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第三章 传 热
第3章 传热
Heat transfer
3.4 换热器
3.4.1换热器的选择与设计的步骤
鉴于列管换热器应用及广，为便于制造和选用，有关部门已制定了列管换热器的系列标准。列管换热器的基本参数主要有：a. 公称换热面积SN；b. 公称直径DN；c. 公称压力PN；d. 换热管规格；e. 换热管长度L；f. 管子数量n；g. 管程数NP；等等
型号表示方法 列管换热器的型号由五部分组成：X XXXX X XX-XXX即：换热器代号；公称直径DN，mm；管程数NP：Ⅰ Ⅱ Ⅳ Ⅵ；公称压力PN，MPa；公称换热面积SN，m2。如：G600Ⅱ－1.6－55为公称直径为600mm、公称压力为1.6MPa、公称换热面积为55 m2、双管程固定管板式换热器。
选用或设计时应考虑的问题：流径的选择、流速的选择、冷却剂（或加热剂）终温的选择、管子的规格与管间距的选择、管程数与管程数的确定、折流挡板的选用、外壳直径的确定、流体通过换热器的流动阻力（压强降）等问题。
设计换热器的步骤：
1.确定基本数据，流体的流量、进出口温度、定性温度下的有关物性、操作压强等。
2.确定流体在换热器内的流动途径。
2.确定并计算热负荷。
4.先按单壳程偶数管程计算平均温度差，确定壳程数或调整冷却剂（或加热剂）的出口温度。
5.根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的形式。
7.计算压降，若压降不符合要求，则需要重新调整管程数和折流板间距。
6.选取总传热系数，根据传热基本方程初算传热面积，以此选定换热器的型号或确定换热器的基本尺寸，并确定其实际换热面积A实，计算在A实下所需的的传热系数K需。
8.核算总传热系数，计算管、壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数K计，由传热基本方程求出所需传热面积A需，再与换热器的实际换热面积A实比较，若A实/A需在1.1～1.25之间（也可用K计/K需），则认为合理，否则需重选K选，重复上述计算步骤，直至符合要求。
3.4.2 换热器的分类
按换热器的用途分类，有：
1.加热器　用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。
2.预热器　用于流体的预热。
2.过热器　用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。
4.蒸发器　用于加热液体，使之蒸发汽化。
5.再沸器　是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液体，使之再受热汽化。
6.冷却器　用于冷却流体，使之达到所需的温度。
7.冷凝器　用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。
按换热器传热面形状和结构分类，有：
1.管式换热器　通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。
2.板式换热器　通过板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。
2.特殊形式换热器　根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。
间壁式换热器的类型和结构型式
夹套式换热器
主要用于反应器的加热或冷却，将反应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与反应器内的物料进行换热。
在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。
为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。
间壁式换热器的类型和结构型式
浸没式蛇管换热器
结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。
当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。
优点：结构简单，能承受高压；
缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅拌器。
间壁式换热器的类型和结构型式
喷淋式蛇管换热器
通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。
喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。
间壁式换热器的类型和结构型式
套管式换热器
结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。
优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活；
缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。
螺旋套管换热器
间壁式换热器的类型和结构型式
列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备
优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。
固定管板式换热器
结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板；
优点：结构简单、紧凑、造价便宜；
缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。
间壁式换热器的类型和结构型式
U 型管式换热器
结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。
优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。
缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。
间壁式换热器的类型和结构型式
U 型管式换热器
间壁式换热器的类型和结构型式
浮头式换热器
我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，25×2.4mm换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。
结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。
优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗；
缺点：结构复杂，造价较高。
换热器的外形
换热器的管束
选用和设计中应考虑的问题
流体流动通道的选择：
(1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；
(2) 需通过增大流速提高 α 的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；
(3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；
(4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；
(5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其 α 与流速无关；
(6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热；
(7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在 Re>100 即可达到湍流。
以上各点往往不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。
选用和设计中应考虑的问题
换热管规格及排列 ：
管径：d ，单位体积设备内的S ，但更容易堵塞。目前我国系列标准规定采用 25×2.4mm, 19×2mm两种规格的管子。管长的选择以清洗方便和合理使用管材为准，我国生产的钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，以3米和6米最为普遍。
。
换热管的排列方式：等边三角形排列比正方形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，但正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45度放置，也可提高给热系数.
选用和设计中应考虑的问题
折流挡板 ：
作用：提高管外的给热系数；
形状：园缺型、园盘型、分流型等；
挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。
挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外α ；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。
我国系列标准规定的挡板间距：
固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格；
浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。
其他类型的换热器
板式换热器：
1.固定压紧板 2.夹紧螺栓 2.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板
板式换热器
结构紧凑，占用空间小　很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/3～1/5。
传热系数高 雷诺准数>10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达3000～8000W/M2.K。
端部温差小 逆流换热，可达到1℃的端部温差。
热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率≥98%。
适应性好，易调整 通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。
流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护 板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。
结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。
低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。
板式换热器
缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130℃，压缩石棉垫圈也不超过250℃。
螺旋板式换热器
螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管。其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在园鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流动。
螺旋板式换热器
按流道布置和封头形式可分为：
I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流体均作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流入，形成完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。
II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。一流体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流体的流量相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使用。
III 型结构：一流体作螺旋形流动，另一流体则是轴向流动和螺旋流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷却。
螺旋板式换热器
螺旋板式换热器的特点
传热系数高 由于离心力的作用，可在较低Re数下出现湍流(Re=1400-1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达2000-3000 W/（m2·K）。
不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。
由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。
结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的3倍。
操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400℃以下。
不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。
板翅式换热器
在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体；
将各单元体进行不同的叠集和适当地排列，再用钎焊予以固定，形成逆流、并流和错流的板翅式换热器组装件(芯部或板束) ；
将带有进、出口的集流箱焊接到板束上。
特点：传热效果更好、结构更为紧凑。
我国目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片。
板翅式换热器
传热效果好 板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数高，同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片换热，因而具有很高的传热速率。
结构紧凑 单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。
轻巧牢固 由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。
适应性强，操作范围广 由于铝合金的导热系数高，特别适合于低温和超低温条件下的换热。
流道很小，容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。
由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。
翅片式换热器
结构：在管子外表面上装有径向或轴向翅片。
用途：适用于两种流体的给热系数相差很大的场合，例如水蒸气和空气间的换热，传热过程的热阻主要集中在空气一侧，若空气在管外流动，则在管外装置翅片，既可增大空气侧的传热面积，又可促进空气湍动，使传热系数和传热面积的乘积 KA 值增大，从而提高换热器的传热速率。
翅片与光管的连接应紧密无间，否则会在连接处产生很大的接触热阻。常用的连接方法有镶嵌、缠绕或高频焊接，其中焊接最为密切，但加工费用较高。
翅片式换热器
翅片盘管换热器
空调机组表冷器
组合式铝合金散热器（T形翅）
热管换热器
结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。
1—导管 2—吸液芯 3—蒸汽 4—吸热蒸发端
5—保温层 6—放热冷凝端
热管换热器
热管式CPU散热器
热管换热器
热管式CPU散热器
热管换热器
Zalman夹心式一体化热管显卡散热器
热管换热器
AeroCool热管散热器DP-102
将1700+超到2.2GHz以上的水平时，CPU温度仅仅只有19度
热管换热器
热管换热器
用途：给热系数很小的气-气换热过程。
当液体和气体换热时，可将管外表面翅化以强化传热，但对气-气传热的情况，管内的传热强化则比较困难；
热管可把管内的对流传热转化为管外表面的传热，从而可采用加装翅片的方法进行强化。例如利用热管换热器回收锅炉排出的烟气余热预热燃烧所需空气，效果良好；
由于热管两端的管外表面被翅化，管外对流传热强化，管内籍助工作液体的沸腾和冷凝过程来传热，而沸腾和冷凝的给热系数很大，因而热管的传热速率很高；
若将热管的传热速率折算成管体轴向表观导热系数，则热管的导热率是银的1000倍以上 .

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