换热器的形式与优缺点

文档来源为：从网络收集整理文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.换热器的形式与优缺点一.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。二.换热器的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。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。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即： 间壁式、混合式和蓄热式。1、间壁式换热器的类型夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；具缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小.为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用.因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。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形弯头连接而成.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，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数目）.特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式。管壳式换热器管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成 ,壳体多呈圆形,内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛.。流体在管内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。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间称多壳程。在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上松脱。因此，当管束和壳体温度差超过50c时，应采取适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。2、混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：(1) 冷却塔(或称冷水塔)在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔)在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却， 而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用 ！(3)喷射式热交换器在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。(4)混合式冷凝器这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。.蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子(有时用金属波形带等)。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：(1)合理地实现所规定的工艺条件；(2)结构安全可靠；(3)便于制造、安装、操作和维修；(4)经济上合理。.浮头式换热器浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。(也可设计成不可拆的)。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑7?头管板的外径Dd该外径应小于壳体内径Di,一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的用漏起着重要作用。随着陵头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种：正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传热带来不利影响。管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证；若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管束。为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板。浮头式换热器的优缺点优点：(1)管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；(2)介质间温差不受限制；(3)可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6.4兆帕；(4)可用于结垢比较严重的场合；(5)可用于管程易腐蚀场合。缺点：(1)小浮头易发生内漏；(2)金属材料耗量大，成本高20%(3)结构复杂1制造工艺选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。备料划线切割边缘加工(探伤)成型组对焊接一-焊接质量检验组装焊接压力试验2质量检验化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时进行检查。3质量检验内容和方法设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下：(1)原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；(2)原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验；(3)原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等；（4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。4耐压试验和气密性试验：制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支撑原因，不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时，可采用气压试验。如果介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性试验。换热器压力试验的顺序如下：固定管板换热器先进行壳程试压，同时检查换热管与管板连接接头，然后进行管程试压；U形管式换热器、釜式重沸器（U形管束）及填料函式换热器先用试验压环进行壳程试压，同时检查接头，然后进行管程试压；浮头式换热器、釜式重沸器（浮头式管束）先用试验压环和浮头专用工具进行管头试压，对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体，然后进行管程试压，最后进行壳程试压；重叠换热器接头试压可单台进行，当各台换热器程间连通时，管程和壳程试压应在重叠组装后进行。5安装方法安装换热器的基础必须满足以使换热器不发生下沉，或使管道把过大的变形传到传热器的接管上。基础一般分为两种：一种为砖砌的鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上，换热器与基础不加固定，可以随着热膨胀的需要自由移动。另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。在安装换热器之前应严格的进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：基础表面概况；基础标高，平面位置，形状和主要尺寸以及预留孔是否符合实际要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。基础验收完毕后，在安装换热器之前在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好的接触。垫铁厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平高度。垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性， 并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。其中，斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后，斜垫铁可与芝座焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时，应在下部换热器找正完毕，并且地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。可抽管束换热器安装前应抽芯检查，清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。根据换热器的形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足条件（操作）清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应留有足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且，用机械法清洗管内时。两端都可以对管子进行刷洗操作。 U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束，也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管，壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热管的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其他设备相比较，其余腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔结合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法也比其他设备要多加考虑， 当换热器用蒸汽来加热或用水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。因此必须经过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点，换热介质的性质，腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查，修理及清洗。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。止匕外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；锲合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。.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200c以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在 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。图2—5列管式换热器.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〜+600C的物料，采用特殊设计或材料，其操作范围还可扩大O.类型：1）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。2）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。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。固定管板式换热器1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件 ——膨胀节。2）、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。3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。图2—6固定管板式换热器图2—7带膨胀节的固定管板式换热器5）膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。浮头式换热器1）、结构特点：一块管板固定，另一块是浮动的与浮头盖用浮头钩圈法兰相连。图2—8浮头结构图1-浮动管板 2-浮头钩圈法兰相连 3-浮头盖2）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。3）、缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查O4）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合图2—9浮头式换热器U形管式换热器1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈U形。图2—10U型管式换热器结构图2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。4）、适用场合：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。填料函式换热器.结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。图2—11填料函式换热器.优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。.缺点：填料处易泄漏。.适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。.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便，适用于易结垢的流体。.换热管：1）、概述：换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大的影响。小管径且管壁较薄的管子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、结构紧凑，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，且易结垢，不易清洗。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）螺旋槽纹管（5）波纹管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热管为：碳钢、低合金钢管有：①19X2、①25X2.5、①38X3、①57X3.5;不锈钢管有①25X2、①38X2.5。长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m,在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。2）、换热管在管板上的排列方式：有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图

2—11所小。正三角形转角正三角形正方形转角正方形流体正方形转角正方形流动方向流体流动方向正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，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。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。图示（管板式）：6.管子与管板的连接管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。1）、胀接利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。a）胀管前 （b）胀管后图2-15胀管前后示意图适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力0 4MPa,设计温度0300C,且无特殊要求的场合。要求：管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽（开槽可以增加连接强度和紧密性）。2）、焊接焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。?优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。?缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现缝隙腐蚀”。图图2-17换热管焊接示意图3）、焊胀结合?胀焊结合连接主要有：强度焊+密封胀 先焊后胀。强度胀+密封焊 先胀后焊。概念解释：密封焊一不保证强度，只防漏；强度焊一既防漏，又保证抗拉脱强度；密封胀一只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀一既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中.管板与壳体的连接不同类型的管壳式换热器具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，这种连接称为管板与壳体的不可拆连接；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。1）、不可拆连接结构将管板直接焊接在壳体上，根据管板是否兼作法兰其结构不同，（下面两组图分别表示其结构）多数情况下采用管板兼作法兰的结构。图2-18管板兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）图2-19管板不兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）2）、可拆连接结构在浮头式、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。图2-20管板与壳体的可拆连接结构.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。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,6000mm管长作对比。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。参考文献.浅谈管壳式换热器《科技信息》2001.5.管壳式换热器的制造《化工装备技术》第25卷第2期2004年.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板式1特点）.传热效率高板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流） ，扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高。一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000〜6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2〜1/4即可达到同样的换热效果。.）随机应变由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数 K值或者增加新机能的可能。3）热损失小因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。4）使用安全可靠在板片之间的密圭^装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部， 即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。5）有利于低温热源的利用由于两种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热效果，板式换热器两种介质的最小温差可达到1oCo用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。6）冷却水量小板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。7）占地少，易维护板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2〜1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内 100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。8）阻力损失少在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。9）投资效率高在相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和板材薄，设备更显经济。.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。.结构：.板式换热器主要由框架和板片两大部分组成O.）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。.特点：.）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0.07-0.1Pa且在低Re下操作时，板式换热器以多半在湍流下运行。）.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。）.占地面积比管壳式小，可适应热载荷变化，传热板片可随时检查，清洗和更换。.）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0.5-1.2mm,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。5）传热效率高板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高.一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000〜6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2〜1/4即可达到同样的换热效果。6）随机应变由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数 K值或者增加新机能的可能。7）热损失小因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。使用安全可靠在板片之间的密圭^装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部， 即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。有利于低温热源的利用由于两种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热效果，板式换热器两种介质的最小温差可达到1oCo用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。10）冷却水量小板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。11）占地少，易维护板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2〜1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内 100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。12）阻力损失少在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。13）投资效率高在相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和板材薄，设备更显经济。4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，具板片结构完全不同。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。5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1.5〜3mm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前增加了易拆消的过滤器， 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。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50c左右或者更低，以避开介质中钙镁离子析出的敏感温度。6.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1〜3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1.5〜2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。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。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，对于不含铝元素的不锈钢薄板，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。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。7板式换热器的维修与保养板式换热器以其重量轻、占地面积小、投资低、换热效率高、组装灵活、结垢易于洁除等特点，已在啤酒生产中广泛应用。但是由于板式换热器流通截面积小，如不及时维护，保养，有可能因结垢造成堵塞，影响设备的安全和正常使用。正确的安装及维护保养，是确保供热系统安全、高效的重要环节。1.板式换热器的大修解体由于板式换热器板数多，而且要逐片清理，全部更换新垫，所以大修时般采用整体吊离安装位置，在一个合适地点解体大修。拆卸前，将介质进口阀关闭，且应首先关闭高压侧阀门，而后关闭出口阀，使换热器缓慢降温至 40c后进行排放，然后拆除相连管道，整体吊离才能进行。解体前的准备板式换热器的检修周期一般为2年。在检修前，对准备更换的垫片需认真检查，表面要光滑、厚度一致、无横向裂纹、无气泡、无缺口、无老化、无搭接及对接的痕迹。所使用的粘接剂也应在有效期内。对换热器本体，拿下压紧螺栓保护套管，对所有的螺栓除锈涂(文章来源：华夏酒报・中国酒业新闻网)油；检查上梁滑动表面，并擦拭干净；检查活动压板上部辗轮，使其转动灵活；测量并记录板叠长度“A”，重装时应保证此尺寸不变。换热器的整体解体待系统气体、压力、温度等参数达到维修要求后方可进入现场施工。先拆除接管，然后按对角线的方向依次松开固定螺栓。在拆卸过程中，活动压板宽度方向偏移不超过10mm垂直方向偏移不超过25mm应始终保持活动压板基本处于平行状态移动。拆下板片时，使板片向一侧倾斜 15°-20°,向上稍举即可拆掉，不得强行拆卸，以防上部定位凹槽变形或损坏，然后按片块安装顺序依次码好。旧胶垫去除和板片清洗先拆除旧垫片。一手持电热风沿密封槽底部加热，待粘接剂受热变软时，另一手将垫子拉起缓缓剥离。也可采用煤气喷枪加热，但应严格控制火焰到板片底部距离为10-15cm,对铝合金板片更应注意。不管在什么情况下都禁止使用乙快焰加热。垫片拆除后，对密封槽内的残胶，可用直径40-50mm宽度8—10mm的不锈钢丝轮装在切向磨光机上，将残胶磨去，保证密封槽光洁。板片一般用手工及化学方法清洗，切不可用利器清除，以防划伤板片。当板片上结垢很薄且垢层易溶于水时，可将板片放在一个专用水槽内，用软纤维棕毛刷刷洗，也可用1-29cg/cmz的压力水或低压蒸汽冲洗。对不锈钢板片，不得使用钢丝刷，清洗用水必须不含盐、硫等成分，水的 CL-含量小于20Ppm板片缺陷的检查及修复检查换热器板片时，板片应无裂纹、划痕、变形等缺陷，板厚不均匀偏差不得超过5%板片周边应光滑平整，密封槽形状应符合图样要求，其深度允许偏差为0.1mm其密封面不允许有凹凸、折皱、扭曲、划痕等影响密封性能的缺陷，板片波纹深度允许偏差士0.2mm其不平度不得大于1%对于穿孔的板片，可采用氢弧焊修补并磨平。对变形严重的板片，可采用铝或铜质模型校正。这些缺陷如果处理不了，只能更新或减少板片。板片组装要求板片组装前应将(文章来源：华夏酒报・中国酒业新闻网)活动压板推向一端，将固定压板和活动压板的内侧及管口清理干净， 首先将管口胶套及胶套支撑环加好。安装板片时，根据流程组合，将第一片没有胶垫的一面对着固定压板，而后按A-B-A-B的次序将所有板片依次挂好。全部板片挂好后，活动压板推拢，将6条长螺栓装上，上紧螺栓。在此过程中，应保持活动压板平行移动。当螺栓紧固完成后，在相邻螺栓处测得的板叠长度“A”的偏差不得超过如下标准：当A<1000mm寸，不超过1mm当A>1000mmf,不超过2mm螺栓间板叠长度偏差不大于0.5%A水压试验缓慢升压至设计试验压力后保压30min,其间无异常声音、无异常变形、无泄漏、压力不降者为合格。如果属不锈钢板片，则要求试压用水中CL-<25X10—6,环境温度不低于20Co2板式换热器使用的维护保养一般情况下，板式换热器的最大允许压力为1MP时右，特殊情况下可达2MPa最高允许温度为260C,使用压缩石棉垫片的较低。然而，在制冷系统中，工作压力可在1.6MPa左右，因此，使用中要注意维护保养。换热板块内部结垢的防止对板式换热器内的垢样分析表明，主要存在如下问题：(1)循环水侧板片表面结垢严重，垢层底部较硬，表层较厚，为灰白色的疏松沉积泥沙，严重处板片波纹槽填满。(2)循环水侧冲积异物较多，主要由絮状物、腐化物和水系统填料碎片等聚集而成，造成片间流体通道多处局部堵塞。其解决办法是：(1)冷却水中杂质过多时应配置过滤器，建议在蒸发器热泵少水通道内使用蒸储水，中性水等纯净水。(2)如果循环水(文章来源：华夏酒报・中国酒业新闻网)的硬度偏高，应预先进行软化。内部换热板块的防冻裂板式换热器作为蒸发器使用时，蒸发器温度低于0c即会造成板间水结冰，使整台板式换热器冻裂。对此采取的防护措施为：(1)作为蒸发器使用时，应用可靠的防冻机电保护。(2)选用具有适当流量差，可靠的流量开关；安装吸气管路低压控制开关可防止由于制冷剂损耗过大造成的不良后果； 安装一个锁定计时器，对低压控制以适当延迟，在起动时克服有害关闭；用热气旁通阀把部分压缩机排气吸入蒸发器口处，保持吸气压力在一个预定的水平上，如与吸气管路低压开关联合使用，效果可能会更好。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.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..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：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，姜红超催化裂化外取热器.催化裂化外取热器是催化裂化装置运行中不可缺少的重要设备，其作用是从再生器中取出反应多余的热量，维持反应再生系统的热平衡。催化裂化时所生焦炭为不良的副产品。焦炭沉积于催化剂的效数小孔中及其扩展表面上隔绝了原料的分子至催化剂表面活性区域的路径。除去焦炭的方法是利用空气中的氧将其在带燃烧区及冷却区的再生器中烧掉。焦炭主要由碳（89—92X）和氢（8—10%）组成。炼制含硫酸分时生成的焦炭中还含有少是的硫。焦炭燃烧时，碳被氧化成二氧化碳及一氧化碳，氢变成水蒸汽，硫则变成二氧化碳。焦炭生成的量与装置的处理能力、原料的型化深度及原料的性质有关。催化裂化时焦炭的产率为新鲜原料重量的3—8%。因此在实际生产中，也必需采用不同能力的再生器进入再生器的催化剂一般含1.2至42.0%（重量）的焦炭，从再生器出来的催化剂含焦炭量则为0.1到0.2%（重量）。对于用循环粉状催化剂的装置，再生后的催化剂所含焦炭量一般为0.5到0.6%（重量）。从催化剂上除去焦炭程度的主要与再生器的操作条件及催化剂的质量有关。固体催化剂小孔的表面对于空气中的氧分子愈易接触，焦炭就燃烧的愈快。催化剂的小孔愈大，从催化剂颗粒的深处，焦炭烧掉得就愈完全。然而当当减少较小截面积的小孔数目而使孔扩大时，催化剂颗粒的内部工作表面也就减小。如果再生时，焦炭除去得不完全而使其在孔中积结，则将使催化剂在反应器中进行裂化时得不到完全利用。催化剂的再生反应在严格控制的条件下进行，以避免催化剂活性的毁损和下降及其个别部分的不均匀再生。一般使焦炭在580—680G下燃烧掉。降低烧焦温度时，焦炭的燃烧就减慢，如果温度过低，则可能达不到所要求的再生程度。反之，随着温度的升高，焦炭的燃烧就加快。但是，又不能使催化剂过热因为，在此种情形下，催化剂会熔结而失去其活性。止匕外，在极高的温度下，再生器的内部结构会发生变形，以致于损坏.由上述可知，操作者应该严格控制再生器的温度，一方面不使催化剂过热，另一方面不让焦炭烧掉得不够的催化剂从再生器导出。焦炭的燃烧速度也随再生器内压力的增加而加快。但是借变更压力来调节燃烧的速度一般是不可能的，因为，按照规矩，工厂装置的鼓风机及再生器的设计是有一定操作压力的。再生器为一正方形截面或园形截面的立式塔。其外套是由碳钢制造。绝热物在再生器内部。再生器内的气体压力略大于大气压。再生器的大小根据装置的处理能力、其内部构造、应烧去的焦炭量及催化剂的循环比决定。用催化剂密相移动床装置的再生器的尺寸如下：直径3到7米，高从15到30米。空气是用鼓风机送入再生器。在进入再生器之前空气的表压一般不超过 15D毫米水银柱。空气进入再生器之前先在不大的表压下于炉中加热。 再生器内部装有使热空气均匀分配于移动催化剂流的设备，以及从再生器导出燃烧产品的设备。止匕外，再生器中还安装有蛇形冷却管。再生器内部构造之一例示于图燃烧1公斤焦炭时，放出约8000大卡的热。由于在再生器中每小时要燃烧好几千公斤的焦炭，因此，根据装置及再生器处理能力的大小，每小时所放出的热可达到极大的数值-“从l千万到5千万大卡。为了避免催化剂及再生器内部磺造的过热，进行再生时常将一部分热移除。安装在再生器中的蛇管，开始时从内部用水流冷却，然后用水与水蒸汽的混合物来冷却。一部份水在通过蛇管时变为具有18—40大气压的水蒸祸（根据设计所规定的而定）。从蛇管出来的汽一液混合物然后就进入发热锅炉的水鼓。【1】.反应再生系统反应再生系统由反应器、再生器以及相应的其他设备，如提升管、催化剂输送管线、旋风分离器.辅助燃烧室等组成。六十年代中期以前，主要使用无定形硅销催化剂.预热后的新鲜原料油和回炼油与由再生器来的高温催化剂一起进入反应器床层内进行裂化.反应产物经过旋风分离器除去催化剂细粉后， 进入分储塔，分离以汽油、轻柴油。重柴油、回炼油和富气。随着裂化反应的进行，催化剂表面不断生成焦炭。积炭后的催化剂进入再生器在再生器内烧掉烧化剂表面的积炭，再经过催化剂输送管线重新返回反应器。这种床层裂化常见的一种装置型式如图所示。六十年代中期以后.随着分子筛催化剂的采用，逐渐由床层裂化过渡到提升管裂化，反应器只起储化剂沉降器的作用。下图是玉门炼油厂分了筛提升管催化裂化装置。备种催化裂化装置的分储和吸收稳定系统基本上相近，不同的催化裂化装置的差别主要在于反应再生系统.国外一些催化裂化装置的型式如图所示。外取热器是催化裂化（FCC装置关键设备之一，同时也是该装置能量回收的重要设施。由于外取热器是从高温催化剂中取走多余的热量，并维持反应再生下简称反再系统的热平衡，因此外取热器的运行方式及平稳操作都密切影响着装置的生产。目前国内外取热器有两种型式：下流式密相传热和上流式稀相传热。下流式密相外取热器充分发挥处于流化状态下的高温催化剂对金属壁传热系数高的特点，取热负荷和弹性范围较大，能耗低，在工业上应用广泛。1998年装置增设了由中国石化工程建设公司原中国石化北京设计院设计的下流管壳式外取热器。该外取热器上斜管与再生器催化剂密相床层相联，下斜管与烧焦罐相联，并在外取热器壳体的出人口分别装有控制催化剂流量的冷壁式单动滑阀。原设计外取热器采用密相操作，在外取热器底部通人流化风，以维持良好流化，形成流化床催化剂对直立浸没管的良好传热。经换热后的催化剂降温约100c,并通过外取热器下斜管流人烧焦罐。目前大多数FCCI置的外取热器主要采取密相操作，即外取热器内催化剂采取满料位操作。根据该装置自身的特点，外取热器采取稀相操作即上滑阀节流操作方式，器内密相床层料位控制在3%-6沙。与密相操作不同的是取热量的调节主要通过上滑阀来控制催化剂循环量，下滑阀一般在100%勺阀位全开状态保持外取热器内低料位操作。由于器内是稀相操作，在外取热器底部未通入流化风。外取热器投用后，装置掺渣率提高至20%再生器（T-102）床层内的高温催化剂经上斜管流人外取热器（T-103）后，在取热列管间依靠自身重力自上而下流动，取热管浸没于流化床内。取热管由14组管束组成，管束内侧走水和蒸汽，管束外侧走高温催化剂，形成流化床催化剂对取热管的逆流传热，经换热后的催化剂降温45c左右，并通过外取热器下斜管流人烧焦罐。从动力来的中压除氧水（温度105c）经中压余热锅炉（省煤段）加热至250C,送至汽包（E-131）,与经换热后的汽一水混合、传热并进行汽液分离后，产生的3.5-3.8MPa蒸汽去中压余热锅炉过热段过热后,经面式减温器后外送。汽包里的水由循环热水泵抽出，形成强制循环，进人外取热器管束。图1 外取热器流程示意装置外取热器采用稀相操作后不仅满足了装置热量平衡的需要，而且达到了外取热器取热负荷，蒸汽产量也超出原设计。分析其原因一是在整个传热管段根据气体流化风和固粒催化剂的状态不同，可分为密相区（或床层区）、过渡区（或称沸腾区）及稀相区。密相区气流呈分散相，催化剂是连续相，传热效果差过渡区的气体和固体处于不稳定状态，时而聚集时而破碎，床层像沸腾的水一样，传热系数很高，是下流式外取热器的主要取热段稀相区的气体呈连续相，固体呈分散相，传热效率低于过渡区而高于密相区。该装置外取热器密相床层料位仅为3%-6%,料位以上催化剂呈分散相，传热效率较密相区高。二是再生器床层的高温催化剂温度高达700C,虽然外取热器内催化剂藏量很低，但取热器循环量在160t/h以上，加之热量取自高温位热源，所以传热效果好。外取热器通过控制高温催化剂流量实现取热负荷的调节，从而达到有效控制再生床层温度的目的。操作人员只需调节外取热器的上滑阀开度控制取热量 ，灵活调节烧焦罐的温度。另外装置在需切除外取热器时，操作人员同样调节上滑阀开度，即可实现系统热量平衡或切除外取热器。而对于密相操作或无上滑阀的设备只有中断流化风，但随后会带来再恢复流化风和维持三器原有料位平衡的困难。在装置开工向系统装剂时，一般催化剂在反再系统循环正常后，再启用外取热器。可以根据再生器温度调节上滑阀开度，达到反再系统的热平衡。再者因器内催化剂藏量不多，无论是启用还是切除外取热器，都不会使反再系统料位或温度产生大的波动，避免在密相操作情况下大量催化剂进人外取热器对反再系统的影响。密相操作时，高温催化剂经外取热器后的温度降低100c左右而该装置采取稀相操作催化剂温度降低仅为45-55C,这样不会由于过大的温差使烧焦罐内的燃烧产生冷热不均而影响烧焦效果，也不会大幅度影响床层温度。外取热器采用稀相操作后，取热效果较好，但同时也存在一些问题。外取热器自运行以来曾先后出现不同程度的管束磨漏、 腐蚀穿孔等现象。通过实际应用分析，发现高速催化剂偏流对管束的冲蚀比较严重。在外取热器不同位置上共有8个温度测点，为区别起见按照高温催化剂人口方向，分为催化剂人口侧和催化剂人口相对侧，根据距催化剂人口的相对位置布置温度测点，图2 外取热器内催化剂温度点从图中可以看出，在催化剂人口侧，外取热管壁温度变化较为明显，说明管内的水取走热量多，换热效果好。而在催化剂相对侧，外取热管壁温度变化不大，分布均匀，说明介质换热效果不好。从现场设备的破坏现象也证实，外取热器催化剂人口侧管束的腐蚀较为严重。为了进一步确认偏流对管束的破坏作用，结合催化剂的流向分析，证实在催化剂人口侧管束受到了较严重的冲蚀作用。下图中 ，B1,B2,B3,B7,N7,N3者B依次受到了螺旋催化剂流的冲蚀作用。图催化剂流向.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。.特点：）.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。.）工作时相对重力场方向可以任意摆放，由垂直到平行角度任意；而常规重力式热管不能垂直于重力场方向工作。.）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。.）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。示图（套管式换热器）：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，但易于检验、检查和维修。对于套管式列管换热器，具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。.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。.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。.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。.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。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.）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， 每一段套管称为乙程”，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。）.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。示图：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。主要优点是：（1）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。（2）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。赛牙大换妁叁的牯椅A赛牙大换妁叁的牯椅A潴体j内竹作It图1套管式换热器结构示意图[41常见的套管式换热器：套管式热管换热器套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。套管式热管换热器除了具有常规重力式热管换热器的特性外 ，还具有以下特点。(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。【5】套管式列管换热器套管束模型中，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