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1、 第五章第五章 换换 热热 器器 第一节第一节 换热器概述换热器概述 一、定义一、定义 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的占总投资的11 40。那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？3.3.可靠性可靠性满足操作条件满足操作条件,强度足够强度足够,保证使用寿命保证使用寿命二、衡量标准二、

2、衡量标准 2.合理性合理性 1.1.先进性先进性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 传热效率高，流体阻力小，材料省传热效率高，流体阻力小，材料省 化工生产对换热设备提出的要求是：传热效率高，流体阻力小；强度、刚度、稳定性足够；结构合理，节省材料，成本较低；制造、装拆、检修方便等。由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各种各样的换热器，以适应各种特定的工艺条件。种各样的换热器，以适应各种特定的工艺条件。三、不同目的的换热器三、不同目的的换热器 冷却器（冷却器（cooler）冷凝器（冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（

3、蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（再沸器（reboiler）废热锅炉（废热锅炉（waste heat boiler）四、换热器的基本类型四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类按传热方式或工作原理分类1、混合式换热器混合式换热器（直接接触式）（直接接触式）通过冷通过冷热流体热流体直接混合直接混合进行热进行热量交换的设备称为混合量交换的设备称为混合式换热器式换热器，或直接式换热器，如冷却塔、气压冷凝器、在传质的同时进行传热的塔设备等。结构简单，结构简单，传热效果好，但不能用于传热效果好，但不能用于发生反应或有影

4、响的流体之间发生反应或有影响的流体之间局限：只适用于允许两流体混合的场合。只适用于允许两流体混合的场合。图图2-1 直接接触式换热器直接接触式换热器热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体实例：冷却塔、气压冷凝器2、蓄热式、蓄热式温度较高的场合，温度较高的场合，但有交叉污染，但有交叉污染，温度波动大温度波动大图图7-2蓄热式换热器蓄热式换热器冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体蓄热式换热器利用冷热两种流体蓄热式换热器利用冷热两种流体交替交替通过换热器内的同一通通过换热器内的同一通道而进行热量传递道而进行热量传递。局限：不能用于两流体不允许混合的场合。不能用于两流体不允许混合

5、的场合。3、间壁式、间壁式重点重点又称表面式换热器又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等中间载热体式换热器中间载热体式换热器热管换热器聚四氟乙烯换热器石墨换热器其它型式换热器伞板式板壳式板翅式板式螺旋板式板面式换热器缠绕管式管壳式套管式蛇管式管式换热器间壁式换热器换热器的分类换热器的分类（1 1）按传热方式可分为：直接接

6、触式按传热方式可分为：直接接触式、蓄热式蓄热式、间壁式间壁式、中中间载体式间载体式。（2 2）按其工艺用途可分为：按其工艺用途可分为：冷却器（冷却器（coolercooler）、冷凝器）、冷凝器（condensercondenser）、加热器（一般不发生相变）（）、加热器（一般不发生相变）（heaterheater）、蒸）、蒸发器（发生相变）（发器（发生相变）（evaporatorevaporator）、再沸器（）、再沸器（reboilerreboiler）、废热锅炉（废热锅炉（waste heat boilerwaste heat boiler）。（3）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料

7、换热器。）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。第二节第二节 换热器的基本结构换热器的基本结构 管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程。主要分为:固定管板换热器;浮头式换热器;U形管式换热器以及填料函式换热器.1.管壳式换热器管壳式换热器 管壳式换热器是由圆柱形和安装在壳体内的许多管子组成的构成的。管壳式换热器是间壁式换热设备中应用最多的一种结构形式。管壳式换热器列管式换热器壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵纵向向横横向向管壳式换热器管壳式换热器优点优点结构坚固，对

8、压力和温度的结构坚固，对压力和温度的适用范围大。适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。走壳程。处理量大。处理量大。缺点缺点传热效率、结构紧凑性、传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。量等不如新型换热器。固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器基本类型基本类型 管壳式换热器由管束、管板、壳体，各种接管等主要部件组成。根据其结构特点，可分为固定管板式、浮头式、管板式、浮头式、U形管式、填形管式、填料函式等四种形式。料函式等四种形式。两端管板采用焊接方式与壳

9、体连接两端管板采用焊接方式与壳体连接固定。优点为固定。优点为:结构简单、管板有管子支结构简单、管板有管子支承，比较薄，管子方便更换清洗。承，比较薄，管子方便更换清洗。缺点：管外清洗困难，热应力比较大。缺点：管外清洗困难，热应力比较大。它适用于壳体与管子温差小的场合；当它适用于壳体与管子温差小的场合；当壳体与管子温差大时，可在壳体上壳体与管子温差大时，可在壳体上设置设置膨胀节，以减小两者因温差而产生的热膨胀节，以减小两者因温差而产生的热应力。应力。分程隔板单程列管式换热器 单程列管式换热器1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板 双程列管式换热器 双程列管式换热器1壳体 2管束 3挡

10、板 4隔板（2）浮头式换热器 两端管箱一个是固定的，另一个则是浮动的；设两端管箱一个是固定的，另一个则是浮动的；设计目的为：计目的为：管束可从壳体内抽出，便于清洗；管束可从壳体内抽出，便于清洗；管束可自由伸缩，消除了热应力。适用于壳体管束可自由伸缩，消除了热应力。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。缺点：该设备结构复杂，造价高，排管数少，增缺点：该设备结构复杂，造价高，排管数少，增大了旁路流路，影响了热效率，而且浮头处的泄露大了旁路流路，影响了热效率，而且浮头处的泄露不易发现。不易发现。（3）U形管式换热器 可弥补浮头式换热器结构复

11、杂、造价高的不足，同时又保留换热管束可以抽出，热应力可以消除的优点。这种换热器只有一块管板，换热管弯成U形，管子的两端均固定在这一块管板上，中间用分程隔板隔开。该换热器中间空隙较大，易短路，内层换热管一旦发生泄漏，只能堵塞而不能更换，只适合于管壳程温差较大的场合。2.1.2.3 U2.1.2.3 U形管式换热器形管式换热器1 1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈）、结构特点：只有一块管板，换热管呈U U形。形。图7-6 U形管式换热器图图210 U210 U型管式换热器结构图型管式换热器结构图2 2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，

12、不会产生热应力。应力。3 3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。4 4）、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。物料。图图210 U210 U型管式换热管箱器型管式换热管箱器 结构图结构图图图210 U210 U型换热管结构图型换热管结构图（4）填料函式换热器）填料函式换热器是浮头式换热器的一种改型结构，它把原置是浮头式换热器的一种改型结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，用填料函来密于壳程内部的浮头移至体外，用填料函来密封壳程内介

13、质的外泄。因此由原先的静密封封壳程内介质的外泄。因此由原先的静密封改为了动密封，易发生泄漏。改为了动密封，易发生泄漏。(2)蛇管式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器由弯曲成蛇形的管子组成。蛇管的弯曲形状有折曲形、螺旋形、方形、盘形等形状。蛇管的材料常有钢管、有色金属管、陶质管、石墨管等。蛇管式换热器有沉浸式和喷淋式两种结构。沉浸蛇管换热器式将蛇管浸在有液体的容器内。当蛇管内通入液体时，为使整个管中经常充满液体，液体应从蛇管的下端送入，上端流出。当蛇管内通入蒸汽时，为了避免因管内积存冷液而产生水击与阻塞，蒸汽应从上部进入，冷凝液从下端排出。沉浸蛇管换热器通常用于对管内流体的冷却、冷凝或者是用于使管外

14、流体加热、冷却和蒸发等。优点：结构简单，造价低，操作管理方便，蛇管内可承受高压，还可用在传热面积不大的反应釜内作换热构件。缺点：通常容器内的流体流速很低，故管外给热系数小，加之容器内各处温度大致接近，因而平均温差不大，所以换热效果差，设备笨重，不适于作为需要换热面积很大的换热设备。喷淋式蛇管换热器，它的传热面是由一系列水平放置，上下排列在同一垂直面上的直管及连接这些直管的U弯头所组成，并固定在钢架上。在最上面的管子上方，装有使冷却水均匀喷淋的装置。在换热器的最下边设有用水泥或钢板做成的水槽，以收集与排放流下来的冷却水。操作时，热流体在管内流动。为了防止传热管外表面结水垢，降低传热效果，应使冷却

15、水的最终温度不得大于4050度。与沉浸式蛇管换热器相比，除了具有结构简单，制作费用低、能承受高压，可用任何材料制造等优点外，喷淋式较沉浸式易于检查、清洗和检修，如管子是用法兰连接时，更为方便。缺点时占地面积大，操作时设备周围环境卫生较差。所以在场地充足，不怕水滴飞溅时，可广泛地用作为冷却器。套管式换热器是将传热管（内管）以同心圆状插入外管中，它的传热面积是由成组排列的管子所组成，从上到下、从左至右由许多U形弯头连接在一起，然后采用角钢或槽钢焊成支架，组装而成。套管式换热器一般适用于传热面积较小的场合，它比同样传热面积的管壳式换热器所需的空间容积要大，但其结构简单，制造方便等优点而广泛的用作冷却

16、装置。2板面式换热器板面式换热器板面式换热器的传热元件是板面板面，其传热性能优于管式换热器。常用的结构形式有板板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器等。板壳式换热器等。(1)板式换热器 板式换热器由固定端板、活动端板、传热板片、密封垫片、压紧和定位装置等构成。板式换热器的板面通常做成波形以增加刚度刚度和流体湍流程度和流体湍流程度，在板片的四周粘贴垫片，垫片的作用：一是为了密封；二是隔出两板片之间的流体通道。优点：优点：板式换热器结构紧凑，传热效率高，便于组装和拆卸，清洗、除垢方便；缺点：缺点：流道狭窄，处理量小，密封圈也长，流动阻力大，承压能

17、力差，适应温差和压力都不大的场合。板式换热器板片板式换热器板片(2)螺旋板式换热器 螺旋板换热器由螺旋板、顶盖、接管口等组成。螺旋板由两张卷制成螺旋状的金属板制成。优点优点：螺旋板式换热器结构紧凑(单位体积内传热面积是管壳式换热器的23倍)，传热效率高(可达管壳式换热器的2倍)有自冲刷作用，不易结垢；缺点：缺点：不能承受高压，适用于粘性流体或含有固体颗粒的悬浮液的换热。多孔翅片 波纹翅片 多孔翅片 波纹翅片 多孔翅片 波纹翅片 构造和工作原理 翅片管双金属翅片管结构示意图（纵剖面）双金属翅片管铜铝复合翅片管铝复合翅片管 铜铝翅片管是由铜管和铝管经复合后在轧制出翅片的散热管，表面均经阳极化处理，

18、色泽美观大方，且能有效的防止表面腐蚀 翅片管碳钢肋片管 开齿型 整体型 翅片管翅片管 翅片管散热器1 1 发展概述发展概述 二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿艾克歇尔瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。此后，各种金属材料的板翅式换热器相继出现在工程应用中，唯以铝合金材料为主。我国是从60年代初期开始试制的。首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展，应用范围也日趋广泛。板翅式换热器板翅式换热器2 2 优缺点优点优缺点优点v 传热效率高，温度控制性好 翅片

19、的特殊结构，使流体形成强烈湍流，从而有效降低热阻，提高传热效率。其传热系数也比列管式换热器高5-10倍。传热效率与功耗比低，可精确控制介质温度。v 结构紧凑 传热面积密度可高达17300 m2/m3，一般为管壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍。v 轻巧，经济性好 翅片很薄，而结构很紧凑、体积小、又可用铝合金制造，因而重量很轻(可比管壳式换热器降低80%)，故成本低。v 可靠性高 全钎焊结构，杜绝了泄漏可能性。同时，翅片兼具传热面和支撑作用，故强度高。v 灵活性及适应性大：1）两侧的传热面积密度可以相差一个数量级以上，以适应两侧介质传热的差异，改善传热表面利用率；2）可以组织多股流体换热(可

20、达12股，这意味着工程、隔热、支撑和运输的成本消耗降低)，每股流的流道数和流道长都可不同；3）最外侧可布置空流道（绝热流道），从而最大限度地减少整个换热器与周围环境的热交换。2 2 优缺点缺点优缺点缺点v 流道狭小，容易引起堵塞而增大压降；当换热器结垢以后，清洗比较困难，因此要求介质比较干净。v 铝板翅式换热器的隔板和翅片都很薄，要求介质对铝不腐蚀，若腐蚀而造成内部串漏，则很难修补。v 板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，不利于手工计算；这也是限制板翅式换热器应用的主要原因。3 3 板翅式换热器应用板翅式换热器应用空气分离装置空气分离装置 可逆式换热器，冷凝蒸发器，液化器，液氮和

21、液态空气过冷器；石油化工石油化工 在天然气的液化、分离装置，及合成氨工业中逐步获得应用；动力机械动力机械 内燃机车散热器，汽车散热器、挖掘机循环油冷却器和压缩机空冷器、油冷器等；原子能和国防工业原子能和国防工业 氢液化器和氮液化器。机车水冷式中冷器风冷式换热器压缩机风冷式油、气换热器风冷式气冷却器冷凝蒸发器工程机械风冷式油换热器压缩机风冷式油、气换热器空分主换热器机车风冷式油换热器板翅式换热器的结构板翅式换热器的结构 板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。热交换由芯体完成，因此最关键的部件是芯体。芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。1 1 基本结构基本结构2 2 翅片作用及类型翅片作用及类

22、型 翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热主要是依靠翅片来完成，一部分直接由隔板来完成。（1）作用（2）类型v 翅片有锯齿形、平直形、多孔形等多种结构型式，可根 据不同的操作条件来选择合适的翅片型式；v 翅片的扩展面和翅片对流体的扰流能力决定了热交换能力；v 因此板翅式换热器具有结构紧凑、轻巧及传热效率高等特点。而翅片传热不像隔板是直接传热，故翅片有“二次表面”之称。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板间的加强作用。平直翅片特点是有很长的带光滑壁的长方型翅片，传热与流动特性类似于流体在长圆型管道中的流动。锯齿翅片特点是流体的流道被冲制成凹凸不平，从而增加流体的湍流程度，强化传热过程，故被称为

23、“高效能翅片”。多孔翅片是在平直翅片上冲出许多孔洞而成的，常放置于进出口分配段和流体有相变的地方。波纹翅片是在平直翅片上压成一定的波纹，促进流体的湍动，波纹愈密，波幅愈大，其传热性能愈好。百叶窗式翅片又称鳞片式翅片或切断式翅片，其特点是翅片上冲有等距离的百叶窗式的栅格，向内流道凸出，起到强化传热的作用。板翅式换热器有钎焊式和扩散焊两种基本结合型式。大多数热交换工况采用的是真空钎焊的铝制板翅式换热器，对于腐蚀性较高的介质，有真空钎焊的不锈钢板翅式换热器和钛板翅式换热器。3 3 流动形式流动形式 通道以不同方式的叠置和排列可形成不同的流动形式错流逆流错逆流(4)板壳式换热器 板壳式换热器由壳体和板束组成。壳体形状随板束形状而异，多数是圆筒形，结构与管壳式壳体相似。板束是由若干长度不等的基本元件组成。每一元件由两块节距相等的冷轧成型的金属板条，组合并缝焊接而成。基本元件的横截面呈现扁平状流道，板壳式换热器结构紧凑，容易清洗，压力降小，传热效率高，但制造工艺较复杂，焊接技术要求高。板壳式换热器常用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。