现在世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面,各国都在致力于新能源开发,因而热交换器的应用又与能源的开发(如太阳能、地热能、海洋热能)与节约紧密相系。所以,热交换器的应用偏及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。它不但是一种广泛应用的通用设备,并且在某些工业、企业中占有很重要的地位。
1.2 换热器的分类
1.2.1 间壁式换热器
(1)夹套式换热器
夹套空间是加热介质和冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。当用蒸汽进行加热时,蒸汽上部接管进入夹套,冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时,冷却介质(如冷却水)由夹套下部接管进入,由上部接管流出。夹套式换热器结构简单,但由于其加热面受容器壁面限制,传热面较小,且传热系数不高。
(2)喷淋式换热器
这种换热器多用作冷却器。热流体在管内自下而上流动,冷水由最上面的淋水管流出,均匀地分布在蛇管上,并沿其表面呈膜状自上而下流下,最后流入水槽排出。喷淋式换热器常置于室外空气流通处。冷却水在空气中汽化亦可带走部分热量,增强冷却效果。其优点是便于检修,传热效果较好。缺点是喷淋不易均匀。
(3)套管式换热器
套管式换热器的基本部件由直径不同的直管按同轴线相套组合而成。内管用180度的回弯管连接,外管亦需连接,结构如图所示。每一段套管为一程,每程有效长度为4~6m。若管子太长,管中间会向下弯曲,使环隙中的流体分布不均匀。套管换热器的优点是构造简单,内管能耐高压,传热面积可根据需要增减,适当选择两管的管径,两流体皆可获得适宜的流速,且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多,接头处易泄漏,单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。
1.2.2 管壳式换热器
管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器,主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成,其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形,内部放置了由许多管子组成的管束,管子的两端固定在管板上,管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热,在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。
流体每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次就称为一个壳程,为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程;同样。为提高管外流速,也可以在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。
这种换热器的结构不算复杂,造价不高,可选用多种结构材料,管内清洗方便,适应性强,处理量较大,高温高压条件下也能应用,但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。
由于管内外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大,换热器内将产生很大的热应力,导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50℃时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,管壳式换热器可以分为以下几种主要类型:
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