制冷系統換熱器工作原理及分類知識

一、換熱器的概念

換熱器是将熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工，石油，動力，食品及其它許多工業部門的通用設備，在生産中占有重要地位。在化工生産中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱設備因其用途不同，類型繁多，性能不一，但均可歸結為管殼式結構和闆式結構兩大類。

二、換熱器的工作原理

換熱器是将熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，即在一個大的密閉容器内裝上水或其他介質，而在容器内有管道穿過。讓熱水從管道内流過。由于管道内熱水和容器内冷熱水的溫度差，會形成熱交換，也就是初中物理的熱平衡，高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞，這樣就把管道裡水的熱量交換給了容器内的冷水，換熱器又稱熱交換器 。

三、機械結構形式

換熱器的分類良多，可以按傳熱原理、結構和用途等進行分類，按其結構分類主要有管殼式和闆式兩種。 根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。

1、間壁式換熱器的類型

夾套式換熱器

這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成，結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數也不高。為提高傳熱系數且使釜内液體受熱均勻，可在釜内安裝攪拌器。當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時，亦可在夾套中設置螺旋隔闆或其它增加湍動的措施，以提高夾套一側的給熱系數。為補充傳熱面的不足，也可在釜内部安裝蛇管。 夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。

沉浸式蛇管換熱器

這種換熱器是将金屬管彎繞成各種與容器相适應的形狀，并沉浸在容器内的液體中。蛇管換熱器的優點是結構簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造;其缺點是容器内液體湍動程度低，管外給熱系數小。為提高傳熱系數，容器内可安裝攪拌器。

噴淋式換熱器

這種換熱器是将換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管内流動，冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下，故也稱噴淋式冷卻器。噴淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜，管外給熱系數較沉浸式增大很多。另外，這種換熱器大多放置在空氣流通之處，冷卻水的蒸發亦帶走一部分熱量，可起到降低冷卻水溫度，增大傳熱推動力的作用。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。

套管式換熱器

套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管，并由U形彎頭連接而成。在這種換熱器中，一種流體走管内，另一種流體走環隙，兩者皆可得到較高的流速，故傳熱系數較大。另外，在套管換熱器中，兩種流體可為純逆流，對數平均推動力較大。套管換熱器結構簡單，能承受高壓，應用亦方便(可根據需要增減管段數目)。 特别是由于套管換熱器同時具備傳熱系數大，傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優點，在超高壓生産過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生産過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。

管殼式換熱器

管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器，它在工業上的應用有着悠久的曆史，而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。

管殼式換熱器主要有殼體、管束、管闆和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，内部裝有平行管束，管束兩端固定于管闆上。在管殼換熱器内進行換熱的兩種流體，一種在管内流動，其行程稱為管程;一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數，通常在殼體内安裝一定數量的橫向折流檔闆。折流檔闆不僅可防止流體短路，增加流體速度，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的檔闆有圓缺形和圓盤形兩種，前者應用更為廣泛……流體在管内每通過管束一次稱為一個管程，每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管内流體的速度，可在兩端封頭内設置适當隔闆，将全部管子平均分隔成若幹組。這樣，流體可每次隻通過部分管子而往返管束多次，稱為多管程。同樣，為提高管外流速，可在殼體内安裝縱向檔闆使流體多次通過殼體空間，稱多殼程。在管殼式換熱器内，由于管内外流體溫度不同，殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大， 換熱器内部将出現很大的熱應力，可能使管子彎曲，斷裂或從管闆上松脫。因此，當管束和殼體溫度差超過50℃時，應采取适當 的溫差補償措施，消除或減小熱應力。

2、混合式換熱器

混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，隻要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生産部門中。 按照用途的不同，可将混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：

(1) 冷卻塔(或稱冷水塔)

在這種設備中，用自然通風或機械通風的方法，将生産中已經提高了溫度的水進行冷卻降溫之後循環使用，以提高系統的經濟效益。例如熱力發電廠或核電站的循環水、合成氨生産中的冷卻水等，經過水冷卻塔降溫之後再循環使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。

(2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)

在工業上用這種設備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除淨氣體中的灰塵，氣體的增濕或幹燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進行冷卻，而且還可對其進行加熱處理。但是，它也有對水質要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，目前在一般建築中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設備使用。但是，在以調節濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用!

(3)噴射式熱交換器

在這種設備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度後送給用戶。

(4)混合式冷凝器

這種設備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。

3.蓄熱式換熱器

蓄熱式換熱器用于進行蓄熱式換熱的設備。内裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子(有時用金屬波形帶等)。換熱分兩個階段進行。第一階段，熱氣體通過火格子，将熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。這兩個階段交替進行。通常用兩個蓄熱器交替使用，即當熱氣體進入一器時，冷氣體進入另一器。常用于冶金工業，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學工業，如煤氣爐中的空氣預熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。 蓄熱式換熱器一般用于對介質混合要求比較低的場合。

4.緊湊式換熱器

(1)螺旋闆式換熱器

一種高效換熱器設備，适用汽-汽、汽-液、液-液，對液傳熱。它适用于化學、石油、溶劑、醫藥、食品、輕工、紡織、冶金、軋鋼、焦化等行業。按 結構形式可分為 不可拆式(Ⅰ型)螺旋闆式及可拆式(Ⅱ型、Ⅲ型)螺旋 闆式換熱器，現行标準為JB/T4751-2003《螺旋闆式換熱器》。

(2)闆式換熱器

由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種闆片之間形成薄矩形通道，通過闆片進行熱量交換。闆式換熱器是液—液、液—汽進行熱交換的理想設備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、應用廣泛、使用壽命長等特點。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數比管式換熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一，熱回收率可高達90%以上。

使用注意

1、保持管網的清潔。無論是在工作前還是工作完成後，都必須對管網進行清潔處理，這樣做的目的是為了避免發生換熱器堵塞的現象。還要注意及時對除污器以及過濾器的清洗，讓整個工作順利完成。

2、嚴重把關軟化水。對于水質把關是相當重要的，在進行對軟化水水質處理的前提下，首先要認真檢查系統中的水和軟化罐水質問題，确定合格後方可進行注入處理。

3、新系統檢驗。對于一些新系統來說，不能馬上與換熱器進行交替使用，首先需把新的系統在指定的時間段運行，讓它有了一個運行模式後，此時方可以把換熱器并入系統中使用，這樣做的目的完全是為了避免管網中的雜質破壞換熱器設備。

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