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換熱器是個什么東西?

時間:2019-4-8 12:56:42|點擊:

換熱器作為工藝過程必不可少的單元設備,廣泛地應用于石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領域中。據統計,在現代石油化工企業中,換熱器投資約占裝置建設總投資的30%~40%;在合成氨廠中,換熱器約占全部設備總臺數的40%。由此可見,換熱器對整個企業的建設投資及經濟效益有著重要的影響。

 

1.按換熱器的用途分類

(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程中不發生相變。

(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)過熱器:過熱器用于加熱飽和蒸汽,使其達到過熱狀態。

(4)蒸發器:蒸發器用于加熱液體,使之蒸發汽化。

(5)再沸器:再沸器是蒸餾過程的專用設備,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

(1)管式換熱器:管式換熱器通過管子壁面進行傳熱,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:板式換熱器通過板面進行傳熱,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

(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,故該類換熱器的傳熱效率較高,生產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。

 

(一)管式換熱器的結構形式

1.管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱列管式換熱器,是一種通用的標準換熱設備。它具有結構簡單、堅固耐用、造價低廉、用材廣泛、清洗方便、適應性強等優點,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分為以下幾種。

(1)固定管板式換熱器

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為管程;換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。冷、熱流體分別在管程和殼程中連續流動,流經管程的流體稱為管(管程)流體,流經殼程的流體稱為殼(殼程)流體。

若管流體一次通過管程,稱為單管程。當換熱器傳熱面積較大,所需管子數目較多時,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,但同時會導致流動阻力增大。因此,管程數不宜過多,通常以2、管程最為常見。

殼流體一次通過殼程,稱為單殼程。為提高殼流體的流速,也可在與管束軸線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,擾動加劇,有助于強化傳熱。但是,殼程分程不僅使流動阻力增大,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,通過設置折流擋板,以達到實現強化傳熱的目的。

固定管板式換熱器的優點是結構簡單、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行更換,且管內清洗方便。其缺點是殼程不能進行機械清洗;當換熱管與殼體的溫差較大(大于50℃)時產生溫差應力,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合。

(2)浮頭式換熱器

浮頭式換熱器浮其結構特點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,該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優點是當換熱管與殼體有溫差存在,殼體或換熱管膨脹時,互不約束,不會產生溫差應力;管束可從殼體內抽出,便于管內和管間的清洗。其缺點是結構較復雜,用材量大,造價高;浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴,發生內漏,造成兩種介質的混合。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。

(3)U 型管式換熱器

U 型管式換熱器其結構特點是只有一個管板,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,不會產生溫差應力。U 型管式換熱器的優點是結構簡單,只有一個管板,密封面少,運行可靠,造價低;管束可以抽出,管間清洗方便。其缺點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易結垢,而管程介質清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質走管內,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

填料函式換熱器其結構特點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,不會產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點是結構較浮頭式換熱器簡單,制造方便,耗材少,造價低;管束可從殼體內抽出,管內、管間均能進行清洗,維修方便。其缺點是填料函耐壓不高,一般小于4.0MPa;殼程介質可能通過填料函外漏,對易燃、易爆、有毒和貴重的介質不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質易結垢,需經常清理且壓力不高的場合。

(5)釜式換熱器

釜式換熱器結構特點是在殼體上部設置適當的蒸發空間,同時兼有蒸汽室的作用。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,并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱,可作為最簡結構的廢熱鍋爐。

管殼式換熱器除上述五種外,還有插管式換熱器、滑動管板式換熱器等其它類型。

 

2.蛇管式換熱器

蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡單,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。

(1)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、管外進行換熱。幾種常用的蛇管形狀。

沉浸式蛇管換熱器的優點是結構簡單、價格低廉、便于防腐蝕、能承受高壓。其缺點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。

(2)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,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,傳熱效果好等優點。其缺點是體積龐大,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

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。每一段套管稱為一程,程數可根據傳熱面積要求而增減。換熱時一種流體走內管,另一種流體走環隙,內管的壁面為傳熱面。

套管式換熱器的優點是結構簡單;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,有利于傳熱。其缺點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。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。

 

(二)板式換熱器的結構形式

1.平板式換熱器

平板式換熱器簡稱板式換熱器,其結構如圖片4-46所示。它是由一組長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。每塊板的四個角上,各開一個圓孔,其中有兩個圓孔和板面上的流道相通,另兩個圓孔則不相通。它們的位置在相鄰板上是錯開的,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,通過金屬板片進行換熱。

板片是板式換熱器的核心部件。為使流體均勻流過板面,增加傳熱面積,并促使流體的湍動,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。

板式換熱器的優點是結構緊湊,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高。板式換熱器適用于經常需要清洗、工作環境要求十分緊湊,工作壓力在2.5 MPa以下,溫度在 -35℃~200℃場合。

2.螺旋板式換熱器

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、熱流體分別通過兩條通道,通過薄板進行換熱。

螺旋板式換熱器的優點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,故螺旋板式換熱器不易結垢和堵塞;由于流體的流程長和兩流體可進行完全逆流,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;因整個換熱器為卷制而成,一旦發現泄漏,維修很困難。

3.熱板式換熱器

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原理,將雙層或多層金屬平板點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,實現最佳流動狀態的流道結構形式。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,可根據需要選取。

熱板式換熱器具有最佳的流動狀態,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、冷凝等多種過程,作為一種新型的換熱器,具有廣闊的應用前景。

(三)熱管換熱器的結構形式

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,工作液自熱源吸收熱量而蒸發汽化,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,熱量乃不斷從熱端傳至冷端。

熱管按冷凝液循環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,工作液有液態金屬鉀、鈉、鋰、銀等。

熱管的傳熱特點是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動和蒸汽冷凝三步進行,由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度都很大,而蒸汽流動阻力損失又較小,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合。熱管換熱器具有結構簡單、使用壽命長、工作可靠、應用范圍廣等優點,可用于氣─氣、氣─液和液─液之間的換熱過程。

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