1、中海石油中捷石化设备培训 换热设备篇,2.1 换热器,1）、概述在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、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。据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资 的3540,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。,综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动
2、力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。,2)、衡量换热器的指标 （1）、传热效率要高。 （2）、结构要紧凑。 （3）、要节省材料。 （4）、流体在设备中的阻力要小，即压力降要小。 （5）、要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周 期长。 由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各种各样 的换热器，以适应各种特定的工艺条件。,3)、换热器的分类,（1）、按传热方式可分为：直接接触式、蓄热式、间壁式。 （2）、按其工艺用途可分为：冷却器（cooler）、冷凝器 （condenser）、加热器（一般不发生相变）（heater）、蒸 发器（发生相变）（evaporator
3、）、再沸器（reboiler） 、 废热锅炉（waste heat boiler） 。 （3）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,直接接触式,图2-1 直接接触式换热器,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,蓄热式,图22 蓄热式换热器,间壁式,又称表面式换热器 利用间壁进行热交换。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。,图23 管式换热器,图24 板式换热器,2.1.1列管式换热器的基本结构形式,1）、列管式换热器的主要结构： 壳体、管箱、管板、换热管、折流挡板以及其它附件组成。 2）、列管式换热器的工
4、作原理： 高温流体A（红色）由管箱进入换热管，低温流体B （蓝色） 在管外流动，由于两种流体存在温度差，于是通过管壁进行热 量交换。,图25 列管式换热器,2.1.2列管式换热器的主要类型,从结构上分,固定管板式换热器,浮头式换热器,U形管式换热器,填料函式换热器,2.1.2.1 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
5、大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。,图26 固定管板式换热器,图27 带膨胀节的固定管板式换热器,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。,2.1.2.1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28 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。 4）、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29 浮头式换热器,2.1
6、.2.3 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210 U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。,图210 U型管式换热管箱器 结构图,图210 U型换热管结构图,2.1.2.4 填料函式换热器,1）、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。,填料函式密封,图211 填料函式换热器,2）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内
7、和管间清洗方便。,3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、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。,2.1.3 列管式换热器的组成元件及其连接,2.1.3.1 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。,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
8、子。 我国管壳式换热器常用换热管为： 碳钢、低合金钢管有： 192、 252.5、 383、 573.5 ； 不锈钢管有252、 382.5。,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 211所示。,流体流动方向,流体流动方向,正三角形,转角正三角形,流体流动方向,流体流动方向,正方形,转角正方形,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
9、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。,图212 换热管排列图,图213 管板,图214 焊接管口,2.1.3.2 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4MPa，设计温度300，且无特殊要求的
10、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)。,图2-16 液压胀管器,液压胀接,机械胀接,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”。,管板,换热管,间隙,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
11、封焊先胀后焊。概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；密封胀只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀既消除间隙，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。,2.1.3.3 管板与壳体的连接,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，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
12、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,2.1.3.4 管箱、折流挡板,1）、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。,图2-21 三种形式的管箱结构图,2）、折流挡板,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，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，在卧 式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。 常用的折流挡板有：单弓形、双弓形、三弓形和圆盘圆环形。 单弓形折流挡板对介质流向的影响。,图2-22 单弓形折流挡板,双弓形折流挡板对介质流向的影响。图2-23 双弓形折流挡板,圆盘圆环形折流挡板对介质流向的影响。,图2-24 圆盘圆环形折流挡,
