换热器发展应用

换热器发展应用换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。本文从换热器在国内外发展，换热器的分类及换热器的应用领域三个方面进行论述。一、换热器在国内外发展近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。根据海关的统计，2001～2005年，我国平均每年从国外进口换热器22.49万台，总金额达到14.02亿美元。其中，仅2004年一年就进口了34.11万台，共计4.9亿美元。虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模(见图1)。2001年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021.6万美元、245.72美元/台；但到了2005年，进出口间的差距已扩大到75667台、34517万美元和1347.57美元/台。这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半，2005年更是降到了25%以下。可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。预计“十一五”期间，我国的换热器进口规模还将维持在一个相对较高的水平(约200～300万台之间)，且更加向高端产品集中。根据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5%的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。同时，行业发展必须要注重高端产品的研发。二、换热器的种类换热器种类繁多，若按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他型式换热器。而管型换热器又可分为管壳式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器；板型换热器可分为板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、螺旋板式换热器。其他型式换热器是为了满足一种特殊要求而出现的换热器，如回转式换热器、热管换热器等。管壳式换热器若按功能命名又可分为冷凝器、加热器、再沸器、蒸发器、过热器等。以下介绍一些常用的几种换热器。一、管壳式换热器它由许多管子组成管束，管束构成换热器的传热面。此类换热器又称为列管式换热器。换热器的管子固定在管板上，而管板又与外壳联接在一起。为了增加流体在管外空间的流速，以改善换热器的传热情况，在筒体内间隔安装了许多折流板。换热器的壳体和两侧管箱上开有流体的进出口，有时还在其上装设有检查孔，为安置仪表用的接口管、排液孔和排气孔等。在换热器中，一种流体从一侧管箱(称为前管箱)流进管子里，经另一侧管箱(称为后管箱)流出(对奇数单管程换热器)，或绕过管箱，流回进口侧前管箱流出(对偶数单管程换热器)，这条路径称为管程。另一种流体从筒体上的连接管进出换热器壳体，流经管束外，这条路径称为壳程。即为二管程、单壳程，工程上称为1-2型换热器(1表示壳程数，2表示管程数)。管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。根据其不同的连接与固定方式又可分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式等。1.固定管板式换热器固定管板换热器的两端管板，采用焊接方法与壳体连接固定。这种换热器结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。由于两个管板被换热管互相支攫，与其他管壳式换热器相比，管板最薄，不仅造价低而且每根管子内侧都能进行清洗。但壳侧清洗较难，不能进行机械清洗，所以宜用于不易结垢的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质泄漏。由此可见，这种换热器适合于温差不大以及壳程结垢不严重或能用化学清洗的场合。由于此类换热器集中了管壳式换热器的优点，因此应用相当广泛。2.浮头式换热器浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷在结构上做了改进，两端管板只有一端与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由移动，该端称为浮头。这类换热器壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出(也有设计成不可拆的)，这样为检修、清洗提供了方便。浮头式换热器适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但这类换热器结构复杂，笨重，造价约比固定管板式高20%左右，材料消耗大。3.U型管式换热器U型管式换热器仅有一块管板。它是将管子弯成U型，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，不会因管壁、壳壁之间的温度差而产生热应力，热补偿性能好。管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能好，承压能力强。因U型管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内的流体必须是清洁及不易结垢的物料。U型管式换热器，一般使用于高温高压的情况下。尤其使用在压力较高的情况下，在弯管段壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。4.填料函式换热器对于一些腐蚀严重，温差较大而经常要更换管束的垮热器，采用填料函式换热器要比浮头式或固定式换热器优越得多。它具有浮头式换热器的优点，又克服了固定式换热器的缺点，结构较浮头简单，制造方便，易于检修清洗。填料函式换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封，它的管束也可以自由膨胀，所以也不需考虑由于管壁、壳壁温度差引起的热应力，且管程和壳程都能清洗，加工制造较浮头方便，且造价较低。但由于填料密封处易于泄漏，故壳程压力不能过高，也不易用于壳程内为易挥发、易燃、易爆和有毒介质的场合。目前所使用的填料函式换热器都较小，使用在直径700mm以下，大直径填料函式换热器采用得很少，尤其在操作压力及温度较高的条件下就更少。5.折流杆式换热器折流杆式换热器是一种壳体内的折流元件由一系列细小的折流杆组成的管壳式换热器。这些细小的折流杆相互平行以一定的间距焊在由棒材或杆材制成的外环上形成折流圈，每一根折流圈相隔一定距离按一定的排列分别焊接或用普通的定距管固定于拉杆上形成的折流杆网络。这些折流杆网络与换热管一起组成了折流杆换热器的主体结构(折流杆管束)。折流杆换热器是为了改善常规的板式折流板换热器的流体诱导振动而设计的。在这种结构中，支撑管子的折流杆与管子几乎不存在间隙，管束中每根传热管的上、下、左、右都得到了可靠的支撑，而且从根本上改变了流体的流动状况，变折流板换热器的横向流动为平行于管子的轴向流动，从而消除了产生液体诱导振动的根源。采用此种结构的换热器还具有以下特点：①由于壳侧流体以轴向流动为主，降低了壳侧压降；②与折流板换热器相比，具有更高的壳程单位压降与总传热系数的传热特性比K/△p；③在换热器内不存在严重的滞流区域，因而效益高，具有不易结垢的优点。在我国GB151《管壳式换热器》规范中，对换热器型号的表示方法是参照美国的TEMA规范，用三个英文字母来表示换热器的三个主要组成部分的结构型式，以表达换热器的整体结构型式。其表示方法如下：在上述表示方法中，DN为换热器的公称直径，对卷制圆筒为圆筒内径，对钢管制圆筒为钢管外径。A为换热器的公称换热面积，它是以换热管外径为基础，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积经圆整后得到的计算换热面积。LN为公称长度，它是指换热管的长度，换热管为直管时，取直管长度，换热管为U型管时，指U型管的直管段长度。S表示换热管管材(只限于铝、铜、钛)。pt/ps为管/壳程设计压力，而设计压力是指在相应的设计温度下，用以确定换热器圆筒厚度及其他受压元件厚度的压力，一般取略高于工作压力。Ⅰ级管束是指采用较高级、高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合，Ⅱ级管柬为采用普通级冷拔换热管，适用于重沸、冷凝传热和无振动的一般场合。Ⅰ、Ⅱ级管束只限于碳钢和低合金钢。二、套管换热器套管换热器由直径不同的两根标准管组成的同心套管为基体，内管用U形弯头连接，外套管直管连接，整个蛇形套管固定在支架上，套管换热器每一段直套管简称为一程，冷、热流体分别流过内管和环形通道，并在其中实现热交换。如内管通过需加热的天然气，外管通过蒸汽，它在结构上很有利于形成完全的逆流方式传热。外管与内管的连接有可拆和不可拆两种方式。为了使内外管之间的环形空间即蒸汽通道能进行清洗、检修，以及防止内外管之间由于温差所引起的热应力，常使内外管之间的连接一端采用不拆式，另一端采用可拆式。套管换热器结构简单，制造、拆装方便，管程可流通高压介质，天然气流通内管可以采用与集输管线相同材质和相同直径的管子，因而在天然气集输系统应用较多。但该设备管接头多，容易泄漏，环形通道难于清洗，制造成本高，单位传热面积的金属耗量大，对于大容量的换热器更显得笨重和不经济。因而其适合于传热面积较小(10～12m2)和流量不大的场合。三、水套护水套炉是天然气输气系统中应用广泛的专用设备，具有品种多、配置多样，结构紧凑、功能齐全、适用范围广等特点，是理想的加热设备。水套炉是以水作为传热介质的间接加热设备，水套炉是由简体、烟火管、气盘管和其他附件组成。气盘管和进出筒体处用盘根密封，松紧由填料压盖调节。水套炉通过水箱给炉内加水，水套炉炉内压力(壳程压力)为常压。水套炉筒体上焊有温度计插孔，装有水位计，以控制水套炉运行。水套炉筒体靠鞍式支座支撑，筒体上敷设耐火材料保温。水套炉的加热原理是天然气燃烧器喷出的高温火焰直接加热烟火管，高温烟气向后流动，经烟气出口管进入烟箱，然后经烟囱排入大气。但烟火管和烟气出口管附近的水受热后因密度减小而上升，与气盘管接触传热后温度下降，又因密度增加而下沉，又被加热后又上升，如此不断循环，以加热气盘管内的天然气，达到提高天然气气流温度的目的。但要注意水套加热炉禁止超压使用，即气盘管内的天然气不能超过允许工作压力。四、板式换热器板式换热器包括板片式、板翅式和螺旋板式三种结构，其中应用最广的是板片式换热器，通常简称为板式换热器。板式换热器如果是以板作为间壁，则称为板片式换热器，在这种换热器中，由于流体沿板流动的换热系数小，通常在板上加翅板或设法使流体作螺旋状运动来强化传热，这样构成的换热器称为板翅式换热器)和螺旋板式换热器。还有一些板式换热器的间壁被压制成波纹状，也同样能强化传热。板式换热器具有总传热系数高、占地面积小、能实现多种介质换热、对数平均温差小、末端温差小和使用方便的优点，但能承受的工作压力较低(一般低于2.5MPa)，不能用于含有较大固体颗粒的流体。五、电热带在集输系统中，电热带在现场上已逐步在推广使用。一般采用电热带来作为地面管线和设备的电伴热产品。电热带具有热效率高(可达80%～90%)，发热均匀，温度控制准确，反应快，可实现远控及遥控，易于实现自动化管理，管理费用低，投资少等优点。但其电热丝寿命短，易于出现断路的情况，且断路的机会随电热带的长度增加而增加。而且电热带更换时还需更换保温层。电热带主要有单相恒功率电热带、三相恒功率电热带、高温电热带以及自限式电热带等几种形式。现以单相恒功率电热带为例介绍其基本构造。电热带主要由两根平行的电源母线和电热丝，以及必要的绝缘材料组成，电热丝每隔一定距离与母线连接，形成连续的并联电阻。所谓“发热节长”即每根电热丝与母线连接的距离。母线通电后，将各电阻丝同时加热，形