第二章--换热设备分析课件.ppt

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1、换热设备,在化工生产中，一般都包含化学反应过程。为了使反应顺利进行，适宜的反应温度是非常重要的外部条件。因此，在工艺流程中常常需要将低温流体加热或将高温流体冷却，将液体气化为气体或将气体冷凝成液体，这些过程都与热量传递密切相关，都可以通过换热设备来实现。,引言,引言,换热设备：使传热过程得以实现的设备（将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称）。.105个化工设备原理动画换热器管式换热器.swf,第一节 换热设备的类型及应用,一、换热设备的类型 换热设备种类繁多，可按用途、传热方式和所用材料分类：按用途分类 冷却器 冷凝器 加热器 换热器 再沸器 蒸气发生器 废热(或余热)锅炉,直接接触

2、式(混合式）换热器,蓄热式换热器,间壁式换热器,根据传热方式不同：,1、直接接触式换热器,通过冷热流体直接混合进行热量交换的设备。为了增加两流体的接触面积，以达到充分换热的目的，常在设备中放置填料和栅板。如冷却塔、气压冷凝器。.105个化工设备原理动画换热器浴室温水加热.swf,优点：传热效率高，单位体积传热面积大，设备结构简单，价格便宜；缺点：仅适于两流体可混合的场合。,2、蓄热式换热器,又简称蓄热器，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。当热流体通过时，把热量传给换热器内的蓄热体（如固体填料、多孔格子砖等），待冷流体通过时，将积蓄的热量带走。.105个化工设备原理动画换

3、热器蓄热室原理.swf,优点：结构简单，耐高温，价格便宜，单位体积传热面积大；缺点：冷热流体会有混合，较适合于气-气热交换的场合。,3、间壁式换热器,间壁式换热器是利用间壁将冷、热流体隔开，通过固定壁面（传热面）进行热量传递。其特点是：能将冷、热流体截然分开，适应了生产的要求，是化工生产中应用最广的热交换设备。,根据间壁结构的不同，间壁式换热器又可分为管式、板面式和其他类型。这其中又以管式换热器中的管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。,管式换热器,管式换热器是以管子作为传热元件的传热

4、设备。常用的有 管壳式 蛇管式 套管式 翅片管式,1、管壳式换热器,.105个化工设备原理动画换热器列管式换热器.swf 又称列管式换热器，是典型的换热设备。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，通过管子壁面进行传热。在化工设备中应用最为广泛。,2、蛇管式换热器,把换热管（金属或非金属）按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形、螺旋形、方形、长蛇形等。,优点,结构简单，造价低廉。,管子可承受较大的介质压力，不易泄露。,缺点,结构笨重,管内清洗不便。,按使用状态不同，蛇管式又可分为沉浸式和喷淋式两种，.105个化工设备原理动画换热器沉浸蛇管换热器.swf.105个化工设备原理动画换热器

5、喷淋式换热器.swf,3、套管式换热器,是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆套管，然后由多段套管连接而成。程数可根据传热要求增减。传热时，一种流体走管内（管程），另一种流体走内外管的间隙（壳程），内管壁面为传热面，一般按逆流方式进行传热。.105个化工设备原理动画换热器套管式换热器.swf,缺点,单位换热面积金属耗量大，价格较高。,检修、清洗和拆卸比较麻烦，在可拆连接处容易泄露。,该类换热器常用于高温、高压、流量较小、传热面积不大的场合。,结构与一般管壳式换热器相同，只是用翅片管代替了光管，翅片管不仅增加了单位长度传热管的传热面积，而且增强了气体的扰动，促进了传热系数的提高。由于传热加强，结

6、构紧凑，又称为紧凑式换热器。,4、翅片管式换热器,优点,传热能力强，传热面积大，传热系数提高。,结构紧凑，同样传热能力所用材料少。,缺点,造价高，流阻大。,这类设备是通过板面进行传热的设备，具有传热效率高，结构紧凑等特点,传热性能优于管式换热器。按结构形式可分为：板式、板翅式、板壳式、螺旋板式等。,1、板式换热器,是一种高效换热器，换热单元是一组长方形的薄金属片。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。板片表面通常压制成波纹形或槽型，以增加刚度和流体的湍流程度；,在板片的四周安上垫片，通过压紧装置压紧，垫片的作用：一是密封；二是使两块板面之间形成流体通道。冷、热流体分别

7、在同一块板的两侧通过。,优点,传热面积大，传热效率高，结构紧凑,便于组装和拆卸，清洗维修方便。,缺点,周边长，密封困难，易泄漏。,承压能力低（P2MPa）。,板式换热器应用广泛，从水到高粘度液体，从含固体颗粒的物料到含纤维的物料，均能处理。适用于温差和压力都不大的场合。,2、板翅式换热器,由隔板、翅片、封条等组成。它是在两块平行金属隔板之间放置波纹状的金属导热片，并在两侧边缘以封条密封而组成单元体；各单元体进行组合，并用钎焊焊牢，组成板束，再把板束按需要组装。,冷、热流体分别通过间隔排列的冷流程和热流程进行热量传递。.105个化工设备原理动画换热器板翅式换热器.swf,板翅式换热器 1，3侧板

8、；2，5隔板；4翅片,优点：1、传热面积大，传热效率高，传热系数要比管壳式大310倍；2、一般用铝合金制造，因此，结构紧凑、体积小、重量轻。使用范围广，可作气-气，气-液，液-液换热器。特别适用于低温和超低温的场合。,缺点：流道小，易堵塞，清洗和维修困难；制造工艺复杂，成本高，故应用不广泛。,3、板壳式换热器,板壳式换热器是一种介于管壳式和板式换热器之间的换热器，主要由壳体和板束组成，壳体形状随板束形状而异，如：圆筒形、矩形。板束相当于管壳式换热器的管束，每一板束元件相当与一根管子，由板束元件构成的流体通道成为板程，板束与壳体之间的流体通道成为壳程。板束元件的形状多种多样。,板壳式换热器,4、

9、螺旋板式换热器,螺旋板换热器的结构是由两张平行的金属板在专用的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体，再加上顶盖和进出口接管而构成的。,.105个化工设备原理动画换热器螺旋板换热器.swf 两种流体做严格的逆流。优点：结构紧凑，传热效率高；缺点：不能承受压力。适用于液-液、气-液流体交换，对于高粘度流体或含有固体颗粒的悬浮液的换热器尤为适用。,作业,简述以下换热器的优缺点及适用场合？直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器分开叙述：管式换热器：管壳式 板面式换热器：板式 蛇管式 板翅式 套管式 板壳式 翅片管式 螺旋板式,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

10、消耗量等方面不如板式换热器及其它新型换热器，但它具有结构坚固，操作弹性大，选材范围广、适用性强等自身独特的优点，是目前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,一、管壳式换热器的类型与结构 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，可分为下列五种形式：固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、釜式重沸器,1、固定管板式换热器,是管壳式换热器的最基本形式之一，由许多管子组成管束，管束两端通过焊接或胀接固定在两块管板上，管板与筒体采用焊接或法兰连接。,.105个化工设备原理动画换热器列管式换热器.swf结构特点：（1）同样壳体直径内，布管最多

11、，结构简单、紧凑，制造费用低；,1、固定管板式换热器,1、固定管板式换热器,（2）两端管板与壳体之间固定连接，当两流体温差较大时产生温差效应，会使管子扭弯或从管板上脱落，需考虑设置温差补偿装置（如膨胀节）；（3）管程清洗方便，但壳程清洗不方便；此类换热器适用于壳程介质清洁，两流体温差不大或温差较大，但壳程压力不高的场合.,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；.105个化工设备原理动画换热器浮头式换热器.swf,2、浮头式换热器,一端管板与壳体固定，另一端管板（浮动管板）与壳体之间没有约束，受冷或受热时可在壳体内自由伸缩，称为（浮头）。浮头由浮头管板、浮头勾圈法

12、兰和浮头盖组成。,特点：（1）一端管板与壳体固定，另一端管板（浮动管板）与壳体之间没有约束，可在壳体内自由浮动。壳体和管束热变形自由，不产生热应力。（2）管束可从壳体中抽出，便于管程、壳程的检修和清洗。,2、浮头式换热器,2、浮头式换热器,缺点：（1）结构复杂，造价高。（2）内浮头盖在操作时观察不到，若发生泄漏，无法发现，所以应严格保证其密封性能。,2、浮头式换热器,（3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为16-22mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。适用于两流体温差较大，且容易结垢需经常清洗的场合。,U形管式换热器

13、1中间挡板；2U形换热管；3排气口；4防冲板；5分程隔板,3、U形管式换热器,3、U形管式换热器,.105个化工设备原理动画换热器U型管式换热器.swf只有一块管板，管束由多根“U”字形管组成，管的进、出口分别固定在同一管板的两侧，再用隔板将管箱分为两室。,优点：（1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低。（2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力。（3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便。,3、U形管式换热器,3、U形管式换热器,缺点：（1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，布管少，结构不紧凑，管板利用率低；（2）管内由于是“U”型，不易清洗，宜走清洁流体。,3

14、、U形管式换热器,（3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，减小换热面积，管子报废率高。适用于两流体温差大，特别是管内流体清洁的高温、高压、介质腐蚀性强的场合。,填料函式换热器,4、填料函式换热器,4、填料函式换热器,两管板中，一管板与壳体固定连接，另一块类似于浮头，与壳体间隙处通过填料密封，可作一定量的移动。优点：（1）结构比浮头式换热器简单，管束可自由伸缩移动，不产生温差应力；,（2）管束可从壳体中抽出，管内、管外检修和清洗方便。（3）结构简单，制造方便，造价比浮头式低。缺点：（1）填料函处耐压不高，易泄漏。对有毒、易燃和易爆介质不适用；,4、填料函式换热器,4、填料

15、函式换热器,通常只适用于压力和温度都不高的场合，易燃、易爆、有毒及贵重介质不适用。生产中为了清洗方便，才选用这种换热设备。,5、釜式重沸器,与其他换热器结构不同之处在于：壳体上设置了一个蒸发空间，根据产气量和蒸汽品质要求设置蒸发空间。管束可以是浮头、U型或固定管板式结构。,适用于两流体温差较大的场合，清洗、维修方便。尤其适用于不清洁、易结垢的介质。,1、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。两管程以上就需要设置隔板来实现分程。常用的有

16、单管程、两管程和四管程。,二、管壳式换热器的结构,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。我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径壁厚）：192.0；252.5；382.5；573.5等；,2、换热管的选用：,2、换热管的选用：,长度可根据工艺计算确定，但应考虑管材的合理使用。我国轧制钢管长度系列一般为：1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.0m、9.0m等，以2.54m 最常见。,管子在管板上要保证一定的管间距(指两相邻换热管中心的距离)要求：换热管中心距 P1.25d0（d0 管子外径，三角形排列时）,2、

17、换热管的选用：,2、换热管的选用：,管子的内径：小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。,（2）换热管的结构类型：换热管一般采用无缝钢管，材料常根据工艺条件和介质腐蚀性来选择。常用的金属材料有：碳素钢、低合金钢、不锈钢和铜、铝、钛等有色金属及其合金；非金属材料有：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。结构类型：光管 焊接管 波纹管 翅片管,2023/3/28,(3)、管子的排列顺序 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,其中，正三角形排列应用最为广泛，因正三角形有利于壳

18、程流体的湍流，且同一管板面积上，布置的管数也最多，但管间不易清洗；当壳程需要清洗时，不得采用正三角形或转角正三角形，而要采用正方形排列，因正方形排列空间大，有利于壳程的清洗，但相同管板面积上，布管少10%40%。,在小直径换热器上，还可以采用一种同心圆(P147图2-17）排列方式。可用于特殊场合，如石油化工装置中的固定床反应器等。无论采用那种排列方式，最外层换热管与壳体的距离0.25Do,且不小于10mm。这样会增大换热面积，防止壳程流体短路。,3、管板的选用,管板是换热器中较重要的受力单元。管板主要用来连接换热管，同时将管程和壳程分隔，避免管程和壳程流体混合。管板类型有：平板形，椭圆形，双

19、管板或高温高压换热器管板，其中最常用的是平板形。,管板的选用,(1)材料 根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铝合金、复合材料，不锈钢等。工程上都采用复合钢板，以不锈钢抵抗腐蚀，以碳钢和低合金钢承受介质的压力。,(2)、管板与壳体的连接形式 不可拆（焊接式）；可拆式 浮头式、U型管式、填料函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板设计成可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。（图7-23）固定端管板与壳体的连接。,(3)管板和管子的连接 管子与管板的连接必须牢固，不泄露，既要满足密封性要求，又要有足够的抗拉托强度。根据管、壳程的设计压力、设计温度、介质

20、的腐蚀性，管板的结构等选择合适的连接方式。管板和管子的连接方式有胀接、焊接、胀焊结合三种方式。,胀接 胀接是将胀管器放入已插入管板中的管子，挤压管壁，使管壁产生塑性变形，同时迫使管板产生弹性变形，依靠两者之间的相互作用力达到密封和牢固连接的目的。胀接适用于设计压力不超过4MPa、设计温度不超过300，且无特殊要求的场合。,焊接 设计温度超过300，设计压力超过4MPa、大都采用焊接连接。主要适用于：（1）管间距太小以至于无法胀接时；（2）当热循环剧烈和温度很高时，因为温度过高会使管子和管板产生蠕变，使胀接松动而发生泄露；,管板与换热管的焊接连接,胀接与焊接性能比较：,优点：焊接密封性能良好，承

21、压高；连接强度大，抗拉托能力强；对管板孔和管板的加工要求低；允许较小的管板厚度，焊接工艺简单，尤其是高温或者要求接头绝对不漏以及管板不易胀接的不锈钢时，采用焊接连接。焊接法已被广泛采用，并有被优先采用的趋势。,缺点：当管壁和管板厚度相差较大时，会因冷却速度不同而产生热应力，使焊缝裂开；且因存在环形间隙而造成“环隙腐蚀”。,胀焊结合 采用胀接虽然管子与管板贴合较好，但在压力与温度有变化时，抗疲劳性能差，连接处易产生松动；而焊接，虽然强度和密封性能好，但管子与管板孔壁处有环形缝隙，易产生间隙腐蚀；因此，工程上常采用胀焊结合的方式来改善链接处的状况，这种方法不仅可以提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐

22、蚀和间隙腐蚀，同时提高了使用寿命。,先焊后胀：适用于有间隙腐蚀时，消除间隙，防止间隙腐 蚀；先胀后密封焊：适用于压力很高或不允许泄露的场合，加强密封。,管箱位于壳体两端，其作用将管道输送来的流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，还起着分割管程，改变流体流动方向的作用。,4、管箱,选用管箱时，应考虑以下因素：是否易于清洗、检查；管路系统是否合理，检修时不必拆开管路；压力、温度和冲蚀情况；成本。,5、折流板,圆盘-圆环形折流板,弓形折流板,圆缺型折流板,折流板的作用 提高壳程流体的流速，增加流体的湍流速度，提高传热效率，同时可减少结垢。在卧式换热器中，折流板还可

23、起到支撑管束的作用。,折流板的分类 常用折流板有圆盘-圆环形、弓形和圆缺型。圆盘-圆环形结构复杂，不便清洗，一般用于压力较高，物料清洁的场合。,折流板的布置原则,1、折流板一般应等距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管。2、折流板最小间距应壳体内直径的20%，且不小于50mm，最大间距应壳体内直径。,3、折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间隙应符合要求。间隙过大，会因短路而影响传热效果，且易引起振动；间隙过小，安装、拆卸困难。4、折流板缺口高度h,应使流体通过缺口时与横向通过管束时的流速大致相等，一般取（0.20-0.45）D（壳体公称直径），通常取h=0.25D。,5、对于卧

24、式换热器，为排除壳体内的剩余液体，折流板应开小缺口（通液口）。立式换热器不必开小缺口。壳程输送气体：气体中含少量液体应在缺口朝上的折流板下部开通液口；液体中含少量气体应在缺口朝下的折流板上部开通液口；气、液相共存或液体中含有固体颗粒时折流板应垂直左右分布，且在最低处开通液口；,折流板的固定(图2-27）折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。,拉杆结构,6、拉杆与定距离管的选用,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,7、防冲板的选用,当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热器会造成很大的冲刷，容易引起侵蚀和振动，从而影响传热效率和换热器的寿命，因此，在入口处常安防冲板

25、。有圆形或方形。,固定方式：焊在定距离管或拉杆上，焊在圆筒上或螺栓固定。挡板与壳壁的距离e应适中，太大会妨碍管子排列，且减少了传热面积；太小影响流体流速。厚度也要适中，碳钢：4.5mm；不锈钢：3mm。,8、导流筒,通常安装与壳程流体的入口处。作用：起到防冲板的作用；控制加热流体或流体靠近管板处才进入管束，更充分地利用换热器的换热面积；为使流动截面大致相等，导流筒端部至管板的距离s应适中。导流筒形式：内导流筒圆筒形 外导流筒斜口形,9、膨胀节的选用,在换热器中，壳壁和管壁由于流体温度不同引起自身的变形量不相等时，便会在管板、板束和壳体系统中产生附加应力，这一应力是因管壁和壳壁的温度不同引起的，

26、称为温差应力。,当温差应力过大时，管子发生弯曲变形，设置造成管子从管板上拉托或顶出，导致生产无法运行。膨胀节是一种能自由伸缩的弹性补偿装置，当温差较大时，可通过膨胀节变形协调，从而大大减少温差应力。膨胀节壁厚越薄，弹性越好，补偿能力越大，但厚度必须满足强度要求。,设置膨胀节的作用：（1）可以有效地减小壳体和换热管由于温差产生的热应力。（2）防止管子与管板连接处不被拉脱或顶出。膨胀节的型式：平板形、波形、形三种。平板形结构简单，只适用于常压和低压的场合；波 形 可以由单层或多层构成，或采用多波膨胀节；形 用于压力较高的场合。,三、管壳式换热器的标准 GB1511999管壳式换热器 是由国家技术监

27、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JBT4714472092 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)。,换热器的型号 DN-A-或 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,第四节 换热设备的使用与维护,一、换热器的日常维护 日常操作应特别注意防止温度、压力的波动，首先应保证压力稳定，绝不允许超压

28、运行。,二、换热器的清洗 换热设备经长时间运转后，由于介质的腐蚀、冲蚀、积垢、结焦等原因，使管子内外表面都有不同程度的结垢，甚至堵塞。所以在停工检修时必须进行彻底清洗，常用的清洗(扫)方法有风扫、水洗、汽扫、化学洗清和机械清洗等。,酸洗法 酸洗法是用盐酸作为清洗剂，酸洗法又分浸泡法和循环法两种。,换热器酸洗法流程,机械清洗法 对严重的结垢和堵塞，可用钻的方法疏通和清理。,管式冲击钻1进水管；2外套管；3填料；4压盖螺母；5填料压盖；6钻杆；7进水口；8钻头,高压水冲洗法 高压水冲洗法多用于结焦严重的管束的清洗，如催化油浆换热器。海绵球清洗法 将较松软并富有弹性的海绵球塞入管内，使海绵球受到压缩而与管内壁接触，然后用人工或机械法使海绵球沿管壁移动，不断摩擦管壁，达到消除积垢的目的。,换热器选型应考虑的因素 流体的性质。换热介质的流量、操作温度、压力。,