换热器的设计选型与使用

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

1、换热器的分类

1. 1、直接传热式换热器。一种不需传热壁面，由冷流体与热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器，此类换热器常用于工业生产中。

1. 2、间壁传热式换热器。冷、热流体通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作过程的换热器，是和普通的也很常用的换热器，冷、热流体都是流体，可以是空气、烟气、蒸汽、水。这是本文重点进行讨论的换热器类型。

1. 3、蓄热式换热器。系间歇传热，在废热再生器中是切实可行有效的回收废热的方式，常被用于回收燃烧气体的废热以及蒸汽等用量不均时作为调节手段。

2、几种换热器的特点及使用

在实际设计选型中，往往是已知高温流体与低温流体的两侧进出口温度，在做工艺设计选型时，需要考虑的是有尽可能小的换热面积下，有尽可能大的换热速率，以及较低的设备造价及施工费。另外，在操作运行及维护清洗较方便的前提下考虑换热器的设计选型。

传热基本方程式： 
Q = UAΔt      Kcal/ h ； 
式中：U 为传热系数，Kcal/ m2 . h. ℃；A 为传热面积，m2 ；Δt 为通过两种流体边界层的平均温度。 
换热器的给热系数h ，Kcal/ m2 . h. ℃和流速u ，m/s 有如下关系： 
管程给热系数ht ： 
层流区 (Re ≤2100)      ht∝ u0. 33t 
过渡流区(2100 ≤Re ≤10000) ht∝ u0. 33～0. 8t 
紊流区 (Re ≥10000) ht∝ u0. 8t 
壳程给热系数hg ： 
壳程流体因垂直流过管束，所以流型较乱，层流、 
紊流区没有明显的区别：ht∝ u0. 55g 
对应的压力降ΔP、kg/ cm2 ，管程和壳程大体相同： 
层流、过渡流区        ΔP ∝ u1. 0t 
紊流区ΔP ∝ u1. 8t

从上式可以看出，在一定的流速下，雷诺数越大，传热系数越大，同时，压力降也越大。

2. 1、管壳式换热器。管壳式换热器是很常用的普通结构，它包括：固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。

固定管板式换热器具有结构简单、重量轻、造价低等优点；缺点就是由于热膨胀而引起管子拉弯。U型管壳式换热器就是克服此缺点将管子作成“U”型，一端固定另一端活动，使得换热器不受膨胀的影响，结构较简单，重量轻，其缺点是不能机械清洗、管子不便拆换、单位容量及单位质量的传热量低，适用于温差大、管内流体介质比较干净的场合。

带膨胀节式换热器可解决膨胀问题，用膨胀接头的结构，故适用温差大的流体和高压流体，因为可将接头拆下来进行清洗，所以可处理易结垢流体，而对低压气体则不适宜，但其缺点就是制造复杂。

浮头式管壳换热器，其浮头不与外壳相连，可自由伸缩，这样既解决了热膨胀的问题，也方便清洗，检修时可将管芯抽出即可。

对于固定管板、列管、套管式换热器每一外壳容积为1 m3 时，其传热面积约为30～40 m3 。对U 型管壳式换热器、浮头式换热器每一外壳容积为1 m3 时，其传热面积为70m2 左右。

2. 2、板式换热器。由于板式换热器的传热面上可以压出凹凸形排液槽，在较低的雷诺数条件下既可出现紊流状态，故换热系数较高，一般可达3 000～5 000Kcal/m2 . h. ℃，与同样流速下的管壳式换热器相比，此值约为管壳式换热器的传热系数的3～5 倍，虽然，这时板式换热器的阻力会大一些，如在同样耗功的条件下相比，则板式换热器的放热系数比管壳式的高一倍左右。

由于板式换热器的结构紧凑、空隙小、因而单位体积的传热面积增大，其安装面积约为管壳式的1/ 2～1/ 3 ，可节省占地面积与施工费用，每一外壳容积为1 m3时，其传热面积为80 m2 左右，另外，板式换热器容易增减换热面积，对于管壳式换热器在需要增加液体的处理量时，原有热交换器的传热面积几乎不可能增加，但板式换热器的传热面积却很容易增加，从而增加处理能力，另外，板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此，散热损失可忽略不计，也不需保温措施。

板式换热器在运行维护方面的特点之一就是装拆比较方便，甚至可以不必完全拆开，仅把压紧螺栓松开就可抽出板片清洗、更换垫圈，以至更换板片。这对于换热介质容易产生沉积的物料就显得尤为重要。