各種換熱器的原理、特點及適用范圍

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各種換熱器的原理、特點及適用范圍

換熱器簡介

添加人：admin 發布時間：2010-10-27 11:39:41 來源：中國熱交換器網

換熱器是將熱流體的部門熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。

換熱器的應用廣泛，日常糊口中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等產業部分。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是進步能源利用率的主要設備之一。

換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部門，如氨合成塔內的熱交換器。

因為制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡樸的結構，而且傳熱面積小、體積大和粗笨，如蛇管式換熱器等。跟著制造工藝的發展，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，長期以來在產業出產中成為一種典型的換熱器。

二十世紀20年代泛起板式換熱器，并應用于食物產業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。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，用于飛機發念頭的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強侵蝕性介質的換熱題目，人們對新型材料制成的換熱器開始留意。

60年代左右，因為空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫順高壓前提下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

換熱器按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、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。因為兩流體混合換熱后必需及時分離，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行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依賴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、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。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，這類換熱器應用最廣。

間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、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知足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等。

換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，進口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較平均。在冷、熱流體的進出口溫度一定的前提下，當兩種流體都無相變時，以逆流的均勻溫差最大順流最小。

在完成同樣傳熱量的前提下，采用逆流可使均勻溫差增大，換熱器的傳熱面積減��；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省設備費，后者可節省操縱費，故在設計或出產使用中應盡量采用逆流換熱。

當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，因為相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以進步傳熱系數是一個重要的題目。熱阻主要來源于間壁兩側粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。

增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻進步給熱系數。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作公道的協調。為了降低污垢的熱阻，可想法延緩污垢的形成，并按期清洗傳熱面。

一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐侵蝕前提外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫前提下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。

各種換熱器的原理、特點及適用范圍

添加人：admin 發布時間：2010-11-26 11:57:43 來源：中國熱交換器網

1、原理

T型翅片管是由光管經由滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結構特點是在管外表面形成一系列螺旋環狀T型地道。管外介質受熱時在地道中形成一系列的氣泡核，因為在地道腔內處于周圍受熱狀態，氣泡核迅速膨大布滿內腔，持續受熱負氣泡內壓力快速增大，促負氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖洗氣力，并產生一定的局部負壓，使附近較低溫度液體涌入T型地道，形成持續不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內，單位表面積上帶走的熱量遠弘遠于光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。

2、特點

⑴傳熱效果好。在R113工質中T管的沸騰給熱系數比光管高1.6-3.3倍。

⑵常規的光管換熱器，只有當熱介質的溫度高于冷介質的沸點或泡點12℃-15℃時，冷介質才會起泡沸騰。而T型翅片管換熱器只需2℃-4℃的溫差，冷介質就可沸騰，且鼓泡細密、連續、快速，形成了與光管比擬的獨特上風。

⑶以氟利昂11為介質的單管實驗表明，T型管沸騰給熱系數可達光管的10倍；以液氨為介質的小管束實驗結果，總傳熱系數為光管的2.2倍；C3、C4烴類分離塔的再沸器產業標定表明，低負荷時，T型管總傳熱系數比光滑管高50%，大負荷時高99%。

⑷較鋁多孔表面傳熱管的價格便宜。

⑸因為地道內部的氣液擾動非常激烈以及氣體沿T縫高速噴出，因而不管是T型槽內部仍是管外表面，都不易結垢，這一點保證了設備能長期使用而傳熱效果不會受到結垢的影響。

二、應用場合

只要殼側介質比較干凈、無固體顆粒、無膠質，均可采用T型翅片管作換熱元件，形成T型翅片管式高效換熱器，以進步殼側沸騰傳熱效果。

二、低螺紋翅片管

一、原理及特點

1、原理

低螺紋翅片管是普通換熱管經軋制在其外表面形成螺紋翅片的一種高效換熱管型，其結構如圖所示：

這種管型的強化作用是在管外。對介質的強化作用一方面體現在螺紋翅片增加了換熱面積；另一方面是因為殼程介質流經螺紋管表面時，表面螺紋翅片對層流邊層產生分割作用，減薄了邊界層的厚度。而且表面形成的湍流也較光管強，進一步減薄邊界層厚度。綜合作用的結果，使該管型具有較高的換熱能力。當這種管型用于蒸發時，可以增加單位表面上氣泡形成的數目，進步沸騰傳熱能力；當用于冷凝時，螺紋翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜減薄，熱阻減少，進步冷凝傳熱效率。

2、特點

⑴加工本錢較低；

⑵合用面廣。對殼程介質的蒸發、冷凝、氣態流傳熱、液態流傳熱均有強化作用；

二、合用場合

只要殼側介質比較干凈、無侵蝕、不結垢，均可采用低螺紋翅片管作換熱元件，形成低螺紋翅片管式高效換熱器。

三、空心環支撐菱形翅片管

一、技術原理及特點

⑴原理

空心環支撐菱形翅片管換熱器是以菱形翅片管為傳熱元件，折流板采用空心環式支撐結構形成的一種新型高效換熱器。該換熱器的菱形翅片管為帶有周向非連續三維翅片的高效傳熱管，其傳熱強化機能優于帶周向連續翅片的螺紋翅片管。當用于冷凝強化傳熱時，因為其三維翅片的特殊結構造成翅片表面液膜的表面張力分布不均—根部大，頂部小，液膜被拉向根部，使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄，熱阻減小，使汽態介質和管外壁的換熱能力增強，從而進步換熱效果。當用于對流傳熱強化時，因為其翅片的非連續性，可對流體傳熱邊界層產生周期性的破壞，使翅片表面傳熱邊界層厚度有效減薄，降低邊界滯留底層的傳熱阻力，進步換熱效果。另外，該換熱器的折流板可采用空心環作為支撐元件。空心環管支撐方式將支撐板的管橋變成殼程介質的暢通流暢通道，變普通的橫向折流為縱向流，這種活動方式流體的形體阻力非常小，可使絕大部門流體的壓降作用在強化傳熱管的粗拙傳熱界面上，用于促進界面上的對流傳熱，可充分施展強化管的傳熱強化作用，及有效地避免了各類殼程支撐物對流體形體阻力的不利影響，在低流阻前提下獲得高的傳熱機能。

⑵特點

1、較光滑管比，其表面膜傳熱系數或對流膜傳熱系數進步1-3倍；

2、用空心環作為支撐，可大大降低殼程的流阻；

3、造價一般不超過完成同樣熱負荷的光管換熱器。尤其在擴產改造中，往往只須更換管束便可知足處理量增加20-30%的新工況，設備基礎、配管均無須改動。

4、消除了橫向折流的死區，減少積垢，進步了使用壽命；

5、殼程介質縱向活動，減少了管子振動，有效地降低了因管束振動引起的換熱管早期破壞；

二、應用范圍

采用碳鋼材料制造的菱形翅片管，可廣泛應用于石油、化工、動力等行業的各種殼程有冷凝相變或殼程以對流傳熱為主的各類液-液，氣-液，氣-氣換熱器。只要殼側介質比較干凈、無固體顆粒、無膠質，均可采用菱形翅片換熱器，或以菱形翅片管換熱器替換光管換熱器，進步傳熱效率。

三、規格型號

在知足菱形翅片管使用工況要求的條件下，各種規格、形式的普通換熱器均可采用菱形翅片管作為換熱元件，以空心環支撐板作支撐組件，從而形成空心環支撐菱形翅片管式高效換熱器

四、空心環支撐縮放管

一、原理及特點

1、原理

空心環支撐縮放管換熱器是以縮放管為傳熱元件，折流板采用空心環式支撐結構形成的一種新型高效換熱器。該換熱器的縮放管經軋制而成,軋制后在管的軸向形成了有規律的擴張段和收縮段。與光滑管比擬，在軸向流場方向，流體局部(縮段或放段)的流速和壓力形成周期性變化，使橫向湍動增強，因而可以在較小的Re數下進入湍流狀態(湍流狀態下，統一介質間的熱交換能力增強，介質均溫性增加，換熱管兩側表面介質溫差加大，使換熱速度加快。)；另外，在每一波節的轉換處，因為流體速度和方向發生改變因而形成局部湍流，減少了邊界滯留底層的厚度，增大了膜傳熱系數，進步了換熱能力�？招沫h管支撐方式將支撐板的管橋變成殼程介質的暢通流暢通道，變普通的橫向折流為縱向流，這種活動方式,流體的形體阻力非常小，可使絕大部門流體的壓降作用在強化傳熱管的粗拙傳熱界面上，用于促進界面上的對流傳熱，可充分施展強化管的傳熱強化作用，及有效地避免了各類殼程支撐物對流體形體阻力的不利影響，在低流阻前提下獲得高的傳熱機能。

2、特點

⑴管程和殼程可同時強化傳熱

⑵殼程流阻小。與光滑管比擬，在進步整體傳熱能力30%-50%以上時，殼側壓降僅為光滑管的50%-80%。

⑶除了橫向折流的死區，減少積垢，進步了使用壽命。

⑷程介質縱向活動減少了管子振動，有效地減少了因管束振動引起的換熱管早期破壞。

⑸縮放管的特定外形，在波節的過渡處形成的局部湍流區對此處的換熱表面有一定的沖洗作用，因而具有良好的抗垢功能。

⑹與其它強化管對介質有佷嚴的潔凈要求比擬，縮放管答應流體當中含有一定量的雜質，因而合用介質的范圍更寬。擴產改造中，往往只需更換管束，便可知足處理量增加20%-30%的新工況，設備基礎，配管均無需改動

二.合用場合

除蒸發和冷凝強化作用不顯著外，其它各種形式的換熱器均可采用空心支撐縮放管這種結構進行強化傳熱。

三.規格型號

各種規格、形式的普通換熱器均可采用縮放管做換熱元件，以空心環支撐板做支撐組件，形成空心環支撐縮放管式高效換熱器。

五、鋁多孔表面傳熱管

一、原理及特點

1、原理

鋁多孔表面傳熱管是利用金屬熱噴涂技術，采用含有造孔劑的鋁基粉末，在普通光管的表面制備一層鋁多孔涂層。該涂層在傳熱介質沸騰階段，涂層中的大量微孔變成為汽泡形成的核心，因為微孔內的汽泡處于周圍受熱狀態，氣泡核迅速膨大布滿內腔，持續受熱負氣泡內壓力快速增大，促負氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖洗氣力，并產生一定的局部負壓，使附近較低溫度液體涌入微孔內，形成持續不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內，單位表面積上帶走的熱量遠弘遠于光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。

2、特點

⑴傳熱系數高。當熱負荷鋁g=2.5-3萬大卡/米時，鋁多孔表面的沸騰給熱系數約為光滑表面的6-7倍。

⑵很小的溫差下維持沸騰(0.6-0.7℃)，從而大大減少傳熱的不可逆損失。

⑶價格公道。同類產品，其價格僅為入口產品價格的1/4左右。

二、應用范圍

化工出產中，工況為管別傳熱介質有沸騰相變，管內介質有全部或部門冷凝相變，并且管外介質不結垢，對鋁涂層不侵蝕，在這種場合下使用的各種換熱器中的傳熱管均可采用鋁多孔表面傳熱管作傳熱元件。

六、螺旋槽管

一、原理及特點

1、原理

螺旋槽管，就是普通換熱管經軋制或用其它加工方法在其內外表面形成螺旋槽道的一種高效換熱管形。流體在管內活動時受螺旋槽紋的引導，靠近壁面的部門流體順槽旋轉；另一部門流體順壁面沿軸向活動時，螺旋形的突出也使流體產生周期性的擾動。前一種作用有利于減薄流體邊界層；后一各種換熱器的原理、特點及適用范圍種作用引起邊界層中流體質的擾動，因而可以加快壁面至流體主體的熱量傳遞。兩種作用綜合作用的結果，使管內換熱效果得到加強。管外的強化傳熱主要體現在冷凝過程，當殼程有冷凝相變時，螺旋槽成為排泄凝液的通道，可使凹槽兩邊的冷凝液膜減薄，從而減少熱阻，進步冷凝給熱系數。

2、特點

⑴管內管外可同時強化傳熱。

⑵加工本錢低

⑶合用面廣。對管內外介質的蒸發、冷凝、氣態流傳熱、液態流傳熱均有強化作用；

二、合用范圍

合用于管外冷凝、管內為液態流或氣態流的換熱場合。

七、螺旋折流板

一、原理及特點

1、原理

螺旋折流板換熱器就是用連續螺旋狀的支撐板支持換熱管，使殼程介質從殼程進口進入時，沿螺旋板形成的螺旋通道斜向前進，將傳統的橫向折流方式變成縱向螺旋折流方式，在降低殼程阻力的同時，大大強化傳熱效果。

2、特點

⑴介質在殼體內連續平穩螺旋活動，避免了橫向折流產生的嚴峻壓力損失，因而具有壓降低的特點。

⑵弓形折流板比，在同樣的壓降下，可大幅度進步殼程介質的流速，從而進步Re，使介質傳熱能力增大。

⑶于殼程介質螺旋前進，因而在徑向截面上產生速度梯度，形成徑向湍流，使換熱管表面滯留底層減薄，有利于進步膜傳熱系數。

⑷橫向折流方式比，不存在死區，在進步換熱系數的同時，減少污垢沉積，熱阻不亂，可使換熱器一直處于高效運行狀態。

⑸旋折流板對換熱管的約束要強于弓形折流板，減少了管束振動，延長設備的運行壽命。

⑹程做冷凝換熱時，螺旋折流板可以起到對冷凝后的液體引流作用，減少了冷凝液體對下排管籠蓋，從而進步換熱效果。

⑺種換熱器和普通換熱器的區別僅在于殼程折流板的結構，管束外觀外形、管束和殼體的配合尺寸都不變，在檢驗當中完全可以用螺旋折流板芯子替代弓形折流板式芯子，以進步換熱效果。

二、應用范圍

除管外蒸發的換熱場合，螺旋折流板式換熱器不合用外，其它各種場合均適合這種換熱器的使用。

三、規格型號

各種規格形式的普通換熱器均可采用螺旋折流板作支撐，形成螺旋折流板式換熱器。

八、旋流高效管殼式換熱器

一、原理及特點

⑴原理

旋流高效換熱器，是以傳統管殼式換熱器為基礎，采用螺旋扭曲卵形截面換熱管為換熱元件，并設計了多種特殊結構的擋流支撐組件替換常規管殼式換熱器的折流板，其它結構均采用常規管殼式換熱器的零部件。在旋流高效換熱器中，殼程物流在擋板支撐組件的作用下，在殼程中主要作縱向活動，殼程物暢通流暢道橫截面沿管束縱向周期性地發生變化，使殼程物流在沿螺旋扭曲的換熱管外壁縱向活動的同時，產生復雜的以旋轉和周期性的物流分離與混合為主要特點的強擾動；螺旋扭曲卵形截面換熱管內的螺旋橢形通道使管程物流產生以縱向旋轉和二次旋流為主要特點的強擾動。這種結構使管程物流和殼程物流均產生以旋轉為主要特征的復雜活動，獲得較強的旋轉擾動，從而較大強度地強化了傳熱過程。

⑵特點

①管程和殼程可同時強化加熱。

②強化傳熱效果好，殼程流阻較小。旋流高效換熱器的總換熱系數一般可進步30﹪以上。

③使用壽命長。因為旋流高效換熱器殼程物流基本上為縱向活動，顯著的減少了管束的震驚，大大降低了因為管束震驚而造成的換熱管破裂等失效的可能性；同時也有效的消除了殼程物流橫向活動的“死區”，降低了積垢速率，從而延長了換熱器的使用壽命。

二、合用場合

⑴管內管外均需強化傳熱的場合

⑵流速較低，粘度較大的介質

三、規格型號

各種規格、形式的普通管殼式換熱器均可采用扭曲管作為換熱元件，從而形成旋流高效管殼式換熱器。

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