化工原理5.8.2间壁式换热器

目前常用的方法是将具有毛细结构的吸液芯装在 管的内壁上，利用毛细管的作用使冷凝液由冷端回 流至热端。热管工作液体可以是氨、水、丙酮、汞 等。采用不同液体介质有不同的工作温度范围。
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热管传导热量的能力很强，为最优导热性能金属的 导热能力的103～104倍。因充分利用了沸腾及冷凝时给 热系数大的特点，通过管外翅片增大传热面，且巧妙地 把管内、外流体间的传热转变为两侧管外的传热，使热 管成为高效而结构简单、投资少的传热设备。目前，热 管换热器已被广泛应用于烟道气废热的回收过程，并取 得了很好的节能效果。
◎ 优点:喷淋式换热器常置于室外空气流通处。冷却水在空气 中汽化亦可带走部分热量，增强冷却效果。其优点是便于检 修，传热效果较好。
◎ 缺点:喷淋不易均匀。
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4）套管式换热器
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◎ 结构：套管式换热器的基本部件由直径不同的直管按同 轴线相套组合而成。内管用的回弯管连接，外管亦需连 接，每一段套管为一程，每程有效长度为4～6m。若管子 太长，管中间会向下弯曲，使环隙中的流体分布不均匀。
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热管是20世纪60年代中期发展起来的一种新型传热 元件。它是在一根抽除不凝性气体的密闭金属 管内充 以一定量的某种工作液体构成。
工作液体因在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的 蒸汽流至冷端放出潜热。冷凝液回至热端，再次沸腾 汽化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。冷 凝液的回流可以通过不同的方法(如毛细管作用、重 力等)来实现。
积。故检修、清洗都比较方便。
◎缺点： ①操作压强和温度不能太高：压强过高容易泄漏，操作压
强不宜超过20at。操作温度受垫片材料耐热性能限制，一般不 超过250℃。
②处理量小：因板间距离仅几毫米，流速又不大，故处理 量较小。
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板式换热器：
平板式换热器 螺旋板式换热器 翅片式换热器 热管
平板式换热器：
材料制造。
◎ 缺点：蛇管外流体湍流程度低，给热系数小。欲提高管
外流体的给热系数，可在容器内安装机械搅拌器或鼓泡搅 拌器。
3) 喷淋式换热器
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◎ 结构：多用作冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水 由最上面的淋水管流出，均匀地分布在蛇管上，并沿其表面 呈膜状自上而下流下，最后流入水槽排出。
螺旋板式换热器：
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螺旋板式换热器 ：
由两块薄金属板分别焊接在一块分隔板的两端 并卷成螺旋体而构成的。两块薄金属板在器内形成 两条螺旋形通道。螺旋体两侧面均焊死或用封头密 封。冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格 逆流，并通过薄板进行换热。
其直径一般在1.6m以内，板宽200～1200mm， 板厚2～4mm。两板间的距离由预先焊在板上的定 距撑控制，相邻板间的距离为5～25mm。常用材料 为碳钢和不锈钢。
3、板式换热器
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◎优点： ①传热系数高：因板面上有波纹，在Re(=200左右)下即可
达到湍流，而且板片厚度又小，故传热系数大。热水与冷水间 换热的传热系数可达1500～4700W/(m2·℃)。
②结构紧凑：一般板间距为4～6mm，单位体积设备可提供 的传热面积为250～1000 m2/m3 (列管换热器只有40～150m2/m3)。 具有可拆结构 可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面
◎ 结构 重点：固定管板式 浮头式 U型管式
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☆ 折流挡板：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。
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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(当热、冷流体间温差超过50℃时应有减小热应 力的措施，这称为“热补偿”) ，列管式换热器可分为： 固定管板、浮头式、U型管式换热器
（2）板翅式换热器：是一种更为高效、紧凑、轻巧的换 热器，应用甚广。其结构形式很多，但其基本结构元件相 同，即在两块平行的薄金属板之间，夹入波纹状或其它形 状的金属翅片，并将两侧面封死，即构成一个换热基本单 元。将各基本元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎 焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束(或称芯部)。 将带有流体进、出口接管的集流箱焊在板束上，就成为板 翅式换热器。我国目前常用的翅片型式有：光直型、锯齿 形和多孔形翅片三种。
◎ 优点：构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要 增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流 速，且两流体可作严格逆流。
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◎ 缺点：管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积 具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要 求不大但压强要求较高的场合。
4）套管式换热器
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§5.8.2间壁式换热器
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1.类型
夹套式换热器
管式换热器 板式换热器
沉浸式蛇管换热器 喷淋式换热器 套管式换热器
翅片式换热器
列管式换热器
热管
2.管式换热器
1） 夹套式换热器
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◎ 结构：夹套空间是加热介质或冷 却介质的通路。主要用于反应过 程的加热或冷却。 当用蒸汽进行加热时，蒸汽由 上部接管进入夹套，冷凝水由下 部接管流出。 作为冷却器时，冷 却介质(如冷却水)由夹套下部接 管进入，由上部接管流出。
5）列管式换热器
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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。
◎ 优点：其用量约占全部换热设备的90%。与前述几种换 热器相比，它的突出优点是单位体积具有的传热面积大， 结构紧凑、坚固、传热效果好，而且能用多种材料制造， 适用性较强，操作弹性大。在高温、高压和大型 装置 中多采用列管式换热器。
固定管板
浮头式
U型管式换热器
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浮头式:
其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由 伸缩。这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端 的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出， 便于清洗和检修。浮头式换热器应用较为普遍，但结构复 杂，造价较高。
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U型管式换热器
U型管式换热器每根管子都弯成U形，管子的进出口 均安装在同一管板上。封头内用隔板分成两室。这样， 管子可以自由伸缩，与壳体无关。这种换热器结构适 用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不 易，制造困难。
◎ 优点：夹套式换热器结构简单。 ◎ 缺点：由于其加热面受容器壁面限制，传热面较小，
且传热系数不高。
2) 沉浸式蛇管换热器
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◎ 结构：换热器多以金属管弯成与容器相适应的形状(因多
为蛇形，故又称蛇管)，并沉浸在容器中。两种流体分别 在蛇管内、外流动并进行热交换
◎ 优点：结构简单，价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀
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螺旋板式换热器的主要缺点：
①操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超 过20at，温度在400℃以下。 ②不易检修：因常用的螺旋板换热器被焊成一体，一 旦损坏，修理很困难。
3、板翅式换热器
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（1）翅片管换热器：是在管的表面加装翅片制成。常用 的翅片有横向和纵向两类。翅片与管表面的连接应紧密， 否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接 方法有热套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此外，翅片 管也可采用整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造。
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平板式换热器： 通常为板式换热器，主要由一组冲压出一定凹凸波纹的长 方形薄金属板平行排列，以密封及夹紧装置组装于支架上 构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可以达到对外 密封的目的。操作时要求板间通道冷、热流体相间流动， 即一个通道走热流体，其两侧紧邻的流道走冷流体。为此， 每块板的四个角上各开一个圆孔。通过圆孔外设置或不设 置圆环形垫片可使每个板间通道只同两个孔相连。引入的 流体可并联流入一组板间通道，而组与组间又为串联机构。 板上的凹凸波纹可增大流体的湍流程度，亦可增加板的刚 性。波纹的形式有多种，一般是人字形波纹板。
板翅式换热器的优点：
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①传热系数高、传热效果好：因翅片在不同程度上促进了湍流并 破坏了传热边界层的发展，故传热系数高。空气强制对流给热系 数为35～350W/(m2·℃)，油类强制对流时给热系数为115～ 1750W/(m2·℃)。冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而 且大部分通过翅片传热(二次传热面)，因此提高了传热效果。 ②结构紧凑：单位体积设备提供的传热面积一般能达到2500～ 4300m2/m3。 ③轻巧牢固：通常用铝合金制造，板重量轻。在相同的传热面积 下，其重量约为列管式换热器的1/10。波形翅片不单是传热面， 亦是两板间的支撑，故其强度很高。 ④适应性强、操作范围广：因铝合金的导热系数高，且在0℃以 下操作时，其延伸性和抗拉强度都较高，适用于低温及超低温的 场合，故操作范围广。此外，既可用于两种流体的热交换，还可 用于多种不同介质在同一设备内的换热，故适应性强。
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板翅式换热器的缺点：
①设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，所以， 物料应洁净或预先净制。
②因隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不 腐蚀。
4、热管
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把传统的内、外表面间的传热巧妙地转化为 两侧管外的传热，冷热端皆可用加翅片的方法进 行强化。而管内部则是沸腾－冷凝过程。
螺旋板换热器的优点：
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①传热系数高：螺旋流道中的流体由于离心惯性力的作用，在 较低雷诺数下即可达到湍流(一般在=1400～1800时即为湍流)， 并且允许采用较高流速(液体2m/s，气体20m/s)，所以传热系数 较大。如水与水之间的换热，其传热系数可达2000～ 3000W/(m2·℃)，而列管式换热器一般为1000～ 2000W/(m2·℃)。 ②不易结垢和堵塞：由于对每种流体流动都是单通道，流体的 速度较高，又有离心惯性力的作用，湍流程度高，流体中悬浮 的颗粒不易沉积，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，宜处理悬 浮液及粘度较大的流体。 ③能利用低温热源：由于流体流动的流道长和两流体可完全逆 流，可在较小的温差下操作，回收低温热源。据有的资料介绍， 热流体出口端热、冷流体温差可小至3℃。 ④结构紧凑：单位体积的传热面积约为列管式的3倍。