换热器特性与用途及优缺点评析

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1、换热器特性与用途及优缺点评析换热器 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流 体的设备，又称热交换器。 英语翻译：heat exchanger 换热器是实现化工生产过程中 热量交换和传递不可缺少的设备。 在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物 料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应 釜 压力容器 冷凝器 反应锅 螺旋板式换热器 波纹管换热器 列管换热器 板式换 热器 螺旋板换热器 管壳式换热器 容积式换热器 浮头式换热器 管式换热器 热管 换热器 汽水换热器 换热机组 石墨换热器空气换热器 钛换热器 换热设备，要求 制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用

2、石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及 不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、 体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈 钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 换热器在石油、化工、轻工、制药、能 源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸 汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过 换热器来完成。 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、 新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建 立了标准，形成了系列。完善的换热器

3、在设计或选型时应满足以下基本要求： （1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠； （3） 便于制造、安装、操作和 维修； （4） 经济上合理。 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可 在壳体内自由浮动， 壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管 束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽 出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较 复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密 封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管 束能在设备

4、内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。 在 设计时必须考虑浮头管板的外径 Do。该外径应小于壳体内径 Di，一般推荐浮头管 板与壳体内壁的间隙 b135mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体 内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中 应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。 钩圈对保证浮头端的密封、 防止介质间 的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展， 以及长期以来 使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。 钩圈一般都为对开 式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热

5、器以其 高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来 受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为 止在各种换热器中扔占主导地位。 管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传 热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较 紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢， 不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流 体。 管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。 换热器的管子在管 板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以

6、及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种：正三角形和转角正三角形排 列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列， 能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出 管间清洗的场合。 另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般 都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。 当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。 这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传 热带来不利影响。 管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传

7、热效果， 又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管 板上的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质 量受热影响不易得到保证；若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去 管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的 1.25 倍。 当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排 列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次 流过各程管束。 为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定 数量的隔板。 浮头式换热器的优缺点： 优点： （1）管束

8、可以抽出，以方便清洗管、壳 程； （2）介质间温差不受限制； （3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于 450 度，压力小于等于 6.4 兆帕； （4）可用于结垢比较严重的场合； （5）可用于管程易腐 蚀场合。 缺点： （1）小浮头易发生内漏； （2）金属材料耗量大，成本高 20； （3）结构 复杂 制造工艺 选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械 性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。 备料 划线切割边缘加工（探伤）成型组对焊接焊接质量检 验组装焊接压力试验 质量检验 化工设备不仅在制造之前对原材料进行检 验，而且在制造过程中要随时进行检查

9、。 质量检验内容和方法： 设备制造过程中的 检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下： （1）原材料和 设备零件尺寸和几何形状的检验； （2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分 析试验、金相组织检验，总称为破坏试验； （3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检 验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等； （4）设 备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。 耐压试验和气密性试验： 制造完 工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试 验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支 撑原因

10、，不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时，可采用气压试验。 如果 介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性试 验。换热器压力试验的顺序如下： 固定管板换热器先进行壳程试压，同时检查换热 管与管板连接接头，然后进行管程试压； U 形管式换热器、釜式重沸器（U 形管束） 及填料函式换热器先用试验压环进行壳程试压，同时检查接头，然后进行管程试压； 浮头式换热器、釜式重沸器（浮头式管束）先用试验压环和浮头专用工具进行管头试 压，对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体，然后进行管程试压，最后进行壳程 试压； 重叠换热器接头试压可单台进行，当各台换热器程间连通时，管程和

11、壳程试压应在重叠组装后进行。 安装： 安装换热器的基础必须满足以使换热器不发生下 沉，或使管道把过大的变形传到传热器的接管上。基础一般分为两种：一种为砖砌的 鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上，换热器与基础不加固定， 可以随着热膨胀的需要自由移动。另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地 脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。 在安装换热器之前应严格的进行基础质量的 检查和验收工作，主要项目如下：基础表面概况；基础标高，平面位置，形状和主要尺 寸以及预留孔是否符合实际要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺 帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。 基础验收完毕后

12、，在安装换 热器之前在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好的接触。 垫铁厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平高度。垫铁放置后可增加换热器在 基础上的稳定性，并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、 斜垫铁和开口垫铁。其中，斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的 安装不应妨碍换热器的热膨胀。 换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使 各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后，斜垫铁可与芝座焊牢，但不得与下 面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时，应在下部换热器找正完 毕，并且地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。可抽管束换热器

13、安装前应抽芯检 查，清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时应将管束放置在 专用的支承结构上，以避免损伤换热管。 根据换热器的形式，应在换热器的两端留 有足够的空间来满足条件（操作）清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应 留有足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出一米以上的位置以 便装拆外头盖和浮头盖。 固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出 和更换管子。并且，用机械法清洗管内时。两端都可以对管子进行刷洗操作。U 形管 式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束，也可在其相对的一端留出足 够的空间以便能拆卸壳体。 换热器不得在超过铭牌规定的条件

14、下运行。 应经常对 管，壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热管的泄漏和结垢情况。 管壳式换热 器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其 他设备相比较，其余腐蚀介质接触的表面积就显得非常大， 发生腐蚀穿孔结合处松 弛泄漏的危险性很高， 因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法也比其他设备要多 加考虑， 当换热器用蒸汽来加热或用水来冷却时， 水中的溶解物在加热后，大部分 溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用， 由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离 子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材

15、的腐蚀。因此必须经过清洗来 改善换热器的性能。 由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增 大的， 所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点，换热介质的性质，腐 蚀速度及运行周期等情况定期进行检查，修理及清洗。 换热器的应用广泛，日常生 活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都 是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是 保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 由于制造工

16、艺和科学水平的限制，早期 的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。 随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传 热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二 十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构 紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换 热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于 飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。 在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始 注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧 凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步 完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开 始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到 了进