化工設(shè)備(換熱器)

換熱器精化1431班化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與設(shè)備制作人：王仕清，彭良均

換熱器定義:換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)的熱量交換設(shè)備，又稱熱交換器。1、表面式換熱器：表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開(kāi)的空間里流動(dòng)，通過(guò)壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。2、蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器通過(guò)固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過(guò)加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過(guò)固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。3、流體連接間接式換熱器：流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來(lái)的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。4、直接接觸式換熱器：直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。(二)換熱器按傳熱原理分類（二）換熱器按用途分類1、加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒(méi)有發(fā)生相的變化。2、預(yù)熱器：預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。3、過(guò)熱器：過(guò)熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過(guò)熱狀態(tài)。4、蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。（三）按換熱器的結(jié)構(gòu)分類夾套式、浸沒(méi)式、噴淋式、套管式和管殼式等。1.間壁式換熱器（1）夾套式換熱器（2）沉浸式蛇管換熱器（3）噴淋式換熱器（4）套管式換熱器套管式換熱器（5）板式換熱器（6）管殼式換熱器管殼式(又稱列管式)換熱器（7）雙管板換熱器也稱P型換熱器2.混合式換熱器(1)冷卻塔(或稱冷水塔)(2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)(3)噴射式熱交換器(4)混合式冷凝器3.蓄熱式換熱器4.新型換熱器（1氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器（2螺旋折流板換熱器（3新型麻花管換熱器（4螺旋管式換熱器（5變聲速增壓熱交換器換熱器類型混合式傳熱：冷熱兩種流體直接接觸，在混合過(guò)程中進(jìn)行熱交換。不常用，如涼水塔。間壁式換熱：參與傳熱的兩種流體被隔開(kāi)在固體間壁的兩側(cè)，冷、熱兩流體在不直接接觸的條件下通過(guò)固體間壁進(jìn)行熱量的交換。套管式換熱器冷溶液進(jìn)冷溶液出熱溶液進(jìn)熱溶液出二、間壁式換熱器（一）夾套式換熱器

主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻，將反應(yīng)器的筒體制成夾套，將加熱劑或冷卻劑通入夾套內(nèi)，通過(guò)夾套的間壁與反應(yīng)器內(nèi)的物料進(jìn)行換熱。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部連接管通入夾套內(nèi)，冷凝水由下部連接管排出，當(dāng)冷卻時(shí)，冷卻水從下部進(jìn)入，而由上部流出。為提高器內(nèi)物料一側(cè)的給熱系數(shù)，可在器內(nèi)設(shè)置攪拌器，使容器內(nèi)的流體作強(qiáng)制對(duì)流。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式（二）浸沒(méi)式蛇管換熱器

結(jié)構(gòu)：由肘管連接的直管，或由盤成螺旋狀的彎管所組成。蛇管形狀主要決定于容器形狀。將蛇管浸沒(méi)于容器中，即構(gòu)成蛇管式換熱器。當(dāng)管內(nèi)通入液體載熱體時(shí)，應(yīng)從蛇管的下部通入，當(dāng)管內(nèi)通入蒸汽加熱時(shí)，應(yīng)從蛇管的頂部通入，冷凝水經(jīng)蛇管下部的疏水器排出。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓；缺點(diǎn)：管外流體給熱系數(shù)小，為強(qiáng)化傳熱，可在器內(nèi)安裝攪拌器。

（三）噴淋式蛇管換熱器

通常用作冷卻器。將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水由管上方的噴淋裝置通過(guò)齒型堰板均勻噴灑在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盤內(nèi)。噴淋式換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是便于檢修和清洗，對(duì)冷卻水水質(zhì)可以適當(dāng)降低。（四）套管式換熱器結(jié)構(gòu)：直徑不同的金屬管裝配成的同心套管?？筛鶕?jù)換熱要求串聯(lián)使用。程數(shù)可依傳熱面積的大小而增減，并可數(shù)排并列。冷、熱流體一般呈逆流流動(dòng)，平均傳熱溫差大，并可達(dá)到較高的流速，形成湍流，具有較高的傳熱系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受較高壓力，應(yīng)用靈活；缺點(diǎn)：耗材多，占地面積大，難以構(gòu)成很大的傳熱面積，故一般適合于流體流量不大、傳熱負(fù)荷較小的場(chǎng)合。螺旋套管換熱器（五）螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋狀而構(gòu)成的。卷制后，在器內(nèi)形成兩條相互隔開(kāi)的螺旋形通道，在頂、底部分則焊有封頭和兩流體進(jìn)出口接管。其中有一對(duì)進(jìn)出口接管是設(shè)在園周邊上，而另一對(duì)進(jìn)出口則設(shè)在園鼓的軸心上。換熱時(shí)，冷、熱流體分別進(jìn)入兩條通道，在器內(nèi)作嚴(yán)格的逆流流動(dòng)。按流道布置和封頭形式可分為：I型結(jié)構(gòu)：兩個(gè)螺旋通道兩側(cè)完全焊接封閉，不可拆。兩流體均作螺旋運(yùn)動(dòng)，通常冷流體由外周流入，熱流體從中心流入，形成完全逆流流動(dòng)。主要用于液體與液體之間的傳熱。II型結(jié)構(gòu)：一個(gè)螺旋通道焊接封閉，另一通道的兩側(cè)敞開(kāi)。一流體作螺旋形流動(dòng)，另一流體則作軸向流動(dòng)。適合于兩流體的流量相差很大的場(chǎng)合。常做蒸汽冷凝器、氣體冷卻器使用。III型結(jié)構(gòu)：一流體作螺旋形流動(dòng)，另一流體則是軸向流動(dòng)和螺旋流動(dòng)的組合，適用于蒸汽的冷凝和冷卻。螺旋板式換熱器的特點(diǎn)傳熱系數(shù)高由于離心力的作用，可在較低Re數(shù)下出現(xiàn)湍流(Re=1400-1800)，允許流速可達(dá)2m/s，故傳熱系數(shù)較高，如水對(duì)水的換熱，傳熱系數(shù)可達(dá)2000-3000W/（m2·K）。不易堵塞由于流速較高，又是在螺旋流道內(nèi)流動(dòng)，能較好的發(fā)揮流體對(duì)板面的沖刷作用，因而流體中的懸浮物不易沉積下來(lái)。由于流道長(zhǎng)，可為完全逆流，便于控制溫度和利用低溫?zé)嵩?，操作時(shí)允許較低的溫度差，因此，在一些低溫差傳熱的場(chǎng)合，采用螺旋板換熱器比較合適。結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡(jiǎn)便

單位體積設(shè)備內(nèi)的傳熱面積約為列管式換熱器的3倍。操作壓力和溫度不能太高尤其是所能承受的壓力比較低，操作壓力只能在20atm以下，操作溫度約在300-400℃以下。不易檢修

整個(gè)換熱器已被卷制焊接為一個(gè)整體，一旦發(fā)生中間泄漏或其他故障，設(shè)備即告報(bào)廢。（六）板式換熱器1.固定壓緊板2.夾緊螺栓3.前端板

4.換熱板片5.密封墊片6.后端板

7.下導(dǎo)板8.后支柱9.活動(dòng)壓緊板

10.上導(dǎo)板板式換熱器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小很小的空間即可提供較大的換熱面積，不需另外的拆裝空間；相同使用環(huán)境下，其占地面積和重量是其他類型換熱器的1/3～1/5。傳熱系數(shù)高雷諾準(zhǔn)數(shù)>10時(shí)，即可產(chǎn)生劇烈湍流，一般總傳熱系數(shù)可高達(dá)3000～8000W/M2.K。端部溫差小逆流換熱，可達(dá)到1℃的端部溫差。熱損失小只有板片邊緣暴露，不需保溫，熱效率≥98%。適應(yīng)性好易調(diào)整通過(guò)改變板片數(shù)目和組合方式即可調(diào)節(jié)換熱能力，與變化的熱負(fù)荷相匹配。流體滯留量小對(duì)變化反應(yīng)迅速，拆裝簡(jiǎn)單，容易維護(hù)板片是獨(dú)立的單元體，拆裝簡(jiǎn)單，可將密封墊密閉的板片拆開(kāi)、清洗。結(jié)垢傾向低高度紊流、光滑板表面，使積垢機(jī)率很小，且具自清潔功能，不易堵塞。低成本使用一次沖壓成型的波紋板片裝配而成，金屬耗量低，當(dāng)使用耐蝕材料時(shí)，投資成本明顯低于其他的換熱器。缺點(diǎn)：處理能力不大，操作壓力比較低，一般不超過(guò)20atm，受墊片耐熱性的限制，操作溫度不能太高，一般合成橡膠墊不超過(guò)130℃，壓縮石棉墊圈也不超過(guò)250℃。（七）板翅式換熱器在兩塊平行金屬板之間夾入波紋狀金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體；將各單元體進(jìn)行不同的疊集和適當(dāng)?shù)嘏帕?，再用釬焊予以固定，形成逆流、并流和錯(cuò)流的板翅式換熱器組裝件(芯部或板束)；將帶有進(jìn)、出口的集流箱焊接到板束上。特點(diǎn)：傳熱效果更好、結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、鋸齒型翅片和多孔型翅片。傳熱效果好板翅促進(jìn)湍流，破壞傳熱邊界層的發(fā)展，總傳熱系數(shù)高，同時(shí)冷、熱流體間換熱不僅以平隔板為傳熱面，而且大部分熱量通過(guò)翅片換熱，因而具有很高的傳熱速率。結(jié)構(gòu)緊湊單位體積換熱器提供的傳熱面積一般能達(dá)到2500m2，最高可達(dá)到4300m2，而列管式換熱器只有160m2。輕巧牢固由于結(jié)構(gòu)緊湊，通常用鋁合金制造，在相同的傳熱面積下，其重量?jī)H為列管式換熱器的十分之一，波紋翅片不僅是傳熱面，又是兩板間的支撐，故強(qiáng)度很高。適應(yīng)性強(qiáng)，操作范圍廣由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高，特別適合于低溫和超低溫條件下的換熱。流道很小，容易堵塞而使壓降增大。換熱器內(nèi)一旦結(jié)垢，清洗和檢修困難，故處理的物料應(yīng)較清潔或預(yù)先進(jìn)行凈制。由于平隔板是用薄鋁片制成，故要求流體對(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。

（八）熱管換熱器結(jié)構(gòu)及工作原理：將一根金屬管的兩端密封，抽出不凝性氣體，充以一定量的某種工作液體而成。當(dāng)熱管的一端被加熱時(shí)，工作液體受熱沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流至冷卻端冷凝放出冷凝潛熱，冷凝液沿著具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的吸液芯在毛細(xì)管力的作用下回流至加熱段再次沸騰汽化，工作介質(zhì)如此反復(fù)循環(huán)，熱量則由熱管的軸向由加熱端傳至冷卻端。1—導(dǎo)管2—吸液芯3—蒸汽4—吸熱蒸發(fā)端5—保溫層6—放熱冷凝端用途：給熱系數(shù)很小的氣-氣換熱過(guò)程。當(dāng)液體和氣體換熱時(shí)，可將管外表面翅化以強(qiáng)化傳熱，但對(duì)氣-氣傳熱的情況，管內(nèi)的傳熱強(qiáng)化則比較困難；熱管可把管內(nèi)的對(duì)流傳熱轉(zhuǎn)化為管外表面的傳熱，從而可采用加裝翅片的方法進(jìn)行強(qiáng)化。例如利用熱管換熱器回收鍋爐排出的煙氣余熱預(yù)熱燃燒所需空氣，效果良好；由于熱管兩端的管外表面被翅化，管外對(duì)流傳熱強(qiáng)化，管內(nèi)籍助工作液體的沸騰和冷凝過(guò)程來(lái)傳熱，而沸騰和冷凝的給熱系數(shù)很大，因而熱管的傳熱速率很高；若將熱管的傳熱速率折算成管體軸向表觀導(dǎo)熱系數(shù)，則熱管的導(dǎo)熱率是銀的1000倍以上（九）列管式換熱器列管式換熱器工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)：管束與焊接在殼體的兩端管板連接。在殼體內(nèi)，沿管長(zhǎng)方向裝置有若干塊折流擋板；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜；缺點(diǎn)：管外不能機(jī)械清洗，管板、管子和殼體都是剛性連接，當(dāng)管壁和殼壁的溫度相差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，甚至將管子從管板上拉脫。解決方法補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式U

型管式換熱器結(jié)構(gòu)：管子彎制成U型，U型管的兩頭固定在同一塊管板上，與管板連接的封頭內(nèi)用隔板隔成兩室。優(yōu)點(diǎn)：管子受熱受冷可以自由伸縮，而與殼體無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，管束可以拔出清洗。缺點(diǎn)：管內(nèi)的機(jī)械清洗困難，只能走清潔流體。浮頭式換熱器我國(guó)已有標(biāo)準(zhǔn)化的列管式換熱器系列產(chǎn)品供選用。例如：型號(hào)為FB800-180-16-4換熱器，F(xiàn)B表示浮頭式B型，25×2.5mm換熱管，正方形排列，殼體公稱直徑800mm，公稱傳熱面積180m2，公稱壓力16kgf/cm2，管程數(shù)為4。結(jié)構(gòu)：一塊管板與殼體固定，另一塊管板可以在殼體內(nèi)來(lái)回活動(dòng)，并連接一浮頭，當(dāng)管束受熱受冷時(shí)即可自由伸縮。浮頭式換熱器各有一個(gè)內(nèi)浮頭和一個(gè)外浮頭。優(yōu)點(diǎn)：有良好的熱補(bǔ)償性能，管束可從殼體中拔出清洗；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。填料函式換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。填料函式折流擋板作用：提高管外的給熱系數(shù)；形狀：園缺型、園盤型、分流型等；擋板的形狀和間距必須適當(dāng)，方能取得良好效果。以弓形為例，缺口的高度一般取為殼體內(nèi)徑的10-40%，常見(jiàn)的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。擋板間距過(guò)大，流速小，不能保證流體垂直流過(guò)管束，管外h

；間距過(guò)小，流