热交换器设计选型

1、l1. 简介l 作用：用来实现热量的传递，作用：用来实现热量的传递，使热量由高温流体传递给低使热量由高温流体传递给低温流体。温流体。地位：在炼油厂，用于换热设地位：在炼油厂，用于换热设备的费用约占总费用的备的费用约占总费用的35354040，在化工厂约占总费用，在化工厂约占总费用的的10102020。l换热设备是石油、化工生产中普遍应用的典型的工艺设备，也是应用最为广泛的单元操作设备之一，其它如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用。l 在石油化工工艺过程中，换热设备通常以不同的种类和型式出现，它们可以是加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器、余热锅炉等。l 在 完 成

2、 热 量 传 递 的 同时换热设备还可以在生产工艺流程中起到不同的作用。l 例如控制介质的温度(加热器、冷却器、余热锅炉等)；l 控制介质的压力(冷凝器、再沸器、蒸发器等)；l 控制介质汽化的流量(蒸发器、再沸器等)；控制介质冷凝的流量(冷凝器、冷凝冷却器等)。l 在石油化工的许多生产操作中部无一例外地必须应用换热设备，如气体压缩输送的冷却、液体原料贮路的防止凝固、反应过程的冷却或加热、分离设备的汽化或冷凝、直至循环水的降温、环境温度的控制等等。l 总之，在石油化工生产中换热设备的应用最为广泛。l（1）需求量大：近三十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，换热设备的需求量随之增大，换热技术亦获

3、得迅速发展。l（2）种类繁多：随着石油化学工业的迅速发展，换热设各种类繁多，而且新型结构也不断出现。l（3）随着石油、化工装置的大型化，换热设备正朝着强化传热、高效紧凑、降低热阻以及防止流体诱导振动等方向发展。l 主要介绍目前广泛应用且量多面广的钢制管壳式换热器，而对其它型式的换热器只作一定篇幅的介绍。 l 换热设备有不同的分类方法，而最常用的是根据作用原理或传热方式来区分的。 l直接接触式换热器（或混合式换热器） l蓄热式换热器（或回热式换热器） l间壁式换热器（表面式换热器） l中间载热体式换热器l 它是让两种流体（冷流体和热流体）直接接触与混合进行热量的交换。最常见到如凉水塔、气液混合式

4、冷凝器等等。l优点：这类换热器传热效率高，单位容积提供的传热面积大，设备结构简单、价格便宜，在石油化工厂中也常见应用。l缺点：仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。l为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板。通常采用塔形结构。下图为板式冷却塔的示意图。 它是借助于固体（固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体或冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。 在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换

5、热器。 这种蓄热式换热器主要用于废气温度很高而需要预热空气的场合，石油化工厂也有用其作为裂解炉的。由此难免存在着一小部分流体相互掺和的现象，必须注意可能造成流体的“污染”问题，由此而可能带来的安全问题必须有相应的技术措施。图82为蓄热式换热器示意图。 l蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适合用于气一气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。 l 间壁式换热器（表面式换热器）是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。l 间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热

6、器和板式换热器都属于间壁式换热器。l 此类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。 l管式换热器（蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器）l板式换热器 l其它形式：石墨换热器、聚四氟乙烯、热管换热器l 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

7、前使用最广泛的一类换热器。l蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如螺旋形和长的蛇形等。它是最早出现的一种换热设备，具有结构简方便等优点。 l沉浸式蛇管换热器l喷淋式蛇管换热器 l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。l优点：结构简单、造价低廉、操作敏感性较小，管子可承担较大的流体介质压力。常用于高压流体的冷却，以及反应器的元件。l缺点：管外流体的流速小，传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。 l将蛇管成排地固定在钢架上，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。l优点：管外流体的传热系数大，且便于检

8、修和清洗。l缺点：体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。l 它是由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将它们连接成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元，换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管之间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流方式进行换热。两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。 l优点：结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；l缺点：是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。l套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场

9、合。 l 这类换热器是目前应用最为广泛的换热设备。 l螺旋板式换热器l板式换热器l板翅式换热器l板壳式换热器l伞板式换热器l特点：结构紧凑、传热面积为管壳式换热器的23倍，传热效率比管壳式换热器高50100%，制造简单，流体单通道螺旋流动，由自刷作用，不易结垢，可呈全逆流流动，传热温差小。l应用：l适用于液液、气液流体换热，对于高粘度流体的加热或冷却、含有固体颗粒的悬浮液的换热。l板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片和密封垫片以及压紧装置组成，其结构类似板框压滤机。板片表面通常压制成为波纹形或槽形，以增板的刚度，增大流体的湍流程度，提高传热效率。两相邻板片的边缘用垫片夹紧，以防止流体泄漏，

10、起到密封作用，同时也使板与板之间形成一定间隙，构成板片间流体的通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片传热。l优点：l板片间流通的当量直径小，板形波纹使截面变化复杂，流体的扰动作用激化，在较低流速下即可达到湍流，具有较高的传热效率。同时板式换热器还具有结构紧凑、使用灵活、清洗和维修方便、能精确控制换 热温度等优点，应用范围十分广泛。l缺点：l密封周边太长，渗漏的可能性大，承压能力低，使用温度受密封垫片材料耐热性能的限制不易过高，流道狭窄，易堵塞，处理量小，流动阻力大。l l优点：l传热效率高，传热系数比管壳式换热器大310倍。l结构紧凑、轻巧，单位体积内的传热面积约为管壳式换热器的十几倍到

11、几十倍，而相同条件下换热器的重量只有管壳式换热器的1065%。l缺点：l结构复杂，造价高，流道小，易堵塞，不易清洗，难以检修。l应用：l使用范围广。l可作气气，气液和液液的热交换。l适用于多种流体在同一设备中操作。l特别适用于低温或超低温的场合。l特点：l具有管壳式换热器和板式换热器两者的特点。l结构紧凑，单位体积包含的换热面积比管壳式换热器增加70%，传热效率高，压力降小。较好地解决了耐温、耐压、抗压与高效率的矛盾，容易清洗。l缺点：焊接技术要求高。l应用：常用于加热、冷却、蒸发、冷凝等过程。l伞板式换热器是中国独创的新型高校换热器。l结构：由伞形传热片、异形垫片、端盖和进出口接管等组成。l

12、优点：制造成本低，结构稳定、紧凑，板片间容易密封。传热效率高，易拆卸。l缺点：流道较小，容易堵塞，不易处理较脏介质。l这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足工艺特殊要求而设计的.l石墨换热器l聚四氟乙烯换热器l热管换热器l回转式换热器l它是一种用不渗透性石墨制造的换热器。l优点：（1）石墨具有优良的物理性能和化学稳定性。除了强氧化性酸以外，几乎可以处理一切酸、碱、无机盐溶液和有机物。（2）石墨的线膨胀系数小、导热系数高，不易结垢。因而石墨换热器具有良好的耐腐蚀性和传热性能，将它用于腐蚀性强的液体和气体场合，最能发挥它的优越性。l缺点：石墨的抗拉和抗弯强度较低，易脆裂，在结构设计中

13、应尽量采用实体块，以避免石墨件受拉伸和弯曲，同时，应在受压缩的条件下装配石墨件，以充分发挥它抗压强度高的特点。此外，换热器的通道走向必须符合石墨的各向异性所带来的最佳导热方向。根据这些情况，石墨换热器有管壳式、块式和板式等多种形式，其中尤以管壳式和块式更为目前所广泛采用。 l 它是最近十余年所发展起来的一种新型耐腐蚀的换热器。l主要的结构形式：管壳式和沉浸式两种。l优点：聚四氟乙烯耐腐蚀、不生锈、能制成小口径薄壁软管，因而可使换热器具有结构紧凑、耐腐蚀等。l缺点：是机械强度和导热性能较差，故使用温度一般不超过150C ，使用压力不超过l.5MPa .l 热管换热器由壳体、热管和隔板组成。l热管

14、作为主要传热元件，是一种具有高导热性能的新型传热元件。热管是一根密闭的金属管子，管子内部有用特定材料制的多孔毛细结构和载热介质。当管子在加热区加热时，介质从毛细结构中蒸发出来，带着所吸取的潜热，通过输送区沿温度降低的方向流动，在冷凝区遇到冷表面后冷凝，并放出潜热，冷凝后的载热介质通过它在毛细结构中的表面张力作用，重新返回加热区，如此往复循环，连续不断地把热端的热量传送到冷端。l热管换热器的主要特点：结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的温差下，具有极高的传热能力；通过材料的适当选择和组合，可用于大幅度的温度范围，如从-2002000的温度范围内均可应用；且一般没有运动部件，操作无声，不需要维护，

15、寿命长；输热效率高，其效率可达到90。l 热管换热器结构形式复杂多变，用途广泛，如用作传送热量、保持恒温、当作热流间和热流转换器等，特别适用于工业尾气余热回收的换热设备。l固定管板式换热器：壳体和管束的壁温相差较大时，会产生加大的热应力。lU形管式换热器：壳体和管束的壁温相差较大时，不会产生加大的热应力。l浮头式换热器：（同上）l填料函式换热器：（同上）l釜式重沸器（固定管板式、U形管式、浮头式）l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。l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。l应用：l这种换热器适

16、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膨胀节、挠性管板等人来吸收热膨胀差。 l特点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力；l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。l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。 l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。 l 优点：U形管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强。l缺

17、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。l应用：l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。l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。l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。l优点：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