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1、中海石油中捷石化设备培训中海石油中捷石化设备培训换热设备篇换热设备篇2.1 2.1 换热器换热器1 1）、概述）、概述 在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷在炼油、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。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的35354040, ,因为
2、绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热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、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，热量。工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用，以降以降低成本。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。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。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛换热
3、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。的应用。2)2)、衡量换热器的指标、衡量换热器的指标（1 1）、传热）、传热效率要高。效率要高。（2 2）、结构要紧凑。）、结构要紧凑。（3 3）、要节省材料。）、要节省材料。（4 4）、流体在设备中的阻力要小，即压力降要小。）、流体在设备中的阻力要小，即压力降要小。（5 5）、）、要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周期长。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。的
4、换热器，以适应各种特定的工艺条件。3)、换热器的分类、换热器的分类（1 1）、）、按传热方式可分为：按传热方式可分为：直接接触式直接接触式、蓄热式蓄热式、间壁式间壁式。（2 2）、）、按其工艺用途可分为：按其工艺用途可分为：冷却器（冷却器（coolercooler）、冷凝器）、冷凝器（condensercondenser）、加热器（一般不发生相变）（）、加热器（一般不发生相变）（heaterheater）、蒸）、蒸发器（发生相变）（发器（发生相变）（evaporatorevaporator）、再沸器（）、再沸器（reboilerreboiler） 、废热锅炉（废热锅炉（waste heat b
5、oilerwaste heat boiler） 。（3）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体传热效果好，但不传热效果好，但不能用于发生反应或能用于发生反应或有影响的流体之间有影响的流体之间直接接触式直接接触式图图2-1 2-1 直接接触式换热器直接接触式换热器冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体温度较高的场温度较高的场合，但有交叉合，但有交叉污染，温度波污染，温度波动大动大蓄热式蓄热式图图2 22 2 蓄热式换热器蓄热式换热器间壁式间壁式又称表面式换热器又称表面式换热器利用间壁
6、进行热交利用间壁进行热交换。冷热两种流体换。冷热两种流体隔开，互不接触，隔开，互不接触，热量由热流体通过热量由热流体通过间壁传递给冷流体。间壁传递给冷流体。图图2 23 3 管式换热器管式换热器图图2 24 4 板式换热器板式换热器2.1.12.1.1列管式换热器的基本结构形式列管式换热器的基本结构形式1 1）、列管式换热器的主要结构：）、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。壳体、管箱、管板、换热管、折流挡板以及其它附件组成。2 2）、列管式换热器的工作原理：）、列管式换热器的工作原理：高温流体高温流体A A（红色）由管箱进入换热管，低温流体（红色）由管
7、箱进入换热管，低温流体B B （蓝色）（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。量交换。图图2 25 5 列管式换热器列管式换热器2.1.22.1.2列管式换热器的主要类型列管式换热器的主要类型从结构上分从结构上分固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器2.1.2.1 2.1.2.1 固定管板式换热器固定管板式换热器1 1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件原件膨胀节。
8、膨胀节。2 2 ）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，）、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。管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。3 3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。应力。4 4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清）、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洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。图7-2 固定管板式换热器图7-3 带补偿器的固定管板式换热器图图2 26
9、 6 固定管板式换热器固定管板式换热器图图2 27 7 带膨胀节的固定管板式换热器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。吸收热膨胀差。2.1.2.12.1.2.1浮头式换热器浮头式换热器1 1）、结构特点：一块管板固定，另一块是浮动的与浮头盖用）、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。浮头钩圈法兰相连。图图2 28 8 浮头结构图浮头结构图1 1 浮动管板浮动管板 2
10、 2 浮头钩圈法兰相连浮头钩圈法兰相连 3 3 浮头盖浮头盖2 2）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。3 3）、缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操）、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。作中无法检查。4 4）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合结垢的场合图7-4 浮头式换热器图图2 29 9 浮头式换热器浮头式换热器2.1.2.32.1.2.3 U U形管式换热器形管式换热器1 1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈）、结构特
11、点：只有一块管板，换热管呈U U形。形。图7-6 U形管式换热器图图2 210 U10 U型管式换热器结构图型管式换热器结构图2 2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。应力。3 3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。4 4） 、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、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。高压、腐蚀性大的物料。图图2 210 U10 U型管式换热管箱器型管式换热管箱器 结构图结构图图图2 210 U10
12、 U型换热管结构图型换热管结构图2.1.2.4 2.1.2.4 填料函式换热器填料函式换热器1 1）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，）、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。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。填料函式密封填料函式密封图图2 211 11 填料函式换热器填料函式换热器2 2）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。清洗方便。3 3）、缺点：填料处易泄漏。）、缺点：填料处易泄漏。4 4）、适用场合：）、适用
13、场合： 4MPa 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易以下，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。爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。2.1.3 2.1.3 列管式换热器的组成元件及其连接列管式换热器的组成元件及其连接2.1.3.12.1.3.1 换热管换热管1 1）、概述：）、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。的影响。 小管径且管壁较薄的管子在相同的壳径内
14、可以排列较多的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。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。流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管有：碳钢、低合金钢管有：19192 2、 25252.52.5、 38
15、383 3、 57573.5 3.5 ；不锈钢管有不锈钢管有25252 2、 38382.52.5。长度规格有长度规格有1.51.5、2.02.0、3.03.0、4.54.5、6.06.0、7.57.5、9.09.0、12.0m12.0m，在，在炼油厂所用的换热器中最常用的是炼油厂所用的换热器中最常用的是6m6m管长。换热管一般都用光管长。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。管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。2 2）、换热管在管板上的排列方式）、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。如图有正三角形、转角正三角形、
16、正方形和转角正方形等。如图2 21111所示。所示。流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正方形正方形转角正方形转角正方形 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。排列，浮头式换热器多用正方形排列。
17、图图2 212 12 换热管排列图换热管排列图图图2 213 13 管板管板图图2 214 14 焊接管口焊接管口2.1.3.2 2.1.3.2 管子与管板的连接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。管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。1 1）、）、胀接胀接 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。产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧
18、固连接的目的。（a a）胀管前）胀管前（b b）胀管后）胀管后图图2-15 2-15 胀管前后示意图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，设计压力压力4MPa4MPa，设计温度，设计温度300300，且无特殊要求的场合。，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开槽可以增加连接强度和紧密性度和紧密性) )。图图2-16 2-16 液压胀管
19、器液压胀管器液压胀接液压胀接机械胀接机械胀接2 2）、焊接）、焊接 焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。v优点：优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，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，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。压力较低时可使用较薄的管板。v缺点：缺点：在焊接接头处产生的热在焊接接头处产生的热 应力可能造成应力腐蚀开裂和应力可能造成应力腐蚀开裂和 疲劳破裂，同时管子、管板间疲劳破裂，同时管子、管板间 存在间隙，易出现存
20、在间隙，易出现“缝隙腐蚀缝隙腐蚀”。管板管板换热管换热管间隙间隙图图2-17 2-17 换热管焊接示意图换热管焊接示意图3 3）、焊胀结合）、焊胀结合v胀焊结合连接主要有：胀焊结合连接主要有： 强度焊密封胀强度焊密封胀先焊后胀。先焊后胀。 强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊。先胀后焊。 概念解释：密封焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；不保证强度，只防漏； 强度焊强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度； 密封胀密封胀只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。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
21、议之中。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 2.1.3.3 管板与壳体的连接管板与壳体的连接 不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同，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、种连接称为管板与壳体的不可拆连接；在浮头式、U U形管式换形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接。热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接。1 1）、不可拆连接结构）、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
22、法兰其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。作法兰的结构。图图2-18 2-18 管板兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）管板兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）图图2-19 2-19 管板不兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）管板不兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）2 2）、可拆连接结构）、可拆连接结构 在浮头式、在浮头式、U U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆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
23、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。从壳体中抽出进行清洗和维修。图图2-20 2-20 管板与壳体的可拆连接结构管板与壳体的可拆连接结构2.1.3.4 2.1.3.4 管箱、折流挡板管箱、折流挡板1 1）、管箱：）、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。通过设置隔板起分隔作用。图图2-21 2-21 三种形式的管箱结构图三种形式的管箱结构图2 2
24、）、折流挡板）、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。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、三弓形和圆盘常用的折流挡板有：单弓形、双弓形、三弓形和圆盘圆环形。圆环形。单弓形折流挡板对介质流向的影响。单弓形折流挡板对介质流向的影响。图图2-22 2-22 单弓形折流挡板单弓形折流挡板双弓形折流挡板对介质流向的影响。双弓形折流挡板对介质流向的影响。图图2-23 2-23 双弓形折流挡板双弓形折流挡板圆盘圆盘圆环形折流挡板对介质流向的影响。圆环形折流挡板对介质流向的影响。图图2-24 2-24 圆盘圆盘圆环形折流挡圆环形折流挡