換熱器文獻(xiàn)綜述

1、淺談?chuàng)Q熱器摘 要： 文章對(duì)換熱器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類，對(duì)部分換熱器特點(diǎn)作了講解，簡(jiǎn)單的介紹了換熱器的發(fā)展過程，并論述了我國(guó)換熱器的發(fā)展及前景。關(guān)鍵詞： 換熱器；分類；發(fā)展前言：換熱器又稱熱交換器是一種將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。換熱器的發(fā)展已經(jīng)有近百年的歷史，被廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供熱、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品、制藥等領(lǐng)域。進(jìn)入80 年代以來(lái)，由于制造技術(shù)、 材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和傳熱理論研究的

2、不斷完善， 有關(guān)換熱器的節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用越來(lái)越引起關(guān)注。按照用途來(lái)分：預(yù)熱器（或加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。按照制造熱交換器的材料來(lái)分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 按照溫度狀況來(lái)分： 溫度工況穩(wěn)定的熱交換器， 熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變； 溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器， 傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變。按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來(lái)分：順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式。按照傳送熱量的方法來(lái)分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類。其中間壁式換熱器的冷、 熱流體被固體間壁隔開， 并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器， 因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。1 換熱

3、器分類及其特點(diǎn)換熱器的用途很廣泛，可用于各種不同的換熱過程，例如：加熱、冷卻、冷凝和 蒸發(fā)等。而換熱器可做如下分類：按設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)分： 有板片式換熱器和管殼式換熱器兩大類。 板片式換熱器是由板片和密封墊片組合而成，通常有波紋平板式、板翅式、螺旋板式和板克式。管殼式換熱器是由管子、殼體及管板組成的設(shè)備，通常有固定管板式、浮頭式、 U 型管式和填料函式。按用途來(lái)分：預(yù)熱器（或者加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。按制造材料來(lái)分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按溫度狀況來(lái)分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而改變； 溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器， 傳熱面上的

4、熱流和溫度都隨時(shí)間改變。按熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來(lái)分：順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式。按傳送熱量的方法來(lái)分：間壁式、混合式、蓄熱式三大類。管殼式換熱器管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，結(jié)構(gòu)一般由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，雖然它在換熱效率、 結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面不如其它新型換熱設(shè)備， 但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠程度高，選材范圍廣，處理能力大，能承受高溫高壓等特點(diǎn)， 所以在工程中仍得到廣泛應(yīng)用。 以下是幾種常見的管殼式強(qiáng)化換熱

5、器。螺旋槽管換熱器，橫紋管換熱器，螺旋扁管換熱器，螺旋扭曲管換熱器，波紋管 換熱器， 內(nèi)翅片管換熱器縮放管換熱器， 波節(jié)管管殼式換熱器， 三維內(nèi)肋管換熱器管，內(nèi)插入物換熱器。固定管板式換熱器固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡(jiǎn)單。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束， 管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上， 兩端管板直接和殼體焊接在一起， 殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上， 管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固， 管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長(zhǎng)度設(shè)置了若干塊折流板。 這種換熱器管程可以用隔板

6、分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器的特點(diǎn)：1、旁路滲流較小；2、鍛件使用較少，造價(jià)低； 3、無(wú)內(nèi)漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是，1、殼體和管壁的溫差較大， 殼體和管子壁溫差t<50, 當(dāng) t>50 時(shí)必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)； 2、易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；3、殼程無(wú)法機(jī)械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低；5、不適用于殼程易結(jié)垢場(chǎng)合，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤 圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)

7、凹型 或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心為 圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽， 且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通， 而不 與凹型槽相連通。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束 連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。斧頭式換熱器的特點(diǎn)：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間， 另一端 管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，這個(gè)特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)能看出來(lái)。這種換熱器殼體和管束的熱 膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比

8、固定管板高20% ,在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于 殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。曜景山翼板天體內(nèi)熱釐 抗海橇U型管式換熱器U型管式換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束 等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩 端均固定于同一管板上。此類換熱器的特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力， 熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)； 管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲

9、半徑不能太小， 在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路 而影響殼程換熱。止匕外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場(chǎng)合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介 質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。板式換熱器板式換熱器不同于一般傳熱面用管做的管式換熱器。板式換熱器是以金屬波 紋板為傳熱元件的新型高效換熱器。由于板片組裝后形成特殊流體通道，在較低雷諾 數(shù)下可以產(chǎn)生湍流，并且不易結(jié)垢，板片材料選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板，鈦板等材質(zhì)，傳熱 系數(shù)高，相鄰板片波紋波峰相互支撐，形成網(wǎng)狀觸電，提高了板片的剛性，

10、可以承受 較大的壓差，保證了使用的安全可靠。波紋平板式換熱器波紋平板式換熱器是由一組長(zhǎng)方形或其它幾何形狀的傳熱板片、密封墊片以 及緊固裝置組成。由于板片間流道宰，板片表面的凹凸波形使物料流動(dòng)時(shí)有擾動(dòng)作用， 因而具有高的傳熱效率。該換熱器密封周邊長(zhǎng)，使用中需要經(jīng)常拆卸和清洗，密封泄 漏可能性大；由于密封墊圈大多用非金屬材料制作， 因而使用溫度和使用壓力均受到 限制。板殼式換熱器在 20 世紀(jì) 30 年代， 板翅式換熱器首先在先進(jìn)國(guó)家用于發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱， 它的板束單元結(jié)構(gòu)由翅片、隔板和封條三部分組成。它具有擴(kuò)展的二次傳熱表面（翅片），所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面 （隔板） 上進(jìn)行， 而且同時(shí)也在

11、二次傳熱表面上進(jìn)行， 我國(guó)從 20 世紀(jì) 60 年代初期開始試制板翅式換熱器， 首先用于空分制氧， 制成了第一套板翅式空分設(shè)備。近幾年來(lái)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)、科研方面都有較大發(fā)展。板翅式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新型換熱器設(shè)備之一。板殼式換熱器是由板束和殼體兩部分組成。板束的截面一半是多邊形，它介于板式換熱器和管殼式換熱器之間。它是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備。具特點(diǎn)是 適應(yīng)性強(qiáng)、能精確滿足工藝對(duì)各種換熱面積的要求、可用材料范圍寬、處理能力大、 能應(yīng)用于高溫以及高壓力的工況、易于制造和生產(chǎn)成本低。它的不足是傳熱效率、結(jié) 構(gòu)緊湊和單位換熱

12、面積所需金屬消耗量比板式換熱器高。2 換熱器的發(fā)展過程在我國(guó)換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國(guó)，由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)， 而且傳熱面積小、 體積大和笨重， 如蛇管式換熱器等。 隨著制造工藝的發(fā)展， 逐步形成一種管殼式換熱器， 它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。在國(guó)外二十世紀(jì)20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。 接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

13、的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。 在此期間， 為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題， 人們對(duì)新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器， 再加上沖壓、 釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展， 換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善， 從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 此外， 自60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展， 這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破， 而且采用新穎的理念，增加強(qiáng)化傳熱。 70 年代中期，為了進(jìn)一步減小換熱器的體積

14、，減輕重量和金屬消耗， 減少換熱器消耗的功率， 并使換熱器能夠在較低溫差下工作， 人們更是采用各種科學(xué)的辦法來(lái)增強(qiáng)換熱器內(nèi)的傳熱。3 總結(jié)隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。 換熱器的設(shè)計(jì)、制造、 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分 活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同， 換熱器的類型也多種多樣， 不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)， 性能各異。 在換熱器設(shè)計(jì)中， 首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型， 然后計(jì)算換熱所需傳熱面積， 并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大

15、，這主要是因?yàn)槊河偷某隹跍囟仍龈撸?總的傳熱溫差下降， 所以換熱面積要增大， 才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大 .通過這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要在管殼式換熱器設(shè)計(jì)過程中， 設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)充分了解且熟悉各相關(guān)技術(shù)規(guī)范及計(jì)算公式， 在對(duì)客戶要求充分理解的基礎(chǔ)上， 參考其它成功的設(shè)計(jì)案例中的設(shè)計(jì)方式及相關(guān)資料，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、可靠，做到設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。參考文獻(xiàn)：1 1 朱有庭，曲文海，于浦義主編 . 化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下卷） . 北京：化學(xué)工藝出版社， ISBN 7-5025-6253-22 董其伍 , 劉敏珊 , 蘇立建 . 管殼式換熱器研究進(jìn)展J. 內(nèi)蒙古石油化工.20063 馮國(guó)紅，曹艷芝, 郝紅 . 管殼式換熱器的研究進(jìn)展J. 化工技術(shù)與開發(fā) .20094 張垚 . 高效的換熱