換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量交換的設(shè)備。它工藝過(guò)程必不可少的單元設(shè)備,廣泛用于石油、化工、輕工、制藥、食品、機(jī)械、冶金、動(dòng)力等工程領(lǐng)域中。今天我們就來(lái)**了解下?lián)Q熱器。
換熱器的分類
1、按作用原理分
(1)直接接觸式換熱器(混和式換熱器)
冷、熱流體直接接觸,相互混和傳遞熱量。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳熱效率高。
適于冷、熱流體允許混和的場(chǎng)合。
如涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。
(2)蓄熱式換熱器(回流式換熱器、蓄熱器)
借助于熱容量較大的固體蓄熱體,將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí),從熱流體處接受熱量,蓄熱體溫度升高,然后與冷流體接觸,將熱量傳遞給冷流體,蓄熱體溫度下降,從而達(dá)到換熱的目的。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可耐高溫,體積龐大,不能完全避免兩種流體的混和。
適于高溫氣體熱量的回收或冷卻。
如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。
(3)間壁式換熱器(表面式換熱器、間接式換熱器)
冷、熱流體被固體壁面隔開(kāi),互不接觸,熱量由熱流體通過(guò)壁面?zhèn)鬟f給冷流體。形式多樣,應(yīng)用廣泛。本章介紹此類換熱器。
適于冷、熱流體不允許混和的場(chǎng)合。
如各種管殼式、板式結(jié)構(gòu)的換熱器。
2、按用途分
加熱器:用于把流體加熱到所需溫度,被加熱流體在加熱過(guò)程中不發(fā)生相變。
預(yù)熱器:用于流體的預(yù)熱,以提高整套工藝裝置的效率。
過(guò)熱器:用于加熱飽和蒸汽,使其達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)。
蒸發(fā)器:用于加熱液體,使其蒸發(fā)汽化。
再沸器:用于加熱已被冷凝的液體,使其再受熱汽化。為蒸餾過(guò)程專用設(shè)備。
冷卻器:用于冷卻流體,使其達(dá)到所需溫度。
冷凝器:用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽,使其放出潛熱而凝結(jié)液化。
3、按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分
(1)管式換熱器
通過(guò)管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片式換熱器等。應(yīng)用*廣。
(2)板式換熱器
通過(guò)板面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式、熱板式換熱器等。
(3)特殊形式換熱器
根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式、熱管、同流式換熱器等。
4、按所用材料分
(1)金屬材料換熱器
由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大,故此類換熱器的傳熱效率高。
(2)非金屬材料換熱器
有非金屬材料制成的換熱器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較小,故此類換熱器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。
換熱器的結(jié)構(gòu)形式
1、管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式
(1)列管式換熱器(管殼式換熱器)
它結(jié)構(gòu)緊湊,單位體積所具有的傳熱面積較大(40~150m2/m3),傳熱效果好,適應(yīng)性強(qiáng),操作彈性大,尤其適用于高溫、高壓和大型裝置中,是管式換熱器中應(yīng)用*普遍的換熱器。
在列管式換熱器中,由于管內(nèi)外流體溫度不同,使管束和殼體的受熱程度不同,導(dǎo)致它們的熱膨脹程度出現(xiàn)差別。若兩流體溫差較大,就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形,管子彎曲甚至破裂,嚴(yán)重時(shí)從管板上脫落。因此當(dāng)兩流體的溫度差超過(guò)50℃時(shí),就應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響,采取相應(yīng)的熱補(bǔ)償措施。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同,列管式換熱器分為三種形式。
(2)固定管板式換熱器
它是將兩端管板和殼體連接在一起,因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn),但由于殼程清洗和檢修困難,管外物料應(yīng)清潔、不易結(jié)垢 。對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊上補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié)),通過(guò)補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來(lái)適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度,如圖示。這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單但有限,只適用于兩流體溫差小于70℃,殼程流體壓強(qiáng)小于0.6MPa的場(chǎng)合。
2、浮頭式換熱器
它是將一端管板與殼體相連,而另一端管板不與殼體固定連接,可以沿軸向自由浮動(dòng),如圖示。這種結(jié)構(gòu)不但可完全消除熱應(yīng)力,而且在清洗和檢修時(shí)整個(gè)管束可以從殼體中抽出。因而盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)高,但應(yīng)用較為普遍。
3、U型管式換熱器
它是將每根管子都彎成U型狀,兩端固定在同一管板的兩側(cè),管板用隔板分成兩室,如圖示。這種結(jié)構(gòu)使得每根管子可以自由伸縮,與其它管子和殼體無(wú)關(guān),從而解決了熱補(bǔ)償問(wèn)題。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可用于高溫高壓,但管程不易清洗,而且因管子需要一定的彎曲半徑,故管板的利用率低。
4、蛇管式換熱器
(1)沉浸式蛇管換熱器
蛇管多以金屬管彎繞而成,或制成適應(yīng)各種容器需要的形狀,沉浸在容器中。兩種流體分別在管內(nèi)外流動(dòng)通過(guò)蛇管表面進(jìn)行換熱,如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低,管外對(duì)流傳熱系數(shù)小,傳熱效果可通過(guò)增設(shè)攪拌提高,此外傳熱面積有限,主要用于傳熱量不大的容器中。
(2)噴淋式蛇管換熱器
如圖示,將蛇管成排地固定在支架上,冷卻水由*上層管的噴淋裝置中均勻淋下,沿管表面流過(guò),與管內(nèi)熱流體換熱。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果較沉浸式好,傳熱面積大而且可以改變,檢修和清洗方便。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。
主要用于管內(nèi)流體的冷卻,常設(shè)置在室外空氣流通處,
5、套管式換熱器
將兩種直徑不同的直管制成同心套管,根據(jù)換熱要求將若干段套管連接組合而成,如圖示。
每段套管稱為一程,長(zhǎng)約4~6m,每程的內(nèi)管依次與下一程的內(nèi)管用U型彎頭連接,外管之間也由管子連通,可同時(shí)幾排并列,每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體走管內(nèi),另一種流體走環(huán)隙,而且兩種流體可始終保持逆流換熱,Δtm大。適當(dāng)選擇兩管的直徑,兩流體可得到較高的流速,故一般具有較高的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能耐高壓,傳熱面積易于增減;缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊,金屬耗用量大,一般用于換熱量不大的場(chǎng)合。
翅片管式換熱器
它是在管的表面上加裝一定形式的翅片,有橫向和縱向兩類。
翅片管換熱器主要用于兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí),在h小的一側(cè)加裝翅片,從而增大傳熱面積,提高流體的湍動(dòng)程度,以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。
為了使換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊,提高單位體積的傳熱面積,增加傳熱效果,以及適應(yīng)某些工藝過(guò)程的需要等,開(kāi)發(fā)了以板狀作為傳熱面積的換熱器,稱為板式換熱器。
1、平板式換熱器
由一組長(zhǎng)方形的金屬薄板平行排列在一起,采用夾緊裝置組裝于支架上而構(gòu)成,見(jiàn)圖。而相鄰板間的邊緣襯有墊片(橡膠或壓縮石棉等),壓緊后板內(nèi)形成密封的液體通道。每塊板的4個(gè)角上有圓孔,其中一對(duì)圓孔和板間相通,而另外一對(duì)圓孔通過(guò)加裝墊片和板內(nèi)相隔,在相鄰板上錯(cuò)開(kāi)以分別形成兩流體通道,從而使兩流體交錯(cuò)地流過(guò)板片兩側(cè)通過(guò)板片進(jìn)行換熱。板厚通常為0.5~3mm,板面壓制成波紋狀,兩板間距4~6mm,材質(zhì)一般為不銹鋼。
特點(diǎn)是:
(1)總傳熱系數(shù)高。因板面壓制成波紋狀,流動(dòng)湍動(dòng)程度大,污垢熱阻小,在低雷諾數(shù)(Re=200左右)下即達(dá)到湍流,而且板薄,因而K值可達(dá)到1200~1500W/m2·K。
(2)結(jié)構(gòu)緊湊。由于板薄而且兩板間距小,因而單位體積提供的傳熱面積大,可達(dá)到250~1000m2/m3,金屬耗用量少。
(3)操作靈活性大。因具有可拆結(jié)構(gòu),根據(jù)生產(chǎn)需要通過(guò)調(diào)節(jié)板數(shù)增減傳熱面積,檢修和清洗方便。
(4)兩流體嚴(yán)格成逆流,Δtm大,傳熱推動(dòng)力大。
主要缺點(diǎn)是允許的操作壓強(qiáng)和溫度低。因板薄壓強(qiáng)高容易變形,墊片壓強(qiáng)高時(shí)容易滲漏,所以操作壓強(qiáng)不超過(guò)2MPa,因受墊片材料的耐熱性限制,操作溫度對(duì)橡膠墊不超過(guò)130℃,石棉墊不超過(guò)250℃。此外流通截面積小,故處理量小。自20世紀(jì)50年代以來(lái),主要應(yīng)用于輕工、食品等行業(yè)。
2、螺旋板式換熱器
它是由兩張互相平行的薄金屬板,卷制成同心的螺旋形通道。在其中央設(shè)置隔板將兩通道隔開(kāi),兩板間焊有定距柱以維持通道間距,螺旋板兩側(cè)焊有蓋板和接管。兩流體分別在兩通道內(nèi)流動(dòng),通過(guò)螺旋板進(jìn)行換熱,見(jiàn)圖。
分為I型、II型、III型和G型等幾種形式。
特點(diǎn)是:
(1)總傳熱系數(shù)高 由于流體在螺旋形通道內(nèi)受到慣性離心力的作用和定距柱的干擾,低雷諾數(shù)(Re=1400~1800)下即可達(dá)到湍流,允許流速大(液體為2m/s,氣體為20m/s),故傳熱系數(shù)大。如水對(duì)水換熱過(guò)程K=2000~3000W/m2·K。
(2)不易結(jié)垢和堵塞 由于流速較高且在螺旋形通道中流過(guò),有自行沖刷作用,故流體中的懸浮物不易沉積下來(lái)。
(3)能利用低溫?zé)嵩?由于流道長(zhǎng)而且兩流體可達(dá)到完全逆流,因而傳熱溫差大,能充分利用溫度較低的熱源。
(4)結(jié)構(gòu)緊湊 由于板薄2~4mm,單位體積的傳熱面積可達(dá)到150~500m2/m3。
主要缺點(diǎn)是操作壓強(qiáng)不能超過(guò)2MPa,操作溫度在300~400℃以下,另外因整個(gè)換熱器焊為一體,一旦損壞檢修困難。螺旋板換熱器直徑在1.5m之內(nèi),板寬200~1200mm,板厚2~4mm,兩板間距5~25mm,可用普通鋼板和不銹鋼制造,目前廣泛用于化工、輕工、食品等行業(yè)。
3、板翅式換熱器
板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多,但是基本結(jié)構(gòu)是由平行隔板和各種型式的翅片構(gòu)成的板束組裝而成,如圖示。
在兩塊平行薄金屬之間,夾入波紋狀或其它形狀的翅片,兩邊以側(cè)條密封,即組成為一個(gè)換熱單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕校⒂免F焊固定,成為并流、逆流、錯(cuò)流的板束(或稱蕊部)。然后再將帶有流體進(jìn)出口接管的集流箱焊在板束上,即成為板翅式換熱器。常用的翅片為光直型、鋸齒型和多孔型三種型式。
板翅式換熱器一般用鋁合金制造,結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧,單位體積傳熱面積可達(dá)到2500~4000m2/m3,傳熱系數(shù)高,空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)可達(dá)到350W/m2·K,承壓可達(dá)5MPa。但容易堵塞,清洗困難,不易檢修,適用于清潔和無(wú)腐蝕性流體的換熱。現(xiàn)已在石油化工、氣體分離等工業(yè)中得到應(yīng)用。
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