(一)管式换热器
1.列管式换热器(管壳式换热器)
列管式换热器是化工生产中应用最广泛,最典型的间壁式换热器,主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。管内流动的流体称管程流体。管外流动的流体称壳程流体。管束的壁面为传热面。
优点:单位体积设备所提供的传热面积大,传热效果好,结构简单,操作弹性大,可用多种材料制造,适用性较强,在大型装置中普遍采用。列管式换热器壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板,其作用是提高壳程流体的流速,迫使流体按规定路径多次错流,防止流体短路,增加壳程流体的湍动程度。
折流挡板有圆缺形和圆盘形两种型式。
当冷热流体的温度差大于50℃时,必须考虑温差热应力对设备变形、管子弯曲、甚至毁坏换热器等情况的影响,应采取热补偿措施消除或减少热应力。根据热补偿的方法不同,列管式换热器主要有以下几种型式。
(1)固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,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:结构简单,造价低廉,壳程清洗和检修困难,壳程必须是洁净不易结垢的物料。 具有补偿圈的固定管板式换热器如图所示。
1—挡板 2—补偿圈
图3-18具有补偿圈的固定管板式换热器
(2)U形管式换热器
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: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。
U形管式换热器的结构型式如图所示。
1—U形管 2—壳程挡板 3—管程挡板
图3-19 U形管式换热器
(3)浮头式换热器
换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头。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: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。 浮头式换热器的结构型式如图所示。
图3-20 浮头式换热器
2.套管式换热器
结构:由直径不同的直管制成的同心套管,可根据换热要求,将n段套管用U形管连接,目的增加传热面积。冷热流体可以逆流或并流。
优点:结构简单,应用方便。能耐高压,传热系数较大。传热面积可根据需要增减,能保持完全逆流使对数平均温度差最大。
缺点:结构不紧凑,金属消耗量大,管间接头较多,易泄漏,占地面积较多。 用途:适用于流量不大、所需传热面积不多而要求压强较高的场合。 套管式换热器的型式如图所示。
1—管程隔板 2—壳程隔板 3—浮头
图3-21套管式换热器
3、蛇管式换热器
(1)沉浸式蛇管换热器
结构:蛇管多以金属管弯制而成,或制成适应容器要求的形状,沉浸在容器中,冷热两流体分别在蛇管内、外流动进行热交换。
优点:结构简单,造价低廉、能承受高压,可用耐腐蚀材料制造。 缺点:传热面积小,蛇管外对流传热系数较小,检修和清洗不便。 为了提高传热系数,可在容器内按装搅拌器。蛇管换热器形状如图所示。
图3-22 蛇管的形状
(2)喷淋式换热器
结构:蛇管成行地固定在支架上,热流体在蛇管内流动,冷却水从最上面的淋水管喷淋下来,被冷却的流体自最上面的管子流入,从最下面的管子流出,与喷淋而下的冷却水进行热交换。喷淋流下的冷却水可收集再进行重新分配。
优点:结构简单、造价低廉,能耐高压,便于检修、清洗,传热效果好。 缺点:冷却水喷淋不易均匀影响传热效果。 用途:用于冷却或冷凝管内液体。
图3-23喷淋式换热器
4. 翅片式换热器
当两流体的对流传热系数相差很大时,在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。当用水蒸气加热空气时,此传热过程的热阻主要由空气侧的对流传热热阻决定。故在空气侧加装翅片,增加了传热面积,强化了传热效果。
常见的几种翅片型式如图所示:
特点:管外安装翅片,增加了传热面积,提高了管外流体的湍动,增大了传热效果。 用途:广泛应用于空气冷却器上。 常见的几种翅片形式如图所示。
图3-24常见的几种翅片形式
(二)板式换热器
1.夹套式换热器
结构:夹套安装在容器外部,夹套与器壁之间形成的空间为加热介质和冷却介质的通道。 特点:结构简单,加工方便,传热面积小,传热效率低,广泛用于反应釜的加热和冷却。
1一容器2一夹套 图3-25 夹套式换热器
2.螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是由两张间距一定的平行的薄金属板卷制而成,构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动,两板之间焊有定距柱以维持流道间距,同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器中心设有中心隔板,使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。
优点:结构紧凑,总传热系数较高,不易结垢和堵塞,能利用温度较低的热源。 缺点:操作压强和温度不能太高,螺旋板维修困难,流体阻力较大。 螺旋板式换热器的结构型式如图所示。
图3-26螺旋板式换热器
3.平板式换热器
平板式换热器,主要由一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装在支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片,压紧后板间形成流体通道,且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上各开一个圆孔,其中有一对圆孔和板面上的流通道相通,另外一对圆孔则不相通,它们的位置在相邻的板上是错开的,以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过,通过板片进行换热。板上可被压制成多种形状的波纹,可增加刚性,提高湍动程度,增加传热面积,易于液体的均匀分布。