1、2018/6/19,第六章 换热器,一、换热设备的分类二、间壁式换热器的主要类型,第一节 概述,2018/6/19,一、换热设备的分类,根据传热原理和实现热交换的方法,间壁式,混合式,蓄热式,换热面的型式,管式,板式,翅片式,2018/6/19,图-混合式换热器,1.混合式换热器,2018/6/19,1.混合式换热器,混合式换热器又称直接接触式是依靠冷、热流体直接接触进行传热，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧污垢的热阻，只要流体间的接触情况良好，就具有较大的传热速率，它具有设备结构简单、传热效率高和易于防腐等特点。因此，在生产工艺上允许两种流体相互混合的情况下，都可以采用混合式换热器，例如气
2、体的洗涤和冷却、循环水的冷却、蒸汽-水之间的混合加热等。,2018/6/19,图-蓄热式换热器,2.蓄热式换热器,2018/6/19,蓄热式（回热式）换热器又称蓄热器，它主要是由热容量较大的蓄热室构成，蓄热室的填料一般是耐火材料或金属材料。当冷、热两种流体交替通过蓄热室时，即可通过蓄热室将热流体传给蓄热室的热量间接地传给冷流体，以达到换热的目的。蓄热式换热器的结构较简单，可耐受高温，但其缺点是设备体积庞大，冷、热流体之间存在一定程度的混合。它常用于气体的余热或冷量的回收利用。传统的蓄热室是由耐火砖砌成的格子体，单位体积蓄热室的传热面积较小，而近年开发的高效而紧凑的蓄热器则大大地改善了设备庞大的
3、缺点，如旋转型蓄热器和流化床型蓄热器。,2.蓄热式换热器,2018/6/19,这类换热器的特点是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面进行传递。工业上应用最广泛的换热器即是间壁式，因而本节将重点介绍间壁式换热器。换热器还可按其用途分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器和再沸器等；按换热器制造材料分为金属、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等等，这里不再详述。,3. 间壁式换热器,2018/6/19,二、间壁式换热器的主要类型,间壁式换热器,换热面的型式,管式换热器,板式换热器,翅片式换热器,2018/6/19,1、管式换热器,管式换热器,套管式换热器,
4、蛇管式换热器,螺旋管式换热器,管壳式换热器,2018/6/19,1、管式换热器,(1)套管式换热器,2018/6/19,2018/6/19,套管式换热器,2018/6/19,套管式换热器,2018/6/19,（）套管式换热器 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。优点：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。另外，套管式换热器构造较简单，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
5、泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。因此它较适用于流量不大，所需传热面积不多而要求压强较高的场合。,2018/6/19,蛇管形状,（）蛇管式换热器,2018/6/19,沉浸式蛇管换热器,2018/6/19,沉浸式蛇管换热器,2018/6/19,沉浸式蛇管换热器,2018/6/19,）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（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如图所示。优点 ：结构简单、价格低廉，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，管外对流传热系数小。,2018/6/19,
6、）喷淋式蛇管换热器,2018/6/19,2018/6/19,）喷淋式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，提高了冷却效果。,2018/6/19,优点: 和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果要好得多。同时它还
7、便于检修和清洗等。缺点:是喷淋不易均匀。,2018/6/19,(3)螺旋管式换热器(略)(4)管壳式换热器(第二节详细介绍),2018/6/19,2、板面式换热器,板式换热器,常用的结构形式:,螺旋板式换热器,板翅式换热器,板壳式换热器,2018/6/19,(1)板式换热器结构:由一组长方形的薄金属板平行排列，加紧组装于支架上而构成。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。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放置垫片而阻止流体进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在相邻板上是错开的以分别形成
8、两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.53mm，通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。,2018/6/19,(1)板式换热器,板式换热器的流体路径,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,优点： 1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200左右）下即达到湍
9、流。而且板片厚度又小，故传热系数大。2）结构紧凑：一般板间距为46mm，单位体积设备可提供的传热面为2501000m2/m3（列管式换热器只有40150 m2/m3）。平板式换热器的金属消耗量可减少一半以上。3）具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。操作灵活性大，检修、清洗也都比较方便。,2018/6/19,缺点:1)允许的操作压强和温度都比较低。通常操作压强低于1.5Mpa，最高不超过2.0Mpa，压强过高容易泄露。2)操作温度受垫片材料的耐热性限制，一般不超过250。3)另外由于两板的间距仅几毫米，流通面积较小，流速又不大，处理量较小。,2018/6/19,(2)螺旋
10、板式换热器,结构:螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，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。,2018/6/19,螺旋板式换热器结构,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,优点： 1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在较低的雷诺数（一般Re=14001800
11、或更低些）下即达到湍流，并且允许选用较高的流速（对液体为2m/s，气体为20m/s），故传热系数较高。如水对水的换热，其传热系数可达20003000W/（m2.K），而列管式换热器一般为10002000 W/（m2.K）。2）不易结垢和堵塞：由于流体的速度较高，又有惯性离心力的作用，流体中悬浮的颗粒被抛向螺旋形通道的外缘而受到流体本身的冲刷，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，适合处理悬浮液及粘度较大的介质。,2018/6/19,3）能利用温度较低的热源：由于流体流动的流道较长和两流体可进行完全逆流，故可在较小的温差下操作，能充分利用温度较低的热源。4）结构紧凑：单位体积的传热面积为列管式的3倍，可
12、节约金属材料。缺点:1）操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过2Mpa，温度不超过300400。2）不易检修：因整个换热器被焊成一体，一旦损坏，修理很困难。,2018/6/19,(3)板翅式换热器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。现在已逐渐用于石油化工及其它工业部门，取得良好效果。结构:板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板之间，加入波纹状或其它形状的金属翅片，将两侧面封死，即成为一个换热基本元件。将各基本元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束
13、（或称芯部），然后再将带由流体进出口的接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。我国目前常用的翅片形式有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种。,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,2018/6/19,优点：1）结构高度紧密、轻巧、单位体积设备所提供的传热面一般能达到2500 m2/m3，最高可达4300 m2/m3。通常用铝合金制造，故重量轻，在相同的传热面下，其重量约为列管式的十分之一。由于翅片促进了流体的湍动并破坏了热边界层的发展，故其传热系数较高；2）另外铝合金不仅导热系数高，而且在零度以下操作时，其延性和抗拉强度都很高，适用于低温和超低温的场合，故操作范围广
14、，可在200至绝对零度范围内使用。同时因翅片对隔板有支撑作用，板翅式换热器允许操作压强也比较高，可达5MPa。,2018/6/19,缺点:1）是设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，故所处理的物料应较洁净或预先净制；2）由于隔板的翅片均由薄铝板制称成，故要求介质对铝不腐蚀。,2018/6/19,（4）板壳式换热器,图6-14 基本元件的横截面形状,结构:由壳体和板束组成。壳体形状随板束形状而异，多数是圆筒形，结构与管壳式壳体相似。特点：结构紧凑，容易清洗，压降小，穿热效率高；制造工艺复杂，焊接技术要求高。,2018/6/19,换热设备类型的选用,一、比较换热设备的性能见表2-1二、选用换热设备1、考虑流体的性质2、考虑传热速率3、考虑质量和尺寸4、考虑污垢及清洗5、考虑投资和运行费用,2018/6/19,三选用换热设备材料,换热设备各零部件选材考虑的因素：操作压力操作温度流体的腐蚀性材料的制造工艺性材料的经济合理性见表2-2,
