加， K值进一步下降。 污垢聚集的速度取决于很多因素 产品和加热介质的温差 牛乳质量 产品中空气的含量 加热段的压力条件 续 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。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 94-95%。 本次培训结束

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