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1、第四章 传热一、传热在化工生产中的主要应用 创造并维持化学反应需要的温度条件。创造并维持单元操作过程需要的温度 条件。设备的保温与节能。热能的合理利用和余热的回收。二、化工生产中对传热要求的两种情况 强化传热。削弱传热。第一节第一节 概概 述述一、传热的基本方式1传导（或导热）（1）机理 由于物质的分子、原子或电子的热运动或振动引起的热量传递。（2）特点 物体中的分子或质点不发生宏观的位移，导热在固体、气体、液体中均可发生。2对流（1）机理 由于流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。（2）特点 仅发生在流体中。（3）根据引起流体质点相对位移的原因分为：自然对流 流体质点的相对位移是因流
2、体内部各处 温度不同而引起的密度差异所致。强制对流 流体质点的相对位移是由外力引起的。3辐射（1）机理 是一种以电磁波传递热能的方式。（2）特点 不仅是能量的传递，同时还伴随着能量形式的转换。不需要任何媒介，可以在真空中传播。二、工业换热方式二、工业换热方式1间壁式换热（1）换热特点 两流体被固体壁面隔开，互不接触。（2）适用场合 两流体换热时不允许混合。2混合式换热（1）换热特点 两流体直接接触，相互混合进行换热。（2）适用场合 两流体换热时允许混合。3蓄热式换热（1）换热特点 热、冷流体交替进入换热器，热流体将热量贮存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。（2）适用场合 一般用
3、于气体之间的换热，且两流体允许混合。三、载热体及其选用三、载热体及其选用1常用的加热剂（1）热水和饱和水蒸气 热水适用于40100；水蒸气适用于100180。（2）烟道气 烟道气的温度可达700以上，能将物料加热到比较高的温度。（3）高温载热体 矿物油适用于180250；联苯、二苯醚混合物，适用于255380；熔盐适用于140530。2常用的冷却剂（1）水和空气可将物料冷却至环境温度。（2）无机盐水溶液可将物料冷却至零下十几度到几十度。（3）常压下液态氨蒸发可达33.4，液态乙烷蒸发可达88.6。四、稳定传热和不稳定传热四、稳定传热和不稳定传热（1）稳定传热 传热系统中各点的温度仅随位置变化而
4、不随时间变化。（2）不稳定传热 传热系统中各点的温度不仅随位置变化也随时间变化。第二节第二节 热热 传传 导导一、平壁的稳定热传导1.单层平壁的热传导图4-4所示，为一个由均匀材料构成的平壁。实践证明，单位时间内通过平壁的导热量与导热面积A和壁面两侧的温度差t=t1-t2成正比，而与壁的厚度成反比，即引入比例系数，把上式改写成等式，则得 （4-1）式(4-1)称热传导方程，或称傅里叶定律。式(4-1)可改写为下面的形式 （4-2）式（4-2）中t=t1t2为导热的推动力，；而 则为导热的热阻，。可见，导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。热导率是衡量物质导热能力的一个物理量，是物质的一
5、种物理性质。式（4-1）可改写为 W(m)（4-3）由上式可知热导率的物理意义是：当A=1m2、=1m、t=1时，单位时间内的导热量。所以它表明了物质导热能力的大小，值越大，则物质的导热性能越好。要提高导热速率时，可选用热导率大的材料；反之，应选用热导率小的材料。（1）固体的热导率 在所有的固体中，金属是最好的导热体。纯金属的热导率一般随温度升高而降低。金属的热导率大都随其纯度的增加而增大，非金属建筑材料或绝热材料的热导率与温度、组成和结构的紧密程度有关，通常其值随密度增加而增大，也随温度升高而增大。常用固体的热导率如表4-1所示。（2）液体的热导率 液体分成金属液体和非金属液体两类，前者热导
6、率较大后者较小，大多数液态金属的热导率随温度的升高而降低。在非金属液体中，水的热导率最大。除水和甘油外，绝大多数液体的热导率随温度升高而略有减小，一般说来溶液的热导率低于纯液体的热导率。某些液体的热导率如表4-2所示。（3）气体的热导率 气体的热导率随温度的升高而增大,在通常压强范围内,气体的热导率随压强增减的变化很小,可忽略不计。气体的热导率很小，对导热不利，我们可以利用它的这种性质进行保温和绝热。工业上所用的保温材料，如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以其热导率较小，而适用于保温隔热。常见气体的热导率如表4-3所示。2多层平壁的热传导图4-5所示为三层平壁，稳定传热，各层导热速率均相等
7、，即于是 （4-4）或 （4-5）式（4-5）即为三层平壁的导热速率方程式。由式（4-4）可知，对多层平壁的导热，各层的温差与其热阻成比，哪层的热阻大，哪层的温差就大。对于n层平壁，其导热速率方程可以表示为 =(4-6)上式等号右边的分子是n层壁两侧的温度差；分母是n层壁的总热阻，即多层平壁导热的总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和。式中下标“i”表示平壁的序号。二、圆筒壁的稳定热传导二、圆筒壁的稳定热传导1单层圆筒壁的热传导例如通过管壁和圆筒形设备的导热，如图4-6所示。与平壁热传导比较，圆筒壁的导热面积A不再是固定不变的常量，而是随半径而变，同时温度也随半径而变。但传热速率在稳态
8、时依然是常量。圆筒壁的热传导可仿照平壁的热传导来处理，可将圆筒壁的热传导方程式写成与平壁热传导方程式相类似的形式，不过其中的导热面积A应采用平均值。即 （4-7）设圆筒壁的平均半径为rm，则圆筒壁的平均导热面积Am=2rmL，代入上式得 （4-8）圆筒壁的平均半径rm，采用对数平均值 (4-9)当r2/r12时，工程上经常用算术平均值代替对数平均值，使计算较为简便。算术平均值为 （4-10）将式（4-9）代入式（4-8）得 （4-11）由单层圆筒壁的导热速率方程式可知，单层圆筒壁的导热热阻R为 （4-12）2多层圆筒壁的热传导如果在圆筒形设备外包有绝热层或在设备内表面有垢层生成，这样就形成两层
9、圆筒壁的导热，又如在圆筒壁的内外壁上各生有一层垢层，这样就构成三层圆筒壁的导热，如图4-9所示。对多层圆筒壁的热传导也可按多层平壁的热传导处理，对图4-9所示长度为的三层圆筒壁，其导热速率方程式为 =（4-13）多层圆筒壁导热的总推动力仍为各层推动力之和，总热阻也等于各层热阻之和。对于n层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为 =（4-14）第三节第三节 对对 流流 传传 热热对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程，即由热流体将热传给壁面，或由壁面将热传给冷流体。根据流体在传热过程中的状态和流动状况，对流传热可分为流体无相变时对流传热和流体有相变化的对流传热。前者流体在传热过程中依流体流动原因不同，
10、可分为强制对流传热和自然对流传热；后者依流体在传热过程中发生相变化而分为蒸气冷凝和液体沸腾。一、对流传热分析（1）温度差和传热方式 在湍流主体内，热量传递主要依靠对流进行，使湍流主体中流体的温度差极小；在过渡区内，传导和对流同时起作用，温度发生缓慢变化；在滞流内层中，主要靠传导进行传热，温度差较大。（2）热阻 主要集中在滞流内层中。二、对流传热速率方程实践证明，在单位时间内对流传热过程传递的热量，与传热面积成正比，与流体和壁面间的温度差成正比，即流体被冷却时 =1A(w)(4-15)流体被加热时 =2A(twt)(4-16)对流传热系数是度量对流传热过程强烈程度的数值。式（4-15）或式（4-
11、16）可改写为 (4-17)由上式可知对流传热系数的物理意义是：当A=1m2、t=1时，单位时间内流体与壁面之间的传热量。所以值越大，对流传热过程越强烈。式(4-15)和式(4-16)就是对流传热速率方程，又称牛顿冷却定律，是计算对流传热速率的基本方程式。将式(4-15)、式(4-16)分别改写成如下形式 （4-15a）（4-16a）上两式表明，对流传热速率与对流传热推动力成正比，与对流传热热阻成反比，与导热速率的数学表达式相仿。对流传热的热阻为 或 （4-18）三、影响对流传热系数的因素三、影响对流传热系数的因素（1）流体的种类（2）流体的物理性质（3）流体的相态变化（4）流体的对流状况（5
12、）流体的流动状况（6）传热壁面的形状、位置和大小四、对流传热系数的经验关联式四、对流传热系数的经验关联式由于影响值的因素太多，要建立一个通式来求各种条件下的值是很困难的。目前通常将这些影响因素经过分析组成若干个特征数，然后再用实验方法确定这些特征数之间的关系，而得到在不同情况下求算值的具体特征数关联式。常用特征数的名称、符号和含义列于表4-4中。特 征 数 名 称符 号特 征 数 式含 义努塞尔数Nu表示对流传热系数的特征数雷诺数 Re确定流体流动型态的特征数普兰特数 Pr表示物理性质影响的特征数格拉斯霍夫数Gr表示自然对流影响的特征数表4-4 特征数的名称、符号和含义应用这种关联式求解值时，
13、必须注意它的应用范围和使用条件，具体说来，主要有以下三点。应用范围 指关联式中Re、Pr等特征数的数值范围。特征尺寸 Nu、Re等特征数中的l应如何取定。定性温度 各特征数中流体的物性应按什么温度查取。1流体无相变时的对流传热系数对流体在圆形直管内作强制湍流无相变时，且其黏度小于2倍常温水黏度的流体，可用下式计算对流传热系数：u=0.023Re0.8rn （4-19）或 （4-19a）式中，n值与热流方向有关，当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。应用范围 Re10000，0.7r120，管长L与管内径di之比Ldi60。若Ldi60时，可将由式（4-19a）算得的值乘以大于1的短
14、管修正系数进行校正。特征尺寸 Re、Nu特征数中的l取管内径di。定性温度 取流体进、出口主体温度的算术平均值。由式（4-19a）可知，当流体的物性一定时，值与流速的0.8次方成正比，与管径的0.2次方成反比。因此，适当提高流速和减小管径都能增大对流传热系数，降低对流传热热阻，对传热有利。2流体有相变时的对流传热系数（1）蒸汽冷凝 有膜状冷凝和滴状冷凝。膜状冷凝 壁面被液膜所覆盖，值较小。滴状冷凝 壁面大部分直接暴露在蒸汽中，值较大。当蒸汽中有空气或其他不凝性气体时，则将在壁面上生成一层气膜。由于气体热导率很小，使对流传热系数明显下降，因此冷凝器应装有放气阀，以便及时排除不凝性气体。（2）液体
15、沸腾 分大容器沸腾和管内沸腾对大容器沸腾，液体在沸腾过程中，由于气泡在加热面上不断地生成、扩大和脱离，使加热面附近液体产生搅动，所以使对流传热系数增大。但如果温差过大，使加热面上气泡生成过快，来不及脱离壁面，就会在壁面上形成一层蒸气膜，使值降低。由水的沸腾曲线可知，液体沸腾分为自然沸腾区、核状沸腾区和膜状沸腾区。由于核状沸腾值较大，所以工业生产中应设法控制在核状沸腾下操作。由于影响对流传热系数的因素很多，所以值的范围很大。表4-5列出了一些工业用换热器中常用流体值的大致范围。由此表可以看出，在换热过程中流体有相变化时的值较大；在没有相变化时，水的值最大，油类次之，气体和过热蒸气的值最小。对流传
16、热的类型/W/(m2)对流传热的类型 /W/(m2)水蒸气的滴状冷凝水蒸气的膜状冷凝有机蒸气的冷凝水的沸腾46000140000460017000580230058052000水的加热或冷却油的加热或冷却过热蒸气的加热或冷凝空气的加热或冷却2301100058170023110158表4-5 工业用换热器中 值的大致范围第四节第四节 传热过程计算传热过程计算一、传热基本方程图4-10为一单程列管式换热器示意图。图4-10 单程列管换热器操作示意图实践证明，两流体在单位时间内通过换热器传递的热量与传热面积成正比，与冷热流体间的温度差也成正比。倘若温度差沿传热面是变化的，则取换热器两端温度差的平均
17、值。上述关系可用数学式表示为 =tm （4-20）式中 单位时间内通过换热器传递的热量，即传 热速率，W；换热器的传热面积，m2；tm冷、热流体间传热温度差的平均值，它是 传热的推动力，；比例系数，或称传热系数。是表示传热过 程中强弱程度的数值。K物理意义和单位可由下式看出 （4-21）传热系数的物理意义是：当冷热两流体之间温度差为1时，在单位时间内通过单位传热面积，由热流体传给冷流体的热量。所以值越大，在相同的温度差条件下，所传递的热量就越多，即热交换过程越强烈。在传热操作中，总是设法提高传热系数的数值以强化传热过程。式（4-20）称为传热基本方程式。此式也可以写成如下形式 （4-22）式中
18、，为传热总热阻。式（4-22）表明传热速率与传热推动力成正比，与传热热阻成反比。因此，提高换热器传热速率的途径是提高传热推动力和降低传热热阻。要选择或设计换热器，必需计算完成工艺上给定的传热任务所需换热器的传热面积。由传热基本方程式得 （4-23）由上式知，要计算传热面积，必须先求得传热速率、平均温度差tm和传热系数。二、热负荷的计算二、热负荷的计算 传热速率是换热器本身的换热能力，是设备的特性。而热负荷是生产上要求换热器必须具有的换热能力，是对换热器的要求。为保证完成传热任务，应使换热器的传热速率略大于或至少等于热负荷。当忽略操作中的热量损失时 热=冷热负荷可通过热流体放出的热量热进行计算,
19、也可通过冷流体吸收的热量冷来计算，即 =热=冷。（1）传热中流体只有温度变化，没有相变化时，计算式为 =热=qm热c热(12)（4-24）=冷=qm冷c冷(t2t1)（4-25）（2）传热中流体只有相变化，没有温度变化时，计算式为 =热=qm热r热 （4-26）=冷=qm冷r冷 （4-27）（3）传热中流体既有温度变化又有相变化时，计算式为 =热=qm热c热(12)+r热 （4-28）=冷=qm冷c冷(t2t1)+r冷 （4-29）三、传热温度差的计算三、传热温度差的计算1.恒温传热时的传热温度差恒温传热即两流体在进行热交换时，每一流体在换热器内的任一位置，任一时间的温度皆相等。由于恒温传热，
20、冷热两种流体的温度都维持恒定不变，所以两流体间的传热温度差也为定值，可表示如下 tm=T-t （4-30）2变温传热时的传热温度差（1）间壁一边流体变温而另一边流体恒温时传热温度差计算 单侧变温传热，其平均传热温度差tm用下式计算 （4-31）当 2时，在工程计算中，可近似用算术 平均值代替对数平均值，其误差不超过4%。（2）间壁两边流体变温时传热温度差计算并流和逆流时的平均温度差并流和逆流两种流向的平均传热温度差计算式与式（4-31）完全一样，即 当 2时，仍可用算术平均值计算。错流和折流时的平均温度差 错流如图4-13中（a）所示。简单折流如图4-13(b)中所示。若两流体均作折流流动，则
21、称为复杂折流。图4-13 错流和折流示意图错流和折流的传热温度差，通常是先按逆流求算，然后再根据具体流动形式乘以温度差校正系数，即 tm=tm逆 （4-32）温度差校正系数与冷、热两流体的温度变化有关，可以根据P和R两个参数从相应的图中查得。图4-14 对数平均温度差校正系数图4-15 错流时温度差校正系数值3不同流动形式的比较（1）逆流 当两流体都是变温传热时，在两流体进、出口温度相同的条件下，逆流时的平均温度差最大。当换热器的传热量及总传热系数一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。另外，因为逆流时2可以低于t2或t2可以高于2，所以与并流比较，可以节省加热介质或冷却介质用量。若工
22、艺上无特殊要求，应尽量采用逆流操作。（2）并流 可用于工艺上有特殊要求的场合，如要求冷流体被加热时不能超过某一温度，或热流体在冷却时不能低于某一温度采用并流操作就比较容易控制。（3）错流、折流 能使换热器结构比较紧凑合理。传热系数是表示间壁两侧流体间传热过程强弱程度的一个数值，影响其大小的因素十分复杂。此值主要决定于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，因此K值变化范围很大。例如,某些情况下在列管换热器中，传热系数K的经验值见表4-6。四.传热系数的测定和计算冷 流 体热 流 体传热系数 W/（m2）冷 流 体热 流 体传热系数 W/（m2）水水水水水水气体有机溶剂轻油重油85017
23、001728028085034091060280水气体水水沸腾轻油沸腾水蒸气冷凝水蒸气冷凝低沸点烃类冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝14204250303004551140200042504551020表4-6 列管式换热器中的传热系数经验值1.传热系数值的测定先测定有关数据，如设备尺寸，流体的流量和进、出口温度等，然后求得传热速率Q、传热平均温度差tm和传热面积，再由传热基本方程式计算值，即2传热系数K值的计算 在间壁式换热器中，热量由热流体传给冷流体的过程是由热流体与壁面的对流传热、间壁的导热和壁面与冷流体的对流传热三个串联过程组成。根据串联热阻叠加原理，即传热过程的总热阻等于各过程分热阻之和，可
24、以导出传热系数K的计算式。对于平壁或忽略圆筒壁内外表面积的差异，则有 （4-33）或 （4-34）换热器在使用中，固体壁面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，使传热系数降低。因此，在使用和设计换热器时，应考虑污垢的问题。若间壁两侧表面上的污垢热阻分别为R垢1和R垢2，则传热系数的计算式为 （4-35）表4-7列出了一些常见流体的污垢热阻的经验值。若传热过程中无垢层存在，传热间壁由很薄的金属材料构成，且值很大，使间壁导热热阻可忽略时，则式(4-35)便简化为 （4-36）由上式知，若12，则K 2。说明总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个值相差较大时，要提高值，关键在于提高小的值，
25、若两侧值相差不大时，则应同时考虑提高两侧的值，以达提高传热系数值的目的。第五节第五节 管路和设备的热绝缘管路和设备的热绝缘在化工生产中，当设备和管道与外界环境存在一定温度差时，就要在其外壁上加设一层隔热材料，防止热量在设备和环境之间进行传递，这种措施称为保温，也称热绝缘。热绝缘包括“保温”和“保冷”两个方面。设备温度高于环境温度，要防止热量损失，这是“保温”；设备温度低于环境温度，要防止设备从环境吸收热量，即防止“冷量”损失，这是“保冷”，习惯上将二者统称为保温。一、保温的目的（1）减少热量或冷量的损失，提高操作的经济程度。（2）维持设备一定的温度，保证生产在规定的温度下进行。（3）避免某些易
26、燃物料泄漏到裸露的高温管道上，可能引起火灾，或高温设备裸露在外，可能造成烫伤事故，以保证安全。（4）维持正常的车间的温度，保证良好的劳动条件。二、保温结构保温结构通常有绝热层和保护层构成。绝热层是保温的内层，由热导率小的材料构成，它的作用是阻止设备与外界环境之间的热量传递，是保温的主体部分；保护层是保温的外层，具有固定、保护绝热层和美观等作用。如果设备在室内，保护层可用玻璃布或轻质防水布；如果在室外，保护层应涂防潮涂料或加金属防护壳。保冷还要加防潮层，一般加在保护层的内侧。三、对保温材料的要求（1）热导率小，一般0.2（m）。（2）空隙率大，密度小，机械强度大，膨胀系数小。（3）化学稳定性好，
27、对被保温的金属表面无腐蚀作用。（4）吸水率要小，耐火性能好。（5）经济耐用，施工方便。四、绝热层的厚度增加绝热层厚度，将减少热损失，可节省操作费用。但绝热层的费用，将随其厚度的增加而加大，而且随着厚度的增加，可节省的操作费用将减少，甚至省下来的热量不足以抵偿所耗绝热层的费用，因此应通过核算以确定绝热层的经济厚度。绝热层厚度的计算，一般是根据生产情况，规定一个合乎要求的绝热层外表面温度和允许的热损失，由导热方程式计算。绝热层厚度除特殊要求应进行计算外，一般可根据经验加以选用（可查有关手册）。第六节第六节 换换 热热 器器换热器是化工厂中重要的设备之一。在生产中可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器
28、和再沸器等，应用极为广泛。由于化工生产中对换热器有不同的要求，所以换热设备也有各种形式，根据冷、热流体间热量交换的方式基本上可分为三类，即本章开始所述及的间壁式、混合式和蓄热式。在这三类换热器中，以间壁式换热器最为普遍。一、间壁式换热器一、间壁式换热器按照传热面的型式，间壁式换热器可分为夹套式、管式、板式和各种异型传热面组成的特殊型式换热器。1夹套式换热器如图4-16所示，夹套装在容器外部，夹套与器壁之间形成封闭空间，成为载热体通道。夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却。这种换热器的传热系数较小，传热面又受容器的限制，因此适用于传热量不太大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，
29、使器内液体作强制对流，为了弥补传热面的不足，还可在容器内加设蛇管等。2管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯绕而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中，如图4-17所示。图4-18为常见的几种蛇管形式。沉浸式蛇管换热器的优点：结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。主要缺点：由于容器体积较蛇管的体积大得多，故管外流体的对流传热系数值较小。因而传热系数K值也较小。如在容器内加搅拌器或减小管外空间，则可提高传热系数。（2）喷淋式换热器 喷淋式换热器如图4-19所示，它主要作为冷却器用，且是用水作喷淋泠却剂，故常称为水冷器。（3）套管式换热器 套管式换热器是用管件将两种直径不同的
30、标准管连接成为同心圆的套管，然后由多段这种套管连接而成，如图4-20所示。每一段套管简称为一程。常见的套管直径有下列几种组合。见表4-8。套管换热器的优点为：构造简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择内管和外管的直径，可使流体的流速增大，而且两方的流体可作严格逆流，传热效果较好。其缺点为：管间接头较多，易发生泄漏；占地面积较大，单位换热器长度具有的传热面积较小。故在要求传热面积不大但传热效果较好的场合宜采用此种换热器。外管外直径mm607089114内管外直径mm42426089表4-8 套 管 直 径 组 合（4）列管式换热器 列管式换热器又称管壳式换热器，是目前化工生产上应用最
31、为广泛的一种换热器。它与前述几种换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积大，并且传热效果好。此外，结构较简单，制造材料也较为广泛，适应性强，尤其是在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。列管式热交换器的构造 列管式热交换器主要由壳体、管束、管板（又称花板）和顶盖（又称封头）等部件组成，如图4-21所示。为了提高管程流体的流速，常在管程安装分程隔板，使流体作多程流动。为了提高壳程流体的流速，常在壳程安装折流挡析，使流体多次错流流过管束。图4-22即为双程热交换器。常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，如图4-23所示，前者应用较为广泛，所形成壳内流体流动情况如图4-24所示。列管式换热器的基本形式
32、列管式换热器中，由于冷热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度相差较大（如50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂，或管子从管板上松脱，因此必须采取适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。根据采取热补偿方法的不同,列管式换热器可分为以下几种主要形式。a.固定管板式换热器 如前述图4-21所示。所谓固定管板式，即两端管板和壳体连接成一体的结构形式，因此它具有结构简单和造价低廉的优点，但壳程清洗困难，因此要求壳方流体应是较清洁且不容易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。图4-25为具有补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式
33、换热器。此法适用于两流体温度差小于6070，壳程压强小于588kPa的场合。b.形管式换热器 如图4-26所示。每根管子都弯成U形，管子两端均固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种形式换热器的结构也较简单，质量轻，适用于高温和高压的情况。其主要缺点是管程清洗比较困难；且因管子需一定的弯曲半径，管板利用率较差。c.浮头式换热器 如图4-27所示。两端管板中有一端不与外壳固定连接，该端称为浮头，当管束和壳体因温度差较大而热膨胀不同时，管束连同浮头可在壳体内自由伸缩，从而解决热补偿问题。由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接，因此管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。但结
34、构比较复杂，金属耗量多，造价较高。3板式换热器（1）螺旋板式换热器 如图4-28所示。是由两块薄金属板焊接在一块分隔挡板（图中心的短板）上，并卷成螺旋形而构成，在器内形成两条螺旋形通道。螺旋板式换热器的优点是:传热系数大 结构紧凑 不易堵塞 能充分利用低温热源 主要缺点是操作压强和温度不宜太高。此外整个换热器被卷制而成焊为一体，一般发生泄漏时，修理内部很困难。（2）板式换热器 板式换热器是由一组金属薄片、相邻板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。图4-29所示为矩形板片，其上四角开有圆孔，形成流体通道。板式换热器的优点是：结构紧凑，单位容积所提供的传热面较大，金属耗量可减少；传热系数较大；可以任
35、意增减板数以调整传热面积；检修、清洗方便。主要缺点是允许的操作压强和温度比较低。（3）板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为高效、紧凑的换热器。如图4-30所示，在两块平行金属薄板之间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧封条密封，即组成一个换热基本元件（单元体）。将各基本元件进行不同的叠积和适当排列，并用铅焊焊成一体，即可制成逆流式或错流式板束，如图4-31所示。再将板束放入带有流体进、出口的集流箱内用焊接固定，就组成为板翅式换热器。板翅式换热器结构紧凑，单位容积传热面积大。所用翅片形状可促进流体湍动和破坏滞流内层,故其传热系数大。因翅片对隔板有支撑作用，因而板翅式换热器具有较高的强度，允许操
36、作压强较大。但其制造工艺比较复杂，且清洗和检修困难，因而要求换热介质洁净。4翅片式换热器为了增加传热面积，提高传热速率，在管子表面加上径向或轴向翅片，称为翅片式换热器，如图4-32所示。常见的几种翅片如图4-33所示。常见的几种翅片形式5热管换热器热管是一种新型换热元件。最简单的热管是在抽出不凝性气体的金属管内充以某种工作液体，然后将两端封闭，如图4-34所示。图4-34 热管管子的内表面覆盖一层具有毛细结构材料做成的芯网，由于毛细管力的作用，液体可渗透到芯网中去。当加热段吸收热流体的热量受热时，管内工作液体受热沸腾，产生的蒸气沿管子轴向流动，流至冷却段时向冷流体放出潜热而冷凝，冷凝液沿着吸液
37、芯网回流至加热段再次受热沸腾。如此反复循环，热量则不断由热流体传给冷流体。这种新型换热器具有传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠等优点。二、换热器传热过程的强化途径二、换热器传热过程的强化途径换热器传热过程的强化，就是提高冷、热流体间的传热速率。从传热基本方程式=tm可以看出，增大传热系数、传热面积或平均温度差tm，均可提高传热速率。1增大传热面积增大传热面积不能仅靠增大换热器尺寸来实现，应从改进传热面结构，提高单位体积的传热面积入手。工业上常用的方法有：用翅片来增加传热面积；在管壳式换热器中采用小直径管；将传热面制成各种凹凸形、波纹形等。2增大平均温度差tm工业上可采取如下方法：用饱和
38、蒸汽加热时，可适当增加饱和蒸汽的压强；当两侧流体均变温时，采用逆流操作 增加壳程数。3增大传热系数从传热系数的计算式可知，要提高值必须减小各项热阻，但应从降低最大热阻着手。一般情况，对流传热热阻是传热过程中的主要热阻。当两个值相差较大时，应设法提高小的值。减小热阻的主要方法有：提高流体的流速，增加流体的湍动程度，减薄滞流内层。增加流体的扰动，以减薄滞流底层。对蒸汽冷凝传热过程，要设法减薄壁面上冷凝液膜的厚度。防止结垢和及时清除垢层。三、换热器操作注意事项三、换热器操作注意事项（1）开车前应检查有关仪表和阀门是否完好，齐全。（2）开车时要先通入冷流体，再通入热流体，要做到先预热后加热，以免换热器
39、受到损坏，影响使用寿命。停车时也要先停热流体，再停冷流体。（3）换热器通入流体时，不要把阀门开的过快，否则容易造成管子受到冲击、振动，以及局部骤然胀缩，产生应力，使局部焊缝开裂或管子与管板连接处松动。（4）用水蒸气加热时要及时排放冷凝水和定期排放不凝性气体，以提高传热效果。（5）定期分析换热器低压侧流体的成分，确定有无内漏，以便及时维修。（6）经常检查流体的出口温度，发现温度下降，则可能是换热器内污垢增厚，使传热系数下降，此时应视具体情况，决定是否对换热器进行除垢。（7）换热器停止使用时，应将器内液体放净，防止冻裂和腐蚀。（8）如果进行热交换的流体为腐蚀性较强的流体，或高压流体，应定期对换热器进行测厚检查，避免发生事故。