过程原理与装备

过程原理与装备---------热交换部分6.2热量交换过程的基本设备1)三大类别：直接接触式、蓄热式和间壁式。(2)蓄热式换热器

蓄热式换热器主要由热容较大的蓄热室构成，室中可充填耐火砖等填料。当冷热两流体交替地通过同一蓄热室外时，蓄热室即可将得自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。这种换热器的结构较为简单，且可耐高温，常用于高温气体热量的利用或冷却，但设备体积较大，也难免两种流体在一定程度上相互混和。蓄热器可分为回转式蓄热器和固定式蓄热器6.2热量交换过程的基本设备1)三大类别：直接接触式、蓄热式和间壁式。

(3)间壁式换热器是冷热两流体间用一固体图7.9夹套式换热器壁（金属、石墨或塑料等材料）隔开，以使两流体进行热量传递而不相互混合。这类换热器的型式有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、板翅式等等，在过程生产中应用最为广泛。6.3设备之—间壁式换热器1)夹套式换热器（1）用途：釜式设备的加热或冷却。特点：环室内部清洗困难，一般选用不易结垢的水蒸气、冷却水、导热油等作为载热体。（2）夹套式换热器的传热面积受到一定限制，传热系数也不高。（3）强化方法：当环室内通冷却水时，为提高其对流传热系数可在夹套内加设挡板，这样既可使冷却水流向一定又可提高流速，从而提高总传热系数。6.3设备之—间壁式换热器2)套管式换热器（1）优点：结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，且两种流体呈逆流流动，有利于传热。（2）缺点：单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。此类换热器适用于高温、高压及小流量流体间的换热。6.3设备之—间壁式换热器3)沉浸式蛇管换热器（1）优点是结构简单、价格低廉、便于防腐、能承受高压。（2）缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多，管外流体的传热膜系数较小，故常需加搅拌装置，以提高其传热效率。6.3设备之—间壁式换热器4)喷淋式冷却器（1）用途：这种设备常放置在室外空气流通处，当冷却水在空气中汽化时，可带走部分热量而提高冷却效果。它和沉浸式蛇管换热器相比，具有便于检修和清洗、传热效果较好等优点，其缺点是喷淋不易均匀。5)翅片管换热器（1）用途：两种流体的对流传热系数之比超过3:1用。（2）换热管的间壁上安装径向或轴向的翅片。连接方法有热套、镶嵌、张力缠绕和焊接等，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造。

5)翅片管换热器图7.13a空气冷却器的结构6)管壳式换热器——固定管板式换热器

（1）它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。（2）结构特点是两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。（3）整个换热器分为两部分：换热管内的通道及与其两端相贯通处称为管程；换热管外的通道及与其相贯通处称为壳程。6)管壳式换热器——固定管板式换热器

（1）优点是结构简单紧凑，在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便；（2）其缺点是壳程不能进行机械清洗，当换热管与壳体的温差较大时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。（3）固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。6)管壳式换热器——浮头式换热器

（1）结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。（2）优点是当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。（3）缺点是结构较复杂，用材量大，造价高，浮头盖与浮动管板之间若密封不严，易发生内漏，造成两种介质的混合。浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

6)管壳式换热器——U形管式换热器

（1）结构简单，运行可靠，造价低，管束可以抽出，管间清洗方便。缺点是管内清洗比较困难，管板的利用率较低，壳程易短路，内层管子坏了不能更换，因而报废率较高。（2）适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。图7.17U型管式换热器1236)管壳式换热器——填料函式换热器

（1）特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封，管束可以自由伸缩，不会产生温差应力。（2）优点：结构简单，制造方便，耗材少，造价低，管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。（3）缺点：填料函耐压小于4.0MPa，壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。。

6)管壳式换热器——釜式换热器

（1）其结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间，同时兼有蒸汽室的作用，管束可以为固定管板式、浮头式或U型管式。（2）釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。它适用于液-汽式换热，可作为最简结构的废热锅炉。

偏心锥壳堰板7)

板式换热器之1——板片式换热器（1）板片是板式换热器的核心部件，为使流体均匀通过板面，增加传热面积，并促使流体湍动，常将板面冲压成凹凸的波纹状。常用的波纹形状有水平波纹、人字形波纹和圆弧形波纹等。（2）优点：结构紧凑，单位体积设备所提供的换热面积大；安装灵活，可根据需要增减板数以调节传热面积；板面波纹使截面变化复杂，流体的扰动作用增强，具有较高的传热效率；拆装方便，有利于维护和清洗。（3）缺点：处理量小，操作压力和温度受密封垫片材料性能限制而不宜过高。适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑，工作压力在2.5MPa以下，温度在-35~200℃的场合。7)

板式换热器之2——板翅式换热器（1）板翅式换热器由许多单元体组成，所谓单元体是在两块平行的金属薄板之间安放波纹状或其他形状的金属翅片，其侧壁是密封的。（2）将各单元体进行适当的排列并焊接固定，即可得到逆流、并流和错流的板翅式换热器的组装件，称芯部或板束，最后将带有流体进、出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。

7)

板式换热器之(2)——板翅式换热器的翅片（1）板翅式换热器结构紧凑，1m3的体积可提供2500~4000m2的换热面积，由于加入了翅片，促进了流体的湍动，故传热系数高，板翅通常用铝合金制作，可用于低温或超低温的换热。（2）缺点是流道窄小，易堵塞且压力降较大，一旦结垢，清洗和检修均很困难，故只能用于洁净物料和对金属铝无腐蚀作用的物料进行传热

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8)

板式换热器之3——螺旋板换热器（1）优点是流体在较低雷诺数下达到湍流；流体中悬浮物不易沉积下来；可进行完全逆流，单位体积的传热面积约为管壳式换热器的3倍。（2）其缺点是操作温度和压力不宜太高，目前最高操作压力为2MPa，温度在400℃以下；因整个换热器为卷制而成，一旦发现泄漏，维修很困难。7)

板式换热器之4——板壳式换热器（1）

板壳式换热器兼有管式和板式两类换热器的特点，能较好地解决耐压、耐温与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。（2）其传热系数约为管壳式换热器的2倍，而体积为管壳式的30%左右，压降一般不超过0.05MPa。（3）由于板束元件互相支撑，刚性强、能承受较高的压力或真空，最高工作压力已达6MPa，工作温度达800℃。（4）不易结垢，便于清洗等优点。但板束制造较复杂，对焊接工艺要求较高。

图7.25板壳式换热器示意图7)

板式换热器之4——板壳式换热器的板束（1）板束元件的形状可以是多种多样的，一般用冷轧钢带滚压成型再焊接而成。（2）板壳式换热器的壳体有圆形和矩形的，但一般均采用圆筒形，其承压能力较好。（3）为使板束能充满壳体．板束每一元件应按其所占位置的弦长来制造。（4）一般板壳式换热器不装设壳程折流板。

壳体板束7.3管壳式换热器的传热过程的强化1)强化措施的着眼点:(1)增大平均温度差Δtm;(2)增大传热面积,提高设备的紧凑性。(3)增加传热系数,减小对K值影响较大的热阻。减小滞流内层的厚度；防止结垢和及时清洗垢层，以减小污垢热阻；尽量采用有相变化的载热体，可得到大的对流给热系数。2)强化结构的表现:(1)各种新型高效换热管的开发和应用，以强化管程的对流传热；(2)管内插入物的开发和应用，以便在原有设备的基础上进行改造和强化传热；管程的研究只需做单管的传热和流阻实验，设备相对简单，因而近年来研究报道较多；(3)管束支撑(或折流元件)的改变，使壳程流体的流动方向由横向流转变为纵向流或螺旋流，以强化壳程传热及提高抗振性能等。7.3.1强化传热管之1——螺旋槽管1）机械辊压方法加工而成的一种强化管，辊压使管外表面形成连续的螺旋形凹槽，内表面形成螺纹状的凸起，凸起与管轴线呈一定的螺旋角。2）流体在管内流动时，管内表面螺旋形凸起对近壁处流体产生扰流作用，使流体形成螺旋运动并产生局部二次流。螺旋槽管的管内换热系数是光管的1.5~2.0倍，管内流动沸腾换热系数可达光管的2倍。

7.3.1强化传热管之2——横纹槽管1）横纹槽管的内表面与螺旋槽管相似，但其外表面是单个的环形凹槽，内表面是相应的环形凸起。2）流体掠过凸起时，凸起对流体具有扰流作用，造成边界层分离，并减薄边界层厚度，从而强化传热。横纹槽管管内换热系数可达光管的2倍以上。在传热量和泵功率消耗相同的条件下，用横纹管取代光管，可使换热管材料消耗减少30%~50%。。

7.3.1强化传热管之3——缩放管1）管子的横截面积呈周期性变化，且每个周期都由收缩段和扩张段组成，每一段都呈圆锥形；流体始终受到方向反复变化的纵向压力梯度作用，在扩张时产生的剧烈旋涡，在收缩时有效地利用了旋涡的作用，使流体在管壁内表面不能形成连续的边界层。2）在同等压力降下，缩放管的传热量比光管增加70%以上。缩放管的形状为相对流线型，因而流动阻力比横纹槽管小，更适合低压气体和含杂质的流体传热。。

7.3.1强化传热管之4——螺旋扁管1）由圆管轧制而成或由椭圆管扭曲成螺旋形，具有一定的导程。2）螺旋形内壁迫使管内流体呈螺旋形流动，不但使流体湍流度增大，而且冲刷管壁表面液体边界层，能有效提高管内对流传热系数。7.3.1强化传热管之5——变截面管1）将普通圆管用机械方法相隔一定节距轧制成互成90o（正方形布管）或互成60o（三角形布管）的扁管形截面，利用管子扁圆形截面的突出部位相互支撑，不需要折流板。2）管内流体由于管截面的变化而改变了流动形态，能破坏和减薄管壁内表面液体边界层，从而提高管内对流传热系数。

7.3.1强化传热管之6——波纹管1）以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺使管内外表面金属塑性变形而成为双侧带有波纹的管型。2）波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。其几何参数为：对于Ø25×2.5mm的换热管，波距s=17~19mm,波谷ε=1.4~1.6mm；对于Ø19×2.0mm的换热管，波距s=11~13mm,波谷ε=1.0~1.2mm.。

7.3.1强化传热管之7——低翅片螺纹管

1）轧制外表面形成螺纹翅片，强化管外。增加换热面积；分割层流边层，减薄边界层的厚度。蒸发时增加单位表面上气泡形成的数量；冷凝时，利管下端冷凝液的滴落，液膜减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。2）特点：对壳程介质的蒸发、冷凝、气态流传热、液态流传热均有一定的强化作用；缺点：腐蚀性强、易结垢、粘性较大的介质不适用。

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7.3.1强化传热管之8——螺旋槽管2）T管的沸腾给热系数比光管高1.6~3.3倍。高于冷介质的沸点2~4℃就可沸腾，且鼓泡细密、连续、快速，形成了与光管相比的独特优势。3）常用的T型翅片管螺距为1~3mm，开口度为015~0.35mm，翅高在0.9~1.2mm之间。1）隧道中形成气泡核，快速增大，急速喷出，隧道内部的气液扰动非常激烈，不易结垢。具有较高的沸腾传热能力。7.3.1强化传热管之9——表面多孔管

2）优点是强化介质的沸腾传热，沸腾给热系数约为光滑表面的6~7倍。可以在很小的温差下维持沸腾（0.6~0.7℃），从而大大减少传热的不可逆损失。1）采用机加工、烧结、喷涂等方法制备一层多孔层。大量微孔变成为汽泡形成的核心，气泡核迅速膨大充满内腔，急速喷出形成较大的冲刷，垢物不容易在管的表面形成，抗垢能力较高。多孔层对管的原始表面结构影响非常小，因此这种管型对低温工况非常适用。。7.3.1强化传热管之10——高通量换热管1）高通量换热管管内壁烧结一层多孔表面，管外壁轧制纵槽。强化管内沸腾传热和管外冷凝。2）管外的纵槽可有效减薄冷凝液膜，减少冷凝热阻。其冷凝传热系数是光滑管的5~6倍。而总传热系数可达光滑管的3~5倍。7.3.2管内插入物的结构之1——扭带或螺旋扭片

1）扭带和扭片都是金属薄片扭制或塑料薄片热加工而成，其特性参数是片的扭率（即一个扭程的间距和管径之比）和片的厚度。2）扭带或螺旋扭片使流体在管内产生连续旋流，旋流引起二次流促进了径向混合，因而强化管内对流传热。7.3.2管内插入物的结构之2——静态混合器

1）

静态混合器能够增大管内对流传热系数3～5倍。插入物有：扭带、钻孔扭带、错开扭带、静态混合器、径向混合器和螺旋片。2）Re<1500时，传热效果相近，螺旋片的阻力较小；在低Re下强化效果显著，在过渡区达到最大值，然后随Re增加而减小；500~10000范围内，强化传热效果最佳，一定功耗选用螺旋片或扭带为宜。

7.3.2管内插入物的结构之3——螺旋（线）弹簧1）用金属丝绕制成像弹簧一样的结构，可做成连续的也可做成分段的。螺旋弹簧能促进流体湍流、间歇破坏边界层的发展，使边界层变薄，从而强化传热。2）传热性能综合评价表明，要在层流和过渡流区获得同样的强化传热效果，利用螺旋流比利用边界层分离消耗的能量少。

7.3.2管内插入物的结构之4——交叉梯形波带1）由二三条梯形波浪带交叉组成，两条波带在垂直中心线轴上交错成弹性波带，通过引导和置换流体产生扰流但不产生离心力，依靠波浪斜板使中间流体移置壁面，壁面流体移置中间，促使边界层产生扰流，它同时具有边界层分离和切割功能，特别适用于高粘度和超高粘度的流体强化传热。7.3.2管内插入物的结构之5——Hitran丝网内插物1）

是英国CalGavin公司近年来开发的新产品，呈花环状，是一种金属丝翅片管状元件，可使流体在低流速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动，可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动，在不增加阻力的条件下可大大提高传热系数。2）管程传热效率可提高25倍（对液流）和5倍（对气流）

7.3.2管内插入物的结构之2——金属丝制绕花丝多孔体1）是清华大学等单位利用多孔介质弥散效应开发的一种金属丝制元件，相当于空隙率ε>95%多孔体，在低雷诺数下，由于弥散流动促使流体形成湍流，从而强化传热。2）由于该元件空隙率大，因而其沿程阻力系数较一般的多孔介质内插物低得多。

7.3.3壳程管束支撑结构改进

管束支撑的变化是纵流壳程换热器结构发展的标志，其主要作用有三个：①支撑管束，②使壳程产生期望的流型和流速，③阻止管子发生流体诱导振动。管束支撑是壳程的关键结构，不同的管束支撑使壳程流体的流动形态发生变化，流动形态的改变使换热器的传热、压降等综合性能也随之发生显著变化。7.3.3壳程管束支撑结构改进之1——折流杆支撑1）为解决管束振动问题而开发的，又称为折流栅，四个为一组，每组折流栅包括两个横栅和两个纵栅，纵横交错排列，每个折流栅是由若干平行的折流杆（圆钢）焊接在一个折流圈上而成。2）特点：①扰流作用。②减薄边界层。③杆式支撑与换热管间为点（线）接触，基本消除了“传热死区”。④杆式支撑换热器壳程压降很小。⑤只有较大雷诺数情况才能显示出优异的性能。

7.3.3壳程管束支撑结构改进之2——空心环支撑1）空心环支撑换热器以表面强化管（如横纹管）作为换热管，使管程和壳程同时得到强化，且壳程空隙率大，对流体形体阻力小，流体的绝大部分压降作用在强化管的粗糙传热面上，以促进近壁流体传热滞流层的湍流强度，降低传热热阻。2）空心环比折流杆支撑提高给热系数约50%，且壳程压降更小。扰流作用不如折流杆式支撑。7.3.3壳程管束支撑结构改进之3——刺孔膜片支撑2）毛刺有扰流作用，各区域的流体通过膜片上小孔实现混合。刺孔膜片嵌焊于管壁上，既是支撑元件，又是管壁的延伸，且刺和孔可使换热表面上的边界层不断更新，可减薄层流内层厚度。壳程