换热器简介

图 3. 间壁式换热器分类 2.1 管式换热器 2.1.1 蛇管式换热器
图 4. 沉浸式蛇管换热器示意图 蛇管式换热器由弯头连接的直管或者盘成螺旋形的蛇形管构成，蛇管式盘 管可以制作成任意的形状， （例如地热盘管，气液分离器底部的蒸汽伴热盘管） 用焊或者铸的方式置于容器壁或底部。蛇形管换热器又分为沉浸式和喷淋式，沉 浸式蛇形管换热器结构简单，便于防腐，能承受高压，但其传热面积有限；喷淋
图 1. 直接接触式换热器示意图
图 2. 蓄热式换热器示意图 2.换热器分类及用途 换热器按照用途分类分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器；按照 冷热流体的热量交换方式分为：直接接触式、蓄热式和间壁式，直接接触式换热
器是在工艺上允许的条件下直接将冷热流体混合实现热量交换， 方便有效且结构 简单，常用于气体的冷却或者水蒸气的冷凝，如图 1。蓄热式换热器主要由热容 量较大的蓄热室构成， 室内填充耐火砖等填料，冷热流体交替通过蓄热室通过填 料实现热交换， 这种换热器结构简单、 可耐高温， 适于气体热余量或者冷量回收， 但其设备尺寸较大，且冷热流体会在某种程度上混合，如图 2。间壁式换热器是 目前化工行业内使用较为普遍的换热器， 该换热器冷热流体用某种导热性能较好 的材料分开， 以保证冷热流体在不混合的条件下实现热交换。下面重点对间壁式 换热器进行分类总结，如图 3。
近年来随着地源热泵的兴起，套管式换热器成为地源热泵的一种重要元件。地源热泵 是利用浅层地能进行供热或者制冷的新型能源技术。 目前已经开始的应用于办公楼、 住宅等 场所的制冷或者供热。
2.1.3 列管式换热器
图 7. 列管式换热器示意图 列管式换热器又称为管壳式换热器，如图 7 所示，距今已有较长的历史，是 目前应用最为广泛的换热设备， 也是我公司最常用的换热设备。相对于其他类型 的间壁式换热器， 列管式换热器的传热面积较大， 传热效果也更好， 且结构紧凑、 坚固，尤其适用于大型装置以及高温、高压的操作环境。 列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件构成，在设备操作时， 冷热流体的温差往往较大，当这一差值达到 50℃以上时就会造成壳体和管束之 间热膨胀差异较大，产生较大的热应力，甚至会毁坏整个换热器。因此为了避免 热应力带来的损坏， 一般会对于列管式换热器进行补偿，按照补偿方式的不同列 管式换热器主要分为以下三种形式：固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管 式换热器。 2.1.3.1 固定管板式换热器
图 12. 螺旋板式换热器示意图 螺旋板式换热器由两张薄板平行卷制而成， 形成两个互相隔开的螺旋形通道， 两板之间有定距柱以保持其距离，同时也用于增强螺旋板的刚度。冷热流体以螺 旋板为传热面分别在板片两边的通道内做逆流流动并进行传热。 与平板式换热器类似， 螺旋板式换热器同样具有较高的传热系数， 结构紧凑， 不易堵塞的优点， 但是也因为其阻力较大、操作温度和压力不高以及不易检修等 问题而限制了使用范围。 2.2.3 夹套式换热器 夹套式换热器结构非常简单，夹套安装在容器的外部，夹套与容器之间的密 闭空隙作为载热体的通道， 这种结构普遍应用于需要加热搅拌但不便额外增加换 热设备的情况。 夹套式换热器由于其结构限制，传热面积不大，用于加热的夹套内的蒸汽压 力通常不高于 500 KPa。
膨胀差。 这种补偿方式简单， 但是不适用于两流体温差过大或者壳内流体压强过 高的场合。 2.1.3.2 浮头式换热器
1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳 图 9. 浮头式换热器示意图 当壳体和管束间温差比较大，而管束空间需要经常清洗时，比较常用浮头式 换热器。 该换热器的管板有一端不与壳体相连，可以沿管长方向在壳体内做一定 范围的自由伸缩， 从而解决了热补偿的问题，另外一端的管板仍用法兰与壳体相 连接，整个管束可以从壳体中拆卸出来清洗或者更换。相对固定管板式换热器， 浮头式换热器清洗方便、无需额外热补偿，但是它的结构较为复杂，因此造价也 较高。 2.1.3.3 U 形管式换热器
安装在管束下面的轴流式风机向上吹过管束作为冷却剂。管外安装了翅片，既增 强了管外流体的湍动程度，又增大传热面积。这样，可以减少两边给热系数悬殊 的问题，从而提高了传热性能。 2.4 热管换热器
图 16 热管示意图 热管换热器式十九世纪中期开始使用的一种高效的换热装置， 目前在各行各 业都有广泛的应用。 热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真 空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷 热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。缺点 是抗氧化、 耐高温性能较差。 此缺点可以通过在前部安装一套陶瓷换热器来予以 解决，陶瓷换热器较好地解决了耐高温、耐腐蚀的难题。 以热管为传热元件的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利 于控制露点腐蚀等优点。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交 通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取 得了显著的经济效益， 尤其是在化工行业中热量回收的装置普遍采用热管换热器。 按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为：气 —气式、气-汽式、气 —液式、液—液式、液—气式。按照热管换热器的结构形式可分为：整体式、分 离式和组合式。 表 1. 热管换热器与列管式换热器在热量回收应用的对比
6. 被冷却的流体宜走管间-可利用外壳向外的散热作用 7. 流量小或粘度大的液体，宜走管间-提高对流传热系数 8. 若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-减少热应力 3.2 流体流速的选择 流体种类 一般流体 易结垢流体 气体 流速 m/s 管程 0.5~3 ＞1 5~30 壳程 0.2~1.5 ＞0.5 3~15
浮头式
沉浸蛇管式
传热面积有限 体积大、 耗水量大、 传 热不均匀、定期除垢 操作压力、温度较低， 处理量较小 传热面积小、 操作压力 低 成本高、 易堵塞、 不易 检修清洗 翅片清洗困难
喷淋蛇管式
平板式
生物、食流体较为 清洁的行业 干燥系统空气加热、冷却热 风机、空冷机 航空、 电子、 化工热量回收、 过程热能利用、
板翅式
翅片管式
热管式
成本较高
3.换热器计算及选型 不同型式的换热器具有不同的计算方法， 且每种计算方法均涉及换算相关知 识。换热器的选型计算主要包含以下几个方面：热力计算、流动计算、结构计算 和强度计算。其中热力计算主要包括总传热系数、传热面积等；流动计算主要是 指压降计算； 结构计算是指根据传热面积的大小计算其主要流部件的尺寸；强度 计算主要是指应力计算， 特别是高温高压下换热器受压部件按照国标标准的设计 计算。 下文以目前工程常用的列管式换热器为例，对于换热器的选型进行简单的 介绍。 3.1 流径的选择 冷热流体流径的选择有以下几个一般原则，这些原则常常不能同时满足，有 时甚至会存在矛盾， 因此实际设计时应根据具体情况，抓住主要方面做出适宜决 定。 1. 不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便 2. 腐蚀性流体宜在管内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗 3. 压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗量 4. 饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液 5. 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少
1-防冲板；2-拉杆；3-折流板；4-分流割板；5-旁路挡板；6-带法兰管板；7-传热管
图 8. 固定管板式换热器示意图 固定管板式换热器是将管束两段与管板以焊接法或者胀接法固定， 壳体和管 板焊接在一起，管板多同时用作法兰与封头连接。这样管束、管板和壳体就组成 一个不可拆卸的整体，因而叫做固定管板式换热器。该换热器结构简单，制造成 本低，适用于壳体和管束温差小，管外物料比较清洁且不易结垢的场合。为减少 热应力， 通常在固定管板式换热器中设置柔性元件膨胀节、挠性管板等来吸收热
式的传热效果通常比沉浸式要好， 但缺点是喷淋容易不均匀， 且一般安装在室外， 需要定期清除管外积垢。
图 5. 喷淋式蛇管换热器示意图 2.1.2 套管式换热器
图 6. 套管式换热器示意图 套管式换热器即将两种直径大小不同的直管装成同心套管， 每一段套管称为 一程，每一程内管之间用回弯头相连，外管之间也相连。如图 6 所示，进行热交 换时，一种流体在内管流动，另一种流体则在外套管间的管隙流动。套管式换热 器式标准管与管件组合而成，构造简单，加工方便，选择恰当的内外管直径即可 获得较高的传热系数，但是另一方面该种换热器街头多而易漏，占地面积较大， 单位传热面积消耗的金属量大，适用于传热量不大的设备。
2.5 换热器对比
表 2. 各类型换热器对比
换热器形式 优点 缺点 壳程不易清洗、 需补偿 造价成本高 适用范围 壳体和管束温差小 壳程流体不易结垢 壳体和管束温差大 壳程流体易结垢 常用于有机化工的冷凝 石油炼制、造气、酿造；浓 硫酸的冷却
固定管板式
造价成本低 清洗方便 无需补偿 结构简单、 耐高压、 防腐简单 易清洗、传热面积 增减灵活 传热系数大、结构 紧凑、操作灵活、 易检修、易清洗 设备简单、造价低 传热系数大、结构 紧凑轻巧 传热系数大 高效节能、结构紧 凑
图 11. 平板式换热器工作示意图 平板式换热器由传热板片、密封垫片和压紧装置组成，通过垫片密封、以及 孔槽定向实现冷热流体的分离和热交换。 传热板片一般压制成槽型或者波纹形的 表面， 既能增强板片的强度又能加强流体的湍动。 平板式换热器广泛应用于食品、 轻工业和生物学研究等行业。 平板式换热器传热系数大、结构紧凑、操作的灵活性也较大，同时设备的清 洗、检修都很方便，但是设备的允许操作压力和操作温度较低，处理量较小，不 适用于大型化工生产过程。 2.2.2 螺旋板式换热器
图 12. 夹套式换热器示意图 2.3 翅片式换热器 2.3.1 板翅式换热器 板翅式换热器由若干个基本元件和集流箱组成，基本元件由翅片、隔板和封 条组成。将各个单元体进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊焊为一体，得到 的组装件成为芯部或板束。图 13 所示为逆流和错流式板翅换热器组装件。板翅 式换热器传热效率高，传热系数比管壳是换热器大 3~10 倍。结构紧凑、轻巧， 单位面积内传热面积约为管壳式换热器的十几到几十倍。 但是其结构相对比较复 杂，造价成本高，易堵塞，不易清洗和检修，因此要求流体清洁，且生产规模不