【正文】 ，以食品的冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸氣壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài)氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時（布置在冷藏室中）吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入壓縮機(jī)時的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其它各種制冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有預(yù)熱器、燃油加熱器、給水加熱器、蒸汽冷凝器等一系列的換熱氣。其實，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個大型復(fù)雜的換熱氣。燃料在爐 膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過爐膛受熱面、對流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱共質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。 在核電廠中，蒸汽發(fā)生器是一項很重要的工藝設(shè)備。核燃料裂變所產(chǎn)生的大量的熱量首先傳給冷卻劑，冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中再將熱量傳給水、使水汽化成蒸汽，由蒸汽來轉(zhuǎn)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。此外，在核電廠系統(tǒng)中還裝有各種加熱器、蒸汽冷凝器等換熱器。 第一章 緒論 2 （ 2）換熱器在節(jié)能降耗中的應(yīng)用 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用 著大量的換熱氣，提高這些換熱氣的效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。 換熱器的作用與發(fā)展歷史 換熱器的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一，在 日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。 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，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 換熱器 在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用 ,表現(xiàn)在兩個方面 :一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器 ,提高這些換熱器的效率 ,顯然可以減少能源的消耗 。另一方面 ,用換熱器來回收工業(yè)余熱 ,可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。工業(yè)爐煙氣的余熱回收，應(yīng)滿足爐內(nèi)需要以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料；考慮外部需要，爭取得到更大的經(jīng)濟(jì)效益。對于其它余熱的回收，也應(yīng)遵守以節(jié)約燃料為中心進(jìn)行綜合利用的原則。由于工業(yè)余熱分布廣、形式各種各樣，故節(jié)能方案也各不相同，但在各種節(jié)能方案中，換熱器幾乎是不可缺少的。所以換熱器在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位和作用。 換熱器在工 業(yè)中的應(yīng)用，至少已有 200 余年的歷史。瓦特的蒸汽機(jī)誕生于 1774 年，瓦特蒸汽機(jī)的突出特點是配置有專門的冷凝器。紐可門于 1712 年制成的蒸汽機(jī)，冷凝是在汽缸里進(jìn)行的，效率低，煤耗大，且不能連續(xù)作功，所以不能用于工業(yè)生產(chǎn)。瓦特對紐可門的蒸汽機(jī)進(jìn)行了改造，讓冷凝這道工序由與汽缸脫離的冷凝器來完成。使蒸汽機(jī)的效率提高了五倍，煤耗減少了四分之三，更重要的是改造后的蒸汽機(jī)可以連續(xù)作功，使工業(yè)應(yīng)用成為可能。瓦特蒸汽機(jī)的推廣使用，使人類進(jìn)人了一個新的時代 — 蒸汽時代。從此，換熱器也就越來越受到人們的重視。 由于制造工藝和科學(xué) 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。二十世紀(jì) 20年代出 現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)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(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換 熱器，延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)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(xué)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(jìn)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(yīng)用。此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)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(jìn)一步的發(fā)展。 70 年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器的分類 換熱器按 作用原理或 傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依 圖 11 混合式換熱器示意圖 靠兩流體本身的密度差得以及時分離。 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱 室中的蓄熱體 (填料 )表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)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(yīng)用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、 板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等 。 按生產(chǎn)中使用目的分類：可分成冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器 (或再沸器 ) 和換熱器等。 按換熱器所用材料分類：可把換熱器分成金屬材料和非金屬材料兩類。 按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類：它用于區(qū)分各種形式的間壁式換熱器， 其分類有： 第一章 緒論 4 1．通過管壁傳熱的換熱器 (即“管式” ) (1)蛇管式換熱器； (2)套管式換熱器； (3)管殼式 (列管式 )換熱器： 這類換熱器又可分為固定管 板式、 U形管式和浮頭式等 2．通過板面?zhèn)鳠岬膿Q熱器 (即“板面式” ) (1)螺旋板式換熱器； (2)板式換熱器； (3)傘板式換熱器； (4)板翅式換熱器； (5)板殼式換熱器； 3．其它形式的換熱器； 這類換熱器一般都是為了滿足某些特殊要求而出現(xiàn)的，有些還處于發(fā)展階段，其中比較成熟的，如回轉(zhuǎn)式換熱器和熱管等。 各種換熱器的特點 管式換熱器； 這一類型的換熱器，雖然在換熱效率、設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性 (換熱器在單位體積中的傳熱面積 m178。/m179。)、和金屬消耗量 (㎏ /m178。)等方面都不如其它新型換熱 器，但它具有結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性大 (指流體的溫度和流量等參數(shù)在一定范圍內(nèi)有短時間的波動，對生產(chǎn)不會帶來太大的影響 )和使用材料范圍廣等優(yōu)點。尤其在高溫、高壓和大型換熱器中，仍占著相當(dāng)優(yōu)勢。 (1)蛇管式換熱器：它是最早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的傳熱設(shè)備。它本身又可分成沉浸式和噴淋式等兩種。 a、 沉浸式蛇管換熱器 ： 蛇管多用金屬管子彎制而成 ,或制成適應(yīng)容器要求的形狀 ,沉浸在容器中。兩種流體分別在蛇管內(nèi)、外流動而進(jìn)行熱量交換。這種換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點是由于容器的體積 較蛇管的 體積大得多，故管外流體的 a 較小， 圖 12 噴淋式冷卻器 因而總 傳 熱系數(shù) K 也較小 ，并且設(shè)備 1直管； 2U形管； 3水槽； 4 齒形檐板 也顯得笨重。 延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 b、 噴淋式 蛇管 換熱器 ： 它多用作冷卻器。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，熱流體在管內(nèi)流動，自下部的管進(jìn)入，由上部的管流出 ， 冷水由最上面的多孔分布管（淋水管）流下，分布 在蛇管上，并沿其兩側(cè)下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管表面上流過時，與管內(nèi)流體進(jìn)行熱交換。這種設(shè)備常放置在室外 空氣流通處，冷卻水在空氣中汽化時可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。與沉浸式蛇管換熱器相比，還具有便于檢修和清洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點，其缺點是噴淋不易均勻。 (2)套管式換熱器 ： 套管式系用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接成為同心圓的套管，然后用 180176。的回彎管將多段套管串聯(lián)而成。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長度為 4～ 6m ,若管子太長，管中間會向下彎曲，使 環(huán)形中的流體分布不均勻。在需要傳熱面積不太大且要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時，宜采用該換熱器。 (3)管殼式換熱器 ：它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，已作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。為了增加流體在管外空間的流速，以改善它的給熱情況，在筒體內(nèi)間隔安裝了多塊折流擋板。換熱器的殼體上和兩側(cè)的端蓋上 (對偶數(shù)管程言，則在一側(cè) )裝有流體的進(jìn) 出口，有時還在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排液孔和排氣孔等。這種換熱器的特點是易于制造，生產(chǎn)成本較低，選用的材料范圍廣，換熱表面的清洗比較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，高溫和高 壓下亦能應(yīng)用。但從傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位換熱面積所需金屬的消耗量等均不如一些新型高效緊湊式換熱器。 (4)板 面 式換熱器 ：這類換熱器的傳熱性能要比“管式”換熱器優(yōu)越，由于結(jié)構(gòu)上的特點使流體能在較低的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。該設(shè)備采用板材制做，故在大規(guī)模組織生產(chǎn)時，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比“管式”的差。 換熱設(shè)備的發(fā)展趨勢 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢將是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊 湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的 方向發(fā)展。 管殼式換熱器：由于它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大和使用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫、高壓和大型化的場合下，更有其 廣闊的發(fā)展前途。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式翅片管的結(jié)構(gòu)將會得到重視和發(fā)展。制造工藝上進(jìn)一步機(jī)械化和自動化以及采用各種新技術(shù)，在發(fā)展管殼式換熱器方面仍將占有重要的地位。 各種新型高效緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍將得到進(jìn)一步擴(kuò)大。在壓力、溫度和流量的許可范圍內(nèi)，尤其是處理強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)而需要使用貴重金屬材料的場合下，新型高第一章 緒論 6 效緊湊式換熱器將進(jìn)一步取代管殼式換熱器。 板式換熱器：雖然它具有某些優(yōu)異的性能，但尚存在一些問題，有待今后繼續(xù)加以妥善解決。該種形式的換熱器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，將是提高操作溫度和操作壓力，設(shè)計大型板片以增大它的處理量，擴(kuò)大它的使用范圍，并采用新的結(jié)構(gòu)材料和新的制造 工藝。其中尤以研制新的墊片材料，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴(kuò)大使用范圍等，將是今后發(fā)展的重點。 板殼式換熱器：由于它較好地從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓與高效之間的矛盾，它兼有管殼式與板式換熱器的優(yōu)點，因而 在化學(xué)工業(yè)中得到很快地推廣應(yīng)用。今后將進(jìn)一步擴(kuò)大其使用范圍。另一方面，由于它的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，今后發(fā)展的趨勢將如何進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)展新的成型和焊接工藝等。 螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對其各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器擴(kuò)大其應(yīng)用場合，同 時，如何進(jìn)一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進(jìn)焊接工藝，以適應(yīng)石油及化學(xué)工業(yè)的要求。 板翅式換熱器：雖然由于釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善而得到較快的發(fā)展。但是，因一般硬釬焊的成本還是較高，而且要使用具有腐蝕性的焊劑。 目前已出現(xiàn)不使用焊劑的各種硬針焊方法，如 真空釬焊和無焊劑釬焊等。但這些方法還有待進(jìn)一步研究。因此板翅式換熱器今后發(fā)展的趨勢，主要是進(jìn)一步完善各種新的釬焊方法和研究采用新的 制造工藝，并使板束尺寸和總組合體向大型化發(fā)展。另外，在采用新材料和進(jìn)一步擴(kuò)大在化工和石油化工的使用范圍也將得到發(fā)展。 新型材料換熱器：由于它們在耐強(qiáng)腐蝕性能方面具有特殊的優(yōu)點，今后將隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步得到推廣和應(yīng)用，并且還將研究擴(kuò)大所使用的材料，如碳化硅陶瓷的應(yīng)用。為了節(jié)約各種貴重材料，還將繼續(xù)研究和發(fā)展各種新工藝和新技術(shù)，如復(fù)合、襯里及表面處理等技術(shù)。 新型熱 管換熱器：近幾年來，熱管換熱器已在化工和石油化工等生產(chǎn)部門中推廣應(yīng)用，由于它具有效率高，壓力降小，結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點，發(fā)展較為迅速。今后發(fā)展的趨勢，將一面擴(kuò)大熱管在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用，另一面將對熱管換熱器，加強(qiáng)其高 性能工作介質(zhì)的研究以及提高翅片制造、安裝工藝水平和翅片的傳熱性能等。 螺旋板換熱器 螺旋板換熱器的發(fā)展概況 [2] 1930 年瑞典“ Rosenblad”公司首先提出了螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，并很快投入了批量生產(chǎn)，取得了專利權(quán)。此后英國的 APV公司、美國的 AHRCO 公司和 Union Carbide公司、聯(lián)邦德國的 ROCA 公司、日本的“大江”、“川化”公司以及荷蘭、捷克、