换热器技术讲座

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1、1换热器技术讲座潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院21. 换热过程的基本设备1. 换热过程的基本设备122. 换热器传热过程的强化方法1.1 换热器的分类1.2 夹套式换热器1.3 套管式换热器1.4 沉浸式蛇管换热器 1.5 喷淋式冷却器1.6 翅片式换热器1.7 管壳式换热器1.8 板式换热器2.1 概述2.2 换热过程强化的原则2.3 强化传热管的结构及特点 2.4 管内插入物的结构及特点2.5 壳程管束支撑结构改进3? 在工业生产中，实现热量交换的设备统称为换热器。? 换热器作为工艺过程不可少的单元设备，广泛地应用于石油、 化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。 据统

2、计，在现代石油化工企业中，换热器投资约占装置建设总 投资的30%40%，由此可见换热器对工业的影响。? 由于换热器在工业部门中的重要性，从节能的角度出发，为了 进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器 消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，必须用各种 办法来增强换热器内的传热。? 换热器的强化传热、新材料、新结构、防腐技术、安全运行和 大型化一直是多年来换热器研究的主题。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类4? 最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到 了十分迅速的发展，取得了显著的经济效果。? 如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中采用的普通

3、 铜管用单头螺旋槽管代替，由于螺旋槽管强化传热的效果，使 冷凝器的管子长度减少了44%，数目减少了15%，重量减轻了 27%，总传热面积节约30%，投资节省了10万美元。? 又如用椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷器，其传热 系数可以提高30%，而空气侧的流动阻力可以降低50%。这种 空冷器已在我国石化行业和火电厂得到广泛应用，取得了明显 的经济效益。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类51. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类热量传递有三种形式：?热传导 (Conduction)；?对流 (Convection)；?辐射 (Radiant)。6换热器，也可称为“热交换器”

4、，是指几种流体在其中进行热量交换的一种设备。它们有以下几种类型：?接触式换热器使流体在器内直接接触而换热。?蓄热式换热器使冷热流体交替通过同一换热面。?间壁式换热器具有固体间壁以隔开温度不同的流体进行换热。如管壳式、套管式、板翅式等。?也可按使用目的分为：加热器、冷却器和冷凝器等。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类7?直接接触式换热器冷热流体在换热器内是以直接混合的方式进行热量交换的。这对于工艺上允许两种流体可以混合的情况，是比较方便而有效的，所用设备也比较简单，常用于气体的冷却或水蒸气的冷凝。如冷水塔、液膜式冷凝器、喷射式冷凝器等。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类8

5、?蓄热式换热器主要由热容较大的蓄热室构成，室中可充填耐火砖等填料。当冷热两流体交替地通过同一蓄热室外时，蓄热室即可将得自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。这种换热器的结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的利用或冷却，但设备体积较大，两种流体在一定程度上要相互混和。蓄热器可分为回转式蓄热器和固定式蓄热器。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类9?间壁式换热器间壁式换热器是冷热两流体间用一固体隔开，以使两流体进行热量传递而不相互混合。这类换热器的型式有夹 套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、板翅式等等，在过程生 产中应用最为广泛。1. 换热过程的基本设备 1.1 换热器的分类1

6、0?这种换热器结构简单，主要用 于釜式设备的加热或冷却。在 夹套和容器之间形成的环室作 为流体的通道。当用水蒸气加 热时，水蒸气从上部进入环 室，冷凝水从下部排出。?冷却时，则冷却水由下部进 入，上部排出。由于环室内部 清洗困难，一般选用不易结垢 的水蒸气、冷却水、导热油等 作为载热体。1. 换热过程的基本设备 1.2 夹套式换热器釜夹套冷凝水出口冷凝水排除器冷凝水加热蒸汽蒸汽进口11?因夹套式换热器的传热面积受到一定限制，传热系数也不高，因此当需要及时移走较大热量时，可在釜内加设蛇管(或列管)，管内通入冷却介质，及时取走热量以控制釜内温度。当环室内通冷却水时，为提高其对流传热系数可在夹套内加

7、设挡板，这样既可使冷却水流向一定又可提高流速，从而提高总传热系数。1. 换热过程的基本设备 1.2 夹套式换热器121. 换热过程的基本设备 1.3 套管式换热器37”13?套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型管顺次连接，外管与外管互相连接而成的。1. 换热过程的基本设备 1.3 套管式换热器?每一段套管称为一程，程数可根据传热面积要求而增减。换热时一种流体走内管，另一种流体走环隙，内管的壁面为传热面。14?套管式换热器的优点是 结构简单，能耐高压， 传热面积可根据需要增 减，适当地选择管内、 外径，可使流体的流速 增大，两种流体呈逆流 流动，有利于传热。1.

8、换热过程的基本设备 1.3 套管式换热器?缺点是单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方 便。此类换热器适用于高温、高压及小流量流体间的换热。151. 换热过程的基本设备 1.4 沉浸式蛇管换热器140”蛇管换热器16?此种换热器多以金属管弯绕而成，制 成适应容器的形状，沉浸在容器内的 液体中。两种流体分别在管内、管外 进行换热。几种常用的蛇管形状如图 所示。1. 换热过程的基本设备 1.4 沉浸式蛇管换热器17?此沉浸式蛇管换热器的优点 是结构简单、价格低廉、便 于防腐、能承受高压。其缺 点是由于容器的体积较蛇管 的体积大得多，管外流体的 传热膜系数较小，故常需加 搅拌装置，以提高

9、其传热效 率。1. 换热过程的基本设备 1.4 沉浸式蛇管换热器18?将蛇管固定在支架上并排列在 同一垂直面，热流体在管内流 动，冷水由最上面的多孔分布 管(淋水管)流下，洒布在蛇管上，沿管面两侧下降至下面的 管子表面，流入水槽排出。?冷水在各管表面上流过时，与 管内流体进行热交换 。1. 换热过程的基本设备 1.5 喷淋式冷却器19?它们常放置在室外空气流通 处，冷却水在空气中汽化时， 可带走部分热量而提高冷却效 果。它和沉浸式蛇管换热器相 比，具有便于检修和清洗、传 热效果较好等优点，缺点是喷 淋不易均匀。?冷水在各管表面上流过时，与 管内流体进行热交换 。1. 换热过程的基本设备 1.5

10、 喷淋式冷却器201. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器104”翅片式换热器21?化工生产中常遇到气体的加热和冷却问题，因气体的对流传热系数 很小，当与气体换热的另一流体是水蒸气冷凝或是冷却水时，气体 侧热阻成为传热控制因素。?要强化传热，就必须增加气体侧的对流传热面积，在换热管的气体 侧设置翅片，既增大了气体侧的传热面积，又增强了气体湍动程 度，减少了气体侧的热阻，使气体传热系数提高。?加装翅片会使设备费提高，但一般当两种流体的对流传热系数之比 超过3:1时，采用翅片管式换热器在经济上是合理的。1. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器22?翅片管换热器的结构特点是在换热管的间壁

11、上安装径向或轴向的翅 片。常见的几种翅片形式如图。常用的连接方法有热套、镶嵌、张 力缠绕和焊接等，此外翅片管也可采用整体轧制、整体铸造或机械 加工等方法制造。1. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器231. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器241. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器251. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器261. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器以高效翅片管为传热元件，以蒸汽 可其它流体(导热油、水等)为一种 工质，以空气为另一种工质，通过 翅片管的强化传热，达到对管内工 质的加热、冷却或以管内工质加 热、冷却空气的目的。271. 换热过

12、程的基本设备 1.6 翅片式换热器281. 换热过程的基本设备 1.6 翅片式换热器为了提高翅片换热器的性能。常常采用以下几种方式来强化换热：为了提高翅片换热器的性能。常常采用以下几种方式来强化换热：? ?提高换热系数；提高换热系数；? ?增加换热面积；增加换热面积；? ?增加空气侧和制冷剂侧的平均温差。增加空气侧和制冷剂侧的平均温差。 第一种方案如果在换热效果较差的一侧采用强化管第一种方案如果在换热效果较差的一侧采用强化管( (或强化翅或强化翅 面面) )，或两侧同时强化，能有效地改善换热器的性能。但由此也带来，或两侧同时强化，能有效地改善换热器的性能。但由此也带来 一些缺点，例如：换热器设

13、计成本、耗功的增加。一些缺点，例如：换热器设计成本、耗功的增加。 第二种方案中增加换热器的换热面积对于改善换热器的性能是第二种方案中增加换热器的换热面积对于改善换热器的性能是 一种有效的途径。一种有效的途径。291. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器139”列 管 式 换 热 器30?管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，具有 结构简单、坚固耐用、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强等 特点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。?它的形式有多种，但其主要结构是在一个圆筒形壳体内安装由许多平 行管子（称为列管）组成的管束。管壳式换热器根据结构特点分为以 下几种：1

14、. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器31?由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管 等部件组成。其结构特点是两块管板分别焊于 壳体的两端，管束两端固定在管板上。整个换 热器分为两部分：换热管内的通道及与其两端 相贯通处称为管程；换热管外的通道及与其相 贯通处称为壳程。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器32?若管内流动的流体中只在所有的列管内平行流 过一次，则这种换热器称为单程列管式换热 器。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器33?若在换热器两端分配室内 增设若干隔板，将全部管 子分成若干组，流体每次 只能流过一组管子，

15、然后 进入另一组管子返回，如 此依次流过多组管子，最 后由出口流出，这种换热 器则称为多程列管式换热 器。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器34?在多程列管式换热器中，由于流道变窄，流体的流速增加，传热 膜系数增大，对传热有利；但程数增多后，流速增加而使流体流 动的沿程阻力增大，且结构复杂，故程数不宜太大，工业上多为 2-4程。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器图 具有补偿圈的固定管板式换热器 1-折流挡板；2-补偿圈；3-放气口35?在换热器管间流动的流体，亦可用安装折流板的方式增大流体的 速度，并迫使流体的流动方向垂直于换

16、热管，这样流体的传热膜 系数也可以显著地提高。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器图 具有补偿圈的固定管板式换热器 1-折流挡板；2-补偿圈；3-放气口36?固定管板式换热器的优点是结构简单紧凑，在相同的壳体直径内， 排管数最多，旁路最少，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗 方便；?缺点是壳程不能进行机械清洗，当换热管与壳体的温差较大（大于 50）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受 膨胀节强度的限制不能太高。?固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不 大或温差较大但壳程压力不高的场合。1. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（1）固定管板式换热器371. 换热过程的基本设备 1.7 管壳式换热器（2）浮头式换热器1图7.16 浮头式换热器23459161110678151413121-防冲挡板；2-旁路挡板；3-壳体法兰；4-外头盖法兰；5-吊耳；6-排气 孔；7-浮头；8-椭球封头；9-排液口；10-活动鞍座；11-挡管；