常见换热器结构及优缺点.doc

福州大学化工原理电子教案 传热
6.7 换热器
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。
6.7.1 直接接触式（混合式）
在这类换热器中，冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下，这是比较方便和有效的，且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。
6.7.2 蓄热式
蓄热式换热器又称为蓄热器，它主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可填耐火砖或金属带等作为填料。当冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。这类换热器的结构简单，且可耐高温，常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。
6.7.3 间壁式
这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点讨论间壁式换热器。
（1）夹套式换热器
结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。
优点：结构简单，加工方便。
缺点：传热面积A小，传热效率低。
用途：广泛用于反应器的加热和冷却。
为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。
（2）沉浸式蛇管换热器
结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。
优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。
缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，
为了强化传热，容器内加搅拌。
（3）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。
（4）套管式换热器
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。
缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。
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。
（5）列管式换热器（管壳式换热器）
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。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。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。
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。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、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。
常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。

壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。
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。
6.7.4 管壳式换热器的设计和选用
（1）设计和选用时应考虑的问题
除了前面讲过流体的流向，流速和流体出口温度的选择外，还应考虑：
① 冷热流体流动通道的选择
a、不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但U形管式的不宜走管程；
b、腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；
c、压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；
d、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；
e、被冷却的流体宜走壳程，便于散热；
f、若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；
g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程即可达到湍流。但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给热系数。
以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要方面，作出适宜的决定。
② 流动方式的选择
除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。
③ 换热管规格和排列选择
换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体管径可取得小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。为了制造和维修的方便，我国目前试行的系列标准规定采用f19×2mm和f25×2.5mm两种规格，管长有1.5、2.0、3.0、6.0m，
排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列。

各种排列方式的优点：

④ 折流挡板
安装折流挡板的目的是为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。
对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。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。

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
（2）管壳式换热器的给热系数
给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过，而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。
壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当即可达到湍流状态。
（3）流体通过换热器的阻力损失
① 管程阻力损失
包括各程直管阻力损失、回弯阻力损失及换热器进出口阻力损失构成，其中可忽略不计。

式中 —— 管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；
——管程数；

式中 ——换热管长度，m；

（包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，取阻力系数为3）
管程阻力损失也可写成

由于，所以。
对同一换热器，若单程改为双程，阻力损失剧增为原来的8倍，而给热系数只增为原来的1.74倍，因此在选择换热器管程数时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。
② 壳程阻力损失
壳程由于流动状态比较复杂，结构参数较多，提出的公式较多，但可归结为

不同的计算公式，决定和的方法不同，计算结果往往不一致。
（4）对数平均温差的修正
前面学过的对数平均温差仅适用于纯并流或纯逆流的情况，当采用多管程或多壳程时，由于其内流动形式复杂，平均推动力的计算式相当复杂。为了方便，可将这些复杂流型的平均推动力的计算结果与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数，即

其中的求法为：

根据，值由图查出各种情况的值。
在设计时注意应使>0.8，为什么？
因为①经济上不合理；②操作温度略有变动，则下降很快，使操作不稳定。
（5）管壳式换热器的设计和选用步骤
① 由已知条件计算传热量及逆流平均温差

由上式可知，要求，必须知道，；而和则是由传热面积的大小和换热器结构决定的。因此，在冷、热流体的流量及进出口温度已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算。
② 初选换热器的尺寸规格
a、初步选定流体流动方式，由冷热流体的进出口温度计算温差修正系数，应使>0.8，否则应改变流动方式，重新计算；
b、依据经验估计总传热系数，估算传热面积；
c、根据，根据系列标准选定换热管的直径、长度及排列；如果是选用，可根据在系列标准中选用适当的换热器型号；
③ 计算管程的压降和给热系数；
a、根据经验选定流速，确定管程数目，并计算管程压降，若>，必须调整管程数目重新计算。
b、计算管内给热系数，若<，则应改变管程数重新计算；若改变管程数使>，则应重新估计，另选一换热器型号进行试算。
④ 计算壳程压降和给热系数；
a、根据流速范围确定挡板间距，并计算壳程压降，若>，可增大挡板间距。
b、计算壳程给热系数，若太小可减小挡板间距。
⑤ 计算传热系数，校核传热面积。
根据流体性质选择适当的垢层热阻R，由R、、计算，再由传热基本方程计算。当小于初选换热器实际所具有的传热面积，则计算可行。考虑到所用换热器计算式的准确度及其他未可预料的因素，应使选用换热器面积有15%~25%的裕度，即/=1.15~1.25，否则应重新估计一个，重复以上计算。
6.7.5 传热过程的强化措施
由，要增大热流量可通过提高，增大，增大来达到。
（1）增大传热平均温度差
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­来强化传热是有限的。
（2）增大总传热系数

① 尽可能利用有相变的热载体（大）；
② 用l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 提高较小一侧有效。
提高的方法
无相变传热：1）增大流速；2）管内加扰流元件；3）改变传热面形状和增加粗糙度。
（3）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。
在传统的间壁式换热器中，除夹套式外，其他都为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑，单位换热面积所提供的传热面小，金属消耗量大。随工业的发展，陆续出现了不少的高效紧凑的换热器并逐渐趋于完善。这些换热器基本可分为两类，一类是在管式换热器的基础上加以改进，另一类是采用各种板状换热表面。
如图所示几种强化传热管和板翅式换热器的翅片。

(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片
6.7.6 换热器的强化和其他类型
由前面的我们已经知道，，要增大热流量可通过提高，增大，增大，那么对换热器进行怎样的改造或设计能达到提高，增大，增大，从而实现强化传热的目的呢？
（1）板式换热器
① 平板式换热器
板式换热器早在20世纪20年代开始用于食品工业，50年代逐渐用于化工及其相近工业部门，现已发展成为一种传热效果较好，结构紧凑的化工换热设备。主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成，用框架夹紧组装在支架上。两相邻流体板的边缘用垫片压紧，达到密封的作用，四角有圆孔形成流体通道，冷热流体在板片的两侧流过，通过板片换热。板上可被压制成多种形状的波纹，可增加刚性；提高湍动程度；增加传热面积；易于液体的均匀分布。

优点：传热效率高，总传热系数大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。
缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。
② 螺旋板式换热器
螺旋板式换热器主要由两张平行的薄钢板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。

优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑A/V大，成本较低。
缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。
③ 板翅式换热器
板翅式换热器是一种传热效果好，更为紧凑的板式换热器。过去由于焊接技术的限制，制造成本较高，仅限用于宇航、电子、原子能等少数部门，作为散热冷却器。现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分离等部门中应用获得良好效果。
板翅式换热器的基本结构，是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。如图所示，在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。各个单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称为板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。

(a)逆流 (b)错流
优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。
缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。
④ 板壳式换热器
将管壳式换热器中的管束用板束代替，即为板壳式换热器。其结构紧凑，传热系数高、坚固、能承受很高的压强和温度，但制造工艺复杂，焊接要求高。
（2）强化管式换热器
在管式换热器的基础上，采取某些强化措施，提高传热效果。如管外加翅片，增大、管外的；管内安装内插物，增大、管内的，从而增大。
（3）热管换热器
热管是一种新型传热元件，它是在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体，然后封闭并抽除不凝性气体。当加热段受热时，工作液体遇热沸腾，产生的蒸汽流至加热段再次沸腾。如此过程反复循环，热量则由加热段传至冷却段。
在热管内部，热量的传递是通过沸腾冷凝过程。由于沸腾和冷凝表面传热系数皆很大，蒸汽流动的阻力损失很小，因此管壁温度相当均匀。这种新型的换热器具有传热能力大，应用范围广，结构简单等优点。
特点：有相变对流传热系数大，结构简单，壁温均匀。
（4）流化床换热器
通过在流体中加固体颗粒，当管程内的流体由下往上流动，使众多的固体颗粒保持稳定的流化状态，对换热器管壁起到冲刷、洗垢作用。同时，使流体在较低流速下也能保持湍流，大大强化了穿热速率。
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