各种类新换热器简介

1、各种类新换热器简介第一页，共51页。 解释说明思路：一.换热器的概念二.工作原理三.换热器机械结构形式四.其他形式第二页，共51页。一.换热器的概念： 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,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.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,应用更加广泛。换热设备因其用途不同，类型繁多，性能不一，但均可归结为管壳式结构和板式结构两大类。 第三页，共51页。二. 工作原理 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。

2、让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器 。 三.机械结构形式 换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。第四页，共51页。1.管壳式概念： 管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成， 冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。通常管壳式换热器的工作压力可达4 兆帕， 工作温度在200以下， 在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体

3、直径在1800mm 以下，管子长度在9m 以下,在个别情况下也有更大或更长的。特点： 管壳式换热器操作适应性广,坚固耐用,可处理壳程压力30MPa 、管程压力65MPa 以下以及温度为- 196 + 600 的物料,采用特殊设计或材料,其操作范围还可扩大。第五页，共51页。类型： 管壳式换热器又可分为固定管板式、U形管式、浮头式及填料函式，管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。 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

4、间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。 第六页，共51页。 结构： 管壳式换热器由壳体、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。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方

5、便，适用于易结垢的流体。 第七页，共51页。换热管： 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 换热管是管壳式换热器的传热元件,采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的换热管有以下几种。 (1) 螺纹管 (2) T 形翅片管 (3) 表面多孔管 (4)

6、螺旋槽纹管 (5) 波纹管第八页，共51页。图示（管板式）：第九页，共51页。管壳式换热器的制造： 氯气过热器是造纸碱回收生产中的设备之一, 用来实现物料之间的热量交换。该过热器为一管壳式换热器, 管束材料为NCu30, 介质 为氯气。由于其接触腐蚀性介质的面积很大, 因此对设备的耐腐蚀性要求很高。下面将兰州节能环保工程有限公司制造氯气过热器的工艺介绍如下。氯气过热器由管程和壳程两部分组成, 见图1。第十页，共51页。主要材料的化学成分及机械性能如表2 所示三种换热器综合性能对比 3 种换热器综合对比见表1 ,表中紧凑性是换热器总传热面积与其体积的比值,该值越大占地面积越小。经济性是指单位传热

7、面积的金属耗量,该值越小造价越低。价格比指相同工况和材料下的相对价格比,并以固定管板作为基数。表中换热器采用公称压力2. 5MPa ,6 000 mm 管长作对比。第十一页，共51页。 在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,U 形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、U 形管式、浮头式。第十二页，共51页。参考文献1.浅谈管壳式换热器科技信息2001.52. 管壳式换热器的制造化工装备技术第 25 卷第2 期2004 年3.管壳式换热器结构型式及经济性比较石油化工设备第32卷第2期2001年第十三页，共51页。2.板式

8、类型： 板式换热器又分为螺旋板式、板片式和板翅式三种，板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。 第十四页，共51页。 结构： 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。 板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。 框

9、架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。 板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。第十五页，共51页。特点： 1.与管壳式相比,尽管其压降很大,但由于液体在凹凸的板面上流动,二流道反复膨胀收缩,使其在相同芽茶下具有较高的传热效率.其临界Re仅为10-400，这与板表面结构有关。 因此，流体黏度小于Pa且在低Re下操作时，板式换热器以多半在湍流下运行。 2.传热膜系数要比管壳式高2-4倍，还可实现理想的逆流换热，有效对数平均温差比管壳式为高，对数平均温度差校正系数接近0.95，而管壳式通常要低于0.80。第十六页，共51页。 3.占地面

10、积比管壳式小，可适应热载荷变化，传热板片可随时检查，清洗和更换。 4.板片是由金属薄板冷却而成，因此可用热加工不好的材料制造：板片厚度一般为，比管壳式要小一倍，因而其热阻较低，所需传热温差小，可实现二流体温度相近的患热状态和低品位热量回收。第十七页，共51页。 应用： 板式换热器适用于无相变的液液传热，也可用于冷凝，对于板式冷湿器只是将其角孔放大，以适合较大的汽相流量，其传热板的波纹要适合冷凝液的流通。但对于流量大的低密度的气气和蒸汽冷凝，需要有很大的板片进出空流到孔口，因而在使用上受到了限制，用于蒸发操作的板式换热器，其板片结构完全不同。 板式换热器在20世纪20年代开始应用于食品行业。60

11、年代末，英国APV公司首先将其推广应用于。据APV公司报道，现已在200多各领域得到广泛应用，单片浓硫酸的冷却最大面积3.63m，但台最大组装面积274m，角孔最大直径400mm，最大压力.5MPa。最大流量0.75m/s，最高使用温度175C。第十八页，共51页。示图（板式）：第十九页，共51页。 设备堵塞与结垢1 堵塞 板式换热器的流道间隙较小（2.5-6mm） ， 直径大于1.53mm的颗粒杂物容易阻塞板片通道， 使设备的压力降急剧恶化， 导致设备因堵塞而换热能力大幅降低， 严重的造成装置连续生产中断。因为循环水中杂质较多， 同类装置E208/E209 曾经多次堵塞， 从而造成 装置频繁

12、停工， 给企业经济效益带来一定的影响。后来， 在E208/E209 前增加了易拆清的过滤器， 保证E208/E209 的长周期运行。所以根据需要可在介质的进口处设置粗过滤器或反冲洗装置， 能有效的防止板式换热器的堵塞。第二十页，共51页。2 结垢 结垢可导致传热设备的传热系数降低，严重时还会堵塞板片通道。板式换热器的板片设计有大量的支承点，旨在对介质起扰流（ 使介质紊流以提高传热系数） 和承压支承作用， 是固体杂物和纤维容易集聚的地方， 其副作用是使流体形成了局部的滞流而生成污垢积瘤， 介质中的钙镁离子在适宜的温度析出后很容易在积瘤上附着长大，形成蜂窝状的垢样。堵塞与结垢在成因上虽然不同， 但

13、在板式换热器上的影响现象是相同的。可采有以下对策缓解结构问题： （1 ） 板式换热器不宜用在较脏或易的环境（2 ）使用未经软化的冷却水作冷却介质时， 操作温度应控制在50左右或者更低，以避开介质中钙镁离子析出的敏感温度。第二十一页，共51页。各种因素对板式换热器的影响1. 压力影响 可拆卸板式换热器在额定工作压力之内使用时出现泄漏， 除设备在制造装配方面的质量因素外， 主要与系统中出现的非正常冲击载荷有关（ 水锤、气锤） ，这是一般操作者不易观察到的现象。冲击所造成的瞬间压力峰值往往比正常的工作压力高出13 倍， 使安装在板式换热器中的橡胶密封垫移位， 导致密封失效。由于该种设备的传热元件采用

14、不锈钢薄板制造（ 厚 0.8mm） ， 其密封刚性相对较差且密封周边很长， 所以耐冲击力的能力远低于管壳式换热器。防范措施： （1 ） 鉴于板式换热器的结构特点， 可根据操作压力情况，在设备选型时提高设计压力1.52 倍。（2 ） 使用中尽量避免系统出现的冲击现象。（3 ）在发生过此类事故的应用场合，根据情况也可采取增加板片厚度的措施， 其效果很明显。第二十二页，共51页。2. 温度影响 温度的急剧变化也能造成密封失效。当温度变化过快时， 橡胶密封垫的线胀系数与弹性变形量和密封预紧力不相匹配， 使密封预紧力下降， 造成设备承压能力低于额定设计压力。对此可采用如下解决办法： （1 ）在操作设备时

15、升压升温应尽量平稳。（2 ） 可在夹紧螺柱上增加预紧弹簧，有效的补偿密封预紧力的变化， 防止泄漏。3. 时间影响 使用或闲置几年的设备， 密封材料的自身老化有可能影响密封可靠性，所以应利用检修机会及时更换新的密封垫片。第二十三页，共51页。4 腐蚀 腐蚀是复杂的化学现象， 奥氏体不锈钢板式换热器表现出的腐蚀现象大多是Cl-引起的应力腐蚀， 常发生在板片密封槽底部以及有污垢形成后的垢底部位， 其主要成因： （1 ） 不锈钢传热板片由机械冲压而成， 不可避免地残存一定量的表面残余应力， 对于不含钼元素的不锈钢薄板， 表面残余应力的消除是很困难的， 或者甚至是不可行的。（2 ）板片组装后形成了多缝隙

16、结构， 如板片之间的触点、密封槽底等部位。而缝隙容易造成Cl-的富集，局部富集程度往往远远超过了不锈钢自身抗应力腐蚀的能力。（3 ） 当板片表面的污垢严重时， 介质中的腐蚀元素（Cl 、S 等） 可能大量附着于污垢， 并在垢底缝隙处富集。（4 ）密封槽底中的有害元素往往是粘结剂中的Cl 因温度升高温析出来的。如氯丁胶系列的粘接剂、压缩石棉（ 含有CaCl2）, 往往在水与蒸汽工况条件下， 析出的富集Cl - 与H+ 形成HCl, 使槽底缝隙处发生严重的应力腐蚀开裂。第二十四页，共51页。 5.结论 总之通过正确的选用、操作和维护，就能有效地降低板式换热器使用中故障出现的概率， 延长设备的运行周

17、期， 从而充分发挥板式换热器高效节能的优点，为公司获得更好的经济效益。第二十五页，共51页。参考文献板式换热器应用中存在的问题及对策/ 张铁柱化工机械工程手册 中卷 余国安第二十六页，共51页。3.高温高压换热器 背景： 用于化工装置中的高温高压换热器, 目前已经不太罕见。最近, 随着化工工艺的高温高压化, 高温高压换热器的使川也越来越广泛, 同时随着化工设备的大型化, 它也有大型化的趋势。因此, 对高温高压换热器来说, 会碰到一般换热器所没有遇到的问题, 同时在设计、制造及检验等方面, 都还要求很严格.第二十七页，共51页。类型: 列管式换热器, 根据规范的分类方法, 可进行几百种类型的排列

18、组合, 但在实际上使用的类型则少得多。高温高压列管换热器, 以管束结构进行分类时, 与一般列管式换热器一样, 可分为固定管板式、U形管式及浮头式三种。 图示（高温高压换热器）:固定管板式:第二十八页，共51页。U形管式:第二十九页，共51页。浮头式:第三十页，共51页。参考文献高温高压换热器设计的若干问题河北工学院 商政宋 1972高温高压换热器运行故障分析及处理措施 周有石,姜红超第三十一页，共51页。4.套管式换热器 概念： 套管式换热器 是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，外面的叫壳程 内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。工作原理： 套

19、管式热管换热器结构为两不等径的圆管同心相套,又称其为径向热管,这是因为其热量传递方向为径向。当外管外侧为高温侧,内管内侧为低温侧时,处于真空状态的套管间隙内热侧工质受热汽化膨胀,与冷侧工质形成高速对流并在冷侧凝结,即当热量传入热管的外管时,工作介质吸热蒸发,流向冷侧,在那里介质蒸汽被冷却,释放出汽化潜热,冷凝变成液体,然后返回热侧,如此反复循环,通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。第三十二页，共51页。特点： 1 .热量传递方向可以双向进行,既可以由外向内传递,也可以由内向外传递;而常规重力式热管只能由蒸发段传向冷凝段,不能反向传递。 2 .工作时相对重力场方向可以任意摆放,由垂直到平行角

20、度任意;而常规重力式热管不能垂直于重力场方向工作。 3 . 由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的路程比常规重力式热管有极大的缩短,传热系数增大,所以其两侧热阻很小,温差相应也很小。 4. 由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的横截面积比常规重力式热管有极大的增加,两侧单位面积的热负荷可以很大;没有常规重力式热管的音速极限、携带极限,更无毛细极限和沸腾极限。由于套管式热管比常规重力式热管有着显著的优点,所以在工业应用中,同样工况下的换热面积较小,传热系数高,是重力式热管的1.2倍(已通过使用检验 ) ,换热效果优于重力式热管,且设计灵活方便,节省空间,投资较小。第三十三页，共51页。示图（套管

21、式换热器）： 第三十四页，共51页。第三十五页，共51页。 图1所示的套管束模型中,换热管束由众多的套管组成,每一根套管均由一根外管及其内部的一根同心内管共同构成,固定管束的管板共有4道,各外管两端固定于两道内管板上,各内管两端固定于两道外管板上。在每一个换热套管中,由内管与外管之间的间隙做为流体流动的流道,该流道呈薄层,截面为圆环状。该结构可以使B相流体在薄层的环形流道内前进,接受双向传热。除固定管板套管式列管换热器的基本形式外,U形管套管式列管换热器及浮头式套管束换热器 ( 图2) 的高温适应性能更好。 各内管与外管板的固定方式可以采用螺栓密封连接方式 ( 图3 ) ,耐压性能虽有所下降,

22、但易于检验、检查和维修。 对于套管式列管换热器,其结构改进的重点不是管外的流体,也不是管径的缩小和管内外表面结构形式的变化,而在于将板式类薄层换热结构包含于管壳式换热器之中,将板式类换热器高换热性能和管壳式换热器高强度结构融于一体,是一种结构巧妙意义深远的新式换热器,仔细分析这种套管式列管换热器的原理,可以说其结构新颖,构思巧妙,设计成功,理论独到,实践上也是可行的。第三十六页，共51页。套管式列管换热器的核心及重要意义 套管式列管换热器的核心是由众多套管形成的套管束,其设备主要结构由筒体、封头、管板及套管束等组成。两侧封头与筒体相连,筒体每端各固定两道管板,两端共4道管板。由套管束构成换热管

23、束,管束中的每组套管均由一根内管及一根外管组成。其中,套管中各外管固定在两道内管板上 ( 上内、下内) ,套管中各内管固定在两道外管板上 ( 上外、下外) 。这种结构在其加热器内部形成了3个流体流动的空间,即各内管内部的内流空间、各外管外部的外流空间及各内外管之间环形流道的间流空间。由于具有3个流体流动的空间,所以它不仅适用于二相流体的换热,而且也适用与三相流体间换热。其重要意义在于以下几个方面：1 . 改善了设备换热性能在列管式换热器基础上加以改进,换热方式以薄层换热为主,这种换热方式的优点在板式换热器和螺旋板换热器上已经得到证明。通过这种改进,换热器的传热系数和换热速率有很大的提高。第三十

24、七页，共51页。 2 .增强了设备竞争力使管壳类换热器与板式类换热器在传热系数与换热性能方面的巨大差距缩小以至于消失,增强了设备竞争力。 3 .开辟了新的换热理论这种换热器不仅设计构思了环形流道的模式,而且发了环状流动的概念,奠定了双面换热的理论 4 ;不仅提供了一种坚固高效的换热器设备,而且开启了传质与传热领域内一个新的极具生命力的研究方向。伴随着这一方向理论的探讨与深入以及这一换热设备的日臻完善与开发,我国换热器领域的研究与制造水平在世界舞台上又将有一个质的飞跃。 4 .对板式换热技术的发展有促动作用解决了长期困扰板式换热器结构强度低,应用领域始终受限制的问题。这种新型高效换热器结构形式的

25、出现对现有板式换热器技术的发展有推动作用。 5.拓宽了换热设备的应用领域由于该设备综合了管壳类换热器高强度及板式类换热器换热效率高的优点,而且其传热性能更优于板式类换热器,它具备快速冷却和快速加热能力且换热温差较小两大优势,这都能增加换热单元设备的应用范围,增加工艺设计中传热操作的设计范畴,为小温差回收热能、小温差冷却以及快速精确恒温控制的换热设计提供了可能性。第三十八页，共51页。 6. 有利于理想型换热器的研究与探索到目前为止,应该说还没有一种让人们觉得很理想的换热器结构形式。始终居于主导地位的管壳类换热器换热性能不理想,板式类换热器换热性能优良但结构强度低使其应用范围受限。所以,换热设备

26、实际上是一种换热和强度不能兼顾的无奈局面。套管式列管换热器在探索融合管壳式换热器和板式类换热器二者优点,寻求提供一种理想型的可以作为更新换代的换热器结构形式方面,迈出了具有实质性意义的一步。这将引起人们对这方面问题的重新重视和注意,加大投入研究和开发的力度,其结果不仅可能导致换热理论和设备水平的又一次提高,而且可能会对工业经济的发展做出贡献,对节约能源和环境保护有不可估量的促进意义。 通过以上分析可以看出,与管壳式换热器相比,套管式列管换热器结构强度相同,换热效率大幅提高;与板式类换热器相比,换热效率相同。 结构变化对换热能力的影响 1.传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的

27、截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此它的传热效果好。其结构是两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内（传热管）、外管分别用U形肘管和短管依次连接成排,固定于支架上（见图套管式换热器的结构a）。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。第三十九页，共51页。示图：2.结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。第四十页，共51页。其他类型第四十一页，共51页。 型式一.结构型式1 焊入式：即管板焊于法兰密封面下方的筒体上(见图1.1)图1.1第四十二页，共51页。 2.贴面式：即管板贴于法兰密封面上(见图1.2)图1.2第四十三页，共51页。二.安装型式1.立式 1)单管程(焊入式，见图2. 1. 1-a