第三章
液体原料及半成品的热交换设备
第一节 传热的基本公式
Q=KF△ tm
Q=单位时间的传热量 (KJ/H) W Kcal
K=传热系数 (kj/m2 H ℃) (W/ m 2℃)
F=传热面积 (m2 )
△ tm=载热体和吸热体的平均温差 (℃)
平均温差 ----△ tm
? 1、恒温传热
? △ tm =T-t
? 2、变温传热
? 稳定变温传热
? 不稳定变温传热
（ 2）变温下传热
? 存在较普遍
有两种型式：
? 1,稳定变温传热
? 2,不稳定变温传热
? 它是一边或两边流体的温度，只是沿传
热面随流动的距离而变化，不随时间而
变化，称稳定的变温传热。如乳品厂中
牛奶的冷却与予热。
? 另一种是传热面一边或两边的流体，温度不仅
沿传热面随流动距离变化，也随时间而变化，
此称不稳定变温传热。
? 如牛奶浓缩时，由于浓度增高，沸腾温度
发生了变化，但温度相差不大，仍按恒温传热
来考虑
稳定变温传热中，温度差应取平均值来计算：
? 当传热壁一边发生温
度变化 （ 图 3-1,图 3-
2）, 即一种流体为
恒温, 一种流体为变
温的传热时, 压缩氨
汽化温度或饱和蒸汽
冷凝温度均不变, 牛
奶温度变化, 即冷却
或加热 。
1．并流
? 传热壁两边流体以相同
方向流动 （ 图 3-3） 。
? 特点,
? 1,两流体起始温差和终
点温差的差值大,
? 2,传热的平均温差 △ tm
小, 传热不充分,
? 3,热交换强烈, 易结垢 。
? 例：牛奶予热由 5℃ 加热到 80℃,加热介质为
95℃ 热水，出口温度为 85时,
? 同一端最大温差△ t1=T1-t1=95-5=90℃,
? 同一端最小温差 △ t2 = T2-t2=85-80=5℃ 。
? △ t1-△ t2 =90-5=85℃
? 两流体的平均温差 △ tm= （ △ t1-△ t2）
/ln△ t1/△ t2
?∴ △ tm=（ 90-5） /ln90/5=85/ln18=29.4℃
2．逆流
两流体在传热壁两边，流动方向相反（图 3-4）。
? 牛奶加热采用逆流为
佳, 1,两流体在同
一端的较大温差和在
同一端的较小温差的
值小, 可减少结垢；
? 2,传热的平均温差
△ tm 大, 比 并流 大
25%,传热效果好,
热交换充分 。
如上例为逆流
? 同一端最大温差 △ t1 =T1-t2=85-5=80℃,
同一端最小温差 △ t2 = T1-t2=95-80=15℃
? △ t1-△ t2 =80-15=65℃
? △ tm=（ △ t1-△ t2） /ln△ t1/△ t2
? =（ 80-15） /ln80/15
? =38.9℃ （ 〉 29.4℃ ）
? 当 △ t1/△ t2〉 2时,
? 并流与逆流的传热平均温度差 △ tm异较明显 。
? 当 △ t1/△ t2≤ 2时,
? 两者的 △ tm没有差别, 可用算术平均值 。
? 即当 △ t1/△ t2≤ 2时, △ tm=（ △ t1+△ t2） /2。
工程设计上，用对数平均温差算图（图 3-5）计算，
迅速而又简便。
? 左边一条线, 把算出
的 （ 最小温差 ） △ t2
标上 。
? 右边一条线上, 标出
（ 最大温差 ） △ t1，
然后两点连直线, 交
当中一根线上的点的
标度, 即为所求的
△ tm。
第二节贮槽式热交换器
? 用途：低温杀菌、冷却、保温
? 构造：夹套桶体、搅拌器、外保温
? 类型：
? K值低,2500---6700KJ/M2.H.℃
夹层锅
? 烫漂、配制、煮制
? 固定、倾斜式
? 搅拌器 10--20r/min
第三节 列管式热交换器
? 传统换热器、热效率高、维护易
? 构造：壳体、管箱（封头）、管板、法兰、
换热管、进出口、隔板,折流 档板等
? 单程、多程
? 加热蒸气走壳程，物料走管程
? 材料,壳体 碳钢，不锈钢 管子 铜管、
铝管、碳钢，不锈钢 管
? 胀管、焊接管
（一）蒸汽在负压下加热的优点为：
? (1)与正压下蒸汽加热相比在负压下加热
蒸汽的潜热大, 蒸汽耗量相对减少 。 当
一定压力的蒸汽进入夹层后, 迅速降压,
瞬间处于过热状态 。 随后温度降至与真
空度相一致的温度, 从而提高了加热蒸
汽的潜热利用 。
? (2)对于在同样蒸汽压力负压状态下加热,
加热温度较低而且均匀 。 由于降低了加
热蒸汽与料液间的对数平均温度差 △ tm,
故管内壁 不易结垢或结焦 。
? (3)由于加热蒸汽温度低, 与外界温差小,
故设备外壳所 散失的热量较少 。
? (4)结构紧凑, 每单位体积所能供给传热
面积大, 热能利用率高, 传热系数大 。
? (5)加工容易, 加热面便于清洗, 处理能
力大, 适应性强, 能连续操作 。
(二 )料液流程选择
?
? 冷热流体如何流动。即那一种流体流管
内或在管外流动。通常用做料液加热器
或蒸汽冷凝器，一般蒸汽走管外，而冷
料液走管内。用做冷却器，热流体走管
内，冷水走管外
其原因如下：
? 1,易生结垢的流体走管内,管内流速大，
可抑制积垢快速生成，又结垢方便清理。
? 2,给热系数小的流体走管内,便于提高
流速，可增大给热系数。
? 3,压强大的流体走管内,考虑管子承高
压问题简单，直径越小，越容易解决耐
高压问题
? 4,腐蚀性流体走管内,只要管子耐腐蚀
即可。
? 5,热流体走管内,这样可减少热损失，
但蒸汽冷凝时，一般都在管外，便于排
除水。否则冷凝水聚集太多，影响传热
面积，同时蒸汽冷凝时给热系数大。
?
6,体积流量小的流体走管内 便于维持一
定的流速。
总之，流程选择主要考虑操作稳定、可
靠和方便，又要兼顾经济性，提高传热
系，其次，还应减少传热面积，减少设
备费用，减少金属消耗。 此外，还要考
虑冷热流体的流动方向，一般逆向流动
为好，逆流方向的平均温差殡并 流大，
所以需传面积可减少。
2．传热面积的布置
? 由传热面积公式,F＝ n*d*L
? 传热面积 F与管径 d,管数 n,管长 L有关 。
? (1)管径选择 直径小些为好, 因为单位
体积换热面积可大一些, 设备较紧凑,
流体的给热系数也高, 但压力降随管径
减少而增加, 这样不便清洗, 易堵塞,
故不宜太小 。
? 常 用 的 不 锈 钢 管 管 径 为 ф19× 2,
ф25× 2, ф25× 2.5, ф32X2.5,
ф38× 2.5,ф57× 3.5mm。
?
? 大直径管子多用于粘度大的流体，小直
径管子多用于清洁的流体。
? 管长根据车间空间大小，平面布置
等具体情况选取，一般为 1,1.5,2、
2.5,3,4和 6m，不超过 6—7m。太长不便
于清洗，现用长为 1.5—2m左右为宜，
? 管子数目 n＝ F/d*L*3.14 (3—19)
?
(2)流速选择
? 流速快，传热系数 K值大，可减少传面积，
但流速过快，动能消耗大。
? 料液在管内流动，其流速可高些，一般
Vo＝ 0.5—2m／ s； 在壳体内流速可低些，
为 0.2—1,5m／ s,流体粘度大时，应取
低速。气体在管内流速可取 5—30m／ s，
在壳程流速取 2—15m／ s。
? 为方便计算，气体流速在常压下，
一般取重量流速 2—20kg／ s。压强增加时，
气体的重量流速也相应增加。
?
第四节 片式热交换器
? 构造 传热片是用 1mm厚不锈钢板由水
压机冲压成型, 全悬挂于导杆上, 前端
有固定板, 旋紧在后支架上 。 压紧螺杆
可使压紧板与各传热片叠合在一起, 片
与片之间有一定间隙 。 调节垫圈厚度可
改变两片之间流体通道大小 。 每片的四
角上各开一孔口, 借圆环垫圈的紧封作
用,
使四个孔中只有两个孔口可与金属
片一侧的流道相通，另两个孔口则
与金属片另一侧的流道相通。冷热
两流体就在薄片的两边交替流动进
行热交换。拆卸时，只需转动压紧
螺杆，使压紧板及换热片沿导杆滑
动松开，清洗拆装均很力方便。
片式热交换器的特点
? (1)热效率较高, 由于片间空隙小,
冷热两流体都有很高的流速, 传热片上
又冲压成凹凸沟纹, 速度大小和方向不
断的突然改变, 流体通过时形成湍流状
态, 这样便有效地破坏边界层, 减薄了
边界层的热阻, 故可提高传热系数 K值 。
通常 K值可达 12560—14650kJ／ Mz。 h。 C
其他换热器 K 值为 5020—12560KJ ／
m2,h,C
片式热交换器的特点
? (2)结构紧凑, 占地面积小, 在较小的工
作体积内, 可容纳较多的传热面积 。
? (3)适应性强, 当改变工艺条件和生产能
力时, 只需增减传热片的片数, 改变片
的组合, 即能满足生产要求 。
片式热交换器的特点
? (4)特别适宜处理热敏感物料, 由于两
片间空隙小, 物料又以快速薄层通过,
故不致产生过热现象, 适宜牛奶, 水果
汁等食品的加热, 杀菌 。
? (5)便于清洗 。 因设备部件拆卸装配简单,
故便于清洗, 能保持良好的卫生条件 。
片式热交换器的特点
? (6)操作安全, 完全在密闭条件下操作,
物料不与空气接触, 工作可靠, 工作质
量好, 防止污染 。 从结构上能保证两种
液体不致相混 。 在热交换段, 原料乳处
于负压下, 保证不会混人正压下的杀菌
乳内 。 一旦发现泄漏事故, 从设备外面
即可发现 。
片式热交换器的特点
? (7)热量利用率高 。 数种流体可在同一
套设备进行热交换, 即在同一套设备内
可进行加热和冷却, 便于热量的回收,
即节约设备投资, 又可节约蒸汽与冷却
水 (约 75％ 一 85％ )。
? (8)能自动调节, 连续生产 。 装置中有自
动调节系统, 以保证安全连续生产, 提
高劳动生产率 。
主要缺点 是，胶垫耐用性差，使用寿
命短，常出现的问题如下：
? (1)脱垫 (垫圈从波纹片上脱落 ),当加
热温度到 60疆以上时, 易发生这种情况 。
? (2)垫圈伸长变形, 一般脱垫后, 再
粘结上去时, 会有 20一 30mm伸长变形,
无法再使用 。
? (3)老化, 垫圈耐热温度在 120疆左右,
温度过高时, 则垫圈易老化 。
? (4)在接头处漏泄, 有多方面原因, 如
安装不当, 或垫圈本身发生变形 。
?
? (5)密封垫圈断裂,垫圈质量差，也可能
超过耐热温度引起．
? (6)垫圈使用寿命短,由于上述原因，
在正常情况下，都要经常更换垫圈 (不超
过三个月更换一次 )，因密封周边长，消
耗垫圈多。
? 根据生产单位及资料介绍，用聚四
氟乙烯，硅树脂 (硅橡胶 )胶垫可耐高温
300疆，可使用一年左右。
片式热交换器的工艺计算
? 按生产要求 ------设备设计和选择或验算、
挖潜。
? 例：
第五节 筒式杀菌器
? 卧式、立式
? 罐头、饮料
液体原料及半成品的热交换设备
第一节 传热的基本公式
Q=KF△ tm
Q=单位时间的传热量 (KJ/H) W Kcal
K=传热系数 (kj/m2 H ℃) (W/ m 2℃)
F=传热面积 (m2 )
△ tm=载热体和吸热体的平均温差 (℃)
平均温差 ----△ tm
? 1、恒温传热
? △ tm =T-t
? 2、变温传热
? 稳定变温传热
? 不稳定变温传热
（ 2）变温下传热
? 存在较普遍
有两种型式：
? 1,稳定变温传热
? 2,不稳定变温传热
? 它是一边或两边流体的温度，只是沿传
热面随流动的距离而变化，不随时间而
变化，称稳定的变温传热。如乳品厂中
牛奶的冷却与予热。
? 另一种是传热面一边或两边的流体，温度不仅
沿传热面随流动距离变化，也随时间而变化，
此称不稳定变温传热。
? 如牛奶浓缩时，由于浓度增高，沸腾温度
发生了变化，但温度相差不大，仍按恒温传热
来考虑
稳定变温传热中，温度差应取平均值来计算：
? 当传热壁一边发生温
度变化 （ 图 3-1,图 3-
2）, 即一种流体为
恒温, 一种流体为变
温的传热时, 压缩氨
汽化温度或饱和蒸汽
冷凝温度均不变, 牛
奶温度变化, 即冷却
或加热 。
1．并流
? 传热壁两边流体以相同
方向流动 （ 图 3-3） 。
? 特点,
? 1,两流体起始温差和终
点温差的差值大,
? 2,传热的平均温差 △ tm
小, 传热不充分,
? 3,热交换强烈, 易结垢 。
? 例：牛奶予热由 5℃ 加热到 80℃,加热介质为
95℃ 热水，出口温度为 85时,
? 同一端最大温差△ t1=T1-t1=95-5=90℃,
? 同一端最小温差 △ t2 = T2-t2=85-80=5℃ 。
? △ t1-△ t2 =90-5=85℃
? 两流体的平均温差 △ tm= （ △ t1-△ t2）
/ln△ t1/△ t2
?∴ △ tm=（ 90-5） /ln90/5=85/ln18=29.4℃
2．逆流
两流体在传热壁两边，流动方向相反（图 3-4）。
? 牛奶加热采用逆流为
佳, 1,两流体在同
一端的较大温差和在
同一端的较小温差的
值小, 可减少结垢；
? 2,传热的平均温差
△ tm 大, 比 并流 大
25%,传热效果好,
热交换充分 。
如上例为逆流
? 同一端最大温差 △ t1 =T1-t2=85-5=80℃,
同一端最小温差 △ t2 = T1-t2=95-80=15℃
? △ t1-△ t2 =80-15=65℃
? △ tm=（ △ t1-△ t2） /ln△ t1/△ t2
? =（ 80-15） /ln80/15
? =38.9℃ （ 〉 29.4℃ ）
? 当 △ t1/△ t2〉 2时,
? 并流与逆流的传热平均温度差 △ tm异较明显 。
? 当 △ t1/△ t2≤ 2时,
? 两者的 △ tm没有差别, 可用算术平均值 。
? 即当 △ t1/△ t2≤ 2时, △ tm=（ △ t1+△ t2） /2。
工程设计上，用对数平均温差算图（图 3-5）计算，
迅速而又简便。
? 左边一条线, 把算出
的 （ 最小温差 ） △ t2
标上 。
? 右边一条线上, 标出
（ 最大温差 ） △ t1，
然后两点连直线, 交
当中一根线上的点的
标度, 即为所求的
△ tm。
第二节贮槽式热交换器
? 用途：低温杀菌、冷却、保温
? 构造：夹套桶体、搅拌器、外保温
? 类型：
? K值低,2500---6700KJ/M2.H.℃
夹层锅
? 烫漂、配制、煮制
? 固定、倾斜式
? 搅拌器 10--20r/min
第三节 列管式热交换器
? 传统换热器、热效率高、维护易
? 构造：壳体、管箱（封头）、管板、法兰、
换热管、进出口、隔板,折流 档板等
? 单程、多程
? 加热蒸气走壳程，物料走管程
? 材料,壳体 碳钢，不锈钢 管子 铜管、
铝管、碳钢，不锈钢 管
? 胀管、焊接管
（一）蒸汽在负压下加热的优点为：
? (1)与正压下蒸汽加热相比在负压下加热
蒸汽的潜热大, 蒸汽耗量相对减少 。 当
一定压力的蒸汽进入夹层后, 迅速降压,
瞬间处于过热状态 。 随后温度降至与真
空度相一致的温度, 从而提高了加热蒸
汽的潜热利用 。
? (2)对于在同样蒸汽压力负压状态下加热,
加热温度较低而且均匀 。 由于降低了加
热蒸汽与料液间的对数平均温度差 △ tm,
故管内壁 不易结垢或结焦 。
? (3)由于加热蒸汽温度低, 与外界温差小,
故设备外壳所 散失的热量较少 。
? (4)结构紧凑, 每单位体积所能供给传热
面积大, 热能利用率高, 传热系数大 。
? (5)加工容易, 加热面便于清洗, 处理能
力大, 适应性强, 能连续操作 。
(二 )料液流程选择
?
? 冷热流体如何流动。即那一种流体流管
内或在管外流动。通常用做料液加热器
或蒸汽冷凝器，一般蒸汽走管外，而冷
料液走管内。用做冷却器，热流体走管
内，冷水走管外
其原因如下：
? 1,易生结垢的流体走管内,管内流速大，
可抑制积垢快速生成，又结垢方便清理。
? 2,给热系数小的流体走管内,便于提高
流速，可增大给热系数。
? 3,压强大的流体走管内,考虑管子承高
压问题简单，直径越小，越容易解决耐
高压问题
? 4,腐蚀性流体走管内,只要管子耐腐蚀
即可。
? 5,热流体走管内,这样可减少热损失，
但蒸汽冷凝时，一般都在管外，便于排
除水。否则冷凝水聚集太多，影响传热
面积，同时蒸汽冷凝时给热系数大。
?
6,体积流量小的流体走管内 便于维持一
定的流速。
总之，流程选择主要考虑操作稳定、可
靠和方便，又要兼顾经济性，提高传热
系，其次，还应减少传热面积，减少设
备费用，减少金属消耗。 此外，还要考
虑冷热流体的流动方向，一般逆向流动
为好，逆流方向的平均温差殡并 流大，
所以需传面积可减少。
2．传热面积的布置
? 由传热面积公式,F＝ n*d*L
? 传热面积 F与管径 d,管数 n,管长 L有关 。
? (1)管径选择 直径小些为好, 因为单位
体积换热面积可大一些, 设备较紧凑,
流体的给热系数也高, 但压力降随管径
减少而增加, 这样不便清洗, 易堵塞,
故不宜太小 。
? 常 用 的 不 锈 钢 管 管 径 为 ф19× 2,
ф25× 2, ф25× 2.5, ф32X2.5,
ф38× 2.5,ф57× 3.5mm。
?
? 大直径管子多用于粘度大的流体，小直
径管子多用于清洁的流体。
? 管长根据车间空间大小，平面布置
等具体情况选取，一般为 1,1.5,2、
2.5,3,4和 6m，不超过 6—7m。太长不便
于清洗，现用长为 1.5—2m左右为宜，
? 管子数目 n＝ F/d*L*3.14 (3—19)
?
(2)流速选择
? 流速快，传热系数 K值大，可减少传面积，
但流速过快，动能消耗大。
? 料液在管内流动，其流速可高些，一般
Vo＝ 0.5—2m／ s； 在壳体内流速可低些，
为 0.2—1,5m／ s,流体粘度大时，应取
低速。气体在管内流速可取 5—30m／ s，
在壳程流速取 2—15m／ s。
? 为方便计算，气体流速在常压下，
一般取重量流速 2—20kg／ s。压强增加时，
气体的重量流速也相应增加。
?
第四节 片式热交换器
? 构造 传热片是用 1mm厚不锈钢板由水
压机冲压成型, 全悬挂于导杆上, 前端
有固定板, 旋紧在后支架上 。 压紧螺杆
可使压紧板与各传热片叠合在一起, 片
与片之间有一定间隙 。 调节垫圈厚度可
改变两片之间流体通道大小 。 每片的四
角上各开一孔口, 借圆环垫圈的紧封作
用,
使四个孔中只有两个孔口可与金属
片一侧的流道相通，另两个孔口则
与金属片另一侧的流道相通。冷热
两流体就在薄片的两边交替流动进
行热交换。拆卸时，只需转动压紧
螺杆，使压紧板及换热片沿导杆滑
动松开，清洗拆装均很力方便。
片式热交换器的特点
? (1)热效率较高, 由于片间空隙小,
冷热两流体都有很高的流速, 传热片上
又冲压成凹凸沟纹, 速度大小和方向不
断的突然改变, 流体通过时形成湍流状
态, 这样便有效地破坏边界层, 减薄了
边界层的热阻, 故可提高传热系数 K值 。
通常 K值可达 12560—14650kJ／ Mz。 h。 C
其他换热器 K 值为 5020—12560KJ ／
m2,h,C
片式热交换器的特点
? (2)结构紧凑, 占地面积小, 在较小的工
作体积内, 可容纳较多的传热面积 。
? (3)适应性强, 当改变工艺条件和生产能
力时, 只需增减传热片的片数, 改变片
的组合, 即能满足生产要求 。
片式热交换器的特点
? (4)特别适宜处理热敏感物料, 由于两
片间空隙小, 物料又以快速薄层通过,
故不致产生过热现象, 适宜牛奶, 水果
汁等食品的加热, 杀菌 。
? (5)便于清洗 。 因设备部件拆卸装配简单,
故便于清洗, 能保持良好的卫生条件 。
片式热交换器的特点
? (6)操作安全, 完全在密闭条件下操作,
物料不与空气接触, 工作可靠, 工作质
量好, 防止污染 。 从结构上能保证两种
液体不致相混 。 在热交换段, 原料乳处
于负压下, 保证不会混人正压下的杀菌
乳内 。 一旦发现泄漏事故, 从设备外面
即可发现 。
片式热交换器的特点
? (7)热量利用率高 。 数种流体可在同一
套设备进行热交换, 即在同一套设备内
可进行加热和冷却, 便于热量的回收,
即节约设备投资, 又可节约蒸汽与冷却
水 (约 75％ 一 85％ )。
? (8)能自动调节, 连续生产 。 装置中有自
动调节系统, 以保证安全连续生产, 提
高劳动生产率 。
主要缺点 是，胶垫耐用性差，使用寿
命短，常出现的问题如下：
? (1)脱垫 (垫圈从波纹片上脱落 ),当加
热温度到 60疆以上时, 易发生这种情况 。
? (2)垫圈伸长变形, 一般脱垫后, 再
粘结上去时, 会有 20一 30mm伸长变形,
无法再使用 。
? (3)老化, 垫圈耐热温度在 120疆左右,
温度过高时, 则垫圈易老化 。
? (4)在接头处漏泄, 有多方面原因, 如
安装不当, 或垫圈本身发生变形 。
?
? (5)密封垫圈断裂,垫圈质量差，也可能
超过耐热温度引起．
? (6)垫圈使用寿命短,由于上述原因，
在正常情况下，都要经常更换垫圈 (不超
过三个月更换一次 )，因密封周边长，消
耗垫圈多。
? 根据生产单位及资料介绍，用聚四
氟乙烯，硅树脂 (硅橡胶 )胶垫可耐高温
300疆，可使用一年左右。
片式热交换器的工艺计算
? 按生产要求 ------设备设计和选择或验算、
挖潜。
? 例：
第五节 筒式杀菌器
? 卧式、立式
? 罐头、饮料
