第十七讲换热器(第六章,2010)

2）螺旋板式换热器
螺旋板式换热器的优点：
1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距
柱的干扰，在较低的雷诺数（一般Re=1400～1800或更低些）下 即达到湍流，并且允许选用较高的流速（对液体为2m/s，气体为 20m/s），故传热系数较高。如水对水的换热，其传热系数可达 2000～3000W/(m2· K)，而列管式换热器一般为1000～2000
好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，
尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。 重点介绍：固定管板式 浮头式 U型管式。
①列管式换热器的结构 结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
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。 管束结构 结构示意
（3）平板式换热器
每块板的四个角上，各开一个圆孔 ，其中有一对圆孔和一组板间流道相 通，另外一对圆孔则通过在孔的周围 放置垫片而阻止流体进入该组板间的 通道。这两对圆孔的位置在相邻板上 是错开的以分别形成两流体的通道。 冷热流体交错地在板片两侧流过，通 过板片进行换热。板片厚度约为 0.5~3mm ，通常压制成凹凸地波纹状 。例如人字形波纹板。增加了板的刚 度以防止板片受压时变形，同时又使 流体分布均匀，增强了流体湍动程度 和加大了传热面积，有利于传热。
两种流体进行热量交换。常用于炼油厂中的渣油冷却。几种常见
的蛇管形式如图所示。 优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制 造 缺点 ：容器内液体湍动程度低，管外流体处于自然对流状态，
对
第一节 换热器 二、间壁式换热器的类型
1、管式换热器 1） 蛇管式换热器 ——沉浸式
蛇管的形状
1、管式换热器 1） 蛇管式换热器 ——沉浸式
二、间壁式换热器的类型
（3） 套管式换热器
优点 ：结构较简单，耐高压，逆流。
缺点 ：接头多易泄漏，单位传热面积
金属 耗量大。
外 管 内 管
套管式换热器
（3）套管式换热器
套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由
U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度
约为4~6m，若管子过长，管中间会向下弯曲。 优点 ：在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走 环隙适当选择两管的管径，两流体均可得到较高的流速，且两 流体可以为逆流，对传热有利。另外，套管式换热器构造较简
传热热阻。在空气侧加装翅片，可以起到强化换热器传热
的效果。当然，加装翅片会使设备费提高，但一般，当两
种流体的对流传热系数之比超过 3： 1 ，采用翅片管换热器
经济上是合算的。近年来用翅片管制成的空气冷却器（简
称空冷器）在化工中应用很广，如大型炼油厂塔顶蒸气冷 凝冷却器。用空冷代替水冷，不仅在缺水地区适用，而且 在水源充足的地方，采用空冷也可取得较大的经济效果。
管板
折流板
单壳程圆盘形折流板管壳式换热器结构示意图
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器
在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，管束和壳体 的温度也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的 温差较大，就可能由于热应力而引起设备变形，管子弯曲，甚 至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温差超过50℃时， 就应采用热补偿的措施。
（3）平板式换热器
板式换热器的板片和板面波纹形状
板式换热器流向示意图
优点：传热系数大、结构紧凑、操作灵活性大、金属材料消耗量
低、加工容易、检修清洗方便。
缺点：允许操作压力比较低、操作温度不能太高、处理量不大。
3. 翅片式换热器
1） 翅片管换热器
翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅片与管表面的
1 S 双 S单 2 1 S四 S单 4
流通截面积： S d 2 n 单 4 i
说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，α
i
↑，强化传热。
单管程换热器管、壳程流体流动
双管程换热器内的流体流动
折流挡板
作用：提高壳程流体流速，增加流体湍动程度(Re>100 湍流)， 增大对流传热系数α 0，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器——浮头式换热器
优点 ：消除了温差应力，便于清洗、检修，适用于高温高压。 缺点 ：结构较复杂，金属耗量大，造价高。
2.
板式换热器
夹套式换热器式最简单的板式换热器，它是在容器外壁安
1）夹套式换热器
装夹套制成，夹套与容器之间形成的空间为加热介质或冷却介质 的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。在用蒸汽 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
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器 —— U型管换热器
优点 ：具有温度补偿作用；结构较简单，质量轻，适用于高 温高压。适用于管程为洁净而不易结垢的流体。 缺点 ：管程不易清洗，制造困难。
U型管换热器内的流体流动
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器 ——浮头式换热器
浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以 沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且 由于固定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中 抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍， 但它的结构比较复杂，造价较高。
W/(m2· K)。
2）不易结垢和堵塞：由于流体的速度较高，又有惯性离心力的作 用，流体中悬浮的颗粒被抛向螺旋形通道的外缘而受到流体本身 的冲刷，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，适合处理悬浮液及粘 度较大的介质。
3）能利用温度较低的热源：由于流体流动的流道较长和两流 体可进行完全逆流，故可在较小的温差下操作，能充分利用 温度较低的热源。 4）结构紧凑：单位体积的传热面积为列管式的3倍，可节约
这种补偿方法简单，但不宜应用两流体温差过大（应不大
于70℃）和壳程流体压强过高的场合。
固定管板式换热器
单管程固定管板换热器 特点： 结构简单，成本低； 可能产生较大的热应力； 壳程不易机械清洗； 适用： 壳程流体不易结垢或容易化学清洗；
壳体与传热管壁温度之差小于50C，否则加补偿圈（膨胀节）。
二、间壁式换热器的类型
单程： 流体在管内每通过管束一次 —— 一管程； 流体在管外每通过壳体一次 —— 一壳程 。 多程： 多管程：封头内设置分程隔板 单管程→多管程。
th1
tc2 tc1
单管程固定管板换热器
th2
多壳程： 相当于单壳程串联，传热面积↑。
双管程固定管板换热器
传热面积：
A双 A单 A四 d0 Ln
金属材料。
螺旋板换热器的主要缺点是： （ 1 ）操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过 2Mpa，温度不超过300~400℃。 （2）不易检修：因整个换热器被焊成一体，一旦损坏，修理
很困难。
（3）平板式换热器
平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平 行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片， 压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的 大小。
带补偿圈（膨胀节）的固定管板式换热器
优点 ：结构较简单，造价低。 缺点 ：温差<70℃（无补偿圈<50℃） 壳程压力 <600kPa；壳程不易清洗。
二、间壁式换热器的类型
（4） 列管式换热器 —— U型管式换热器
U型管式换热器每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同 一管板的两侧，封头用隔板分成两室。这样，每根管子可以自 由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮头 式简单，重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢 的流体，如高压气体的换热。
第一节 换热器 二、间壁式换热器的类型
1、管式换热器 （1） 蛇管式换热器 ——沉浸式
第一节 换热器 二、间壁式换热器的类型
1、管式换热器 （2 ）蛇管式换热器 ——喷淋式
热流体
热流体
（2 ）蛇管式换热器 ——喷淋式
喷淋式换热器也称为蛇管式换热器，多用作冷却器。这种
换热器是将蛇管成行地固定在钢架上，热流体在管内流动，
已逐渐用于石油化工及其它工业部门，取得良好效果。
板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即在
两块平行的薄金属板之间，加入波纹状或其它形状的金属翅片，
将两侧面封死，即成为一个换热基本元件。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），然后再将带有流体进出口的接管的集 流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。
连接应紧密无间，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。 当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小的 一侧加翅片可以强化传热。
例如用水蒸气加热空气，该过程的主要热阻是空气侧对流
；对壳体起支撑作用。
代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。 安装：上下安装，常用； 左右安装，排液不畅时采用。 常用形式：圆环形，圆盘形，圆缺形（弓形）
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器
圆缺型（弓形）挡板
盘环型挡板
弓形（圆缺形）
圆环形， 圆盘形
管板
折流板
单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图
固定管板式的两端管板和壳体制成一体。因此它具有结 构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修困难，要求 壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料。当两流体的温差
较大时，应考虑热补偿。即在外壳的适当部位焊上一个补
偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形
（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。
单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，应用方便。
缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的 金属量大。因此它较适用于流量不大，所需传热面积不多而要 求压强较高的场合。
二、间壁式换热器的类型
（4）列管式换热器
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。
优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果
纵向翅片管
横向翅片管
螺旋槽纹管
缩放管
空气冷却器
空 气
物料入口
wenku.baidu.com翅片
物料出口
空 气
卧 式 空 冷 器
适用：适用于缺水地区。目前大型炼厂的塔顶冷凝冷却器多用空冷器。 缺点：装置比较庞大、占空间多、动力消耗大。
2)板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器，过去由 于制造成本较高，仅用于宇航、电子、原子能等少数部门。现在
第一节 换热器 一、换热器的分类
蓄热式 按接触方式分类 混合式 间壁式 按用途分类 加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器
管
按换热面形式分类 板 翅片式
式
式
再沸器
第一节 换热器 二、间壁式换热器的类型
1、管式换热器
（1）沉浸式换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘 成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的
上部接管流出。
1）夹套式换热器
夹套式换热器：结构简单，但其加热面受容器的限制，且传热系 数也不高。适用于传热量不太大的场合。 为提高传热系数，可在
器内安装搅拌器，为补充传热面的不足，也可在器内安装蛇管。
2）螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成， 在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板， 将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。 在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器 内逆流流动，通过薄板进行换热。
自最下管进入，由最上管流出。冷水由最上面的淋水管流下， 均匀地分布在蛇管上，并沿其两侧逐排流经下面的管子表面， 最后流入水槽而排出，冷水在各排管表面上流过时，与管内 流体进行热交换。这种换热器的管外形成一层湍动程度较高
的液膜，因而管外对流传热系数较大。另外，喷淋式换热器
常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时也带走一 部分热量，提高了冷却效果。 优点 ：便于检修、清洗，传热推动力大，传热效果较好。 缺点 ：喷淋不易均匀，占地面积大。
分类及特点
原因：管、壳温度不同，产生热应力，
结果：Δt＞50℃时，管弯曲、断裂或管板变形 为此，采用各种补偿办法，消除或减小热应力。 分类：根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为： 固定管板式 —— 安装膨胀节； 浮头式 U形管式 —— 本身具有补偿能力； —— 本身具有补偿能力。
（4） 列管式换热器——固定管板式