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化工设备：换热器1.定义：是实现将热能从一种流体转至另一种流体的设备，是许多工业部门的通用设备。一、换热器的分类2.换热器的分类（1）换热器的种类很多，就换热原理来分，可以分为三大类•间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。•直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。•蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时取走冷量。Tt间壁式tT直接接触式热流体蓄热式（2）按工艺功能分类•（1）冷却器：冷却工艺物流的设备。冷却剂有水、氨、氟利昂等。•（2）加热器：加热工艺物流的设备。加热介质有水蒸汽、导热油、熔盐等。•（3）再沸器：用于蒸发蒸馏塔底部的物料设备；分热吸式和动力循环式再沸器。•（4）冷凝器：蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。•（5）蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备。•（6）过热器：对饱和蒸汽再加热升温的设备。•（7）废热锅炉：由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备。•（8）换热器：两种不同温位的工艺物流相互进行热交换能量的设备。二、间壁式换热器的类型间壁式换热器管式换热器板式换热器翘片式换热器沉浸式蛇管换热器喷淋式换热器套管换热器列管式换热器固定管板式U型管浮头式填料函式平板式换热器螺旋板式换热器夹套式换热器板翘式换热器翘片管换热器(一)管式换热器•管式换热器虽然在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面都不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。管式换热器特点1.蛇管式换热器蛇管式换热器是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。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。根据管外流体冷却方式的不同，蛇管式换热器又分为沉浸式和喷淋式。（1）沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管式换热器•蛇管沉浸在盛有流体的容器内，一种流体在容器中流动，另一种流体在蛇管内流动，两者通过蛇管壁进行换热•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。使用时沉浸在盛有被加热或被冷却介质的容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。•优点：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。•缺点：管外流体的流速小，传热系数小，传热效率低，需要的传热面积•使用：沉浸在盛有被加热或被冷却介质容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。(2)喷淋蛇管式换热器喷淋蛇管式换热器•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，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。•优点：与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。管外流体的传热系数大，且便于检修和清洗。•缺点：是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。冷溶液进冷溶液出热溶液进2.套管式换热器套管式换热器原理•以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管，而外管用短管依次连接成排，固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18平方米，故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封，以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成，若选材得当，它可用于腐蚀性介质的换热。套管式换热器的特点优点结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。3.管壳式换热器(列管式换热器)管壳式换热器•管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体;另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。•流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。优点结构坚固，对压力和温度的适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。处理量大。缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。管壳式换热器管壳式换热器的类型由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：(1)固定管板式换热器;（2)浮头式换热器;（3)U形管式换热器;（4)填料函式换热器;(1)固定管板式换热器固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母固定管板式换热器•固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。•优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。•缺点：当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。固定管板式换热器•应用：这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件伯膨胀节、挠性管板等人来吸收热膨胀差。•补偿方式：补偿圈(或称膨胀节)•这种补偿方法简单，但不宜用于两流体的温度差太大(应不大于70℃)和壳方流体压强过高(一般不高于6atm)的场合。固定管板式换热器的结构壳体及其与管板的连接●在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板。进口接管及防冲板的布置●在固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接、且管板兼作法兰用，在浮头式、U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。管板与壳体连接结构弓形折流板圆盘-圆环形折流板折流板缺口尺寸●折流板的固定折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆结构◆换热器的型号×××DN—--A------Ⅰ或Ⅱ管束的级别管程/壳程数，单壳程时只写Nt公称长度/换热管外径，m公称换热面积管程/壳程设计压力，MPa；压力相等时只写pt公称直径，mm；分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式stppdLNstNN（2）浮头式换热器浮头式换热器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳浮头式换热器•浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广。•优点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力；•缺点：结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。•适用于壳体和管束之间温差较大或壳程介质易结垢的场合。浮头结构示意图浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口（3）U形管式换热器U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板U形管式换热器•U型管换热器每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。•缺点：由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形管式换热器•结构特点：只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。•优点：U形管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强。U形管式换热器•应用：适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。（4）填料函式换热器填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函管壳式换热器的结构◆管壳式换热器流体的流程一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外、称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程.◆换热管及其在管板上的排列换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等换热管的排列形式◆管板和管子的连接管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。●胀接胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350℃，且无特殊要求的场合。●焊接碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，大都采用焊接连接。管板与换热管的焊接连接◆管箱管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。管箱结构形式1—隔板；2—管板；3—箱盖管箱型式管箱型式管壳式换热器的标准◆GB151—1999《管壳式换热器》是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据。◆标准代号为JB／T4714～4720－92该标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形式、基本参数及其组合都作了具体的规定(定型)。隔板隔板的最小厚度见下表：公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢≤60086600~≤12001081200~≤200014102000~≤26001410◆折流板●折流板的作用引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效率。另外，折流板还可起到支撑管束的作用。●折流板的分类常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。（二）板式换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。优点结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化传热效果好。便于清洗和维修。缺点密封