換熱器類型和結構
看點
01
換熱器的定義
換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，即在一個大的密閉容器內裝上水或其他介質，而在容器內有管道穿過。讓熱水從管道內流過。
由於管道內熱水和容器內冷熱水的溫度差，會形成熱交換，也就是初中物理的熱平衡，高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞，這樣就把管道里水的熱量交換給了容器內的冷水，換熱器又稱熱交換器。
看點
02
換熱器的分類與結構
換熱器按用途分類可以分為：
冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸氣發生器、廢熱(或餘熱)鍋爐。
按換熱方式可以分為：
直接接觸式換熱器（又叫混合式換熱器）、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。
下面主要介紹一下按換熱方式分類的換熱器：
1) 直接接觸式換熱器
直接接觸式交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的汙垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。
故凡允許流體相互混合的場合，都可以採用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生 產部門。
常用的混合式換熱器有：冷卻塔、氣體洗滌塔、噴射式換熱器和混合式冷凝器。
2) 蓄熱式換熱器
蓄熱式換熱器用於進行蓄熱式換熱的設備。內裝固體填充物，用以貯蓄熱量。
一般用耐火磚等砌成火格子（有時用金屬波形帶等）。
換熱分兩個階段進行。
第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。
第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。
這兩個階段交替進行。通常用兩個蓄熱器交替使用，即當熱氣體進入一器時，冷氣體進入另一器。常用於冶金工業，如鍊鋼平爐的蓄熱室。
也用於化學工業，如煤氣爐中的空氣預熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。
3) 間壁式換熱器
此類換熱器中，冷熱倆流體間用一金屬隔開，以便倆種流體不相混合而進行熱量傳遞。
在化工生產中冷熱流體經常不能直接接觸，故而間壁式換熱器是最常用的一種換熱器。
下面主要介紹一下間壁式換熱器的分類：
a) 夾套式換熱器
由容器外壁安裝夾套製成。（如圖所示）
這種換熱器是在容器外壁安裝夾套製成,結構簡單;但其加熱面受容
器壁面限制,傳熱係數也不高.
為提高傳熱係數且使釜內液體受熱均勻,可在釜內安裝攪拌器.
當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時,亦可在夾套中設置螺旋隔板或其它增加湍動的措施,以提高夾套一側的給熱係數.
為補充傳熱面的不足,也可在釜內部安裝蛇管.
夾套式換熱器廣泛用於反應過程的加熱和冷卻。
b) 蛇管式換熱器
蛇管式換熱器又分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管換熱器。
沉浸式蛇管換熱器如圖所示
蛇管多以金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀，並沉浸在容器內的液體中。
其優點是：結構簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料製造。
缺點：容器內液體湍動程度低，管外給熱係數小。
噴淋式蛇管換熱器如圖所示
將換熱管成排地固定在鋼架上。
熱流體在管內流動，冷卻水在裝置上方均勻淋下。
優點：熱流體在管內流動，冷卻水在裝置上方均勻淋下。傳熱係數大，故噴淋式換熱器傳熱效果優於沉浸式蛇管換熱器。
但是期要在露天放置，佔地位置大而且水容易濺到周圍環境，使用起來不方便。
c) 套管式換熱器
（如圖所示）由套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管，並用U形彎頭連接而成。
因為管內管外流體流速較大。 冷、熱流體可以作純逆流，故而其傳熱係數大，傳熱效果好。常用的水伴熱就是一種簡易的套管式換熱器。
d) 管殼式換熱器
管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業上的應用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中佔據主導地位。
管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝有平行管束,管束兩端固定於管板上。
在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。
為提高管外流體給熱係數,通常在殼體內安裝一定數量的橫向折流檔板。
折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種（如下圖所示）,前者應用更為廣泛。
流體在管內每通過管束一次稱為一個管程,每通過殼體一次稱為一個殼程。
為提高管內流體的速度,可在兩端封頭內設置適當隔板,將全部管子平均分隔成若干組。
這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。
同樣,為提高管外流速,可在殼體內安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。
在管殼式換熱器內,由於管內外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大, 換熱器內部將出現很大的熱應力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上鬆脫。
因此,當管束和殼體溫度差超過50℃時,應採取適當 的溫差補償措施,消除或減小熱應力。
補償方法：
在殼體上附有膨脹圈或者採用U形管換熱器和浮頭式換熱器。
固定管板式換熱器
當冷熱流體溫差不大時，可採用固定管板式換熱器。
它結構簡單成本低，但清洗困難，不適用於易結垢的流體和溫差較大的流體。
如果溫差不是很大，可採用帶有補償圈的固定管板式換熱器。
下圖為帶有補償圈的固定管板式換熱器。
浮頭式換熱器
如上圖所示為浮頭式換熱器，它兩端的管板一端可沿軸向自由浮動，從而消除熱應力。
而且整個管束可從殼體中抽出，便於清洗和檢修。
但是結構複雜，造價較高。工業上一般都使用這種換熱器。
U形管換熱器
如上圖為U形管換熱器，U形管換熱器的每根換熱管都彎成U形，進出口分別安裝在同一管板的兩側，封頭以隔板分成兩室。每根管可自由伸縮，與外殼無關。
從而消除熱應力，其結構比浮頭式換熱器簡單。
但管程不易清洗，使用有很大的侷限性只適用於潔淨流體。
e) 板式換熱器
板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板片構成，用框架將板片夾緊組裝於支架上。
兩個相鄰板片的邊緣襯以墊片(各種橡膠或壓縮石棉等製成)壓緊，板片四角有圓孔，形成流體的通道。
板式換熱器和管殼式換熱器的區別：
a.傳熱係數高
由於不同的波紋板相互倒置，構成複雜的流道，使流體在波紋板間流道內呈旋轉三維流動，能在較低的雷諾數（一般Re=50~200）下產生紊流，所以傳熱係數高，一般認為是管殼式的3~5倍。
b.對數平均溫差大，末端溫差小
在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內流動，總體上是錯流流動，對數平均溫差修正係數小，而板式換熱器多是並流或逆流流動方式，其修正係數也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在板式換熱器內的流動平行於換熱面、無旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對水換熱可低於1℃，而管殼式換熱器一般為5℃.
c.佔地面積小
板式換熱器結構緊湊，單位體積內的換熱面積為管殼式的2~5倍，也不像管殼式那樣要預留抽出管束的檢修場所，因此實現同樣的換熱量，板式換熱器佔地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/8。
d.容易改變換熱面積或流程組合，
只要增加或減少幾張板，即可達到增加或減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達到所要求的流程組合，適應新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加
e.重量輕
板式換熱器的板片厚度僅為0.4~0.8mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.0~2.5mm，管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。
f.價格低
採用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價格比管殼式約低40%~60%。
g. 製作方便
板式換熱器的傳熱板是採用衝壓加工，標準化程度高，並可大批生產，管殼式換熱器一般採用手工製作。
h. 容易清洗
框架式板式換熱器只要鬆動壓緊螺栓，即可鬆開板束，卸下板片進行機械清洗，這對需要經常清洗設備的換熱過程十分方便。
i. 熱損失小
板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。
j. 容量較小
是管殼式換熱器的10%~20%。i. 單位長度的壓力損失大 由於傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統的光滑管的壓力損失大。
k. 不易結垢
由於內部充分湍動，所以不易結垢，其結垢係數僅為管殼式換熱器的1/3~1/10.k.工作壓力不宜過大，介質溫度不宜過高，有可能洩露板式換熱器採用密封墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5MPa，介質溫度應在低於250℃以下，否則有可能洩露。
l.易堵塞
由於板片間通道很窄，一般只有2~5mm，當換熱介質含有較大顆粒或纖維物質時，容易堵塞板間通道。
看點
03
換熱器型號的識別
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