化工原理 第六章 換熱器

1、第一節(jié) 間壁式換熱器的類型一、夾套式換熱器如圖所示，為一夾套式換熱器。這種換熱器結構簡單，即在反應器(或容和的外部筒體部分焊接或安裝一夾套層，在夾套與器壁之間形成密閉的空間，成為一種流體的通道。夾套式換熱器主要用于反應器的加熱或冷卻。當蒸氣進行加熱時，蒸氣由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管排出。如用冷卻水進行冷卻時，則由夾套下部接管進入，而由上部接管流出。由于夾套內部清洗比較困難，故一般用不易產生垢層的水蒸氣、冷卻水等作為載熱體。這種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受到容器冷凝液的限制，因此適用于傳熱量不大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內安裝攪拌器，使容器內液體作強制對流。為了彌補傳熱面

2、積的不足，還可在容器內加設蛇管等。當夾套內通冷卻水時，可在夾套內加設擋板，這樣既可使冷卻水流向一定，又可使流速增大，以提高對流傳熱系數(shù)。二、蛇管式換熱器1.沉浸式蛇管換熱器如圖所示，為一沉浸式蛇管換熱器。蛇管多以金屬管彎繞成窗口器的形狀，沉浸在容器中的液體內。兩種流體分別在管內、外流動進行熱交換。沉浸式蛇管換熱器這種換熱器的優(yōu)點是結構簡單，價格低廉，便于防腐，能承受高壓。其主要缺點是管外對流傳熱系數(shù)較小，因而傳熱系數(shù)K值也較小如在容器內加設攪拌器，則可提高傳熱系數(shù)。2.噴淋式蛇管換熱器噴淋式蛇管換熱器如圖所示，它是用水作為噴淋冷卻劑，以冷卻管內的熱流體，故常稱為水冷器。冷卻水從上面的水槽(或分

3、布管)中淋下，沿蛇管表面下流，與管內的熱流體進行熱交換。這種設備通常放置在室外空氣流通處，冷卻水在外部汽化時，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。它與沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修、清洗和傳熱效果較好等優(yōu)點；其缺點是占地較大，噴淋不易均勻，耗水量大。三、套管式換熱器如圖所示，為一套管式換熱器。這種換熱器是由兩種不同直徑的管子裝成同心套管，每一段直出口-管稱為一程，程數(shù)根據(jù)換熱任務和要求確定。每程的有效長度為46m，內管直徑在3889mm范圍內選取，外管直徑在60114mm范圍內選取，一般均選標準管。套管換熱器的優(yōu)點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要易于增減，恰當?shù)剡x擇內管和外管的直徑，可

4、使流體流速增大，且呈浦流狀態(tài)，故一般具有較高的傳熱系數(shù)，同時也可減少垢層的形成，兩種流體可始終保持逆流流動，傳熱效果較好。其缺點是單位傳熱面積的金屬消耗量大，占地較大。故一般適用于流量不大、所需傳熱面積較小及高壓的場合。四、列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是目前石油化工生產中應用最廣泛的一種換熱器。它與其它換熱器相比，主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構比較簡單，處理能力大，適應性強，操作彈性大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中應用更為普遍。1.列管換熱器的結構列管換熱器主要由殼體、管束(換熱管)、管板(又稱花板)、頂蓋(又稱封頭)和連接管等部件組成。殼體內裝有管束，管

5、束是由許多無縫鋼管兩端固定在管板上組成的，固定的方法可用脹接法，也可用焊接法。一種流體通過管內流動，其行程稱為管程，另一種流體在殼體與管束間的空隙流動，其行程稱為殼程。流體一次通過管程的稱為單管程列管換熱器。當換熱器的傳熱面積較大時，管子數(shù)目較多，為提高管程的流體流速，常將管子平均分成若干組，使流體在管內依次往返多次通過，稱為多管程。增加管程數(shù)雖然可以提高流速使對流傳熱系數(shù)增大，但隨著管程數(shù)增加，流體流動阻力增大，動力費用增加，結構也變得復雜，故管程數(shù)不宜過多，通常多為2、4、6程。同樣，為提高殼程的流體流速，增大殼程側的對流傳熱系數(shù)。當常在殼程安裝折流擋板，以常見的折流擋板有圓缺形(或稱弓形

6、)和圓盤形兩種，前者應用較為廣泛。圓缺形折流擋板圓盤形折流擋板2.列管式換熱器的基本型式列管式換熱器操作時，由于冷、熱兩流體溫度不同，使殼體和管束的溫度也不同，其膨脹程度就不同。如果兩流體的溫度相差較大(如50以上)時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲和斷裂、或管子從管板上松脫，因此就必須從結構上采取適當?shù)臏夭钛a償措施，以消除或減小熱應力。根據(jù)采取熱補償?shù)拇胧┎煌泄苁綋Q熱器常有以下三種基本形式。(1)固定管板式換熱器如圖所示，為具有補償圈(或稱膨脹節(jié))的固定管板式列管換熱器，當殼體與管束間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形，來適應殼體與管束間的不同熱膨脹。這種補償結構一般適用于殼體與

7、管束間的溫度差低于50，殼程壓力小于6kgf/cm2的情況。這種換熱器具有結構比較簡單、造價低廉的優(yōu)點；但其缺點是因管束不能抽出而使殼程清洗困難，因此要求殼程的流體應是較清潔且不易結垢的物料。(2)浮頭式換熱器如圖所示，為一浮頭式換熱器，兩端管板中有一端不與殼體固定相連，該端稱為浮頭。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭就可在殼體內自由伸縮，而與殼體無關，從而解決熱補償問題。另外，由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修，所以浮頭式換熱器應用較為普遍，其缺點是結構比較復雜，金屬消耗量多，造價較高。(3)U形管式換熱器如圖所示，為一U形管式換

8、熱器，每根管子都彎成U形，兩端均固定在同一管板上，因此管子可以自由伸縮，從而解決熱補償問題。這種型式換熱器結構較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓的情況。其主要缺點是管程清洗比較困難，且因管子有一定彎曲半徑，管板利用率較低，管程不易清洗，因此管程流體必須清潔。上述三種型式的列管式換熱器，我國已有系列化標準，其規(guī)格和系列標準課本P298-303。五、其它類型換熱器除了上述幾種在煉油及石油化工生產中普通應用的換熱器外，還有其它類型的換熱器。目前應用雖然不太普遍，但由于這些換熱器具有設備緊湊句單位體積傳熱面積大、金屬材料耗量少及傳熱效果好等優(yōu)點，其使用范圍正日益擴大。下面簡單介紹幾種。1.翅片式換熱器為

9、了增加傳熱面，提高傳熱效果，在換熱管表面上加上縱向(軸向)或橫向(徑向)翅片，稱為翅片換熱器，常見的幾種翅片形式如圖5-36所示當相互換熱的兩流體的對流傳熱系數(shù)相差較大時，如用水蒸氣加熱空氣或粘性大的液體，用空氣冷卻熱的液體時，則空氣或粘性大的液體一側的熱阻為控制性熱阻。此時，如在換熱管的氣體或粘性大的液體一側增設翅片，既可增大了氣體一側的對流傳熱面積(翅片的面積為光滑管面積的29倍)，又可增強氣體流動的湍動程度，從而提高了換熱器的傳熱效果。一般來說，當兩流體的對流傳熱系數(shù)之比等于或大于3時，為強化傳熱，宜采用翅片式換熱器。翅片的種類很多，按其高度可分為高翅片和低翅片兩種。高翅片適用于冷、熱流

10、體的對流傳熱系數(shù)相差大的場合，如氣體的加熱或冷卻。低翅片多為螺紋管，適用于冷、熱流體的對流傳熱系數(shù)相差不太大的場合，如粘度較大流體的加熱或冷卻等。目前，在煉油和石油化工中，翅片式換熱器較為重要的應用是空氣冷卻器(簡稱空冷器)，由翅片管束、風機和支架組成。熱流體進入各管束中，經冷卻后匯集于排出管排出。冷空氣由軸流式通風機吹過管束，通風機裝在管束下方稱為強制式空冷器；通風機裝在管束上方稱為引風式空冷器。由于管外增設了翅片，這樣既增大了傳熱面積，同時又增強了管外空氣的端流程度，因而就減少了管子內、外對流傳熱系數(shù)過于懸殊的影響，從而提高了換熱器的傳熱效果?？绽淦鞯膬?yōu)點是不用冷卻水，動力消耗較水冷低。主

11、要缺點是：熱介質入口溫度較低(例如70-80)用空冷溫差太小；介質凝點太高(例如高于5)，用空冷時可能在局部地方易于造成管子堵塞；介質出口溫度要求較低，用空冷在夏季難于滿足要求。2.螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器是一種新型換熱器，是由兩張平行的薄鋼板焊接在一塊分隔板(中心隔板)上，并卷制成一對互相隔開的螺旋形流道。兩板之間焊有定距柱以維持流道的問距，同時也增強螺旋板的剛度。螺旋板的兩端焊有蓋板，兩端面及螺旋板上設有冷、熱流體進、出口接管。冷、熱流體分別在兩個螺旋形流道中流動，通過螺旋板進行熱量交換。如圖所示。螺旋板式熱交換器1、2-金屬片 3-隔板 4、5-冷流體連接管 6、7熱流體連接管螺旋板

12、式換熱器的直徑一般在1.6m以內，板寬為2001200mm，極厚為24mm，兩板間距為525mm。常用材料為碳鋼或不銹鋼。螺旋板式換熱器的主要優(yōu)點是結構緊湊，單位體積所提供的傳熱面積大(約為列管式換熱器的三倍)；流體允許有較高的流速(液體可達2m/s，氣體可達20m/s)，湍流程度大，傳熱系數(shù)較大(約為列管換熱器的12倍)；可實現(xiàn)純逆流操作；不易結垢，不易堵塞。其主要缺點是操作壓力和溫度不宜太高，流體流動阻力較大，不易檢修，且對焊接質量要求很高。故一般操作壓力低于2Okgf/cm2，溫度在300400以下。3.板式換熱器板式換熱器是由一組矩形金屬薄板平行排列、相鄰板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝

13、而成。板片四角開有圓孔，形成流體通道，冷、熱流體分別在同一板片兩側流過，通過板片進行換熱。為其組裝流。板片厚度為0.53mm，通常壓制成各種波紋形狀。流體流向示意圖 水平波紋板板式換熱器的主要優(yōu)點是:結構緊湊，單位體積設備提供的傳熱面積大，約為2501000m2/m3，而列管式換熱器只有40150m2/m3；傳熱系數(shù)高，對低粘度液體傳熱，傳熱系數(shù)可達15004700W/(m2.)，最高可達7000W/(m2.)，操作靈活，適應性大，可以根據(jù)需要增減板數(shù)以調整傳熱面積，加工制造容易、檢修清洗方便、熱損失少。其主要缺點是:因受到板片剛度、墊片種類及溝槽結構的限制，允許的操作壓力較低；因受墊片材質的

14、限制，操作溫度不能太高，對合成橡膠墊片，操作溫度不超過130，對壓縮石棉墊片也應低于250；因板間距小，流道截面小，流速不能過大，所以處理量較小，不易密封，易泄漏，易于堵塞。4.熱管換熱器熱管換熱器是一種新型、高效、節(jié)能換熱器，廣泛使用于航天航空業(yè)，并逐步用于加熱爐對流室煙氣余熱回收中。它是由數(shù)根熱管組成的。熱管外部裝有翅片以提高傳熱效果。熱管管束中間裝有隔板，冷、熱流體分別在隔板的兩側流動，通過熱管進行熱量傳遞。其工作原理為:當熱管的兩端分別被加熱(與熱流體接觸)和冷卻(與冷流體接觸)時，被加熱的一端(稱為蒸發(fā)段)管中的液體吸熱蒸發(fā)成為蒸氣，蒸氣沿管中心通道向另一端(稱為冷凝段)并在此冷凝放

15、出熱量，由于多孔管芯毛細作用，冷凝下來的液體又會自動地沿管芯流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復，通過工作介質的蒸發(fā)、冷凝，將熱量由熱流體傳遞至冷流體。熱管換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點。熱管的結構及工作原理1-管殼 2-管芯 3-凝液流 4-蒸氣流 5-隔板第二節(jié) 列管式換熱器的選用及校核計算一、列管式換熱器的選用及設計原則(一)形式與結構的選定1固定管板式與浮頭式的選擇固定管板式與浮頭式相比，其結構簡單，造價低(約相差20%)，所以在工藝條件允許時應優(yōu)先使用。但固定管板式的管束與殼體要承受較大的膨脹應力，且管束無法抽出清掃，故當冷熱兩流體的極限溫度超過50或殼程流體易生垢、

16、有腐蝕時應當選用浮頭式。2管束形式及管徑、管長的選擇目前，國產浮頭換熱器系列中，F(xiàn)、FA型為192mm管子，正三角形排列；FB型為252.5mm管子，正方形斜轉450排列。正三角形排列單位傳熱面金屬耗量低，小管徑有利于傳熱，還可承受較高的壓力，但殼程不易清掃，故只與殼程流體潔凈時才優(yōu)先選用FB系列。固定管板換熱器系列中管長有1.5、2、3、6m四種；浮頭式只有3、6m兩種，對單位傳熱面積而言，長管比短管節(jié)省金屬，對煉油廠常用的大型換熱器，一般都采用6m長的管子。3.折流擋板的選擇前已述及，安裝折流擋極可以提高殼程流體的速度，使端流程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。下面就常用的橫向圓缺形折流擋板

17、作一簡要介紹。圓缺形折流擋板切去的弓形高度約為外殼內徑的10%40%，一般取20%25%。因形缺口太大或太小都會產生死角不利于傳熱。兩相鄰折流擋板間的距離(板間距)B約為外殼內徑的0.21.0倍。系列標準中采用的B值，對固定管板式的有150、300和600mm三種；對浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過大時，不能保證流體垂直地流過管束，使殼程對流傳熱系數(shù)下降；板間距過小時，不僅制造、檢修困難，且阻力損失也大。折流擋板切去的弓形高度及板間距對流體流動的影響如圖所示。 擋板缺口高度和板間距的影響(a)缺口高度過小，板間距過大；(b)正常；(c)缺口高度過高，板間距過小

18、4. 殼徑的選定殼徑越大，單臺換熱器傳熱面積越大，單位傳熱面金屬耗量越低，即用一臺大換熱器比用多臺小型換熱器經濟。但殼徑的選擇還需根據(jù)殼程流速及殼程數(shù)對平均溫差的影響綜合考慮。(二)管程和殼程的確定主要是根據(jù)流體的性質、流量、生垢及腐蝕情況等因素，并依據(jù)有利傳熱、減少壓降、便于操作與清掃等原則來確定。一般可按下列原則處理：(1)不潔凈或易結垢的流體應流經易清洗的一側。對于固定管板式換熱器上述物料應流經管程，而對于U形管式換熱器應流經殼程，對浮頭式換熱器，流經管程或殼程均可。(2)需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體應流經管程。(3)具有腐蝕性的流體應流經管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。(4)

19、壓力高的流體宜流經管程，以免殼體受壓。(5)飽和蒸筑或沸騰液體應走殼程。因有相變化時對流傳熱系數(shù)很大，不需要用提高流速的方法來強化傳熱過程，同時也便于排出冷凝液。(6)粘度大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在設有折流擋板的殼程中流動低的雷諾數(shù)(Re 100)下即可達揣流，以利于提高殼程的對流傳熱系數(shù)。(7)需要冷卻的流體一般流經殼程，便于散熱。以上各點往往不能同時兼顧，應視具體問題，首先考慮流體的壓力、防腐蝕及清洗等要求，綜合、權衡考慮，以便作出較恰當?shù)倪x擇。(三)操作條件的確定1流速流體在管程或殼程的流速大小，不僅影響傳熱效果，而且也影響流體阻力、動力消耗。增大流速可以提高對流傳熱系數(shù)，減少

20、污垢，降低污垢熱阻，防止流體中的雜質沉積。但是流速增大，會使流體阻力增大，動力消耗增多。因此，選擇適宜的流速十分重要。通常可根據(jù)經驗，確定一合理的壓降，從而求出其相應的流速。推薦的合理壓降可參考表6-3。此外，為避免設備磨損，還可參考不同情況下經驗流速的最大值，使所算出的實際流速不超過該值。例如，烴類的管內員大流速為：2.73.0m/s(若含固體顆粒，如催化裂化油漿則最大流速1.8m/s)。冷卻水最高流速不超過3.0-3.5ms而最低流速不應低于0.6-0.9m/s，以免引起嚴重結垢。殼程流體的最大允許流速一般約為管程的一半左右。液體在換熱器內的常用流速可參考課本P305表6-4及表6-5。總

21、之，流速的確定，既要保證有利于傳熱(避免在層流下操作)，又要使換熱器的壓降在合理范圍內，不可兼得時應服從主要矛盾的解決。2換熱終溫終溫即流體出口溫度。當終溫可以人為選定時(例如冷卻水出口溫度可由設計考選定)其數(shù)值對換熱器的經濟合理性有較大的影響。如果要求終溫過于苛刻(即接近極限溫度)，則使平均溫差急劇下降，導致所需傳熱面積大大增加，所回收的熱量與增加的設備投資不成比例，這是不合理的。特別是對于錯流或多管程換熱器，不應出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，即不希望冷流出口溫度高于熱流出口溫度(或熱流出口低于冷流出口溫度)。不能改變溫度時，只能用多個換熱器串聯(lián)或改用逆流操作換熱器。二、對流傳熱系數(shù)的計算1管程的對流傳

22、熱系數(shù)按管內對流傳熱系數(shù)的計算方法計算。前面已介紹。2.殼程對流傳熱系數(shù)的計算 具有缺圓形折流板的殼程給熱系數(shù)的計算方法很多，比較有代表性的有；貝爾(Bell)法、寇恩(Kern)法、多諾霍(Donohue)法，其中貝爾法的精度最高，但所需要已知的條件也較多(如殼與管束之間的間隙，管與折流板之間的間歐等)，計算較為繁瑣；寇恩法只適用于折流扳缺口供高與殼徑之比為25的情況，故本節(jié)推薦用多諾霍公式計算。流體橫過管束與通過折流板缺口時的平均質量流速，kg/(m2s) 兩折流板之間，靠近殼中心線處的管間流通面積；對標淮換熱器可直接由表62查得，也可用以下公式計算：式中 B折流板間距，m； 最靠近殼中心

23、線的管排處的殼徑,m最靠近殼中心線的管排的管子根數(shù)；折流板缺口的管間流通截面積，m2。弓形面積系數(shù)，與缺口拱高hB的關系見表6-6；折流板缺口內的管子根數(shù)。國產系列的見表6-2。國產換熱器系列的折流板缺口拱高hB0.2-0.3Ds可由表6-2查得。多諾霍公式適用范圍：三、平均溫度差的計算列管式換熱器平均溫度差的計算前面已講過。（略）四、換熱器的壓降 壓降亦即通過換熱器的流動阻力或能量損失，是一項重要的工藝指標。在設計中僅僅從傳熱的角度考慮是不夠的；通常隨著流速的增加，給熱系數(shù)提高，所需的傳熱面積減少，但另一方面卻導致壓降急劇增加，從而增加了泵的功率、提高了設備及管件、閥件的等級。因此，在選用及

24、設計換熱器時應進行壓降的檢驗，以保證其數(shù)值在一合理范圍之內。換熱器壓降一般分兩部分考慮。(一)管程壓降管程壓降的計算相般管路并無不同，單殼程換熱器的管程壓降可由下列三部分明力組成：1.直管阻力2.局部阻力指管程流體在管箱及浮頭中改變方向時的局部阻力損失，可由下式估計： 2式中 局部阻力系數(shù)，對多管程：34，對單管程：=23流體通過進出口接管的阻力 式中進出口管內流速，ms。數(shù)值相對較小，在中、高壓操作時，此項常常忽略不計。如果考慮管內結垢對阻力的影響，一臺換熱器管程總壓降應為管程結垢阻力校正系數(shù)，對液體而言，F(xiàn)B及固定管板系列：=1.4；F和FA系列：=1.5；對氣體則=1.0。(二)殼程壓降對于殼程壓力降的