制冷与空调专业常用换热器简介

换热器换热器 换热器的发展已经有近百年的历史 其在国民经济的诸多领域 如食品 制药 石油化 工 空调 动力 冶金 轻工等 得到广泛的应用 换热器是化工 石油 制药及能源等行 业中应用相当广泛的单元设备之一 定义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 定义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 换热器 heat exchanger 是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换 器 换热器是制冷空调 暖通 化工 石油 动力 食品及其它许多工业部门的通用设备 在生产中占有重要地位 按使用功能分 冷凝器 蒸发器 再热器 过热器和再沸器等 换热器种类很多 但根据冷 热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即 间壁式 混合式和蓄热式 在制冷空调 暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器 其中在制冷空调 暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器 其中 以间壁式换热器应用最多 以间壁式换热器应用最多 一 混合式换热器一 混合式换热器 混合式热交换器是依靠冷 热流体直接接触而进行传热的 这种传热方式避免了传 热间壁及其两侧的污垢热阻 只要流体间的接触情况良好 就有较大的传热速率 故 凡允许流体相互混合的场合 都可以采用混合式热交换器 例如气体的洗涤与冷却 循 环水的冷却 汽 水之间的混合加热 蒸汽的冷凝等等 它的应用遍及化工和冶金企业 动力工程 空气调节工程以及其它许多生产部门中 1 冷却塔 或称冷水塔 在这种设备中 用自然通风或机械通风的方法 将生产中已经提高了温度的水进行 冷却降温之后循环使用 以提高系统的经济效益 例如热力发电厂或核电站的循环水 合成氨生产中的冷却水等 经过水冷却塔降温之后再循环使用 这种方法在实际工程中 得到了广泛的使用 冷却塔是利用空气同水的接触 直接或间接 来冷却水的设备 是以水为循环冷却剂 从一系统中吸收热量并排放至大气中 从而降低塔内空气温度 制造冷却水可循环使用的设备 冷却塔主要应用于空调冷却系统 冷冻系列 注塑 制革 发泡 发电 汽轮机 铝 型材加工 空压机 工业水冷却等领域 应应用用最最多多的的为为空空调调冷冷却却 冷冻 塑胶化工行 业 具体划分 如下 A A 空空气气室室温温调调节节类类 空空调调设设备备 冷冷库库 冷冷藏藏室室 冷冷冻冻 冷冷暖暖空空调调等等 B 制造业及加工类 食品业 药业 金属铸造 塑胶业 橡胶业 纺织业 钢铁 厂 化学品业 石化制品类等 C 机械运转降温类 发电机 汽轮机 空压机 油压机 引擎等 D 其他类行业 冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔体内部与空气进行热交换 使废热传输给 空气并散入大气中 其结构示意图见图 1 工作原理图见图 2 实物图见图 3 图 1 冷却塔结构示意图 图 2 冷却塔工作原理图 图 3 冷却塔实物图 2 气体洗涤塔 或称洗涤塔 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的 例如用液体吸收气体混合物中的某些 组分 除净气体中的灰尘 气体的增湿或干燥等 但其最广泛的用途是冷却气体 而冷 却所用的液体以水居多 空空调调工工程程中中广广泛泛使使用用的的喷喷淋淋室室 可可以以认认为为是是它它的的一一种种特特殊殊形形式式 喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却 而且还可对其进行加热处理 但 是 它也有对水质要求高 占地面积大 水泵耗能多等缺点 所以 目前在一般建筑中 喷淋室已不常使用或仅作为加湿设 备使用 但是 在以调节湿度为主要目的的纺织厂 卷烟厂等仍大量使 图 4 为大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段 a 喷淋室工作原理图 b 喷淋室构件组合示意图 c 喷淋排管喷淋排管示意图 d d 中中央央空空调调组组合合式式空空调调机机组组段段喷喷淋淋室室实实物物图图 图 4 大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段 3 喷射式热交换器 在这种设备中 使压力较高的流体由喷管喷出 形成很高的速度 低压流体被引入 混合室与射流直接接触进行传热 并一同进入扩散管 在扩散管的出口达到同一压力和 温度后送给用户 4 混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝 二 间壁式换热器二 间壁式换热器 下下面面重重点点介介绍绍本本专专业业应应用用最最多多的的间间壁壁式式换换热热器器 间壁式换热设备按照其功能可命名 如冷凝器 蒸发器 再热器 过热器和再沸器等 按换热部件的特点可分为 管壳式换热器 套管式换热器 翅片管式换热器 包括冰 箱用丝管式冷凝器 箱壁式冷凝器 吹胀式蒸发器 板式换热器 板翅式换热器 管带式 换热器 1 壳管式换热器 壳管式换热器是石油 化工 冶金和制冷等工业部门中应用最普遍 约占 70 理论 研究和设计技术最完善 运用可靠性良好的一类换热器 分为列管式和盘管式 平面型和空 间型 列管式又分为卧式壳管式与立式壳管式 其研究包括了管程和壳程两侧的传热强化 研究 其由壳体 传热管束 管板 折流板 挡板 和管箱等部件组成 壳体多为圆筒形 内部装有管束 管束两端固定在管板上 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 为提高管外流体的传热分系数 通 常在壳体内安装若干挡板 挡板可提高壳程流体速度 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 本本专专业业主主要要用用于于大大型型中中央央空空调调水水冷冷式式机机组组的的水水冷冷式式 冷冷凝凝器器 氨氨制制冷冷系系统统等等 主要 有立式壳管式换热器和卧式壳管式冷凝 器 下面分别予以介绍 立式壳管式冷凝器 立式壳管式冷凝器的外壳是有钢板焊成的圆柱形筒体 筒体两端焊有多孔管板 在 两端管板的对应孔中 用扩胀法或焊接法将无缝钢管固定 成为一个垂直管束 其结 构如图 5 所示 图图 5 立立式式壳壳管管式式冷冷凝凝器器 立式冷凝器的主要特点是 1 由于冷却流量大流速高 故传热系数较高 一般K 600 700 kcal m2 h 2 垂直安装占地面积小 且可以安装在室外 3 冷却水直通流动且流速大 故对水质要求不高 一般水源都可以作为冷却水 4 管内水垢易清除 且不必停止制冷系统工作 5 但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2 4 对数平均温差一般在 5 6 左右 故耗水量较大 且由于设备置于空气中 管子易被腐蚀 泄漏时比易被发现 卧式壳管式冷凝器 卧式冷凝器制冷设备与立式冷凝器有相类似的壳体结构 但在总体上又有很多 不同之处 主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动 卧式冷凝器两端管板外 面各用一个端盖封闭 端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋 把整个管束分隔成 几个管组 从而使冷却水从一端端盖下部进入 按顺序流过每个管组 最后从同一 端盖上上部流出过程中 要往返 4 10 个回程 这样做既可以提高管内冷却水的流 速 从而提高传热系数 又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间 与管内冷却水进行充分的热交换 冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒 具 体结构如图 6 所示 壳壳式式换换热热器器实物图见图 7 8 图图 6 卧式壳管式冷凝器卧式壳管式冷凝器 图图 7 弓弓形形折折流流板板管管壳壳式式换换热热器器 实实物物图图 图 8 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图 知识补充 目前国内壳管式换热器主要还是采用弓型隔板作为管间的支撑结构 在这种结构的换 热器中 流体在壳程呈 z 形流动 在隔板和壳体内壁相连处存在流动死区 流体在隔板 间分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失 在隔板与壳体和传热管与隔板之间存 在旁路流和泄漏流 降低了流体的有效质量流量 这些缺点导致了壳管式换热器传热系数 低 压降高 随着金属材料价格的不断增长和节能工作的迫切需求 促进了高效壳管式换 热器的研究和应用 近年来 螺旋隔板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式 受到国 内外学者的广泛关注 并在工业中推广应用 取得了很好的节能 节材经济效益 折流板是提高换热器工效的重要部件 传传统统换换热热器器中中最最普普遍遍应应用用的的是是弓弓形形折折流流板板 由由于于存存在在阻阻流流与与压压降降大大 有有流流动动滞滞死死区区 易易结结垢垢 传传热热的的平平均均温温差差小小 振振动动条条件件下下易易失失 效效等等缺缺陷陷 近近年年来来逐逐渐渐被被螺螺旋旋折折流流板板所所取取代代 理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲 面 由于加工困难 目前所采用的折柳板 一般由若干个1 4 的扇形平面板替代曲面 相间连接 形成近似的螺旋面 在折流时 流体处于近似螺旋流动状态 相比于弓形折 流板 在相同工况下 这样的折流板 被称为非连续型螺旋折流板 可减少压降45 左右 而总传热系数可提高 20 30 在相同热负荷下 可大大减小换热器尺寸 螺旋折流板管壳式换热器如下图 10 所示 a b c 壳管式换热器螺旋折流板 图 10 螺旋折流板管壳式换热器 2 套管式换热器 套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管 外面的叫壳程 内部的叫管程 两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动 或同向 以达到换热的效果 两种不同直径的管子套在一起组成同心套管 每一段套管称为 一程 程的内管 传 热管 借 U 形肘管 而外管用短管依次连接成排 固定于支架上 热量通过内管管壁由一 种流体传递给另一种流体 通常 热流体 A 流体 由上部引入 而冷流体 B 流体 则由下部引入 套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接 内管与U 形肘管多用法 兰连接 便于传热管的清洗和增减 每程传热管的有效长度取4 7 米 这种换热器传 热面积最高达 18m2 故适用于小容量换热 当内外管壁温差较大时 可在外管设置 U 形 膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封 以减小温差应力 管子可用钢 铸铁 陶瓷和 玻璃等制成 若选材得当 它可用于腐蚀性介质的换热 这种换热器具有若干突出的优点 所以至今仍被广泛用于石油 石油化工等工业部门 具体结构如图 11 所示 实物图如 图 12 所示 d 图 11 套管式换热器结构图 其主要特点有 结构简单 传热面积增减自如 因为它由标准构件组合而成 安装时无需另外加 工 传热效能高 它是一种纯逆流型换热器 同时还可以选取合适的截面尺寸 以提 高流体速度 增大两侧流体的给热系数 因此它的传热效果好 液 液换热时 传热系 数为 870 1750W m 2 这这一一点点特特别别适适合合于于高高压压 小小流流量量 低低给给热热系系数数流流体体的的换换热热 特特别别适适用用于于小小型型水水冷冷 式式制制冷冷与与空空调调装装置置 套管式换热器的缺点是占地面积大 单位传热面积金属耗量多 约 为管壳式换热器的 5 倍 管接头多 易泄漏 流阻大 结构简单 工作适应范围大 传热面积增减方便 两侧流体均可提高流速 使传热 面的两侧都可以有较高的传热系数 缺点是单位传热面的金属消耗量大 检修 清洗和 拆卸都较麻烦 在可拆连接处容易造成泄漏 为增大传热面积 提高传热效果 可在内 管外壁加设各种形式的翅片 并在内管中加设刮膜扰动装置 以适应高粘度流体的换热 a b 图 12 套管式换热器实物图 3 翅片管式换热器 基于制冷与低温技术中的特定工作条件 绝大多数场合都是使用间壁式换热器 其中 尤以传热元件为管子的热交换器在制冷与低温装置中应用最为广泛 历史也最为悠久 这 是因为圆管加工简单 工艺成熟 市场上容易得到 可以在很宽的压力和温度范围内可靠 地工作 即使在工况不稳定 热应力冲击与机械振动等条件下仍能正常工作 此外 对传 热管元件比较容易实现强化传热的加工要求 诸如传热管内 外两侧加翅片 以及加工出 所要求的翅片形状 以实现强化传热 可使整个换热器传热效率高 结构紧凑 尺寸小 重量轻 流动阻力也较小 可按设计目的组合成所要求的几何尺寸特性和外表轮廓尺寸 具有较大的灵活性 和制冷与低温装置的其它部件组装时 连接方便等等 此种形式的换此种形式的换 热器被广泛用于家用空调的蒸发器和冷凝器 在早期的汽车空调或者冷藏车空调冷凝器中热器被广泛用于家用空调的蒸发器和冷凝器 在早期的汽车空调或者冷藏车空调冷凝器中 也广泛采用 翅片管式冷凝器结构图见图也广泛采用 翅片管式冷凝器结构图见图 13 实物图见图 实物图见图 14 翅片管式也叫管片式 管翅式 是较早应用的换热器形式 其套片方法是将厚度很薄 的铝箔 按管组排列方式 在高速冲片机上冲出折边孔 然后将圆管穿人肋片孔中 将安 装好的管片在专门的胀管机上进行胀管 减小接触热阻 管翅式换热器的研究进展可从研究内容 研究目标和研究手段等方面来概括 早期对 管翅式换热器的研究主要集中在翅片管排总的换热性能和流动性能上 翅片的形式多是平 直翅片 主要考察管径 管排数 翅片间距 管排排列方式 翅片厚度等几何参数对换热 及流阻的影响情况 其采用的翅片形式主要有 平直型翅片 波纹型翅片 条缝行翅片 百叶窗翅片 带纵向涡发生器翅片等形式及其组合形式 图图 13 翅片管式冷凝器结构图翅片管式冷凝器结构图 a b 图图 14 翅片管式冷凝器实物图翅片管式冷凝器实物图 图图 15 风机盘管用翅片管式换热器实物图风机盘管用翅片管式换热器实物图 管片式冷凝器一般由圆管和各种型式的翅片构成 翅片与传热管之间通过胀管联结 套片法是我国当前许多厂家所采用的工艺 其方法是将厚度为 O 1 0 3mm 铝箔 按管 组排列形式速冲片机上冲出折边孔 现普遍采用双翻边孔 这样做即可增加铝箔与管子的 接触面积 提高换热效率 5 9 同时 也提高了肋片本身的刚度 便于装配工序提高 工效和质量 还可控制肋片与肋片之间的间距 增加了产品的美观程度 然后将铜管穿人 片孔中 为保证铝箔的孔边与管子接触良好 以减少接触热阻 必须将装好的管片在专门 的胀管机上进行胀管 胀管的方法有液压式的和机械式的 液压胀管是用 10 20MPa 的油压或水压通入管内 使管径胀大约 0 2 0 4mm 使管子达到塑性变形 这样 管间的接触面上就有一定的接触 压力 保证管子与肋片之间接触紧密 但是 有时因管子的材质不均匀 受胀程度不一 会造成一些地方胀不足 而另一些地方又胀过头 胀不足使管子和肋片接触不良 导致过 大的接触热阻 胀过头 则可能使肋片的翻边胀裂 同样会造成过大的接触热阻 另外 液压胀管后 尚需对管内的油或水进行清洗 烘干 机械胀管是用比管子内径适当大些的 钢球 以机械压力挤过去 使管子胀大并达到塑性变形 这样做可保证管子和肋片之间有 良好的接触 机械胀管较之液压胀管均匀 接触热阻小 且可省去胀管后的许多后续工序 为当今工厂普遍使用的方法 值得注意的是 由于管壁厚度与肋片厚度相差许多倍 所以 在换热器工作过程中受 到热胀冷缩的影响 管子和肋片的线膨胀率不尽相同 两者之间产生相对运动 经过一段 时间的工作之后 肋片上的基孔在这种情况下被逐渐扩大 管与片之间由胀管所造成的塑 性变形内应力会随之下降 接触应力相应减低 从而引起接触热阻增大 换热效率降低 这个问题对汽车空调器更值得重视 由于汽车在行驶中将产生比较强烈的颠簸和震动 管由于汽车在行驶中将产生比较强烈的颠簸和震动 管 子和肋片之间原有的内应力在这样条件下就更容易疲劳 引起管子和肋片之间的微观松动 子和肋片之间原有的内应力在这样条件下就更容易疲劳 引起管子和肋片之间的微观松动 另外 肋片上的孔边也会在强烈的振动下 因管子与肋片的振动频率不同 相互之间产生另外 肋片上的孔边也会在强烈的振动下 因管子与肋片的振动频率不同 相互之间产生 相对运动被扩大 更加降低了换热效率 同时还会带来工作噪音的加大和使用寿命的缩短 相对运动被扩大 更加降低了换热效率 同时还会带来工作噪音的加大和使用寿命的缩短 因此 目前汽车空调冷凝器中很少采用这种形式 现在主要采用管带式或者板翅式 平流因此 目前汽车空调冷凝器中很少采用这种形式 现在主要采用管带式或者板翅式 平流 式 式 知识补充知识补充 在风冷热泵型的空调设备中 翅片管式换热器表面结霜是很普遍的问题 换热器表面 结霜增加了翅片和气流间的热阻 降低了换热器的冷却能力 减少了通过换热器的气 流量 增加了气流的压力降 换热器长时间结霜以后 气流通道可能被完全堵塞 为 了保证换热器的理想性能 要周期性地循环除霜 在用来除霜的热量中 事实上只有 15 20 被有效利用 其余的热量都散到周围的环境中 由于结霜的存在 工业上使用 的制冷设备与相同条件下没有结霜的设备相比较 体积大 50 左右 能耗增加了 25 翅片管式换热器表面结霜图片见图 16 图 16 翅片管式换热器表面结霜照片 冰箱常用的翅片管式换热器 冰箱常用的翅片管式换热器 丝管式冷凝器 箱壁式冷凝器 铝复合板吹胀式蒸发器 冷库常用蒸发器也归属翅片管式换热器 丝管式冷凝器为第一代冰箱冷凝器 现代冰箱主要应用箱壁式冷凝器 其实物图参见 图 17 所示 a 丝管式冷凝器丝管式冷凝器 b 箱壁式冷凝器箱壁式冷凝器 c 冰箱实物图 图图 17 翅片管式换热器翅片管式换热器 吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱中采用的十分普遍吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱中采用的十分普遍 铝复合板式蒸发器是利用预 先以铝 锌 铝三层金属板冷轧而成的铝复合板 按蒸发器所需的尺寸裁切好 平放在刻有 管路通道的模具上 加压到 4900N 并用电加热到 440 500 待复合板中间的锌熔化后 以 2 4 2 8MPa 的高压氮气吹胀便形成管型 经过数秒后再进行抽空 冷却后 锌层便与铝 板粘合 之后可以将其弯曲成所要的形状 再将其搭边铆接即成 或者采用印刷管路吹胀印刷管路吹胀 法法 吹胀式蒸发器吹胀式蒸发器参见图 18 冷库常用翅片管式蒸发器参见图 19 a b 图图 18 吹胀式蒸发器吹胀式蒸发器 a b 图图 19 某冷库蒸发器某冷库蒸发器 4 板式换热器 板片式换热器 板片式换热器是由传热板片 密封垫片 压紧板 上下导杆 支柱 加紧螺栓等零件 组成 传热板片四个角开有角孔并镶贴密封垫片 设备加紧时 密封垫片按流程组合形式 将各传热板片密封连接 角孔处互相连通 形成迷宫式的介质通道 使介质在相邻的通道 内逆向流动 经强化热辐射 热对流 热传导进行充分的热交换 板片式换热器结构示意板片式换热器结构示意 图见图图见图 20 工作原理图见图 工作原理图见图 21 由于传热片特殊的结构 装配后在较低的流速下 Re 200 就能激起强烈的湍流 因 而加快了流体边界层的破坏 强化了传热 板式换热器一般工作压力为 0 3MPa 1 6MPa 工 作温度一般低于 160 具有传热效率高 占地面积小 寿命长 耐压高 流动阻力小 拆卸方便 快捷等特具有传热效率高 占地面积小 寿命长 耐压高 流动阻力小 拆卸方便 快捷等特 点 被广泛应用于集中供热与区域供冷领域 比如 热电厂废热区域供暖 加热生活用水 点 被广泛应用于集中供热与区域供冷领域 比如 热电厂废热区域供暖 加热生活用水 锅炉区域供暖 锅炉区域供暖 1 高效节能 其换热系数在 3000 4500kcal m2 C h 比管壳式换热器的热效率 高 3 5 倍 2 结构紧凑 板式换热器板片紧密排列 与其他换热器类型相比 板式换热器的占地 面积和占用空间较少 面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的 1 5 3 容易清洗拆装方便 板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧 因此拆装方便 随 时可以打开清洗 同时由于板面光洁 湍流程度高 不易结垢 4 使用寿命长 板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制 可耐各种腐蚀介质 胶垫 可随意更换 并可方便在 拆装检修 5 适应性强 板式换热器板片为独立元件 可按要求随意增减流程 形式多样 可适 用于各种不同的 工艺的要求 6 不串液 板式换热器密封槽设置泄液液道 各种介质不会串通 即使出现泄露 介 质总是向外排出 a b c 图图 20 板片式换热器结构示意图板片式换热器结构示意图 a b c 图图 21板板片片式式换换热热器器工工作作原原理理图图 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器 是一种高效换热器设备 适用汽 汽 汽 液 液 液 对液传热 它适用于化学 石油 溶剂 医药 食品 轻工 纺织 冶金 轧钢 焦化等行业 它主要由传热板 定距柱 连接管 头盖及衬垫等组成 两块厚约2 5 6mm 的金属板 卷成一对同心圆的螺旋形流道 流道始于中心 终于边缘 中心处用隔板将两边流体隔 开 甲乙流体在金属板两边的流道内逆流流动而实现了热交换 螺螺旋旋板板式式换换热热器器 结结构构 示示意意图图见见图图 2 22 2 螺旋板式换热器性能类似于板式换热器 但也有独特之处 其主要优点 1o 传热效率高 螺旋板换热器内介质螺旋型流动的离心力能增强湍流 据实验 当 Re 1400 1800 时就能形成湍流 且因流阻比壳管式小 流速可以更大 结果可以使传热 系数提高 2 5 倍左右 此外 螺旋板式为全逆流 传热温差也会更大 2o 结构紧凑 单位体积传热面积可以为 44 100m2 m3 约为管壳式换热器的 2 3 倍 3o 不易污塞 由于单流道 高流速 污垢不易沉积 4o 流阻较小 a b 图图 2 22 2 螺螺旋旋板板式式换换热热器器 结结构构示示意意图图 5 板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果更好 更为紧凑的板式换热器 它是由平隔板和各种型式 的翅片构成板束组装而成 如图 23 所示 在两块平行薄金属板 平隔板 间 夹入波纹状 或其他形状的翅片 两边以侧条密封 即组成为一个单元体 各个单元体又以不同的叠积 适当排列 并用钎焊固定 成为常用的逆流或错流式权翅式换热器组装件 或称为板束 现时将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上 就成为板翅式换热器 图 23 板翅式换热器 作为一种新型的紧凑式换热器 它的发展使得换热器的效率提高到新的水平 结构更紧 凑 这种换热器的采用 满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机 汽车发动机冷却 的需要 由于具有体积小 质量轻 效率高 可处理两种以上介质的优点 板翅结构换热 器迅速在石油化工 乙烯装置中得到推广使用 在制冷空调领域 应用于余热回收有较大在制冷空调领域 应用于余热回收有较大 前景 比如 中央空调用热回收式新风机组 发动机余热回收等 在空分行业 作为一种前景 比如 中央空调用热回收式新风机组 发动机余热回收等 在空分行业 作为一种 紧凑高效的换热器 实现作为原料气的空气 增压空气和氧气 氮气 污氮气等返流气体紧凑高效的换热器 实现作为原料气的空气 增压空气和氧气 氮气 污氮气等返流气体 之间的热交换 之间的热交换 板翅式换热器的内部结构核心是板束 板束是以多个由将翅片 导流片放入两个隔板间 再配合封条组成的通道焊接而成的整体 板翅式换热器的板束装配以必要的封头 接管和 制成部件就形成了完整的换热器装置 参见图 24 其工作原理图见图 25 实物图见图 26 图 24 板翅结构换热器 板翅式换热器首先应用于汽车和航空工业 20 世纪 50 年代开始在空分设备中应用 冶 金 化学工业对空分设备的大量需求 有力推动了板翅式换热器的技术进步 在我国 铝 制板翅式换热器由杭州制氧机集团公司 以下简称 杭氧 等在 20 世纪 60 年代中期开发成 功 使我国成为继英国 美国和日本之后第四个能够生产这种换热器的国家 但杭氧当时 设计生产的铝制板翅式换热器多以低压换热器为主 2 0MPa 随着空分技术的不断发展 尤其是内压缩流程的不断成熟和应用 要求板翅式换热器的设计压力提高 尤其进入 20 世 纪 80 年代以来 随着我国内地和沿海油田的不断开发和石油化工行业的快速发展 承受中 高压的板翅式换热器应用日趋广泛 由于国内无法制造中 高压力的板翅式换热器 当时 我国用于大型空分设备和石油化工设备中的中 高压板翅式换热器全部依赖进口 图图 2525 板翅式换热器工作原理图板翅式换热器工作原理图 图 26 板翅式换热器实物图 板翅式换热器的特点很多 包括以下几个 1 板翅式换热器的传热效率好 板翅式换热器的隔板和翅片都薄而透热 对热能的传导性较好 且翅片对流体有搅动作 用 能够增大换热器的换热系数 因此板翅式换热器能够达到较高的换热效率 2 板翅式换热器的结构紧凑 板翅式换热器是由整体的板束组成 内部结构紧凑 再加上多数部件以铝合金为材料制 造 因此板翅式换热器的体积小 重量轻 便于安装和维护 传热面积可高达 17300m2 m3 一般为管壳式换热器的 6 10 倍 3 板翅式换热器的适应性好 板翅式换热器可以用于气 气 气 液 液 液等各种流体传热组合 并能适应逆流 错 流 多股流 多程流等各种不同的换热工况 是换热器中对工作要求适应性最好的一种 4 板翅式换热器的组合方式多 成本低 板翅式换热器能以串联 并联和串并联等各种形式组合使用 可满足各种大型设备的换 热需求 便于使用企业以积木式组合类扩大换热器规模 批量生产降低经济成本 图 27 为常用的几种翅片形式 图 27 常用的几种翅片形式 板翅式换热器具有结构紧凑 传热效率高等特点 但由于换热器部件设计不当 制造 工艺以及安装等原因会导致换热器内部物流分配和温度分布不均匀 进而导致换热效率降 低 其中换热器入口结构 封头 不合理是引起其内部物流分配不均匀的重要因素 图 28 为分配器的一种形式 图 28 带分配器的板翅式换热器 6 管带式换热器 管带式换热器具体结构及工作原理如图 29 图图 29 管带式换热器管带式换热器 1 盘管 盘管 2 散热翅片 散热翅片 A 气态制冷剂 气态制冷剂 B 液态制冷剂液态制冷剂 图图 30 汽车空调用管带式冷凝器汽车空调用管带式冷凝器 由于汽车在行驶中将产生比较强烈的颠簸和震动 管子和肋片之间原有的内应力在这 样条件下就更容易疲劳 引起管子和肋片之间的微观松动 现在管翅式冷凝器在汽车空调 中已很少采用 汽车空调冷凝器的阻力和换热性能 直接影响着整个空调系统的性能 它的换热效率 不仅直接影响冷性能 而且对降低整个空调系统的体积和质量 节约原材料都有决定性意 义 从质量来看 它们占了整个汽车空调系统质量的 50 而体积则占 80 直接威胁着 汽车空间布局和有效容积 新型换热设备在不断发展 并迅速应用于汽车空调系统中 对 冷凝器的优化设计具有很高的现实意义 并日益成为研究热点 由于管带式换热器和平流式换热器具有结构紧凑 换热效率高等优点 现在在汽车空 调中普遍应用 平行流式冷凝器换热能力较管带式冷凝器提高约 30 而制冷剂侧压降 仅是管带式的 20 30 因此 平流式冷凝器作为一种新一代高效紧凑式换热器必将为 未来汽车空调主流 三 蓄热式换热器三 蓄热式换热器 蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备 内装固体填充物 用以贮蓄热量 在制冷空调行业 主要应用于冰蓄冷空调 蓄冰装置主要有冰球式 盘管式 动态 冰浆式 参见图 31 冰蓄冷空调系统流程图见图 29 a 蓄冰装置蓄冰装置 b 蓄冰球蓄冰球 图图 31 蓄热式换热器 图 32 冰蓄冷空调系统流程图 下面章节为换热器相关研究补充前沿 知识补充 1 换热器传热强化方法换热器传热强化方法 换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内 单位传热面积传递的热量达到最 多 应用强化传热技术的目的是 提高现有换热器的换热能力 减小设计传热面积 以减 小换热器的体积和质量 减小换热器的阻力 以减小换热器的动力消耗 使换热器能在较 低温差下工作 强化传热主要有 3 种途径 提高传热系数 扩大传热面积和增大传热温差 强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类 主动式强化传热需要消耗外部能量 如采 用电场 磁场 光照射 搅拌 喷射等手段 被动式强化传热则不需要消耗外部能量 是 换热器强化传热主要采用的方法 如传热管的表面处理 传热管的形状变化 管内加入插 入物 改变支撑 这里主要介绍被动式传热 1 螺旋槽管 螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管 传热管内外表面的凸起或槽纹 干扰了管内流体的流动 破坏了层流边界层 流动状态达到充分的湍流 产生的漩涡又不 断地扰动边界层的流体 促进了传热管同流体间的热交换 湍流度的增加也有助于避免污 垢在传热管壁面的沉积 提高传热系数 增强了管内外流体的换热 螺旋升角对换热的影 响很大 大螺旋升角更有利于换热 研究表明 螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了 2 4 倍 在阻力损失和换热面积相同时 换热量可增加 30 一 40 旋流管是螺旋槽纹管的衍生品 也叫异型螺旋槽管 其槽纹是半流线的勺形或 w 形 流体在其内流动呈波状特性 它的传热机理与螺旋槽管大体相同 这种传热管的传热面积 和传热系数大大增加 传热系数比光管提高 3 5 倍 并且在相同传热量下旋流管的换热系 数比螺旋槽管高 3 一 8 而压力损失低 5 一 10 2 波纹管 波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管 由于波纹管的壁很薄 传热管可以自由伸 缩 流体在管内流动时 截面不断的变化 扰动流体 破坏层流边界层 以强化传热 波 纹管的传热效率通常是光管的 2 4 倍 同时还具有除垢能力强 温差应力小 结构紧凑轻 巧等特点 波纹管的壁薄 有波纹突起 可以有效地消除纵向应力 但是波纹管的强度问 题没有很好的解决 应用范围受到限制 3 横纹管 横纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成 与管子轴线成 90 角 影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形 而肋高影响较小 并且传热 综合因子随流动 Re 数增大而迅速降低 横纹抗垢能力要优于光管 渐近污垢热阻值约为光 管的 0 83 污垢状态下横纹管的强化比约为 1 4 说明横纹管其性能比光管要好 也比 螺纹管好 在同样传热效果下 阻力增加比螺旋槽管少 4 螺旋椭圆扁管 螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形 然后扭曲而成 流体在管内处于螺旋流动状 态 因而破坏了管壁附近的层流边界层 提高了传热效率 这种管束结构的特点是 两个 并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触 互相支撑 应用这种管的换热器取消了附加的 管束支撑物 节约了材料和成本 研究表明 螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性 能 管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响 从综合性能来看 大管径优于小管 径 对于相同规格的管子 导程增大 传热性能降低 流动阻力减小 这种结构的换热器 与光管换热器相比 热流密度高 50 容积小 30 2 换热器新技术换热器新技术 1 不结垢换热器不结垢换热器 不结垢换热器的开发 国外始于 20 世纪 70 年代初 用于海水脱盐 后来应用到化工 食品 海水淡化和造纸等领域 尤其应用在一些会发生严重结垢的场合 或含有大量不溶 解颗粒的液体处理系统中 而国内从 20 世纪 90 年代初对不结垢换热器进行基础性试验研 究 近年来 长岭炼油化工总厂研制成功了一种称之为管内弹簧自动清洗高效自洁换热器 其技术核心是螺旋形弹簧和固定元件组成的一个简单的机械系统 将此系统安装在换热器 管内 在流体动能作用下 该系统产生连续的振动 促进湍流程度 破坏了污垢生成条件 从而达到防垢和强化传热的目的 使用该换热器总传热系数可提高 30 50 除垢率达 到 50 70 2 微通道换热器微通道换热器 换热器 T 质通过的水力学直径从管片式的庐 10 50mm 板式的声 3 10mm 不断发 展到小通道的 0 6 2mm 微通道的 10 600 m 这是现代微电子机械快速发展对 传热的现实需求 也是微通道具有的优良传热特性使然 微通道技术同时触发了传统工业 制冷 汽车空调 家用空调等领域提高效率 降低排放的技术革新 在家用空调方面 当流道尺寸小于 3 mm 时 气液两相流动与相变传热规律将不同于 常规较大尺寸 通道越小 这种尺寸效应越明显 当管内径小到 0 5 1mm 时 对流 换热系数可增大 50 100 将这种强化传热技术用于空调换热器 适当改变换热器结 构 工艺及空气侧的强化传热措施 预计可有效增强空调换热器的传热 提高其节能水平 与最高效的常规换热器相比 空调器的微通道换热效率可望提高 20 30 L3J 在这方面 全球几大散热器生产厂家如 Delphi Aluventa 和 Danfoss 经开始将微通道散热器推广应用于 家用空调如多联机 户式中央空调 这将使产品拥有巨大的竞争力 我国阳江宝马利 江 苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐 已开发出多种微通道家用空调散热器 3 塑料换热器 塑料换热器 塑料换热器是以小直径塑料软管作为传热组件的换热器 常用的塑料有聚四氟乙烯 F4 聚全氟代乙丙烯 F46 可熔性聚四氟乙烯 PFA 聚丙烯或聚乙烯 塑 料换热器主要用于工作压力为 0 2 0 4MPa 工作温度在 200 200 之间的各种强腐 蚀性介质的换热 如硫酸 腐蚀性极强的氯化物溶液 醋酸和苛性介质的冷却或加热 塑料换热器的结构有管壳式换热器和沉浸式换热器两种型式 它们的主要部分都是 由许多小直径薄壁的塑料传热软管组成的管束 常用的管子规格有多种 外径 壁厚 分别为 3 12mm 0 3 1 0mm 管束包含有 60 5000 根管子 两端各用聚四氟乙烯卷 带互相隔开 管束插在一环中 焊成整体蜂窝状管板 塑料换热器的其它部件与常见的 用金属管作为传热组件的管壳式换热器和沉浸式换热器略同 塑料的化学性能极稳定 抗蚀性能尤好 塑料管壁表面光滑 并且有适度的挠性 使用时微有振动 故不易结垢 塑料换热器体积小 结构紧凑 设备单位体积内传 热面积为金属管的管壳式换热器的 4 倍多 挠性的塑料管能在流体的冲击和振动中安全 工作 管束可按需要制成各种特殊形状 塑料的导热系数低 力学性能较金属差 不 耐高温 采用小直径 薄管壁 虽对导热系数和力学性能有所补偿 但仍只能用于较 低压力和较低温度的场合 塑料换热器的生产制作已越来越成熟 且广泛应用于化工 医药 酸洗等腐蚀性行 业 3 低温换热器 低温换热器的一些特点 1 要求换热效率高 温差小 2 流动阻力 3 尺寸与重 量 例如 在工质为氮的单级焦耳 汤姆逊液化循环中 当高压压力为 1 96x107Pa 低压压力为 9 8x104Pa 换热器的效率低于 85 5 时 液化率就等于零 低温换热器中换热不完全的冷 损需要冷量来补偿 随着低温设备工作温度的进一步降低 为获得此温度水平冷量花的代 价越大 即冷量的价值越大 所以低温换热器的工作温度越低 对它的要求越高 低温换 热器的传热多在小温差下进行 传热温差越小 换热不可逆损失也越小 例如 在氦液化 设备中 某些低温换热器当其热端温差超过 0 5K 时 液化设备就无法正常运行 由于小的传热温差 要传递一定的热量 势必要增加传热面积 或采用更高的流速 加上低温换热器对流动阻力 尺寸与重量的要求 使得低温换热器的设计处于错综复杂 相互矛盾的要求之中 冷却器 科技名词定义科技名词定义 中文名称 冷却器 英文名称 cooler 定义 降低压缩空气温度的换热器 按设置的位置不同可分为 中间冷却器 intercooler 后冷却器 aftercooler 应用学科 煤炭科技 一级学科 矿山机械工程 二级学科 压气机械 二级学科 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 目录 简介 用途 结构 原理 选型 种类 安装方式 启用 水垢影响 1 影响表现 2 预防影响 日常检查 日常维护 停用 使用注意 排除故障 冷却水 1 概述 2 维护 展开 简介 用途 结构 原理 选型 种类 安装方式 启用 水垢影响 1 影响表现 2 预防影响 日常检查 日常维护 停用 使用注意 排除故障 冷却水 1 概述 2 维护 展开 编辑本段编辑本段简介简介 cooler cooling apparatus 优质冷却器冷却器是换热设备换热设备的一类 用以冷却流体冷却流体 通常用水或空气为冷却剂冷却剂以除去热量热量 有 间壁式冷却器 喷淋式冷却器 夹套式冷却器和蛇管式冷却器等 广泛用于大功率硅整流 和感应炉及中频炉等大电器设备配套作为冷却保护付机的纯水 水风 油水 油风冷却装 置 如江苏丰磊换热设备有限公司便是此类产品国内资深的生产厂家 冷却器冷却器以间壁式 混合式 蓄热式交换器为主要对象 冷却器的工作原理 传热计算 结 构计算 流动阻力计算和设计程序 在热交换器一书中均有较多插图和详尽的例题 1 编辑本段编辑本段用途用途 滤水器为反冲洗式结构 也称工业滤水器工业滤水器 分手动滤水器和电动滤水器两种 适用于 管径 在 DN50 500mm 的电站 化工 印染 造纸等各种行业的供用水管道上 过滤水中大于 2mm 以上的杂物 本滤水器具有如下优点 1 外型尺寸小 便于现场的布置和安装 2 滤水器滤水器进 出水口结构为上下分体式 不仅避免水压直接冲击滤网 也改变了传统滤网过 滤时因杂物远离排污口 排污时需对几个过滤室逐一清洗 往往会造成卡堵现象 3 网板材质及结构最大限度提高水流的过流面积 有效减少滤网水阻 保证运行可靠不发 生卡 堵 塞现象 大大延长了滤网 4 滤网采用 2 8mm 不锈钢板整体冲压成形 网芯能承受 150 kPa 的差压 而不变形 不损 坏 具有工作寿命长 耐腐蚀 不生锈 表面光洁 不结垢的特性 5 电动装置速度慢 运行平稳 可进行正 反转冲洗 清污效果强 排污耗水量少 1 编辑本段编辑本段结构结构 滤水器主要结构有 1 转动轴系 2 进出水口 3 不锈钢滤网 4 壳体 5 电动减速机 旋转手柄 6 排污口 7 排气口等组成 1 编辑本段编辑本段原理原理 手动工作过程 滤水器接入管道系统后 水由下部进水口进入滤水器 当水中杂质通过网芯 时 由于体积大于网芯孔 而衩截留在网芯上 当聚积到一定数量时 即造成进出水口产 生一定压差值 滤网精度直径不同压差不同 一般为 0 15Mpa 手动打开排污阀门 排污 开始 转动手柄 旋转方向分正反时针旋转均可 每 10 秒 30 秒转动一格 手柄指向每一 个凹部固定 直至旋转一圈 关闭排污阀 手动排污完成 1 编辑本段编辑本段选型选型 1 压差排污 当杂质聚积到一定数量时 利用冷却水进出水管之间差压信号来反冲洗排污 即电接点压力表接通控制信号 控制机构打开电动排污阀 电动减速机将以每分钟 3 6 转 的转速运转 经由排污管路和排污阀门排入冷却水出水管中 清排一次约 5 10 分钟左右 当出现大的杂物 滤网不能运行到位时 电动装置应作反方向运行 冲洗杂物 2 用户如需要可设置排污时间性 在 0 99 小时内设定清洗排污时间 一般设置为 12 个小 时排污一次 时间设定可以按照电厂水质的情况而做相应调整 即设定时间启动电动减速机 进行反转使排污阀打开 依次进行反转反冲洗排污 直至全部腔室反冲完毕 电动装置停 止工作 电动反冲阀和电动排污阀关闭 排污工作全部结束 1 编辑本段编辑本段种类种类 第一种液压机冷却器列管式 有双重管式 立式 卧式 浮头式等多种 这种类型的特点 是用作冷却的水从管内部流过 而油则从列管的间隔中流过 中间设置的折板让油折流 它所使用的双城甚至四程流动方式让它的冷却效果更加强烈 第二种波纹板式也分为人字和斜波纹式等 利用波纹构造排列的接触点 让流体在流速并 不高的情况下形成紊流 大幅度的提升了散热的效果 第三种的风冷式液压机冷却器一样分为间接式 固定式和悬挂式等等多种 它的特点也有 许多 它简单的结构 小体积小重量和使用方便等都是它的优势所在 2 编辑本段编辑本段安装方式安装方式 冷却器安装方式分为立式冷油器和卧式冷油器 立式冷却器立式冷却器具有所需安装面积小 安装方 便等特点 卧式冷油器具有压降较小 抗水冲击性强等特点 因此根据不同的场地 空间 高度 使用性能等要求正确选用立式或卧式冷油器 能更好地满足发电机组及其它设备的 需要 1 冷却器 编辑本段编辑本段启用启用 1 冷却器打压试验合格后 方可投用 启用前排尽内部存水 2 检查各倒淋 放空阀是否灵活好用及开关位置 压力表 温度计是否全部装好 3 检查基础 支座是否牢固 各部螺栓是否满扣 紧固 4 投用时 先投冷流 后投热流 5 在投用冷介质或热介质时 首先要保证副线畅通 再缓慢开出口阀 检查无问题后开入 口阀 一定要缓慢开 防止憋压 投用过程要注意观察设备变化情况 冷却器投用后 随 着温度压力的变化 可能会出现泄漏现象 应及时进行检查 1 编辑本段编辑本段水垢影响水垢影响 镁离子和酸式碳酸盐 有碳酸盐的生成 另外 形成铁锈 由于锈垢的产生 换热效果下 降 使换热效果失去作用 节约能源 延长设备的使用寿命 1 影响表现影响表现 1 压缩机组的影响 由于冷却水质差 在冷却器中形成的污垢热阻大 使冷却器不能正常 运行 导致了压缩机中每一级的进口 出口参数偏离 影响了级与级之间的匹配性能 降 低了压缩机的效率 减少了加工气量 增加了机组的能耗 使机组的整体性能下降 最终 使空分装置的产量下降 能耗增加 运行周期缩短和变工况调节范围缩小 2 冷冻机的影响 冷却水形成的污垢热阻大 使冷冻机中的冷凝器不能正常运行 冷媒的 冷凝压力 温度升高 使冷冻机的制冷量下降 导致空气出空冷塔进分子筛纯化器的温度 升高 降低了分子筛的吸附能力 这也将使空分装置的运行周期缩短 3 对预冷系统的影响 对于空气预冷系统 当水质较差时 在空气冷却塔内的部件上 如 筛板 填料 也要形成污垢 从而降低了冷却塔的换热效率 使空气温度升高 也要影响 分子筛的吸附能力 导致空分装置的运行周期缩短 预防影响预防影响 预防冷却器水垢的产生应该从源头上实施控制 可最大限度的保证系统的良好运行 减少 损失 如安装 奥瑞沃 自动自清洁水过滤器 另外 也可以使用电子除垢仪 如德科乐 电 电子除垢仪 单程冷却塔 子除垢仪 它的原理是利用综合电波改变水里的钙 镁等离子的物理结构 变成不溶于水 的新结晶体 它们会悬浮于水里 不会粘附于管壁上 防止水垢形成 由于钙镁等离子从 水中析出 水便回复于高溶解状态 水本身为高溶解度液体 但会因吸收其它物质而致饱 和 当回复为高溶解状态的水流经有水垢的管道 便能把水垢溶解并吸收 并于排水时排 走 因此 该产品除具有防止水垢形成外 还能有效清除老垢 1 编辑本段编辑本段日常检查日常检查 冷却器投用后 操作人员应定期对换热器进行巡回检查 判断其是否运行正常 1 检查工艺参数 严禁超温 超压运行 列管式冷却器 2 检查隔槽 大锅 接口法兰有无泄漏 3 检查基础支座的稳固情况 4 检查冷却器及管线的振动情况 5 定时查看油品颜色及换热后的温度变化 1 编辑本段编辑本段日常维护日常维护 冷却器冷却器因冷却水大多数含有钙 镁离子和酸式碳酸盐酸式碳酸盐 当冷却水流经金属表面时 有碳酸 盐的生成 另外 溶解在冷却水中的氧还会造成金属腐蚀 形成铁锈 由于锈垢的产生 换热效果下降 严重时不得不在壳体外喷淋冷却水 结垢严重时会堵塞管子 使换热效果 失去作用 研究的数据显示水垢沉积物对热传输的损失影响巨大 随着沉积物的增加会造 成能源费用的加大 节约能源 延长设备的使用寿命 同时节约生产时间和费用 长期以来传统的清洗方式如机械方法 刮 刷 高压水 化学清洗 酸洗 等在对设备清洗 时出现很多问题 不能彻底清除水垢等沉积物 酸液对设备造成腐蚀形成漏洞 残留的酸 对材质产生二次腐蚀或垢下腐蚀 最终导致更换设备 此外 清洗废液有毒 需要大量资 金进行废水处理 利用福世泰克清洗剂清洗凝汽器 福世泰克的高效 环保 安全 无腐蚀 不但清洗效果 良好而且对设备没有腐蚀 能够保证凝汽器的