換熱器文獻綜述

1、淺談?chuàng)Q熱器摘 要： 文章對換熱器進行了簡單的分類，對部分換熱器特點作了講解，簡單的介紹了換熱器的發(fā)展過程，并論述了我國換熱器的發(fā)展及前景。關(guān)鍵詞： 換熱器；分類；發(fā)展前言：換熱器又稱熱交換器是一種將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，也是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。換熱器既可是一種單獨的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。換熱器的發(fā)展已經(jīng)有近百年的歷史，被廣泛應用在石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供熱、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。進入80 年代以來，由于制造技術(shù)、 材料科學技術(shù)的不斷進步和傳熱理論研究的

2、不斷完善， 有關(guān)換熱器的節(jié)能設(shè)計和應用越來越引起關(guān)注。按照用途來分：預熱器（或加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。按照制造熱交換器的材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 按照溫度狀況來分： 溫度工況穩(wěn)定的熱交換器， 熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時間而變； 溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器， 傳熱面上的熱流和溫度都隨時間改變。按照熱流體與冷流體的流動方向來分：順流式、逆流式、錯流式、混流式。按照傳送熱量的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類。其中間壁式換熱器的冷、 熱流體被固體間壁隔開， 并通過間壁進行熱量交換的換熱器， 因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣。1 換熱

3、器分類及其特點換熱器的用途很廣泛，可用于各種不同的換熱過程，例如：加熱、冷卻、冷凝和 蒸發(fā)等。而換熱器可做如下分類：按設(shè)備結(jié)構(gòu)來分： 有板片式換熱器和管殼式換熱器兩大類。 板片式換熱器是由板片和密封墊片組合而成，通常有波紋平板式、板翅式、螺旋板式和板克式。管殼式換熱器是由管子、殼體及管板組成的設(shè)備，通常有固定管板式、浮頭式、 U 型管式和填料函式。按用途來分：預熱器（或者加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。按制造材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按溫度狀況來分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時間而改變； 溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器， 傳熱面上的

4、熱流和溫度都隨時間改變。按熱流體與冷流體的流動方向來分：順流式、逆流式、錯流式、混流式。按傳送熱量的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式三大類。管殼式換熱器管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，結(jié)構(gòu)一般由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。目前，國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍占主導地位，雖然它在換熱效率、 結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面不如其它新型換熱設(shè)備， 但它具有結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性大，適應性強，可靠程度高，選材范圍廣，處理能力大，能承受高溫高壓等特點， 所以在工程中仍得到廣泛應用。 以下是幾種常見的管殼式強化換熱

5、器。螺旋槽管換熱器，橫紋管換熱器，螺旋扁管換熱器，螺旋扭曲管換熱器，波紋管 換熱器， 內(nèi)翅片管換熱器縮放管換熱器， 波節(jié)管管殼式換熱器， 三維內(nèi)肋管換熱器管，內(nèi)插入物換熱器。固定管板式換熱器固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡單。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設(shè)置有管束， 管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上， 兩端管板直接和殼體焊接在一起， 殼程的進出口管直接焊在殼體上， 管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固， 管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。 這種換熱器管程可以用隔板

6、分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器的特點：1、旁路滲流較?。?、鍛件使用較少，造價低； 3、無內(nèi)漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%固定管板式換熱器的缺點是，1、殼體和管壁的溫差較大， 殼體和管子壁溫差t<50, 當 t>50 時必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)； 2、易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應力而損壞；3、殼程無法機械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低；5、不適用于殼程易結(jié)垢場合，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤 圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)

7、凹型 或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為 圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽， 且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通， 而不 與凹型槽相連通。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束 連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。斧頭式換熱器的特點：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間， 另一端 管板可以在殼體內(nèi)自由移動，這個特點在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱 膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，造價高（比

8、固定管板高20% ,在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于 殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。曜景山翼板天體內(nèi)熱釐 抗海橇U型管式換熱器U型管式換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束 等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩 端均固定于同一管板上。此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應力， 熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強； 管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲

9、半徑不能太小， 在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路 而影響殼程換熱。止匕外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介 質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。板式換熱器板式換熱器不同于一般傳熱面用管做的管式換熱器。板式換熱器是以金屬波 紋板為傳熱元件的新型高效換熱器。由于板片組裝后形成特殊流體通道，在較低雷諾 數(shù)下可以產(chǎn)生湍流，并且不易結(jié)垢，板片材料選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板，鈦板等材質(zhì)，傳熱 系數(shù)高，相鄰板片波紋波峰相互支撐，形成網(wǎng)狀觸電，提高了板片的剛性，

10、可以承受 較大的壓差，保證了使用的安全可靠。波紋平板式換熱器波紋平板式換熱器是由一組長方形或其它幾何形狀的傳熱板片、密封墊片以 及緊固裝置組成。由于板片間流道宰，板片表面的凹凸波形使物料流動時有擾動作用， 因而具有高的傳熱效率。該換熱器密封周邊長，使用中需要經(jīng)常拆卸和清洗，密封泄 漏可能性大；由于密封墊圈大多用非金屬材料制作， 因而使用溫度和使用壓力均受到 限制。板殼式換熱器在 20 世紀 30 年代， 板翅式換熱器首先在先進國家用于發(fā)動機的散熱， 它的板束單元結(jié)構(gòu)由翅片、隔板和封條三部分組成。它具有擴展的二次傳熱表面（翅片），所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面 （隔板） 上進行， 而且同時也在

11、二次傳熱表面上進行， 我國從 20 世紀 60 年代初期開始試制板翅式換熱器， 首先用于空分制氧， 制成了第一套板翅式空分設(shè)備。近幾年來，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)計、科研方面都有較大發(fā)展。板翅式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強度高等特點，被認為是最有發(fā)展前途的新型換熱器設(shè)備之一。板殼式換熱器是由板束和殼體兩部分組成。板束的截面一半是多邊形，它介于板式換熱器和管殼式換熱器之間。它是目前應用最廣泛的一種換熱設(shè)備。具特點是 適應性強、能精確滿足工藝對各種換熱面積的要求、可用材料范圍寬、處理能力大、 能應用于高溫以及高壓力的工況、易于制造和生產(chǎn)成本低。它的不足是傳熱效率、結(jié) 構(gòu)緊湊和單位換熱

12、面積所需金屬消耗量比板式換熱器高。2 換熱器的發(fā)展過程在我國換熱器的制造技術(shù)遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)， 而且傳熱面積小、 體積大和笨重， 如蛇管式換熱器等。 隨著制造工藝的發(fā)展， 逐步形成一種管殼式換熱器， 它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。在國外二十世紀20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。 接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機

13、的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。 在此期間， 為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題， 人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器， 再加上沖壓、 釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展， 換熱器制造工藝得到進一步完善， 從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。 此外， 自60 年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展， 這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破， 而且采用新穎的理念，增加強化傳熱。 70 年代中期，為了進一步減小換熱器的體積

14、，減輕重量和金屬消耗， 減少換熱器消耗的功率， 并使換熱器能夠在較低溫差下工作， 人們更是采用各種科學的辦法來增強換熱器內(nèi)的傳熱。3 總結(jié)隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。 換熱器的設(shè)計、制造、 結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理的研究十分 活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同， 換熱器的類型也多種多樣， 不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點， 性能各異。 在換熱器設(shè)計中， 首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型， 然后計算換熱所需傳熱面積， 并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大

15、，這主要是因為煤油的出口溫度增高， 總的傳熱溫差下降， 所以換熱面積要增大， 才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大 .通過這個設(shè)計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設(shè)計參數(shù)的選擇十分重要在管殼式換熱器設(shè)計過程中， 設(shè)計者應當充分了解且熟悉各相關(guān)技術(shù)規(guī)范及計算公式， 在對客戶要求充分理解的基礎(chǔ)上， 參考其它成功的設(shè)計案例中的設(shè)計方式及相關(guān)資料，使設(shè)計出的產(chǎn)品達到安全、經(jīng)濟、可靠，做到設(shè)備長周期安全運行。參考文獻：1 1 朱有庭，曲文海，于浦義主編 . 化工設(shè)備設(shè)計手冊（上、下卷） . 北京：化學工藝出版社， ISBN 7-5025-6253-22 董其伍 , 劉敏珊 , 蘇立建 . 管殼式換熱器研究進展J. 內(nèi)蒙古石油化工.20063 馮國紅，曹艷芝, 郝紅 . 管殼式換熱器的研究進展J. 化工技術(shù)與開發(fā) .20094 張垚 . 高效的換熱