【文章內容簡介】 使換熱器在給定的熱負荷下所需的傳熱面積比較小。因而所用的流體應該是：密度、比熱、導熱系數(shù)大；在高溫工作時的工作壓力低；在沸騰或冷凝過程中汽化潛熱大。 傳熱的一般概念 熱量從高溫度區(qū)移動的過程稱為熱量傳遞，稱為傳熱。熱力學第二定律指出，凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量傳遞，故在幾乎所有的工業(yè)部門，如化工、能源、冶金、機械、建筑等都設計傳熱問題。尤其是化學工業(yè)中，因為化學生產中的很多過程和單元操作，都需要進行加熱和冷卻，而且化工設備的保溫、生產過程中的熱能合理利用以及廢熱的回收等都涉及傳熱問題。 通常化工生產中對傳熱過程的要求主要有一下兩種情況：其一是強化傳熱過程，比如各種換熱設備中的傳熱；其二是削弱傳熱過程，如對設備或管道的保溫，以減少熱損失。 化工傳熱過程既可以連續(xù)進 行，也可以間歇進行。對于前者，傳熱系統(tǒng)中能量不發(fā)生積累，稱為穩(wěn)態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱的特點是傳熱速率在任何時刻都為常數(shù)，并且系統(tǒng)中個點的溫度僅隨位置變化而與時間無關；對于后者，傳熱系統(tǒng)中的各點溫度既隨位置又隨時間而變化，稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。 根據(jù)傳熱的機理不同，熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流和熱輻射，在實際傳熱過程中，熱量傳遞可以以一種方式進行，也可以以兩種或三種方式同時進行。 本次設計根據(jù)對流傳熱機理所設計，即對流傳熱是指流體流過固體壁面（流體溫度和壁面溫度不同）時的傳熱過程稱為對流傳熱。 換熱器的分 類 換熱器的類型隨著工業(yè)發(fā)展而擴大，早期的換熱設備由于制造工藝和科學水平的限制，多有結構簡單、換熱面積小和體積較大等特征，如夾套式和蛇管式等。后來，由于制造工藝的發(fā)展，提出了一種管殼式的換熱器。這種換熱器的特點是單位體積設備所能提供的換熱面積要大得多，傳熱效果也好。它成為長期以來在化工生產中所使用的典型的換熱設備。 本 世紀二十年代，開始出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。三十年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。用于航空發(fā)動機的散熱器。 上述 這些新型的高效式換熱器還存在一定的問題，六十年代左右，由于制造工藝 上 得到進一步的完善，這些類型的換熱器重新又獲得發(fā)展，在化工生產中應用也愈加廣泛。隨著近代科技的發(fā)展（如高溫高壓、高速、低溫、超低溫）等，又促使了高強度、高效率的緊湊換熱器層出不窮。雖然如此，所有的換熱器仍然可以按照它們的一些共同特征來加以區(qū)分。 按照用途來分：有預熱器（或加熱器）、冷卻器、蒸發(fā)器等等。 按照制造換熱器的材料來分：有金屬的、陶瓷的 、塑料的、石墨的、玻璃的等等。 按照溫度狀況來分，有：溫度工況穩(wěn)定的換熱器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)內的溫度不隨時間而變；溫度工況不穩(wěn)定的換熱器；傳熱面上的熱流和溫度都隨時間改變。 按照熱流體和冷流體的流動方向來分，有： 順流式（或并流式）：兩種流體平行的向著同一方向流動。 逆流式：兩種流體也是平行流動，但是它們的流動方向相反。 錯流式（或叉流式）：兩種流體的流動方向互相垂直交叉，當交叉次數(shù)在四次以上時，可以根據(jù)兩種流體流向的總趨勢將其看成逆流或順流。 混流式：兩種流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分。 根據(jù)傳熱方式分類 在化工生產中，由于用途、工作條件和載熱體的特性等的不同，對換熱器提出了不同的要求，出現(xiàn)了各種不同形式和結構的換熱器。以下可將換熱器按下列方式進行分類： 直接傳熱式換熱器 一種不需傳熱壁面 ,由冷流體與熱流體直接接觸進行換熱的操作過程的換熱器 ,此類換熱器常用于工業(yè)生產中。這種換熱方式的優(yōu)點是設備結構簡單，傳熱效率高。但是直接接觸式換熱的機理比較復雜，在進行傳熱的同時往往伴隨著傳質的過程。 間壁傳熱式換熱器 在化工生產中經(jīng)常遇到的是冷、熱流體不允許混合的換熱問題，此時常常將 冷、熱流體用固體壁面隔開，使二者互不接觸 ，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流體， 冷、熱流體通過管子、板等壁面進行熱量交換的傳熱操作過程的換熱器 ,是最普通的也最常用的換熱器 ,冷、熱 流體都 是流體 ,可以是空氣、煙氣、蒸汽、水。這是本文重點進行討論的換熱器類型。 如 圖 ： 圖 蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器是在蓄熱器中實現(xiàn)熱交換的一種換熱方式。蓄熱器內裝有固體填充物（如耐火磚等），冷、熱流體交替流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量，從而達到換熱的目的。通常在生產中采用兩個并聯(lián)的蓄熱器交替使用。其缺點是設備體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合，因此這種換熱器的使用范圍有限。它屬于 間歇傳熱 ,在廢熱再生器中是切實可行有效的回收廢熱的方式 ,常被用于回收燃燒氣體的廢熱以及蒸汽等用量不均時作為調節(jié)手段。 根據(jù)生產中的使用目的分類 可以分為冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器等。 詳細分類 按結構分類：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、雙殼程換熱器、單套管式換熱器、多套管式換熱器、外導流筒式換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動管板式換熱器。 按管板的形狀分類：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器、印刷電路板式換熱器、穿孔板式換熱器。 按密封形式分類：此類換熱器多用于高溫、高壓的裝置中，主要類型有螺旋鎖緊環(huán)式換熱器、薄膜密封型換熱器、鋼墊圈型換熱器、密封蓋板式 換熱器。 按強化傳熱原件分類：螺紋管換熱器、波紋管式換熱器、異形管換熱器、表面多孔管式換熱器、螺旋扁管式換熱器、螺旋槽管式換熱器、環(huán)槽管式換熱器、縱槽管式換熱器、翅管式換熱器、螺旋繞管式換熱器、 T型翅片管式換熱器、新結構高效換熱器、內插物換熱器、鋸齒管換熱器。 空冷式換熱器分類：干式換熱器、濕式換熱器、干濕聯(lián)合式換熱器、電站換熱器、表面蒸發(fā)式換熱器、板式換熱器、能量回收換熱器、自然對流換熱器、高壓空冷器。 折流桿換熱器結構與浮頭式換熱器、 U形管式換熱器和固定管板式換熱器基本相同，其差別是將折流板用折流環(huán)所取代，流體流過折流桿時形成卡曼漩渦，來實現(xiàn)湍流而強化傳熱 。 外導流筒換熱器結構 與浮頭式換熱器基本相同，所不同的是殼程進出口接管與導流筒不同。在進出口處增大殼體直徑，使流體流動改變，并使傳熱管可以排滿整個殼體，從而使旁路泄露和進出口死區(qū)減少，效率增加，壓降減少。 幾種換熱器的特點及使用 在實際設計選型中 ,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側進出口溫度 ,在做工藝設計選型時 ,需要考慮的是在盡可能小的換熱面積下 ,有盡可能大的換熱速率 ,以及較低的設備造價及施工費。另外 ,在操作運行及維護、清洗較方便的前提下考慮換熱器的設計選型。 管殼式換熱器 管殼式換熱器是最常用的普通結構 ,它包括 :固定管板式換熱器、 U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。 固定管板式換熱器具有結構簡單、重量輕、造價低等優(yōu)點；缺點就是由于熱膨脹而引起管子拉彎。 U型管殼式換熱器就是克服此缺點將管子做成 “U” 型 ,一端固定，另一端活動 ,使得換熱器不受膨脹的影響 ,結構較簡單 ,重量輕 ,其缺點是不能機械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質量的傳熱量低 ,適用于溫差大、管內流體介質比較干凈的場合。 帶膨脹節(jié)式換熱器可解決膨脹問題 ,用膨脹接 頭的結構 ,故適用溫差大的流體和高壓流體 ,因為可將接頭拆下來進行清洗 ,所以可處理易結垢流體 ,而對低壓氣體則不適宜 ,但其缺點就是制造復雜。 浮頭式管殼換熱器 ,其浮頭不與外殼相連 ,可自由伸縮 ,這樣既解決了熱膨脹的問題 ,也方便清洗 ,檢修時可將管芯抽出即可。 對于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為 1m179。時 ,其傳熱面積約為 3040 ㎡。對 U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為 1m179。時 ,其傳熱面積為 70 ㎡左右。 板式換熱器 由于板式換熱器的傳熱面上可以壓出凹凸形排液槽 ,在較低的雷諾數(shù)條件下既可出現(xiàn)紊流狀態(tài) ,故換熱系數(shù)較高 ,一般可達 30005000K/㎡ h℃ ,與同樣流速下的管殼式換熱器相比 ,此值約為管殼式換熱器的傳熱系數(shù)的 35 倍 ,雖然 ,這時板式換熱器的阻力會大一些 ,如在同樣耗功的條件下相比 ,則板式換熱器的 放熱系數(shù)比管殼式的高一倍左右。 由于板式換熱器的結構緊湊、空隙小、因而單位體積的傳熱面積增大 ,其安裝面積約為管殼式的 1/21/3,可節(jié)省占地面積與施工費用 ,每一外殼容積為 1m179。時 ,其傳熱面積為 80 ㎡左右 ,另外 ,板式換熱器容易增減換熱面積 ,對于管殼式換熱器在需要增 加液體的處理量時 ,原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加 ,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加 ,從而增加處理能力 ,另外 ,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中 ,因此 ,散熱損失可忽略不計 ,也不需保溫措施。 板式換熱器在運行維護方面的特點之一就是裝拆比較方便 ,甚至可以不必完全拆開 ,僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗、更換墊圈 ,以至更換板片。這對于換熱介質容易產生沉積的物料就顯得尤為重要。 允許用的溫度和壓力方面 :用于板式換熱器靠每兩板片之間的墊圈 ,來防止物料泄漏 ,因而它的密封周邊的總長非常長 ,防止墊圈泄漏是板式換熱器的一個重要環(huán)節(jié) ,墊圈能承受。 換熱器在化學工業(yè)中的應用 在工業(yè)生產中，為了實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的 一種 設備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產來說，換熱器尤為重要。通常在化工生產的建設中，換熱器約占總投資的 10～ 20%。 在化工生產中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進行這些傳遞過程的設備，通過這種設備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分成為：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用的條件不同，換熱設備又有各樣的形式和結構。另外，在化工生產中有時換熱器作為一個單獨的化工設備，有時則把它作為某一工藝設備中的組成部分，如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸器和頂部的回流冷凝器 或分凝器等。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時在生產中也是不可缺少的?？傊瑩Q熱器在化工生產中的應用是十分廣泛的，任何化工生產工藝幾乎都離不開它。 在換熱設備中，應用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當作為一種傳統(tǒng)的標準換熱器，在許多工業(yè)部門中被大量地使用。尤其在化工生產中，無論是國內還是國外，它在所有的換熱設備中，仍占主導地位。同時在近代的許多 化工生產中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫和高壓下進行。如高壓聚乙烯要求操作壓力高 達 250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫 度在 750～1500 范圍。這些條件下，要進行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結構，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應性強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。因此，能不斷擴大它的使用范圍。由于現(xiàn)代化工廠的生產規(guī)模日益增大，換熱設備也相應向大型化方向發(fā)展，以降低動力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結構的換熱器也能滿足這一要求。 近十余年來，另一種高效、緊湊式的新型換熱設備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設備。雖然目前它還處于發(fā)展階段，但它在化工 和石油化工生產中已推廣應用。它適用的介質相當廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。從生產工藝上說，它可以用作液體的加熱、冷卻、冷凝或蒸發(fā)，單體的氣提，溶液的濃縮、聚合、脫氣、混合和乳膠的干燥等。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質量輕，效率高和適應的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點，從而在化工、石油化工和其 它許多工業(yè)部門中，也得到了迅速地推廣應用。現(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應用于天然氣加工過程中，如進料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開始推廣應用。 目前螺旋板換熱器在化工生產中的應用也日趨廣泛。在磷酸生產流程中，由于使用了這種形式的換熱器，在清洗時可不停車，每次清洗只需切換磷酸和水的通道即可。螺旋板換熱器在國內首先較普遍地用在小化肥生產中半水煤氣的預熱器和 氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應用的到其它化工生產工藝中，在很多焦化廠中已經(jīng)開始普及用螺旋板式 換熱器來作為貧富油換熱器了。 在化工生產過程中，除了遇到高溫、高壓、高真空和深冷等一些操作 條妥善地解決這個問題，而提出和使用了一些新型材料的換熱器。如玻璃、石墨 和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達到耐熱，耐壓和防腐的效果。玻璃換熱器應用于生產中，目前還剛剛開始，并已推廣應用到制藥工業(yè)中。石墨換熱器已在許多國家中得到廣泛地應用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質。此外，還可用于化肥、有機合成和農藥等多種工業(yè)中。 在其它新型換熱器的應用中，值得提出的為熱管。它是一種新型的傳熱元件