化工設備(換熱器)

1、換熱器 精化1431班 化學反應過程與設備 制作人：王仕清，彭良均 換熱器 定義: 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達 到工藝流程規(guī)定的指標的熱量交換設備，又稱熱交換器。 1、表面式換熱器：表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面 分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流 體之間進行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換 熱器。 2、蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把 熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到 一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的 目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。

2、 3、流體連接間接式換熱器：流體連接間接式換熱器，是把兩個表 面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高 溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫 流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。 4、直接接觸式換熱器：直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進 行換熱的設備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。 (二)換熱器按傳熱原理分類 （二）換熱器按用途分類 1、加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒 有發(fā)生相的變化。 2、預熱器：預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝 參數(shù)。 3、過熱器：過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀 態(tài)。 4、蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于

3、加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流 體蒸發(fā)，一般有相的變化。 （三）按換熱器的結構分類 夾套式、浸沒式、噴淋式、套管式和管殼式等。 1 .間壁式換熱器 （1）夾套式換熱器 （2）沉浸式蛇管換熱器 （3）噴淋式換熱器 （4）套管式換熱器套管式換熱器 （5）板式換熱器 （6）管殼式換熱器 管殼式(又稱列 管式) 換熱器 （7）雙管板換熱器 也稱P型換熱 器 2.混合式換熱器 (1)冷卻塔(或稱冷水塔) (2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔) (3)噴射式熱交換器 (4)混合式冷凝器 3.蓄熱式換熱器 4.新型換熱器 （1氣動噴涂翅片管換熱器 （2螺旋折流板換熱器 （3新型麻花管換熱器 （4螺旋管式換熱器

4、（5變聲速增壓熱交換器 換熱器類型 混合式傳熱：冷熱兩種流體直接接觸，在混合過程中進行熱 交換。不常用，如涼水塔。 間壁式換熱：參與傳熱的兩種流體被隔開在固體間壁的兩側， 冷、熱兩流體在不直接接觸的條件下通過固體間壁進行 熱量的交換。 套管式換熱器 冷溶液進 冷溶液出 熱溶液進 熱溶液出 二、間壁式換熱器 （一）夾套式換熱器 主要用于反應器的加熱或冷卻，將反 應器的筒體制成夾套，將加熱劑或冷 卻劑通入夾套內，通過夾套的間壁與 反應器內的物料進行換熱。 在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部連接管通入夾套內，冷凝 水由下部連接管排出，當冷卻時，冷卻水從下部進入，而由 上部流出。 為提高器內物料一側的給熱

5、系數(shù)，可在器內設置攪拌器，使 容器內的流體作強制對流。 間壁式換熱器的類型和結構型式 （二）浸沒式蛇管換熱器 結構：由肘管連接的直管，或由盤 成螺旋狀的彎管所組成。蛇管形狀 主要決定于容器形狀。將蛇管浸沒 于容器中，即構成蛇管式換熱器。 當管內通入液體載熱體時，應從蛇管的下部通入，當管內通 入蒸汽加熱時，應從蛇管的頂部通入，冷凝水經蛇管下部的 疏水器排出。 優(yōu)點：結構簡單，能承受高壓； 缺點：管外流體給熱系數(shù)小，為強化傳熱，可在器內安裝攪 拌器。 （三）噴淋式蛇管換熱器 通常用作冷卻器。將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻流體 在管內流動，冷卻水由管上方的噴淋裝置通過齒型堰板均勻 噴灑在蛇管表面而

6、流下，最后收集于排管的底盤內。 噴淋式換熱器的最大優(yōu)點是便于檢修和清洗，對冷卻水水質 可以適當降低。 （四）套管式換熱器 結構：直徑不同的金屬管裝配成的同心套管?？筛鶕?jù)換熱要 求串聯(lián)使用。程數(shù)可依傳熱面積的大小而增減，并可數(shù)排并 列。冷、熱流體一般呈逆流流動，平均傳熱溫差大，并可達 到較高的流速，形成湍流，具有較高的傳熱系數(shù)。 優(yōu)點：構簡單，能承受較高壓力，應用靈活； 缺點：耗材多，占地面積大，難以構成很大的傳熱面積，故 一般適合于流體流量不大、傳熱負荷較小的場合。 螺旋套管換熱器 （五）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制 成螺旋狀而構成的。卷制后，在器內形成

7、兩條相互隔開的螺 旋形通道，在頂、底部分則焊有封頭和兩流體進出口接管。 其中有一對進出口接管是設在園周邊上，而另一對進出口則 設在園鼓的軸心上。換熱時，冷、熱流體分別進入兩條通道， 在器內作嚴格的逆流流動。 按流道布置和封頭形式可分為： I 型結構：兩個螺旋通道兩側完全焊接封閉，不可拆。兩流 體均作螺旋運動，通常冷流體由外周流入，熱流體從中心流 入，形成完全逆流流動。主要用于液體與液體之間的傳熱。 II 型結構：一個螺旋通道焊接封閉，另一通道的兩側敞開。 一流體作螺旋形流動，另一流體則作軸向流動。適合于兩流 體的流量相差很大的場合。常做蒸汽冷凝器、氣體冷卻器使 用。 III 型結構：一流體作螺

8、旋形流動，另一流體則是軸向流動 和螺旋流動的組合，適用于蒸汽的冷凝和冷卻。 螺旋板式換熱器的特點 傳熱系數(shù)高 由于離心力的作用，可在較低Re數(shù)下出現(xiàn)湍流(Re=1400- 1800)，允許流速可達2m/s，故傳熱系數(shù)較高，如水對水的換熱，傳 熱系數(shù)可達2000-3000 W/（m2K）。 不易堵塞 由于流速較高，又是在螺旋流道內流動，能較好的發(fā)揮流 體對板面的沖刷作用，因而流體中的懸浮物不易沉積下來。由于流 道長，可為完全逆流，便于控制溫度和利用低溫熱源，操作時允許 較低的溫度差，因此，在一些低溫差傳熱的場合，采用螺旋板換熱 器比較合適。 結構緊湊，制造簡便 單位體積設備內的傳熱面積約為列管式

9、換熱器 的3倍。 操作壓力和溫度不能太高 尤其是所能承受的壓力比較低，操作壓力 只能在20atm以下，操作溫度約在300-400以下。 不易檢修 整個換熱器已被卷制焊接為一個整體，一旦發(fā)生中間泄漏 或其他故障，設備即告報廢。 （六）板式換熱器 1.固定壓緊板 2.夾緊螺栓 3.前端板 4.換熱板片 5.密封墊片 6.后端板 7.下導板 8.后支柱 9.活動壓緊板 10.上導板 板式換熱器特點 結構緊湊，占用空間小很小的空間即可提供較大的換熱面積，不 需另外的拆裝空間；相同使用環(huán)境下，其占地面積和重量是其他類 型換熱器的1/31/5。 傳熱系數(shù)高 雷諾準數(shù)10時，即可產生劇烈湍流，一般總傳熱系數(shù)

10、 可高達30008000W/M2.K。 端部溫差小 逆流換熱，可達到1的端部溫差。 熱損失小 只有板片邊緣暴露，不需保溫，熱效率98%。 適應性好 易調整 通過改變板片數(shù)目和組合方式即可調節(jié)換熱能力， 與變化的熱負荷相匹配。 流體滯留量小 對變化反應迅速，拆裝簡單，容易維護 板片是獨立 的單元體，拆裝簡單，可將密封墊密閉的板片拆開、清洗。 結垢傾向低 高度紊流、光滑板表面，使積垢機率很小，且具自清潔 功能，不易堵塞。 低成本 使用一次沖壓成型的波紋板片裝配而成，金屬耗量低，當 使用耐蝕材料時，投資成本明顯低于其他的換熱器。 缺點：處理能力不大，操作壓力比較低，一般不超過20atm，受墊 片耐熱

11、性的限制，操作溫度不能太高，一般合成橡膠墊不超過 130，壓縮石棉墊圈也不超過250。 （七）板翅式換熱器 在兩塊平行金屬板之間夾入波紋狀金屬翅 片，兩邊以側條密封，組成一個單元體； 將各單元體進行不同的疊集和適當?shù)嘏帕校?再用釬焊予以固定，形成逆流、并流和錯 流的板翅式換熱器組裝件(芯部或板束) ； 將帶有進、出口的集流箱焊接到板束上。 特點：傳熱效果更好、結構更為緊湊。 我國目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、鋸齒型翅片 和多孔型翅片。 傳熱效果好 板翅促進湍流，破壞傳熱邊界層的發(fā)展，總傳熱系數(shù) 高，同時冷、熱流體間換熱不僅以平隔板為傳熱面，而且大部分 熱量通過翅片換熱，因而具有很高的傳

12、熱速率。 結構緊湊 單位體積換熱器提供的傳熱面積一般能達到2500m2，最 高可達到4300m2，而列管式換熱器只有160m2。 輕巧牢固 由于結構緊湊，通常用鋁合金制造，在相同的傳熱面積 下，其重量僅為列管式換熱器的十分之一，波紋翅片不僅是傳熱 面，又是兩板間的支撐，故強度很高。 適應性強，操作范圍廣 由于鋁合金的導熱系數(shù)高，特別適合于低 溫和超低溫條件下的換熱。 流道很小，容易堵塞而使壓降增大。換熱器內一旦結垢，清洗和 檢修困難，故處理的物料應較清潔或預先進行凈制。 由于平隔板是用薄鋁片制成，故要求流體對鋁不發(fā)生腐蝕。 （八）熱管換熱器 結構及工作原理：將一根金屬管的兩端密封，抽出不凝性氣

13、 體，充以一定量的某種工作液體而成。當熱管的一端被加熱 時，工作液體受熱沸騰汽化，產生的蒸汽流至冷卻端冷凝放 出冷凝潛熱，冷凝液沿著具有毛細結構的吸液芯在毛細管力 的作用下回流至加熱段再次沸騰汽化，工作介質如此反復循 環(huán)，熱量則由熱管的軸向由加熱端傳至冷卻端。 1導管 2吸液芯 3蒸汽 4吸熱蒸發(fā)端 5保溫層 6放熱冷凝端 用途：給熱系數(shù)很小的氣-氣換熱過程。 當液體和氣體換熱時，可將管外表面翅化以強化傳熱，但對 氣-氣傳熱的情況，管內的傳熱強化則比較困難； 熱管可把管內的對流傳熱轉化為管外表面的傳熱，從而可采 用加裝翅片的方法進行強化。例如利用熱管換熱器回收鍋爐 排出的煙氣余熱預熱燃燒所需空

14、氣，效果良好； 由于熱管兩端的管外表面被翅化，管外對流傳熱強化，管內 籍助工作液體的沸騰和冷凝過程來傳熱，而沸騰和冷凝的給 熱系數(shù)很大，因而熱管的傳熱速率很高； 若將熱管的傳熱速率折算成管體軸向表觀導熱系數(shù)，則熱管 的導熱率是銀的1000倍以上 （九）列管式換熱器 列管式換熱器 工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設備 優(yōu)點：單位體積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應 能力強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。 固定管板式換熱器 結構：管束與焊接在殼體的兩端管板連接。在殼體內，沿管 長方向裝置有若干塊折流擋板； 優(yōu)點：結構簡單、緊湊、造價便宜； 缺點：管外不能機械清洗，管板、管子和殼體都是剛

15、性連接， 當管壁和殼壁的溫度相差較大時，會產生很大的熱應力，甚 至將管子從管板上拉脫。解決方法補償圈(或稱膨脹節(jié))。 間壁式換熱器的類型和結構型式 U 型管式換熱器 結構：管子彎制成U型，U型管的兩頭固定在同一塊管板上， 與管板連接的封頭內用隔板隔成兩室。 優(yōu)點：管子受熱受冷可以自由伸縮，而與殼體無關。結構比 較簡單，管束可以拔出清洗。 缺點：管內的機械清洗困難，只能走清潔流體。 浮頭式換熱器 我國已有標準化的列管式換熱器系列產品供選用。例如：型 號為FB800-180-16-4換熱器，F(xiàn)B表示浮頭式B型，252.5mm 換熱管，正方形排列，殼體公稱直徑800mm，公稱傳熱面積 180m2，公

16、稱壓力16kgf/cm2，管程數(shù)為4。 結構：一塊管板與殼體固定，另一塊管板可以在殼體內來回 活動，并連接一浮頭，當管束受熱受冷時即可自由伸縮。浮 頭式換熱器各有一個內浮頭和一個外浮頭。 優(yōu)點：有良好的熱補償性能，管束可從殼體中拔出清洗； 缺點：結構復雜，造價較高。 填料函式換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價 也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮 發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 填料函式 折流擋板 作用：提高管外的給熱系數(shù)； 形狀：園缺型、園盤型、分流型等； 擋板的形狀和間距必須適當，方能取得良好效果。以弓形為例， 缺口的高度一般取為殼體內徑的10-40%，

17、常見的是20-25%。缺口 方向可水平和垂直排列。 擋板間距過大，流速小，不能保證流體垂直流過管束，管外h ； 間距過小，流動阻力增加，且不便于檢修。 我國系列標準規(guī)定的擋板間距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三種規(guī)格； 浮頭式：150、200、300、480 和 600 mm 五種規(guī)格。 渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動 狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表 面，從而提高換熱效率。最高可達10000W/m2。同時這種結構實 現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。其它類型的換熱器的 流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞

18、流，對流換熱系 數(shù)降低。 *渦流熱膜式換熱器 據(jù)【換熱設備推廣中心】的資料顯示，渦流熱膜換熱器的最大特點 在于經濟性和安全性統(tǒng)一。由于考慮了換熱管之間，換熱管和殼體 之間流動關系，不再使用折流板強行阻擋的方式逼出湍流，而是靠 換熱管之間自然誘導形成交替漩渦流，并在保證換熱管不互相摩擦 的前提下保持應有的顫動力度。換熱管的剛性和柔性配置良好，不 會彼此碰撞，既克服了浮動盤管換熱器之間相互碰撞造成損傷的問 題，又避免了普通管殼式換熱器易結垢的問題。 1.高效節(jié)能，該換熱器傳熱系數(shù)為6000-8000W/m2.0C； 2.全不銹鋼制作，使用壽命長，可達20年以上,十年內出現(xiàn)換熱器質 量問題免費更換；

19、 3.改層流為湍流，提高了換熱效率，降低了熱阻； 4.換熱速度快，耐高溫（400），耐高壓（2.5Mpa）; 5.結構緊湊，占地面積小，重量輕，安裝方便，節(jié)約土建投資； 6.設計靈活，規(guī)格齊全，實用針對性強，節(jié)約資金； 7.應用條件廣泛，適用較大的壓力、溫度范圍和多種介質熱交換； 8.維護費用低，易操作，清垢周期長，清洗方便。 9.采用納米熱膜技術，顯著增大傳熱系數(shù)。 10.應用領域廣闊，可廣泛用于熱電、廠礦、石油化工、城市集中供 熱、食品醫(yī)藥、能源電子、機械輕工等領域。 渦流熱膜換熱器性能特點 渦流熱膜換熱器性能對比 三、列管式換熱器的選用計算中的有關問題 流體流動通道的選擇： (1) 不清

20、潔或易結垢的物料應當流過易于清洗的一側，對于 直管管束，一般通過管內，直管內易于清洗； (2) 需通過增大流速的流體應選管程，因管程流通截面積小 于殼程，且易采用多程來提高流速； (3) 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕； (4) 壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓； (5) 飽和蒸汽宜走殼程，冷凝液易于排出； (6) 被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱； (7) 粘度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和 流向都在不斷變化，在 Re100 即可達到湍流。 以上各點往往不可能同時滿足，應抓住主要矛盾進行選擇， 例如，首先從流體的壓力、腐蝕性及清洗等方面的要求 來考慮，然后再考慮滿足其他方面的要求。 常采用的方法有如下幾種： （1）固定管板式 在殼體加入幾補償， 適用溫度較大，受壓不高時 。 （2）U型管式換熱器 耐高溫高壓,但管程不易清洗。 （3）浮頭式熱器 有一端是與殼體相連，可以沿管長方向自由浮動， 故稱為浮頭式，檢測清洗方便,應用較多,可耐用高溫高壓。 （二）、流體流速的選擇 !流速增加, 有利于增加傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，減少 污垢的沉積。 但流體阻力增加，能耗增加。再者有可 能增加管長，程數(shù)增加，推動力減少應從技術經濟綜 合考慮，一般流速