换热器的分类及构造和工作原理
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。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。
一、换热器的分类
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：
1.按传热原理分类
1）间壁式换热器间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。间壁式换热器是应用最为广泛的换热器。
2）蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。
3）流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。
4）直接接触式换热器又被称为混合式换热器，这种换热器是两种流体直接接触，彼此混合进行换热的设备例如，冷水塔、气体冷凝器等。
5）复式换热器兼有汽水面式间接换热及水水直接混流换热两种换热方式的设备。同汽水面式间接换热相比，具有更高的换热效率；同汽水直接混合换热相比具有较高的稳定性及较低的机组噪音。
1.2.按用途分类
1）加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。
2）预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。
3）过热器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。
4）蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。
1.3.按结构分类
可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。
二、换热器的设计主要参数
下表为设计汇总：
按照此方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸如下表：
三、换热器构造及工作原理：
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器 。
四、机械结构形式：
换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。 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：
1.间壁式换热器的类型
1）夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。
2）沉浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。
3）喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。
4）套管式换热器：套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。
5）管壳式换热器：管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当 的温差补偿措施,消除或减小热应力。
2.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。 按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：
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。
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。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。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、卷烟厂等仍大量使用!
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。
3.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。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
五、附属设备的选择：
1.管道与壳体连接：管子在管板上固定依据是一定要确保管子和管板连接坚固，不能在连接的位置出现问题。因为操作所压力是常压，因此选择应用胀接法。
2.管板和壳体连接：管板与壳体连接的形式主要分为两方面，一种是可拆式，另一种是不可拆式。浮头式的换热器是依据管板自身不直接与壳体电焊连接，而是依据壳体上法兰和管箱法兰加持固定。壳体的设计压力为101.3kPa 低于1MPa，并且壳体介质是不容易燃烧和爆炸的，更不容易挥发且有毒的。因此依据壳体壁厚为10mm。
3.换热器的封头：选择椭圆形封头DN=600mm 选择甲型平焊法兰PN=0.6MPa，D=715mm、D1=680mm、D2=650mm、D3=640mm、D4=637mm，壁厚等于32mm，d=18mm。
4.拉杆的数量与直径的选择：换热器的外径为25mm，因此拉杆直径为16mm，因为直径等于600mm 和16mm，结合表格可知拉杆数量为4 个。
5.导流筒：在壳程流体进出口的管板中一定存在一段流体无法达到的死角，以此一般在管束外提升导流筒，促使流体出入壳程过程中一定会经过这一区域，提升传递热量的效果。因为，压力过低一般都会应用引导流筒。
6.接管的选择：壳程流筒进入到接管处，获取管内液体流动速度为2.4m/s，取接管的直径为70mm。管程流体进入到接管处，获取管内液体流动速度为2.0m/s，取接管的直径为200mm。
六、教学设备的推荐与介绍：
1、了解热管换热器的结构。
2、可进行热管换热器传热系数和热效率计算。
二、热管换热器实验装置,热管换热器实验设备,热管换热器实验台主要配置：
1、热管换热器，
2、加热段风道，
3、受热段风道，
4、冷、热面引风机，
5、风速测量仪，
6、加热由固态调压模块无极调节，
7、万能信号输入巡检仪，
8、电流表，
9、电压表，
10、热电偶。
11、不锈钢台架等。
三、热管换热器实验装置,热管换热器实验设备,热管换热器实验台技术参数：
1、输入电源：单相AC220V±10% 50Hz，功率500W。
2、低噪音轴流风机，功率：100W，流量：300 m3/h。
4、翅片式热管换热器，尺寸 Φ20×41mm ，材质304不锈钢管。
5、温度测量：测量系统配置有智能温度控制仪表（PID调节控温，精度 ±0.2℃），高精度PID调压模块电路。
6、外形尺寸：800×350×600mm
II型：增加带标准信号的多路万能信号输入巡检仪，增加带标准信号的数显电流表电压表，软件等。
七、结束语：
总而言之，换热器是工业换热设备中重要的工作内容，换热器设计的优劣将直接影响其未来长时间的安全性和发展性。
在实际发展中，结合以往操作过程中存在的问题和需求进行有效的分析，并且依据现阶段市场环境和设备特点，提出有效的设计形式，以此满足目前工业换热设备需求，达到工作内容的规定。
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