換熱設(shè)備

　　換熱器是用來完成各種傳熱過程的設(shè)備，它是化工、石油、核能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。

　　(一)換熱設(shè)備分類

　　熱傳遞有3種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

　　1.按作用原理或傳熱方式分類

　　(1)混合式換熱器。

　　(2)蓄熱式換熱器。

　　(3)間壁式換熱器。這種形式的換熱器使用最廣泛。

　　2.按生產(chǎn)中的使用目的分類。可分成冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器(或再沸器)和換熱器等。

　　3.按換熱器所用材料分類。一般分成金屬材料和非金屬材料換熱器。

　　4.按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類。

　　(二)幾種常用換熱器

　　常用的換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、螺旋板式、板式、板翅式等。

　　1、夾套式換熱器

　　這種換熱器構(gòu)造簡(jiǎn)。換熱器的夾套安裝在容器的外部，夾套與器壁之間形成密封的空間，作為載熱體(加熱介質(zhì))或載冷體(冷卻介質(zhì))的通路。夾套一般用碳鋼或鑄鐵制成，可焊在器壁上或者用螺釘固定在容器的法蘭或器蓋上。

　　夾套式換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱或冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水則由下部接管流出。作為冷卻器時(shí)，冷卻介質(zhì)(如冷卻水)由夾套下部的接管進(jìn)入，而由上部的接管流出。

　　該種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受到容器的限制，因此只適用于傳熱量不太大的場(chǎng)合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使容器內(nèi)液體作強(qiáng)制對(duì)流;為了彌補(bǔ)傳熱面的不足，還可在容器內(nèi)安裝蛇管換熱器。

　　2、蛇管式換熱器

　　其傳熱面是由彎曲成圓柱形或平板形的蛇形管子組成。制作蛇管的材料有鋼管、銅管或其他有色金屬管、陶瓷管、石墨管等。蛇管式換熱器可分沉浸式和噴淋式兩種。

　　(1)沉浸式蛇管換熱器。蛇管多以金屬管彎制，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(dòng)而進(jìn)行熱量交換。這種蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐，能承受高壓。主要缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的對(duì)流換熱系數(shù)較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。如在容器內(nèi)加攪拌器或減小管外空間，則可提高傳熱系數(shù)。

　　(2)噴淋式蛇管換熱器。噴淋式蛇管換熱器多用作冷卻器。這種設(shè)備常放置在室外空氣流通處，冷卻水在汽化時(shí)，可帶走部分熱量，可提高冷卻效果。它和沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修和清洗、傳熱效果較好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。

　　3、套管式換熱器

　　套管式換熱器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180°的回彎管將多段套管串連而成。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)造較簡(jiǎn)單;能耐高壓;傳熱面積可根據(jù)需要而增減;適當(dāng)?shù)剡x擇管子內(nèi)徑、外徑，可使流體的流速較大，且雙方的流體可作嚴(yán)格的逆流，有利于傳熱。缺點(diǎn)是：管間接頭較多，易發(fā)生泄漏;單位換熱器長(zhǎng)度具有的傳熱面積較小。故在需要傳熱面積不太大而要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí)，宜采用套管式換熱器。

　　4、列管式換熱器

　　列管式換熱器是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，與前述的各種換熱器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造的材料范圍較廣，操作彈性較大等。因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。

　　在列管換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別，若兩流體的溫差較大(50℃以上)時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同，列管式換熱器有下面幾種形式：

　　(1)固定管板式熱換器。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。例如具有補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))的固定管板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)，以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度，這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不宜用于兩流體的溫差較大(大于70℃)和殼方流體壓強(qiáng)過高(高于600kPa)的場(chǎng)合。

　　(2)U型管換熱器。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其他管子和殼體均無關(guān)。這種形式換熱器的結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，重量輕，適用于高溫和高壓場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈;且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差。

　　(3)浮頭式換熱器。浮頭式換熱器兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱(或受冷)時(shí)，管束連同浮頭可自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)，浮頭式換熱器不但可以補(bǔ)償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較多，造價(jià)較高。

　　(4)填料函式列管換熱器。該換熱器的活動(dòng)管板和殼體之間以填料函的形式加以密封。在一些溫差較大、腐蝕嚴(yán)重且需經(jīng)常更換管束的冷卻器中應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單，制造方便，易于檢修清洗。

　　5、板片式換熱器

　　板片式換熱器的傳熱面是由冷壓成形或經(jīng)焊接的金屬板材構(gòu)成的。屬于這類的換熱器有螺旋板式換熱器、板式換熱器和板翅式換熱器等。

　　6、非金屬換熱器

　　在化工生產(chǎn)中有不少具有強(qiáng)腐蝕性的物料，這時(shí)用普通材料制成的換熱設(shè)備不能滿足需要。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)和發(fā)展了許多耐腐蝕的新型材料(如陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等)的換熱器。

　　例題1.可逆流操作的換熱器種類較多，當(dāng)需要的傳熱面積不太大而所要求的壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí)，宜選用( )。

　　A.夾套式換熱器 B.蛇管式換熱器 C.套管式換熱器 D.列管式換熱器

　　答案：C

　　解題思路：這道題的考點(diǎn)是常用換熱器的種類與性能。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)造較簡(jiǎn)單;能耐高壓;傳熱面積可根據(jù)需要而增減;適當(dāng)?shù)剡x擇管子內(nèi)徑、外徑，可使流體的流速較大，且雙方的流體可作嚴(yán)格的逆流，有利于傳熱。缺點(diǎn)是：管間接頭較多，易發(fā)生泄漏;單位換熱器長(zhǎng)度具有的傳熱面積較小。故在需要傳熱面積不太大而要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí)，宜采用套管式換熱器。

　　例題2. 在換熱器設(shè)備中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造材料范圍廣、操作彈性大，在大型裝置上廣泛采用的是( )。

　　A. 夾套式換熱器 B. 蛇管式換熱器 C. 列管式換熱器 D. 板片式換熱器

　　答案：C