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1、3.1 概述 换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械,通常称为热交换器,简称换热器。换热器在化 工、石油、制冷、动力、食品等部门中均有广 泛的应用。它们的设计、制造和运行对生产过 程起着十分关键的作用。在化工厂的建设中,换 热器约占工程总投资的11%;通常,换热器约占炼 油及化工装置设备总投资的40%。因此,换热器 的设计、制造、结构改进及传热机理研究,在节,省投资、降低能耗等方面将发挥日益重要的作 用。 (1)换热装置的分类 根据换热的目的和工艺要求不同,换热器的结构 型式必然是五花八门,其分类也是多种多样。, 按冷热物料接触方式可分为:直接接触式、蓄 热式和间壁式三种类型。 按换热器的使
2、用功能又可分为:加热器、冷却 器、再沸器、冷凝器、蒸发器、空冷器、凉水 塔、废热锅炉等。 按换热器换热面紧凑程度又可分为:紧凑式换,热器(换热面积密度700m2/m3)和非紧凑式换热 器(换热面积密度700m2/m3)。 按流体流动方式又可分为:单程型换热器和多 程型换热器。 按换热器结构型式又可分为:管式换热器(主 要有管壳式、套管式、螺旋盘管式或蛇管式换,热器);热管式换热器(主要有吸液芯热管、重力 热管、旋转式热管换热器);板式换热器(主要有 板式、螺旋板式、伞板式、板壳式换热器);扩展 表面式换热器(主要有板翅式和管翅式换热器); 蓄热式换热器(主要有回转式和固定格室式换热 器);其他
3、(孔块式换热器、空冷器及薄膜式换热 器等)。其结构分类详见表3-1。,(2)换热装置的选型 传热设备选型时需要考虑的因素是多方面的,主 要有:热负荷及流量大小;流体的性质;温 度、压力及允许压降范围;对清洗、维修的要 求;设备结构材料、尺寸、重量;价格、使用 安全性和寿命等。,流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重 大影响,如流体的物理性质(如比热容、热导率、 黏度)、化学性质(如腐蚀性、热敏性)、结垢情 况以及是否有磨蚀性颗粒等因素。如用于硝酸 的加热器,流体的强腐蚀性决定了设备的结构材 料,限制了可能采用的结构范围。又如对于热敏 性大的液体,能否精确控制它在加热过程中的温,度和停留时间,
4、往往就成为选型的主要前提。流 体的清净程度和易否结垢,有时在选型上也起决 定性的作用,如对于需要经常清洗换热面的物料, 就不能选用高效的板翅式或其他不可拆卸的结 构。,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,同样,换热介质的流量、工作温度、压力等参数 在选型时也很重要,例如板式换热器虽然高效紧 凑、性能很好,但是由于受结构和垫片性能的限 制,当压力或温度稍高,或者流量很大时
5、就不适用 了。 本章主要介绍管壳式换热器、板式换热器及再,沸器的设计。 3.2 管壳式换热器的工艺设计 管壳式换热器(也称列管式换热器)是一种广泛使 用的换热设备。管壳式换热器是把换热管束与 管板连接后,再用筒体与管箱包起来,形成两个独 立的空间:管内的通道及相连通的管箱,称为管程,空间(简称管程);换热管束外的通道及其相贯通 的部分,称为壳程空间(简称壳程)。 管壳式换热器的设计资料较完善,已有系列化标 准。目前我国管壳式换热器的设计、制造、检 验、验收按“钢制管壳式换热器”标准(GB 151 1999)执行。,(1)管壳式换热器型号的表示方法 按GB 1511999标准,将管壳式换热器的主
6、要组 合部件分为前端管箱、壳体和后端结构(包括管 束)三部分(参见表3-8)。该标准将换热器分为 、两级,级换热器采用较高级冷拔换热管, 适用于无相变传热和易产生振动的场合。级,换热器采用普通级冷拔换热管,适用于再沸、冷 凝和无振动的一般场合。 管壳式换热器型号的表示方法如下:, 换热器的公称直径DN:按该标准,对DN做如下 规定,卷制圆筒,以圆筒内径作为换热器公称直径,mm;钢管制圆筒,以钢管外径作为换热器的公称 直径,mm。 换热器的传热面积A:计算传热面积,是以传热 管外径为基准,扣除伸入管板内的换热管长度后, 计算所得到的管束外表面积的总和(m2)。公称传 热面积,指经圆整后的计算传热
7、面积。, 换热器的公称长度LN:以传热管长度(m)作为 换热器的公称长度。传热管为直管时,取直管长 度;传热管为U形管时,取U形管的直管段长度。 如AES500-1.6-54- -4表示:平盖管箱,公称直 径500mm,管程和壳程设计压力均为1.6MPa,公称 换热面积54m2,碳素钢较高级冷拔换热管外径25,mm,管长6m,4管程,单壳程的浮头式换热器(参见 表3-8)。 又如AKT - -90- -2表示:平盖管箱,管 箱内直径600mm,圆筒内直径1200mm,管程设计压 力2.5MPa,壳程设计压力1.0MPa,公称换热面积9 0m2,碳素钢普通级冷拔换热管,管外径25mm,管长,6m
8、,2管程的釜式再沸器(参见表3-8)。 (2)管壳式换热器的分类 管壳式换热器种类很多,若以热量传递为主要目 的且按其温差补偿的结构来划分,主要有以下5种 类型:固定管板式换热器;浮头式换热器;U 形管式换热器;填料函式换热器;釜式换热,器。 (3)管壳式换热器工艺设计的主要内容 管壳式换热器的工艺设计主要包括以下内容: 根据换热任务和有关要求确定设计方案;初步 确定换热器的结构和尺寸;核算换热器的传热 面积和流体阻力;确定换热器的工艺结构。,3.2.1 确定设计方案 对于管壳式换热器,确定其设计方案应从7个方面着手:选 择换热器类型;选择流体流动空间;选择流体流速;选择 加热剂和冷却剂;确定
9、流体进出口温度;选择材质;确定 管程数和壳程数。 3.2.1.1 选择换热器类型 要正确合理地选择换热器类型,必须了解各类换热器的结构和特,点。 (1)固定管板式换热器 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但管外不能机械 清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并 在其上连接有顶盖,顶盖和壳体设有流体进出口接管。通常在管 外设置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接 都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与 壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以致管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须设有
10、温差补偿的装置(见图3-1),一般在管 壁与壳壁温度相差50以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿 装置。但补偿装置(波形膨胀节)只能用于壳壁与管壁温差低于60 70和壳程流体压力不高的情况。一般壳程压力超过0.6MPa时, 由于补偿圈过厚难以伸缩,会失去温差补偿作用,此时就应考虑其 他结构。,图3-1 带膨胀节温差补偿型固定管板式换热器(零部件名称见表3-2,下同),(2)浮头式换热器 如图3-2所示,换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板 不与外壳连接,以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管 板上连接一个顶盖,称为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换 热器。其优点是:管束可以
11、拉出,以便清洗;管束的膨胀不受壳体约 束,因而当两种换热介质的温差大时,不会因管束与壳体的热膨胀 量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂,造价高,且浮头管 板和浮头盖连接处发生泄漏时不易检查。,图3-2 浮头式换热器,需要说明的是为克服装配与检修时抽装管束的困难,避免损坏折 流板和支撑板,当换热器直径较大或管束较长时,需在管束下方安 装滑道。,(3)U形管式换热器 U形管式换热器结构如图3-3所示,每根管子都弯成U形,两端固定 在同一块管板上,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热补偿问题。 管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。其缺点 是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板上排列的
12、管子少。优点 是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。,图3-3 U形管式换热器,(4)填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀,结构比浮头式简单,造价也比 浮头式低。但壳程内介质有外泄的可能,壳程中不宜处理易挥 发、易燃、易爆和有毒的介质。,图3-4 填料函式换热器,(5)釜式再沸器 釜式再沸器是管壳式换热器中的一种特殊形式,其结构如图3-5所 示,相关特性将在3.4中介绍。,图3-5 釜式再沸器,除此之外,工业上广泛使用的废热锅炉和蒸发器等也多以管壳式 结构为主。 管壳式换热器零部件名称汇总见表3-2所示。,表3-2 管壳式换热器部分零部件名称汇总表(参见图3-1图3-5),表3-2
13、 管壳式换热器部分零部件名称汇总表(参见图3-1图3-5),3.2.1.2 选择流体流动空间 在管壳式换热器的计算中,何种流体走管程,何种流体走壳程,这需 遵循一些一般性原则。 应尽量提高两侧传热系数中较小的一个,使传热面两侧的传热 系数接近。 在运行温度较高的换热器中,应尽量减少热损;而对于一些制冷 装置,应尽量减少其冷损。, 管程和壳程的确定应做到便于清洗除垢和维修,以保证运行的 可靠性。 应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度 来说,顺流式就优于逆流式,因为顺流式进出口端的温度比较平均, 不像逆流式那样,冷、热流体的高温部分均集中于一端,低温部分 集中于另一端,易因两端胀缩
14、不同而产生热应力。 对于有毒介质或气相介质,应特别注意其密封性能,密封不仅要 可靠,而且应尽可能简便。, 应尽量避免采用贵重金属,以降低成本。 以上这些原则有些是相互矛盾的,所以在具体设计时应综合考 虑。究竟哪一种流体走管程,哪一种流体走壳程,下面给出一些参 考。 (1)宜于走管程的流体 不清洁的流体 因为在管内易实现较高流速,流速高时悬浮物 不易沉积,且管内空间也便于清洗。, 体积流量小的流体 因为管内空间的流通截面往往比管外空 间的截面小,流体易获得必要的理想流速,而且也便于做成多程流 动。 有压力的流体 因为管子承压能力强,而且还简化了壳体密封 的要求。 腐蚀性强的流体 因为只有管子及管
15、箱才需用耐腐蚀材料,而 壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造,所以造价可以 降低。此外,在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便,并容易检查。 与外界温差大的流体 因为可以减少热量的逸散。 (2)宜于走壳程的流体 当两流体温度相差较大时,值大的流体走管间 这样可以减少 管壁与壳壁间的温度差,因而也减少了管束与壳体间的相对伸长, 故温差应力可以降低。, 若两流体给热性能相差较大时,值小的流体走管间 此时可以 用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件,使之相互接近。 饱和蒸汽 对流速和清理无甚要求,并易于排除冷凝液。 黏度大的流体 管间的流通截面和方向都在不断变化,在低雷 诺数下,管外给热系数
16、比管内的大。 泄漏后危险性大的流体 可以减少泄漏机会,以保安全。,此外,易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流体,最好通入 更容易进行机械清洗的空间。在管壳式换热器中,一般易清洗的 是管内空间。但在U形管、浮头式换热器中易清洗的都是管外空 间。 3.2.1.3 确定流体流速 当流体不发生相变时,介质的流速高,换热强度大,从而可使换热面 积减少、结构紧凑、成本降低,一般也可抑止污垢的产生。但流 速大也会带来一些不利的影响,诸如压降p增加,泵功率增大,且加,剧了对传热面的冲刷。 换热器常用流速的范围见表3-3和表3-4。,表3-3 换热器常用流速的范围,表3-4 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速,3.2.1.4 选择加热剂和冷却剂 在换热过程中,加热剂和冷却剂的选用根据实际情况而定。除应 满足加热和冷却温度外,还应考虑来源方便,价格低廉,使用安全。 在化工生产中常用的加热剂是饱和水蒸气与导热油,冷却剂是水 与冷冻盐水。 3.2.1.5 确定流体出口温度 工艺流体的进出口温度由工艺条件决定,加热剂或冷却剂的进口,
