第四章 第七節(jié)

1、第七節(jié) 換熱器一、換熱器的類型二、列管式換熱器的基本型式三、新型換熱器四、各種間壁式換熱器的比較和傳熱的強(qiáng)化途徑一、換熱器的類型一、換熱器的類型根據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法間壁式混合式蓄熱式換熱面的型式 管式板式翅片式1、管式換熱器、管式換熱器 1）沉浸式換熱器）沉浸式換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀（多盤成蛇形，常稱蛇管），并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管內(nèi)、外的兩種流體進(jìn)行熱量交換。幾種常見的蛇管形式如圖所示。優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，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)程度低，管外對(duì)流傳熱系數(shù)小。 2）噴淋式換熱器）噴淋式換熱器噴淋式換熱器也為蛇

2、管式換熱器，多用作冷卻器。這種換熱器是將蛇管成行地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，自最下管進(jìn)入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管流下，均勻地分布在蛇管上，并沿其兩側(cè)逐排流經(jīng)下面的管子表面，最后流入水槽而排出，冷水在各排管表面上流過時(shí)，與管內(nèi)流體進(jìn)行熱交換。這種換熱器的管外形成一層湍動(dòng)程度較高的液膜，因而管外對(duì)流傳熱系數(shù)較大。另外，噴淋式換熱器常放置在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中汽化時(shí)也帶走一部分熱量，提高了冷卻效果。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果要好得多。同時(shí)它還便于檢修和清洗等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。3）套管式換熱器）套管式換熱器 套管式換熱器是由大小不同的直管制成的同心

3、套管，并由U型彎頭連接而成。每一段套管稱為一程，每程有效長(zhǎng)度約為46m，若管子過長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲。 在套管式換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙適當(dāng)選擇兩管的管徑，兩流體均可得到較高的流速，且兩流體可以為逆流，對(duì)傳熱有利。另外，套管式換熱器構(gòu)造較簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，應(yīng)用方便 缺點(diǎn)：管間接頭多，易泄露，占地較大，單位傳熱面消耗的金屬量大。因此它較適用于流量不大，所需傳熱面積不多而要求壓強(qiáng)較高的場(chǎng)合。4）列管式換熱器）列管式換熱器 優(yōu)點(diǎn) ：?jiǎn)挝惑w積所具有的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、緊固傳熱效果好。能用多種材料制造，故適用性較強(qiáng)，操作彈性較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中多

4、采用列管式換熱器。 在列管式換熱器中，由于管內(nèi)外流體溫度不同，管束和殼體的溫度也不同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫差較大，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備變形，管子彎曲，甚至破裂或從管板上松脫。因此，當(dāng)兩流體的溫差超過50時(shí)，就應(yīng)采用熱補(bǔ)償?shù)拇胧?。根?jù)熱補(bǔ)償方法的不同，列管式換熱器分為以下幾種主要形式：（1）固定管板式 固定管板式的兩端管板和殼體制成一體。因此它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是殼程清洗和檢修困難，要求殼程流體必須是潔凈而不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)

5、外殼和管束不同的熱膨脹程度。這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不宜應(yīng)用兩流體溫差過大（應(yīng)不大于70）和殼程流體壓強(qiáng)過高的場(chǎng)合。（2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的特點(diǎn)是有一端管板不與外殼連為一體，可以沿軸向自由浮動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不但完全消除了熱應(yīng)力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與殼體連接，整個(gè)管束可以從殼體中抽出，因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。（3）U型管式換熱器 U型管式換熱器每根管子都彎成U型，進(jìn)出口分別安裝在同一管板的兩側(cè)，封頭用隔板分成兩室。這樣，每根管子可以自由伸縮。而與其他管子和殼體均無關(guān)。這種換熱器結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，重量輕，但管程不易清洗，只適用于潔

6、凈而不易結(jié)垢的流體，如高壓氣體的換熱。2、板式換熱器、板式換熱器 1）夾套式換熱器）夾套式換熱器 夾套式換熱器式最簡(jiǎn)單的板式換熱器，它是在容器外壁安裝夾套制成，夾套與容器之間形成的空間為加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的通路。這種換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱 或冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時(shí)，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部接管進(jìn)入，由上部接管流出。夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其加熱面受容器的限制，且傳熱系數(shù)也不高。為提高傳熱系數(shù)，可在器內(nèi)安裝攪拌器，為補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在器內(nèi)安裝蛇管。2）螺旋板式換熱器）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器是由兩張間隔一定的平

7、行薄金屬板卷制而成，在其內(nèi)部形成兩個(gè)同心的螺旋形通道。換熱器中央設(shè)有隔板，將螺旋形通道隔開，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距。在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷熱流體分別通過兩條通道，在器內(nèi)逆流流動(dòng)，通過薄板進(jìn)行換熱。螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)： 1）傳熱系數(shù)高：螺旋流道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾，在較低的雷諾數(shù)（一般Re=14001800或更低些）下即達(dá)到湍流，并且允許選用較高的流速（對(duì)液體為2m/s，氣體為20m/s），故傳熱系數(shù)較高。如水對(duì)水的換熱，其傳熱系數(shù)可達(dá)20003000W/（m2.K），而列管式換熱器一般為10002000 W/（m2.K）。2）不易結(jié)垢和堵塞：由于流體的速度較

8、高，又有慣性離心力的作用，流體中懸浮的顆粒被拋向螺旋形通道的外緣而受到流體本身的沖刷，故螺旋板換熱器不易結(jié)垢和堵塞，適合處理懸浮液及粘度較大的介質(zhì)。 3）能利用溫度較低的熱源：由于流體流動(dòng)的流道較長(zhǎng)和兩流體可進(jìn)行完全逆流，故可在較小的溫差下操作，能充分利用溫度較低的熱源。4）結(jié)構(gòu)緊湊：?jiǎn)挝惑w積的傳熱面積為列管式的3倍，可節(jié)約金屬材料。 螺旋板換熱器的主要缺點(diǎn)是：（1）操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高：目前最高操作壓強(qiáng)不超過2Mpa，溫度不超過300400。（2）不易檢修：因整個(gè)換熱器被焊成一體，一旦損壞，修理很困難。1 3）平板式換熱器 平板式換熱器簡(jiǎn)稱板式換熱器，是由一組長(zhǎng)方形的薄金屬板平行排列，加緊

9、組裝于支架上而構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有一對(duì)圓孔和一組板間流道相通，另外一對(duì)圓孔則通過在孔的周圍放置墊片而阻止流體進(jìn)入該組板間的通道。這兩對(duì)圓孔的位置在相鄰板上是錯(cuò)開的以分別形成兩流體的通道。冷熱流體交錯(cuò)地在板片兩側(cè)流過，通過板片進(jìn)行換熱。板片厚度約為0.53mm，通常壓制成凹凸地波紋狀。例如人字形波紋板。增加了板的剛度以防止板片受壓時(shí)變形，同時(shí)又使流體分布均勻，增強(qiáng)了流體湍動(dòng)程度和加大了傳熱面積，有利于傳熱。 平板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是： 1）傳熱系數(shù)高：由于平板式換熱器中板面有波紋或溝槽，可

10、在低雷諾數(shù)（Re=200左右）下即達(dá)到湍流。而且板片厚度又小，故傳熱系數(shù)大。例如水對(duì)水的傳熱系數(shù)可達(dá)15004700W/（m2.）。2）結(jié)構(gòu)緊湊：一般板間距為46mm，單位體積設(shè)備可提供的傳熱面為2501000m2/m3（列管式換熱器只有40150 m2/m3）。平板式換熱器的金屬消耗量可減少一半以上。3）具有可拆結(jié)構(gòu)：可根據(jù)需要，用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的方法增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修、清洗也都比較方便。平板式換熱器的主要缺點(diǎn)是允許的操作壓強(qiáng)和溫度都比較低。通常操作壓強(qiáng)低于1.5Mpa，最高不超過2.0Mpa，壓強(qiáng)過高容易泄露。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250。另外由于兩板的間距

11、僅幾毫米，流通面積較小，流速又不大，處理量較小。螺旋板式換熱器和平板式換熱器都具有結(jié)構(gòu)緊湊，材料消耗低，傳熱系數(shù)大的特點(diǎn)，都屬于新型的高效緊湊式換熱器。這類換熱器一般都不耐高溫高壓，但對(duì)于壓強(qiáng)較低，溫度不高或腐蝕性強(qiáng)而需用貴重材料的場(chǎng)合，則顯示出更大的優(yōu)越性，目前已廣泛應(yīng)用于食品、輕工和化學(xué)等工業(yè)。3、翅片式換熱器、翅片式換熱器 1） 翅片管換熱器翅片管換熱器翅片管換熱器是在管的表面加裝翅片制成，翅片與管表面的連接應(yīng)緊密無間，否則連接處的接觸熱阻很大，影響傳熱效果。常用的連接方法有熱套、鑲鉗、張力纏繞和焊接等方法。此外，翅片管也可采用整體軋制、整體鑄造或機(jī)械加工等方法制造。當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱

12、系數(shù)相差較大時(shí)，在傳熱系數(shù)較小的一側(cè)加翅片可以強(qiáng)化傳熱。 例如用水蒸氣加熱空氣，該過程的主要熱阻是空氣側(cè)對(duì)流傳熱熱阻。在空氣側(cè)加裝翅片，可以起到強(qiáng)化換熱器傳熱的效果。當(dāng)然，加裝翅片會(huì)使設(shè)備費(fèi)提高，但一般，當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比超過3：1，采用翅片管換熱器經(jīng)濟(jì)上是合算的。近年來用翅片管制成的空氣冷卻器（簡(jiǎn)稱空冷器）在化工中應(yīng)用很廣。用空冷代替水冷，不僅在缺水地區(qū)適用，而且在水源充足的地方，采用空冷也可取得較大的經(jīng)濟(jì)效果。 1 2)板翅式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器是一種更為高效、緊湊、輕巧的換熱器，過去由于制造成本較高，僅用于宇航、電子、原子能等少數(shù)部門。現(xiàn)在已逐漸用于石油化工及其它工業(yè)

13、部門，取得良好效果。 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但是基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板之間，加入波紋狀或其它形狀的金屬翅片，將兩側(cè)面封死，即成為一個(gè)換熱基本元件。將各基本元件進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕?，并用釬焊固定，即可制成并流、逆流或錯(cuò)流的板束（或稱芯部），然后再將帶由流體進(jìn)出口的接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。我國(guó)目前常用的翅片形式有光直型翅片、鋸齒型翅片和多孔型翅片三種板翅式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)高度緊密、輕巧、單位體積設(shè)備所提供的傳熱面一般能達(dá)到2500 m2/m3，最高可達(dá)4300 m2/m3。通常用鋁合金制造，故重量輕，在相同的傳熱面下，其重量約為列管式的十分之一

14、。由于翅片促進(jìn)了流體的湍動(dòng)并破壞了熱邊界層的發(fā)展，故其傳熱系數(shù)較高；另外鋁合金不僅導(dǎo)熱系數(shù)高，而且在零度以下操作時(shí)，其延性和抗拉強(qiáng)度都很高，適用于低溫和超低溫的場(chǎng)合，故操作范圍廣，可在200至絕對(duì)零度范圍內(nèi)使用。同時(shí)因翅片對(duì)隔板有支撐作用，板翅式換熱器允許操作壓強(qiáng)也比較高，可達(dá)5MPa。這種換熱器的缺點(diǎn)是設(shè)備流道很小，易堵塞，且清洗和檢修困難，故所處理的物料應(yīng)較潔凈或預(yù)先凈制；另外由于隔板的翅片均由薄鋁板制稱成，故要求介質(zhì)對(duì)鋁不腐蝕。 4、 熱管熱管 熱管是60年代中期發(fā)展起來堵塞一種新型傳熱元件。它是由一根抽除不凝性氣體的密封金屬管內(nèi)充以一定量的某種工作液體而成。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰

15、汽化，產(chǎn)生的蒸汽流至冷端冷凝放出潛熱，冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷從熱端傳至冷端。冷凝液的回流可以通過不同的方法（如毛細(xì)管作用、重力、離心力）來實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用最廣的方法是獎(jiǎng)具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的吸液芯裝在管的內(nèi)壁，利用毛細(xì)管的作用是冷凝液由冷端回流至熱端采用不同的工作液體（氨、水、汞等）。熱管可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使用。 熱管的傳熱特點(diǎn)是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)行，由于沸騰和冷凝的對(duì)流傳熱強(qiáng)度都很大，兩端管表面比管截面大很多，而蒸汽流動(dòng)阻力損失又較小，因此熱管兩端溫差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。與熱管截面相同的金屬壁面的導(dǎo)熱能力比

16、較，熱管的導(dǎo)熱能力可達(dá)最良好的金屬導(dǎo)熱體的103104倍。因此它特別適用于低溫差傳熱以及某些等溫性要求較高的場(chǎng)合。 熱管的這種傳熱特性為器（或室）內(nèi)外的傳熱強(qiáng)化提供了極有利的手段。例如器兩側(cè)均為氣體的情況，通過器壁裝熱管，增加熱管兩端的長(zhǎng)度，并在管外裝翅片，就可以大大加速器內(nèi)外的傳熱。此外，熱管還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，工作可靠，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。熱管最初主要應(yīng)用于宇航和電子工業(yè)部門，近年來在很多領(lǐng)域都受到了廣泛的重視，尤其在工業(yè)余熱的利用上取得了很好的效果。二、換熱器傳熱過程的強(qiáng)化二、換熱器傳熱過程的強(qiáng)化 1、傳熱過程的強(qiáng)化途徑、傳熱過程的強(qiáng)化途徑 換熱器的強(qiáng)化，就是提高換熱器中冷、熱流體

17、間的傳熱速率。 1）增大傳熱面積）增大傳熱面積 增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱速率。但是增大傳熱面積不能靠增大換熱器的尺寸來實(shí)現(xiàn)，而是要從設(shè)備的結(jié)構(gòu)入手，提高單位體積的傳熱面積。如采用小直徑管，用螺旋管、波紋管代替光滑管，采用翅片式換熱器等都是增大傳熱面積的有效方法。1 2） 增大平均溫差增大平均溫差平均溫差的大小主要取決與兩流體的溫度條件。物料的溫度由生產(chǎn)工藝所決定，一般不能隨意變動(dòng)，而加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)溫度由于所選介質(zhì)不同，可以有很大差異，如化工中常用的加熱介質(zhì)是飽和水蒸氣，提高蒸汽的壓強(qiáng)就可以提高蒸汽的溫度。但提高介質(zhì)的溫度必須考慮到技術(shù)上的可能和經(jīng)濟(jì)上的合理。當(dāng)換熱器中兩流體均無相

18、變時(shí)，應(yīng)盡可能從結(jié)構(gòu)上采用逆流或接近逆流的流向以得到較大的傳熱溫差。1 3）增大傳熱系數(shù)增大K值是在強(qiáng)化過程中應(yīng)該著重考慮的方面。由于換熱器中的傳熱過程是穩(wěn)態(tài)的串聯(lián)傳熱過程，欲提高K值，就必須減小對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻。由于各項(xiàng)熱阻所占比重不同，故應(yīng)設(shè)法減小其中較大的熱阻。在換熱設(shè)備中，金屬壁面比較薄且導(dǎo)熱系數(shù)高，一般不會(huì)成為主要熱阻。污垢熱阻是一個(gè)可變因素，在換熱器投入使用時(shí)，污垢熱阻很小，不會(huì)成為主要矛盾。但隨著使用時(shí)間加長(zhǎng)，便可能成為阻礙傳熱的主要因素。因此，應(yīng)通過增大流速等手段設(shè)法減弱垢層的形成和發(fā)展，并注意及時(shí)清除污垢。對(duì)流傳熱熱阻經(jīng)常是傳熱過程的主要矛盾，也應(yīng)是著重研究的內(nèi)容。當(dāng)換熱器壁面兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，應(yīng)設(shè)法強(qiáng)化對(duì)流傳熱系數(shù)小的一側(cè)的換熱。提高對(duì)流傳熱系數(shù)，減小對(duì)流傳熱熱阻的主要途徑是減小層流邊界層或?qū)恿鞯讓拥暮穸?，通常采用的具體