第六章傳熱設備一換熱器的分類1、按用途分類加熱器、冷卻器、蒸發器、冷凝器等。2、按熱量傳遞方式分類

1）、直接接觸式換熱器對某些傳熱過程，例如熱氣體的直接水冷及熱水的直接空氣冷卻等，可使冷、熱流體直接接觸進行傳熱。這種接觸方式傳熱面積大，設備簡單。如涼水塔，其中裝填填料，填料可以增大接觸面積，增大湍動程度，增大傳熱系數K。由于冷熱流體直接接觸，這種傳熱方式必伴有傳質過程。1/11/20232）、間壁式換熱器在多數情況下，工藝上不允許冷、熱流體直接接觸，因此直接接觸式傳熱過程在工業上并不很多。工業上應用最多的是間壁式傳熱過程。間壁式換熱器類型很多，其中最簡單而又最典型的結構是套管換熱器。在套管式換熱器中，冷熱流體分別通過環隙和內管，熱量自熱流體傳給冷流體，這種熱量傳遞過程包括三個步驟：

a熱流體靠對流傳熱將熱量Q傳給金屬壁一側——給熱；

b熱量自管壁一側以熱傳導的形式傳至另一側——導熱；

c熱量以對流傳熱形式從壁面傳給冷流體——給熱。3)、蓄熱式換熱器首先使熱流體通過蓄熱器中固體壁面，用熱流體將固體填充物加熱，然后停止熱流體，使冷流體通過固體表面，用固體填充物所積蓄的熱量加熱冷流體。這樣交替通過冷、熱流體達到換熱的目的。第六章傳熱設備1/11/2023二夾套式換熱器這種換熱器構造簡單，主要應用于反應過程的加熱或冷卻。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，為載熱體(加熱介質)或載冷體(冷卻介質)的通路。夾套通常用鋼或鑄鐵制成，可焊在器壁上或者用螺釘固定在容器的法蘭或器蓋上。在用蒸氣進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水則由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質(如冷卻水)由夾套下部的接管進入，而由上部接管流出。該種換熱器的傳熱系數較小，傳熱面又受容器的限制，因此適用于傳熱量不太大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內安裝攪拌器，使容器內液體作強制對流，為了彌補傳熱面的不足，還可在容器內安裝蛇管等。第六章傳熱設備1/11/2023三蛇管式換器可分為兩類，即：

(1)沉浸式蛇管換熱器蛇管多以金屬管子彎制成，或制成適應容器要求的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在蛇管內、外流動而進行熱量交換。這種蛇管換熱器的優點是結構簡單，價格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的α較小，因而總傳熱系數K值也較小。如在容器內加攪拌器或減小管外空間，則可提高傳熱系數。

(2)噴淋式換熱器多用作冷卻器。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，熱流體在管內流動，自最下管進入，由最上管流出。冷水由最上面的多孔分布管(淋水管)流下，分布在蛇管上，并沿其兩側下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管表面上流過時，與管內流體進行熱交換。這種設備常放置在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中汽化時，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。它和沉浸式蛇管換熱器相比，還具有便于檢修和清洗、傳熱效果也較好等優點，其缺點是噴淋不易均勻。應指出，在夾套式或沉浸式換熱器的容器內，流體常處于不流動的狀態，因此在某瞬間容器內的各處的溫度基本相同，而經過一段時間后，流體的溫度由初溫度t1變為終溫t2，故屬于不穩定傳熱過程。這些換熱器仍為一些中小型工廠所廣泛采用。第六章傳熱設備1/11/2023四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準管連接成為同心圓的套管，然后用180°的回彎將多段套管串連而成。每一段套管稱為一程，程數可根據傳熱要求而增減。每程的有效長度為4～6m，若管子太長，管中間會向下彎曲，使環形中的流體分布不均勻。套管換熱器的優點為：構造較簡單；能耐高壓；傳熱面積可根據需要而增減；適當地選擇管內、外徑，可使流體的流速較大，且雙方的流體作嚴格的逆流，都有利于傳熱。缺點為：管間接頭較多，易發生泄漏；單位換熱器長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力較高或傳熱效果較好時，宜采用套管式換熱器。第六章傳熱設備1/11/2023五列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是目前化工廠生產中應用最廣泛的傳熱設備。與前述的各種換熱器相比，主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結構簡單，制造材料的范圍較廣，操作彈性也較大等，因此，在高溫高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。1、列管式換熱器的構造和形式列管換熱器中，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。若兩流體的溫度相差較大(50℃以上)時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據熱補償的方法的不同，列管換熱器有下面幾種型式：第六章傳熱設備1/11/20231）、固定管板式所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結構簡單和造價低廉的優點，但是由于殼程不易檢修和清洗。因此殼方流體應是較潔凈且不易結垢的物料。當兩流體的溫度差較大時，應考慮熱補償－即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束熱膨脹不同時，補償圈發生彈性變形(拉伸或壓縮)，以適應外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種補償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫度差太大(應不大于70℃)和殼方流體壓力過高(一般不高于6atm)的場合。第六章傳熱設備1/11/20232）、U型管換熱器U型管換器的管子彎成U型，管子的兩端固定在同一個管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其它管子和殼體均無關。這種型式換熱器的結構也較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓的場合。其主要缺點是管內清洗比較困難，因此管內流體必須潔凈，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。當管子受熱(或受冷)時，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器不但可以補償熱膨脹，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，故浮頭式換熱器應用較為普遍，但結構較復雜，金屬耗量較多，造價較高。第六章傳熱設備1/11/20232、列管式換熱器的選用和設計1）流體流經管程或殼程的選擇原則哪一種流體流經換熱器的管程，哪一種流體流經殼程，下列各點可供選擇時參考(以固定管板式換熱器為例)

(1)不潔凈和易結垢的流體宜走管內，以便于清洗管子。

(2)腐蝕性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。

(3)壓力高的流體宜走管內，以免殼體受壓。

(4)飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數與流速關系不大。

(5)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。

(6)需要提高流速以增大其對流傳熱系數的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。

(7)黏度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。在選擇流體流徑時，上述各點常不能同時兼顧，應視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓力、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數和壓力降，以便作出較恰當的選擇。第六章傳熱設備1/11/20232）流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變為多程使平均溫度差下降。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。3）流體兩端溫度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規定，就不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一個流體僅已知進口溫度，則出口溫度應由設計者來確定。例如用冷水冷卻某熱流體，冷水的進口溫度可以根據當地的氣溫條件作出估計，而換熱器出口的冷水溫度，便需要根據經濟衡算來決定。為了節省水量，可使水的出口溫度提高些，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，設計時可采取冷卻水兩端溫差為5～10℃。缺水地區選用較大的溫度差，水源豐富地區選用較小的溫度差。第六章傳熱設備1/11/20234）管子的規格和排列方法選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結垢、黏度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有φ25×2.5mm及φ19×2mm兩種規格的管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。系列標準中也采用這四種管長。此外，管長和殼徑應相適應，一般取L/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)。如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等。等邊三角形排列的優點有：管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數較高；相同的殼徑內可排列更多的管子。正方形直列排列的優點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產生污垢的場合；但其對流傳熱系數較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(較直列排列的)可以適當地提高。管子在管板上排列的間距(指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3～1.5)d0，且相鄰兩管外壁間距不應小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25d0。第六章傳熱設備1/11/20235）阻力損失的計算（1）管程阻力損失包括各程直管阻力損失wf1、回彎阻力損失wf2及換熱器進出口阻力損失wf3構成，其中wf3可忽略不計。式中Ft—管程結垢校正系數，對三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；Np—管程數。式中l—換熱管長度，m；（wf2包括回彎和進出口局部阻力及封頭內流體轉向的局部阻力之和，取阻力系數為3）

第六章傳熱設備1/11/2023管程阻力損失也可寫成由于，所以。對同一換熱器，若單程改為雙程，阻力損失劇增為原來的8倍，而給熱系數只增為原來的1.74倍，因此在選擇換熱器管程數時，應該兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。（2）殼程阻力損失殼程由于流動狀態比較復雜，結構參數較多，提出的公式較多，但可歸結為不同的計算公式，決定和的方法不同，計算結果往往不一致。第六章傳熱設備1/11/20236）系列標準換熱器的選用步驟（1）

試算并初選設備規格

i確定流體在換熱器中的流動途徑。

ii根據傳熱任務計算熱負荷Q。

iii確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管式換熱器的型式；計算定性溫度，并確定在定性

溫度下流體的性質。

iv計算平均溫度差，并根據溫度校正系數不應小于0.8的原則，決定殼程數。

v

依據總傳熱系數的經驗值范圍，或按生產實際情況，選定總傳熱系數K選值。

vi由總傳熱速率方程Q＝KSΔtm，初步算出傳熱面積A，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標準選擇設備規格。第六章傳熱設備1/11/2023（2）計算管、殼程壓力降根據初定的設備規格，計算管、殼程流體的流速和壓力降。檢查計算結果是否合理或滿足工

藝要求。若壓力降不符合要求，要調整流速，再確定管程數或折流板間距，或選擇另一規格的設備，重新計算壓力降直至滿足要求為止。（3）核算總傳熱系數計算管、殼程對流傳熱系數αi

和αo，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計算總傳熱系數K’，比較K得初始值和計算值，若K’/K＝1.15～1.25，則初選的設備合適。否則需另設K選值，重復以上計算步驟

。通常，進行換熱器的選擇或設計時，應在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項的問題。它們之間往往是互相矛盾的。例如，若設計的換熱器的總傳熱系數較大，將導致流體通過換熱器的壓力降(阻力)增大，相應地增加了動力費用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數和壓力降降低，但卻又要受到安裝換熱器所能允許的尺寸的限制，且換熱器的造價也提高了。此外，其它因素(如加熱和冷卻介質的用量，換熱器的檢修和操作)也不可忽視。總之，設計者應綜合分析考慮上述諸因素，給予細心的判斷，以便作出一個適宜的設計。第六章傳熱設備1/11/20237）加熱介質與冷卻介質在選用載熱體時為提高傳熱過程的經濟性，必須根據具體情況選擇適當溫位的載熱體，同時還應考慮以下幾個方面問題：

1、載熱體的溫度應易于調節；

2、載熱體的飽和蒸氣壓宜低，加熱時不會分解；

3、載熱體毒性要小，使用安全，對設備應基本上沒有腐蝕；

4、載熱體應價格低廉而且容易得到。工業上常用的加熱劑有熱水、飽和水蒸汽、礦物油、聯苯混合物、熔鹽和煙道氣等。當要求溫度小于180℃時，常用飽和水蒸汽。飽和水蒸汽冷凝放出潛熱，潛熱遠大于顯熱，因此所需的蒸汽量小，且相變過程不發生溫度變化。（注：若不將飽和水蒸汽中的不凝性氣體及時排走，會大大降低傳熱效果。）常用的冷卻劑是水、空氣和各種冷凍劑。水和空氣可將物料最低冷卻至周圍環境的溫度。當溫度不很低時，水是最適宜的冷卻劑。

第六章傳熱設備1/11/2023六、傳熱的強化途徑所謂強化傳熱過程，就是指提高冷、熱流體間的傳熱速率。從傳熱速率方程

不難看出，增大傳熱系數K、傳熱面積A或平均溫度差Δtm都可提高傳熱速率Q。在換熱器的設計和生產操作中，或換熱器的改進中，大多從這三方面來考慮強化傳熱過程。1、增大單位體積的傳熱面積A/V增大傳熱面積，可以提高傳熱速率。但應指出，增大傳熱面積不應靠加大設備的尺寸來實現，

而應從設備的結構來考慮，提高其緊湊性，即單位體積內提供較大的傳熱面積。改進傳熱面的結構，如用螺紋管、波紋管代替光滑管，或采用翅片管換熱器、板翅式換熱器及板式換熱器等，都可增加單位體積設備的傳熱面積。例如板式換熱器，每立方米體積可提供的傳熱面積為250～1500m2，而列管式換熱器，單位體積的傳熱面積為40～160m2。

第六章傳熱設備1/11/20232、增大平均溫度差Δtm增大平均溫度差，可以提高傳熱速率。但是平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度條件。一般來說流體的溫度為生產工藝條件所規定，可變動的范圍是有限的。當換熱器中兩側流

體均變溫時，采用逆流操作可得較大的平均溫度差。螺旋板式換熱器和套管式換熱器可使兩流體作嚴格的逆流流動。3．增大總傳熱系數K增大總傳熱系數，也可以提高傳熱速率。要提高K值，就必須減小各項熱阻。但因各項熱阻所占的比重不同，因此應設法減小對K值影響較大的熱阻。減小熱阻的方法有：

(1)加大流速，增強流體湍動程度，減小傳熱邊界層中層流內層的厚度，以提高對流傳熱系數，

即減小對流傳熱的熱阻。例如，增加列管換熱器的管程數和殼程中的擋板數，均可提高流速；板式換熱器的板面壓制成凹凸不平的波紋，流體在螺旋板式換熱器中受離心力的作用，均可增加湍動程度；在管內裝入麻花鐵、螺旋圈或金屬絲片等添加物，亦可增強湍動，且有破壞層流底層的作用。與此同時，應考慮由于流速加大而引起流體阻力的增加，以及設備結構復雜、清洗和檢修困難等問題，即不能片面地要求提高對流傳熱系數，而不顧及其它。

(2)防止結垢和及時地清除垢層，以減小垢層熱阻。例如，增加流速可減弱垢層的形成和增厚；易結垢的流體在管方流動，以便于清洗；采用機械或化學的方法或采用可拆卸換熱器的結構，以便于清除垢層。從以上分析可知，強化傳熱的途徑是多方面的。但對某實際的傳熱過程，應作具體分析，即抓

住影響強化傳熱的主要矛盾，并結合設備結構、動力消耗、檢修操作等予以全面考慮，采取經濟而合理的強化傳熱的方法。

第六章傳熱設備1/11/2023七板式換熱器

板式換熱器主要由一組長方形的薄金屬板平行排列、夾緊組裝于支架上而構成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可以達到密封的目的，且可用墊片的厚度調節兩板間流體通道的大小

。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和板面上的流道相通，另外兩個圓孔則不相通，它們的位置在相鄰的板上是錯開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側流過，通過金屬板片進行換熱。每塊金屬板面沖壓成凹凸規則的波紋，以使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動，有利于傳熱。板式換熱器的優點是：結構緊湊、單位體積設備提供的傳熱面積大；總傳熱系數高，如對低粘

度液體的傳熱，K值可高達7000W/(m2·℃)；可根據需要增減板數以調節傳熱面積；檢

修和清洗都較方便等。板式換熱器的缺點是：處理量不大；操作壓強比較低，一般低于15atm，最高也不超過20atm；因

受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能太高，一般對合成橡膠墊圈不超過130℃，壓縮石棉墊圈也低于250℃。

第六章傳熱設備1/11/2023八螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器是由兩塊薄金屬板焊接在一塊分隔擋板(圖中心的短板)上并卷成螺旋形而構成的。兩塊薄金屬板在器內形成兩條螺旋形通道，在頂、底部上分別焊有蓋板或封頭。進行換熱時，冷、熱流體分別進入兩條通道，在器內作嚴格的逆流流動。"Ⅰ"型結構：兩個螺旋流道的兩側完全焊接密封的"Ⅰ"型結構，稱為不可拆結構。兩流體均作螺旋流動，通常冷流體由外周流向中心，熱流體從中心流向外周，即完全逆流流動。這種型式主要用于液體與液體間的傳熱。"Ⅱ"型結構：一個螺旋流道的兩側焊接密封，另一流道的兩側是敞開的，因而一流體在螺旋流道中作螺旋流動，另一流體則在另一流道中作軸向流動。這種型式適用于兩流體的流量差別很大的場合，常用作冷凝器、氣體冷卻器等。

"Ⅲ"型結構：一種流體作螺旋流動，另一流體是軸向流動和螺旋流動的組合。適用于蒸氣的冷凝冷卻螺旋板換熱器的直徑一般在1.6m以內，板寬200～1200mm，板厚2～4mm，兩板間的距離為5～25mm。常用材料為碳鋼和不銹鋼。

第六章傳熱設備1/11/2023螺旋板換熱器的優點：

(1)總傳熱系數高

由于流體在螺旋通道中流動，在較低的雷諾數下即可達到湍流(一般Re=1400～1800，有時低到500)，并且選用較高的流速(對液體為2m/s，氣體為20m/s)，故總傳熱系數較大。

(2)不易堵塞

由于流體的流速較高，流體中懸浮物不易沉積下來，并且任何沉積物將減小單流道的橫斷面，因而速度增大，對堵塞區域又起沖刷作用，故螺旋板換熱器不易被堵塞。

(3)能利用低溫熱源，能精密控制溫度

這是由于流體流動的流道長及兩流體完全逆流的緣故。

(4)結構緊湊

單位體積的傳熱面積約為列管式換熱器的3倍。螺旋板式換熱器的缺點：

(1)操作壓強和溫度不宜太高

目前最高操作壓強為20atm，溫度約在400℃以下。

(2)不易檢修

因整個換熱器為卷制而成，一旦發生泄漏，修理內部很困難。

第六章傳熱設備1/11/2023九板翅式換熱器

板翅式換熱器的結構形式很多，但其基本結構元件相同，

即在兩塊平行的薄金屬板(稱平隔板)間，夾入波紋狀的金屬翅片，兩邊以側條密封，組成一個單元體。將各單元體進行不同的疊積和適當地排列，再用釬焊給予固定，即可得到常用的逆、并流和錯流的板翅式換熱器的組裝件，稱為芯部或板束。然后將帶有流體進、出口的集流箱焊到板束上，就成為板翅式換熱器。目前常用的翅片形式有光直型翅片、鋸齒形翅片和多孔型翅片等。

板翅式換熱器的主要優點：

(1)總傳熱系數高，傳熱效果好

由于翅片在不同程度上促進了湍流并破壞了傳熱邊界層的發展，故總傳熱系數高。據報導空氣強制對流時對流傳熱系數為35～350W/(m2·℃)，油類強制對流時傳熱系數為115～750W/(m2·℃)。同時冷、熱流體間換熱不僅以平隔板為傳熱面，而且大部分熱量通過翅片傳遞，因此提高了傳熱效果。

(2)結構緊湊

單位體積設備提供的傳熱面積一般能達到2500m2，最高可達4300m2，而