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，即在大型封閉容器中安裝水或其他介質(zhì)，并通過(guò)容器中的管道。讓熱水從管道中流過(guò)。

  由于管道內(nèi)熱水與容器內(nèi)冷熱水的溫差，會(huì)形成熱交換，即初中物理的熱平衡。高溫物體的熱量總是傳遞到低溫物體，從而將管道中的水的熱量交換到容器中的冷水。換熱器也被稱(chēng)為換熱器。

  換熱器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)

  換熱器按用途可分為：

  冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸汽發(fā)生器、廢熱(或余熱)鍋爐。

  按換熱方式可分為：

  直接接觸式換熱器(又稱(chēng)混合式換熱器)、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。

  以下主要介紹換熱器按換熱方式分類(lèi)：

  1) 直接接觸式換熱器

  直接接觸交換器依靠冷熱流體的直接接觸進(jìn)行傳熱。這種傳熱方式避免了傳熱壁及其兩側(cè)的污垢熱阻。只要流體之間的接觸良好，傳熱速率就會(huì)很高。

  因此，混合熱交換器可用于允許流體混合的場(chǎng)合，如氣體洗滌和冷卻、循環(huán)水冷卻、蒸汽-水之間的混合加熱、蒸汽冷凝等。廣泛應(yīng)用于化工冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空調(diào)工程等許多生產(chǎn)部門(mén)。

  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

  蓄熱式換熱器用于蓄熱式換熱設(shè)備。固體填料用于儲(chǔ)存熱量。

  火格子一般用耐火磚(有時(shí)用金屬波形帶等)砌成。

  換熱分為兩個(gè)階段。

  第一階段，熱氣通過(guò)火格子將熱量傳遞給火格子并儲(chǔ)存。

  第二階段，冷空氣通過(guò)火格子加熱，接受火格子儲(chǔ)存的熱量。

  這兩個(gè)階段交替進(jìn)行。兩個(gè)蓄熱器通常交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一個(gè)裝置時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一個(gè)裝置。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。

  也用于化工行業(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裂化爐。

  3) 間壁式換熱器

  在這種換熱器中，冷熱兩個(gè)流體之間用一種金屬隔開(kāi)，使兩個(gè)流體不混合而傳熱。

  冷熱流體在化工生產(chǎn)中往往不能直接接觸，因此間壁式換熱器是最常用的換熱器。

  以下主要介紹間壁式換熱器的分類(lèi)：

  a) 夾套式換熱器

  由容器外壁安裝夾套制成。(如圖所示)

  該換熱器由容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但其加熱面受容器壁限制，傳熱系數(shù)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。

  在夾套中加入冷卻水或無(wú)相變加熱劑時(shí)，還可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍流的措施，以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)。

  蛇管也可以安裝在釜內(nèi)，以補(bǔ)充傳熱面的不足。

  夾套式換熱器廣泛應(yīng)用于反應(yīng)過(guò)程的加熱和冷卻。

  b) 蛇管式換熱器

  蛇管換熱器分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管換熱器。

  如圖所示

  蛇管主要彎曲成各種適合容器的形狀，并沉浸在容器中的液體中。

  其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可采用耐腐蝕材料制造。

  缺點(diǎn)：容器內(nèi)液體湍流程度低，管外給熱系數(shù)小。

  如圖所示

  將換熱管固定在鋼架上。

  熱流體在管道內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在裝置上方均勻淋浴。

  優(yōu)點(diǎn)：熱流體在管道內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在裝置上方均勻淋浴。傳熱系數(shù)大，噴淋式換熱器傳熱效果優(yōu)于沉浸式蛇管式換熱器。

  但期間應(yīng)放置在露天，占地面積大，水容易濺到周?chē)�環(huán)境中，使用不方便。

  c) 套管式換熱器

  (如圖所示)套管式換熱器是由不同直徑的直管制成的同心套管U形彎頭連接而成。

  由于管道內(nèi)外流體流量大。冷熱流體可作為純逆流，傳熱系數(shù)大，傳熱效果好。常用的水伴熱是一種簡(jiǎn)單的套管式換熱器。

  d) 管殼式換熱器

  管殼式(又稱(chēng)列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器。它在工業(yè)上有著悠久的應(yīng)用歷史，至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。

  管殼式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭組成。殼體多為圓形，內(nèi)部設(shè)有平行管束，管束兩端固定在管板上。

  兩種流體在管殼換熱器中換熱，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱(chēng)為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱(chēng)為外殼范圍。管束的墻壁是傳熱表面。

  通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流擋板，以提高管外流體的供熱系數(shù)。

  折疊式擋板不僅可以防止流體短路，提高流體速度，還可以迫使流體按照規(guī)定的路徑多次通過(guò)管束，大大提高湍流程度。常用的擋板有兩種:圓缺形和圓盤(pán)形(如下圖所示)，前者應(yīng)用更廣泛。

  管道中的流體通過(guò)管束稱(chēng)為管程，每次通過(guò)殼體稱(chēng)為殼程。

  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。

  通過(guò)這種方式，流體每次只能通過(guò)部分管道來(lái)回管束多次，稱(chēng)為多管程。

  同樣，為了提高管道外流速，可以在殼體內(nèi)安裝縱向檔板，使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為多殼程。

  在管殼式換熱器中，由于管內(nèi)外流體溫度不同，殼體和管束溫度也不同。如果兩者之間的溫差很大，換熱器內(nèi)部會(huì)有很大的熱應(yīng)力，可能會(huì)彎曲、斷裂或松動(dòng)管板。

  因此，當(dāng)管束與殼體之間的溫差超過(guò)50℃消除或減少熱應(yīng)力時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施。

  補(bǔ)償方法：

  殼體上有膨脹圈或使用U管式換熱器和浮頭式換熱器。

  ? 固定管板式換熱器

  冷熱流體溫差小時(shí)，可采用固定管板式換熱器。

  結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但清洗困難，不適用于溫差大的流體。

  若溫差不大，可采用帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。

  下圖為帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。

  ? 浮頭換熱器

  浮頭式換熱器如上圖所示，兩端管板一端可沿軸向自由浮動(dòng)，消除熱應(yīng)力。

  而且整個(gè)管束可以從殼體中取出，便于清洗和維護(hù)。

  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曲成U形狀，進(jìn)出口分別安裝在同一管板的兩側(cè)，封頭分為兩個(gè)房間。每根管道都可以自由伸縮，與外殼無(wú)關(guān)。

  消除熱應(yīng)力比浮頭式換熱器簡(jiǎn)單。

  但管程不易清洗，使用限制很大，只適用于清潔流體。

  e) 板式換熱器

  板式換熱器由一組長(zhǎng)方形薄金屬傳熱板組成，用框架將板夾緊組裝在支架上。

  墊片（各種橡膠或壓縮石棉等）壓緊兩個(gè)相鄰板的邊緣，板的四角有圓孔，形成流體通道。

  板式換熱器與管殼式換熱器的區(qū)別：

  a.傳熱系數(shù)高

  由于不同的波紋板相互倒置，形成復(fù)雜的流道，流體在波紋板間流道中旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，可以在較低的雷諾數(shù)(一般Re=50~200）因此，傳熱系數(shù)高，一般認(rèn)為是管殼型3~5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外殼范圍內(nèi)流動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，它們是錯(cuò)誤的流動(dòng)，對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)較小，而板式換熱器大多是并流或逆流，其修正系數(shù)通常是0.95另外，板式換熱器中冷熱流體的流動(dòng)與換熱面平行，無(wú)旁流，使板式換熱器的末端溫差小，對(duì)水的換熱可低于1℃，管殼式換熱器一般5℃.

  c.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2~5倍，不像管殼式，需要預(yù)留抽出管束的維修場(chǎng)所，因此實(shí)現(xiàn)相同的換熱。板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/8。

  d.換熱面積或流程組合容易改變

  只要增加或減少幾塊板，就能達(dá)到增加或減少換熱面積的目的；改變板的布置或更換幾塊板，可以滿(mǎn)足所需的工藝組合，適應(yīng)新的換熱條件，管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加

  e.重量輕

  板式換熱器的板厚僅為0.4~0.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0~2.5mm，管殼式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。

  f.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%。

  g. 制作方便

  板式換熱器的傳熱板采用沖壓加工，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可大量生產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作。

  h. 易清洗

  只要框架板式換熱器松開(kāi)壓緊螺栓，就可以松開(kāi)板束，卸下板進(jìn)行機(jī)械清洗，非常方便需要定期清洗設(shè)備的換熱過(guò)程。

  i. 熱損失小

  板式換熱器只暴露在大氣中，所以散熱損失可以忽略不計(jì)，也不需要保溫措施。管殼式換熱器熱損失大，需要保溫層。

  j. 容量小

  是管殼式換熱器的10%~20%。i. 單位長(zhǎng)度壓力損失大 傳熱面間隙小，傳熱面凹凸，比傳統(tǒng)光滑管壓力損失大。

  k. 不易結(jié)垢

  由于內(nèi)部完全湍流，不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/3~1/10.k.工作壓力不宜過(guò)大，介質(zhì)溫度不宜過(guò)高，泄漏板式換熱器可用密封墊密封，工作壓力一般不得超過(guò)2.5MPa，介質(zhì)溫度應(yīng)低于250℃下面，否則可能會(huì)泄露。

  l.易堵塞

  由于板間通道狹窄，一般只有2~5mm，當(dāng)換熱介質(zhì)含有大顆�；蚶w維物質(zhì)時(shí)，很容易堵塞板間通道。

  識(shí)別換熱器型號(hào)

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