熱交換器設(shè)計(jì)選型

1、l1. 簡介l 作用：用來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，作用：用來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，使熱量由高溫流體傳遞給低使熱量由高溫流體傳遞給低溫流體。溫流體。地位：在煉油廠，用于換熱設(shè)地位：在煉油廠，用于換熱設(shè)備的費(fèi)用約占總費(fèi)用的備的費(fèi)用約占總費(fèi)用的35354040，在化工廠約占總費(fèi)用，在化工廠約占總費(fèi)用的的10102020。l換熱設(shè)備是石油、化工生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備，也是應(yīng)用最為廣泛的單元操作設(shè)備之一，其它如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、家電等工業(yè)部門也有著廣泛的應(yīng)用。l 在石油化工工藝過程中，換熱設(shè)備通常以不同的種類和型式出現(xiàn)，它們可以是加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器、余熱鍋爐等。l 在 完 成

2、 熱 量 傳 遞 的 同時(shí)換熱設(shè)備還可以在生產(chǎn)工藝流程中起到不同的作用。l 例如控制介質(zhì)的溫度(加熱器、冷卻器、余熱鍋爐等)；l 控制介質(zhì)的壓力(冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等)；l 控制介質(zhì)汽化的流量(蒸發(fā)器、再沸器等)；控制介質(zhì)冷凝的流量(冷凝器、冷凝冷卻器等)。l 在石油化工的許多生產(chǎn)操作中部無一例外地必須應(yīng)用換熱設(shè)備，如氣體壓縮輸送的冷卻、液體原料貯路的防止凝固、反應(yīng)過程的冷卻或加熱、分離設(shè)備的汽化或冷凝、直至循環(huán)水的降溫、環(huán)境溫度的控制等等。l 總之，在石油化工生產(chǎn)中換熱設(shè)備的應(yīng)用最為廣泛。l（1）需求量大：近三十年來，由于對節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的重視，換熱設(shè)備的需求量隨之增大，換熱技術(shù)亦獲

3、得迅速發(fā)展。l（2）種類繁多：隨著石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，換熱設(shè)各種類繁多，而且新型結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。l（3）隨著石油、化工裝置的大型化，換熱設(shè)備正朝著強(qiáng)化傳熱、高效緊湊、降低熱阻以及防止流體誘導(dǎo)振動(dòng)等方向發(fā)展。l 主要介紹目前廣泛應(yīng)用且量多面廣的鋼制管殼式換熱器，而對其它型式的換熱器只作一定篇幅的介紹。 l 換熱設(shè)備有不同的分類方法，而最常用的是根據(jù)作用原理或傳熱方式來區(qū)分的。 l直接接觸式換熱器（或混合式換熱器） l蓄熱式換熱器（或回?zé)崾綋Q熱器） l間壁式換熱器（表面式換熱器） l中間載熱體式換熱器l 它是讓兩種流體（冷流體和熱流體）直接接觸與混合進(jìn)行熱量的交換。最常見到如涼水塔、氣液混合式

4、冷凝器等等。l優(yōu)點(diǎn)：這類換熱器傳熱效率高，單位容積提供的傳熱面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，在石油化工廠中也常見應(yīng)用。l缺點(diǎn)：僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。l為增加兩流體的接觸面積，以達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板。通常采用塔形結(jié)構(gòu)。下圖為板式冷卻塔的示意圖。 它是借助于固體（固體填料或多孔性格子磚等）構(gòu)成的蓄熱體與熱流體或冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。 在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會(huì)使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許有混合，則不能采用蓄熱式換

5、熱器。 這種蓄熱式換熱器主要用于廢氣溫度很高而需要預(yù)熱空氣的場合，石油化工廠也有用其作為裂解爐的。由此難免存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，必須注意可能造成流體的“污染”問題，由此而可能帶來的安全問題必須有相應(yīng)的技術(shù)措施。圖82為蓄熱式換熱器示意圖。 l蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，故較適合用于氣一氣熱交換的場合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。 l 間壁式換熱器（表面式換熱器）是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。l 間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱

6、器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。l 此類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。 l管式換熱器（蛇管式換熱器、套管式換熱器、纏繞管式換熱器和管殼式換熱器）l板式換熱器 l其它形式：石墨換熱器、聚四氟乙烯、熱管換熱器l 管式換熱器雖然在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和單位傳熱面積的金屬消耗量等方面都不如其它新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優(yōu)點(diǎn)。在高溫、高壓和大型換熱器中，管式換熱器仍占絕對優(yōu)勢，是目

7、前使用最廣泛的一類換熱器。l蛇管式換熱器一般由金屬或非金屬管子，按需要彎曲成所需的形狀，如螺旋形和長的蛇形等。它是最早出現(xiàn)的一種換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡方便等優(yōu)點(diǎn)。 l沉浸式蛇管換熱器l噴淋式蛇管換熱器 l使用：沉浸在盛有被加熱或被冷卻介質(zhì)容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行換熱。l優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、操作敏感性較小，管子可承擔(dān)較大的流體介質(zhì)壓力。常用于高壓流體的冷卻，以及反應(yīng)器的元件。l缺點(diǎn)：管外流體的流速小，傳熱系數(shù)小，傳熱效率低，需要的傳熱面積大，設(shè)備顯得笨重。 l將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻的流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水由管排上方的噴淋裝置均勻淋下。l優(yōu)點(diǎn)：管外流體的傳熱系數(shù)大，且便于檢

8、修和清洗。l缺點(diǎn)：體積龐大，冷卻水用量較大，有時(shí)噴淋效果不夠理想。l 它是由兩種不同大小直徑的管子組裝成同心管，兩端用U形彎管將它們連接成排，并根據(jù)實(shí)際需要，排列組合形成傳熱單元，換熱時(shí)，一種流體走內(nèi)管，另一種流體走內(nèi)外管之間的環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面，一般按逆流方式進(jìn)行換熱。兩種流體都可以在較高的溫度、壓力、流速下進(jìn)行換熱。 l優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作適應(yīng)范圍大，傳熱面積增減方便，兩側(cè)流體均可提高流速，使傳熱面的兩側(cè)都可有較高的傳熱系數(shù)；l缺點(diǎn)：是單位傳熱面的金屬消耗量大，檢修、清洗和拆卸都較麻煩，在可拆連接處容易造成泄漏。l套管式換熱器一般適用于高溫、高壓、小流量流體和所需要的傳熱面積不大的場

9、合。 l 這類換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備。 l螺旋板式換熱器l板式換熱器l板翅式換熱器l板殼式換熱器l傘板式換熱器l特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱面積為管殼式換熱器的23倍，傳熱效率比管殼式換熱器高50100%，制造簡單，流體單通道螺旋流動(dòng)，由自刷作用，不易結(jié)垢，可呈全逆流流動(dòng)，傳熱溫差小。l應(yīng)用：l適用于液液、氣液流體換熱，對于高粘度流體的加熱或冷卻、含有固體顆粒的懸浮液的換熱。l板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板片和密封墊片以及壓緊裝置組成，其結(jié)構(gòu)類似板框壓濾機(jī)。板片表面通常壓制成為波紋形或槽形，以增板的剛度，增大流體的湍流程度，提高傳熱效率。兩相鄰板片的邊緣用墊片夾緊，以防止流體泄漏，

10、起到密封作用，同時(shí)也使板與板之間形成一定間隙，構(gòu)成板片間流體的通道。冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過板片傳熱。l優(yōu)點(diǎn)：l板片間流通的當(dāng)量直徑小，板形波紋使截面變化復(fù)雜，流體的擾動(dòng)作用激化，在較低流速下即可達(dá)到湍流，具有較高的傳熱效率。同時(shí)板式換熱器還具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、清洗和維修方便、能精確控制換 熱溫度等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍十分廣泛。l缺點(diǎn)：l密封周邊太長，滲漏的可能性大，承壓能力低，使用溫度受密封墊片材料耐熱性能的限制不易過高，流道狹窄，易堵塞，處理量小，流動(dòng)阻力大。l l優(yōu)點(diǎn)：l傳熱效率高，傳熱系數(shù)比管殼式換熱器大310倍。l結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，單位體積內(nèi)的傳熱面積約為管殼式換熱器的十幾倍到

11、幾十倍，而相同條件下?lián)Q熱器的重量只有管殼式換熱器的1065%。l缺點(diǎn)：l結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，流道小，易堵塞，不易清洗，難以檢修。l應(yīng)用：l使用范圍廣。l可作氣氣，氣液和液液的熱交換。l適用于多種流體在同一設(shè)備中操作。l特別適用于低溫或超低溫的場合。l特點(diǎn)：l具有管殼式換熱器和板式換熱器兩者的特點(diǎn)。l結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積包含的換熱面積比管殼式換熱器增加70%，傳熱效率高，壓力降小。較好地解決了耐溫、耐壓、抗壓與高效率的矛盾，容易清洗。l缺點(diǎn)：焊接技術(shù)要求高。l應(yīng)用：常用于加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝等過程。l傘板式換熱器是中國獨(dú)創(chuàng)的新型高校換熱器。l結(jié)構(gòu)：由傘形傳熱片、異形墊片、端蓋和進(jìn)出口接管等組成。l

12、優(yōu)點(diǎn)：制造成本低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、緊湊，板片間容易密封。傳熱效率高，易拆卸。l缺點(diǎn)：流道較小，容易堵塞，不易處理較臟介質(zhì)。l這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的.l石墨換熱器l聚四氟乙烯換熱器l熱管換熱器l回轉(zhuǎn)式換熱器l它是一種用不滲透性石墨制造的換熱器。l優(yōu)點(diǎn)：（1）石墨具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性。除了強(qiáng)氧化性酸以外，幾乎可以處理一切酸、堿、無機(jī)鹽溶液和有機(jī)物。（2）石墨的線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高，不易結(jié)垢。因而石墨換熱器具有良好的耐腐蝕性和傳熱性能，將它用于腐蝕性強(qiáng)的液體和氣體場合，最能發(fā)揮它的優(yōu)越性。l缺點(diǎn)：石墨的抗拉和抗彎強(qiáng)度較低，易脆裂，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中

13、應(yīng)盡量采用實(shí)體塊，以避免石墨件受拉伸和彎曲，同時(shí)，應(yīng)在受壓縮的條件下裝配石墨件，以充分發(fā)揮它抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)。此外，換熱器的通道走向必須符合石墨的各向異性所帶來的最佳導(dǎo)熱方向。根據(jù)這些情況，石墨換熱器有管殼式、塊式和板式等多種形式，其中尤以管殼式和塊式更為目前所廣泛采用。 l 它是最近十余年所發(fā)展起來的一種新型耐腐蝕的換熱器。l主要的結(jié)構(gòu)形式：管殼式和沉浸式兩種。l優(yōu)點(diǎn)：聚四氟乙烯耐腐蝕、不生銹、能制成小口徑薄壁軟管，因而可使換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕等。l缺點(diǎn)：是機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能較差，故使用溫度一般不超過150C ，使用壓力不超過l.5MPa .l 熱管換熱器由殼體、熱管和隔板組成。l熱管

14、作為主要傳熱元件，是一種具有高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件。熱管是一根密閉的金屬管子，管子內(nèi)部有用特定材料制的多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)和載熱介質(zhì)。當(dāng)管子在加熱區(qū)加熱時(shí)，介質(zhì)從毛細(xì)結(jié)構(gòu)中蒸發(fā)出來，帶著所吸取的潛熱，通過輸送區(qū)沿溫度降低的方向流動(dòng)，在冷凝區(qū)遇到冷表面后冷凝，并放出潛熱，冷凝后的載熱介質(zhì)通過它在毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的表面張力作用，重新返回加熱區(qū)，如此往復(fù)循環(huán)，連續(xù)不斷地把熱端的熱量傳送到冷端。l熱管換熱器的主要特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、經(jīng)濟(jì)耐用；在極小的溫差下，具有極高的傳熱能力；通過材料的適當(dāng)選擇和組合，可用于大幅度的溫度范圍，如從-2002000的溫度范圍內(nèi)均可應(yīng)用；且一般沒有運(yùn)動(dòng)部件，操作無聲，不需要維護(hù)，

15、壽命長；輸熱效率高，其效率可達(dá)到90。l 熱管換熱器結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變，用途廣泛，如用作傳送熱量、保持恒溫、當(dāng)作熱流間和熱流轉(zhuǎn)換器等，特別適用于工業(yè)尾氣余熱回收的換熱設(shè)備。l固定管板式換熱器：殼體和管束的壁溫相差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生加大的熱應(yīng)力。lU形管式換熱器：殼體和管束的壁溫相差較大時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生加大的熱應(yīng)力。l浮頭式換熱器：（同上）l填料函式換熱器：（同上）l釜式重沸器（固定管板式、U形管式、浮頭式）l優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。l缺點(diǎn)：當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。l應(yīng)用：l這種換熱器適

16、用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件膨脹節(jié)、撓性管板等人來吸收熱膨脹差。 l特點(diǎn)：管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；l缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭小蓋在操作中無法檢查，制造時(shí)對密封要求較高。l適用于殼體和管束之間溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。 l結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 l 優(yōu)點(diǎn)：U形管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)。l缺

17、點(diǎn)：由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率較高。l應(yīng)用：l適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。l結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。l由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。l優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間