換熱器基礎(chǔ)知識-方廣豐

1、換熱器,一、概述 在煉油、化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進行需要一定的設(shè)備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設(shè)備就稱之為換熱設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設(shè)備的投資占全部工藝設(shè)備總投資的35％～40％,因為絕大部分的化學(xué)反應(yīng)或傳質(zhì)傳熱過程都與熱量的變化密切相關(guān)，如反應(yīng)過程中，有的要放熱，有的要吸熱，要維持反應(yīng)的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補充所需的熱量；工藝

2、過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，,以降低成本。另外，生產(chǎn)所得的油品或化工產(chǎn)品，需要將其冷卻或冷凝，以便儲存和運輸。以上這些與熱量有關(guān)的過程都需要使用換熱設(shè)備?！　∈褂脫Q熱設(shè)備是為了達到加熱或冷卻的目的，如果將那些需要加熱的流體與需要冷卻的流體，經(jīng)過換熱設(shè)備相互換熱，既可回收熱量，又可降低冷卻水的消耗?！　【C上所述，換熱設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備。換熱設(shè)備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應(yīng)用。

3、,二、比較換熱設(shè)備的指標(biāo) 效率要高。效率高就要求其傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)是指在單位時間內(nèi)、單位面積上溫度每變化一度所傳遞的熱量。結(jié)構(gòu)緊湊。要使換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊就要求其比表面積大，比表面積是指單位體積的換熱設(shè)備所具有的傳熱面積，即傳熱面積與換熱設(shè)備體積之比。節(jié)省材料。要做到此點要求其比重量要小，所謂比重量是指單位傳熱面積所耗用的金屬量，即換熱設(shè)備總金屬用量與傳熱面積之比。壓力降要小。流體在設(shè)備中流動阻力小、壓力損失就小，節(jié)

4、省動力、操作成本降低。要求結(jié)構(gòu)可靠、制造成本低，便于安裝、檢修、使用周期長。由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產(chǎn)生了各種各樣的換熱器，以適應(yīng)各種特定的工藝條件。,三、換熱器的分類 換熱設(shè)備的分類方法很多，現(xiàn)將幾種常見的分類方法介紹如下：1、按用途分類：分為熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器及冷卻器等五類。1）熱交換器：兩種不同溫度的介質(zhì)進行熱量交換，使一種介質(zhì)降溫而另一種介質(zhì)升溫，以滿足各自的需要。2）冷

5、凝器：兩種不同溫度的介質(zhì)進行熱量交換，其中一種介質(zhì)由汽態(tài)被冷凝成液態(tài)。,3）蒸發(fā)器：與冷凝器的操作剛好相反，兩種 介質(zhì)中的一種介質(zhì)由液體被蒸發(fā)成汽體。4）加熱器：只單純的完成一種介質(zhì)的加熱升溫的操作。5）冷卻器：如果熱量不回收利用，完成用冷卻劑（如水、空氣）來冷卻另外一種介質(zhì)的操作的換熱器稱為冷卻器。如用空氣作為冷卻劑的換熱器稱為空氣冷卻器，簡稱空冷器。2、按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。3、按結(jié)構(gòu)分類：分為管

6、殼式換熱器和板式換熱器。,1）管殼式換熱器：特點是圓形的外殼中裝有管束。一種介質(zhì)流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及其相貫通部分（稱為殼程）。它可分為:浮頭式換熱器、U型管式換熱器、套管式換熱器、固定管板式換熱器等。2）板式換熱器：它是由壓成各種形狀的薄板組成傳熱面的，冷、熱兩種介質(zhì)分別在相鄰兩板之間流動。常見的板式換熱器有平板式換熱器、傘板式換熱器、螺旋板式換熱器及板殼式換熱器。板式換熱器的傳熱效率雖然較高，但由于其強度低，密封性能差，故其應(yīng)用受

7、到了限制。因此，在石油、化工工業(yè)中應(yīng)用較多的是管殼式換熱器，它已被當(dāng)成傳統(tǒng)的換熱設(shè)備來加以使用。,四、管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)1、管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)以及特點1）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的一端管板是固定的。與殼體剛性連接，另一端管板是活動的，與殼體之間并不相連?；顒庸馨逡粋?cè)總稱為浮頭，浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應(yīng)力；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，且浮頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合

8、。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大（一般冷流進口與熱流進口溫差可達110℃），介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗的場合。在煉油廠中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式最多。,,總體結(jié)構(gòu)圖如圖1,2）固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，造價較低，在相同的殼層情況下，可較其他型式的列管換熱器多排一些傳熱管子。但是殼體與管層之間的流體的溫差不能太大，因溫差太大時，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使管子與管板結(jié)合處松脫而產(chǎn)生泄漏。此外這類換熱器因管板是固定的，所以

9、在檢修，更換管子或清洗殼層時，都比較困難。此換熱器適用于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢，或是有結(jié)垢但可進行化學(xué)清洗的場合；殼壁與管壁因溫度差而引起的膨脹量之差不大，或膨脹差雖大但殼程壓力不高的情況。,總體結(jié)構(gòu)圖如圖2,3）U型管式換熱器這種換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有一塊管板，換熱管作為U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定在一起。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低，管束可在殼體內(nèi)自由伸縮，無溫差應(yīng)力，也可將管束抽出清洗且還省

10、了一塊管板；但U形管管內(nèi)清洗困難且管子更換也不方便，由于U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。它適用于冷熱流體溫差較大、管內(nèi)走清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。,總體結(jié)構(gòu)如圖3,4）釜式換熱器這種換熱器的殼體直徑一般為管束直徑的1.5～2.0倍，管束偏置于殼體的下方，頁面淹沒管束，使管束上部形成一定的汽液分離空間。此換熱器多用來做蒸發(fā)器、精餾塔的重沸器或簡單的廢熱鍋爐。根據(jù)需要，管束可以

11、是固定管板型、浮頭型或U型管型。,2、管殼式換熱器的主要組合部件管殼式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分，詳細分類以及代號（英文字母）如下所示：,3、換熱器型號的表示方法,現(xiàn)舉例說明浮頭式換熱器平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設(shè)計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm，管長6m，4管程單殼程的浮頭式換熱器，其型號為：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ,

12、固定管板式換熱器封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設(shè)計壓力2.5MPa，殼程設(shè)計壓力1.6MPa，公稱換熱面積200 ㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器，其型號為：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ,U型管式換熱器封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設(shè)計壓力4.0MPa，殼程設(shè)計壓力1.6MPa，公稱換熱面積75 ㎡，較高級冷拔換熱管外徑19mm,管長6m，2管程單殼程的U型

13、管式換熱器，其型號為：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ,Ⅱ,Ⅱ,釜式重沸器平蓋管箱，管箱內(nèi)直徑600mm，圓筒內(nèi)直徑1200mm，管程設(shè)計壓力2.5MPa，殼程設(shè)計壓力1.0MPa，公稱換熱面積90㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長6m，2管程釜式重沸器，其型號為：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ,浮頭式冷凝器封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設(shè)計壓力2.5MPa，殼程設(shè)計壓

14、力1.0MPa，公稱換熱面積610㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的浮頭式冷凝器，其型號為：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ,Ⅱ,五、管殼式換熱器的主要零部件（一）換熱管及在管板上的排列方式換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，它直接與兩種介質(zhì)接觸，所以換熱管的形狀和尺寸對傳熱有很大的影響。小管徑利于承受壓力，因而管壁較薄且在相同的殼徑內(nèi)可以排列較多的管子，使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結(jié)

15、垢緊湊，單位傳熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩，且小直徑管子易結(jié)垢，不易清洗。所以一般對清潔流體用小直徑管子，粘性較大的或污染的流體采用大直徑管子。我國管殼式換熱器常用換熱管為：碳鋼、低合金鋼管有Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5；不銹鋼管有　　Φ25×2、 Φ38×2.5。,在相同的傳熱面積的情況下，換熱管越長則殼體、封頭的直徑和壁

16、厚就越小，經(jīng)濟性越好；但換熱管過長，經(jīng)濟效果不再顯著且清洗、運輸、安裝都不太方便。換熱管的長度規(guī)格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在煉油廠所用的換熱器中最常用的是6m管長。換熱管一般都用光管，為了強化傳熱，也可用螺紋管、帶釘管及翅片管。換熱管在管板上的排列形式有正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等。如圖所示。三角形排管多，結(jié)構(gòu)緊湊，但管外清洗不方便；正方形排管少，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，但管外清洗較

17、方便。一般在固定管板式換熱器中多用三角形排列，浮頭式換熱器多用正方形排列。,（二）管板及換熱管的連接管板一般采用圓形平板，在板上開孔并裝設(shè)換熱管，在多管程換熱器中管板上還設(shè)置分程隔板。管板還起分隔管程和殼程空間，避免冷熱流體混合的作用。管板與換熱管間可采用脹接、焊接或二者并用的連接方式。管板與換熱管的脹接連接是利用管子與管板材料的硬度差（選材時管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在脹管器的作用下直徑擴大并產(chǎn)生塑性變形，而

18、管板只產(chǎn)生彈性變形，在脹管后管板在彈性恢復(fù)力的作用下與管子外表面緊緊貼合在一起，達到密封和緊固連接的目的，如圖所示。脹接連接結(jié)構(gòu)簡單、便于管子更換與修補，但不宜在高溫、高壓下工作。隨著溫度和壓力增高，脹接的密封性和牢固性將逐漸下降。,焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起，這種連接形式工藝簡單、不受管子與管板材料硬度的限制，而且在高溫、高壓下仍能保持良好的連接密封性和牢固性，所以在高溫、高壓下甚至某些壓力并不太高的場合都使用焊接連接，如

19、圖所示。焊接連接的缺點是只在管子端部與管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁與管板之間存在環(huán)行間隙，在這些間隙中流體不流動，及易造成“間隙腐蝕”，為消除間隙可采用脹接和焊接并用的連接方式。,（三）殼體及管板的連接管殼式換熱器的殼體都是圓筒形的，直徑較小時用無縫鋼管制作，直徑較大時用鋼板卷制焊接而成；殼體所用材料及要求與一般的壓力容器相同。不同類型的管殼式換熱器其殼體與管板的連接方式不同，在固定管板式換熱器中，兩端管板均與殼體采用

20、焊接連接，這種連接稱為管板與殼體的不可拆連接；根據(jù)管板是否兼作法蘭其結(jié)構(gòu)不用，如圖所示，多數(shù)情況下采用管板兼作法蘭的結(jié)構(gòu)。在浮頭式、U形管式換熱器中固定端的管板與殼體采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，這樣便于管束從殼體中抽出進行清洗和維修，如圖所示。,（四）管箱管箱的作用是將進入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設(shè)置隔板起分隔作用。管箱結(jié)構(gòu)如圖所示，其中圖（a）

21、適用較清潔的介質(zhì)，因檢查管子及清洗時只能將管箱整體拆下，故不太方便；圖（b）在管箱上裝有平蓋，只要將平蓋拆下即可進行清洗和檢查，所以工程應(yīng)用較多，但材料消耗多；圖（c）是將管箱與管板焊成一體，這種結(jié)構(gòu)密封性好，但管箱不能單獨拆下，檢修、清洗都不方便，實際應(yīng)用較少。,（五）折流板折流板是設(shè)置在殼體內(nèi)與管束垂直的弓形或圓盤－圓環(huán)形平板，如圖所示。安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱

22、效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝傳熱系數(shù)與蒸汽在設(shè)備中的流動狀態(tài)無關(guān)，因此不需要設(shè)置折流板。,六、管殼式換熱器流體通過管程或殼程的選擇 流體經(jīng)過換熱器時應(yīng)走管程還是走殼程，需要考慮多方面因素，不能提出一定的規(guī)則。但總的原則是有利傳熱、防止腐蝕、減少阻力、不易結(jié)垢、便于清掃。腐蝕性介質(zhì)走管程，以免使管程和殼程材質(zhì)都遭到腐蝕。有毒介質(zhì)走管程，這樣泄漏的機會就少一些。流量小的流

23、體走管程，以便選擇理想的流速，流量大的流體宜走殼程。高溫、高壓流體走管程，因管子直徑較小可承受較高的壓力。,容易結(jié)垢的流體在固定管板式和浮頭式換熱器中走管程，在U形管式換熱器中走殼程，這樣便于清洗和除垢；若是在冷卻器中，一般是冷卻水走管程、被冷卻流體走殼程。流體的流向?qū)鳠嵋灿休^大的影響，為充分利用同一介質(zhì)冷熱對流的原理，以提高傳熱效率和減少動力消耗，無論管程還是殼程，當(dāng)流體被加熱或蒸發(fā)時，流向應(yīng)由下向上；當(dāng)流體被冷卻或冷凝時應(yīng)由上

24、向下。,七、換熱設(shè)備的操作 無論是冷凝、冷卻器還是加熱器，換熱器的操作必須抓住兩個主要問題，即防止漏油與正確開停。防止漏油： 為防止換熱器因安裝不好而漏油，在開工前必須試壓（用熱水或水蒸汽）。試驗壓力一般應(yīng)是公稱壓力的1.5倍，但根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備制造水平似乎太高，可以適當(dāng)降為最高操作壓的1.25～1.5倍。試壓時重點檢查法蘭接合面和脹口是否漏，檢查內(nèi)漏的方法是重點觀察壓力降的變化。,正確開停：

25、 為了延長換熱器壽命和保證平穩(wěn)操作，必須正確地開停和切換換熱器，使用和切換時應(yīng)先通冷流（油、水）后通熱流（油、水蒸汽）同時打開放空閥排除器內(nèi)氣體后關(guān)閉放空閥。某些重油換熱器為避免初通入時，重油凝死，故要先通入水蒸汽預(yù)熱和掃通，再進行正常切換啟用。停換熱器時，先關(guān)熱流，后關(guān)冷流，同時進行掃線放油排空。總之，開時先開冷后開熱；關(guān)時先關(guān)熱后關(guān)冷，其目的都是為了使換熱器逐漸升溫（或降溫），避免由于突然升溫（或降溫）而使換熱器熱