熱交換設備

熱交換設備是一種使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備。熱交換設備的發展已經有近百年的歷史，被廣泛套用在石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供熱、製冷空調、機械、食品、製藥等領域。按照用途可分為預熱器（或加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發器等。按照傳送熱量的方法可分為間壁式、混合式和蓄熱式換熱設備三大類。

基本介紹

• 中文名：熱交換設備
• 外文名： heat exchange equipment
• 套用：石油、化工、冶金、電力等領域
• 作用：使熱量從熱流體傳遞到冷流體

概述

熱交換設備又稱熱交換器，是一種將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，也是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。熱交換設備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分，如石化、煤炭工業中的餘熱回收裝置等。

熱交換設備的發展已經有近百年的歷史，被廣泛套用在石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供熱、製冷空調、機械、食品、製藥等領域。進入80年代以來，由於製造技術、材料科學技術的不斷進步和傳熱理論研究的不斷完善，有關熱交換設備的節能設計和套用越來越引起關注。

熱交換設備分類及其特點

熱交換設備的用途很廣泛，可用於各種不同的換熱過程，例如：加熱、冷卻、冷凝和蒸發等。而熱交換設備可做如下分類：

1. 按設備結構來分：有板片式換熱器和管殼式換熱器兩大類。板片式換熱器是由板片和密封墊片組合而成，通常有波紋平板式、板翅式、螺旋板式和板克式。管殼式換熱器是由管子、殼體及管板組成的設備，通常有固定管板式、浮頭式、U型管式和填料函式。
2. 按用途來分：預熱器（或者加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發器等。
3. 按製造材料來分：金屬的、陶瓷的、塑膠的、石墨的、玻璃的等。
4. 按溫度狀況來分：溫度工況穩定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區域內的溫度不隨時間而改變；溫度工況不穩定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時間改變。
5. 按熱流體與冷流體的流動方向來分：順流式、逆流式、錯流式、混流式。
6. 按傳送熱量的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式三大類。

管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，結構一般由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。目前，國內外工業生產中所用的換熱設備中，管殼式換熱器仍占主導地位，雖然它在換熱效率、結構緊湊性和金屬材料消耗等方面不如其它新型換熱設備，但它具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，可靠程度高，選材範圍廣，處理能力大，能承受高溫高壓等特點，所以在工程中仍得到廣泛套用。以下是幾種常見的管殼式強化換熱器。

螺旋槽管換熱器，橫紋管換熱器，螺旋扁管換熱器，螺旋扭曲管換熱器，波紋管換熱器，內翅片管換熱器縮放管換熱器，波節管管殼式換熱器，三維內肋管換熱器管，內插入物換熱器。

固定管板式換熱器

固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，製造較簡單。

固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設定有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設定了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數。

固定管板式換熱器的特點：1、旁路滲流較小；2、鍛件使用較少，造價低；3、無內漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%～30%；固定管板式換熱器的缺點是，1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t<50℃,當t>50℃時必須在殼體上設定膨脹節；2、易產生溫差力，管板與管頭之間易產生溫差應力而損壞；3、殼程無法機械清洗；4、管子腐蝕後連同殼體報廢，設備壽命較低；5、不適用於殼程易結垢場合，殼程必須是潔淨不易結垢的物料。

浮頭式換熱器

新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特徵是：在外頭蓋側法蘭內側面設凹型或梯型密封面，並在靠近密封面外側鑽孔並套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽並另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大於管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。

浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。

浮頭式換熱器的特點：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內自由移動，這個特點在現場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便於清洗管間和管內。其缺點是結構複雜，造價高（比固定管板高20%），在運行中浮頭處發生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用於殼體和管束溫差較大或殼程介質易結垢的條件。

U型管式換熱器

U型管式換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定於同一管板上。

此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可從殼體內抽出，便於檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。但管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易於短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管後管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用於管殼壁溫相差較大，或殼程介質易結垢而管程介質清潔及不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。

板式換熱器

板式換熱器不同於一般傳熱面用管做的管式換熱器。板式換熱器是以金屬波紋板為傳熱元件的新型高效換熱器。由於板片組裝後形成特殊流體通道，在較低雷諾數下可以產生湍流，並且不易結垢，板片材料選用優質不鏽鋼板，鈦板等材質，傳熱係數高，相鄰板片波紋波峰相互支撐，形成網狀觸電，提高了板片的剛性，可以承受較大的壓差，保證了使用的安全可靠。

波紋平板式換熱器

波紋平板式換熱器是由一組長方形或其它幾何形狀的傳熱板片、密封墊片以及緊固裝置組成。由於板片間流道宰，板片表面的凹凸波形使物料流動時有擾動作用，因而具有高的傳熱效率。該換熱器密封周邊長，使用中需要經常拆卸和清洗，密封泄漏可能性大；由於密封墊圈大多用非金屬材料製作，因而使用溫度和使用壓力均受到限制。

板翅式換熱器

在20世紀30年代，板翅式換熱器首先在先進國家用於發動機的散熱，它的板束單元結構由翅片、隔板和封條三部分組成。它具有擴展的二次傳熱表面（翅片），所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面（隔板）上進行，而且同時也在二次傳熱表面上進行，我國從20世紀60年代初期開始試製板翅式換熱器，首先用於空分制氧，製成了第一套板翅式空分設備。近幾年來，在產品結構、翅片規格、生產工藝和設計、科研方面都有較大發展。板翅式換熱器由於結構緊湊、輕巧、傳熱強度高等特點，被認為是最有發展前途的新型換熱器設備之一。

板殼式換熱器

板殼式換熱器是由板束和殼體兩部分組成。板束的截面一半是多邊形，它介於板式換熱器和管殼式換熱器之間。它是目前套用最廣泛的一種換熱設備。其特點是適應性強、能精確滿足工藝對各種換熱面積的要求、可用材料範圍寬、處理能力大、能套用於高溫以及高壓力的工況、易於製造和生產成本低。它的不足是傳熱效率、結構緊湊和單位換熱面積所需金屬消耗量比板式換熱器高。

熱交換設備的發展過程

在我國熱交換設備的製造技術遠落後於外國，由於製造工藝和科學水平的限制，早期的熱交換設備只能採用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著製造工藝的發展，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，長期以來在工業生產中成為一種典型的熱交換設備。

在國外二十世紀20年代出現板式換熱器，並套用於食品工業。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，瑞典首次製成螺旋板換熱器。接著英國用釺焊法製造出一種由銅及其合金材料製成的板翅式換熱器，用於飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又製造出第一台板殼式換熱器，用於紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料製成的換熱器開始注意。60年代左右，由於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，再加上衝壓、釺焊和密封等技術的發展，熱交換設備製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套用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件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，這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破，而且採用新穎的理念，增加強化傳熱。70年代中期，為了進一步減小換熱器的體積，減輕重量和金屬消耗，減少換熱器消耗的功率，並使換熱器能夠在較低溫差下工作，人們更是採用各種科學的辦法來增強換熱器內的傳熱。