换热器
机电工程技术学院 过程
091班 盖伟
随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。有气体-气体交换，气体-液体交换，液体-液体交换这几种。就是一种介质热能降低，另一种介质热能增多，达到热平衡，符合Q（吸） =Q（放）的热平衡公式。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多 换热器简介及分类
换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。
换热器的种类很多，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更大的发挥换热器的传递热量的作用。现在由于人们追求换热器重量轻、占地面积少、使用经济性高，从而推动了紧凑式换热表面的发展，所以紧凑式换热器在实际应用中种类很多。管壳式的换热器在过程工业中的应用很广泛。除了工业中用到的主要换热器种类，如紧凑式换热器、管壳式换热器、再生器和板式换热器外，还有其他特殊的换热器，如双套管、热管、螺旋式、板壳式、夹套式等。
换热器根据传递过程分为：间接接触式——直接传递式、蓄热式、流化床等。 直接接触式——冷却塔。 根据流动形式分为：并流、逆流、错流。
根据分成情况分类：单程换热器、多程换热器、
根据流体的相态分类：气-液换热器、液-液换热器、气-气换热器。 根据传热机理分类：冷凝器、蒸发器 1.2常见换热器原理及特点
各种换热器的作用、工作原理、结构以及其中工作的流体种类、数量等差别很大，因此几种常见换热器的构造和原理如下： ■ 板式换热器的构造原理、特点：
板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不会串漏。 ■螺旋板式换热器的构造原理、特点：
螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按 结构形式可分为 不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式及可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋 板式换热器。 ■ 列管式换热器的构造原理、特点： 列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。 ■ 管壳式换热器的构造原理、特点：
管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。 ■ 容积式换热器的构造原理、特点：
自动控温节能型容积式热交换器，它充分利用蒸汽能源、高效、节能，是一种新型热水器。普通热水器一般需要配置水水热交换器来降低蒸汽凝结水温度以便回用。而节能型热交换器凝结水出水温度在45℃左右，或直接回锅炉房重复使用。这样减少了设备投资，节约热交换器机房面积，从而降低基建造价，因此节能型容积式热交换器深受广大设计、用户单位欢迎。
钢衬铜热交换器比不锈钢热交换器经济，并且技术上有保证。它利用了钢的强度和铜的耐腐蚀性，即保证热交换器能承受一定工作压力，又使热交换器出水质量好。钢壳内衬铜的厚度一般为1.0mm。钢衬铜热交换器必须防止在罐内形成部分真空，因此产品出厂时均设有防真空阀。此阀除非定期检修是绝对不能取消的。部分真空的形成原因可能是排出不当，低水位时从热交换器，或者排水系统不良。水锤或突然的压力降也是造成压负的原因。 ■ 浮头式换热器的构造原理、特点：
浮头式换热器其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。
■ 管式换热器的构造原理、特点：
DLG型列管式换热器利用热传导和热辐射的原理，烟道气通过管程与逆流通过壳程的空气进行能量交换，从而达到输出洁净热空气的目的。该换热器结构紧凑，运行可靠，列管采用耐高温的薄壁波纹管，增加发传热面积和换热效率。广泛应用于化工、制药、轻工等行业废气余热利用和空气加热。 ■热管换热器的构造原理、特点：
热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。
热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成，随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。
■ 汽水换热器的构造原理、特点：
该换热器是在板式换热器的基础上加装降温与降压器而组成的，利用调节器对高蒸汽或高温水进行一级换热使之降之150℃以下。进入板式换热器进行换热，适用于高温蒸汽及高温水(150℃以上)。这种装置集板式换热器同时具有降温与降压器的优点。使换热器更加充分地进行热量交换。
■ 空气换热器的构造原理、特点：
加热炉窑为了降低能耗，在烟道中设置空气换热器，以回收烟气中的大量余热，达到节约燃料、降低生产成本，提高燃烧温度、增加炉子的产量。空气换热器是余热利用的理想设备，在轧钢加热炉、热处理炉、煅造加热炉等各种工业炉窑上得到广泛应用。炉用空气换热器的种类很多， 目前国内外绝大多数采用的是金属换热器，空气换热器是利用炉窑排出的尾气热量将空气预热至一定的温度后返回炉内助燃或用于其它设备。金属换热器具有体积小、热交换效率高、严密性好、结构简单等特点。 ■ 波纹管换热器的构造原理、特点：
产品特点一种新型的强化传热节能型高效换热设备，在传统列管式换热器的基础上，采用强化传热技术，是对传统各类换热器的重大突破。公称通径DN325～2000mm；公称压力P0.6～.4Mpa；换热管规格Ф19,Ф25,Ф32,Ф42.壁厚0.5～1.0；工作介质水－水、汽－水、油－水、油－油等多种换热介质。总传热系数水－水K＝2000～3500w/㎡；汽－水K＝2500～4000w/㎡；其它介质视介质物理性能及工况而定。优性能传热效率高，防腐能力好，不污、不堵、不易结垢，无需维护，密封可靠，运行平稳，占地少，节省投资。 ■石墨换热器的构造原理、特点：
圆块孔式石墨换热器由柱形不渗透性石墨换热块、石墨上下盖和其间的氟氧橡胶（或柔性石墨）O型圈及金属外壳、压盖等组装而成。是目前较先进、性能较优越的一种石墨换热器。圆柱形石墨换热块有较高的结果强度，并易与解决密封问题；在密封中采用氟橡胶（或柔性石墨）O型圈密封介质，加装压力弹簧作为热胀冷缩的自动补偿，以起到密封保持作用；采用短通道提高紊流程度使设备结构度高、耐温耐压性能强、抗热冲击性能好、体积利用率高、传热效果好并便于装拆检修。设备纵向孔走腐蚀性介质，横向孔走非腐蚀性介质。
间壁式换热器的类型包括板式换热器，夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，管壳式换热器。
板式换热器是一种结构紧凑，组装方便，占地面积小，传热系数的热交换设备。当雷诺数为200时，就能达到湍流状态，热系数可达4000-7000W/M2℃，是同等流速的管壳式换热器的3至5倍。设计上是软硬结合的热混合的设计技术，不同的波纹面的孪生软硬板，根据不同的要求，可以组合不同的阻力的流道，从而使传热达到最优化，可实现其经济合理化。其最大的缺点由于组合件是有橡胶密封，承压有极限，不能应用相高压的环境中。由于板片之间交叉成网状结构，要求其运行的介质分子的颗粒要有一定的范围，不然很容易堵塞，由于独特的组合形式，泄露时维修极其方便，更换配件简单，所以大多行业用量较大，例如集中供热行业、轻工、石油、化工食品等多个行业。
管壳式换热器是一种设计复杂制造工艺繁琐的换热设备，在压力容器的制造过程中，必须遵守相应的章程和制度，管板的厚度，壳体的厚度都得符合GB6654-1996和GB713-1997的相应标准，不锈钢的标准符合GB/T4237-2007的水平，换热管的设计也要根据腐蚀程度，抗压能力上做严格的选择。其在运行的过程中流体的相对流向一般有顺流和逆流2种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小管式换热器在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。管式换热器当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收汽化热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。管式换热器在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧黏滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的。污垢层，金属壁的热阻相对较小.管式换热器增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。管式换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀 换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。管式换热器按不同方式不同分类1.固定管板式。固定管板式换热器的两端管和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点为结构简单、造价低廉、壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净且不易结垢的物料。2.U形管式 。U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点为结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 3.浮头式。换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点为结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。但就其安装要有一定的空间，占地面积大，使用于寿命较长冶金，焦化等要求热交换率低的场所。
换热器技术的发展前景， 换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。因此,几十年来,高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题,国内外先后推出了一系列新型高效换热器。新型高效换热器简介1 气动喷涂翅片管换热器2 焊接式板式换热器3 螺旋折流板换热器4 新型麻花管换热器Hitan绕丝花环换热器
而在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。
在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。
70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。当今换热器技术的发展以CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。
因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以[3]进一步提升换热效率。
换热器的研究目的
任何一种石油、化工产品，都是人们利用一定的生产技术和按照特定的工艺要求，将原料经过一系列的物理或化学加工处理得到的。在生产实践中，要实现某种化工生产就需要有相应的机器和设备。
石油化学等过程工业的绝大数生产过程都是在化工设备这一特定空间内进行的。化工容器及设备是为生产工艺过程服务的，它必须在规定的工艺条件下，在单位时间内，尽可能利用最少的资源，最小的空间生产最多的产品，而且在经济上也是最为合理的。他们的性能，对整个装置的产品产量、生产能力、消耗定额以及“三废”治理和环境保护等方面都有重大影响。
随着石油化工装置的大型化和高参数化，开发和应用新型、高效、节能的化工设备，对石油化工生产具有非常重大的意义。
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