《换热装置的工艺设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热装置的工艺设计（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、换热装置的工艺设计,主 讲：谭 志 伟 二零一六年秋,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
2、和间壁式。 按换热器的使用功能又可分为: 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); 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(孔块式换热器、空冷器及薄膜式换热器等)。 其
3、结构分类详见表1。,表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,续表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,续表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合,(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
4、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,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。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,或者流量很大时就不适用了。,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
5、,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 1511999)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
6、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
7、径25mm,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90m2,碳素钢普通级冷拔换热管,管外径25mm,管长6m,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:
8、 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。,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; 确定流体进出口温度; 选择材质; 确定管程数和壳程数。,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
9、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6070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
10、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
11、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,相关特性将在后面介绍。,图
12、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),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
13、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
14、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
15、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。 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
16、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,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。 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温度也是确定的,但其出口的温度是由设计者选定的。该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小,所以此温度的确定有一个优化问题。加热温度一般由热源温度确定,对于采用冷却水换热,其两端温差不应低于5,对严重缺水地区,尤其是采用河水时,为避免产生严重结垢,其出口温度不应超过50。,选择材质 在进行换热器设计时,换热器各种零部件的材料,应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等要求来选取。当然,最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和
