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换热器的分类及原理
作者:超级管理员 人气:16 发表时间:

换热器

换热器(Heat Exchanger)在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体,使流体温度达到工艺流程规定指标的热量交换设备,又称热交换器。

换热器按其用途区分,有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据不同的工艺要求,换热器的种类千差万别。在精馏工艺中,离不开再沸器和冷凝器。但根据冷热流体的接触方式基本上可分为直接接触式、蓄热式和间壁式三种。

直接接触式换热器

冷热流体直接混合进行热量交换。当工艺上允许冷、热流体进行直接接触时,这种方式是很方便,有效的,设备也很简单。例如,当炼油厂、热电厂中的凉水塔就是一例,在其内,热循环水与冷空气直接接触而使水得到冷却。此外,这种方式还用于气体的除尘、增湿、冷却及蒸汽的冷凝等场合。

▲凉水塔

蓄热式换热器

冷热流体并不接触,而是通过媒介---蓄热器进行换热。蓄热器是由蓄热室及填充于其内、热容量较大的填料(如耐火砖)构成,热流体与冷流体交替通过蓄热器时,热流体所吸收的热量便传递给了冷流体。在传热过程中,蓄热器及流体的温度均随时间而变化,所以属于间歇式的不稳定的传热过程。蓄热式换热器由于结构简单且耐高温,因此,常用在重质油高温裂解制取低分子烃的工艺上。

间壁式换热器

一般情况下,工业上进行换热的两种流体,不允许直接混合,因而要通过设备壁将它们隔开进行传热,称为间壁式。传热过程中,热量依次由热流体?壁的一侧?壁的另一侧?冷流体。这类换热器的用量非常大,占总量的99%。根据结构不同可分为管式、板式等,管式和板式换热器又进一步可细分为管壳式、沉浸式、夹套式等。

1.管式换热器

1.1管壳式换热

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢;但传热系数低、占地面积大。可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用比较广的类型。

①固定管板式换热器

固定管板式的两端管板和壳体制成一体。因此它具有结构简单,成本低的优点。但是壳程清洗和检修困难。在壳层里的流体,必须是洁净且不易结垢的物料。

当两流体的温差较大时,应考虑热补偿。即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈,当外壳和管束热膨胀不同时,补偿圈发生弹性变形,以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种补偿方法简单,但不宜应用两流体温差过大(不大于70℃)和壳程流体压强过高的场合。

优点

◆结构简单、紧凑。

◆在相同的壳体直径内,排管数多,旁路少。

◆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,两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

②浮头式换热器

浮头换热器有一端管板不与外壳连为一体,可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响,且由于固定端的管板以法兰与壳体连接,整个管束可以从壳体中抽出,因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用比较普遍,但其结构比较复杂,造价较高。

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。

③U形管式换热器

U 形管式换热器在换热器中是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器。其每根管子都弯成U型,进出口分别安装在同一管板的两侧,封头用隔板分成两室。这样,每根管子可以自由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮头式简单,重量轻,但管程不易清洗,只适用于洁净而不易结垢的流体,比如高压气体的换热。

优点

◆U 形换热管的管束可以自由浮动,无须考虑温差应力,可用于大温差场合。

◆只有一块管板,法兰数量少,泄露点少、结构简单。

◆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。

◆管束内层管间距大,壳程易短路。当管内流速太高时,将会对U 形弯管段产生严重的冲蚀,影响寿命。

◆内层管子坏了只能堵塞而不能更换,因而报废率较高。

④填料函式浮头换热器

浮头式换热器的一种改型结构,它把原置于壳程内部的浮头移至体外,用填料函来密封壳程内介质的外泄。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。

优点

◆结构较浮头式换热器简单,制造方便,金属耗量较浮头低10%左右,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。

1.2沉浸式蛇管换热器

这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中。

优点

◆结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造。

缺点

◆容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。 

1.3喷淋式换热器

将换热管成排地固定在钢架上,热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多。另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用。因此,和沉浸式相比,淋式换热器的传热效果大有改善。

优点

◆结构简单、造价便宜。

◆能耐高压。

◆便于检修、清洗,水质要求低。

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。

1.4套管式换热器

以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管,每一段套管称为“一程“,程的内管(传热管)借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。

通常,热流体(A流体)由上部引入,而冷流体(B流体)则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4~7米。这种换热器传热面积高达18平方米,故适用于小容量换热。

优点

◆结构简单,能耐高压。

◆传热面积可根据需要增减,应用方便。 

缺点

◆管间接头多,易泄露。

◆占地面积较大,单位传热面消耗金属量大。

1.5翅片管式换热器

翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器基本相同,只是用翅片管代替了光管作为传热面。翅片管是一种带肋的壁面,对扩展换热面积和促进湍流有显著的作用。

由于传热加强,结构紧凑,可做成紧凑式换热器。翅片管换热器也经常用于加热或冷却管外气体,而在管内通以蒸汽或水,例如空冷器、锅炉省煤器等。

优点

◆与光管相比,传热面增大,传热能力增强。

◆同样热负荷下,比光管的管子少,因此结构更紧凑。

◆可针对传热和工艺灵活选择材料,做成镶嵌或焊接翅片管。

缺点

◆造价高。

◆流阻大,动力消耗大。

2.板式换热器

2.1板翅式换热器

是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器。过去由于制造成本较高,仅用于宇航、电子、原子能等少数部门。现已逐渐用于石油化工及其他工业部门。

板翅式换热器的结构形式很多,但基本元件相同,即在两块平行的薄金属板之间,加入波纹状或其他形状的金属翅片,将两侧面封死,即成为一个换热基本元件。

优点

◆传热效率高,温度控制性好。

◆翅片很薄,结构紧凑,体积小。

◆翅片兼具传热面和支撑作用,强度高。

缺点

◆流道狭小,容易堵塞,且清理困难。

◆隔板和翅片很薄,要求介质对铝不会腐蚀,若腐蚀,造成内部串漏,很难修补。

◆结构复杂,给设计增加了难度。

2.2夹套换热器

在容器外壁安装夹套制成,夹套与容器之间形成的空间作为加热介质或冷却介质的通路。但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高。为提高传热系数且使容器内液体受热均匀,可在容器内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数。

优点

◆结构简单,加工方便。

缺点

◆传热面积小,传热效率低。

2.3螺旋板式换热器

螺旋板换热器是由两张平行的金属板卷制而成,在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设置隔板,将螺旋形通道隔开,两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道,在器内逆流流动,通过薄板进行换热。

优点

◆传热系数高。

◆不易结垢和堵塞。

◆能利用温度较低的热源。

◆结构紧凑。

缺点

◆操作压强和温度不宜太高,不易检修。

2.4平板式换热器

简称板式换热器,由一组长方形的薄金属板平行排列,加紧组装于支架之上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片,压紧后板间形成密封的流体通道,且可用垫片的厚度调节通道的大小。

优点

◆传热系数高,结构紧凑,具有可拆结构。

缺点

◆允许的操作压强和温度比较低。

◆通流面积小,流速又不大,处理量较小。

3.热管换热器

热管是由一根抽除不凝性气体的密封金属管内充以一定量的某种工作液体而成。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化,产生的蒸汽流至冷端冷凝放出潜热,冷凝液回至热端,再次沸腾汽化。如此反复循环,热量不断从热端传至冷端。

热管传热通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行,由于沸腾和冷凝的对流传热强度很大,两端管表面比管截面大很多,而蒸汽流动阻力损失又较小,因此热管两端温差可以很小。由于其导热能力好,非常适用于低温差传热以及某些等温性要求高的场合。

优点

◆结构简单,使用寿命长,工作可靠。

◆具有极高的导热性、良好的等温性。

◆冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度。

缺点

◆抗氧化、耐高温性能较差。



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