化工设备(换热器)

1、换热器 精化1431班 化学反应过程与设备 制作人：王仕清，彭良均 换热器 定义: 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达 到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。 1、表面式换热器：表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面 分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流 体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换 热器。 2、蓄热式换热器：蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把 热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到 一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的 目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。

2、 3、流体连接间接式换热器：流体连接间接式换热器，是把两个表 面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高 温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温 流体换热器把热量释放给低温流体。 4、直接接触式换热器：直接接触式换热器是两种流体直接接触进 行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。 (二)换热器按传热原理分类 （二）换热器按用途分类 1、加热器：加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没 有发生相的变化。 2、预热器：预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺 参数。 3、过热器：过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状 态。 4、蒸发器：蒸发器用于

3、加热流体，达到沸点以上温度，使其流 体蒸发，一般有相的变化。 （三）按换热器的结构分类 夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。 1 .间壁式换热器 （1）夹套式换热器 （2）沉浸式蛇管换热器 （3）喷淋式换热器 （4）套管式换热器套管式换热器 （5）板式换热器 （6）管壳式换热器 管壳式(又称列 管式) 换热器 （7）双管板换热器 也称P型换热 器 2.混合式换热器 (1)冷却塔(或称冷水塔) (2)气体洗涤塔(或称洗涤塔) (3)喷射式热交换器 (4)混合式冷凝器 3.蓄热式换热器 4.新型换热器 （1气动喷涂翅片管换热器 （2螺旋折流板换热器 （3新型麻花管换热器 （4螺旋管式换热器

4、（5变声速增压热交换器 换热器类型 混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热 交换。不常用，如凉水塔。 间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧， 冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行 热量的交换。 套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进 热溶液出 二、间壁式换热器 （一）夹套式换热器 主要用于反应器的加热或冷却，将反 应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷 却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与 反应器内的物料进行换热。 在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝 水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由 上部流出。 为提高器内物料一侧的给热

5、系数，可在器内设置搅拌器，使 容器内的流体作强制对流。 间壁式换热器的类型和结构型式 （二）浸没式蛇管换热器 结构：由肘管连接的直管，或由盘 成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状 主要决定于容器形状。将蛇管浸没 于容器中，即构成蛇管式换热器。 当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通 入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的 疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅 拌器。 （三）喷淋式蛇管换热器 通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体 在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀 喷洒在蛇管表面而

6、流下，最后收集于排管的底盘内。 喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质 可以适当降低。 （四）套管式换热器 结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要 求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并 列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达 到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活； 缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故 一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。 螺旋套管换热器 （五）螺旋板式换热器 螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制 成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成

7、两条相互隔开的螺 旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管。 其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则 设在园鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道， 在器内作严格的逆流流动。 按流道布置和封头形式可分为： I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流 体均作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流 入，形成完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。 II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。 一流体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流 体的流量相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使 用。 III 型结构：一流体作螺

8、旋形流动，另一流体则是轴向流动 和螺旋流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷却。 螺旋板式换热器的特点 传热系数高 由于离心力的作用，可在较低Re数下出现湍流(Re=1400- 1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水对水的换热，传 热系数可达2000-3000 W/（m2K）。 不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流 体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。由于流 道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许 较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热 器比较合适。 结构紧凑，制造简便 单位体积设备内的传热面积约为列管式

9、换热器 的3倍。 操作压力和温度不能太高 尤其是所能承受的压力比较低，操作压力 只能在20atm以下，操作温度约在300-400以下。 不易检修 整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏 或其他故障，设备即告报废。 （六）板式换热器 1.固定压紧板 2.夹紧螺栓 3.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板 板式换热器特点 结构紧凑，占用空间小很小的空间即可提供较大的换热面积，不 需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类 型换热器的1/31/5。 传热系数高 雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数

10、 可高达30008000W/M2.K。 端部温差小 逆流换热，可达到1的端部温差。 热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率98%。 适应性好 易调整 通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力， 与变化的热负荷相匹配。 流体滞留量小 对变化反应迅速，拆装简单，容易维护 板片是独立 的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。 结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁 功能，不易堵塞。 低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当 使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。 缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫 片耐热

11、性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过 130，压缩石棉垫圈也不超过250。 （七）板翅式换热器 在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅 片，两边以侧条密封，组成一个单元体； 将各单元体进行不同的叠集和适当地排列， 再用钎焊予以固定，形成逆流、并流和错 流的板翅式换热器组装件(芯部或板束) ； 将带有进、出口的集流箱焊接到板束上。 特点：传热效果更好、结构更为紧凑。 我国目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、锯齿型翅片 和多孔型翅片。 传热效果好 板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数 高，同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分 热量通过翅片换热，因而具有很高的传

12、热速率。 结构紧凑 单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最 高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。 轻巧牢固 由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积 下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热 面，又是两板间的支撑，故强度很高。 适应性强，操作范围广 由于铝合金的导热系数高，特别适合于低 温和超低温条件下的换热。 流道很小，容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和 检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。 由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。 （八）热管换热器 结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气

13、 体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热 时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放 出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力 的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循 环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。 1导管 2吸液芯 3蒸汽 4吸热蒸发端 5保温层 6放热冷凝端 用途：给热系数很小的气-气换热过程。 当液体和气体换热时，可将管外表面翅化以强化传热，但对 气-气传热的情况，管内的传热强化则比较困难； 热管可把管内的对流传热转化为管外表面的传热，从而可采 用加装翅片的方法进行强化。例如利用热管换热器回收锅炉 排出的烟气余热预热燃烧所需空

14、气，效果良好； 由于热管两端的管外表面被翅化，管外对流传热强化，管内 籍助工作液体的沸腾和冷凝过程来传热，而沸腾和冷凝的给 热系数很大，因而热管的传热速率很高； 若将热管的传热速率折算成管体轴向表观导热系数，则热管 的导热率是银的1000倍以上 （九）列管式换热器 列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应 能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。 固定管板式换热器 结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管 长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚

15、性连接， 当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚 至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。 间壁式换热器的类型和结构型式 U 型管式换热器 结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上， 与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比 较简单，管束可以拔出清洗。 缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。 浮头式换热器 我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型 号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，252.5mm 换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积 180m2，公

16、称压力16kgf/cm2，管程数为4。 结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回 活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮 头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。 填料函式换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价 也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥 发、易燃、易爆和有毒的介质。 填料函式 折流挡板 作用：提高管外的给热系数； 形状：园缺型、园盘型、分流型等； 挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例， 缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，

17、常见的是20-25%。缺口 方向可水平和垂直排列。 挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外h ； 间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。 涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动 状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表 面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2。同时这种结构实 现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的 流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕

18、流，对流换热系 数降低。 *涡流热膜式换热器 据【换热设备推广中心】的资料显示，涡流热膜换热器的最大特点 在于经济性和安全性统一。由于考虑了换热管之间，换热管和壳体 之间流动关系，不再使用折流板强行阻挡的方式逼出湍流，而是靠 换热管之间自然诱导形成交替漩涡流，并在保证换热管不互相摩擦 的前提下保持应有的颤动力度。换热管的刚性和柔性配置良好，不 会彼此碰撞，既克服了浮动盘管换热器之间相互碰撞造成损伤的问 题，又避免了普通管壳式换热器易结垢的问题。 1.高效节能，该换热器传热系数为6000-8000W/m2.0C； 2.全不锈钢制作，使用寿命长，可达20年以上,十年内出现换热器质 量问题免费更换；

19、 3.改层流为湍流，提高了换热效率，降低了热阻； 4.换热速度快，耐高温（400），耐高压（2.5Mpa）; 5.结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节约土建投资； 6.设计灵活，规格齐全，实用针对性强，节约资金； 7.应用条件广泛，适用较大的压力、温度范围和多种介质热交换； 8.维护费用低，易操作，清垢周期长，清洗方便。 9.采用纳米热膜技术，显著增大传热系数。 10.应用领域广阔，可广泛用于热电、厂矿、石油化工、城市集中供 热、食品医药、能源电子、机械轻工等领域。 涡流热膜换热器性能特点 涡流热膜换热器性能对比 三、列管式换热器的选用计算中的有关问题 流体流动通道的选择： (1) 不清

20、洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于 直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速的流体应选管程，因管程流通截面积小 于壳程，且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出； (6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； (7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和 流向都在不断变化，在 Re100 即可达到湍流。 以上各点往往不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择， 例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求 来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。 常采用的方法有如下几种： （1）固定管板式 在壳体加入几补偿， 适用温度较大，受压不高时 。 （2）U型管式换热器 耐高温高压,但管程不易清洗。 （3）浮头式热器 有一端是与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动， 故称为浮头式，检测清洗方便,应用较多,可耐用高温高压。 （二）、流体流速的选择 !流速增加, 有利于增加传热系数，减少传热面积，减少 污垢的沉积。 但流体阻力增加，能耗增加。再者有可 能增加管长，程数增加，推动力减少应从技术经济综 合考虑，一般流速