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          換熱器類型和結構

          發布于:11-27

          換熱器類型和結構

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          1、換熱器的定義

          換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備,即在一個大的密閉容器內裝上水或其他介質,而在容器內有管道穿過。讓熱水從管道內流過。

          由于管道內熱水和容器內冷熱水的溫度差,會形成熱交換,也就是初中物理的熱平衡,高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞,這樣就把管道里水的熱量交換給了容器內的冷水,換熱器又稱熱交換器。

          2、換熱器的分類與結構

          換熱器按用途分類可以分為:

          冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸氣發生器、廢熱(或余熱)鍋爐。

          按換熱方式可以分為:

          直接接觸式換熱器(又叫混合式換熱器)、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。

          下面主要介紹一下按換熱方式分類的換熱器:

          1) 直接接觸式換熱器

          直接接觸式交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的,這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻,只要流體間的接觸情況良好,就有較大的傳熱速率。

          故凡允許流體相互混合的場合,都可以采用混合式熱交換器,例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生 產部門。

          常用的混合式換熱器有:冷卻塔、氣體洗滌塔、噴射式換熱器和混合式冷凝器。

          2) 蓄熱式換熱器

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          蓄熱式換熱器用于進行蓄熱式換熱的設備。內裝固體填充物,用以貯蓄熱量。

          一般用耐火磚等砌成火格子(有時用金屬波形帶等)。

          換熱分兩個階段進行。

          第一階段,熱氣體通過火格子,將熱量傳給火格子而貯蓄起來。

          第二階段,冷氣體通過火格子,接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。

          這兩個階段交替進行。通常用兩個蓄熱器交替使用,即當熱氣體進入一器時,冷氣體進入另一器。常用于冶金工業,如煉鋼平爐的蓄熱室。

          也用于化學工業,如煤氣爐中的空氣預熱器或燃燒室,人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。 

          3) 間壁式換熱器

          此類換熱器中,冷熱倆流體間用一金屬隔開,以便倆種流體不相混合而進行熱量傳遞。

          在化工生產中冷熱流體經常不能直接接觸,故而間壁式換熱器是最常用的一種換熱器。

          下面主要介紹一下間壁式換熱器的分類: 

          a) 夾套式換熱器

          由容器外壁安裝夾套制成。(如圖所示)

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          這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數也不高.

          為提高傳熱系數且使釜內液體受熱均勻,可在釜內安裝攪拌器.

          當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時,亦可在夾套中設置螺旋隔板或其它增加湍動的措施,以提高夾套一側的給熱系數.

          為補充傳熱面的不足,也可在釜內部安裝蛇管. 

          夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。 

          b) 蛇管式換熱器

          蛇管式換熱器又分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管換熱器。

          沉浸式蛇管換熱器如圖所示

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          蛇管多以金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀,并沉浸在容器內的液體中。

          其優點是:結構簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造。 

          缺點:容器內液體湍動程度低,管外給熱系數小。 

          噴淋式蛇管換熱器如圖所示

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          將換熱管成排地固定在鋼架上。 

          熱流體在管內流動,冷卻水在裝置上方均勻淋下。 

          優點:熱流體在管內流動,冷卻水在裝置上方均勻淋下。傳熱系數大,故噴淋式換熱器傳熱效果優于沉浸式蛇管換熱器。

          但是期要在露天放置,占地位置大而且水容易濺到周圍環境,使用起來不方便。 

          c) 套管式換熱器

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          (如圖所示)由套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并用U形彎頭連接而成。

          因為管內管外流體流速較大。 冷、熱流體可以作純逆流,故而其傳熱系數大,傳熱效果好。常用的水伴熱就是一種簡易的套管式換熱器。 

          d) 管殼式換熱器

          管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業上的應用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。

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          管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。

          在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程;一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。

          為提高管外流體給熱系數,通常在殼體內安裝一定數量的橫向折流檔板。

          折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種(如下圖所示),前者應用更為廣泛。圖片

          流體在管內每通過管束一次稱為一個管程,每通過殼體一次稱為一個殼程。

          為提高管內流體的速度,可在兩端封頭內設置適當隔板,將全部管子平均分隔成若干組。

          這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。

          同樣,為提高管外流速,可在殼體內安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。

          在管殼式換熱器內,由于管內外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大, 換熱器內部將出現很大的熱應力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上松脫。

          因此,當管束和殼體溫度差超過50℃時,應采取適當 的溫差補償措施,消除或減小熱應力。

          補償方法:

          在殼體上附有膨脹圈或者采用U形管換熱器和浮頭式換熱器。 

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          固定管板式換熱器

          當冷熱流體溫差不大時,可采用固定管板式換熱器。 

          它結構簡單成本低,但清洗困難,不適用于易結垢的流體和溫差較大的流體。 

          如果溫差不是很大,可采用帶有補償圈的固定管板式換熱器。

          下圖為帶有補償圈的固定管板式換熱器。

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          浮頭式換熱器

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          如上圖所示為浮頭式換熱器,它兩端的管板一端可沿軸向自由浮動,從而消除熱應力。

          而且整個管束可從殼體中抽出,便于清洗和檢修。

          但是結構復雜,造價較高。工業上一般都使用這種換熱器。

          U形管換熱器

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          如上圖為U形管換熱器,U形管換熱器的每根換熱管都彎成U形,進出口分別安裝在同一管板的兩側,封頭以隔板分成兩室。每根管可自由伸縮,與外殼無關。

          從而消除熱應力,其結構比浮頭式換熱器簡單。

          但管程不易清洗,使用有很大的局限性只適用于潔凈流體。 

          e) 板式換熱器

          板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板片構成,用框架將板片夾緊組裝于支架上。

          兩個相鄰板片的邊緣襯以墊片(各種橡膠或壓縮石棉等制成)壓緊,板片四角有圓孔,形成流體的通道。

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          板式換熱器和管殼式換熱器的區別:

          a.傳熱系數高

          由于不同的波紋板相互倒置,構成復雜的流道,使流體在波紋板間流道內呈旋轉三維流動,能在較低的雷諾數(一般Re=50~200)下產生紊流,所以傳熱系數高,一般認為是管殼式的3~5倍。

          b.對數平均溫差大,末端溫差小 

          在管殼式換熱器中,兩種流體分別在管程和殼程內流動,總體上是錯流流動,對數平均溫差修正系數小,而板式換熱器多是并流或逆流流動方式,其修正系數也通常在0.95左右,此外,冷、熱流體在板式換熱器內的流動平行于換熱面、無旁流,因此使得板式換熱器的末端溫差小,對水換熱可低于1℃,而管殼式換熱器一般為5℃.

          c.占地面積小 

          板式換熱器結構緊湊,單位體積內的換熱面積為管殼式的2~5倍,也不像管殼式那樣要預留抽出管束的檢修場所,因此實現同樣的換熱量,板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/8。

          d.容易改變換熱面積或流程組合,

          只要增加或減少幾張板,即可達到增加或減少換熱面積的目的;改變板片排列或更換幾張板片,即可達到所要求的流程組合,適應新的換熱工況,而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加

          e.重量輕 

          板式換熱器的板片厚度僅為0.4~0.8mm,而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.0~2.5mm,管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多,板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。 

          f.價格低 

          采用相同材料,在相同換熱面積下,板式換熱器價格比管殼式約低40%~60%。 

          g. 制作方便 

          板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工,標準化程度高,并可大批生產,管殼式換熱器一般采用手工制作。

          h. 容易清洗 

          框架式板式換熱器只要松動壓緊螺栓,即可松開板束,卸下板片進行機械清洗,這對需要經常清洗設備的換熱過程十分方便。

          i. 熱損失小 

          板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此散熱損失可以忽略不計,也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大,需要隔熱層。

          j. 容量較小 

          是管殼式換熱器的10%~20%。i. 單位長度的壓力損失大 由于傳熱面之間的間隙較小,傳熱面上有凹凸,因此比傳統的光滑管的壓力損失大。

          k. 不易結垢

          由于內部充分湍動,所以不易結垢,其結垢系數僅為管殼式換熱器的1/3~1/10.k.工作壓力不宜過大,介質溫度不宜過高,有可能泄露板式換熱器采用密封墊密封,工作壓力一般不宜超過2.5MPa,介質溫度應在低于250℃以下,否則有可能泄露。

          l.易堵塞

          由于板片間通道很窄,一般只有2~5mm,當換熱介質含有較大顆?;蚶w維物質時,容易堵塞板間通道。

          3、換熱器型號的識別

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