换热器的种类

4.6换热器4.6.1换热器的分类4.6.2间壁式换热器的类型4.6.3列管换热器的选用的有关问题4.6.4换热器的选用步骤4.6.4传热过程的强化4.6.1换热器的分类按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器按冷热流体热量交换方式分类：混合式、蓄热式和间壁式主要内容：1.根据工艺要求，选择适当的换热器类型；2.通过计算选择合适的换热器规格。4.6.2间壁式换热器的类型一、夹套换热器结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。优点：结构简单。缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。二、沉浸式蛇管换热器结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。三、喷淋式换热器结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。四、套管式换热器用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。五、列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。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。折流挡板：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。折流挡板有圆缺形和圆盘形两种根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。（1）固定管板式壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。（2）浮头式两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。（3）U型管式把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。1.螺旋板式换热器结构：螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋状而构成的。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流动。优点：结构紧凑，单位体积的传热面积大，流体的对流传热系数大缺点：流体阻力大，不易检修用途：操作压力不能超过2MPa，温度一般在350℃以下六、新型高效换热器2.板式换热器1.固定压紧板2.夹紧螺栓3.前端板4.换热板片5.密封垫片6.后端板7.下导板8.后支柱9.活动压紧板10.上导板结构紧凑，占用空间小很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/3～1/5。传热系数高雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达3000～8000W/M2.K。端部温差小逆流换热，可达到1℃的端部温差。热损失小只有板片边缘暴露，不需保温，热效率≥98%。适应性好，易调整通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。结垢倾向低高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。低成本使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130℃，压缩石棉垫圈也不超过250℃。3.板翅式换热器在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体；将各单元体进行不同的叠集和适当地排列，再用钎焊予以固定，形成逆流、并流和错流的板翅式换热器组装件(芯部或板束)；将带有进、出口的集流箱焊接到板束上。特点：传热效果更好、结构更为紧凑。我国目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片。传热效果好：板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数高，同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片换热，因而具有很高的传热速率。结构紧凑：单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。轻巧牢固：由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。适应性强：操作范围广由于铝合金的导热系数高，特别适合于低温和超低温条件下的换热。流道很小：容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。4.热管式换热器1—导管2—吸液芯3—蒸汽4—吸热蒸发端5—保温层6—放热冷凝端结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，25×2.5mm换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。4.6.3列管换热器的选用有关问题一、流体流经管程或壳程的选择原则：传热效果好；结构简单；清洗方便。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。二、流体的流速流体种类流速m/s管程壳程一般液体宜结垢液体气体0.5～0.315～300.2～1.50.53～15列管换热器内常用的流速范围液体粘度mPa.s最大流速m/s15001000～500500～100100～5335～110.60.751.11.51.82.4不同粘度液体在列管换热器中流速（在钢管中）u↑→α↑K↑，在同Q、Δtm下A↓，节省设备费；u↑→Hf↑↑，操作费用增加；u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流三、换热管规格及排列管径：d，单位体积设备内的A，但更容易堵塞。目前我国系列标准规定采用19×2mm，25×2.5mm，25×2.5mm等规格的管子。管长：选择以清洗方便和合理使用管材为准。我国生产的钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、4.5、6米等规格，以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式：正三角形排列比正方形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，但管外清洗困难。正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，但对流传热系数小于正三角形排列，如将管束旋转45度放置，也可提高给热系数。四、折流挡板目的：提高壳程对流传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。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间距：间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。4.6.4换热器的选用步骤一、了解传热任务，掌握工艺特点与基本数据1.冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力等。2.冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物含量等。3.冷、热流体的物性数据。二、选用计算内容和步骤1.根据工艺任务，计算热负荷2.计算Δtm先按单壳程多管程的计算，如果校正系数0.8，应增加壳程数；3.依据经验选取K，估算A4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定流体流速；由流速和流量估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。5.核算K分别计算管程和壳程的α，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。6.计算A根据计算的K和Δtm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%~25%的裕量4.6.4传热过程的强化传热速率方程：mtKAQ为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K的方法一、增大传热平均温度差tm（1）两侧变温情况下，尽量采用逆流流动；（2）提高加热剂T1的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）；降低冷却剂t1的温度。利用tm来强化传热是有限的。二、增大总传热系数K2122111)1()1(1AARAAbRKm（1）尽可能利用有相变的热载体（大）；（2）用大的热载体，如液体金属Na等；（3）减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻；（4）提高α较小一侧有效。提高α的方法无相变传热：1）增大大流速；2）管内加扰流元件；3）改变传热面形状和增加粗糙度。三、增大单位体积的传热面积A/V（1）直接接触传热：可增大A和湍动程度，使Q（2）采用高效新型换热器