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換熱器到底是什么?看完這篇文章就知道了! 

發(fā)布時(shí)間:2022/06/08

 一.換熱器的分類(lèi)
  1.按換熱器的用途分類(lèi)
  (1)加熱器:加熱器用于把流體加熱到所需的溫度,被加熱流體在加熱過(guò)程中不發(fā)生相變。
  (2)預熱器:預熱器用于流體的預熱,以提高整套工藝裝置的效率。
  (3)過(guò)熱器:過(guò)熱器用于加熱飽和蒸汽,使其達到過(guò)熱狀態(tài)。
  (4)蒸發(fā)器:蒸發(fā)器用于加熱液體,使之蒸發(fā)汽化。
  (5)再沸器:再沸器是蒸餾過(guò)程的專(zhuān)用設備,用于加熱已冷凝的液體,使之再受熱汽化。
  (6)冷卻器:冷卻器用于冷卻流體,使之達到所需要的溫度。
  (7)冷凝器:冷凝器用于冷凝飽和蒸汽,使之放出潛熱而凝結液化。
  2.按換熱器傳熱面形狀和結構分類(lèi)
  (1)管式換熱器:管式換熱器通過(guò)管子壁面進(jìn)行傳熱,按傳熱管的結構不同,可分為列管式換熱管、套管式換熱器、蛇管式換熱器等幾種。管式換熱器應用最廣。
  (2)板式換熱器:板式換熱器通過(guò)板面進(jìn)行傳熱,按傳熱板的結構形式,可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器。
  3.按換熱器所用材料分類(lèi)
  (1)金屬材料換熱器:金屬材料換熱器是由金屬材料制成,常用金屬材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。由于金屬材料的熱導率較大,故該類(lèi)換熱器的傳熱效率較高,生產(chǎn)中用到的主要是金屬材料換熱器。
  (2)非金屬材料換熱器:非金屬材料換熱器由非金屬材料制成,常用非金屑材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。該類(lèi)換熱器主要用于具有腐蝕性的物料由于非金屬材料的熱導率較小,所以其傳熱效率較低。
  二.換熱器結構與性能特點(diǎn)
  (一)管式換熱器的結構形式
  1.管殼式換熱器
  管殼式換熱器又稱(chēng)列管式換熱器,是一種通用的標準換熱設備。它具有結構簡(jiǎn)單、堅固耐用、造價(jià)低廉、用材廣泛、清洗方便、適應性強等優(yōu)點(diǎn),應用最為廣泛,在換熱設備中占據主導地位。管殼式換熱器根據結構特點(diǎn)分為以下幾種。
  (1)固定管板式換熱器
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  它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。其結構特點(diǎn)是,兩塊管板分別焊于殼體的兩端,管束兩端固定在管板上。整個(gè)換熱器分為兩部分:換熱管內的通道及與其兩端相貫通處稱(chēng)為管程;換熱管外的通道及與其相貫通處稱(chēng)為殼程。冷、熱流體分別在管程和殼程中連續流動(dòng),流經(jīng)管程的流體稱(chēng)為管(管程)流體,流經(jīng)殼程的流體稱(chēng)為殼(殼程)流體。
  若管流體一次通過(guò)管程,稱(chēng)為單管程。當換熱器傳熱面積較大,所需管子數目較多時(shí),為提高管流體的流速,常將換熱管平均分為若干組,使流體在管內依次往返多次,則稱(chēng)為多管程。管程數 可為2、4、6、8, 太大,雖提高了管流體的流速,從而增大了管內對流傳熱系數,但同時(shí)會(huì )導致流動(dòng)阻力增大。因此,管程數不宜過(guò)多,通常以2、管程最為常見(jiàn)。
  殼流體一次通過(guò)殼程,稱(chēng)為單殼程。為提高殼流體的流速,也可在與管束軸線(xiàn)平行方向放置縱向隔板使殼程分為多程。殼程數 即為殼流體在殼程內沿殼體軸向往、返的次數。
  分程可使殼流體流速增大,流程增長(cháng),擾動(dòng)加劇,有助于強化傳熱。但是,殼程分程不僅使流動(dòng)阻力增大,且制造安裝較為困難,故工程上應用較少。為改善殼程換熱,通常采用折流擋板,通過(guò)設置折流擋板,以達到實(shí)現強化傳熱的目的。
  固定管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、緊湊。在相同的殼體直徑內,排管數最多,旁路最少;每根換熱管都可以進(jìn)行更換,且管內清洗方便。其缺點(diǎn)是殼程不能進(jìn)行機械清洗;當換熱管與殼體的溫差較大(大于50℃)時(shí)產(chǎn)生溫差應力,需在殼體上設置膨脹節,因而殼程壓力受膨脹節強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結垢,兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。
  (2)浮頭式換熱器
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  浮頭式換熱器浮其結構特點(diǎn)是兩端管板之一不與殼體固定連接,可在殼體內沿軸向自由伸縮,該端稱(chēng)為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當換熱管與殼體有溫差存在,殼體或換熱管膨脹時(shí),互不約束,不會(huì )產(chǎn)生溫差應力;管束可從殼體內抽出,便于管內和管間的清洗。其缺點(diǎn)是結構較復雜,用材量大,造價(jià)高;浮頭蓋與浮動(dòng)管板之間若密封不嚴,發(fā)生內漏,造成兩種介質(zhì)的混合。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢的場(chǎng)合。
  (3)U 型管式換熱器
  U 型管式換熱器其結構特點(diǎn)是只有一個(gè)管板,換熱管為 U 型,管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮,當殼體與 U 型換熱管有溫差時(shí),不會(huì )產(chǎn)生溫差應力。U 型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單,只有一個(gè)管板,密封面少,運行可靠,造價(jià)低;管束可以抽出,管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內清洗比較困難;由于管子需要有一定的彎曲半徑,故管板的利用率較低;管束最內層管間距大,殼程易短路;內層管子壞了不能更換,因而報廢率較高。U 型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢,而管程介質(zhì)清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場(chǎng)合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質(zhì)走管內,可使高壓空間減小,密封易解決,并可節約材料和減少熱損失。
  (4)填料函式換熱器
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  填料函式換熱器其結構特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮,不會(huì )產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單,制造方便,耗材少,造價(jià)低;管束可從殼體內抽出,管內、管間均能進(jìn)行清洗,維修方便。其缺點(diǎn)是填料函耐壓不高,一般小于4.0MPa;殼程介質(zhì)可能通過(guò)填料函外漏,對易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結垢,需經(jīng)常清理且壓力不高的場(chǎng)合。
  (5)釜式換熱器
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  釜式換熱器結構特點(diǎn)是在殼體上部設置適當的蒸發(fā)空間,同時(shí)兼有蒸汽室的作用。管束可以為固定管板式、浮頭式或 U 型管式。釜式換熱器清洗維修方便,可處理不清潔、易結垢的介質(zhì),并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱,可作為最簡(jiǎn)結構的廢熱鍋爐。
  管殼式換熱器除上述五種外,還有插管式換熱器、滑動(dòng)管板式換熱器等其它類(lèi)型。
  2.蛇管式換熱器
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  蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡(jiǎn)單,操作最方便的一種換熱設備。通常按照換熱方式不同,將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類(lèi)。
 ?。?)沉浸式蛇管換熱器此種換熱器多以金屬管彎繞而成,制成適應容器的形狀,沉浸在容器內的液體中。兩種流體分別在管內、管外進(jìn)行換熱。幾種常用的蛇管形狀。
  沉浸式蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于防腐蝕、能承受高壓。其缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多,管外流體的傳熱膜系數較小,故常需加攪拌裝置,以提高其傳熱效率。
 ?。?)噴淋式蛇管換熱器,此種換熱器多用于冷卻管內的熱流體。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上,熱流體自下部的管進(jìn)入,由上部的管流出。冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上,并沿著(zhù)管外表面淋瀝而下,降至下層蛇管表面,最后收集在排管的底盤(pán)中。該裝置通常放在室外空氣流通處,冷卻水在空氣中氣化時(shí),可帶走部分熱量,以提高冷卻效果。
  與沉浸式蛇管換熱器相比,噴淋式蛇管換熱器具有檢修清理方便,傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是體積龐大,占地面積大;冷卻水量較大,噴淋不易均勻。蛇管換熱器因其結構簡(jiǎn)單、操作方便、常被用于制冷裝置和小型制冷機組中。
  3.套管式換熱器
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  套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管,其內管用U型肘管順次連接,外管與外管互相連接而成的,其構造如圖片4-43所示。每一段套管稱(chēng)為一程,程數可根據傳熱面積要求而增減。換熱時(shí)一種流體走內管,另一種流體走環(huán)隙,內管的壁面為傳熱面。
  套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單;能耐高壓;傳熱面積可根據需要增減;適當地選擇管內、外徑,可使流體的流速增大,且兩種流體呈逆流流動(dòng),有利于傳熱。其缺點(diǎn)是單位傳熱面積的金屬耗量大;管子接頭多,檢修清洗不方便。此類(lèi)換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。
 ?。ǘ┌迨綋Q熱器的結構形式
  1.平板式換熱器
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  平板式換熱器簡(jiǎn)稱(chēng)板式換熱器,其結構如圖片4-46所示。它是由一組長(cháng)方形的薄金屬板平行排列,夾緊組裝于支架上面構成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片,壓緊后板間形成密封的流體通道,且可用墊片的厚度調節通道的大小。每塊板的四個(gè)角上,各開(kāi)一個(gè)圓孔,其中有兩個(gè)圓孔和板面上的流道相通,另兩個(gè)圓孔則不相通。它們的位置在相鄰板上是錯開(kāi)的,以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側流動(dòng),通過(guò)金屬板片進(jìn)行換熱。
  板片是板式換熱器的核心部件。為使流體均勻流過(guò)板面,增加傳熱面積,并促使流體的湍動(dòng),常將板面沖壓成凹凸的波紋狀,波紋形狀有幾十種,常用的波紋形狀有水平波紋、人字形波紋和圓弧形波紋等。
  板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊,單位體積設備所提供的換熱面積大;組裝靈活,可根據需要增減板數以調節傳熱面積;板面波紋使截面變化復雜,流體的擾動(dòng)作用增強,具有較高的傳熱效率;拆裝方便,有利于維修和清洗。其缺點(diǎn)是處理量??;操作壓力和溫度受密封墊片材料性能限制而不宜過(guò)高。板式換熱器適用于經(jīng)常需要清洗、工作環(huán)境要求十分緊湊,工作壓力在2.5 MPa以下,溫度在 -35℃~200℃場(chǎng)合。
  2.螺旋板式換熱器
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  螺旋板式換熱器如圖片4-48所示,它是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成的。兩張薄金屬板形成兩個(gè)同心的螺旋型通道,兩板之間焊有定距柱以維持通道間距,在螺旋板兩側焊有蓋板。冷、熱流體分別通過(guò)兩條通道,通過(guò)薄板進(jìn)行換熱。
  螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是螺旋通道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾,在較低雷諾數下即達到湍流,并且允許選用較高的流速,故傳熱系數大;由于流速較高,又有慣性離心力的作用,流體中懸浮物不易沉積下來(lái),故螺旋板式換熱器不易結垢和堵塞;由于流體的流程長(cháng)和兩流體可進(jìn)行完全逆流,故可在較小的溫差下操作,能充分利用低溫熱源;結構緊湊,單位體積的傳熱面積約為管殼式換熱器的3倍。其缺點(diǎn)是:操作溫度和壓力不宜太高,目前最高操作壓力為2MPa,溫度在400℃以下;因整個(gè)換熱器為卷制而成,一旦發(fā)現泄漏,維修很困難。
  3.熱板式換熱器
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  熱板式換熱器是一種新型高效板面式換熱器,其傳熱基本單元為熱板。其成型方法是按等阻力流動(dòng)原理,將雙層或多層金屬平板點(diǎn)焊或滾焊成各種圖形,并將邊緣焊接密封組成一體。平板之間在高壓下充氣形成空間,實(shí)現最佳流動(dòng)狀態(tài)的流道結構形式。各層金屬板的厚度可以相同,亦可以不同,板數可以為雙層或多層,這樣就構成了多種熱板傳熱表面形式,如不等厚雙層熱板、等厚雙層熱板、三層不等厚熱板、四層等厚熱板等,設計時(shí),可根據需要選取。
  熱板式換熱器具有最佳的流動(dòng)狀態(tài),阻力小,傳熱效率高;根據工程需要可制造成各種形狀,亦可根據介質(zhì)的性能選用不同的板材。熱板式換熱器可用于加熱、保溫、干燥、冷凝等多種過(guò)程,作為一種新型的換熱器,具有廣闊的應用前景。
 ?。ㄈ峁軗Q熱器的結構形式
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  以熱管為傳熱單元的熱管換熱器是一種新型高效換熱器,它是由殼體、熱管和隔板組成的。熱管作為主要的傳熱元件,是一種具有高導熱性能的傳熱裝置。它是一種真空容器,其基本組成部件為殼體、吸液芯和工作液。將殼體抽真空后充入適量的工作液,密閉殼體便構成一只熱管。當熱源對其一端供熱時(shí),工作液自熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化,攜帶潛熱的蒸汽在壓差作用下,高速傳輸至殼體的另一端,向冷源放出潛熱而凝結,冷凝液回至熱端,再次沸騰汽化。如此反復循環(huán),熱量乃不斷從熱端傳至冷端。
  熱管示意圖
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  熱管按冷凝液循環(huán)方式分為吸液芯熱管、重力熱管和離心熱管三種。吸液芯熱管的冷凝液依毛細管的作用回到熱端,這種熱管可以在失重情況下工作;重力熱管的冷凝液是依靠重力流回熱端,它的傳熱具有單向性,一般為垂直放置離心熱管是靠離心力使冷凝液回到熱端,通常用于旋轉部件的冷卻。
  熱管按工作液的工作溫度分為深冷熱管、低溫熱管、中溫熱管和高溫熱管四種。深冷熱管在200K以下工作,工作液有氮、氫、氖、氧、甲烷、乙烷等;低溫熱管在 200~550K 范圍內工作,工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等;中溫熱管在550~750K范圍內工作,工作液有導熱姆A、水銀、銫、水及鉀─鈉混合液等;高溫熱管在750K 以上工作,工作液有液態(tài)金屬鉀、鈉、鋰、銀等。
  熱管的傳熱特點(diǎn)是熱管中的熱量傳遞通過(guò)沸騰汽化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)行,由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度都很大,而蒸汽流動(dòng)阻力損失又較小,因此熱管兩端溫度差可以很小,即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。因此,它特別適用于低溫差傳熱及某些等溫性要求較高的場(chǎng)合。熱管換熱器具有結構簡(jiǎn)單、使用壽命長(cháng)、工作可靠、應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),可用于氣─氣、氣─液和液─液之間的換熱過(guò)程。 
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