1、【知识目标知识目标】了解热交换器的分类、主要类型、结构、功用、特点和使用场合。【能力目标能力目标】能够根据工艺条件进行热交换器的简单选型，能正确选择热交换器零部件的结构。第十一章第十一章 热交换器热交换器按冷、热流体热量交换方式将热交换器分为混合式、蓄热式和间壁式。混合式热交换器的冷热两种介质通过热交换器直接接触和混合传热。传热充分，设备简单，但只适用于冷、热介质能够互相混合的场合。蓄热式热交换器的冷、热介质通过热交换器壁面传热。热介质通过时壁面温度升高、积蓄能量；冷介质通过时从壁面获得热量，冷介质温度提高。蓄热式热交换器设备结构简单，可耐高温，常用于气气热交换场合。缺点是设备体积大，过程交替
2、操作，不能完全避免两种介质的搀杂，化工上应用不多。间壁式热交换器工业中应，占总量99%以上。冷热流体被固定的壁面隔开，通过壁面传热。它可分为管式热交换器和板式热交换器。管式热交换器通过管壁传热；板式热交换器通过板面传热。第一节第一节 热交换器的结构类型热交换器的结构类型 管壳式热交换器是管式热交换器最主要的结构形式，又称列管式热交换器。虽然在传热效率、结构紧凑性及金属材料消耗方面不如新型的板式热交换器，但由于其结构简单坚固、操作弹性大、材料范围广等独特优点，目前在石油化工应用中占有绝对优势。管壳式热交换器主要组成部件是管箱、管束和外壳体。管箱主要由短筒体、封头、接管、法兰等零件组成，管束主要由
3、换热管、管板、折流板、拉杆、定距管等零件组成，根据管束与外壳体是否固定，管壳式热交换器又可又可分为固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式及釜式重沸器五种。管束由管板固定，通常管内走热介质，管外走冷介质，逆流和并流实现传热。壳体内间隔设置折流板以支承管束，增加管外流体的喘动。流体流经换热管内及其相通的部分称为管程；流体流经换热管外及其相通的部分称为壳程。一、管壳式热交换器一、管壳式热交换器管壳式热交换器1-封头；2-隔板；3-管板；4-折流板；5-换热管；6-外壳体1、固定管板式热交换器 固定管板式热交换器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，管板则以焊接的方法与壳体连接。优点是结构简单，管
4、内便于清洗、便于堵管换管，壳体直径相同的情况下布管数最多。缺点是壳体和管子中易产生较大温差应力，导致换热管与管板脱开，产生泄漏；管外无法清洗。适用于壳程介质清洁、不易结垢且管壳程温差不大（一般不超过50）的场合。固定管板式热交换器1、12-封头；2-短筒体；3、13-管箱法兰；4-壳体；5-螺母；6-拉杆；7-定距管；8、9-支座；10、16-兼作法兰的管板；11、18-管程进、出口管；14折流板；15-换热管；17-螺栓螺母；19、20-壳程进、出口管固定管板式热交换器工作原理固定管板式热交换器工作原理 一般规定，当管子和壳体的温差为50左右时，就应考虑采取补偿措施，以减小温差应力 可以在壳
5、体上设置柔性元件如膨胀节，通过膨胀节的轴向变形，来减小温差应力。常用膨胀节有U形、平板形和形。也可以采用其他结构型式如U型管式、浮头式、填料函式。U形 平板形 形带膨胀节的固定管板式热交换器 带膨胀节固定管板式热交换器工作原理带膨胀节固定管板式热交换器工作原理2、浮头式热交换器 浮头式热交换器一端管束通过管板与壳体固定，另一端管板（浮头部分）可在壳体内自由浮动，当壳体与管束受热变形时不会产生温差应力。浮头部分有浮头管板、钩圈、密封垫、浮头盖组成，是可拆联接，因而管束可以抽出，便于管内外的清洗。缺点是结构复杂，造价较高，若浮头的垫片密封不严，会造成管内外流体互相混合，而且泄露时不易觉察。适合于管
6、壳程温差较大，介质易于结垢需经常清洗的场合。浮头式热交换器 浮头式热交换器工作原理浮头式热交换器工作原理3、U型管式换热器 U形管式换热器是将换热管弯成U形，管子的两端固定在同一管板上，故此结构省去了一块管板和一个管箱；管束一端结构与浮头式相同，通过法兰与壳体固定，另一端悬浮于壳体中，可以自由伸缩，因而管壳程之间不存在温差应力；此外，管束可自由抽出，清洗方便。缺点是换热管弯曲，管内清洗困难；同时受弯管半径限制，换热管排布较少，传热利用率低；管子损坏，维修更换困难。U形管式换热器适合于管壳程温差较大，高温、高压、管内介质清洁的场合。U型管式热交换器 U型管式热交换器工作原理型管式热交换器工作原理
7、4、填料函式热交换器 填料函式热交换器其实是外浮头式热交换器。管束一端与壳体固定，另一端（外浮头）伸在壳体的外边，它与壳体之间的间隙用填料函来密封。由于受到填料密封的限制，不能承受过高的温度和压力；而且对壳程介质要求较高，以防泄漏，故这类热交换器适用于直径不大、温度、压力不高、壳程介质无毒无害的场合。填料函热交换器 5、釜式重沸器 在结构上与其他热交换器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，用于在沸点下加热产生大量蒸汽的流体。此类热交换器的管束可以为浮头式、U型管式、固定管板式。釜式热交换器 板式热交换器是一种新型、高效间壁式热交换器。结构紧凑，传热效率高；适用压力温度不高、流量不大的场合。二
8、、板式热交换器二、板式热交换器1、螺旋板式热交换器 螺旋板式热交换器由两张厚约26mm、间距靠定距柱保证的平行钢板在专用卷床上卷制成两个螺旋形的流道，利用中心处的隔板分隔成冷、热两流道，并进行传热。它由螺旋体、隔板、端盖和接管法兰等零件组成。螺旋形通道能使流体在低流速状态实现喘流，提高传热效率；流体单通道流动，流速较大，冲刷壁面不易沉积污垢；温差应力小，适合两介质温差较大的场合；但螺旋板厚度小，承压能力较差，螺旋通道内部泄漏，维修困难。适合用于高粘度流体或是含有固体颗粒的悬浮液的换热。螺旋板式热交换器 螺旋板式热交换器工作原理螺旋板式热交换器工作原理卷制螺旋板封焊螺旋板通道2、板式热交换器 板
9、式热交换器由一系列互相平行、表面具有波纹的薄金属板相叠而成。比螺旋板式热交换器更为紧凑，传热性能更好。主要由传热板片、密封垫圈和压紧装置以及其他零部件组成，我国已建立了GB16409板式热交换器国家标准。传热板片通常制成凹凸形波纹以强化传热、提高刚性。它有人字形、水平平直波纹形、锯齿形、麟甲波纹形等。板片四周设有密封槽，依靠密封垫圈和压紧装置阻止流体的泄漏。小型板式热交换器采用螺栓螺母压紧。受到传热和密封条件的限制，用于低压（2Mpa）、低温（180）、清洁流体传热场合。板式热交换器板式热交换器工作原理板式热交换器工作原理传热板片板式热交换器结构1-压紧螺杆；2、4-固定板垫片；3-固定端板；
10、5-六角螺母；6-小垫圈；7-传热板片；8-定位螺杆；9-中间垫片；10-活动端板垫片；11-定位螺母；12-换向板片；13-活动端板3、板翅式热交换器 板翅式热交换器由上下两块平行的金属隔板、中间波纹状翅片和两侧的密封封条组成单元体，再由单元体适当排列组合，并用钎焊焊牢，组成板束，把若干个板束组装在一起，便构成逆流、错流、错逆流的板翅式热交换器。冷热流体分别流过间隔排列的冷热流层而实现热量交换。板翅式热交换器其传热面积达管壳式热交换器的十几倍甚至几十倍。具有体积小、质量轻、效率高和适应温度范围广等优点，特别适用于低温或超低温场合。其缺点是结构复杂、造价高、易堵塞、不易清洗和难以检修等等。板翅
11、式热交换器结构原理 a-光直翅片；b-锯齿翅片；c-多孔翅片翅片类型4、板壳式热交换器 板壳式热交换器由板束和壳体组成，介于管壳式和板式热交换器之间。其中板束是由间距相等金属板条压制组合并缝焊而成，板束截面流道呈扁平状。与管壳式热交换器相比结构更加紧凑，传热面积大，流体阻力小，传热效率高；与板式热交换器相比不存在周边密封问题，提高了耐温和耐压能力。但由于板束节点全靠焊接，故板壳式热交换器焊接质量要求高，通常应用于加热、冷却、冷凝、蒸发等各种过程。1、套管式热交换器 套管式热交换器是通过内外管互相套合形成环隙，环隙和内管介质进行逆流传热。外管采用接管法兰连接，内管两端用U形弯管连接。优点是结构简
12、单，易于调整传热面积，适用于高温高压、易生污垢小流量流体。缺点是紧凑性差，流动阻力大，传热损耗大，U弯管连接处易泄漏。三、其它类型热交换器三、其它类型热交换器套管式热交换器1-内管；2-外管；3-U型弯管套管式热交换器工作原理套管式热交换器工作原理2、蛇管式热交换器 蛇管热交换器通常是将换热管弯成圆盘形、螺旋形和蛇形，可分为沉浸式和喷淋式沉。浸式热交换器是将蛇管沉浸在容器液体介质中，两种流体分别在蛇管内外进行换热。通常用作反应器传热和高压流体冷却。其结构简单，操作维修方便，管子可承受高压。但传热效率低，传热面积大，导致设备笨重。蛇管的形状 沉浸式 喷淋式热交换器是将蛇管成排固定在钢架上，将冷却
13、水从管排上方均匀喷洒在蛇管外表面。与沉浸式热交换器相比，管外流体流速大，传热效率高，检修清洗方便。但占地较大，冷却水用量大，有时喷淋效果不够理想。喷淋式 热交换器1-蛇管；2-冷却水泵；3-过滤器喷淋式热交换器工作原理喷淋式热交换器工作原理 3、高效新型热交换器（1）扩展表面强化式热交换器通过改变传热元件表面的形状和性质，强化传热。如在换热管表面加工各种形式的槽、在换热管内部和外部增加翅片等。（2）螺旋折流板式热交换器折流板布置成近似的螺旋面,使热交换器中的壳程流体呈连续的螺旋状流动,从而有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热。翅片管式热交换器工作原理翅片管式热交换器工作原理（一）管箱（一）管箱
14、壳体直径较大的热交换器大多采用管箱结构。管箱位于热交换器的两端，作用是将管道输送来的流体均匀分布到各换热管，同时将换热管内流体汇集并送出热交换器。管箱有单程和多程两种结构，多程结构靠分程隔板分隔开，用于管束数量较多的情况。管束数量增多有利于提高传热面积，但却导致管内流体流速降低，对传热不利，故可采用多程管箱，将管束分成若干程数，使流体依次通过各程管子。第二节第二节 管壳式热交换器的主要部件及其结构管壳式热交换器的主要部件及其结构单程 多程管箱结构单管程热交换器单管程热交换器双管程热交换器双管程热交换器四管程热交换器四管程热交换器（二）管束（二）管束1、换热管是热交换器的传热元件 常选用碳素、低
15、合金钢钢管，中温、高温选用耐热钢管；腐蚀性大的介质选用不锈钢管，高温、高腐蚀性但机械强度要求不高时可用石墨、聚四氟乙烯塑料管。小管径结构紧凑，可增大单位体积的传热面积，但流体阻力增加，管内清洗不便，容易结垢堵塞，故用于较清洁的流体；管内流体黏度、颗粒较大采用大直径管子。换热管在管板上的排列形式有等边三角形、正方形和同心圆形。三角形排列，传热结构紧凑、适用于壳程介质清洁、无需机械清洗的场合；壳程需要进行机械清理可采用正方形排列；同心圆排列用于直径较小的热交换器。其中三角形排列应用广泛。正三角形 同心圆 正方形换热管排列形式2、管板 管板的主要作用是固定和排布换热管，连接壳体和管箱，形成管程和壳程
16、的分隔空间。一般采用压力容器用碳素钢板、低合金钢板、复合钢板或锻件制造。固定管板式热交换器的管板为兼作法兰，管板除了在中央根据换热管的排列方式排布若干换热管管孔外，边缘还需分布与壳体或管箱法兰相连螺栓孔。U形管式和填料函式热交换器的管板不兼作法兰。兼作法兰的管板 不兼作法兰的管板 管板钻孔 管板厚度大对承载是有利的，但投资会增加，同时，换热管和管板连接处的热应力和边缘应力也大大增加。椭圆形管板与壳体焊在一起，受力比平板结构好得多，所以厚度很薄。适用于高压、大直径热交换器。3、折流板 用于提高壳程流体的流速，增加其湍动程度，改善传热。卧式热交换器折流板对管束起支撑作用。有弓形和圆盘-圆环形两种。
17、弓形、圆盘-圆环形折流板安放形式和流动状况 弓形折流板流体死区少，结构简单，安装方便，应用较普遍；圆盘-圆环形结构复杂，清洗困难，仅用于介质压力较高和不易结垢的场合。弓形折流板有单弓形、双弓形、三弓形三种形式。其中单弓形折流板使用最多，但在大直径的热交换器中，流体绕到折流板的背后，会形成滞留，影响传热。为了消除这一滞留死区，宜采用双弓形和三弓形折流板。在折流板之间的流速相同时，由于流体分成两股流动，其间距只是单弓形的一半，不仅减少了死区，还有利于防止流体诱发的振动。弓形 圆盘-圆环形弓形折流板流体流动弓形折流板流体流动 圆盘圆环形折流板流体流动圆盘圆环形折流板流体流动 卧式热交换器为了检修时能
18、完全排除热交换器壳体内的剩余液体，折流板下部开有小缺口，立式热交换器则不必开此缺口。折流板必须与壳体内保持合适间隙，间隙过小，制造安装困难；间隙过大，造成流体短路，影响传热。折流板缺口布置 折流板是通过拉杆和定距管固定的。拉杆是一根两端带有螺纹的圆棒，定距管是换热管按一定间距加工而成。拉杆一端拧入管板，依次套入定距管、折流板，定距管可确保折流板间固定的间距，最后一块折流板用螺母锁紧。为了防止螺纹松动，常常点焊固定。热交换器穿管（三）其他结构（三）其他结构1、管子与管板的连接胀接胀接利用胀管器伸入管子端部，使管子端部产生塑性变形，直径增大，管板产生弹性变形。胀管器退出后，管板弹性变形回复，而管子
19、塑性变形却不能回复，管子管板间产生挤压应力而牢牢贴紧，从而达到管子管板连接的目的。焊接焊接通过多层多道焊实现密封性和连接强度。胀焊并用胀焊并用结合了胀接和焊接的优点，既可靠又不存在间隙腐蚀，用于密封要求高，承受腐蚀、疲劳等重要场合。管子管板连接前 胀接 焊接 胀焊并用 管子与管板连接管口焊接胀管操作2、防冲结构 壳程进口处的管束经常受到高流速介质的冲刷，容易产生侵蚀和振动，所以为了保护管束常将壳程接管的入口处加以扩大，把接管作成喇叭形，减小流体速度，起缓冲作用，或在壳体进口处设置防冲挡板和导流筒。防冲结构【本章小结】【本章小结】1热交换器有混合式、蓄热式和间壁式三种形式。间壁式热交换器可分为管
20、式热交换器和板面式热交换器。2板面式热交换器主要型式有板面式、螺旋板式、板翅式、板壳式和伞板式，是一种新型、高效间壁式热交换器。3管式热交换器有管壳式、套管式、蛇管式三种形式，管壳式热交换器又称列管式热交换器。有固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式和釜式等结构。简单坚固、操作弹性大、材料范围广，目前应用广泛。4管壳式热交换器主要由管箱、管束和外壳体三三部件组成。其中管箱由短筒体、封头、接管、法兰等零件组成；管束由换热管、管板、折流板、拉杆、定距管等零件组成；换热管与管板固定常采用胀接、焊接和胀焊并用的连接方法。5固定管板式热交换器存在温差应力，可通过设置膨胀节或采用浮头式、填料函式和U型管式等结构型式补偿。本课件中部分图片和动画本课件中部分图片和动画素材采集自北京东方仿真控制素材采集自北京东方仿真控制技术有限公司，特此致谢！技术有限公司，特此致谢！
