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1、换热器的结构与性能特点,在工业生产中，要实现热量的传递，须采用一定的设备，此种传递热量的设备，称换热器或热交换器。 换热器广泛应用于各种工业生产过程中，其主要用途适用于加热、冷却、蒸发、冷凝、干燥等方面，因其使用的条件不同，其容量、压力、温度等变动范围较大，为了适应不同的用途，存在各种形式及结构的换热器。,换热器的分类,按换热原理分类,一 混合式换热器 亦称为直接接触式换热器，它是将冷热两流体通过直接接触进行热量交换实现传热的，如工业上的冷却塔，洗涤塔等。 二 蓄热式换热器 蓄热式换热器，是将高温流体和低温流体交替地通过表面进行换热的，是一种间歇操作的换热设备。 三 间壁式换热器 亦称表面式换
2、热器或间接式换热器，即冷热两流体被一固体壁隔开，而热量传递是通过固体壁进行的。,按换热器的用途分类,(1)加热器：加热器用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。 (2)预热器：预热器用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。 (3)过热器：过热器用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。 (4)蒸发器：蒸发器用于加热液体，使之蒸发汽化。 (5)再沸器：再沸器是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液体，使之再受热汽化。 (6)冷却器：冷却器用于冷却流体，使之达到所需要的温度。 (7)冷凝器：冷凝器用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化,按换热器所用材料分类,(1)金属材料换热器
3、：金属材料换热器是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。由于金属材料的热导率较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。 (2)非金属材料换热器：非金属材料换热器由非金属材料制成，常用非金屑材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料由于非金属材料的热导率较小，所以其传热效率较低。,按换热器传热面形状和结构分类,(1)管式换热器：管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热管、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。 (2)板式换热器：板式换热器通过
4、板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器。 (3)特殊形式换热器：这类换热器是指根据工艺特殊的要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管式换热器、空气冷却器等。,一、夹套式换热器夹套式换热器是最简单的板式换热器，它是在容器外壁安装夹套制成，夹套与容器之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。 特点： 传热系数不高（可在釜内安装搅拌器、蛇管、螺旋隔板）；
5、换热介质为水蒸气、冷却水。 应用：反应过程的加热和冷却。,二、管式换热器的结构形式,1管壳式换热器,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。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。 主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 目前工业生产中采用的主要有固定管板式，浮头式和U型管式三类。其主要构造都是在一圆筒形壳体内设置许多平行管组成的管束构成的。,shell-and tube heat exchangers
6、（管壳式换热器）,封头shell cover,固定管法兰stationary head flange-channel,膨胀节expansion joint,壳体shell,横向折流板或支持板transverse baffles or support plate,管程tube（side）pass,壳程shell （side）pass,放气接口vent connection,排液接口 drain connection,支撑托架support bracket,壳体接管 shell nozzle,管箱接管 stationary head nozzle,为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束
7、相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 挡板切除对流动的影响,管子的规格和排列方式,管子的规格：最常用的直径为19 mm、 22 mm、25 mm、32 mm、38 mm、 57 mm 管长：1.5、2.0、3.0、6.0m L/D=410（管长/壳体直径）,布管基本原则：应使传热管在整个换热器截面上均匀分布，同时还应考虑流体性质、管箱结构和加工制造等方面的问题。 正三角形排列：优点：管子较多，传热系数较大；缺点：管外机械清洗较为困难，管外流体的流动阻力较大。 正方形排列
8、： (1)在相同的管板面积上可配置的传热管最少 (2)易于用机械清洗管外壁 同心圆排列： (1)靠近壳体的地方管子分布比较均匀； (2)在壳体直径很小的换热器中可排列的管子数目比正三角形多。,列管式换热器流体流道的选择 1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 4）饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出。 5）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。 6）需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 7）有毒的液体宜走管程。,流体流速的选择,不同粘度液体在列管换热器中流速（在钢管中
9、）,（1）固定管板式换热器,结构特点：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。冷、热流体分别在管程和壳程中连续流动，流经管程的流体称为管（管程）流体，流经壳程的流体称为壳（壳程）流体。,优点：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：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
10、流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。 一般建议在温度差不大于70 时使用。但实际生产经验证明，在温度差不超过100 时使用，并不会对设备寿命有明显的影响。,（2）浮头式换热器,结构特点：是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。,浮头式换热器可分为内浮头和外浮头，外浮头又叫填料函式换热器。,优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。 缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。 浮头式换热器适用于：壳体和管束壁温差较大或壳程
11、介质易结垢的场合。,填料函式换热器 填料函式换热器其结构特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点：结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。缺点：填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。 填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。,填料函式换热器,（3）U 型管式换热器,结构特点：只有一个管板，换热管为 U 型，管子两端固定在同一管板上。管
12、束可以自由伸缩，当壳体与 U 型换热管有温差时，不会产生温差应力。,优点：结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可以抽出，管间清洗方便。 缺点：管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路；内层管子坏了不能更换，因而报废率较高。 U 型管式换热器适用于：管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。,（4）插管式换热器,结构特点：对热膨胀完全自由，很少发生泄漏。,2蛇管式换热器,管式换热器
13、中结构最简单，操作最方便的一种换热设备。 通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。,（1）沉浸式蛇管换热器,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,沉浸式蛇管换热器的优点：结构简单、价格低廉、便于防腐蚀、能承受高压。 缺点：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，以提高其传热效率。 多应用于小型容器内的液体换热。,蛇管的形状主要取决于容器的形状和生产队要求。如化工生产中的反应器内的加热或冷却管，多做成圆盘形或螺旋形的；氨冷的冷冻盐水槽中的换热管，则多用长的蛇形
14、管构成。实际上，蛇管可以制成任意需要的形状。如图所示。 蛇管可以由钢管，铜管，银管或其它有色金属和非金属材料如玻璃，陶瓷，石墨和塑料等制成。,（2）喷淋式蛇管换热器,喷淋式换热器也为蛇管式换热器，多用作冷却器。这种换热器是将蛇管成行地固定在钢架上，热流体在管内流动，自最下管进入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管流下，均匀地分布在蛇管上，并沿其两侧逐排流经下面的管子表面，最后流入水槽而排出，冷水在各排管表面上流过时，与管内流体进行热交换。这种换热器的管外形成一层湍动程度较高的液膜，因而管外对流传热系数较大。另外，喷淋式换热器常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时也带走一部分热量，提高了冷
15、却效果。,优点：有检修清理方便，传热效果好等。 缺点：体积庞大，占地面积大；冷却水量较大，喷淋不易均匀。蛇管换热器因其结构简单、操作方便、常被用于制冷装置和小型制冷机组中。,3套管式换热器,结构特点：套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度约为46m，若管子过长，管中间会向下弯曲。在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙适当选择两管的管径，两流体均可得到较高的流速，且两流体可以为逆流，对传热有利。,套管式换热器,优点：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，且两种流体呈逆流流动，
16、有利于传热。 缺点：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。,4翅片管式换热器,翅片管式换热器又称管翅式换热器。,翅片管换热器是在管的外表面或内表面加装翅片制成，翅片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有热套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。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。常用的翅片有横向和纵向两类。 当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。例如用水蒸气加热空气，该过程的主要热阻是空气侧对流传热热阻。在空气侧加装翅片，可以起到强化
17、换热器传热的效果。当然，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，采用翅片管换热器经济上是合算的。近年来用翅片管制成的空气冷却器（简称空冷器）在化工中应用很广。用空冷代替水冷，不仅在缺水地区适用，而且在水源充足的地方，采用空冷也可取得较大的经济效果。,翅片管亦称肋片管。为了增加传热面积，提高传热效率，特别当换热量流体中有一流体的给热系数很小时，应该使其流过带翅片的管侧，如气体与水蒸汽或冷凝水换热时，应气体的给热系数很小，所以要提高传热效果，就应该在换热管的气体流过一侧增加翅片，这样既可以增大传热面积，又可增加气体流苏，造成湍流状态，提高气体的给热系数，从而提高传热效果。,
