換熱器的分類及構造和工作原理
換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業生產中占有重要地位，其在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用廣泛。
一、換熱器的分類
適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下：
1.按傳熱原理分類
1）間壁式換熱器間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。間壁式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。間壁式換熱器是應用最為廣泛的換熱器。
2）蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。
3）流體連接間接式換熱器流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。
4）直接接觸式換熱器又被稱為混合式換熱器，這種換熱器是兩種流體直接接觸，彼此混合進行換熱的設備例如，冷水塔、氣體冷凝器等。
5）復式換熱器兼有汽水面式間接換熱及水水直接混流換熱兩種換熱方式的設備。同汽水面式間接換熱相比，具有更高的換熱效率；同汽水直接混合換熱相比具有較高的穩定性及較低的機組噪音。
1.2.按用途分類
1）加熱器加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發生相的變化。
2）預熱器預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數。
3）過熱器過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態。
4）蒸發器蒸發器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發，一般有相的變化。
1.3.按結構分類
可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。
二、換熱器的設計主要參數
下表為設計匯總：
按照此方法計算得到的殼內徑應圓整，標準尺寸如下表：
三、換熱器構造及工作原理：
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。由于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 。
四、機械結構形式：
換熱器的分類良多，可以按傳熱原理、結構和用途等進行分類，按其結構分類主要有管殼式和板式兩種。 根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式：
1.間壁式換熱器的類型
1）夾套式換熱器：這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數也不高.為提高傳熱系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系數.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于反應過程的加熱和冷卻。
2）沉浸式蛇管換熱器：這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀,并沉浸在容器內的液體中.蛇管換熱器的優點是結構簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造;其缺點是容器內液體湍動程度低,管外給熱系數小.為提高傳熱系數,容器內可安裝攪拌器。
3）噴淋式換熱器：這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內流動,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜,管外給熱系數較沉浸式增大很多.另外,這種換熱器大多放置在空氣流通之處,冷卻水的蒸發亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水溫度,增大傳熱推動力的作用.因此,和沉浸式相比,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。
4）套管式換熱器：套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并由U形彎頭連接而成.在這種換熱器中,一種流體走管內,另一種流體走環隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱系數較大.另外,在套管換熱器中,兩種流體可為純逆流,對數平均推動力較大。套管換熱器結構簡單,能承受高壓,應用亦方便(可根據需要增減管段數目). 特別是由于套管換熱器同時具備傳熱系數大,傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優點,在超高壓生產過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。
5）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占據主導地位。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,管束兩端固定于管板上。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系數,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,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,由于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,斷裂或從管板上松脫。因此,當管束和殼體溫度差超過50℃時,應采取適當 的溫差補償措施,消除或減小熱應力。
2.混合式換熱器
混合式熱交換器是依靠冷、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污垢熱阻，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，都可以采用混合式熱交換器，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中。 按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：
1）冷卻塔(或稱冷水塔)：在這種設備中，用自然通風或機械通風的方法，將生產中已經提高了溫度的水進行冷卻降溫之后循環使用，以提高系統的經濟效益。例如熱力發電廠或核電站的循環水、合成氨生產中的冷卻水等，經過水冷卻塔降溫之后再循環使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。
2）氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)：在工業上用這種設備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進行冷卻，而且還可對其進行加熱處理。但是，它也有對水質要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設備使用。但是，在以調節濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用!
3）噴射式熱交換器：在這種設備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。
4）混合式冷凝器：這種設備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。
3.蓄熱式換熱器：
蓄熱式換熱器用于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。常用于冶金工業，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學工業，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。 蓄熱式換熱器一般用于對介質混合要求比較低的場合。
五、附屬設備的選擇：
1.管道與殼體連接：管子在管板上固定依據是一定要確保管子和管板連接堅固，不能在連接的位置出現問題。因為操作所壓力是常壓，因此選擇應用脹接法。
2.管板和殼體連接：管板與殼體連接的形式主要分為兩方面，一種是可拆式，另一種是不可拆式。浮頭式的換熱器是依據管板自身不直接與殼體電焊連接，而是依據殼體上法蘭和管箱法蘭加持固定。殼體的設計壓力為101.3kPa 低于1MPa，并且殼體介質是不容易燃燒和爆炸的，更不容易揮發且有毒的。因此依據殼體壁厚為10mm。
3.換熱器的封頭：選擇橢圓形封頭DN=600mm 選擇甲型平焊法蘭PN=0.6MPa，D=715mm、D1=680mm、D2=650mm、D3=640mm、D4=637mm，壁厚等于32mm，d=18mm。
4.拉桿的數量與直徑的選擇：換熱器的外徑為25mm，因此拉桿直徑為16mm，因為直徑等于600mm 和16mm，結合表格可知拉桿數量為4 個。
5.導流筒：在殼程流體進出口的管板中一定存在一段流體無法達到的死角，以此一般在管束外提升導流筒，促使流體出入殼程過程中一定會經過這一區域，提升傳遞熱量的效果。因為，壓力過低一般都會應用引導流筒。
6.接管的選擇：殼程流筒進入到接管處，獲取管內液體流動速度為2.4m/s，取接管的直徑為70mm。管程流體進入到接管處，獲取管內液體流動速度為2.0m/s，取接管的直徑為200mm。
六、教學設備的推薦與介紹：
1、了解熱管換熱器的結構。
2、可進行熱管換熱器傳熱系數和熱效率計算。
二、熱管換熱器實驗裝置,熱管換熱器實驗設備,熱管換熱器實驗臺主要配置：
1、熱管換熱器，
2、加熱段風道，
3、受熱段風道，
4、冷、熱面引風機，
5、風速測量儀，
6、加熱由固態調壓模塊無極調節，
7、萬能信號輸入巡檢儀，
8、電流表，
9、電壓表，
10、熱電偶。
11、不銹鋼臺架等。
三、熱管換熱器實驗裝置,熱管換熱器實驗設備,熱管換熱器實驗臺技術參數：
1、輸入電源：單相AC220V±10% 50Hz，功率500W。
2、低噪音軸流風機，功率：100W，流量：300 m3/h。
4、翅片式熱管換熱器，尺寸 Φ20×41mm ，材質304不銹鋼管。
5、溫度測量：測量系統配置有智能溫度控制儀表（PID調節控溫，精度 ±0.2℃），高精度PID調壓模塊電路。
6、外形尺寸：800×350×600mm
II型：增加帶標準信號的多路萬能信號輸入巡檢儀，增加帶標準信號的數顯電流表電壓表，軟件等。
七、結束語：
總而言之，換熱器是工業換熱設備中重要的工作內容，換熱器設計的優劣將直接影響其未來長時間的安全性和發展性。
在實際發展中，結合以往操作過程中存在的問題和需求進行有效的分析，并且依據現階段市場環境和設備特點，提出有效的設計形式，以此滿足目前工業換熱設備需求，達到工作內容的規定。
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