1、换热器简介和强化换热换热器简介和强化换热13214引言引言换热器分类换热器分类常见换热器介绍常见换热器介绍强化换热强化换热主要内容主要内容2引言换热器的重要作用据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资30%40%，世界各国不断地从事对新型高效换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此，换热器在减少企业的建设投资及提高企业的经济效益方面具有重要影响。迫切需要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。33214引言引言换热器分类换热器分类常见换热器介绍常见换热器介绍强化换热强化换热主要内容主要内容4按作用原理分：直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器51.
2、直接接触式换热器直接接触式换热器两种不同温度的流体直接两种不同温度的流体直接接触，相互混和传递热量。接触，相互混和传递热量。特点是结构简单，传热效特点是结构简单，传热效率高。率高。适于两种流体允许混和的适于两种流体允许混和的场合。如凉水塔、洗涤塔、场合。如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。文氏管及喷射冷凝器等。热流体冷流体2.蓄热式换热器当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。特点是结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。热流体热
3、流体冷流体冷流体3.间壁式换热器所谓间壁式换热器是指两种温度不同的流体在固定壁面相隔的空间内流动，通过两侧流体与避免的对流换热及避免的导热而进行的热量传递的换热器。参与换热的两种流体不会混合，传递过程连续而稳定的进行。如各种管壳式、板式结构的换热器。按传热面形状和结构分管式换热器板式换热器特殊形式换热器91.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。应用最广。2.板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。3.特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结
4、构的换热器。如回转式、热管、同流式换热器等。按所用材料分金属材料换热器非金属材料换热器11按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。3214引言引言换热器分类换热器分类常见换热器介绍常见换热器介绍强化换热强化换热主要内容主要内容131.固定管板式换热器1.挡板2.补偿圈3.放气嘴它是将两端管板和壳体连接在一起
5、，因而具有结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料应清洁、不易结垢。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形适应外壳和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于70，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。2.浮头式换热器 它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动，如图示。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用较为普遍。1.管程隔板2.壳程隔板3.浮头3.U型管式换热器 它是将每根管子都弯成U型状，两端固定
6、在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室，如图示。这种结构使得每根管子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率低。1.U形管2.壳程隔板3.管程隔板4.蛇管式换热器4.1.沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管弯绕而成，或制蛇管多以金属管弯绕而成，或制成适应各种容器需要的形状，沉成适应各种容器需要的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在管浸在容器中。两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热，内外流动通过蛇管表面进行换热，如图所示。其优点是结构简单，如图所示。其优点是结构简单，制造方便，能承受高
7、压，可用耐制造方便，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是容器内液腐蚀材料制造。缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系体湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果可通过增设搅拌数小，传热效果可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主要提高，此外传热面积有限，主要用于传热量不大的容器中。用于传热量不大的容器中。4.2喷淋式蛇管换热器如图示，将蛇管成排地固定在支架上，水由最如图示，将蛇管成排地固定在支架上，水由最上层管的喷淋装置中均匀淋下，沿管表面流过，上层管的喷淋装置中均匀淋下，沿管表面流过，与管内热流体换热。其优点是传热效果较沉浸与管内热流体换热。其优点是传热效果较沉浸式好，传热面积大而且可以
8、改变，检修和清洗式好，传热面积大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷淋不易均匀。方便。缺点是喷淋不易均匀。主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气流通处。流通处。5.套管式换热器将两种直径不同的直管制成同心套管，根据换热要求将若干段套管连接组合而成，如图示。每段套管称为一程，长约每段套管称为一程，长约4 46 6m m，每程的内管依次与下一每程的内管依次与下一程的内管用程的内管用U U型弯头连接，外管之间也由管子连通，可同型弯头连接，外管之间也由管子连通，可同时几排并列，每排与总管相连。换热时一种流体走管内，时几排并列，每排与总管相连。换热时一种流体走
9、管内，另一种流体走环隙，而且两种流体可始终保持逆流换热，另一种流体走环隙，而且两种流体可始终保持逆流换热，ttm m大。适当选择两管的直径，两流体可得到较高的流速，大。适当选择两管的直径，两流体可得到较高的流速，故一般具有较高的传热系数。其优点是结构简单，能耐高故一般具有较高的传热系数。其优点是结构简单，能耐高压，传热面积易于增减；缺点是设备结构不紧凑，金属耗压，传热面积易于增减；缺点是设备结构不紧凑，金属耗用量大，一般用于换热量不大的场合。用量大，一般用于换热量不大的场合。6.翅片管式换热器它是在管的表面上加装一定形式的翅它是在管的表面上加装一定形式的翅片，有横向和纵向两类。片，有横向和纵向
10、两类。翅片管换热器主要用于两种流体的对翅片管换热器主要用于两种流体的对流传热系数相差较大时，在流传热系数相差较大时，在h小的一侧小的一侧加装翅片，从而增大传热面积，提高流加装翅片，从而增大传热面积，提高流体的湍动程度，以提高对流传热系数。体的湍动程度，以提高对流传热系数。8.板式换热器为了使换热器结构更为紧凑，提高单位体积的传热面积，增加传热效果，以及适应某些工艺过程的需要等，开发了以板状作为传热面积的换热器，称为板式换热器。平板式换热器9.螺旋板式换热器 它是由两张互相平行的薄金属板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央设置隔板将两通道隔开，两板间焊有定距柱以维持通道间距，螺旋板两侧焊有盖板和接
11、管。两流体分别在两通道内流动，通过螺旋板进行换热。10.板翅式换热器 板翅式换热器的结构型式很多，但是基本结构是由平行隔板和各种型式的翅片构成的板束组装而成，如图示。在两块平行薄金属之间，夹入波纹状或其它形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个换热单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，成为并流、逆流、错流的板束(或称蕊部)。然后再将带有流体进出口接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。常用的翅片为光直型、锯齿型和多孔型三种型式。板翅式换热器一般用铝合金制造，结构紧凑、轻巧，单位体积传热面积可达到25004000m2/m3，传热系数高，空气的对流传热系数可达到350W/
12、m2K，承压可达5MPa。但容易堵塞，清洗困难，不易检修，适用于清洁和无腐蚀性流体的换热。现已在石油化工、气体分离等工业中得到应用。3214引言引言换热器分类换热器分类常见换热器介绍常见换热器介绍强化换热强化换热主要内容主要内容24 换热器传热过程的强化 1.增大传热面积方法：方法：提高单位体积内的传热面积，采用小管径、板状换热表面，改变传热面形状等；增大对流传热系数小的一侧的面积，如肋片管、波纹管、翅片管等，使换热器传热系数提高以及增加单位体积的传热面积，能收到高效紧凑的效果。2.提高传热推动力tm 方法：方法：平均温度差tm的大小主要取决于两流体的温度条件，常受到工艺条件的限制。但加热剂或
13、冷却剂温度由于选择的不同，可以有很大的差别，如适当提高加热蒸汽压强，降低冷却水进口温度，确定适宜的出口温度等都可提高tm。当两流体无相变化时，尽可能从结构上采用逆流或接近逆流的操作，可提高tm。增大温差3.增大传热系数K 方法：方法：降低污垢热阻通过增大流速冲刷管壁防止污垢沉积，或采用阻垢剂等化学和机械方法来抑制污垢的生成速度，并注意及时清除等措施。提高对流传热系数特别是h小的一侧的对流传热系数，主要途径是增加湍动程度、减小层流底层的厚度，具体措施是：（1）提高流速，增大雷诺数。如增加列管式换热器中的管程数和在管外加装挡板；(2)增加流动的扰动，减薄层流底层。如在异形管内流动或在管内设置添加物
14、，采用波纹状或粗糙面等，使流动方向和大小不断改变等，都可提高对流传热强度；(3)利用传热进口段换热较强的特征，采用短管换热器，利用机械或电的方法使传热面或流体产生振动，采用射流方法造成喷射传热面等。国内外发展概况国内外发展概况 国外 （1）传热强化剂对换热器换热性能的提高 研究表明，在水中加入浓度低于总质量50%的挥发性添加剂，在水的物性没有显著变化下，可使其传热膜系数增加80%左右。有文献报道，在水中加入微量的十八烷基胺以后，不仅强化了核沸腾换热，并且它易吸附于金属表面，可有效的缓减金属的腐蚀还具有清除金属表面污垢的能力。对空气中喷入液滴时的传热工况进行的研究表明，如能在换热面上形成连续液膜
15、，则换热系数最多可增加30 倍。添加剂强化技术的研究，英国、美国居领先地位。国内外发展概况（2）在换热器的设计过程中增加电场的强化传热及节能技术 在液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。国内外发展概况（3）纳米粒子在强化传热领域的广阔应用前景 研究表明，在液体中添加纳米粒子能有效的增加其导热系数。因此，能够生产出成本低廉的纳米粒子和找到其与强化传热倍数的准确的数学关系，在换热设备的改进中设计一个纳米粒子按比例混入装置对换热效率的提高将十分有意义，同时也能减小换热器本身的设计制造成本。国内外发展
16、概况 国内 为了提高换热器的传热系数，强化传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换热器中使用螺旋槽管、横纹管、缩放管、波纹管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管等扩展表面的方法。另外，在利用处理表面法、粗糙表面法的强化传热技术方面也有了一定的研究。国内外发展概况由于管子结构独特的管程和壳程促进了湍流。该换热器的传热系数叫现有换热器提高40%，而压力降几乎相等。特点：改进了传热，减少了污垢，真正逆流，无振动，节省空间，无折流元件，降低了成本。丝状花内插物,可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动,可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动,能在不增加阻力的
17、条件下大大提高传热系数。加强换热的常用方法 横纹槽管当管内流体流经横向环肋，管壁附近形成轴向游，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当游涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了稳定的强化作用。缩放管使管内介质流动时，产生收缩和放大效应，使介质湍动程度增加，提高了管内介质的热交换能力，而且管内靠近管壁的介质沿管的轴向流动时，其方向和速度在波节处产生突变，形成局部湍流，使管壁处流体的滞留底层减薄，热阻降低，也使管外介质的传热能力提高。37波纹管波纹管是以普通光滑换热管为基管，采用切削滚扎工艺使管内外表面金属塑性变形而成，双侧带有波纹的管型。波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。38表面T型翅片39其他形式换热元件4041
