制冷与空调专业常用换热器简介

换热器 换热器的发展已经有近百年的历史，其在国民经济的诸多领域(如食品、制药、石油化工、空调、动力、冶金、轻工等)得到广泛的应用。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。 定义：换热器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（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。换热器是制冷空调、暖通、化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。按使用功能分：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等。换热器种类很多，但根据冷、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。在制冷空调、暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器，其中以间壁式换热器应用最多。

一、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。 (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。 冷却塔是利用空气同水的接触（直接或间接） 来冷却水的设备。是以水为循环冷却剂，从一系统中吸收热量并排放至大气中，从而降低塔内空气温度，制造冷却水可循环使用的设备。 冷却塔主要应用于空调冷却系统、冷冻系列、注塑、制革、发泡、发电、汽轮机、铝型材加工、空压机、工业水冷却等领域，应用最多的为空调冷却、冷冻、塑胶化工行业。具体划分，如下： A、空气室温调节类：空调设备、冷库、冷藏室、冷冻、冷暖空调等； B、制造业及加工类：食品业、药业、金属铸造、塑胶业、橡胶业、纺织业、钢铁厂、化学品业、石化制品类等； C、机械运转降温类：发电机、汽轮机、空压机、油压机、引擎等； D、其他类行业…… 冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔体内部与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中，其结构示意图见图1，工作原理图见图2，实物图见图3。

图1 冷却塔结构示意图 图2 冷却塔工作原理图

图3 冷却塔实物图 (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。 图4为大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段。

(a) 喷淋室工作原理图

(b) 喷淋室构件组合示意图 (c) 喷淋排管示意图

(d) 中央空调组合式空调机组段喷淋室实物图 图4大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段 (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。

二．间壁式换热器 下面重点介绍本专业应用最多的间壁式换热器。 间壁式换热设备按照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等； 按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器（包括冰箱用丝管式冷凝器、箱壁式冷凝器、吹胀式蒸发器）、板式换热器、板翅式换热器、管带式换热器。 （1）壳管式换热器 壳管式换热器是石油、化工、冶金和制冷等工业部门中应用最普遍(约占70％)，理论研究和设计技术最完善，运用可靠性良好的一类换热器。分为列管式和盘管式(平面型和空间型)，列管式又分为卧式壳管式与立式壳管式。其研究包括了管程和壳程两侧的传热强化研究。 其由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 本专业主要用于大型中央空调水冷式机组的水冷式冷凝器、氨制冷系统等，主要有立式壳管式换热器和卧式壳管式冷凝器。下面分别予以介绍： ① 立式壳管式冷凝器 立式壳管式冷凝器的外壳是有钢板焊成的圆柱形筒体，筒体两端焊有多孔管板，在两端管板的对应孔中，用扩胀法或焊接法将无缝钢管固定，成为一个垂直管束。其结构如图5所示。 图5 立式壳管式冷凝器 立式冷凝器的主要特点是： 1°由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2?h?℃)。 2°垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。 3°冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。 4°管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。 5°但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现。 ② 卧式壳管式冷凝器 卧式冷凝器制冷设备与立式冷凝器有相类似的壳体结构，但在总体上又有很多不同之处，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭，端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋，把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入，按顺序流过每个管组，最后从同一端盖上上部流出过程中，要往返4～10个回程。这样做既可以提高管内冷却水的流速，从而提高传热系数，又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间与管内冷却水进行充分的热交换。冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒。具体结构如图6所示，壳式换热器实物图见图7-8。

图6 卧式壳管式冷凝器 图7 弓形折流板管壳式换热器实物图 图8 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图 知识补充： 目前国内壳管式换热器主要还是采用弓型隔板作为管间的支撑结构，在这种结构的换热器中，流体在壳程呈“z”形流动，在隔板和壳体内壁相连处存在流动死区；流体在隔板间分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失；在隔板与壳体和传热管与隔板之间存在旁路流和泄漏流，降低了流体的有效质量流量，这些缺点导致了壳管式换热器传热系数低、压降高。随着金属材料价格的不断增长和节能工作的迫切需求，促进了高效壳管式换热器的研究和应用。近年来，螺旋隔板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式，受到国内外学者的广泛关注，并在工业中推广应用，取得了很好的节能、节材经济效益。 折流板是提高换热器工效的重要部件。传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折柳板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。 螺旋折流板管壳式换热器如下图10所示。 (a) (b) (c) 壳管式换热器螺旋折流板 图10螺旋折流板管壳式换热器 （2）套管式换热器 套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，外面的叫壳程， 内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。具体结构如图11所示，实物图如图12所示。

(d) 图 11 套管式换热器结构图 其主要特点有： ①结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。 ②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为 870～1750W/（m 2·℃）。 这一点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热，特别适用于小型水冷式制冷与空调装置。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。 结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。

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(b) 图12 套管式换热器实物图