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1、1,过程设备设计,第 六 章,2,6 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,3,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，
2、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）,4,蓄热式换热器（回热式换热器）,5,6,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,7,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
3、. 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,8,9,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。,10,(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。,11,(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,12,(4) 缠绕管式换热器,13,管子缠绕
4、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,14,两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23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
5、颗粒流体的换热。,(1) 螺旋板式换热器,15,16,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。,17,18,(3) 板翅式
6、换热器,19,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310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。,20,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,21,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
7、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,22,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t150、p1.5MPa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,23,24,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：2002000，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%。,
8、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。,25,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：,26,a. 固定管板式,6.2.1 基本类型及特点,6.2 管壳式换热器,27,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
9、：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。,28,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。,29,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,30,c. u形管式,（c) U形管式换热器,31,缺点：u形管不能拐
10、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。,32,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,33,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
11、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。,34,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,35,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。,36,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。,37,(3) 换热管材
12、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：192、 252.5、 382.5的碳素钢或不锈钢无缝管。,38,(4) 换热管排列形式及中心距,39,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
13、板材料,表61 常用换热管中心距,40,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,41,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,42,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
14、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：,43,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。,44,45,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
15、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p4MPa、 t300、操作中无剧烈的振动、温度波动和应力腐蚀等场合。,46,47,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
16、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,48,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。,49,6.2.2.2 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。,50,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。,51,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
