換熱器類型和結(jié)構(gòu)教材

1、換熱器類型和結(jié)構(gòu) 內(nèi)容 1、換熱器的定義 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，即在一個(gè)大的密閉 容器內(nèi)裝上水或其他介質(zhì)，而在容器內(nèi)有管道穿過。讓熱水從管道內(nèi)流過。由 于管道內(nèi)熱水和容器內(nèi)冷熱水的溫度差，會(huì)形成熱交換，也就是初中物理的熱 平衡，高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞，這樣就把管道里水的熱量交換給 了容器內(nèi)的冷水，換熱器又稱熱交換器。 2、換熱器的分類與結(jié)構(gòu) 換熱器按用途分類可以分為：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸 器、蒸氣發(fā)生器、廢熱（或余熱）鍋爐。 按換熱方式可以分為：直接接觸式換熱器（又叫混合式換熱器）、蓄熱 式換熱器和間壁式換熱器。 下面主要介紹一下按換熱方式分類

2、的換熱器： 1）直接接觸式換熱器 直接接觸式交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這 種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良 好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式 熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、 蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以 及其它許多生產(chǎn)部門。常用的混合式換熱器有：冷卻塔、氣體洗滌塔、噴射 式換熱器和混合式冷凝器。 2）蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱 量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時(shí)用金屬波形帶等）。

3、換熱分兩個(gè)階段進(jìn) 行。第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階 段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱。這兩個(gè)階段交替 進(jìn)行。通常用兩個(gè)蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一 器。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學(xué)工業(yè)，如煤氣爐中的 空氣預(yù)熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。 3）間壁式換熱器此類換熱器中，冷熱倆流體間用一金屬隔開，以便倆種流體不 相混合而進(jìn)行熱量傳遞。在化工生產(chǎn)中冷熱流體經(jīng)常不能直接接觸，故而間壁 式換熱器是最常用的一種換熱器。下面主要介紹一下間壁式換熱器的分類： a）夾套式換熱器 由容器外壁安裝夾套制成。（

4、如圖所示） 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡單；但其加熱面受容器壁 面限制，傳熱系數(shù)也不高為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在 釜內(nèi)安 裝攪拌器當(dāng)夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時(shí)，亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔 板或其它增加湍動(dòng)的措施，以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)為補(bǔ)充傳熱面的不足， 也可在釜內(nèi)部安裝蛇管夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。 b）蛇管式換熱器 蛇管式換熱器又分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管換熱器。沉浸式 蛇管換熱器如圖所示 蛇管多以金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體中。 其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。 缺點(diǎn)：容器內(nèi)液體湍動(dòng)程

5、度低，管外給熱系數(shù)小 將換熱管成排地固定在鋼架上 熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在裝置上方均 勻淋下。 優(yōu)點(diǎn)：熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在裝置上方均勻淋下。傳熱系數(shù)大， 故噴淋式換熱器傳熱效果優(yōu)于沉浸式蛇管換熱器。但是期要在 露天放置，占地位置大而且水容易濺到周圍環(huán)境，使用起來不方便。 C）套管式換熱器 （如圖所示）由套管式換熱器是由直徑不同的直 管制成的同心套管，并用u形彎頭連接而成。因?yàn)楣軆?nèi)管外流體流速較 大。 冷、熱流體可以作純逆流，故而其傳熱系數(shù)大，傳熱效果好。常用的水伴熱就 是一種簡易的套管式換熱器d）管殼式換熱器 管殼式（又稱列管式）換熱器是最典型的間壁式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng) 用有著悠久

6、的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。 B迅體A流體 管箱 換熱管折流板 /T7 管板支座殼體 A流體 | B流體 列管式換熱器 管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和圭寸頭等部分組成，殼體多呈圓 形，內(nèi)部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的 兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼 程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一 定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路，增加流 體速度，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動(dòng)程度大為增加。常用 的檔板有圓缺形和圓盤形兩種（如下圖所示），前者應(yīng)用更為

7、廣泛流體在管 內(nèi)每通過管束一次稱為一個(gè)管程，每通過殼體一次稱為一個(gè)殼 程。為提高管內(nèi)流體的速度，可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板，將全部管子平 均 分隔成若干組。這樣，流體可每次只通過部分管子而往返管束多次，稱為多管 程。同樣，為提高管外流速，可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過 殼體空間，稱多殼程。在管殼式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)外流體溫度不同，殼體和 管束的溫度也不同。如兩者溫差很大，換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力 可能使 管子彎曲，斷裂或從管板上松脫。因此，當(dāng)管束和殼體溫度差超過50C時(shí)，應(yīng)采 取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施，消除或減小熱應(yīng)力。 附4好圖缺形新流擔(dān)板 禹442岡犠形靳訊押板 補(bǔ)償方法： 在殼體上

8、附有膨脹圈或者采用U形管換熱器和浮頭式換熱器。 固定管板式換熱器 當(dāng)冷熱流體溫差不大時(shí)，可采用固定管板式換熱器。 它結(jié)構(gòu)簡單成本低，但清洗困難，不適用于易結(jié)垢的流體和溫差較大的流體。 如果溫差不是很大，可采用帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。下圖為帶有補(bǔ)償 圈的固定管板式換熱器。 浮頭式換熱器 如上圖所示為浮頭式換熱器，它兩端的管板一端可沿軸向自由浮動(dòng)，從 而消除 熱應(yīng)力。而且整個(gè)管束可從殼體中抽岀，便于清洗和檢修。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造 價(jià)較高。工業(yè)上一般都使用這種換熱器。 U形管換熱器 如上圖為U形管換熱器，U形管換熱器的每根換熱管都彎成U形，進(jìn)出口分 別安裝在同一管板的兩側(cè)，封頭以隔板分成兩室。每

9、根管可自由伸縮，與外殼 無關(guān)。從而消除熱應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)比浮頭式換熱器簡單。但管程不易清洗，使用 有很大的局限性只適用于潔凈流體。 e）板式換熱器 板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板片構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝 于支架上。兩個(gè)相鄰板片的邊緣襯以墊片（各種橡膠或壓縮石棉等制成）壓 緊，板片四角有圓孔，形成流體的通道。 0 6 2 34 5 （切板式換熱湍流程示意 （亦板式換熱器結(jié)構(gòu)分脾亦比 7 8 1上導(dǎo)桿；2墊片；3傳熱板片；4角孔; 5前支柱；6固定端板；7下導(dǎo)桿；8活動(dòng)端板 板式換熱器和管殼式換熱器的區(qū)別： a. 傳熱系數(shù)高由于不同的波紋板相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，使流體在波 紋板間流道內(nèi)

10、呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，能在較低的雷諾數(shù)（一般Re=50200下產(chǎn)生紊 流，所以傳熱系數(shù)高，一般認(rèn)為是管殼式的3適倍。 b. 對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程 和殼程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流流動(dòng)，對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)小，而板式換熱器 多是并流或逆流流動(dòng)方式，其修正系數(shù)也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體 在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面、無旁流，因此使得板式換熱器的末端溫 差小，對(duì)水換熱可低于1C,而管殼式換熱器一般為5C. c. 占地面積小板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式的 2飛倍，也不像管殼式那樣要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)所，因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱 量，板式換熱

11、器占地面積約為管殼式換熱器的1/51/8。 c.容易改變換熱面積或流程組合，只要增加或減少幾張板，即可達(dá)到增加或 減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達(dá)到所要求的流程 組合，適應(yīng)新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾 乎不可能增加 d. 重量輕板式換熱器的板片厚度僅為0. 40. 8mm,而管殼式換熱器 的換熱管的厚度為2. 02. 5mm,管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式 換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。 e. 價(jià)格低 采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價(jià)格比管 殼式 約低40%60% f. 制作方便板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，并

12、可 大批生產(chǎn)，管殼式換熱器一般米用手工制作。 g. 容易清洗框架式板式換熱器只要松動(dòng)壓緊螺栓，即可松開板束，卸下 板片進(jìn)行機(jī)械清洗，這對(duì)需要經(jīng)常清洗設(shè)備的換熱過程十分方便。 i. 熱損失小板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散 熱損失可以忽略不計(jì)，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔 熱層。 h. 容量較小是管殼式換熱器的10%20% i.單位長度的壓力損失大由于傳 熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管 的壓力損失大。 j.不易結(jié)垢由于內(nèi)部充分湍動(dòng)，所以不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管 殼式換熱器的1/31/10. k.工作壓力不宜過大，介質(zhì)溫度不宜過高，有可能泄露 板式換熱器采用密封墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5MPa, 介質(zhì)溫度應(yīng)在低于250C以下，否則