按照传热壁面的形状,间壁式热交换器又可分成管式热交换器、板式热交换器、夹套式热交换器以及各种异形传热面组成的特殊型式热交换器等类型。在这里先对管式热交换器的基本结构进行介绍,其他类型则在其他章节分别叙述。
1)沉浸式热交换器
沉浸式热交换器的管子常用直管(或称蛇管)或螺旋状弯管(或称盘香管)组成传热面,将管子沉浸在液体的容器或池内,如图0.2所示。这种热交换器可用作液体的预热器和蒸发器,也可用作气体和液体的冷却器或冷凝器。液槽内的液体体积大、流速低,因而管外液体中的传热以自然对流方式进行。整个液体的内部温度一般等于或接近于液体的最终温度,传热温差不大,同时由于整个液体的体积大,就使这种热交换器对于工况的改变不够敏感。
图0.2 沉浸式热交换器
1~4-流体进、出口;5-液槽;6-管子;7-分配管
传热系数低、体积大是其根本弱点,然而它却具有构造简单,制作、修理方便和容易清洗等优点,因此现在仍有应用。由于更换管子方便,所以它还适用于有腐蚀性的流体。为了提高液槽侧的换热系数,也可在槽内装搅拌器。如果流过管内的流体流量或所需传热面较大时,可以考虑做成几圈同心的螺旋管或几排并列的蛇管,以增加传热面。
2)喷淋式热交换器
图0.3 喷淋式热交换器
1-槽;2-百叶窗;3-槽的零件
喷淋式热交换器是将冷却水直接喷淋到管外表面上,使管内的热流体冷却或冷凝,其结构如图0.3所示。在上下排列着的管子之间,可借U形肘管连接在一起。为了分散喷淋水,在管组的上部装设了带锯齿形边缘的斜槽。也可用喷头直接向排管喷淋。在热交换器的下面设有水池,以收集流下来的水。
当喷淋的水不够充分时,被喷淋的水会蒸发汽化,因此最好是把它装在室外,此时为避免水被风吹失,在其周围装设百叶窗式的护墙。
喷淋式热交换器的优点是:结构简单,易于制造和检修,便于清除污垢;它的换热系数、传热系数通常比沉浸式大,加上管外的蒸发汽化以及空气也能吸收一部分热量,造成水和空气的共同冷却,所以传热效果好;它适用于高压流体的冷却或冷凝,由于它可用耐腐蚀的铸铁管作冷却排管,因而可用它来冷却具有腐蚀性的流体,例如硫酸工业中浓硫酸的冷却。
它的主要缺点是:当冷却水过分少时,下部的管子不能被润湿,并且几乎不参与热交换。因此对于容易发生意外事故的石油产品或有机体的冷却不宜采用这种热交换器。它的金属消耗量比较大,但比沉浸式要少。
3)套管式热交换器
套管式热交换器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件,然后把多个元件加以连接而成的一种热交换器,其结构如图0.4所示。采用不同的连接方法,可以使两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。它的内管内径通常在38~57mm范围内选取,而外管内径在76~108mm范围内选取。每根套管的有效长度一般不超过4~6m,太长了会使管子向下弯曲,造成环隙间的流动不均,影响传热。(www.xing528.com)
套管式热交换器的优点是结构简单,适用于高温、高压流体,特别是小容量流体的传热。如果工艺条件变动,只要改变套管的根数,就可以增减热负荷。另外,只要做成内管可以抽出的套管,就可清除污垢,所以它亦适用于易生污垢的流体。
它的主要缺点是流动阻力大,金属消耗量多,而且体积大,占地面积大,故多用于传热面积不大的换热器。
图0.4 套管式热交换器
1-内管;2,5-接口;3-外管;4-U形肘管
图0.5 简单的管壳式热交换器
1-管束;2-管箱;3-连接管
4)管壳式热交换器(或称列管式热交换器)
管壳式热交换器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子(称这些平行的管子为管束),让两种流体分别从管内空间(或称管程)和管外空间(或称壳程)流过进行热量的交换。图0.5所示的就是简单的管壳式热交换器的基本结构。
在传热面比较大的管壳式热交换器中,管子根数很多,因此壳体直径较大,以致它的壳程流通截面很大。这时如果流体的容积流量比较小,会使流速很低,因而换热系数不高。为了提高流体的流速,可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板,使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数,称为程数,所以装了纵向隔板,就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时,则不论流体往复交错流动多少次,其管外空间仍以单程对待。
另一方面,若要提高在管内空间流动的流体的流速,也可在管箱内装以分程隔板,使进入的流体每次只流过一部分管子,而后流过另一部分管子,这样也就把管内空间分成了多程。图0.6示出了一个管外一程、管内二程的热交换器。为了表达的方便,本书往后以尖括号内两个数字来代表程数,两数字间以连接线连接,连接线之前的数字代表管外空间的程数,连接线后面的数字代表管内空间的程数,因而图0.6所示的是一个〈1-2〉型管壳式热交换器。
管壳式热交换器的主要优点是结构简单,造价较低,选材范围广,处理能力大,还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战,但由于它具有高度的可靠性和广泛的适应性,至今仍然居于优势地位。例如在日本,其产量占全部热交换器的70%,产值占了60%。
除以上四种间壁式热交换器之外,随着节能技术的飞速发展,热交换器种类的开发不断更新,各种新型热交换器层出不穷,例如折流杆热交换器、板壳式热交换器、插管式热交换器以及本书第3章中将要详细介绍的各种高效间壁式热交换器都代表着热交换器的新近发展和热交换技术的日臻完善。
图0.6 〈1-2〉型管壳式热交换器
1-管束;2-管板;3-壳体;4-管箱;5-接管;6-分程隔板;7-折流板
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