換熱器
一、夾套式換熱器
如圖所示，為一夾套式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，即在反應(yīng)器(或容和的外部筒體部分焊接或安裝一夾套層，在夾套與器壁之間形成密閉的空間，成為一種流體的通道。
夾套式換熱器主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。當(dāng)蒸氣進(jìn)行加熱時(shí)，蒸氣由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管排出。如用冷卻水進(jìn)行冷卻時(shí)，則由夾套下部接管進(jìn)入，而由上部接管流出。由于夾套內(nèi)部清洗比較困難，故一般用不易產(chǎn)生垢層的水蒸氣、冷卻水等作為載熱體。
這種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受到容器冷凝液的限制，因此適用于傳熱量不大的場(chǎng)合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使容器內(nèi)液體作強(qiáng)制對(duì)流。為了彌補(bǔ)傳熱面積的不足，還可在容器內(nèi)加設(shè)蛇管等。當(dāng)夾套內(nèi)通冷卻水時(shí)，可在夾套內(nèi)加設(shè)擋板，這樣既可使冷卻水流向一定，又可使流速增大，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。
二、蛇管式換熱器
1.沉浸式蛇管換熱器
如圖所示，為一沉浸式蛇管換熱器。蛇管多以金屬管彎繞成窗口器的形狀，沉浸在容器中的液體內(nèi)。兩種流體分別在管內(nèi)、外流動(dòng)進(jìn)行熱交換。
沉浸式蛇管換熱器
這種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐，能承受高壓。其主要缺點(diǎn)是管外對(duì)流傳熱系數(shù)較小，因而傳熱系數(shù)K值也較小如在容器內(nèi)加設(shè)攪拌器，則可提高傳熱系數(shù)。
2.噴淋式蛇管換熱器
噴淋式蛇管換熱器
如圖所示，它是用水作為噴淋冷卻劑，以冷卻管內(nèi)的熱流體，故常稱為水冷器。冷卻水從上面的水槽(或分布管)中淋下，沿蛇管表面下流，與管內(nèi)的熱流體進(jìn)行熱交換。這種設(shè)備通常放置在室外空氣流通處，冷卻水在外部汽化時(shí)，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。它與沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修、清洗和傳熱效果較好等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是占地較大，噴淋不易均勻，耗水量大。
三、套管式換熱器
如圖所示，為一套管式換熱器。這種換熱器是由兩種不同直徑的管子裝成同心套管，每一段直出口-管稱為一程，程數(shù)根據(jù)換熱任務(wù)和要求確定。每程的有效長(zhǎng)度為4～6m，內(nèi)管直徑在38～89mm范圍內(nèi)選取，外管直徑在60～114mm范圍內(nèi)選取，一般均選標(biāo)準(zhǔn)管。
套管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要易于增減，恰當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)管和外管的直徑，可使流體流速增大，且呈浦流狀態(tài)，故一般具有較高的傳熱系數(shù)，同時(shí)也可減少垢層的形成，兩種流體可始終保持逆流流動(dòng)，傳熱效果較好。其缺點(diǎn)是單位傳熱面積的金屬消耗量大，占地較大。故一般適用于流量不大、所需傳熱面積較小及高壓的場(chǎng)合。
四、列管式換熱器
列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是目前石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用^廣泛的一種換熱器。它與其它換熱器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，處理能力大，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中應(yīng)用更為普遍。
1.列管換熱器的結(jié)構(gòu)
列管換熱器主要由殼體、管束(換熱管)、管板(又稱花板)、頂蓋(又稱封頭)和連接管等部件組成。
殼體內(nèi)裝有管束，管束是由許多無(wú)縫鋼管兩端固定在管板上組成的，固定的方法可用脹接法，也可用焊接法。
一種流體通過管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程，另一種流體在殼體與管束間的空隙流動(dòng)，其行程稱為殼程。
流體一次通過管程的稱為單管程列管換熱器。當(dāng)換熱器的傳熱面積較大時(shí)，管子數(shù)目較多，為提高管程的流體流速，常將管子平均分成若干組，使流體在管內(nèi)依次往返多次通過，稱為多管程。
增加管程數(shù)雖然可以提高流速使對(duì)流傳熱系數(shù)增大，但隨著管程數(shù)增加，流體流動(dòng)阻力增大，動(dòng)力費(fèi)用增加，結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜，故管程數(shù)不宜過多，通常多為2、4、6程。
同樣，為提高殼程的流體流速，增大殼程側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。當(dāng)常在殼程安裝折流擋板，以常見的折流擋板有圓缺形(或稱弓形)和圓盤形兩種，前者應(yīng)用較為廣泛。
圓缺形折流擋板
圓盤形折流擋板
2.列管式換熱器的基本型式
列管式換熱器操作時(shí)，由于冷、熱兩流體溫度不同，使殼體和管束的溫度也不同，其膨脹程度就不同。如果兩流體的溫度相差較大(如50℃以上)時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲和斷裂、或管子從管板上松脫，因此就必須從結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施，以消除或減小熱應(yīng)力。根據(jù)采取熱補(bǔ)償?shù)拇胧┎煌?，列管式換熱器常有以下三種基本形式。
(1)固定管板式換熱器
如圖所示，為具有補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))的固定管板式列管換熱器，當(dāng)殼體與管束間有溫差時(shí)，依靠補(bǔ)償圈的彈性變形，來適應(yīng)殼體與管束間的不同熱膨脹。這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)一般適用于殼體與管束間的溫度差低于50℃，殼程壓力小于6kgf/cm2的情況。這種換熱器具有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)是因管束不能抽出而使殼程清洗困難，因此要求殼程的流體應(yīng)是較清潔且不易結(jié)垢的物料。
(2)浮頭式換熱器
如圖所示，為一浮頭式換熱器，兩端管板中有一端不與殼體固定相連，該端稱為浮頭。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭就可在殼體內(nèi)自由伸縮，而與殼體無(wú)關(guān)，從而解決熱補(bǔ)償問題。另外，由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修，所以浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬消耗量多，造價(jià)較高。
(3)U形管式換熱器
如圖所示，為一U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端均固定在同一管板上，因此管子可以自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。這種型式換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，重量輕，適用于高溫和高壓的情況。其主要缺點(diǎn)是管程清洗比較困難，且因管子有一定彎曲半徑，管板利用率較低，管程不易清洗，因此管程流體必須清潔。
上述三種型式的列管式換熱器，我國(guó)已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)格和系列標(biāo)準(zhǔn)課本P298-303。
五、其它類型換熱器
除了上述幾種在煉油及石油化工生產(chǎn)中普通應(yīng)用的換熱器外，還有其它類型的換熱器。目前應(yīng)用雖然不太普遍，但由于這些換熱器具有設(shè)備緊湊句單位體積傳熱面積大、金屬材料耗量少及傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍正日益擴(kuò)大。下面簡(jiǎn)單介紹幾種。
1.翅片式換熱器
為了增加傳熱面，提高傳熱效果，在換熱管表面上加上縱向(軸向)或橫向(徑向)翅片，稱為翅片換熱器，常見的幾種翅片形式如圖5-36所示
當(dāng)相互換熱的兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，如用水蒸氣加熱空氣或粘性大的液體，用空氣冷卻熱的液體時(shí)，則空氣或粘性大的液體一側(cè)的熱阻為控制性熱阻。此時(shí)，如在換熱管的氣體或粘性大的液體一側(cè)增設(shè)翅片，既可增大了氣體一側(cè)的對(duì)流傳熱面積(翅片的面積為光滑管面積的2～9倍)，又可增強(qiáng)氣體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，從而提高了換熱器的傳熱效果。一般來說，當(dāng)兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比等于或大于3時(shí)，為強(qiáng)化傳熱，宜采用翅片式換熱器。
翅片的種類很多，按其高度可分為高翅片和低翅片兩種。高翅片適用于冷、熱流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差大的場(chǎng)合，如氣體的加熱或冷卻。低翅片多為螺紋管，適用于冷、熱流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差不太大的場(chǎng)合，如粘度較大流體的加熱或冷卻等。
目前，在煉油和石油化工中，翅片式換熱器較為重要的應(yīng)用是空氣冷卻器(簡(jiǎn)稱空冷器)，由翅片管束、風(fēng)機(jī)和支架組成。熱流體進(jìn)入各管束中，經(jīng)冷卻后匯集于排出管排出。冷空氣由軸流式通風(fēng)機(jī)吹過管束，通風(fēng)機(jī)裝在管束下方稱為強(qiáng)制式空冷器；通風(fēng)機(jī)裝在管束上方稱為引風(fēng)式空冷器。
由于管外增設(shè)了翅片，這樣既增大了傳熱面積，同時(shí)又增強(qiáng)了管外空氣的端流程度，因而就減少了管子內(nèi)、外對(duì)流傳熱系數(shù)過于懸殊的影響，從而提高了換熱器的傳熱效果。
空冷器的優(yōu)點(diǎn)是不用冷卻水，動(dòng)力消耗較水冷低。
主要缺點(diǎn)是：熱介質(zhì)入口溫度較低(例如＜70-80℃)用空冷溫差太小；介質(zhì)凝點(diǎn)太高(例如高于5℃)，用空冷時(shí)可能在局部地方易于造成管子堵塞；介質(zhì)出口溫度要求較低，用空冷在夏季難于滿足要求。
2.螺旋板式換熱器
螺旋板式換熱器是一種新型換熱器，是由兩張平行的薄鋼板焊接在一塊分隔板(中心隔板)上，并卷制成一對(duì)互相隔開的螺旋形流道。兩板之間焊有定距柱以維持流道的問距，同時(shí)也增強(qiáng)螺旋板的剛度。螺旋板的兩端焊有蓋板，兩端面及螺旋板上設(shè)有冷、熱流體進(jìn)、出口接管。冷、熱流體分別在兩個(gè)螺旋形流道中流動(dòng)，通過螺旋板進(jìn)行熱量交換。如圖所示。
螺旋板式熱交換器
1、2-金屬片 3-隔板 4、5-冷流體連接管 6、7熱流體連接管
螺旋板式換熱器的直徑一般在1.6m以內(nèi)，板寬為200～1200mm，極厚為2～4mm，兩板間距為5～25mm。常用材料為碳鋼或不銹鋼。螺旋板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積所提供的傳熱面積大(約為列管式換熱器的三倍)；流體允許有較高的流速(液體可達(dá)2m/s，氣體可達(dá)20m/s)，湍流程度大，傳熱系數(shù)較大(約為列管換熱器的1～2倍)；可實(shí)現(xiàn)純逆流操作；不易結(jié)垢，不易堵塞。其主要缺點(diǎn)是操作壓力和溫度不宜太高，流體流動(dòng)阻力較大，不易檢修，且對(duì)焊接質(zhì)量要求很高。故一般操作壓力低于2Okgf/cm2，溫度在300～400℃以下。
3.板式換熱器
板式換熱器是由一組矩形金屬薄板平行排列、相鄰板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。板片四角開有圓孔，形成流體通道，冷、熱流體分別在同一板片兩側(cè)流過，通過板片進(jìn)行換熱。為其組裝流。板片厚度為0.5～3mm，通常壓制成各種波紋形狀。
流體流向示意圖 水平波紋板
板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大，約為250～1000m2/m3，而列管式換熱器只有40～150m2/m3；傳熱系數(shù)高，對(duì)低粘度液體傳熱，傳熱系數(shù)可達(dá)1500～4700W/(m2.℃)，^高可達(dá)7000W/(m2.℃)，操作靈活，適應(yīng)性大，可以根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)整傳熱面積，加工制造容易、檢修清洗方便、熱損失少。其主要缺點(diǎn)是:因受到板片剛度、墊片種類及溝槽結(jié)構(gòu)的限制，允許的操作壓力較低；因受墊片材質(zhì)的限制，操作溫度不能太高，對(duì)合成橡膠墊片，操作溫度不超過130℃，對(duì)壓縮石棉墊片也應(yīng)低于250℃；因板間距小，流道截面小，流速不能過大，所以處理量較小，不易密封，易泄漏，易于堵塞。
4.熱管換熱器
熱管換熱器是一種新型、高效、節(jié)能換熱器，廣泛使用于航天航空業(yè)，并逐步用于加熱爐對(duì)流室煙氣余熱回收中。它是由數(shù)根熱管組成的。熱管外部裝有翅片以提高傳熱效果。熱管管束中間裝有隔板，冷、熱流體分別在隔板的兩側(cè)流動(dòng)，通過熱管進(jìn)行熱量傳遞。
其工作原理為:當(dāng)熱管的兩端分別被加熱(與熱流體接觸)和冷卻(與冷流體接觸)時(shí)，被加熱的一端(稱為蒸發(fā)段)管中的液體吸熱蒸發(fā)成為蒸氣，蒸氣沿管中心通道向另一端(稱為冷凝段)并在此冷凝放出熱量，由于多孔管芯毛細(xì)作用，冷凝下來的液體又會(huì)自動(dòng)地沿管芯流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，通過工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝，將熱量由熱流體傳遞至冷流體。熱管換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理
1-管殼 2-管芯 3-凝液流 4-蒸氣流 5-隔板
