換熱器簡(jiǎn)介與強(qiáng)化換熱講解

1、換熱器簡(jiǎn)介和強(qiáng)化換熱換熱器簡(jiǎn)介和強(qiáng)化換熱 1 3 2 1 4 引言引言 換熱器分類換熱器分類 常見(jiàn)換熱器介紹常見(jiàn)換熱器介紹 強(qiáng)化換熱強(qiáng)化換熱 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2 引言換熱器的重要作用 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工 企業(yè)中，換熱器的投資約占裝 置建設(shè)總投資30%40%，世 界各國(guó)不斷地從事對(duì)新型高效 換熱設(shè)備的研究，以期提高熱 能利用率，不斷降低對(duì)天然能 源的消耗，因此，換熱器在減 少企業(yè)的建設(shè)投資及提高企業(yè) 的經(jīng)濟(jì)效益方面具有重要影響 。迫切需要研究各種高效能緊 湊節(jié)能型的換熱器。 3 3 2 1 4 引言引言 換熱器分類換熱器分類 常見(jiàn)換熱器介紹常見(jiàn)換熱器介紹 強(qiáng)化換熱強(qiáng)化換熱 主要內(nèi)容主要

2、內(nèi)容 4 按作用原理分： 5 1.直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器 兩種不同溫度的流體直接兩種不同溫度的流體直接 接觸，相互混和傳遞熱量。接觸，相互混和傳遞熱量。 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效 率高。率高。 適于兩種流體允許混和的適于兩種流體允許混和的 場(chǎng)合。如涼水塔、洗滌塔、場(chǎng)合。如涼水塔、洗滌塔、 文氏管及噴射冷凝器等。文氏管及噴射冷凝器等。 熱流體 冷流體 2.蓄熱式換熱器 當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)， 從熱流體處接受熱量，蓄熱體 溫度升高，然后與冷流體接觸， 將熱量傳遞給冷流體，蓄熱體 溫度下降，從而達(dá)到換熱的目 的。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高 溫，體積龐大，不能完全避免 兩種

3、流體的混和。 適于高溫氣體熱量的回收或 冷卻。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。 熱流體 熱流體 冷流體 冷流體 3.間壁式換熱器 所謂間壁式換熱器是指兩種溫度不同的流體在 固定壁面相隔的空間內(nèi)流動(dòng)，通過(guò)兩側(cè)流體與避 免的對(duì)流換熱及避免的導(dǎo)熱而進(jìn)行的熱量傳遞的 換熱器。參與換熱的兩種流體不會(huì)混合，傳遞過(guò) 程連續(xù)而穩(wěn)定的進(jìn)行。 如各種管殼式、板式結(jié)構(gòu)的換熱器。 按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分 9 1.管式換熱器 通過(guò)管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié) 構(gòu)形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管 式換熱器、翅片式換熱器等。應(yīng)用最廣。 2.板式換熱器 通過(guò)板面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形 式可分為平板式、螺旋板

4、式、板翅式、熱板式換熱 器等。 3.特殊形式換熱器 根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱 器。如回轉(zhuǎn)式、熱管、同流式換熱器等。 按所用材料分 11 按所用材料分 1.金屬材料換熱器 由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材 料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合 金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大， 故此類換熱器的傳熱效率高。 2.非金屬材料換熱器 有非金屬材料制成的換熱器。常用的材料 有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材 料導(dǎo)熱系數(shù)較小，故此類換熱器的傳熱效率 較低。常用于具有腐蝕性的物系。 3 2 1 4 引言引言 換熱器分類換熱器分類 常見(jiàn)換熱器介紹常見(jiàn)換熱器介紹 強(qiáng)化換熱強(qiáng)化換

5、熱 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 13 1.固定管板式換熱器 1.擋板 2.補(bǔ)償圈 3.放氣嘴 它是將兩端管板和殼體連接在一起，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于殼程清洗和檢修困難，管外物料 應(yīng)清潔、不易結(jié)垢 。對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊 上補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))，通過(guò)補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形適應(yīng)外殼 和管束不同的膨脹程度，如圖示。這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單但有 限，只適用于兩流體溫差小于70，殼程流體壓強(qiáng)小于 0.6MPa的場(chǎng)合。 2.浮頭式換熱器 它是將一端管板與殼體相連，而另一端管板不與殼體固 定連接，可以沿軸向自由浮動(dòng)，如圖示。這種結(jié)構(gòu)不但可 完全消除熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時(shí)整個(gè)管束可以從殼 體中抽

6、出。因而盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，但應(yīng)用較為普 遍。 1.管程隔板 2.殼程隔板 3.浮頭 3.U型管式換熱器 它是將每根管子都彎成U型狀，兩端固定在同一 管板的兩側(cè)，管板用隔板分成兩室，如圖示。這種 結(jié)構(gòu)使得每根管子可以自由伸縮，與其它管子和殼 體無(wú)關(guān)，從而解決了熱補(bǔ)償問(wèn)題。這種換熱器結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，可用于高溫高壓，但管程不易清洗，而且因 管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低。 1.U形管 2.殼程隔板 3.管程隔板 4.蛇管式換熱器 4.1.沉浸式蛇管換熱器 蛇管多以金屬管彎繞而成，或制蛇管多以金屬管彎繞而成，或制 成適應(yīng)各種容器需要的形狀，沉成適應(yīng)各種容器需要的形狀，沉 浸在容器中。兩種流

7、體分別在管浸在容器中。兩種流體分別在管 內(nèi)外流動(dòng)通過(guò)蛇管表面進(jìn)行換熱，內(nèi)外流動(dòng)通過(guò)蛇管表面進(jìn)行換熱， 如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制造方便，能承受高壓，可用耐制造方便，能承受高壓，可用耐 腐蝕材料制造。缺點(diǎn)是容器內(nèi)液腐蝕材料制造。缺點(diǎn)是容器內(nèi)液 體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流傳熱系體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流傳熱系 數(shù)小，傳熱效果可通過(guò)增設(shè)攪拌數(shù)小，傳熱效果可通過(guò)增設(shè)攪拌 提高，此外傳熱面積有限，主要提高，此外傳熱面積有限，主要 用于傳熱量不大的容器中。用于傳熱量不大的容器中。 4.2噴淋式蛇管換熱器 如圖示，將蛇管成排地固定在支架上，水由最如圖示，將蛇管成排地固定在支架上，水

8、由最 上層管的噴淋裝置中均勻淋下，沿管表面流過(guò)，上層管的噴淋裝置中均勻淋下，沿管表面流過(guò)， 與管內(nèi)熱流體換熱。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果較沉浸與管內(nèi)熱流體換熱。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果較沉浸 式好，傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗式好，傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗 方便。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。方便。缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。 主要用于管內(nèi)流體的冷卻，常設(shè)置在室外空氣主要用于管內(nèi)流體的冷卻，常設(shè)置在室外空氣 流通處。流通處。 5.套管式換熱器 將兩種直徑不同的 直管制成同心套管， 根據(jù)換熱要求將若 干段套管連接組合 而成，如圖示。 每段套管稱為一程，長(zhǎng)約每段套管稱為一程，長(zhǎng)約4 46 6m m，每程的內(nèi)管依次與下

9、一每程的內(nèi)管依次與下一 程的內(nèi)管用程的內(nèi)管用U U型彎頭連接，外管之間也由管子連通，可同型彎頭連接，外管之間也由管子連通，可同 時(shí)幾排并列，每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體走管內(nèi)，時(shí)幾排并列，每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體走管內(nèi)， 另一種流體走環(huán)隙，而且兩種流體可始終保持逆流換熱，另一種流體走環(huán)隙，而且兩種流體可始終保持逆流換熱， ttm m大。適當(dāng)選擇兩管的直徑，兩流體可得到較高的流速，大。適當(dāng)選擇兩管的直徑，兩流體可得到較高的流速， 故一般具有較高的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高故一般具有較高的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高 壓，傳熱面積易于增減；缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬耗壓，傳熱

10、面積易于增減；缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬耗 用量大，一般用于換熱量不大的場(chǎng)合。用量大，一般用于換熱量不大的場(chǎng)合。 6.翅片管式換熱器 它是在管的表面上加裝一定形式的翅它是在管的表面上加裝一定形式的翅 片，有橫向和縱向兩類。片，有橫向和縱向兩類。 翅片管換熱器主要用于兩種流體的對(duì)翅片管換熱器主要用于兩種流體的對(duì) 流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，在流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，在h小的一側(cè)小的一側(cè) 加裝翅片，從而增大傳熱面積，提高流加裝翅片，從而增大傳熱面積，提高流 體的湍動(dòng)程度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。體的湍動(dòng)程度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 8.板式換熱器 為了使換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高單 位體積的傳熱面積，增加傳熱效果

11、，以 及適應(yīng)某些工藝過(guò)程的需要等，開(kāi)發(fā)了 以板狀作為傳熱面積的換熱器，稱為板 式換熱器。 平板式換熱器 9.螺旋板式換熱器 它是由兩張互相平行的 薄金屬板，卷制成同心 的螺旋形通道。在其中 央設(shè)置隔板將兩通道隔 開(kāi)，兩板間焊有定距柱 以維持通道間距，螺旋 板兩側(cè)焊有蓋板和接管。 兩流體分別在兩通道內(nèi) 流動(dòng)，通過(guò)螺旋板進(jìn)行 換熱。 10.板翅式換熱器 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型 式很多，但是基本結(jié)構(gòu) 是由平行隔板和各種型 式的翅片構(gòu)成的板束組 裝而成，如圖示。 在兩塊平行薄金屬之間，夾入波紋狀或其它形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組 成為一個(gè)換熱單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)呐帕校⒂免F焊固定

12、， 成為并流、逆流、錯(cuò)流的板束(或稱蕊部)。然后再將帶有流體進(jìn)出口接管的集流箱 焊在板束上，即成為板翅式換熱器。常用的翅片為光直型、鋸齒型和多孔型三種 型式。 板翅式換熱器一般用鋁合金制造，結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，單位體積傳熱面積可達(dá)到 25004000m2/m3，傳熱系數(shù)高，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)可達(dá)到350W/m2K，承壓 可達(dá)5MPa。但容易堵塞，清洗困難，不易檢修，適用于清潔和無(wú)腐蝕性流體的換 熱?，F(xiàn)已在石油化工、氣體分離等工業(yè)中得到應(yīng)用。 3 2 1 4 引言引言 換熱器分類換熱器分類 常見(jiàn)換熱器介紹常見(jiàn)換熱器介紹 強(qiáng)化換熱強(qiáng)化換熱 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 24 換熱器傳熱過(guò)程的強(qiáng)化 1.增大傳熱面積

13、 方法：方法： 提高單位體積內(nèi)的傳熱面積，采用 小管徑、板狀換熱表面，改變傳熱 面形狀等； 增大對(duì)流傳熱系數(shù)小的一側(cè)的面積， 如肋片管、波紋管、翅片管等，使 換熱器傳熱系數(shù)提高以及增加單位 體積的傳熱面積，能收到高效緊湊 的效果。 2.提高傳熱推動(dòng)力tm 方法：方法： 平均溫度差tm的大小主要取決于兩 流體的溫度條件，常受到工藝條件的 限制。但加熱劑或冷卻劑溫度由于選 擇的不同，可以有很大的差別，如適 當(dāng)提高加熱蒸汽壓強(qiáng)，降低冷卻水進(jìn) 口溫度，確定適宜的出口溫度等都可 提高tm。 當(dāng)兩流體無(wú)相變化時(shí)，盡可能從結(jié) 構(gòu)上采用逆流或接近逆流的操作，可 提高tm。 增大溫差 3.增大傳熱系數(shù)K 方法：

14、方法： 降低污垢熱阻 通過(guò)增大流速?zèng)_刷管壁防止污垢沉積， 或采用阻垢劑等化學(xué)和機(jī)械方法來(lái)抑制 污垢的生成速度，并注意及時(shí)清除等措 施。 提高對(duì)流傳熱系數(shù) 特別是h小的一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，主 要途徑是增加湍動(dòng)程度、減小層流底層 的厚度， 具體措施是： （1）提高流速，增大雷諾數(shù)。如增加列 管式換熱器中的管程數(shù)和在管外加裝擋板； (2)增加流動(dòng)的擾動(dòng)，減薄層流底層。 如在異形管內(nèi)流動(dòng)或在管內(nèi)設(shè)置添 加物，采用波紋狀或粗糙面等，使 流動(dòng)方向和大小不斷改變等，都可 提高對(duì)流傳熱強(qiáng)度； (3)利用傳熱進(jìn)口段換熱較強(qiáng)的特征， 采用短管換熱器，利用機(jī)械或電的 方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振動(dòng)，采 用射流方法造成噴

15、射傳熱面等。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 國(guó)外 （1）傳熱強(qiáng)化劑對(duì)換熱器換熱性能的提高 研究表明，在水中加入濃度低于總質(zhì)量50%的 揮發(fā)性添加劑，在水的物性沒(méi)有顯著變化下，可 使其傳熱膜系數(shù)增加80%左右。有文獻(xiàn)報(bào)道，在 水中加入微量的十八烷基胺以后，不僅強(qiáng)化了核 沸騰換熱，并且它易吸附于金屬表面，可有效的 緩減金屬的腐蝕還具有清除金屬表面污垢的能力 。對(duì)空氣中噴入液滴時(shí)的傳熱工況進(jìn)行的研究表 明，如能在換熱面上形成連續(xù)液膜，則換熱系數(shù) 最多可增加30 倍。添加劑強(qiáng)化技術(shù)的研究，英國(guó) 、美國(guó)居領(lǐng)先地位。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 （2）在換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中增加電場(chǎng)的強(qiáng)化 傳熱及節(jié)能技術(shù) 在液體中加一靜

16、電場(chǎng)以強(qiáng)化單相流體的對(duì)流 換熱量是一種有吸引力的強(qiáng)化傳熱方法。這 種方法對(duì)氣體和液體的自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 都能產(chǎn)生一定的強(qiáng)化傳熱效應(yīng)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 （3）納米粒子在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的廣闊 應(yīng)用前景 研究表明，在液體中添加納米粒子 能有效的增加其導(dǎo)熱系數(shù)。因此，能 夠生產(chǎn)出成本低廉的納米粒子和找到 其與強(qiáng)化傳熱倍數(shù)的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系 ，在換熱設(shè)備的改進(jìn)中設(shè)計(jì)一個(gè)納米 粒子按比例混入裝置對(duì)換熱效率的提 高將十分有意義，同時(shí)也能減小換熱 器本身的設(shè)計(jì)制造成本。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 國(guó)內(nèi) 為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱 效率，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種強(qiáng)化元件及 強(qiáng)化措施，主要包括在換熱器中使用 螺旋槽管、橫紋管

17、、縮放管、波紋管 、大導(dǎo)程多頭溝槽管、整體雙面螺旋 翅片管等擴(kuò)展表面的方法。另外，在 利用處理表面法、粗糙表面法的強(qiáng)化 傳熱技術(shù)方面也有了一定的研究。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特的管 程和殼程促進(jìn)了湍流。 該換熱器的傳熱系數(shù)叫 現(xiàn)有換熱器提高40%， 而壓力降幾乎相等。 特點(diǎn)：改進(jìn)了傳熱，減 少了污垢，真正逆流， 無(wú)振動(dòng)，節(jié)省空間，無(wú) 折流元件，降低了成本。 絲狀花內(nèi)插物,可使流體在 低速下產(chǎn)生徑向位移和螺 旋流相疊加的三維復(fù)雜流 動(dòng),可提高誘發(fā)湍流和增強(qiáng) 沿溫度梯度方向上的流體 擾動(dòng),能在不增加阻力的條 件下大大提高傳熱系數(shù)。 加強(qiáng)換熱的常用方法 橫紋槽管 當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋， 管壁附近形成軸向游，增 加了邊界層的擾動(dòng)，使邊 界層分離，有利于熱量的 傳遞。當(dāng)游渦將要消失時(shí) 流體又經(jīng)過(guò)下一個(gè)橫向環(huán) 肋，因此不斷產(chǎn)生渦流， 保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。 縮