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1、1/18 换热器设计思路与相关知识 一、前言 换热器分类：管壳式换热器根据结构特点可分为下列两类。1.刚性结构的管壳式换热器：这种换热器又成为固定管板式，通常可分为单管程和多管程两种。它的优点是结构简单紧凑、造价便宜和应用较广；缺点是管外不能进行机械清洗。2.具有温差补偿装置的管壳式换热器：它可使受热部分自由膨胀。该结构形式又可分成：浮头式换热器：这种换热器的一端管板能自由伸缩，即所谓“浮头”。他适用于管壁和壳壁温差大，管束空间经常清洗。但它的结构较复杂，加工制造的费用较高。U 形管式换热器：它只有一块管板，因此管子在受热或冷却时，可以自由伸缩。这种换热器的结构简单，但制造弯管的工作量较大，且
2、由于管子需要有一定的弯曲半径，管板的利用率较差，管内进行机械清洗困难，拆换管子也不容易，因此要求通过管内的流体是清洁的。这种换热器可用于温差变化大，高温或高压的场合。填料函式换热器：它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封，以保证管子的自由伸缩，当换热器内的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距比一般换热器要大，结构复杂。另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构，在浮动处采用整体填料函密封，结构较简单，但此种结构不易用在直径大、压力高的情况。填料函式换热2/18 器现在很少采用。二、设计条件的审查：1.换热器的设计，用户应提供一下设计条件（工艺参数）：管、壳程的操作压力
3、（作为判定设备是否上类的条件之一，必须提供）管、壳程的操作温度（进口/出口）金属壁温（工艺计算得出（用户提供）物料名称与特性 腐蚀裕量 程数 换热面积 换热管规格，排列形式（三角形或正方形）折流板或支撑板数量 保温材料与厚度（以便确定铭牌座伸出高度）油漆:.如用户有特殊要求，请用户提供牌号，颜色.用户无特殊要求，设计人员自己选定 2.几个重点设计条件 操作压力：作为判定设备是否上类 的条件之一，必须提供 物料特性：如用户不提供物料名称则必须提供物料的毒性程度。因为介质的毒性程度关系到设备的无损监测、热处理、锻件的级别 对于上类设备，还关系到设备的划分 a.GB150 10.8.2.1(f)图样
4、注明盛装毒性极度危害或高度危害介质的 器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一
5、端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密3/18 容器 100%RT.b.10.4.1.3 图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器，应进行焊后热处理（奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理）c.锻件.使用介质的毒性为极度或高度危害性的锻件应符合级或级要求。管规格：常用的 碳钢 192，252.5，323，385 不锈钢 192，252，322.5，382.5 换热管的排列形式：三角形，转角三角形，正方形，转角正方形。换热管间需要机械清洗时，应采用正方形排列。三、基本设计参数的确定 1设计压力，设计温度，焊接接头系数 2直径：DN400的圆筒，采用钢管。DN400的圆筒，采用钢板卷制。16
6、”钢管-与用户商量采用钢板卷制。3布置图：根据换热面积、换热管规格画布置图，确定换热管数量。如果用户提供了布管图，也要复核布管是否在布管限定圆以内。布管的原则：在布管限定圆内应布满管。多管程的各管程数应尽量相等。换热管应对称排列。器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内
7、进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密4/18 4材料 强调以下两点：换热器圆筒的碳素钢、低合金钢钢管应采用无缝钢管。符合 GB150-1998附录 A4.2 的奥氏体不锈钢焊接钢管，可用做换热器圆筒。其使用范围有一些限制：a.焊接钢管应采用不添加填充金属的自动电弧焊或电阻焊焊接方法制造。b.技术要求符合 A4.2.1：壁厚允许偏差为12.5%，弯曲度不大于 1.5/m,逐根进行涡流或射线检测，逐根
8、进行水压实验。c,使用规定按 A4.2.2；设计压力不大于 6.4Mpa;壁厚不大于 8；不得用于毒性程度为极度危害的介质；许用应力为相应钢号无缝钢管的许用应力乘以 0.85 的焊接接头系数。管板本身具有凸肩并与圆筒（或封头）连接时，应采用锻件。由于采用此种结构的管板一般都用于压力较高、易燃、易爆、以与毒性程度为极度、高度危害的场合，对管板要求较高，管板也较厚。为避免凸肩处产生加渣、分层、与改善凸肩处纤维受力的状况，减少加工量，节约材料，采用凸肩与管板直接锻造出来的整体锻件来制造管板 5换热器与管板的连接方式 管子于管板的连接，在管壳式换热器的设计中是一个比较重要的结构部分。他不仅加工工作量大
9、，而且必须使每一个连接处在设备运作中，保证器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管
10、的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密5/18 介质无泄漏与承受介质压力能力。管子与管板的连接方式主要有以下三种：a 胀接；b 焊接；c胀焊接 胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况，特别适用于材料可焊性差（如碳钢换热管）与制造厂的工作量过大的情况。由于胀接管端处在焊接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的升高，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用，所以胀接结构受到压力和温度的限制，一般适用于设计压力4Mpa，设计温度300度，并且在操作中无剧烈地震动，无过大的温度变化与无明显的应力腐蚀；焊接连接具有生产简单、效率高、连接可靠的优点。通过焊接，使管子对管板
11、有较好的增将作用；并且还有可降低管孔加工要求，节约加工工时，检修方便等优点，故应优先采用。此外，当介质毒性很大，介质和大气混合易发生爆炸介质有放射性或管内外物料混合会产生不良影响时，为确保接头密封，也常采用焊接法。焊接法虽然优点甚多，因为他并不能完全避免“缝隙腐蚀”和焊接节点的应力腐蚀，而且薄管壁和厚管板之间也很难得到可靠的焊缝。焊接法虽然较胀接可以乃更高的温度，但是在高温循环应力的作用下，焊口极易发生疲劳裂纹，列管与管孔存在间隙，当受到腐蚀介质的侵蚀时，以会加速接头的损坏。因此，就产生了焊接和胀接同时使用的方法。这样不但能提高接头的抗疲劳性能，同时可以降低缝隙腐蚀倾向，因而其使用寿命比单用焊
12、接时长的多。在什么场合下适宜施行焊、胀接并用的方法，目前尚无统一标准。通常在温度不太高而压力很高或介质极易渗漏时，采用强度胀加密封焊（密封焊是指单纯防止渗漏而施行的焊接，器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端
13、部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密6/18 并不保证强度）。当在压力和温度都很高的情况下，则采用强度焊加贴胀，（强度焊是即使焊缝有严密性，又能保证接头具有较大的拉脱力，通常是指焊缝强度等于管子轴向负荷下的强度时的焊接）。贴胀的作用主要是消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。具体的结构尺寸标准中（GB3151-1999.5.8条）已有规定，在此不再详述。对于管孔表面粗糙度的要求：a 当换热管与管板焊接连接时，管的表面粗糙度 Ra 值不大于 35uM b 单换
14、热管与管板胀接联接时，管孔表面粗糙度 Ra 值不大于 12.5uM胀接连接时，管孔表面不应有影响胀接紧密性的缺陷，如贯通的纵向或螺旋状刻痕等 四、设计计算 1 壳体壁厚计算 包括管箱短节、封头、壳程筒体的壁厚计算 管、壳程筒体壁厚应满足 GB151中最小壁厚的规定，对于碳素钢和低合金钢最小壁厚是按腐蚀裕量 C2=1mm考虑的，对于 C2 大于 1mm的情况，壳体的最小壁厚应相应增加。2 开孔补强计算 对于壳体采用钢管制的，建议采用整体补强（增加筒体壁厚或采用厚壁管）；对于比较厚的管箱上开大孔考虑综合经济性 不另行补强应满足的几点要求：设计压力2.5Mpa 器这种换热器又成为固定管板式通常可分为
15、单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密7/18 相邻两孔中心距应不小于
16、两孔直径之和的两倍 接管公称直径89mm 接管最小壁厚应表 8-1 的要求（接管腐蚀裕量为 1mm）3 法兰 设备法兰采用标准法兰时应注意法兰与垫片、紧固件的匹配，否则应对法兰进行计算。比如甲型平焊法兰在标准中与其匹配的垫片为非金属软垫片；当采用缠绕垫片应对法兰重新计算 4 管板 需注意以下几个问题：管板的设计温度：根据 GB150-1998的 3.4.6 与 GB151-1998的 3.12.1规定,应取不低于元件的金属温度,但在管板计算中无法保证管 壳程介质作用,且管板的金属温度很难计算,故一般取较高侧的设计温度为管板的设计温度(GB151标准释义 P55)多管程换热器：在布管区范围内，因
17、设置隔板槽和拉杆结构的需要而未能被换热器支承的面积 Ad：对于正三角形、正方形排列：按 GB151-1999 P28公式计算 对于转角三角形：按 压力容器工程师设计指南 P370 公式计算 Ad=1.73 2 S(Sn-0.5S)对于转角正方形：按 GB151-1999标准释义 P55 例题中公式计算 Ad=S（Sn-S）式中：S换热器管中心距 mm Sn 隔板槽两侧相邻管中心距 mm 器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造
18、的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密8/18 沿隔板槽两侧的排管数 管板的有效厚度 管板的有效厚度系指管程分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和 a 管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分 b 壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中
19、的最大植 5 膨胀节的设置 在固定管板换热器中，由于管程内流体与管程流体之间具有温差，而换热器和壳体与管版固定连接，这样在使用状态时，壳体与管子之间有膨胀差存在，壳体和管子受到轴向载荷。为了避免壳体和换热器破坏、换热器失稳、换热管从管板上拉脱，就应设置膨胀节，以降低壳体和换热器的轴向载荷 一般在壳体和换热器壁温差较大时，需考虑设置膨胀节，在管板计算中，按有温差的各种共况计算出、q，其中有一个不合格时，就需增加膨胀节 换热管轴向应力 壳程圆筒轴向应力 q换热管与管板连接的拉脱力 五、结构设计 1管箱（1）管箱的长度 a 最小内侧深度 向开孔的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管内直径的器
20、这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料
21、函密9/18 1/3 管程的内外侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积的 1.3 倍 b 最大内侧深度 考虑内件焊接和清理是否方便，尤其对于公称直径较小的多管程换热器。具体可参照钢制列管式固定管板换热器结构设计手册一书（2）分程隔板 隔板的厚度和布置按 GB151表 6 和图 15，对于厚度大于 10mm的分程隔板，密封面应削边至 10mm；对于列管式换热器，隔板上应设置泪孔（排净孔），排净孔的直径一般为 6mm 2。壳体与管束 管束级别、级管束，仅仅针对碳钢、低合金钢换热管国内标准中还存在着“较高级”和“普通级”制订的。一旦国内换热管能够采用“较高级”钢管时，碳钢、低合金
22、钢换热管束无需再分级和级、管束的区别主要在于换热管的外径、壁厚偏差不同，相应地管孔尺寸和偏差不同 级管束的精度要求高一些，对于不锈钢换热管，只有级管束；对于常用的碳钢换热管 管板 a 管孔尺寸偏差 注意、级管束的区别 器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗
23、困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密10/18 b 分程隔板槽 槽深一般不小于 4mm 分程隔板槽宽：碳钢 12mm；不锈钢 11mm 分程隔板槽拐角处的倒角一般为 45 度，倒角宽度 b 近似等于分程垫片的圆角半径 R。折流板 a 管孔尺寸：按管束级别区分 b 弓形折流板的缺口高度 缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束的流速相近，缺口眩高一般取0.20 0.45 倍的圆角内直径，缺口一般切在管排中心线以下或
24、切于两排管孔的小桥之间(便于穿管方便)。C 缺口方位 单向清洁流体，缺口上下布置；气体中含少量的液体，缺口朝上的折流板的最低处开通液口；液体中含少量气体，缺口朝下的折流板的最高处开通气口 气液共存或液体中含有固体物料时，缺口左右布置，并在最低处开通液口 d 折流板的最少厚度；最大无支撑跨距 e 管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出、口接管 拉杆 a 拉杆的直径和数量 直径和数量按表 43，44 选用，在保证大于或等于表44 所给定的拉杆截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于 10mm，器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用
25、较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密11/18 数量不小于 4 根 b 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热
26、器，在布管区或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不小于 3 个支撑点 c 拉杆螺母，有的用户要求下面一个螺母与折流板电焊 防冲板 a 防冲板的设置是为了减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀 b 防冲板的固定方式 尽可能固定在定距管上或靠近管板的第一块折流板，当壳程进口位于非固定拉杆的管板的一侧时，防冲板可焊在筒体上 膨胀节的设置 a 位于两侧折流板之间 为了减少膨胀节的流体阻力，必要时可在膨胀节内侧设置一个衬筒，衬筒应在顺流体流动方向上与壳体焊接，对于立式换热器，当流体流动方向朝上时，应在衬筒下端设置排液孔 b 膨胀节的保护装置，防止设备在运输过程中或使用中拉坏 管板与壳体的
27、连接 a 延长部分兼作法兰 b 不带法兰的管板（GB151附录 G）3 管法兰：设计温度大于等于 300 度，应采用对接法兰。对于不能利用接管式接口进行放弃和排泄的换热器，应在管、壳程最高器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管
28、板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密12/18 点设置放气口、最低点设置排液口，其最小公称直径为 20mm。立式换热器可设置溢流口 4支座：按 GB151种 5.20 条的规定 5.其他附件 吊耳 质量大于 30Kg 的官箱与管箱盖宜设置吊耳 顶丝 为了便于拆卸管箱、管箱盖，应在官板、管箱盖上设置顶丝 五、制造、检验的要求 1管板 拼接管板的对接接头进行 100%射线检验或 UT,合格级别：RT：级 UT:级 出不锈钢外，拼接的管板消除应
29、力热处理 管板孔桥宽度偏差:按公式进行计算孔桥宽度：B=(S-d)-D1 孔桥最小宽度：B=1/2(S-d)+C 2管箱热处理：碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱，以与管箱的侧向开孔超过 1/3圆筒内直径的管箱，在施焊后作消除应力热处理，法兰与隔板密封面应在热处理后加工。3压力试验 当壳程设计压力低于管程压力时，为了检查换热管与管板连接的质量好坏 将壳程压力提高到与管程试验压力一致进行水压试验，来检查管接头是器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又
30、可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密13/18 否泄漏。（单需保证水压实验时壳体的一次薄膜应力0.9 上述方法不合适时，可对壳体按原来的压力进行水压试验合格后，再对壳体进行氨渗漏试验或卤素检漏试验。六、图面上应注意的
31、一些问题 1.注明管束级别 2.换热管应写明标注号 3.管板布管轮廓线外设为封闭的粗实线 4.装配图中应标出折流板缺口方位 5.标准膨胀节排液孔,排气孔上的管接头、管塞是否要出图 此帖被 tianyudan11在 2009-05-01 20:10重新编辑 能源是当前人类面临的重要问题之一,能源开发与转换利用已成为各国的重要课题,而换热器是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用,化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛.近几年由于新技术发展和新能源开发利用,各种类型的换热器越来越受到工业界的重视,而换热器又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能
32、源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义.1 换热器的分类 器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但
33、管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密14/18 1.1 直接传热式换热器.一种不需传热壁面,由冷流体与热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器,此类换热器常用于工业生产中.1.2 间壁传热式换热器.冷、热流体通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作过程的换热器,是最普通的也最常用的换热器,冷、热流体都是流体,可以是空气、烟气、蒸汽、水.这是本文重点进行讨论的换热器类型.1.3 蓄热式换热器.系间歇传热,在废热再生器中是切实可行有效的回收废热的方式,常被用于回收燃烧气体的废热以与蒸汽等用量不均时作为调节手段.2 几种换热器的特点与使用在实
34、际设计选型中,往往是已知高温流体与低温流体的两侧进出口温度,在做工艺设计选型时,需要考虑的是有尽可能小的换热面积下,有尽可能大的换热速率,以与较低的设备造价与施工费.另外,在操作运行与维护清洗较方便的前提下考虑换热器的设计选型传热基本方程式:从上式可以看出,在一定的流速下,雷诺数越大,传热系数越大,同时,压力降也越大.2.1 管壳式换热器.管壳式换热器是最常用的普通结构,它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等.固定管板式换热器具有结构简单、重量轻、造价低等优点;缺点就是由于热膨胀而引起管子拉弯.U 型管壳式换热器就器这种换热器
35、又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密15/
36、18 是克服此缺点将管子作成U型,一端固定另一端活动,使得换热器不受膨胀的影响,结构较简单,重量轻,其缺点是不能机械清洗、管子不便拆换、单位容量与单位质量的传热量低,适用于温差大、管内流体介质比较干净的场合带膨胀节式换热器可解决膨胀问题,用膨胀接头的结构,故适用温差大的流体和高压流体,因为可将接头拆下来进行清洗,所以可处理易结垢流体,而对低压气体则不适宜,但其缺点就是制造复杂.浮头式管壳换热器,其浮头不与外壳相连,可自由伸缩,这样既解决了热膨胀的问题,也方便清洗,检修时可将管芯抽出即可对于固定管板、列管、套管式换热器每一外壳容积为 1m3 时,其传热面积约为 30 40m3.对 U 型管壳式换
37、热器、浮头式换热器每一外壳容积为 1m3 时,其传热面积为 70m2左右.2.2 板式换热器.由于板式换热器的传热面上可以压出凹凸形排液槽,在较低的雷诺数条件下既可出现紊流状态,故换热系数较高,一般可达30005000Kcal/m2.h.,与同样流速下的管壳式换热器相比,此值约为管壳式换热器的传热系数的 35 倍,虽然,这时板式换热器的阻力会大一些,如在同样耗功的条件下相比,则板式换热器的放热系数比管壳式的高一倍左右.由于板式换热器的结构紧凑、空隙小、因而单位体积的传热面积增大,其安装面积约为管壳式的 1/2 1/3,可节省占地面积与施工费用,每一外壳容积为 1m3 时,其传热面积为 80m2
38、左右,另外,板式换热器容易增减换热面积,对于管壳式换热器在需要增加液体的处理量时,原有热交换器的传热面积几乎不可能增加,但板式换热器的传热面积却很容易增加,从而增加处理能力,另外,板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中,因此,器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进
39、行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密16/18 散热损失可忽略不计,也不需保温措施.板式换热器在运行维护方面的特点之一就是装拆比较方便,甚至可以不必完全拆开,仅把压紧螺栓松开就可抽出板片清洗、更换垫圈,以至更换板片.这对于换热介质容易产生沉积的物料就显得尤为重要.允许用的温度和压力方面:用于板式换热器靠每两板片之间的垫圈,来防止物料泄漏,因而它的密封周边的总长非常长,防止垫圈泄漏是板式换热器的一个重
40、要环节,垫圈能承受的温度、压力和化学稳定性也常常成为板式换热器使用的温度和压力极限以与允许用的物料范围.另外,由于传热面之间的间隙小,传热面上有凹凸,因此比传统的光滑的压力损失大,另外,板式换热器所承受的工作压力较低.2.3 板翅式换热器.由于翅片的特殊结构,使流体在通道中形成强烈的紊动,就使热阻边界层不断破坏,从而有效地降低了热阻,提高了传热效率.一般沸水的给热系数是 1500 30000Kcal/m2.h.另外板翅式换热器的结构比较紧凑,单位体积的传热面积,一般要比列管式换热器热效率大 5 倍以上,每一外壳容积为 1m3时,其传热面积为 160m2左右.板翅式换热器较轻巧而牢固,由于翅片很
41、薄,一般为 0.2 0.3mm,而由于结构紧凑、体积小,一般有用铝制造,因而重量很轻,同时,翅片既是主要的传热表面,又是两隔板的支撑,故强度高.板翅式换热器适应性强,在同一设备内可允许有 29 种介质换热,且可用于气体-气体、气体-液体、液体-液体之间的热交换.主要缺点:因流道狭小,容易引起堵塞而增大阻力降,当换热器结垢以后,清器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可
42、以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密17/18 洗十分困难,而且由于换热器的隔板和翅片都是很薄的铝板(箔)作成,故要求介质对铝不产生腐蚀,若一旦腐蚀而造成内部串漏,则很难修补.3、热管式换热器热管是利用封装在密闭容器内液体的蒸发与凝结过程,有效地输送热量的一种传热装置.用若干热管作为换热元件而组装的
43、换热器称为热管式换热器.热管式换热器多用于气-气热交换,这时,热管两端的受热段和放热段装有翅片,以提高传热效果.热管式换热器优点在于传热面基本上是等温的,每单位体积的传热面积较大,选择不同的工作工质,可使热管在不同的温度条件下使用,结构比较简单,由热膨胀等引起的问题较小.但是,热管式换热器的首要问题,是作为传热元件的热管内的工质对于所使用的工作环境是有一定临界热输送量和工作温度的极限的,如果超越这一极限温度继续工作,则蒸发段就会烧干而停止工作.4、结束语 在伴有加热或冷却的操作中,总是存在着各种各样的传热过程,狭义的换热器仅注意回收热量的意义,只是看到传热装置,回收热量的不同和回收的有效程度等
44、的重要性.但通过换热器对废热的回收,使冷流体热焓值得到提高,从而进一步有效地利用了这些废热,这就使换热器有了新的价值,同时对其他也有了新的认识.一般对换热器总是希望冷流体出口温度高些才有利,但是,也不能要求有无限大的传热面积.同时,又因为冷流体两种流体流量比、流体状态、有无传热壁面、设备结构、操作方法等因素,不仅影响传器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩
45、这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密18/18 热设备,同时也影响传热过程,所以,对这些因素不仅明确地加以区别是比较困难的,而且也受到换热器选型范围的约束.器这种换热器又成为固定管板式通常可分为单管程和多管程两种它的优点是结构简单紧凑造价便宜和应用较广缺点是管外不能进行机械清洗具有温差补偿装置的管壳式换热器它可使受热部分自由膨胀该结构形式又可分成浮头式换热加工制造的费用较高形管式换热器它只有一块管板因此管子在受热或冷却时可以自由伸缩这种换热器的结构简单但制造弯管的工作量较大由于管子需要有一定的弯曲半径管板的利用率较差管内进行机械清洗困难拆换管子也不容易因种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封以保证管子的自由伸缩当换热器内的管子数目很少时才采用这种结构但管距比一般换热器要大结构复杂另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构在浮动处采用整体填料函密