【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小及在指定熱交換器區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變；溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變。4） 按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來(lái)分： 順流式（或稱并流式）：兩種流體平行地向著同一方向流動(dòng)；逆流式：兩種流體也是平行流動(dòng)，但他們的流動(dòng)方向相反；錯(cuò)流式（或稱叉流式）：兩種流體的我流動(dòng)方向互相垂直交叉。當(dāng)交叉次數(shù)在四次以上時(shí)，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢(shì)將其看成逆流或順流?；炝魇剑簝煞N流體在流動(dòng)過(guò)程中既有順流部分，又有逆流部分。5） 按照傳送熱量的方法來(lái)分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類，這是熱交換器最主要的一種分類方法。間壁式：熱流體和冷流體有一固體壁面，一種流體恒在壁的一側(cè)流動(dòng)，而另一種流體恒在壁的他側(cè)流動(dòng)，兩種流體不直接接觸，熱量通過(guò)壁面而進(jìn)行傳遞?；旌鲜剑ɑ蚍Q直接接觸式）：這種熱交換器內(nèi)依靠熱流體與冷流體的直接接觸而進(jìn)行傳熱，例如冷水塔以及噴射式熱交換器。蓄熱式（或稱回?zé)崾剑浩渲幸灿泄腆w避免，但兩種流體并非同時(shí)而是輪流地和壁面接觸。當(dāng)熱流體流過(guò)時(shí)，把熱量?jī)?chǔ)蓄與壁面內(nèi)，壁的溫度逐漸升高；而當(dāng)冷流體流過(guò)時(shí)，壁面放出熱量，壁的溫度逐漸降低，如此反復(fù)進(jìn)行，已達(dá)到熱交換的目的。例如煉鐵廠的熱風(fēng)爐。在混合式、間壁式和蓄熱式三種類型中，間壁式熱交換器的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、分析研究和計(jì)算方法比較豐富和完整，因而在對(duì)混合式和蓄熱式熱交換器進(jìn)行分析和計(jì)算時(shí)，常采用一些淵源于間壁式換熱器的計(jì)算方法。 直接接觸式換熱器 它是利用兩種換熱流體的直接接觸與混合作用來(lái)進(jìn)行熱量交換?；旌鲜綋Q熱器操作的一個(gè)主要因素是要是兩種流體接觸的面積盡可能大，以促使他們之間的熱量交換。為了獲得大的接觸面積，可在設(shè)備中設(shè)置防止擱柵或填料，有事也可以把液體噴成細(xì)滴。此類設(shè)備通常做成塔狀。 蓄熱式換熱器 它是讓兩種溫度不同的流體先后通過(guò)一種固體填料（如煉焦?fàn)t下方的蓄熱室中放置的多空性格子磚和在制氧裝置中所有蓄冷器中的卵石等）的表面，如圖 1—1 所示。首先讓熱流體通過(guò)，把熱量蓄積在填料中，然后，當(dāng)冷流體通過(guò)時(shí)，將熱量帶走。這樣，在填料被加熱和冷卻的過(guò)程中，進(jìn)行著熱流體和冷流體之間的熱量傳遞。在使用這種換熱器時(shí)，不可避免地會(huì)使兩種流體有少量混合，切必然是成對(duì)使用，即當(dāng)一個(gè)通過(guò)熱流體時(shí)，另一個(gè)則通過(guò)冷流體，并且自動(dòng)閥進(jìn)行交替切換，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。 圖 11 蓄熱式換熱器示意圖 間壁式換熱器 它是利用金屬壁面將進(jìn)行熱交換的冷、熱流體隔開(kāi)，使它們通過(guò)避免進(jìn)行傳熱。這種形式的換熱器使用最廣泛。間壁式換熱器按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)可分為“套夾式”換熱器、 “管殼式”器、 “面板式”換熱器。一 “夾套式”換熱器如圖 12 所示，夾套是用焊接或螺釘?shù)姆椒?，固定安裝在容器外部，在加熱時(shí)，蒸汽自上而下流經(jīng)夾套冷凝后流出，在冷卻時(shí)，冷卻水由上而下流經(jīng)夾套，吸熱后流出。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因傳熱面記得限制，傳熱效果不是很好，主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻設(shè)備的保溫。 圖 12 夾套式換熱器示意圖二 “管式”換熱器雖然在換熱率，設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性和金屬消耗等方面都不如其他新型換熱器，但他具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作彈性大和使用材料范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。尤其在高溫、高壓和大型換熱器中，仍占有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。又可以細(xì)分為：蛇管式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器。1 蛇管式換熱器它是最早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作方便的傳熱設(shè)備，它本身又可以分成沉浸式和噴淋式兩種。（1） 沉浸式蛇管設(shè)備蛇管多以金屬管子彎繞而成，或制成適應(yīng)容器情況的形狀，如圖 13 所示。內(nèi)通一種流體，沉浸在盛有另一種流體的容器中，進(jìn)行熱交換。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓。但因容器中流體流速小，因而給熱系數(shù)小，傳熱效率低。如果在容器中攪拌裝置或減少關(guān)外空間，則傳熱效率有所提高。 圖 13 蛇管的形狀（2） 噴淋式蛇管換熱器這種形式的換熱器多用來(lái)冷卻管子內(nèi)的流體，如圖 14 所示，將蛇管成排固定在鋼架上，被卻的流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水從蛇管上方的噴淋裝置均勻淋下。其傳熱效果較沉浸式為好，切便于檢修和清洗。但這種類型換熱器體積龐大，有事噴淋效果不夠理想。 14 噴淋式換熱器示意圖2 套管式換熱器 如圖 15 所示，是將兩種直徑不同的直管裝成同心套管，并用 U 型周管把多段直管串聯(lián)起來(lái)，內(nèi)管及套管間隙中各有一種流體流過(guò)，進(jìn)行熱交換。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓。這種換熱器一般適用于流體流量較小和所需要的傳熱面積不大的場(chǎng)合。 3 列管式換熱器又稱管殼式換熱器，主要由殼體、管束、管箱、封頭等部件組成，如圖所示。管束兩端固定在管板上，管板連同管束都固定在殼體上，封頭、殼體上裝有流體的進(jìn)出口接管。熱交換時(shí)，一種流體在管束及與其相同的管箱內(nèi)流動(dòng)，其所進(jìn)過(guò)的路程成為管程；為了提高管程流體的流速，可在殼體內(nèi)裝設(shè)一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板，這樣既提高殼程流體的流速，同時(shí)又迫使殼程流體遵循規(guī)定的路徑流過(guò)，多次地錯(cuò)流流過(guò)管束，有利于提高傳熱效果。列管式換熱器操作時(shí)，由于管束與殼體的溫度不同，兩者所用材料有時(shí)也不相同，導(dǎo)致兩者熱膨脹不同。 若兩者的溫度差較大時(shí)，就可能會(huì)引起設(shè)備變形、扭彎或破裂。為此，考慮到熱膨脹的影響，需采用各種補(bǔ)償措施結(jié)構(gòu)。列管式換熱器，根據(jù)補(bǔ)償程度不同，常用的有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：a) 固定管板式熱交換器管束兩端的管板和管殼固定連接，使用廣泛，已系列化：對(duì)于溫度差大于60℃，而殼體受壓不太高時(shí)，可在殼體上加上熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)——膨脹節(jié)，最大使用溫度不用大于 120℃。他的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜。缺點(diǎn)是管外不能進(jìn)行機(jī)械清洗，因此，殼體流體需用不易生垢的清潔流體。b) 浮頭式換熱器管束的一端管板與殼體連接，另一端管板與殼體不連接，受熱或受冷時(shí)，可以沿管長(zhǎng)方向自由伸縮，成為浮頭。浮頭有內(nèi)浮或外浮頭，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬材料多，制造成本高，但整個(gè)管束可以從殼體內(nèi)拆卸出來(lái)，便于檢修和清潔。它適用于管壁和殼壁溫差大，管束空間經(jīng)常清洗的場(chǎng)合。c) 型管式換熱器每根管子都彎成 U 形，進(jìn)、出口都安裝在同一管板的兩側(cè)，再將該側(cè)管箱用隔板分成兩室，由于只有一塊管板，管子在受熱或受冷時(shí)，可以自由伸縮。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高溫，高壓，但管束不易清洗，拆換管子也不容易。因此要求通過(guò)管內(nèi)的流體是潔凈的。這種換熱器殼用于溫差變化大很大，高溫或高壓的場(chǎng)合。d) 填料函式換熱器它有兩種形式，一種是在管板上的每根管子的端部都有單獨(dú)的填料函密封，以保證管子的自由伸縮。當(dāng)換熱器的管子數(shù)目很少時(shí)，才采用這種結(jié)構(gòu)，但管距比一般換熱器要大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另一種形式是在列管的一端與外殼做成浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，在浮動(dòng)處采用整體填料函密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但此種結(jié)構(gòu)不易直徑大，壓力高的情況。我國(guó)已制定了列管式換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了列管式換熱器的主要參數(shù)有公稱換熱面積、公稱直徑、公稱壓力、換熱管長(zhǎng)度、管子外徑、管子間距和排列，可供工程設(shè)計(jì)時(shí)采用。三 “板面式”換熱器 “板面式”換熱器的傳熱性能要比“管子”換熱器優(yōu)越，由于采用“板面”的特殊結(jié)構(gòu)，使流體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)備采用板材制作，故在大規(guī)模組織生產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比“管式”較差。是有熟悉各種形式換熱器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)換熱器時(shí)才能綜合考慮材料、壓力、溫度差、結(jié)構(gòu)、流體狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等因素，選用最佳的換熱器形式，才能保證達(dá)到工藝所規(guī)定的換熱條件，且強(qiáng)度足夠、結(jié)構(gòu)可靠，同時(shí)便于制造、安裝、檢修又經(jīng)濟(jì)合理，從而使設(shè)計(jì)達(dá)到該具體條件下的最佳設(shè)計(jì)。 換熱器研究其發(fā)展 換熱器的研究由于換熱器的技術(shù)性能直接影響到整個(gè)工藝裝置的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，國(guó)外在組織打大規(guī)模生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)于其研究設(shè)計(jì)工作給與了很大注意。傳熱機(jī)理和傳熱設(shè)備二者之間是不可分割的。傳熱機(jī)理，其中包括冷凝、蒸發(fā)、對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)，到現(xiàn)在還沒(méi)有被完全了解，因此傳熱仍然是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理論方面有一種國(guó)際性的刊物不斷進(jìn)行報(bào)導(dǎo)，最近若干次國(guó)際技術(shù)會(huì)議也是為傳熱研究而專門舉行的。由于從化學(xué)工業(yè)到宇宙開(kāi)發(fā)需要換熱器，并且愈來(lái)愈對(duì)換熱器提出各種特殊而往往是極為苛刻的要求，因此，各國(guó)對(duì)傳熱及其傳熱設(shè)備的競(jìng)相研究目前仍處方興階段。從傳熱機(jī)理的探討到設(shè)備機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，從設(shè)計(jì)計(jì)算到制造工藝，都有專門的機(jī)構(gòu)從事研究。目前，僅每年發(fā)表的傳熱技術(shù)文獻(xiàn)即數(shù)千余篇。實(shí)驗(yàn)室的研究雖然有價(jià)值，但用小型設(shè)備進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)，常常不容易很快地用在工業(yè)裝置上。因此，有些國(guó)家如美國(guó)比較重視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)費(fèi)用很高，常常超過(guò)很多公司的支付能力。為此，美國(guó)在 1962 年成立了“換熱器研究公司”HTRI，其費(fèi)用有五十多個(gè)公司分擔(dān)。到目前為止，根據(jù)該公司的報(bào)導(dǎo)，很多換熱器設(shè)計(jì)得過(guò)于保守，如果采用 HTRI 的數(shù)據(jù)，可以節(jié)省換熱器費(fèi)用。在進(jìn)行換熱器最佳設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行很多復(fù)雜的計(jì)算，包括綜合計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比與分析，工藝計(jì)算和機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算等。采用人工計(jì)算，一般都是經(jīng)過(guò)若干次反復(fù)計(jì)算，這不僅很難找出最佳值，而且既費(fèi)時(shí)間又容易出錯(cuò)。因此，采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)，在國(guó)外引起了普遍重視，近年來(lái)，尤其在美國(guó)有了新的發(fā)展?，F(xiàn)代的石油和化工過(guò)程經(jīng)常要求在極其廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行熱交換，壓力、溫度和腐蝕性都變得難以應(yīng)付。要求換熱條件即使千變?nèi)f化，換熱器也必然是各種各樣的。沒(méi)有也不可能找到一種“萬(wàn)能”的換熱器，每種結(jié)構(gòu)形式都有它自己的特長(zhǎng)和短處。國(guó)外在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，對(duì)于形式的選擇是很重視的，他們常常通過(guò)繁雜的計(jì)算來(lái)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比。換熱器選擇時(shí)，考慮的因素很多，如材料、壓力、溫度、溫差和壓降、結(jié)垢、流體狀態(tài)、應(yīng)用形式、檢修和清理等。有些結(jié)構(gòu)形式，在一中情況下使用最好的，然而在另外的情況下，卻可能完全不能令人滿意。 換熱器的發(fā)展隨著化學(xué)和石油工業(yè)以及新興的石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)換熱器的需要也日益增加。許多國(guó)家都組織有若干專業(yè)公司或工廠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早起的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且換熱面積小、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(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用，至少已有 200 余年的歷史，大致可分為三個(gè)時(shí)期：20 世紀(jì)以前的原始時(shí)期，20 實(shí)際的前 50 年為初步發(fā)展時(shí)期，近 30 余年的迅速發(fā)展時(shí)期。原始時(shí)期，換熱器大都由鑄鐵管組裝而成，主要用于動(dòng)力、化工、鋼鐵等工業(yè)部門。19 世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了蓄熱室，蓄熱室預(yù)熱空氣比用單式的金屬換熱器所能達(dá)到的溫度高，因而足見(jiàn)取代了原始的鑄鐵換熱器，成為 19 世紀(jì)后50 年代中工業(yè)爐的主要換熱設(shè)備。20 世紀(jì)初期，換熱器開(kāi)始能進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。20 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(guó)用焊接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(dòng)機(jī)的散熱。30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，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(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)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(dòng)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(kāi)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。目前各種換熱器的發(fā)展很快，新的結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，以滿足各種工業(yè)部門的需要。國(guó)外換熱器目前發(fā)展的基本狀況是：管式換熱器的設(shè)計(jì)沒(méi)有重大進(jìn)展，但無(wú)論就其數(shù)量或適用場(chǎng)合來(lái)看仍居主要地位，最老的管式換熱器如蛇管式、盤管式等在某些場(chǎng)合下仍有應(yīng)用：各種板式換熱器正在逐漸代替管式換熱器；制造工藝獲得了改進(jìn)，新的材料被大量使用；從空間技術(shù)發(fā)展起來(lái)的“熱管”引起了很大重視，最終有可能對(duì)某些方面的換熱器帶來(lái)根本的革新。管式換熱器雖然在換熱效率、緊湊性和金屬消耗量等方面不及其他新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、材料范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使它在各種換熱器的競(jìng)相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下去，并且目前仍是化工、石油和石油化學(xué)工業(yè)中換熱器的“主力軍”。在高溫高壓和大型換熱器中，它占據(jù)著據(jù)對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是近年來(lái)，它的性能沒(méi)有多大改進(jìn)，其設(shè)計(jì)都按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行。很多國(guó)家采用了美國(guó) TEMA 標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù) TEMA 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)修訂自己的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外近期的目標(biāo)已轉(zhuǎn)向于改進(jìn)其制造工藝、采用新的材料和提高勞工效率生產(chǎn)率。在壓力較低、溫度不高、流量不是很大以及處理強(qiáng)腐蝕介質(zhì)而須用貴金屬材料的若干場(chǎng)合，各種新型、高效、緊湊性換熱器正在逐步取代管式換熱器。換熱器基本的發(fā)展趨勢(shì)是，提高緊湊性、降低材料消耗、提高傳熱效率、保證互換性和擴(kuò)大容器的靈活性（采用積木式結(jié)構(gòu)），通過(guò)減少污塞和便于除垢來(lái)減少操作事故。在廣泛的范圍內(nèi)將向大型化發(fā)展。各種新型高效的緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。在壓力、溫度、流量允許范圍內(nèi)，特別是有化學(xué)腐蝕而須用貴重材料制作的場(chǎng)合下，緊湊式換熱器將進(jìn)一步取代管式換熱器。在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)，特別是在高溫、高壓和大型化的場(chǎng)合下，管式（尤其是管殼式）換熱器將繼續(xù)獲得發(fā)展。在煉油與化