换热器基础知识

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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。板翅式换热器的结构型式很多，但是基本结构是由 平行隔板和各种型式的翅片构成的板束组装而成，如图 示。
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1.1.2 换热器的结构形式
1.1.2.1 管式换热器的结构形式
1.1.2.1.1 列管式换热器(管壳式换热器)
它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大(40～ 150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其 适用于高温、高压和大型装置中，是管式换热器中应用 最普遍的换热器。
〖注意〗应选用与工艺条件相仿、传热设备类似而且较为 成熟的经验K值作为设计的基础。
实验测定：对现有的换热器，通过实验测定有关的数据， 如流体的流量和温度等，再用传热速率方程计算K值。实验 测定可获得较为可靠的K值。实测K值的意义不仅可提供设
计换热器的依据，且可了解传热设备的性能，从而寻求提 高设备生产能量的途径。
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换热器分类树型图
直接接触式
换作
热
用 原 间壁式
器理
分
蓄热式
板式
间
壁 式
管式
用途分
特殊式
加预 过 蒸 再冷 冷 热热 热 发 沸却 凝 器器 器 器 器器 器
平板式
螺旋板式
板翅式 列管式
蛇管式
固定管板式 浮头式 U型管式 沉浸式蛇管 喷淋式蛇管 套管式 翅片管式
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换热器
换热器：实现热量交换的设备。
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1.固定管板式换热器
它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有 结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和 检修困难，管外物料应清洁、不易结垢 。对温差 稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀 节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适 应外壳和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补 偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于 70℃，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。
结构简单，可耐高温，体积庞大， 不能完全避免两种流体的混和。 适于高温气体热量的回收或冷却。 如回转式空气预热器。
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3.间壁式换热器(表面式换热器、间接式换热器)
冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁 面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。本章介绍此类换热器。
适于冷、热流体不允许混和的场合。
在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管 束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现 差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设 备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。 因此当两流体的温度差超过50℃时，就应从结构上考虑 热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。根据热补偿方 法的不同，列管式换热器分为三种形式：
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在两块平行薄金属之间，夹入波纹状或其它形状的翅片， 两边以侧条密封，即组成为一个换热单元体。将各单元体 进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，成为并流、 逆流、错流的板束(或称蕊部)。然后再将带有流体进出口 接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。常用的 翅片为光直型、锯齿型和多孔型三种型式。
(3)对平壁或薄圆筒壁(管径大而管壁又薄) ，di=do=dm，则： 1 1b1 K hi k ho
(4)欲提高K值，必须设法减小起决定作用的热阻。 若薄圆筒壁，且污垢、管壁热阻(k大)不计时：
板翅式换热器一般用铝合金制造，结构紧凑、轻巧，单位 体积传热面积可达到2500～4000m2/m3，传热系数高，空 气的对流传热系数可达到350W/m2·K，承压可达5MPa。但 容易堵塞，清洗困难，不易 检修，适用于清洁和无腐蚀 性流体的换热。现已在石油 化工、气体分离等工业中得 到应用。
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1.1.2.2 板式换热器的结构形式
为了使换热器结构更为紧凑，提高单位体积的 传热面积，增加传热效果，以及适应某些工艺过 程的需要等，开发了以板状作为传热面积的换热 器，称为板式换热器。
1.平板式换热器
由一组长方形的金属薄板平行排列在一起，采用夹紧装 置组装于支架上而构成，见图。而相邻板间的边缘衬有垫 片(橡胶或压缩石棉等)，压紧后板内形成密封的液体通道。 每块板的4个角上有圆孔，其中一对圆孔和板间相通，而另 外一对圆孔通过加装垫片和板内相隔，在相邻板上错开以 分别形成两流体通道，从而使两流体交错地流过板片两侧 通过板片进行换热。板厚通常为0.5～3mm，板面压制成波 纹状，两板间距4～6mm，材质一般为不锈钢。
如各种管壳式、板式结构的换热器。
1.1.1.2 按用途分 1.加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程 中不发生相变。
2.预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。 3.过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。 4.蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。 5.再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏 过程专用设备。
般具有较高的传热系数。其优点是结构简单，能
耐高压，传热面积易于增减；缺点是设备结构不
紧凑，金属耗用量大，一般用于换热量不大的场 合。
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1.1.2.1.4翅片管式换热器
它是在管的表面上加装一定形式的翅片， 有横向和纵向两类。
翅片管换热器主要用于两种流体的对流 传热系数相差较大时，在h小的一侧加装翅 片，从而增大传热面积，提高流体的湍动 程度，以提高对流传热系数。
T
管程 热流体
管程热流体：dQ hi(T Tw )dSi
管壁：
dQ

k(Tw b
tw
)
dSm
壳程冷流体：dQ ho (tw t)dSo
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壳程 冷流体
TW tW
b
t
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2.污垢热阻
换热器操作一段时间后，由于温度的关系或流体 的不洁净等，传热面上常有污垢积存。这些垢层虽 然不厚，但由于其导热系数小，导热热阻很大，对 传热产生附加热阻，称为污垢热阻。因此计算总传 热系数时要考虑到污垢热阻的影响，因垢层厚度及 其导热系数难以确定，通常是根据经验选用污垢热 阻来作为计算依据。
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光wenku.baidu.com板片
锯齿翅片
多孔翅片
逆流
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错流
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1.2.1.3 总传热系数
1.总传热系数K的计算式 如前述，两流体通过管壁的 传热包括以下过程：
热流体在流动过程中把热量 传递给管壁的对流传热
通过管壁的热传导 管壁与流动中的冷流体之间 的对流传热
以上过程用微分方程表示， 即：
实际选用时还要考虑操作条件以及使用时间对其 的影响，在换热器使用过程中，为保证其应有的 传热速率，应进行定期清洗。
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3.几点讨论
(1)传热计算时，总传热系数K的来源有三个方面：
选用生产实际的经验数据：在有关手册或传热的专业书 中，都列有某些情况下K的经验值，可供初步设计时参考。
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3.套管式换热器
将两种直径不同的直管制成同心套管，根据换 热要求将若干段套管连接组合而成，如图示。
每段套管称为一程，长约4～6m，每程的内管依 次与下一程的内管用U型弯头连接，外管之间也由 管子连通，可同时几排并列，每排与总管相连。
换热时一种流体走管内，另一种流体走环隙，而 且两种流体可始终保持逆流换热，Δtm大。适当选 择两管的直径，两流体可得到较高的流速，故一
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2.喷淋式蛇管换热器
如图示，将蛇管成排地固定在支架上， 冷却水由最上层管的喷淋装置中均匀淋下， 沿管表面流过，与管内热流体换热。其优 点是传热效果较沉浸式好，传热面积大而 且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷 淋不易均匀。
主要用于管内流体的冷却，常设置在室 外空气流通处，
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1.1.1.4 按所用材料分
1.金属材料换热器 由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳 钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合 金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传 热效率高。
2.非金属材料换热器 有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、 玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小， 故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性 的物系。
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1. 蛇管式换热器
1.沉浸式蛇管换热器
蛇管多以金属管弯绕而成，或制成适应各种容 器需要的形状，沉浸在容器中。两种流体分别 在管内外流动通过蛇管表面进行换热，如图所 示。其优点是结构简单，制造方便，能承受高 压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是容器内液体 湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果 可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主 要用于传热量不大的容器中。
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2.螺旋板式换热器
它是由两张互相平行的薄金属板，卷 制成同心的螺旋形通道。在其中央设 置隔板将两通道隔开，两板间焊有定 距柱以维持通道间距，螺旋板两侧焊 有盖板和接管。两流体分别在两通道 内流动，通过螺旋板进行换热，见图。
分为I型、II型、III型和G型等几种形 式
适于冷、热流体允许混和的场合。
如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
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2.蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器)
借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体 传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处 接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将 热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热 的目的。特点是
K值的计算：通过前述公式计算。但计算得到的K值往往 与实际值相差很大，主要是由于h关联式有一定误差及污垢 热阻不易估计准确等原因导致。总之，在采用计算得到的K 值时应慎重，最好与前述两种方法对照，以确定合适的K 值。
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(2)在总传热速率方程式中，应注意K和S的对应关系
选择的S不同，K的数值也不同。通常换热器的规格是用 管外表面积So表示的，故基于So的Ko应用较多。各种手册中 所列的K值，如无特殊说明，可视为Ko。
换热器是工艺过程必不可少的单元设备，广泛用于石油、 化工、轻工、制药、食品、机械、冶金、动力等工程领域 中。
1.1 换热器的分类与结构形式 1.1.1 换热器的分类 1.1.1.1 按作用原理分 1.直接接触式换热器(混和式换热器) 冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点是结构 简单，传热效率高。
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2.浮头式换热器
它是将一端管板与壳体相连，而另一端管 板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动， 如图示。这种结构不但可完全消除热应力， 而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中 抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应 用较为普遍。
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3.U型管式换热器
它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的两 侧，管板用隔板分成两室，如图示。这种结构使得每根管 子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热 补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管 程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径，故管板的 利用率低。
6.冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。 7.冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。
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1.1.1.3 按传热面形状和结构分
1.管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式 可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅 片式换热器等。应用最广。 2.板式换热器 通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分 为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。 3.特殊形式换热器 根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如 回转式、热管、同流式换热器等。