第一讲-换热器分类

换热器传热原理与工艺设计HeatTransferPrinciplesandThermodynamicDesignofHeatExchangers王学生教授华东理工大学化工机械研究所第一讲主要内容¾换热器分类简介；¾热量传递过程的理论基础知识；¾换热器传热过程与流动阻力计算；¾换热器的结构形式与强化传热新技术；446.16.1概述概述6.1.1换热设备的应用使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备定义应用它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备投资比重化工厂中，约占总投资的10%～20%；炼油厂中，约占总投资的35%～40%。工业使用使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。换热设备也是回收利用余热、废热特别是低位热能的有效装置。过程设备设计过程设备设计666.16.1概述概述6.1.2.1按作用原理和传热方式分类一、直接接触式换热器二、蓄热式换热器三、间壁式换热器四、中间载热体式换热器过程设备设计过程设备设计6.1.2换热设备分类及其特点776.1概述一、直接接触式换热器——又称混合式换热器，见图6-1。——利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。如——冷却塔、气压冷凝器等。为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。过程设备设计886.1概述热流体热流体冷流体图6-1直接接触式换热器优点——传热效率高、单位容积传热面积大、设备结构简单、价格便宜等。但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合过程设备设计996.1概述二、蓄热式换热器原理——又称回热式换热器借助固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体，使热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。过程设备设计10106.1概述热流体热流体冷流体冷流体载热体图图66--22蓄热式换热器蓄热式换热器优点——结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，适用于气—气热交换。如回转式空气预热器。局限——若两种流体不允许混合，不能采用蓄热式换热器过程设备设计11116.1概述三、间壁式换热器——又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。应用昀为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等过程设备设计12126.1概述四、中间载热体式换热器将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器中吸收热量，向低温流体换热器中释放热量给低温流体；如热管式换热器。过程设备设计13136.1概述一、管式换热器二、板面式换热器三、其它型式换热器管壳式换热器蛇管式换热器套管式换热器缠绕管式换热器板壳式换热器螺旋板式换热器板式换热器板翅式换热器伞板式换热器传热管的结构形式不同过程设备设计6.1.2.2间壁式换热器分类14146.1概述一、管式换热器缺点：优点：结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用昀广泛的一类换热器。换热效率、结构紧凑性、单位传热面积的金属消耗等方面不如其他新型换热器。分类：1.蛇管式换热器2.套管式换热器3.缠绕管式换热器4.管壳式换热器过程设备设计15156.1概述1.蛇管式换热器a.沉浸式蛇管b.喷淋式蛇管昀早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点图6-3沉浸式蛇管过程设备设计16166.1概述沉浸式蛇管特点结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大流体介质压力。但管外流体流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。常用于高压流体冷却、反应器的传热元件。过程设备设计17176.1概述b.喷淋式蛇管水1234图6-4喷淋式冷却器1-直管；2-U形管；3-水槽；4-齿过程设备设计18186.1概述喷淋式蛇管优点喷淋式蛇管缺点管外流体传热系数大，便于检修和清洗。体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。过程设备设计19196.1概述2.套管式换热器两种管子组装成同心管，用U形弯管连接成排，根据实际需要，排列组合形成传热单元。图6-5套管式换热器逆流传热过程设备设计内管外管型肘管20206.1概述套管式换热器套管式换热器优点套管式换热器套管式换热器缺点结构简单，适应广，传热面弹性大,两侧流体均可提高流速，两侧传热系数高。金属消耗大，检修、清洗和拆卸较麻烦，可拆连接处易泄漏。一般用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合过程设备设计21216.1概述3.管壳式换热器1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板图6-6管壳式换热器过程设备设计12345622226.1概述特点缺点结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用材料范围广、换热表面清洗较方便、可用于高温和高压。传热效率、结构紧凑性及单位换热面积所需金属消耗量等方面均不如一些新型高效紧凑式换热器。过程设备设计44管壳式换热器1919过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间管程管程壳程壳程管程管程55过程设备设计6.2.1基本类型6.2.1基本类型一、固定管板式二、浮头式三、U形管式四、填料函式五、釜式重沸器66过程设备设计6.2.1基本类型一、固定管板式换热器结构77双管程固定管板换热器88过程设备设计6.2.1基本类型——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。99过程设备设计二、浮头式结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端6.2.1基本类型1010浮头式换热器1111过程设备设计优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。6.2.1基本类型1212过程设备设计三、U形管式换热器结构U形管6.2.1基本类型1313U形管式换热器1414过程设备设计优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束昀内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。6.2.1基本类型1515过程设备设计四、填料函式结构填料函式密封6.2.1基本类型1616过程设备设计优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。应用4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。注：填料函式换热器现在已很少采用。6.2.1基本类型1717过程设备设计五、釜式重沸器(f)蒸发空间结构管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构6.2.1基本类型1818与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。特点过程设备设计6.2.1基本类型23234.缠绕管式换热器3壳侧流体管侧流体No.2管束流体No.1管束流体壳侧流体管侧流体管束流体No.2壳侧流体12管束流体No.1单通道形多通道形图6-7缠绕管式换热器过程设备设计6.1概述24246.1概述适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合,如制氧等低温过程中使用的换热设备等。过程设备设计25256.1概述二、板面式换热器4.板壳式换热器1.螺旋板式换热器2.板式换热器3.板翅式换热器5.伞板式换热器按换热板面结构分类优点缺点其结构特点可强化传热；采用板材制作，大规模生产时，可降低设备成本耐压性能比管式换热器差过程设备设计26266.1概述1.螺旋板式换热器图6-8螺旋板式换热器过程设备设计冷流体热流体冷流体热流体热流体冷流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体27276.1概述优点适用适用传热面积大（2～3倍）传热效率高（50～100%）易制造材料利用率高自身冲刷不易结垢可全逆流流动传热温差小液-液、气－液流体换热，特别适合高粘度流体的加热或冷却、含有固体颗粒的悬浮液的换热。过程设备设计28286.1概述2.板式换热器冷流体热流体冷流体热流体图6-9板式换热器流动示意图过程设备设计29296.1概述过程设备设计板式换热器30306.1概述优点缺点应用较低流速下即可达到湍流，具有:较高的传热效率；结构紧凑；使用灵活；清洗和维修方便；能精确控制换热温度等。密封周边太长，不易密封，渗漏可能性大；承压能力低；使用温度受密封垫片材料耐温性能限制，不宜过高；流道狭窄，易堵塞，处理量小；流动阻力大。用于处理从水到高粘度液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑等场合。过程设备设计33336.1概述4.板壳式换热器壳体板束图6-11板壳式换热器过程设备设计4）板壳式换热器板壳式换热器与列管式换热器的重要区别是以板束代替管束。板束的基本元件是将条状钢板滚压成一定形状然后焊接而成。板束元件可以紧密排列、结构紧凑，单位体积提供的换热面为列管式的3.5倍以上。板壳式换热器不仅有各种板式换热器结构紧凑、传热系数高的特点，而且结构坚固，能承受很高的压力和温度，较好地解决了高效紧凑与耐温抗压的矛盾。4）板壳式换热器4）板壳式换热器34346.1概述结构紧凑，单位体积包含换热面积较管壳式换热器增加70%；传热效率高，压力降小；与板式换热器相比，由于没有密封垫片，较好解决了耐温、抗压与高效率之间的矛盾；容易清洗；焊接技术要求高。常用于加热、冷却、蒸发、冷凝等过程。过程设备设计3131隔板封条翅片c)a)d)b)隔板翅片封条过程设备设计6.1概述3.板翅式换热器板翅降低热阻，传热效率提高，且起加强作用.a.板束结构b.逆流式c.错流式d.错逆流式图6-10板翅式换热器32326.1概述优点缺点传热系数比管壳式换热器大3～10倍。结构紧凑、轻巧，单位体积内传热面积能达2500～4370m2/m3,是管壳式换热器的十几倍到几十倍，而重量只有管壳式换热器的10%～65%；适应性广，可作气-气、气-液和液-液的热交换，亦可作冷凝和蒸发，同时适用于多种不同的流体在同一设备中操作，特别适用于低温或超低温的场合。结构复杂，造价高；流道小，易堵塞，不易清洗，难以检修等。过程设备设计35356.1概述5.伞板式换热器是我国独创的新型高效换热器,由板式换热器演变而来。制造工艺大为简化，成本降低；伞形板式结构稳定，板片间容易密封；结构紧凑，传热效率高，便于拆洗等。设备流道较小，容易堵塞，不宜处理较脏介质。过程设备设计36366.1概述三、其它型式换热器1.石墨换热器耐腐蚀、良好的传热性能受拉伸和弯曲能力差，抗压强度高各向异性的特性在导热方向的应用管壳式、块式、板式过程设备设计37376.1概述2.聚四氟乙烯换热器近十余年发展起来的新型耐腐蚀换热器。结构形式沉浸式管壳式优点缺点结构紧凑、耐腐蚀等（聚四氟乙烯具有耐腐蚀、不生锈、能制成小口径薄壁软管）机械强度、导热性较差，使用温度≤150℃使用压力≤1.5MPa过程设备设计热管式换热器是一种高效的新型换热器，在密闭的高度真空的管子或筒体内壁镶套着一层多孔毛细结构的吸液芯，浸满液相工质。外部热源在蒸发段输入热量，使工质蒸发、汽化。蒸汽流向冷凝段进行凝