换热器的工作原理（精选4篇）
管壳式换热器按照应力补偿的方式不同，可以分为以下三个种类：
1、固定管板式换热器
固定管板式换热器是结构最为简单的管壳式换热器，它的传热管束两端管板是直接与壳体连成一体的，壳体上安装有应力补偿圈，能够在固定管板式换热器内部温差较大时减小热应力。固定管板式换热器的热应力补偿较小，不能适应温差较大的工作。
2、浮头式换热器
浮头式换热器是管壳式换热器中使用最广泛的一种，它的应力消除原理是将传热管束一段的管板放开，任由其在一定的空间内自由浮动而消除热应力。浮头式换热器的传热管束可以从壳体中抽出，清洗和维修都较为方便，但是由于结构复杂，因此浮头式换热器的价格较高。
3、U型管换热器
U型管换热器的换热器传热管束是呈U形弯曲换热器，管束的两端固定在同一块管板的上下部位，再由管箱内的隔板将其分为进口和出口两个部分，而完全消除了热应力对管束的影响。U型管换热器的结构简单、应用方便，但很难拆卸和清洗。
管壳式换热器,管壳式换热器结构原理
管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。
工作原理和结构 图1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体(A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(m(℃)〕;用水冷却气体时,为10～280W/(m(℃)；用水冷凝水蒸汽时,为570～4000W/(m(℃)。
特点 管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。
分类 管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前 3种应用比较普遍。
固定管板式换热器 它是管壳式换热器的基本结构形式（图1 [固定管板式换热器]）。管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下采用。固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，因此要求壳程流体不易结垢。
浮头式换热器 图2 [浮头式换热器]为浮头式换热器的结构。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。由于壳体和管束间没有相互约束，即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。对于图2a[浮头式换热器]中的结构，拆下管箱可将整个管束直接从壳体内抽出。为减小壳体与管束之间的间隙，以便在相同直径的壳体内排列较多的管子，常采用图2b[浮头式换热器]的结构，即把浮头管板夹持在用螺栓连接的浮头盖与钩圈之间。但这种结构装拆较麻烦。浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。U型管式换热器 一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上,组成管束（图3[U型管式换热器]）。管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩,故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单,只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少,造价较低,也适用于高压流体的换热。但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少,相应的传热面积也较小。
双重管式换热器 将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器（图4 [双重管式换热器]）。管程流体（B流体）从管箱进口管流入,通过内插管到达外套管的底部，然后返向，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热。但管程流体的阻力较大，设备造价较高。
填函式换热器 图5 [填函式换热器]为填函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后,可将管束抽出壳体外,便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。
一、板式换热器
板式换热器是一种结构紧凑, 组装方便, 占地面积小, 传热系数高的热交换设备。当雷诺数为200时, 就能达到湍流状态, 热系数可达4000-7000W/M2℃, 是同等流速的管壳式换热器的3至5倍。设计上是软硬结合的热混合的设计技术, 不同的波纹面的孪生软硬板, 根据不同的要求, 可以组合不同的阻力的流道, 从而使传热达到最优化, 可实现其经济合理化。其最大的缺点是由于组合件是有橡胶密封, 承压有极限, 不能应用相对高压的环境中。由于板片之间交叉成网状结构, 要求其运行的介质分子的颗粒要有一定的范围, 不然很容易堵塞, 由于独特的组合形式, 泄露时维修极其方便, 更换配件简单, 所以大多行业用量较大, 例如集中供热行业、轻工、石油、化工食品等多个行业。
二、管壳式换热器
管壳式换热器是一种设计复杂制造工艺繁琐的换热设备, 在压力容器的制造过程中, 必须遵守相应的章程和制度, 管板的厚度, 壳体的厚度都得符合GB6654-1996和GB713-1997的相应标准, 不锈钢的标准符合GB/T4237-2007的水平, 换热管的设计也要根据腐蚀程度, 抗压能力上做严格的选择。其在运行的过程中流体的相对流向一般有顺流和逆流2种。顺流时, 入口处两流体的温差最大, 并沿传热表面逐渐减小, 至出口处温差为最小。逆流时, 沿传热表面两流体的温差分布较均匀。
在冷、热流体的进出口温度一定的条件下, 当两种流体都无相变时, 以逆流的平均温差最大顺流最小管式换热器在完成同样传热量的条件下, 采用逆流可使平均温差增大, 换热器的传热面积减小;若传热面积不变, 采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费, 后者可节省操作费, 故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。管式换热器当冷、热流体两者或其中一种有物相变化 (沸腾或冷凝) 时, 由于相变时只放出或吸收汽化潜热, 流体本身的温度并无变化, 因此流体的进出口温度相等, 这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。
除顺流和逆流这两种流向外, 还有错流和折流等流向。管式换热器在传热过程中, 降低间壁式换热器中的热阻, 以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧黏滞于传热面上的流体薄层 (称为边界层) , 和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层, 金属壁的热阻相对较小.管式换热器增加流体的流速和扰动性, 可减薄边界层, 降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加, 故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。
为了降低污垢的热阻, 可设法延缓污垢的形成, 并定期清洗传热面。管式换热器都用金属材料制成, 其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外, 奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料;铜、铝及其合金多用于制造低温换热器;镍合金则用于高温条件下;非金属材料除制作垫片零件外, 有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器, 如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。
三、管式换热器按不同方式不同分类
1. 固定管板式。
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体, 当两流体的温度差较大时, 在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈, 或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时, 补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点为结构简单、造价低廉、壳程清洗和检修困难, 壳程必须是洁净且不易结垢的物料。
2. U形管式。
U形管式换热器每根管子均弯成U形, 流体进、出口分别安装在同一端的两侧, 封头内用隔板分成两室, 每根管子可自由伸缩, 来解决热补偿问题。特点为结构简单, 质量轻, 适用于高温和高压的场合。管程清洗困难, 管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3. 浮头式。
换热器两端的管板, 一端不与壳体相连, 该端称浮头。管子受热时, 管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩, 完全消除了温差应力。特点为结构复杂、造价高, 便于清洗和检修, 完全消除温差应力, 应用普遍。但就其安装要有一定的空间, 占地面积大, 使用于寿命较长冶金, 焦化等要求热交换率低的场所。
四、全焊接板壳式换热器
全焊接板壳式换热器集管壳式换热器和板式换热器的优点于一身, 体积小传热大于3489 W/M2℃, 比传统的管式换热器高2至4倍, 比板式换热器高1.2倍, 全焊接板壳换热器采用波纹板为传热元件, 板束板片间用专用的程控自动氩弧焊焊接, 板束装在压力壳内, 波纹板片具有静搅拌作用, 能在很低数下形成湍流, 在气液两相流工况中, 全焊接板壳式换热器的静搅拌作用阻止介质折流翻转造成的气液两相分离。可真正实现纯逆流, 于管壳式换热器相比冷端及热端温差小, 可回收热量。其结构紧凑质量轻无密封胶垫, 不容泄露, 维修清洗简便。全焊接板壳式换热器是目前国际上最先进的换热器高效节能, 适合炼油化工, 化肥, 冶金及环保及大型化装置使用。由于其既有板式换热器的特点, 也有管壳式换热气的优越, 制造可节约成本。
摘要:由目前的主要电力能源大多数都是不可再生能源,深入开展节能工作,不仅是缓解能源约束矛盾、保障国家经济安全的重要措施,而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径。
关键词:节能 能量回馈 变频调速
中图分类号:TEO文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0115-01
城市里的电梯现在越来越多,在对酒店,写字楼等的用电情况调查中,电梯的用电量仅次于空调用电量,远高于照明,供水等的用电量。有关统计数据表明,电动机拖动负载消耗的电能占总耗电量的70%以上。因此,电机拖动系统节约电能具有特别重要的社会意义和经济效益。
1电梯的节能效果
电梯现在越来越多,在对宾馆、写字楼等的用电情况调查统计中,电梯用电量占总用电量的17%-25%以上,仅次于空调用电量,高于照明、供水等的用电量。电梯的节能效果与电梯功率、电梯整个系统、电梯的平衡系统等方面有关,以下几类情况节能效果更好:
①楼层越高的电梯,制动频繁,节能越多;
②越新安装使用的电梯,机械惯性大,节能越多;
③使用时间越久的电梯,摩擦力大,节能越多;
④速度越快的电梯,制动频繁,节能越多;
⑤使用越频繁的电梯,制动频繁,节能越多。
2电机拖动系统节约电能的途径主要有两大类
一类是提高电机拖动系统的运行效率,如风机、水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施,再如电梯曳引机采用变频器调速取代异步电动机调压调速是以提高电动机运行效率为目标的节能措施。
二类是将运动中负载上的机械能通过能量回馈器变换成电能并回送给交流电网,供附近其它用电设备使用,使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降,从而达到节约电能的目的。有源能量回馈器即属于第二类节约电能的典型装置。
3“回馈型”节能电梯的节能原理
采用变频调速的电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械功能,电梯达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止,这一过程是电梯曳引机释放机械功能量的过程。此外,升降电梯还是一个位能性负载,为了均匀拖动负载,电梯由曳引机拖动的负载是由载客轿厢和对重平衡块组成,只有当轿厢载重量约为50%时,轿厢和对重平衡块才相互平衡,否则,轿厢和对重平衡块就会有质量差,使电梯运行时产生机械位能。
电梯运行中多余的机械能通过电动机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中,此时电容就好比是一个小水库,回送到电容中的电能越多,电容电压就越高,,如不及时释放电容器储存的电能,就会产生过压故障,使变频器停止工作,电梯无法正常运行。目前变频器泄放大电容中电量的方法是,采用制动单元和外加大功率电阻,将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上白白浪费掉。有源能量回馈器则可以将大电容中储存的电量无消耗地回收再利用。从而既达到节电目的,又无耗电发热大功率电阻。大大改善了系统的运行环境。
电梯的梯速越快,楼层越高,机械传动消耗越小,则可以回馈的能量越多,最多回馈电量可达电梯总消耗量的46%,即节电率达46%之高。
4节能电梯的关键装置——有源能量回馈器
目前,中国使用的电梯中只有3%左右的超高速电梯由于要达到快速制动的要求,自身已采用能量回馈控制系统,并且只有从国外纯进口的电梯才有能量回馈功能。只要在国内生产的电梯,则100%都没有采用能量回馈技术。电梯要节电,核心是如何将处于发电制动状态电动机输出的电能利用起来。能量回馈器的作用就是能有效的将电容中储存的电能回送给交流电网供周边其它用电设备使用,节电效果十分明显,一般节电率可达21%-46%。此外,由于无电阻发热元件,机房温度下降,可以节省机房空调的耗电量,在许多场合,节约空调耗电量往往带来更大的节电效果。
有源能量回馈器的主电路由IGBT、智能模块IPM、隔离二极管D1、D2、滤波电感、电容等元件组成。IPM模块是主电路中的核心元件,它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网。其完善的保护功能,保证了有源能量回馈器的安全可*运行。二极管D1、D2可防止有源能量回馈器反送电能给变频器,确保系统安全运行。电感L1---L3、电容C1---C3构成高次谐波滤波器,阻止IPM模块高频开关产生的高次谐波电流进入电网,提高有源能量回馈器的电磁兼容(EMC)性能。
5电梯节能所产生的经济效应和社会作用
经测算,根据电梯曳引机功率从11kw-30kw不等,每天运行10个小时,其中有一半时间电动机处于拖动用电状态,另一半属于发电状态{电梯曳引机拖动的负载由载客轿厢和对重平衡块组成,只有当轿厢载重量约为50%(1吨载客电梯乘客为7人左右)时,轿厢和对重平衡块才相互平衡,否则,轿厢和对重平衡块就会有质量差,使电梯运行时产生机械位能};则每台电梯用电量也不同,每台电梯每天用电量从50度-150度;按照每台电梯平均每天用电量约为80度/天计算,全国58万台电梯每天用电约为14亿度,每年消耗电量电约为168亿度。在加上为了解决机房高温的降温设备(如空调、风机等)的消耗电量,全年电梯耗电将达到300亿度。如果采用电梯节能技术,在全国的宾馆、酒店、商用写字楼、金融大厦、政府机关大楼、工厂企业办公楼、居民住宅楼等等建筑中的电梯中推广应用,将电梯处于发电状态的电能回馈再生利用,全年电梯消耗电量300亿度,按照平均回馈节电率30%计算,每年可为全国节约90亿度电量。
通过电梯节能技术的采用,不仅缓解国内日益增长的电力紧张局势,随着每年的电梯数量、用电价格逐年增长,那么综合全国电梯节能的巨大潜力对社会将是巨大贡献!
参考文献:
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一、热力学第一定律
对于一个物体，若它既没有吸收热量，也没有放出热量，那么外界对它做多少功，它的内能就增加多少；如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么它从外界吸收多少热量，它的内能也就增加多少；若它既吸收了热量，外界又对它做了功，那么物体内能的增量就等于它吸收的热量和外界对它做的功之和。
如果用△U表示物体内能的增量，Q表示物体吸收的热量，W表示外界对物体所做的功，则有△U=Q+W。上式表示出了物体内能的变化量与功、热量的定量关系，此即为热力学第一定律。
二、高空中的气温变化规律
要了解高空中的气温变化规律，首先要弄清楚什么是气团。所谓气团是指温度、湿度和其他许多物理性质基本相同的大范围的空气团。一般说来，气团所占的空间很大，其平均范围在几百到数千千米，竖直厚度可达几千米至十几千米。气团是大量的空气长时间停留在某一地区形成的。因此它的物理性质主要是由该地区的地理环境和地表性质所决定的。正是由于气团很大，所以其边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显的影响，即可以把热力学第一定律中的Q认为是零，因此气团内能的增加(减少)就等于外界对它做功的多少(或它对外界做功的多少)，即△U=W。
由于阳光烤暖了大地，地表又使得低层的气团温度升高，密度减小，因此会上升。低层的气团在上升的过程中又会不断地膨胀，排挤周围的空气，从而会对外做功，内能减小，温度降低。正是由于这个原因，使得距地面越高的地方，空气的温度越低。对于干燥的空气，大约每升高1 km，温度约降低7℃左右。这样，同学们也就不难推算出，对于万米的高空来说，通常其气温大约在-50℃。
三、高空中的气压变化规律
大家都知道，某处的气压值应等于该处单位面积上大气柱的重力。又因大气层有一定的高度范围，因此对于高度越高的地方，压在其上面的空气柱也就越短，该处的大气压也就越低。这也就不难理解为什么大气压总是随着高度的增加而减小。实验测得，海平面的大气压约为1.013×102kPa，而在5.5 km的高空，大气压约为50.5 kPa。
一般在低层大气中，上升相同的高度气压降低的数值会大些，在高层空气中大气中，上升相同的高度气压降低的数值则会小些，这是因为低层的大气密度大、高层的大气密度小的缘故。据测量，在近地大气层中，每升高100 m，大气压平均降低约1.26 kPa，在高空则比该数值小些。空气密度大的地方，大气压随高度降低得快些；空气密度小的地方，大气压随高度降低得则慢些。
当飞机在万米以上的高空飞行时，大气压约为30 kPa，即大约只有海平面气压的30％左右，为了能让乘客有一个舒适的环境，飞机在高空时必须使用空气压缩机把空气从舱外不断压进机舱。根据热力学第一定律，外界对气体做功，使物体的内能增加，温度升高。如果不使用空调的话，机舱内的温度就有可能达到50℃以上，在这样的温度环境中。人们是无法承受的。
三、机舱中空调的工作原理
由于高空中是低温、低压，乘客显然是不能在如此“恶劣”的环境中旅行的，为此就必须有一套空气调节系统对此进行调节，以确保乘客安全和正常的旅行生活。供应机舱的压缩空气就来自于飞机喷气发动机的压气机，外界空气在流经压气机的过程中，因其被加压，会变得很热。有一部分热空气被引出来供给机舱。这部分热空气首先由发动机吊架上的热交换器冷却，然后流经机翼中的管道，接着由客舱地板下面的空气主调节装置进一步冷却。冷却后的空气流入一个气室，与几乎等量的来自客舱经过高度过滤的空气相混合，混合后的空气通过管道被引到客舱，从客舱顶部的出气口流出，最后经客舱两侧的地板格栅排出，或者在有些飞机上，经仓顶排气口排出。排出的空气从客舱地板下面流入机身底层。气流连续不断地循环，迅速稀释气味，同时维持适当的客舱温度。客舱空气系统使得客舱中的空气循环是连续的，空气在客舱中源源不断地流进和流出。
客舱有很高的空气交换率，仅仅在两三分钟的时间内，客舱内的全部空气就会被进来的外界空气和过滤空气的混合气体所替换(具体的时间间隔取决于飞机的大小)，每小时换气20-30次。
