7-1 间壁式换热器结构形式
 
 

根据换热面的型式不同,间壁式换热器可分为管式、翅片式和板式三种。

一、管式换热器

管式换热器又分为:套管式换热器、壳管式换热器和蛇管式换热器三类。

(一)、套管式换热器

套管式换热器是由两种直径大小不同的标准管组合成同心套管,然后将管内和管间分别用管路串联而成。每一段套管称为一管程,管程数可根据传热量大小要求不同而增减。每一程的有用长度为4~6 m。若管子过长,管中心会向下弯曲,会使得环隙中的流体流动不均匀。套管换热器的优点有:结构简单,能耐高压;传热面积可根据需要增减,设计、使用方便;若合理选择两管的直径,可使两流体的流速增大,且两流体可作逆流换热,对传热有利。这种换热器的缺点为:管间连接点较多,容易产生滴漏;结构不紧凑,占地较多,单位换热量的金属消耗量大。因此它较适用于流量不大、所需传热面积较小而要求承压能力较高的场所。

套管式换热器又可分为直管套管式换热器和螺旋套管式换热器,套管式换热器实物图片见图1和图2,结构原理见图3和视频1。

图1 直管套管式换热器实物图
 

(二)、壳管式换热器

壳管式(又称列管式)换热器是现在工业生产中应用最遍及的换热设置,它与其它几种换热器相比,具有单位体积所具有的传热面积大、传热效果好的优点,并且结构简单,操作方便,可采用多种材质制造,实用性较强,尤其是在高温、高压和大型装置上,多采用壳管式换热器,比如,中央空调系统常用的水冷冷水机组中,蒸发器和冷凝器通常采用的就是壳管式换热器。壳管式换热器外观图片见图4,壳管式蒸发器工作原理见视频2。

 
图2 直管套管式换热器工作原理
 
视频1 螺旋套管式换热器工作原理(来源:网络下载)
加载视频...
 
图3 壳管式换热器实物图片
(a)一壳程两管程;(b)两壳程四管程
 
视频2 壳管式蒸发器工作原理(来源:网络下载)
加载视频...
 

(三)、蛇管式换热器

蛇管式换热器可分为两类:沉浸式蛇管换热器和喷淋式蛇管换热器。

1、沉浸式蛇管换热器

蛇管换热器多以金属管弯制而成,或制成符合容器要求的形状,沉浸在容器中。两种流体分别在蛇管内、外流动并交换热量。

蛇管换热器的优点是,布局简单,造价低廉,能承受高压,可用耐腐材料制造。其缺点是:管外液体湍流水平低,管外对流换热系数较小。为提高传热系数,可在管外侧流体中设置搅拌器。

2、喷淋式蛇管换热器

喷淋式蛇管换热器多用作冷却器。蛇管成列地固定在支架上,热流体在蛇管内流动,自最上管进入,由最下管流出。喷淋水由最上面的淋水管流下,匀称地喷淋在蛇管上,并沿其两侧降落至下面的管子外表面,最后流入蛇管换热器下部的水槽中。这种装置常设置在室外空气流通较好的地方,喷淋水在管外表面上汽化带走热量,使得管内流体被冷却。喷淋式换热器与沉浸式换热器相比,具有传热效果较好、耐高压、便于检修和清洗,缺点是喷淋水不易喷洒均匀,外表面容易结垢,金属管路易腐蚀。

蛇管式换热器外形结构见图5和图6。

图4 蛇管式换热器实物图片
 
图5 喷淋式蛇管换热器结构原理示意图
 

二、翅片式换热器

翅片式换热器是气体与液体热交换时使用最为广泛的一种换热设备。它通过在普通的基管上加装翅片来达到强化传热的目的。基管可以用钢管、不锈钢管、铜管等。翅片也可以用钢带、不锈钢带、铜带、铝带等。翅片式换热器主要用于干燥系统中空气加热,是热风装置中的主要设备,换热器采用的热介质可以是蒸汽或热水,也可用导热油,蒸汽的工作压力一般不超过0.8 Mpa,热空气的温度在150℃以下。图7是翅片式换热管,图8和图9是翅片式换热器,视频3是翅片式风冷冷凝器工作原理。

图6 翅片式换热管
 
图7 翅片管式换热器
 
图8 翅片管式空气冷却器
 
视频3 翅片式风冷冷凝器工作原理(来源:网络下载)
加载视频...
 

常用的翅片结构形式有平直翅片、百叶窗翅片、锯齿翅片、多孔翅片和波纹翅片,如图10所示。

图9 典型翅片结构形式
 

通常情况下,翅片管换热器的翅片间距和片高是影响翅化比的主要因素,翅化比和管内外介质的膜传热系数有很大的关系。如果管内、外侧对流换热系数差异较大,在换热系数较小的一侧应选择翅化比比较大的翅片管,如蒸汽加热空气。当一侧介质存在相变的情况下,传热系数的差异也会较大,如冷热空气的交换,当热空气降低到露点以下,可以采用翅片管换热器。在无相变的空气与空气换热情况下,或者水与水的热交换,通常以光管比较适合。当然也可以采用低翅片管,因为强化其中的任意一侧都是具有一定的效果的。不过,过大的翅化比作用并不明显,最好是管内外接触面积同时强化,可以采用内螺纹管或槽纹管。

翅片片距确定主要要考虑积灰、结尘、易清洗等因素,同时需严格符合设备对压力降等要求。在换热的过程中,空气在流经翅片管换热器时,主要是翅片正反两个面参与换热。两支翅片管中间部位只有少量的辐射传热,换热效果不明显。此部位由于无翅片,阻力小,空气容易穿透。在空气加热的过程中,未经换热的冷空气会与从翅片中间穿过,并和已加热的热空气形成混合,从而降低了换热的效果。对比国外的翅片管换热器,管间距仅比翅片外径大0.5 mm,可见翅片管排列时,管间距的重要性。

三、板式换热器

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各板片之间形成薄矩形通道,通过板片进行热量交换。板式换热器是液-液、液-汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下,其传热系数比管式换热器高3~5倍,占地面积为管式换热器的三分之一,热交换效率可高达90%以上。

板式换热器可分为平板式换热器和螺旋板式换热器,图11和图12分别是平板式换热器和螺旋板式换热器的外观图。

图10 平板式换热器实物图
 
图11 螺旋板式换热器实物图
 

平板式换热器的结构原理如图13所示,板片结构如图14,图15是平板式换热器板片间密封用的密封圈。图16是螺旋板式换热器的结构原理图。

图12 平板式换热器结构原理图
 
图13 平板式换热器的平板结构图
 
图14 平板式换热器板片间密封圈
 
图15 螺旋板式换热器结构原理图
 

(部分文字来源:网络下载)