传热、换热器

1、单元操作和单元设备（二）传热及换热器传热及换热器一、概述 传热过程总是热量从温度高的物体传给温度低的物体，热量从热流体传给壁面，壁面再传给冷流体。 几乎所有的化工过程都伴有传热操作、进行传热的目的通常是： a、加热或冷却，使物料达到指定的温度。 b、换热以回收热量或冷量 c、保温以减少热量或冷量的损失 化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、蒸发、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为换热过程。传热过程的进行需要一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备。因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持反应的连续进行，就必须

2、排除多余的热 量或补充所需的热量；工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用，以降低成本。以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗。综上所述，换热设备是化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。二、传热1、传热的冷热流体的接触方式冷、热流体的接触方式可分为三种基本方式，每种接触方式所使用到的换热设备结构也迥然不同。 a、直接接触式传热 b、间壁式传热 多数情况下。工艺上不允许冷热流体直接接触故直接接触

3、式在工业上运用的不是很多，运用最多的是间壁式传热过程，如套管式、固定管板式等等 c、蓄热式传热 给热、传热？2、载热体 将冷流体加热或热流体冷却，必须用一种流体供给或取走热量，此流体称作载热体。起加热作用的称作加热剂，起冷却作用的称作冷却剂 常见的有; 加热剂：热水、饱和蒸汽？、矿物油、熔盐等等 冷却剂：水、空气、冷冻盐水、制冷剂 3、传热过程的基本方程式Q=KAt式中： Q传热热量 K传热系数 A传热面积 t平均温差3.1总传热系数h0、hi：管外、内传热膜系数r0、ri：管外、内污垢热阻d0、di：管外、内径avwiiiiddrddrrddhhK00000111wwwlrDav：管平均直径

4、Rw：管壁热阻w：管材料热导率Lw：壁厚3.2平均温差1212lntttttm4、换热调节Q=KAt K：增大流量、除垢 A：设备定型，一般不调节;?t：降低冷剂温度或升高热剂温度，并流改逆流,?二、换热设备换热设备的分类方法很多，现将几种常见的分类方法介绍如下：1、按用途分类：分为热交换器、冷凝器、蒸发器、加热器及冷却器等五类。1）热交换器：两种不同温度的介质进行热量交换，使一种介质降温而另一种介质升温，以满足各自的需要。2）冷凝器：两种不同温度的介质进行热量交换，其中一种介质由汽态被冷凝成液态。3）蒸发器：与冷凝器的操作刚好相反，两种 介质中的一种介质由液体被蒸发成汽体。4）加热器：只单纯

5、的完成一种介质的加热升温的操作。5）冷却器：如果热量不回收利用，完成用冷却剂（如水、空气）来冷却另外一种介质的操作的换热器称为冷却器。如用空气作为冷却剂的换热器称为空气冷却器，简称空冷器。2、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。3、按结构分类：分为管壳式换热器和板式换热器。1）管壳式换热器：特点是圆形的外壳中装有管束。一种介质流经换热管内的通道及其相贯通部分（称为壳程）。它可分为:浮头式换热器、U型管式换热器、套管式换热器、固定管板式换热器等。2）板式换热器：它是由压成各种形状的薄板组成传热面的，冷、热两种介质分别在相邻两板之间流动。常见的板式换热器有平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板

6、式换热器及板壳式换热器。1、套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成，在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大，另外，两种流体为逆流，平均温差较大。套管换热器结构简单，同时具备传热系数大、传热推动力大的优点。2、管壳式换热器、管壳式换热器 主要由壳体、管束、管板和封头（管箱）组成。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，称其行程为管程；一种在关外流动，其行程成为壳程。管束壁面即为传热面。冷溶液进 冷溶液出 热溶液进2.1固定管板式换热器这类换热器的结构简单，重量轻，造价较低，在相同的壳层情况下，可

7、较其他型式的列管换热器多排一些传热管子。但是壳体与管层之间的流体的温差不能太大，因温差太大时，会产生较大的热应力，使管子与管板结合处松脱而产生泄漏。此外这类换热器因管板是固定的，所以在检修，更换管子或清洗壳层时，都比较困难。此换热器适用于壳程介质不易结垢，或是有结垢但可进行化学清洗的场合；壳壁与管壁因温度差而引起的膨胀量之差不大的场合。膨胀差虽大但壳程压力不高的情况下，可以做膨胀节以减小热应力。盖 （ 或 底 ） ； 2 管 板 ； 3 管 子 ； 4 外 壳 ； 5 法 兰 ； 6， 7 连 接 管 ； 8 支 座 ； 9 折 流 板2.2浮头式换热器 浮头式换热器的一端管板是固定的。与壳体

8、刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连。活动管板一侧总称为浮头，浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行管间机械清洗故管外壁清洗方便。管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构复杂、造价高，且浮头处若密封不严会造成两种流体混合。浮头式换热器适用于冷热流体温差较大（冷流进口与热流进口温差可达100以上），介质易结垢需要清洗的场合。内浮头结构限制了使用压力和温度,故一般情况其使用限制为Pmax6.4 MPa; Tmax400（450），对于大直（DN1200mm），而压力又较高时，浮头端密封结构的设计和制造尤其是浮头内螺柱热松弛始终是个难题

9、，而对壳程为加热介质时，更为突出 。2.3 U型管式换热器这种换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作为U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起。这种只有一块管板，法兰数量也少，故结构简单、泄漏点少，管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小Rmin，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。它适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不易结垢的高温、高压流体的场合。2.4管壳式换热器的主要组合部件管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体和后端结构（包括管束）三部分，详细分类以

10、及代号（英文字母）如下所示：折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘圆环形平板，如图所示。安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果， 换热管及在管板上的排列换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结垢紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换

11、热管为：碳钢、低合金钢管有192、 252.5、 383、 573.5；不锈钢管有252、 382.5。在相同的传热面积的情况下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，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。如图所示。三角形排管多，结构紧凑，但管外清洗不方便；正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。管板及换热管的连接管板一般采用圆

12、形平板，在板上开孔并装设换热管，在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。管板还起分隔管程和壳程空间，避免冷热流体混合的作用。管板与换热管间可采用胀接、焊接或二者并用的连接方式。管板与换热管的胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差（选材时管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在胀管器的作用下直径扩大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，在胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表面紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图所示。胀接连接结构简单、便于管子更换与修补，但不宜在高温、高压下工作。随着温度和压力增高，胀接的密封性和牢固性将逐渐下降。焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，这种连

13、接形式工艺简单、不受管子与管板材料硬度的限制，而且在高温、高压下仍能保持良好的连接密封性和牢固性，所以在高温、高压下甚至某些压力并不太高的场合都使用焊接连接，如图所示。焊接连接的缺点是只在管子端部与管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁与管板之间存在环行间隙，在这些间隙中流体不流动，及易造成“间隙腐蚀”，为消除间隙可采用胀接和焊接并用的连接方式。壳体及管板的连接管壳式换热器的壳体都是圆筒形的，直径较小时用无缝钢管制作，直径较大时用钢板卷制焊接而成；壳体所用材料及要求与一般的压力容器相同。不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同，在固定管板式换热器中，两端管板均与壳体采用焊接连接，

14、这种连接称为管板与壳体的不可拆连接；根据管板是否兼作法兰其结构不用，如图所示，多数情况下采用管板兼作法兰的结构。在浮头式、U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修，如图所示。管箱管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱结构如图所示，其中图（a）适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便；图（b）在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多；图（c）是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。三、管壳式换热器流体通过管程或壳程的选择管壳式换热器流体通过管程或壳程的选择流体经过换热器时应走管程还是走壳程，需要考虑多方面因素，不能提出一定的规则。但总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫。腐蚀性介质走管程，以免使管