第六章-换热器

第六章换热器第一节换热器概述一、定义换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省化工生产对换热设备提出的要求是：传热效率高，流体阻力小；强度、刚度、稳定性足够；结构合理，节省材料，成本较低；制造、装拆、检修方便等。三、不同目的的换热器冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类1、混合式换热器（直接接触式）通过冷热流体直接混合进行热量交换的设备称为混合式换热器，或直接式换热器，如冷却塔、气压冷凝器、在传质的同时进行传热的塔设备等。结构简单，传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间局限：只适用于允许两流体混合的场合。图7-1直接接触式换热器热流体冷流体热流体冷流体实例：冷却塔、气压冷凝器2、蓄热式温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大图7-2蓄热式换热器冷流体冷流体热流体热流体蓄热式换热器利用冷热两种流体交替通过换热器内的同一通道而进行热量传递。局限：不能用于两流体不允许混合的场合。3、间壁式重点——又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等二、间壁式换热器的主要类型间壁式换热器可分为管式换热器和板面式换热器两大类。1．管式换热器管式换热器是以管子作为传热元件的传热设备。常用的管式换热器有套管式、蛇管式、螺旋管式和管壳式。(1)套管式换热器套管式换热器由两根不同直径、同心组装的直管和连接内管的U形弯管所组成,进行换热的两种流体分别进入内管和内、外管的环形通道进行换热(通常采用逆流方式)。当需要较大传热面积时，可将几段套管串联排列。优点：结构简单，传热面积可调整；缺点：金属消耗量大，且弯管连接处易发生泄漏。套管式换热器多用于流量较小而压力,较高的两流体传热，常用作冷却器和冷凝器。(2)蛇管式换热器蛇管式换热器由弯曲成蛇形的管子组成。蛇管的弯曲形状有折曲形、螺旋形、方形、盘形等形状。蛇管的材料常有钢管、有色金属管、陶质管、石墨管等。蛇管式换热器有沉浸式和喷淋式两种结构。(3)螺旋管式换热器螺旋管式换热器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的。优点：结构紧凑、传热面比直管大，温差应力小；缺点：管内的清洗较困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。(4)管壳式换热器与列管式换热器管壳式换热器是由圆柱形壳体和安装在壳体内的许多管子组成的管束构成的。管壳式换热器是间壁式换热设备中应用最多的一种结构形式。结构上与列管式换热器完全一样,只是使用方式不一样.区别：列管式是料液走管程(就是管子里面),冷却水走壳程(管子和壳之间),管壳式正好相反.管壳式换热器列管式换热器2．板面式换热器板面式换热器的传热元件是板面，其传热性能优于管式换热器。常用的结构形式有板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器等。(1)板式换热器板式换热器由固定端板、活动端板、传热板片、密封垫片、压紧和定位装置等构成。板式换热器的板面通常做成波形以增加刚度和流体湍流程度，在板片的四周粘贴垫片，垫片的作用：一是为了密封；二是隔出两板片之间的流体通道。优点：板式换热器结构紧凑，传热效率高，便于组装和拆卸，清洗、除垢方便；缺点：流道狭窄，处理量小，密封圈也长，流动阻力大，承压能力差，适应温差和压力都不大的场合。(2)螺旋板式换热器螺旋板换热器由螺旋板、顶盖、接管口等组成。螺旋板由两张卷制成螺旋状的金属板制成。优点：螺旋板式换热器结构紧凑(单位体积内传热面积是管壳式换热器的2—3倍)，传热效率高(可达管壳式换热器的2倍)有自冲刷作用，不易结垢；缺点：不能承受高压，适用于粘性流体或含有固体颗粒的悬浮液的换热。冷入冷出热入热出(3)板翅式换热器板翅式换热器由隔板、翅片、封条等组成，见图6—12(a)。它是在两块平行金属隔板之间放置波纹状的金属导热翅片，并在其两侧边缘以封条密封而组成单元体，对各单元体进行不同的组合和适当的排列，并用钎焊焊牢，组成板束，把若干板束按需要组装，便构成不同的流型，冷、热两种流体分别流过间隔排列的冷流层和热流层进行热量传递。优点：传热效率很高(为管壳式换热器的3～10倍)，单位体积内传热面积大，适应性广；缺点：制造难度大，清洗与检修困难。板翅片换热器可用于冷凝和蒸发，特别适应低温和超低温操作。(4)板壳式换热器板壳式换热器由壳体和板束组成。壳体形状随板束形状而异，多数是圆筒形，结构与管壳式壳体相似。板束是由若干长度不等的基本元件组成。每一元件由两块节距相等的冷轧成型的金属板条，组合并缝焊接而成。基本元件的横截面呈现扁平状流道，板壳式换热器结构紧凑，容易清洗，压力降小，传热效率高，但制造工艺较复杂，焊接技术要求高。板壳式换热器常用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。第二节管壳式换热器管壳式换热器虽然在传热效率、结构紧凑性、金属消耗量等方面不及板面式换热器等其他新型换热装置，但是它具有结构坚固、操作弹性大、材料范围广、适应性强等自身独特的优点，因而它能够在各种换热器的竞相发展中得以继续存在，目前仍然是化工生产中换热设备的主要形式，特别是在高温、高压和大型换热器中占有绝对优势。管壳式换热器由管束、管板、壳体，各种接管等主要部件组成。根据其结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式等四种形式。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基本类型管壳式换热器由管束、管板、壳体，各种接管等主要部件组成。根据其结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式等四种形式。一、管壳式换热器的形式与结构1．固定管板式换热器固定管板式换热器的管束两端通过焊接或胀接固定在管板上。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：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图7-5带膨胀节的固定管板式换热器图7-2固定管板式换热器图7-3带补偿器的固定管板式换热器适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。（二）浮头式换热器优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。若浮头密封失效，将导致两种介质的混合，且不易觉察。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。图7-6浮头式换热器图7-4浮头式换热器fts1.rmfts2.rm图7-7浮头结构沟圈与浮头管板连接（三）U形管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。管束可以抽出清洗。缺点：布管少，管板利用率低，管子坏时不易更换。管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换适用场合：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。图7-6U形管式换热器结构：U形管式换热器内只有一块管板，管束弯成U形，管子两端都固定在一块管板上。图7-8U型管式换热器U形管式换热器U形管式换热器（四）填料函式换热器填料函式密封图7-9填料函式换热器结构：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。优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。缺点：填料处易泄漏。适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。作业：P1961、2、4、6粘性大或污浊的流体大管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体小管径1．换热管尺寸（1）直径二、换热管换热管是换热器的传热元件，需要根据工艺条件(介质压力、温度、物性)来选择。（2）规格（外径×壁厚），长度按规定决定换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。2．换热管结构换热管一般采用无缝钢管。为了强化传热效果，可制成翅片管、螺旋槽管等。换热管型式光管强化传热管螺旋槽管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。图7-10几种异形管（a）扁平管（b）椭圆管（c）凹槽扁平管（d）波纹管图7-11纵向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整体式外翅片管（c）镶嵌式外翅片管（d）整体式内外翅片管图7-12径向翅片管图7-13螺纹管3、材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等4、换热管排列方式三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。（1）正三角形和转角正三角形排列图7-18正三角形排列的管子流体流动方向流体流动方向正三角形排列转角正三角形排列（2）正方形和转角正方形排列管间形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。图7-19正方形排列的管子流体流动方向流体流动方向转角正方形排列正方形排列（3）组合排列法在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图7－20。图7-20组合排列法5、管间距（一）定义（二）要求管间距指两相邻换热管中心的距离。管间距≥1.25d0，符合表7-5规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。表7-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于[(换热管外径的一半)＋10mm]。作业：P1961、2、4、6复习巩固1、根据传热原理，换热器可分为哪几类？各自的传热原理是怎样的？2、间壁式换热器的主要类型有哪些？3、管壳式换热器的主要组成是？根据其结构可分为哪些类？三、管板（一）管板与壳体的连接结构1、不可拆的焊接式固定管板式换热器管板与壳体的连接兼做法兰不兼做法兰图7-23-01兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-23-02兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-23-03兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-24不兼作法兰时管板与壳体的连接结构2、可拆式浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接图7-25管板与壳体可拆连接（二）、管子与管板的连接1、胀接利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。图7-14胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后液压胀管器液压胀接机械胀接适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合