中间壁式换热器的应用及传热效果分析

换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。根据冷、热流体热量交换的原理和方式，换热器基本上可分为三大类，即间壁式、混和式和蓄热式。其中间壁式换热器应用最多，以下仅讨论此类换热器。

传统的间壁式换热器以夹套式和管式换热器为主，管式换热器结构不紧凑，单位换热容积所提供的传热面积小。随着工业的发展，出现了一些高效紧凑的换热器，如板式和强化管式换热器。

一、管式换热器

（一）蛇管换热器

蛇管换热器分为两种：一种是沉浸式，另一种是喷淋式。

（1）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（图4-17）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，管外对流传热系数小。为提高总传热系数，容器内可安装搅拌器。

（2）喷淋式蛇管换热器。这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，如图4-18所示，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，管外对流传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，冷却水的蒸发亦可带走一部分热量，可起到降低冷却水温度、增大传热推动力的作用。因此，与沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大为改善。

图4-17 蛇管的形状

图4-18 喷淋式换热器

1-弯管；2-循环泵；3-控制阀

（二）套管式换热器

套管式换热器系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成为同心圆的套管，然后用180°的回弯管将多段套管串联而成，如图4-19所示。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4～6m，若管子太长，管中间会向下弯曲，使环形中的流体分布不均匀。

图4-19 套管式换热器

套管换热器结构简单，能承受高压，应用方便（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总传热系数大、传热推动力大及能够承受高压的优点，在超高压生产过程（例如，操作压力为300MPa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。

（三）列管式换热器

列管式（又称管壳式）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。

列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，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。为提高管外流体对流传热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、使流体速度增加，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。

列管换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，列管换热器有下面几种形式。

1.固定管板式

固定管板式换热器如图4-20所示。所谓固定管板式即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳程流体应是较洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。图4-19所示为具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体的温度差太大（不大于70℃）和壳程流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。

图4-20 具有补偿圈的固定管板式换热器

1-挡板；2-补偿圈；3-放气嘴

2.U 形管换热器

U形管换热器如图4-21所示。U 形管式换热器的每根换热管都弯成U 形，进出口分别安装在同一管板的两侧，每根管子皆可自由伸缩，而与外壳及其他管子无关。

图4-21 U形管换热器

1-U形管；2-壳程隔板；3-管程隔板

这种形式的换热器的结构比较简单，重量轻，适用于高温和高压的场合。其主要缺点是管内清洗比较困难，因此管内流体必须洁净；且因管子需一定的弯曲半径，故管板的利用率较差。

3.浮头式换热器

浮头式换热器如图4-22所示，两端管板之一不与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子受热（或受冷）时，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器不但可以补偿热膨胀，而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修，故浮头式换热器应用较为普遍。但该种热换器结构较复杂，金属耗量较多，造价也较高。

图4-22 浮头式换热器

1-管程隔板；2-壳程隔板；3-浮头

以上几种类型的列管换热器都有系列标准，可供选用。规格型号中通常标明形式、壳体直径、传热面积、承受的压强和管程数等。例如，FA 600-130-16-2的换热器，FA 表示浮头式A型，换热管为φ19mm×2mm，正三角形排列（FB 表示浮头式B型，其换热管为西25mm×2.5mm，正方形排列），壳体公称直径为600mm，公称传热面积为130m2，公称压强为16at，管程数2。

（四）热管式换热器

热管是一种新型传热原件，它通过在真空封闭金属管内充以某种工作液体的蒸发与凝结来传递热量，如图4-23所示，具有传热能力高、等温性好、结构简单、应用范围广等优点。当热管加热段受热时，工作液体遇热沸腾，产生的蒸气流至冷却段凝结放出潜热，冷凝液在吸液芯毛细管力作用下回流至加热段再次沸腾，如此反复循环。对于热管换热器，冷热流体皆在管外进行换热，易于采用管外加装翅片的方法进行强化，对于品位较低的热能回收场合非常经济，如对冷、热流体传热系数都很小的气-气换热过程（锅炉排出的废气预热燃烧所需空气）。热管换热器可通过中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行；在热管内部，热量通过沸腾、冷凝过程进行传递，由于有相变的传热系数很大，蒸气流动阻力损失又很小，管壁温度分布相当均匀。热管换热器尤为适用于对于某些等温性要求高的换热场合。

图4-23 热管结构

二、板式换热器

（一）夹套式换热器

这种换热器是在容器外壁安装夹套制成的，结构简单，但其加热面受容器壁面限制，总传热系数也不高，为提高总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板或其他增加湍动的措施，以提高夹套一侧的对流传热系数。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。

（二）板式换热器

最初用于食品工业，20世纪50年代逐渐推广到化工等其他工业部门，现已发展成为高效紧凑的换热设备。

板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成的。如图4-24所示为矩形板片，其四角开有圆孔，形成流体通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度为0.5～3mm，通常压制成各种波纹形状，既增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高总传热系数。

图4-24 板式换热器示意图

板式换热器的主要优点是：

（1）由于流体在板片间流动湍动程度高，而且板片又薄，故总传热系数K 大。例如，在板式换热器内，水对水的总传热系数可达1500～4700w/（m2·℃）。

（2）板片间隙小（一般为4～6mm），结构紧凑，单位容积所提供的传热面为250～1000m2/m3；而列管式换热器只有40～150m2/m3。板式换热器的金属耗量可减少一半以上。

（3）具有可拆结构，可根据需要调整板片数目以增减传热面积。操作灵活性大，检修清洗也方便。

板式换热器的主要缺点是允许的操作压强和温度比较低。通常操作压强不超过2MPa，压强过高容易渗漏。操作温度受垫片材料的耐热性限制，一般不超过250℃。

（三）螺旋板式换热器

如图4-24所示，螺旋板式换热器是由两块薄金属板焊接在一块分隔挡板（图中心的短板）上并卷成螺旋形而制成的。两块薄金属板在器内形成两条螺旋形通道，在顶、底部分别焊有盖板或封头。进行换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内做严格的逆流流动。

因用途不同，螺旋板式换热器的流道布置和封盖形式，有以下几种形式：(www.xing528.com)

（1）“I”型结构：两个螺旋流道的两侧完全为焊接密封的“I”型结构，是不可拆结构，如图4-25（a）所示。两流体均做螺旋流动，通常冷流体由外同流向中心，热流体从中心流向外周，即完全逆流流动。这种形式主要应用于液体与液体间传热。

（2）“Ⅱ”型结构：Ⅱ型结构如图4-25（b）所示。一个螺旋流道的两侧为焊接密封，另一流道的两侧是敞开的，因而一流体在螺旋流道中做螺旋流动，另一流体则在另一流道中做轴向运动。这种形式适用于两流体流量差别很大的场合，常用作冷凝器、气体冷却器等。

（3）“Ⅲ”型结构：“Ⅲ”型结构如图4-25（c）所示。一种流体做螺旋流动，另一流体是轴向流动和螺旋流动的组合。适用于蒸气的冷凝和流体冷却。

图4-25 螺旋板式换热器

螺旋板式换热器的直径一般在1.6m 以内，板宽200～1200mm，板厚2～4mm，两板间的距离为5～25mm。常用材料为碳钢和不锈钢。

螺旋板换热器的优点：

（1）总传热系数高。由于流体在螺旋通道中流动，在较低的雷诺值（一般Re=1400～1800，有时低于500）下即可达到湍流，并且可选用较高的流速（对液体为2m/s，气体为20m/s），故总传热系数较大。

（2）不易堵塞。由于流体的流速较高，流体中悬浮物不易沉积下来，并且沉积物将减小流道的横截面积，因而使速度增大，对堵塞区域又起到冲刷作用，故螺旋板换热器不易被堵塞。

（3）能利用低温热源和精密控制温度。这是由于流体流动的流道长及两流体完全逆流的缘故。

（4）结构紧凑。单位体积的传热面积为列管换热器的3倍。

螺旋板换热器的缺点：

（1）操作压强和温度不宜太高，目前最高操作压强为2000kPa，温度约在400℃以下。

（2）不易检修。因整个换热器为卷制而成，一旦发生泄漏，内部修理很困难。

三、翅片式换热器

（一）翅片管换热器

如图4-26所示，翅片管式换热器的构造特点是在管子表面上装有径向或轴向翅片。常见的翅片形式如图4-27所示。

当两种流体的对流传热系数相差很大时，例如用水蒸气加热空气，此传热过程的热阻主要在气体一侧。若气体在管外流动，则在管外装置翅片，既可扩大传热面积，又可增加流体的湍动程度，从而提高换热器的传热效果。一段来说，当两种流体的对流传热系数之比为3∶1或更大时，宜采用翅片式换热器。

图4-26 翅片管式换热器

图4-27 常见的翅片形式

翅片的种类很多，按翅片高度的不同，可分为高翅片和低翅片两种，低翅片一般为螺纹管。高翅片适用于管内、对外流传热系数相差较大的场合，现已广泛地应用于空气冷却器上。低翅片适用于两流体的对流传热系数相差不太大的场合，如对黏度较大液体的加热或冷却等。

（二）板翅式换热器

板翅式换热器的结构形式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当地排列，再用钎焊给予固定，即可得到常用的逆、并流和错流的板翅式换热器的组装件，称为芯部或板束，如图4-28所示。将带有流体进、出口的集流箱焊到板束上，就成为板翅式换热器。目前，常用的翅片形式有光直型翅片、锯齿形翅片和多孔型翅片，如图4-29所示。

图4-28 板翅式换热器的板束

图4-29 板翅式换热器的翅片形式

板翅式换热器的主要优点有：

（1）总传热系数高，传热效果好。由于翅片在不同程度上促进了流体的湍动程度，故总传热系数高。同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片传递，因此提高了传热效果。

（2）结构紧凑。单位体积设备提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达4300m2，而列管式换热器一般仅有160m2。

（3）轻巧牢固。因结构紧凑，一般用铝合金制造，故质量轻。在相同的传热面积下，其质量约为列管式换热器的1/10，二波纹形翅片不仅是传热面的支撑，而且是两板间的支撑，故其强度很高。

（4）适应性强、操作范围广。由于铝合金的导热系数高，且在0℃以下操作时，其延性和抗拉强度都可提高，故操作范围广，可在热力学0～200℃的范围内使用，适用于低温和超低温的场合。适应性也较强，既可用于各种情况下的热交换，也可用于蒸发或冷凝。操作方式可以是逆流、并流、错流或错逆流同时并进等。此外还可用于多种不同介质在同一设备内进行换热。

板翅式换热器的缺点有：

（1）由于设备流道很小，故易堵塞，压降增加；换热器一旦结垢，清洗和检修很困难，所以处理的物料应较洁净或预先进行净制。

（2）由于隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不产生腐蚀。

【想一想】

1.传热有哪几种基本方式？ 工业生产中的换热方法有哪几种？

2.圆筒壁与平壁导热的不同之处是什么？

3.什么情况下平均半径可用算术平均值计算？ 如何计算？

4.当水蒸气与冷空气之间进行换热时，其关键热阻是什么？ 此时传热系数值接近于哪个流体的传热系数？ 如何才能有效地提高传热系数？

5.什么情况下换热过程采用并流操作较为适宜？