换热器设计介绍.doc

换热器:也称热交换器，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：安加热方式分，由电热热交换器，导热油热交换器，火焰式热交换器，气体热热交换器，太阳能热交换器等等。 换热器：安结构分，螺旋板式换热器 波纹管换热器 列管换热器 板式换热器 螺旋板换热器管壳式换热器 容积式换热器 浮头式换热器 管式换热器 热管换热器 汽水换热器 换热机组 石墨换热器 空气换热器等等。 。 列如管壳式换热器：又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。结构 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。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。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，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。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法。钎焊变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如蜂窝结构板、透平叶片、硬质合金刀具和印刷电路板等。钎焊前对工件必须进行细致加工和严格清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。间隙一般要求在 0.010.1毫米之间。 种类 根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于450称为软钎焊，高于450称为硬钎焊。 软钎焊 多用于电子和食品工业中导电、气密和水密器件的焊接。以锡铅合金作为钎料的锡焊最为常用。软钎料一般需要用钎剂,以清除氧化膜,改善钎料的润湿性能。钎剂种类很多，电子工业中多用松香酒精溶液软钎焊。这种钎剂焊后的残渣对工件无腐蚀作用，称为无腐蚀性钎剂。焊接铜、铁等材料时用的钎剂，由氯化锌、氯化铵和凡士林等组成。焊铝时需要用氟化物和氟硼酸盐作为钎剂，还有用盐酸加氯化锌等作为钎剂的。这些钎剂焊后的残渣有腐蚀作用，称为腐蚀性钎剂，焊后必须清洗干净。 硬钎焊 接头强度高，有的可在高温下工作。硬钎焊的钎料种类繁多，以铝、银、铜、锰和镍为基的钎料应用最广。铝基钎料常用于铝制品钎焊。银基、铜基钎料常用于铜、铁零件的钎焊。锰基和镍基钎料多用来焊接在高温下工作的不锈钢、耐热钢和高温合金等零件。焊接铍、钛、锆等难熔金属、石墨和陶瓷等材料则常用钯基、锆基和钛基等钎料。选用钎料时要考虑母材的特点和对接头性能的要求。硬钎焊钎剂通常由碱金属和重金属的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸盐等组成，可制成粉状、糊状和液状。在有些钎料中还加入锂、硼和磷，以增强其去除氧化膜和润湿的能力。焊后钎剂残渣用温水、柠檬酸或草酸清洗干净。 方法 钎焊常用的工艺方法较多，主要是按使用的设备和工作原理区分的。如按热源区分则有红外、电子束、激光、等离子、辉光放电钎焊等；按工作过程分有接触反应钎焊和扩散钎焊等。接触反应钎焊是利用钎料与母材反应生成液相填充接头间隙。扩散钎焊是增加保温扩散时间，使焊缝与母材充分均匀化，从而获得与母材性能相同的接头。 烙铁钎焊 用于细小简单或很薄零件的软钎焊。 波峰钎焊 用于大批量印刷电路板和电子元件的组装焊接。施焊时,250左右的熔融焊锡在泵的压力下通过窄缝形成波峰，工件经过波峰实现焊接。这种方法生产率高，可在流水线上实现自动化生产。 同时加热焊接。这种方法适用于自行车架、铝水壶嘴等中、小件的焊接。 浸沾钎焊 将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于大批量生产和大型构件的焊接。盐浴槽中的盐多由钎剂组成。焊后工件上常残存大量的钎剂，清洗工作量大。 感应钎焊 利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适合于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别适用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的焊接。 炉中钎焊 将装配好钎料的工件放在炉中进行加热焊接，常需要加钎剂，也可用还原性气体或惰性气体保护，加热比较均匀。大批量生产时可采用连续式炉。 真空钎焊 工件加热在真空室内进行，主要用于要求质量高的产品和易氧化材料的焊接。综合介绍了国内外各种换热器的类型及其焊接工艺的最新发展,并就各自的焊接工艺的特点、应用情况及发展前景进行了分析与总结。换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业的一种通用设备。按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式换热器。而板型换热器可分为螺旋型板式换热器、板式换热器和板翅式、板壳式换热器。其他形式的换热器是为了某一特殊的要求而出现的换热器,如回转式换热器、热管等。换热器是一种压力容器,对焊接质量的要求很高。随着换热器应用的推广,其材料的日新月异,对焊接也提出了更高的要求。板翅式换热器首先应用在航空和汽车行业,现在空分设备绝大多数采用板翅式换热器。其历史可以追溯到上个世纪30年代,由英国马尔斯顿.艾克歇尔瑟公司生产出了第一台铜质钎焊的板翅式换热器,40年代出现了铝质钎焊的板翅式换热器,50年代开始应用于空分装置,而我国是60年代开始研制的。目前,就板翅式换热器而言,基本上全部采用铝合金制造,主要由封头和芯子组成。封头由502即02制造,芯子由321即21制造。封头和芯子之间根据顾客需要采用法兰连接或焊接。如果采用法兰连接还要添加垫子,由石棉橡胶制成,防止渗漏,要注意跑、冒、滴、漏的发生。由于铝具有良好的低温韧性,故空分装置,绝大多数采用铝制板翅式换热器。但由于其承受压力不高,且受钎焊炉的尺寸的限制,板翅式单元尺寸不能做的太大,故只有在高压或特大容量的空分设备换热器的选型中,才有考虑采用其他类型换热器,当然也可以采用拼接的办法将几个小的换热器组装成一个大的换热器。其适用范围一般在250以下这是因为铝的熔点比较底,温度再高其强度得不到保证。设计换热器时,翅片的选择也非常重要。对于换热器而言,在满足顾客要求的情况下,压降越低越好。这样能减少能耗,降低运行成本。对于油-气系统,其压降一般为0.1,气-气系统,其压降0.01。工程机械中的换热器,其介质为油-气,用多孔的翅片形式比较好,因为如果用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相应的阻力也大,在进行水压试验时,容易出现换热器涨破的现象,质量得不到保证。封头一般采用氩狐焊,可以是手工的,也可以是半自动的;其芯子部分采用真空钎焊,改变了传统的由盐浴的老工艺。克服了容易局部脱焊,污染严重的缺点,真空钎焊能精确控制温度,加热均匀,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高,成为目前国内厂家的首选。不同的厂家,由于设备、资金、人力的不同,因而翅片类型也不一样,一般有波纹的、锯齿的、多孔的、平直的等等。国内厂家可分为三个类型和层次,一类是国有大中型企业,如河南开封空分设备厂,杭州制氧机厂、兰州石油机械研究所。他们曾为我国换热器的国产化,作出了突出贡献.并研制开发了具有独立自主产权的换热器,打破了我国换热器长期依赖进口的局面,填补了我国在这这一领域的空白。第二类是随着改革开放的深入,在东南一些发达的省份,如江苏、浙江,山东,其乡镇企业发达,数量众多,成为生产换热器的一支生力军。其一开始是为主机公司生产配件,其技术也源于主机厂,到后来成为其竞争的对手,通过聘用离、退休人员,来加强自己的技术力量。这类厂子规模从数十人到数百人不等,通常以一个村为单位。第三类,就是从乡镇企业分流出去的一部分人,他们要么有技术,要么有资金,要么有市场,自己创办的私营企业。他们由于规模较小,往往能够为顾客量体裁衣,也赢得了一定的市场份额,从而稳步发展。同一类产品在国外,如英格索兰、阿特拉斯、舒瑞浦,瑞典的阿法拉伐。而对石油工业中某些大型、高压、有相变的多股流板翅式换热器的设计、制造,由于过去这些大型石化设备基本上都是进口,国内行业没有机遇进行研制,所以这方面有待于研发。1878年德国人发明了板式换热器,经过一个多世纪的发展,已经得到了广泛的应用和推广,成为紧凑、高效的换热设备之一,与螺旋板式和板翅式共称为紧凑式换热器。板式换热器由薄金属片压制组装而成,按其板片材质的不同,可以分为铜、不锈钢、镍、石墨。按拆装方式分可以分为可拆卸式、半焊接式、全焊接式、双壁式、大间隙式板式换热器等类型。上世纪七十年代末期,阿法拉伐发明了铜钎焊板式换热器,为暖通空调及制冷的设计理念带来了一场革命,在那以后,铜钎焊板式换热器得到迅猛的发展,以其高效、紧凑和密封迅速占领了许多传统换热器的领地。但在其发展过程中,也遇到了禁区。作为他的替代物,镍钎焊板式换热器诞生了。但由于镍与不锈钢的亲和性远不如铜,因此镍钎焊板式换热器承压较低,在高压或温度波动时寿命较短,应用受到制约。且镍钎焊成本高,加工困难,始终未成为主流。现有的激光焊接板式换热器有很好的性能(尤其是阿法拉伐的激光半焊式换热器优异的抗冻性能),然而在小负荷的情况下,由于其加工成本高,不具有适用性。目前,在汽车、柴油机行业,用不锈钢板式换热器比较多,冷却介质为水,以全钎焊式为主,采用真空钎焊,质量比较好,更换率低。就单板面积而言,国外的面积比较国内的大。设计压力也比国内较大。目前国内厂家设计换热器流行的方法是对数平均温差法和法。在计算机没有普及的时候,各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前,越来越多的厂家采用计算机计算,这样,板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。目前还出现了一种新型复合流程系列换热设备。此系列换热器专门用来处理对密封垫有侵蚀性的介质。双板的组合体由激光焊接(或普通焊接)的通道和传统的垫片通道相间组成.侵蚀性的介质流入焊接的通道内,与一对焊接板板间的两个圆形孔道垫片相接触.这些孔道垫片由非常耐久的人造橡胶或其它如等非弹性材料制造,非侵蚀性介质以传统的橡胶垫片双壁板式换热器适用于两种换热介质互混后会发生有害的反应情况,以双板代替单板。双板之上穿孔会使介质漏到板间中,从而在板间中流出外面。两种介质保证无法互混。对于多管式热交换器,双路中间冷却器,间接加热式线圈等所适用的场合都适用于双板式热交换器。其用途广泛,如变压器油的冷却、饮料的加热、化学、生物学、食品、医药等各种场合密封.这种换热器可适用于用氨作为冷却剂的冷冻机,溶可适用于温度和压力有激烈变化的高温高压过程及对密封垫有侵蚀的流体.其用途广泛,例如:重复加热、冷却多种化学物质的化学工厂及医药品工厂,还有石油、瓦斯精制工厂的加热、冷却、凝聚、蒸发。采用耐腐蚀性高的石墨替代金属,可达到优异的耐腐蚀性.对于一般金属材料不能适应的介质,如盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸等,石墨板式换热器的效率比其它形式的石墨换热器效率大幅度提高,而且使用于高温高压下操作.针对有些流体含有纤维或小颗粒以及高粘度的特点,而开发出来的热交换器,适用于制糖、发酵、酒精、造纸、纸浆工业。大间隙板式换热器提供畅通的通道进行热交换,可保证流体达到高紊流性和高传热效率。这种换热器的使用时间及两次清洗间隔的时间都比管壳式换热器的更长。同时,板的表面也很容易人工清洗。板式蒸发器/冷凝器是唯一能将蒸发器和冷凝器两种工况结合在一个换热器完成的。它是由一组激光焊接和传统的垫片密封通道交替组成。特点是通道宽,蒸汽角孔大,可养活压力降,适合真空和低压蒸发及冷凝。除用于糖液的浓缩外,其用途范围还包括酒精的蒸发,沉淀物的浓缩等。可在食品、医药行业时里用于流体的加热和冷却。其框架和接管可根据工艺流程的需要被设计成多种流体在一台换热器内运行。换热器的每个零部件,包括橡胶密封垫都严格按食品卫生的标准精心制作。另外它还可根据用户的要求加盖保护板、保护套、3要求抛光等等。1930年瑞典“”公司首先提出了螺旋板式换热器的的结构,并很快投入了生产。以后西方各国相继设计了制造了同类产品。我国是在二战后50年代开始在化工领域内使用螺旋板式换热器,并进行了仿照。管式换热器是一种传统的标准换热设备而在许多工业部门得到保证。特点是适应性强、清洗方便、生产成本低、选材广。材料为低碳钢、低合金钢以及不锈钢。有的为了降低成本,且满足顾客对耐蚀性的要求,换热管采用不锈钢,而筒体采用碳钢,达到了降本增效的目的。随着微型加工技术的发展,微型换热器也得到了迅猛的发展。由于微型换热器占地面积小,传热特性好,效率高。微型换热器可用于液-液、气-气、气-液等多相体系。奥大利压的公司在1986年开发了印刷线路板式换热器,这是第一个推向市场成为产品换热器。美国也已研制了冷却通道宽25,200导热片厚度为15的微型换热器,设计能承受的局部热量大于1/,固定面与工作液体之间的温差为1020,可用于卫星的温度控制系统。1999年7月,美国哥伦比亚号航天飞机携带了30个这样的微型换热器。为连续、高速检测提供了可靠的保证。由于现代社会快速发展,对能源的需求越来越多,而一直作为主流的石化能源是不可再生资源,在造成了人类生存环境的极大污染的同时也在加速着自身的枯竭。热能是能源的主要表达形式之一。在热能利用中,约有80%通过换热器转化为不同用途。如果能提高换热器的传热效率,将大大提高能源利用率。换热器在我国有着广阔的市场。仅山东省每年的换热器生产就有5万台左右,但这些类型的换热器不仅缺乏技术上的创新,也缺乏常规产品的自主知识产权。在一些应用性技术中,我国与国际先进水平相比有很大的差距,以化工换热设备传热系数进行比较,我国目前设备的传热系数一般只及国外发达国家同类设备的1/51/2。因此在加强传热学方面的研究外,主要要考虑从生产制造方面提高产品的质量。(1)材料方面.在满足顾客要求的同时,选用合适的材料,最大限度的保证强度和传热系数。也就是说,要选择传热性好的材料,要敢于尝试新的材料。要对产品进行可追溯性的记录。(2)制造方面,选择优良的工艺方法,保证产品和图纸一致,能够最大限度的体现设计的优势。工艺要分出主次,根据产品的重要程度选择恰当的工艺,保证每一道工序,最终提高整个产品的性能和寿命。在焊接之前,母材要注意清洗干净,不得有油污、铁锈、氧化物,如果有,一定要打磨清洗干净。焊条要烘干,不用时放在保温箱中保存。一定要根据材质制定恰当的工艺,必要时,先进行试制,试制工艺,时间不能超过三个月,当合格后,要组织相关人员进行工艺验证,验证合格后,试制工艺才能转变为正式的工艺文件。(3)要有质量意识。要使质量理论深入人心,让每个人都参与到质量管理的行列中来,把被动转化成一种主动。随着产品的国际化的增强,各个厂家都非常重视质量问题,通用的采用9001认证,使得产品质量得到有效的控制。随着焊接技术的快速发展,换热器的质量也得到飞速的发展。采用自动生产线,不仅效率得到大大提高,而且焊缝成型美观,质量有保证,焊接接头少,焊缝宽度均匀,减少了工人的劳动,提高了工人的健康水平。(4)生产过程要有记录,作好数据分析和控制,保持产品的可追溯性。据统计表明,我国焊接工作量已达到世界焊接强国的水平1,而焊接技术与世界发达国家还存在着很大的差距。因此,在我国,焊接技术发展的空间还很大,需要锲而不舍的努力。因此,提高焊接生产效率和焊接质量,减少焊接缺陷存在的高效焊接方法和科学的焊接工艺是我们追求的目标。目前大量高效焊接方法和不同焊接工艺的组合都已应用于换热器的生产过程中,一方面是为了降低焊接成本,另一方面提高了效率,改善了职工的劳动条件,使得企业的技术提高了一个层次。但一味的提高效率、提高熔敷速度意味着热输入的增加,对于采用单一电弧焊接而言,为了防止由于热输入增加而引起的焊接变形,一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷,应用双弧焊可避免上述缺陷的产生5。目前,从国内外对双弧焊接工艺方法研究的现状来看,按电弧的种类与位置来分,其研究主要集中在三个方面:单面双弧焊、复合双弧焊、双面双弧焊。因此,焊接技术的发展推动了换热器的工艺更新换代,同时,换热器的发展也对焊接提出了更高的要求一设计任务和设计条件 反应器的混合气体经与进料物流患热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301/h，压力为6.9MPa ,循环冷却水的压力为0.4MPa ，循环水的入口温度为29，出口温度为39 ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 物性特征： 混和气体在35下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =3.297kj/kg 热导率 =0.0279w/m 粘度 循环水在34 下的物性数据： 密度 =994.3/m3 定压比热容 =4.174kj/kg 热导率 =0.624w/m 粘度 二 确定设计方案 口温度为39，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低1 选择换热器的类型 两流体温的变化情况：热流体进口温度110 出口温度60；冷流体进口温度29，出，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 2 管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。三 确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 T= =85 管程流体的定性温度为 t= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。 混和气体在35下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =3.297kj/kg 热导率 =0.0279w/m 粘度 =1.510-5Pas 循环水在34 下的物性数据： 密度 =994.3/m3 定压比热容 =4.174kj/kg 热导率 =0.624w/m 粘度 =0.74210-3Pas 四 估算传热面积 1 热流量 Q1= =2273013.297(110-60)=3.75107kj/h =10416.66kw 2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 = 3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(k)则估算的传热面积为 Ap= 4.冷却水用量 m=五 工艺结构尺寸 1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。 2管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns= 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为 Np= 传热管总根数 Nt=6122=1224 3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b）有 R= P= 按单壳程，双管程结构，查图3-9得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。见图3-13。 取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532 隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22 各程相邻管的管心距为44。 管数的分成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。 5壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为 D=1.05t 按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm 6折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 H=0.251400=350m，故可 取h=350mm 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.31400=420mm，可取B为450mm。 折流板数目NB= 折流板圆缺面水平装配，见图3-15。 7其他附件 拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于10。 壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。 8接管 壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为300mm。 管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为 圆整后去管内径为360mm 六 换热器核算 1 热流量核算 （1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式（3-22） 当量直径，依式（3-23b）得 = 壳程流通截面积，依式3-25 得 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 按式3-32和式3-33有 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 按表3-10，可取 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按式3-34计算，依表3-14，碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以 （4） 传热系数 依式3-21有 （5）传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积Ac为 该换热器的实际传热面积为Ap 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2 壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为39计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污