86换热器

应化1103班换热器按照传热用途分为加热器、预热器、冷却器、冷凝器、再沸器和蒸发器等。虽然换热器名称不同，但设备的构造与形式却大多完全相同。下面对具有代表性的间壁式换热器的特征和构造进行简略说明。一.间壁式换热器的类型二.换热器的运行操作三.换热器常见故障与处理方法四.传热过程的强化途径五.列管式换热器设计或选用时应考虑的问题一.间壁式换热器的类型•按照换热面的形式分类：•1.管式换热器•2.板式换热器•3.特殊形式的换热器1.管式换热器•（1）蛇管式换热器•（2）套管式换热器•（3）列管式换热器（1）蛇管式换热器•蛇管式换热器是它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆形、螺旋形和长的蛇形管。为防止蛇行变形，通常将蛇管固定在支架上。在高压操作时，也可将蛇管铸在或焊在容器壁上。状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。•状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。a.沉浸式蛇管•蛇管多以金属管子弯绕而成，或由弯头、管件和直管连接组成，也可制成适合不同设备形状要求的蛇管。使用时将蛇管沉浸在容器内，盘管内通入热流体，管外通过冷却水进行冷缺或冷凝；或者用于加热或蒸发容器内的流体。它的特点：结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大的流体介质压力。但是，由于管外流体的了流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。沉浸式蛇管换热器常用于高压流体的冷却，以及反应器的传热元件。b.喷淋式蛇管换热器•将蛇管成排的固定在钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下。与沉浸式相比较，喷淋式蛇管换热器主要优点是管外流体的传热系数大，且便于检修和清洗。其缺点是体积庞大，占地面积大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想（2）套管式换热器•对于流体流量较小或高压流体的场合大多使用图（1）。该换热器是一种流体在逃管的内管中流动，另一种流体在外管与内管之间的通道中流动，从而进行热量交换的设备。内管的壁面是传热面。套管式换热器以适宜长度（4到6米）的套管为单位，通过增减套管的连接数目能够改变传热面积。套管内的冷热流体可同向流动（并流）；但一般采用两流体相反方向的的逆流流动。流体中通常选择α值较大的流体走套管环隙。如果由于条件限制或其他的理由，必须使用α值较小的流体走套管环隙时，为增大内管侧的传热面积，也可使用图（2）翅片管为传热管。（2）套管式换热器•图片：翅片管套管式换热器（1）（2）（3）列管式换热器•列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。列管式换热器分类•（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，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装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，产生很大的温差应力，以至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有温差补偿装置，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（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。•特点：固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端（1）固定管板式换热器用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。缺点：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合（2）浮头式换热器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，称之为“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；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。（3）U型管式换热器•U形管式换热器，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。（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。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。•填料函式换热器结构如右图所示。这种设备的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。列管式换热器的折流挡板•为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。•列管式换热器中，一般关内空间易清洗，古不清洁和易污垢的流体走管内，还有腐蚀性流体、高压流体和高温等流体走管内。但是，蒸汽，沸腾液体走管方，对于这种场合壳方不需挡板。影响换热器管板腐蚀的主要因素：•（1）介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到60%以上时，腐蚀反而急剧下降；•（2）杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀•（3）温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升10℃，腐蚀速度约增加1~3倍，但也有例外；•（4）ph值：一般ph值越小，金属的腐蚀越大；•（5）流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。2.板式换热器板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。这类换热器一般不能承受高温高压，但对于压力较低，温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场合，却显示出更大的优越性。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。（1）夹套式换热器（2）螺旋板式换热器板式换热器基本结构：1.换热板片2.固定压紧板3.活动压紧板4.夹紧螺栓5.上导杆6.下导杆7.后立柱结构原理：可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。（1）夹套式换热器►属于间壁式换热器的一种，在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面不足,也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。►结构：主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。►优点：结构简单。缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。（2）螺旋板式换热器由两张保持一定间距的平行金属板卷制而成,冷、热流体分别在金属板两侧的螺旋形通道内流动。这种换热器的传热系数高（约比管壳式换热器高1～4倍），平均温度差大（因冷、热流体可作完全的逆流流动），流动阻力小，不易结垢；但维修困难。使用压力不超过22MPa。（3）平板式换热器•由一定形状的波纹薄板和密封垫片交互叠合，并用框架夹紧组装而成（图2）。冷、热流体分别在波纹板两侧的流道中流过，经板片进行换热。波纹板通常由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成。平板式换热器的优点是传热系数高（约比管壳式换热器高2～4倍），容易拆洗，并可增减板片数以调整传热面积。操作压力通常不超过2MPa，操作温度不超过250℃。3.特殊形式的换热器•（1）翅片式换热器：a.翅片管式换热器••b.板翅式换热器•（2）热管换热器（1）翅片式换热器•在传热面上加装翅片的措施不仅增大了传热面积，而且增强了流体的扰动程度，从而使传热过程强化。•a.翅片管式（管翅式）换热器•管翅式换热器作为一种紧凑式换热器,在制冷行业具有广泛的应用。随着空调与制冷行业的技术发展,以及环保法规的进一步严格控制,对换热单元自身换热性能的要求更加严格,以弥补替代制冷剂性能低下。因此,换热器结构(换热管和翅片类型)以及相关换热器成形工艺是影响换热性能的重要因素,对于提高换热器的整体换热性能具有重要的意义。（1）翅片式换热器如图：b.板翅式换热器由封闭在带有冷、热流体进出口的集流箱中的换热板束构成。板束由平板和波纹翅片交互叠合,钎焊固定而成。冷、热流体流经平板两侧换热，翅片增加了传热面积，又促进了流体的湍动，并对设备有增强作用。板翅式换热器结构非常紧凑(换热面积达4400m/m),传热效果好，且使用压力可达15MPa。但它的制造工艺复杂，流道小,内漏不易修复，因而限用于清洁的无腐蚀性流体，如作空气分离用的换热器板翅式换热器的板束板翅式换热器b.板翅式换热器特点：（1）传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。•（2）紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000㎡/m3。•（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产。•（4）适应性强，板翅式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合