換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量交換的設(shè)備。它工藝過程必不可少的單元設(shè)備，廣泛用于石油、化工、輕工、制藥、食品、機(jī)械、冶金、動(dòng)力等工程領(lǐng)域中。今天我們就來**了解下?lián)Q熱器。

　　換熱器的分類

　　1、按作用原理分

　?。?）直接接觸式換熱器(混和式換熱器)

　　冷、熱流體直接接觸，相互混和傳遞熱量。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高。

　　適于冷、熱流體允許混和的場合。

　　如涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。

　?。?）蓄熱式換熱器(回流式換熱器、蓄熱器)

　　借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然后與冷流體接觸，將熱量傳遞給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，體積龐大，不能完全避免兩種流體的混和。

　　適于高溫氣體熱量的回收或冷卻。

　　如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

　?。?）間壁式換熱器(表面式換熱器、間接式換熱器)

　　冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鬟f給冷流體。形式多樣，應(yīng)用廣泛。本章介紹此類換熱器。

　　適于冷、熱流體不允許混和的場合。

　　如各種管殼式、板式結(jié)構(gòu)的換熱器。

　　2、按用途分

　　加熱器：用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。

　　預(yù)熱器：用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的效率。

　　過熱器：用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀態(tài)。

　　蒸發(fā)器：用于加熱液體，使其蒸發(fā)汽化。

　　再沸器：用于加熱已被冷凝的液體，使其再受熱汽化。為蒸餾過程專用設(shè)備。

　　冷卻器：用于冷卻流體，使其達(dá)到所需溫度。

　　冷凝器：用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結(jié)液化。

　　3、按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分

　?。?）管式換熱器

　　通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片式換熱器等。應(yīng)用*廣。

　?。?）板式換熱器

　　通過板面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式、熱板式換熱器等。

　?。?）特殊形式換熱器

　　根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式、熱管、同流式換熱器等。

　　4、按所用材料分

　?。?）金屬材料換熱器

　　由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大，故此類換熱器的傳熱效率高。

　　（2）非金屬材料換熱器

　　有非金屬材料制成的換熱器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，故此類換熱器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。

　　換熱器的結(jié)構(gòu)形式

　　1、管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式

　?。?）列管式換熱器(管殼式換熱器)

　　它結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積所具有的傳熱面積較大(40～150m2/m3)，傳熱效果好，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，尤其適用于高溫、高壓和大型裝置中，是管式換熱器中應(yīng)用*普遍的換熱器。

　　在列管式換熱器中，由于管內(nèi)外流體溫度不同，使管束和殼體的受熱程度不同，導(dǎo)致它們的熱膨脹程度出現(xiàn)差別。若兩流體溫差較大，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，管子彎曲甚至破裂，嚴(yán)重時(shí)從管板上脫落。因此當(dāng)兩流體的溫度差超過50℃時(shí)，就應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取相應(yīng)的熱補(bǔ)償措施。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同，列管式換熱器分為三種形式。

　?。?）固定管板式換熱器

　　它是將兩端管板和殼體連接在一起，因而具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于殼程清洗和檢修困難，管外物料應(yīng)清潔、不易結(jié)垢 。對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊上補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))，通過補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度，如圖示。這種補(bǔ)償方法簡單但有限，只適用于兩流體溫差小于70℃，殼程流體壓強(qiáng)小于0.6MPa的場合。

　　2、浮頭式換熱器

　　它是將一端管板與殼體相連，而另一端管板不與殼體固定連接，可以沿軸向自由浮動(dòng)，如圖示。這種結(jié)構(gòu)不但可完全消除熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時(shí)整個(gè)管束可以從殼體中抽出。因而盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，但應(yīng)用較為普遍。

　　3、U型管式換熱器

　　它是將每根管子都彎成U型狀，兩端固定在同一管板的兩側(cè)，管板用隔板分成兩室，如圖示。這種結(jié)構(gòu)使得每根管子可以自由伸縮，與其它管子和殼體無關(guān)，從而解決了熱補(bǔ)償問題。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可用于高溫高壓，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低。

　　4、蛇管式換熱器

　?。?）沉浸式蛇管換熱器

　　蛇管多以金屬管彎繞而成，或制成適應(yīng)各種容器需要的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在管內(nèi)外流動(dòng)通過蛇管表面進(jìn)行換熱，如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流傳熱系數(shù)小，傳熱效果可通過增設(shè)攪拌提高，此外傳熱面積有限，主要用于傳熱量不大的容器中。

　　（2）噴淋式蛇管換熱器

　　如圖示，將蛇管成排地固定在支架上，冷卻水由*上層管的噴淋裝置中均勻淋下，沿管表面流過，與管內(nèi)熱流體換熱。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果較沉浸式好，傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗方便。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。

　　主要用于管內(nèi)流體的冷卻，常設(shè)置在室外空氣流通處，

　　5、套管式換熱器

　　將兩種直徑不同的直管制成同心套管，根據(jù)換熱要求將若干段套管連接組合而成，如圖示。

　　每段套管稱為一程，長約4～6m，每程的內(nèi)管依次與下一程的內(nèi)管用U型彎頭連接，外管之間也由管子連通，可同時(shí)幾排并列，每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，而且兩種流體可始終保持逆流換熱，Δtm大。適當(dāng)選擇兩管的直徑，兩流體可得到較高的流速，故一般具有較高的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積易于增減；缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬耗用量大，一般用于換熱量不大的場合。

　　翅片管式換熱器

　　它是在管的表面上加裝一定形式的翅片，有橫向和縱向兩類。

　　翅片管換熱器主要用于兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，在h小的一側(cè)加裝翅片，從而增大傳熱面積，提高流體的湍動(dòng)程度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。

　　為了使換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高單位體積的傳熱面積，增加傳熱效果，以及適應(yīng)某些工藝過程的需要等，開發(fā)了以板狀作為傳熱面積的換熱器，稱為板式換熱器。

　　1、平板式換熱器

　　由一組長方形的金屬薄板平行排列在一起，采用夾緊裝置組裝于支架上而構(gòu)成，見圖。而相鄰板間的邊緣襯有墊片(橡膠或壓縮石棉等)，壓緊后板內(nèi)形成密封的液體通道。每塊板的4個(gè)角上有圓孔，其中一對(duì)圓孔和板間相通，而另外一對(duì)圓孔通過加裝墊片和板內(nèi)相隔，在相鄰板上錯(cuò)開以分別形成兩流體通道，從而使兩流體交錯(cuò)地流過板片兩側(cè)通過板片進(jìn)行換熱。板厚通常為0.5～3mm，板面壓制成波紋狀，兩板間距4～6mm，材質(zhì)一般為不銹鋼。

　　特點(diǎn)是：

　　(1)總傳熱系數(shù)高。因板面壓制成波紋狀，流動(dòng)湍動(dòng)程度大，污垢熱阻小，在低雷諾數(shù)(Re=200左右)下即達(dá)到湍流，而且板薄，因而K值可達(dá)到1200～1500W/m2·K。

　　(2)結(jié)構(gòu)緊湊。由于板薄而且兩板間距小，因而單位體積提供的傳熱面積大，可達(dá)到250～1000m2/m3，金屬耗用量少。

　　(3)操作靈活性大。因具有可拆結(jié)構(gòu)，根據(jù)生產(chǎn)需要通過調(diào)節(jié)板數(shù)增減傳熱面積，檢修和清洗方便。

　　(4)兩流體嚴(yán)格成逆流，Δtm大，傳熱推動(dòng)力大。

　　主要缺點(diǎn)是允許的操作壓強(qiáng)和溫度低。因板薄壓強(qiáng)高容易變形，墊片壓強(qiáng)高時(shí)容易滲漏，所以操作壓強(qiáng)不超過2MPa，因受墊片材料的耐熱性限制，操作溫度對(duì)橡膠墊不超過130℃，石棉墊不超過250℃。此外流通截面積小，故處理量小。自20世紀(jì)50年代以來，主要應(yīng)用于輕工、食品等行業(yè)。

　　2、螺旋板式換熱器

　　它是由兩張互相平行的薄金屬板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央設(shè)置隔板將兩通道隔開，兩板間焊有定距柱以維持通道間距，螺旋板兩側(cè)焊有蓋板和接管。兩流體分別在兩通道內(nèi)流動(dòng)，通過螺旋板進(jìn)行換熱，見圖。

　　分為I型、II型、III型和G型等幾種形式。

　　特點(diǎn)是：

　　(1)總傳熱系數(shù)高 由于流體在螺旋形通道內(nèi)受到慣性離心力的作用和定距柱的干擾，低雷諾數(shù)(Re=1400～1800)下即可達(dá)到湍流，允許流速大(液體為2m/s，氣體為20m/s)，故傳熱系數(shù)大。如水對(duì)水換熱過程K=2000～3000W/m2·K。

　　(2)不易結(jié)垢和堵塞 由于流速較高且在螺旋形通道中流過，有自行沖刷作用，故流體中的懸浮物不易沉積下來。

　　(3)能利用低溫?zé)嵩?由于流道長而且兩流體可達(dá)到完全逆流，因而傳熱溫差大，能充分利用溫度較低的熱源。

　　(4)結(jié)構(gòu)緊湊 由于板薄2～4mm，單位體積的傳熱面積可達(dá)到150～500m2/m3。

　　主要缺點(diǎn)是操作壓強(qiáng)不能超過2MPa，操作溫度在300～400℃以下，另外因整個(gè)換熱器焊為一體，一旦損壞檢修困難。螺旋板換熱器直徑在1.5m之內(nèi)，板寬200～1200mm，板厚2～4mm，兩板間距5～25mm，可用普通鋼板和不銹鋼制造，目前廣泛用于化工、輕工、食品等行業(yè)。

　　3、板翅式換熱器

　　板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，但是基本結(jié)構(gòu)是由平行隔板和各種型式的翅片構(gòu)成的板束組裝而成，如圖示。

　　在兩塊平行薄金屬之間，夾入波紋狀或其它形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組成為一個(gè)換熱單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕校⒂免F焊固定，成為并流、逆流、錯(cuò)流的板束(或稱蕊部)。然后再將帶有流體進(jìn)出口接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。常用的翅片為光直型、鋸齒型和多孔型三種型式。

　　板翅式換熱器一般用鋁合金制造，結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，單位體積傳熱面積可達(dá)到2500～4000m2/m3，傳熱系數(shù)高，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)可達(dá)到350W/m2·K，承壓可達(dá)5MPa。但容易堵塞，清洗困難，不易檢修，適用于清潔和無腐蝕性流體的換熱。現(xiàn)已在石油化工、氣體分離等工業(yè)中得到應(yīng)用。

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