6第六章 间壁式换热设备（定稿）

第六章 间壁式换热设备

学习目标

①掌握常用的换热设备结构、原理。 ②熟悉的热交换方式。 ③熟悉换热器特点。

换热设备是进行各种热量交换的设备，通常称做热交换器或简称换热器。在制药生产中，许多过程都与热量传递有关。。例如，生产药品过程中的磺化、硝化、卤化、缩合等许多化学反应，均需要在适宜的温度下，才能按所希望的反应方向进行，并减少或避免不良的副反应；在反应器的夹套或蛇管中，通入蒸汽或冷水，进行热量的输入或取出；对原料提纯或反应后产物的分离、精制的各种操作。如蒸发、结晶、干燥、蒸馏、冷冻等，也都离不开热量的输入或取出；此外，生产中的加热炉、设备和各种管路，常包以绝热层，来防止热量的损失或导入，也都属于热量传递问题。

由于使用条件的不同，换热设备有多种形式与结构。如根据换热目的不同，换热设备可分为加热器、冷却器、冷凝器和再沸器。若按冷、热流体传热方法的不同可分为直接接触式换热器（又称混合换热器，冷热流体在器内直接接触传热）、间壁式换热器（冷热流体被换热器器壁隔开传热）和蓄热式换热器（ 热流体和冷流体交替进入同一换热器进行传热，制药上应用极少）。

制药工业生产中最常用的换热设备是间壁式换热器，按换热面的形状的不同，可分为管式换热器（换热面为管状的）和板式换热器（换热面为板状的）。一般板式换热器单位体积的传热面积及传热系数比管式换热器大得多，故又被称做高效换热器。

第一节 管壳式换热器

管式换热器通常有蛇管换热器、套管换热器。

一、蛇管换热器

蛇管换热器是最早出现的换热器，（如图6-1）为几种常见的蛇管形状。它又可分为沉浸式和喷淋式两种。

图6-1 常见的蛇管形状

1. 沉浸式蛇管换热器： 蛇管多用金属管按容器形状或生产要求弯绕成各种形状， 沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外通过管壁进行热交换。 优点：

①结构简单。 ②操作方便。

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③材料面广。 ④价格低廉。 缺点：

①传热系数小。 ②所占体积大。

2. 喷淋式蛇管换热器：

图6-2 喷淋式换热器

（如图6-2所示）冷却水由位于上方的管子向下均匀喷出，淋在竖直固定的蛇管的外壁上，与管内的流体进行热交换。通常管内的流体是“下进上出”（由下方的口进，由上方的口出），以与冷却水呈逆流流动。换热器通常装在室外，空气流动较快可以使管外表面的水蒸发快，吸收更多的热量。

与沉浸式相比其优点： ①传热系数大。 ②用水量较少。 缺点：

①结构笨重。 ②占地面积大。

二、套管式换热器

图6-3 套管式换热器

套管式换热器（如图6-3所示）是先用不同直径的两种管子制成同心套管，再根据需要将若干个套管由U形管连接而成。传热面两侧的流体多采用逆向流动，且流速较快。适用于流量较小、传热面积不大及高压的场合。

优点：

①结构简单。 ②传热面易调。 ③传热系数较大

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缺点：

①安装、检修工作量大。 ②易泄漏。 ③体积大。

三、管壳式换热器

管壳式换热器又称为列管式换热器，是目前应用最广泛的一种管式换热器。虽然同一些新型的换热器相比，它在传热效率、结构紧凑性及金属材料耗量方面有所不及，但其坚固的结构、耐高温高压性能、成熟的制造工艺、较强的适应性及选材范围广等优点，使其在工程应用中仍占据主导地位。

管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、封头等部件构成。一些小直径的管子（称为换热管）固定在管板上形成一组管束，管束外套有圆筒形薄壳，即壳体。进行热交换时，一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管束与壳体的空隙中流动，称为壳程。管束的壁面即为传热面。由于管束和壳体结构的不同，管壳式换热器又可以进一步划分固定管板式、浮头式、填料函式和U形管式。

1. 固定管板式换热器

（图6-4 具有补偿圈和折流挡板的四程列管换热器）

它主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动。(如图6-4所示)。这种换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节（补偿圈）以减小或消除温差应力。适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。

优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。

缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大热应力。 2. 浮头式换热器

图6-5 浮头式换热器

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浮头式换热器的一端管板是固定的，与壳体刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连，其结构（如图6-5所示）。活动管板一侧总称为浮头,浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力。但结构复杂、造价高，浮头处若密封不严会造成两种流体混合且不易察觉。适用于冷热流体温差较大，介质易结垢常需要清洗的场合。

3. U形管式换热器

图6-6 Ｕ型管换热器

U形管式换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作成U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起，其结构（如图6-6所示）。这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳体内自由伸缩，无温差力，也可将管束抽出清洗且还节省了一块管板；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。

U形管式换热器适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。

4.填料函式换热器

图6-7 填料函式换热器

1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；

5—填料压盖；6—填料；7—填料函

填料函式换热器与浮头式很相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封，（如图6-7所示）。这种换热器管束也可自由伸缩、无温差应力，具有浮头式的优点且结构简单、制造方便、易于检修清洗，特别是对腐蚀严重、温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用填料函式比浮头式和固定管板式更为优越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程流体易挥发、易燃、易爆及有毒的情况。目前所使用的填料函式换热器直径大多在700mm以下，大直径的用得很少，尤其在操作压力及温度较高的条件下采用更少。

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第二节 板式换热器

板式换热器是针对管式换热器单位体积的传热面积小、结构不紧凑、传热系数不高的不足之处，研制、开发出来的一类换热器，它使传热操作大为改观。

板面式换热器包括螺旋板式换热器、平板式换热器、伞板式换热器和板壳式换热器等。

一、螺旋板式换热器

图6-8 螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是在中心隔板上焊接两张平行的钢板并卷制成两个相互隔离的螺旋体通道，侧面由端盖封住并连接有各种接管（如图6-8所示）。一种流体由一个通道的外层管口进入向中心流动，并从中心处的管口流出；另一种流体则从另一个通道的中心处管口进入向外层流动，并从外层管口流出。

螺旋板式换热器的优点： ①传热效率高。 ②结构紧凑。 ③不易堵塞。 缺点：

①加工质量要求高。 ②检修和清洗困难。 ③不耐高温和高压。

二、平板式和伞板式换热器

图6-9 人字形波纹板片

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