过程设备设计 第六章 6换热设备 6 1概述 6 1 1换热设备的应用 化工 炼油 动力 食品 轻工 原子能 制药 机械等许多工业部门 换热设备的投资在化工厂约占总投资的10 20 在炼油厂约占总投资的35 40 实现把冷流体加热或把热流体冷却 把液体气化或把蒸气冷凝成液体等工艺目的 实现把生产过程中的余热或废热回收以便供暖 供汽的工艺目的 换热设备 使热量从热流体传递到冷流体的设备 冷热流体直接接触 彼此混合为增加冷 热流体的接触面积以充分换热 换热器常采用塔状结构 内设填料和栅板 如冷却塔 气压冷凝器等 特点 传热效率高 设备简单 单位体积传热面积大 但仅适于工艺上允许冷 热流体混合的场合 6 1 2换热设备分类及其特点 6 1 2 1按作用原理或传热方式分类 直接接触式换热器 混合式换热器 蓄热式换热器 回热式换热器 在冷 热流体之间设置器壁隔开 使它们互不接触 由器壁传热应用广泛 如管壳式换热器 板式换热器等 间壁式换热器 表面式换热器 两个间壁式换热器分别通过热流体和冷流体 循环流动的载热体将热量从热流体传给冷流体 中间载热体式换热器 管式换热器特点 利用管子壁面传热 坚固 可靠 适应性强 容易制造 能承受较高的压力和温度 目前应用最广泛 6 1 2 2间壁式换热器分类 1 蛇管式换热器a 沉浸式蛇管 蛇管形状可根据设备外形确定 非常灵活 管子可承受较大的介质压力 管外流体的流速较小 传热效率较低 常用于高压流体 管内流动 的冷却 b 喷淋式蛇管 管外流体 喷淋水 的流速较快 传热效率较高 冷却水用量大 便于检修和清洗 2 套管式换热器 管内流体与管外流体的流速均较快 传热效率较高 金属耗量大 检修和清洗麻烦 适于高温 高压 小流量的场合 3 管壳式换热器 坚固 易于制造 成本低 选材方便 可靠 处理能力大 适应范围广 传热效率 金属耗量和结构紧凑性等一般 应用非常广泛 耐高压 高温 4 缠绕管式换热器 管子缠绕成单层或多层螺旋管 同层管间不并死 内 外层管间也有间隔 管侧流体是一种流体 壳侧流体是另一种 单通道 或另外多种 多通道 流体 各行其道 适用于同时处理多种介质 在小温差下需要传递较大热量且管内压力较高的场合 板面式换热器 利用板面 壁 传热 流体在较低速度下就能湍动 有利于传热 耐压性能不如管式换热器 两张平行板卷制成两个蜗状体 构成两个蜗状通道 分别流通冷 热流体 结构紧凑 单位体积的传热面积约为管壳式换热器的2 3倍 传热效率比其高50 100 制造简单 材料利用率高 流道弯曲而流体有惯性 故有自冲刷作用 不易结垢 适于液 液 气 液流体换热 特点适于高粘度 含固体颗粒流体的换热 1 螺旋板式换热器 类似于板框压滤机 主要由金属板 相当于滤板 导杆 密封垫及压紧装置组成 金属板冲压成波纹形或槽形等 以增加刚度和流体的湍动 提高传热效率 金属板的边角处开有圆孔 压紧后构成流体的水平通道 导板水平布置 用于支承金属板并在压紧和松开时导向 金属板被压紧时 密封垫使金属板之间构成流体的铅垂通道 且保证密封 松开压紧装置即可清理板间污垢 2 板式换热器 结构复杂 密封易失效 密封垫不允许在高温下工作 通道狭窄堵塞 流体的阻力损失大 传热效率高 清洗和维修方便 适于处理从水到高粘度的液体及需要经常清洗的场合 3 板翅式换热器 翅片为波纹状 传热面积大 单位体积内的传热面积约为管壳式换热器的十几 几十倍 换热效率是其3 10倍 单位换热量下的重量是其10 65 结构复杂 造价高 流道小 易堵塞 不易清洗 难以维修 适于多种流体在同一换热器内换热 特别适于低温或超低温场合 结构类似于管壳式换热器 但是用板材做成非圆形断面的通道 性能介于管壳式换热器与板式换热器之间 4 板壳式换热器 特殊结构 为满足特殊需要设计 1 石墨换热器 耐腐蚀性非常好 适于除强氧化酸以外的各种强腐蚀性介质 导热性好使换热效率高 线膨胀系数小使结构设计容易 抗压不抗拉 脆性大 结构设计时应充分利用该特点 热传导具有各向异性 结构设计时应充分利用该特点 主要结构形式有管壳式和块式 其它型式换热器 耐腐蚀 适于强腐蚀介质 韧性好 能制成小口径薄壁软管 使结构紧凑 灵活 强度和导热性较差 适于t 150 p 1 5MPa的介质 主要结构形式有管壳式和沉浸式 2 聚四氟乙烯换热器 热管 密闭真空的金属管子内镶套用特殊材料制成的毛细孔管子 管子内充有载热液态介质 3 热管换热器 结构简单 重量轻 经济耐用 在极小的温差下 具有较高的传热能力 适于温度范围很大 200 2000 特别适于工业尾气余热回收 冷 热流体阻力小 运行可靠 传热效率高 可达90 蒸发段从热流体吸热 使热管式载热液体蒸发而体积膨胀 并向冷凝段流动 热管在冷凝段将热量传给冷流体 并将蒸气冷凝成液体 冷凝液体穿过毛细孔管又流回蒸发段 如此循环换热 流体性质 主要是腐蚀性 其次是结垢速率 流体压力与温度 高压 高温时宜用管壳式 否则宜用板面式 换热器价格 6 1 3换热器选型 选型因素 a 固定管板式 6 2 1基本类型及特点 6 2管壳式换热器 优点 结构简单 紧凑 能受高压 造价低 管程清洗方便 管子损坏时易于更换或将其堵住 缺点 当管束与壳体的壁温相差较大 或二者材料的线膨胀系数相差较大时 管束与壳体之间将产生较大的轴向热应力 应用 壳程介质清洁且不易结垢 管程 壳程温差不大 或温差虽大但壳程压力不高的场合 管束连接在管板上 管板与壳体焊接 b 浮头式 b 浮头式换热器 左端管板与壳体固定 右端管板可相对壳体轴向自由移动 称为浮头 浮头由浮头管板 钩圈和浮头端盖组成 是可拆连接 管束可从壳体中抽出 优点 管束与壳体的热变形互不约束 因而不会产生热应力 管内和管间清洗方便 缺点 与固定管板式相比 结构复杂 用材量大 笨重 造价高 密封环节多 浮头的密封性能在操作中无法检查 应用 壳体和管束的壁温差较大或壳程介质易结垢的场合 c u形管式 c U形管式换热器 缺点 u形管不能拐急弯 故壳体轴线附近无管子 管束根数少 对处理量和换热不利 当管子损坏泄漏时 内层管子无法更换 只能堵住 而堵一根u形管实际上损失两根并列管 报废率高 应用 管 壳壁温差较大 壳程介质易结垢 管程介质不易结垢 高温高压高腐蚀的场合 只有一块管板 管束是多根u形管 其两端固定在同一块管板上 管子可自由伸缩 填料函式换热器 e 填料函分流式换热器 d 填料函双壳程换热器 缺点 填料函处易泄漏 应用 适于压力 4MPa 温度不高的场合 不适于易燃 易爆 有毒 贵重或易挥发的介质 这种换热器已很少采用 与浮头式换热器相似 浮头部分露在壳体端外 它与壳体之间采用填料函密封 使管束在壳体轴向能自由伸缩 不会产生热应力 与浮头式换热器相似 浮头部分露在壳体端外 它与壳体之间采用填料函密封 使管束在壳体轴向能自由伸缩 不会产生热应力 釜 锅 重沸器 再沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的换热器 釜式重沸器 优点 由管束结构决定其优点 主要是清理维修方便 能承受高温 高压 壳体上部设置一个蒸发空间 釜 用于将蒸发的气相中的液滴分离出来 管束可以是浮头式 u形管式或固定管板式等结构 换热管型式 6 2 2管壳式换热器结构 6 2 2 1管程结构 光管 翅片管 螺旋槽管 螺纹管等 光管容易制造和清洗 其余散热面积大 称为强化传热管 3 换热管材料 碳钢 低合金钢 不锈钢 铜 铝 钛合金 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等 2 换热管尺寸 管子较细时 相同金属耗量下的散热面积较大 换热效率高 但是管内流体阻力较大 容易结垢堵塞 不便于清洗 适于管内流体较清洁的场合 常用管子 19 2 25 2 5 38 2 5的碳素钢或不锈钢无缝管 4 换热管排列形式及中心距 在相同的管板面积上排列的管子根数最多 故最常用 但管子中心距较小 管子外壁不易清洗 正三角形排列形式 根据压力 温度和介质腐蚀性选材 在高温 高压下管板很厚 此时若介质为强腐蚀性 可采用不锈钢 钛 铜等耐腐蚀材料作衬里 这样节省贵金属材料 管板 1 管板材料 表6 1常用换热管中心距 管板厚度主要取决于其两侧介质的压力差 压力差越大 管板应越厚 其次取决于其两侧的温度差 温度差越大 管板内热应力就越大 管板应越薄 可见这是矛盾的 设计原则是在满足强度的前提下尽量用薄管板 否则达大的热应力使管板与换热管连接处发生破坏 采用正压曲面管板 类似于凸形封头 可以有效地解决高温 高压和高处理量工况下管板厚度的矛盾 采用薄管板 2 管板结构 双管板结构适于严禁壳程与管程中的介质相互混合的工况 均布各换热管的入流 收集各换热管的出流 在多管程换热器中 还能改变流体的流向 管箱 a 拆卸不便 适于清洁介质 b 适于需要经常清洗的工况 c 将管箱与管板焊死 减少泄漏 但不能将管箱整体拆下修理 少用 d 多管程的管箱 管箱的作用 为了限制换热器的长度 必须采用多根换热管并列的结构 以满足换热面积和处理量要求 但是这样会降低管束中流体的速度 换热效率降低 为解决该问题 将管束分成若干程数 减小通流面积 使流体依次流过各程管子 增长通流路径 以增加流速和换热效率 管束分程要求每一程中的管子数目大致相等 且程与程之间的温差较小 否则在管束与管板中将产生很大的热应力 另外尽量采用偶数管程 这对制造 安装 操作等较方便 冷 热流体温度的差别使壳体和管束间产生热应力 热应力使管子从管板中拔出 松脱 故换热管与管板的连接处故障多 连接技术是关键技术 1 强度胀强度胀是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗脱强度的胀接 胀接是先把管子插进管板孔 再把胀管器插入管子端头并使其扩胀 产生塑性变形 同时使管板只产生弹性变形 取出胀管器后 管板与管子之间产生一定的挤压力而贴合在一起 达到紧固与密封的目的 强度胀接生产率高 劳动强度低 密封性能好 但抗拉脱力较小 适于p 4MPa t 300 操作中无剧烈的振动 温度波动和应力腐蚀等场合 强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接 其特点是制造加工简单 连接强度高 但容易产生焊接应力 内层管子连接处在管板内侧不易施焊 使配合间隙中积存壳程介质 因而易产生缝隙腐蚀 适于操作中无较大的振动和缝隙腐蚀 且管子与管板可焊性好的场合 适于薄管板的情况 2 强度焊 强度胀 密封焊强度焊 贴胀强度焊 强度胀 3 胀焊并用 加工工艺有 密封焊 保证密封但不保证强度的焊接贴胀 保证密封但不保证强度的胀接 胀焊并用适于高温 高压 反复的温度 压力变化及强腐蚀介质的工况 6 2 2 2壳程结构 改善壳程流体的流动形态和支撑管束 按压力容器设计 壳体 折流板 注 图b c d中节一幅图均为相应右边各视图的装配图 即在轴向相邻折流板不同 以便使介质折流 弓形缺口的大小以弓形弦高占壳体内径的百分比表示 通常为20 45 常用25 该比值的确定原则是 壳程介质通过弓形缺口的流速与横向通过管束间隙的流速大致相等 双弓形折流板使流体分为两股流动 能减少折流死区 适于大直径换热器 图a b 适于卧式换热器 且壳程介质为单相清洁液体 a 适于气体中含少量液体的两相介质 下边为通液口 b 适于液体中含少量气体的两相介质 下边为通气口 c 适于卧式换热器 且壳程介质为气 液两相或液 固两相 下边为通液口或通浆口 折流板一般按等间距布置 折流板间距l 0 2Di Di 且 50mm Di为壳体内径 两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管 图b 适于换热管外径 14mm的情形 折流杆折流板存在折流死区 流体阻力大 横向冲击管束容易使其振动 且制造时需划线 钻很多孔 成本高 而有些换热器 如冷凝器 从换热角度考虑不需要设置折流板 即折流板的作用仅仅是支承管束 增加其刚度 这时可采用较简单的折流杆 注 1 杆即折流杆2 外环上的4个缺口分别装卡定位杆 折流栅的组合及折流栅组与管束的配置 防短路结构 1 旁路挡板对于小直径换热器 壳体与管束的间距相对较大 折流介质容易通过该间距形成旁路 而不通过管束中各换热管的间隙