換熱器的結(jié)構(gòu)及操作

1、第五章 傳熱設(shè)備概述在化工生產(chǎn)中，為了保證化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行，使化學(xué)反應(yīng)維持在一定溫度和壓力下進(jìn)行。有時(shí)需要加熱，有時(shí)需要冷卻。因此合理而有效地進(jìn)行傳熱是化工生產(chǎn)中十分重要的基本操作之一。1.傳熱的基本方式根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱。熱傳導(dǎo):是依靠物體內(nèi)分子的相互碰撞進(jìn)行的熱量傳遞過程。對流傳熱:流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀相對位移而引起的熱量傳遞過程，對流傳熱只能發(fā)生在液體或氣體流動(dòng)的場合。輻射傳熱:熱量以電磁波的形式在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射與熱傳導(dǎo)和對流傳熱的最大區(qū)別就在于它可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。2.傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換

2、方式傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換可分為三種基本方式，直接混合式換熱，間壁式換熱，蓄熱式換熱三種。1)直接混合式換熱：冷、熱流體直接接觸，相互混合傳遞熱量。該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許混合的場合。2)蓄熱式換熱：蓄熱式換熱是在蓄熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換的一種換熱方式。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然后與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。3)間壁式換熱：冷、熱流體被固體壁面(傳熱面)所隔開，互不接觸，它們在壁面兩側(cè)流動(dòng)，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流

3、體。適用于冷、熱流體不允許混合的場合。第一節(jié) 換熱器換熱器：能實(shí)現(xiàn)冷熱流體之間熱量交換的裝置。1.換熱器的分類1.1按傳熱面結(jié)構(gòu)分：1)管式換熱器可分為列管式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、噴淋式換熱器、翅片管式換熱器；2)板式換熱器可分為平板式換熱器、翅片板式換熱器、螺旋板式換熱器、板殼式換熱器；1.2按用途分：1)預(yù)熱器：用于預(yù)熱物料；2)加熱器：用于流體，產(chǎn)品的加熱；3)冷卻器：用于流體的冷卻；4)冷凝器：用于流體、蒸汽的冷凝，分餾過程的餾分回收或產(chǎn)生真空；5)再沸器：用于被精餾物料的加熱、汽化；1.3按傳熱方式分:直接混合式換熱器，間壁式換熱器，蓄熱式換熱器三種。其中間壁式換熱器在

4、化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。2.間壁式換熱器列管式換熱器固定管板式換熱器U形管式換熱器浮頭式換熱器套管式換熱器翅片管式換熱器螺旋板式換熱器板式換熱器夾套式換熱器板翅式換熱器器蛇管式換熱器沉浸式蛇管換熱器噴淋式蛇管換熱器間壁式換熱器2.1列管式換熱器列管式換熱器是目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱設(shè)備。它主要由殼體、換熱管、封頭、管板、折流擋板等部件組成。列管式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結(jié)構(gòu)簡單，制造材料的范圍較廣，操作彈性較大等，因此，在高溫高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。2.1.1列管式換熱器的基本型式:1)固定管板式其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩塊管板分別焊接于殼體的兩端，管

5、束兩端焊接或脹接在管板上，封頭用螺栓與管板相連，封頭與管板之間的空間構(gòu)成流體的分配室。為了提高殼內(nèi)流體的流速，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量與管束垂直的折流擋板。常用的擋板形式有圓缺形(又稱弓形)和盤環(huán)形兩種(見圖)。由于管板與殼體、管子都焊在一起，位置完全固定不變，故稱為固定管板式。整個(gè)換熱器分為兩部分：換熱管內(nèi)的通道及與其兩端相貫通處稱為管程；換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。若管流體一次通過管程，稱為單管程。流體在管內(nèi)依次往返多次，則稱為多管程。常采用二管程和四管程(見圖)。固定管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便。其缺點(diǎn)是殼程不能進(jìn)行機(jī)械清洗；當(dāng)換

6、熱管與殼體的溫差較大時(shí)，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。1隔板2殼體3折流擋板折流擋板具有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器由于冷熱流體的溫度不同，外殼和管子的溫度也必然會(huì)有所差異，會(huì)導(dǎo)致外殼和管子熱膨脹的程度有所不同，嚴(yán)重時(shí)可將管子扭曲變形，或管子從管束上脫落。當(dāng)外殼和管子的溫差超過50時(shí)，就必須采取措施來減小或消除它們之間因熱膨脹量不同所造成的影響，固定管板式換熱器采用補(bǔ)償圈來消除管子與殼體的熱膨脹量不同引起的熱應(yīng)力的影響。它與普通固定管板式換熱器的不同，就在于在殼體上具有一圈通

7、過滾壓或焊接的波形補(bǔ)償圈(又稱膨脹節(jié))，這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，但補(bǔ)償能力有限，它只能在管子與殼體的溫度差不大于6070的情況下使用。另外，當(dāng)殼程流體壓強(qiáng)大于6atm時(shí)，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，也會(huì)失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔谩?)U型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只有一個(gè)管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)低；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗比較困難：由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低，在同樣的體積下所提供的傳熱面積較小；只有一塊管板支撐管束

8、，操作中易發(fā)生振動(dòng)。內(nèi)層管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高(一根U形管相當(dāng)于兩根直管)。U型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，并可節(jié)約材料和減少熱損失。3)浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將管側(cè)一端的管板用法蘭固定到殼體上，另一端管板可以在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板之間若密封不嚴(yán)，

9、發(fā)生內(nèi)漏，會(huì)造成兩種介質(zhì)的混合。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。2.1.2選擇適宜的流體走管程和殼程1)不潔凈的，易結(jié)垢的或帶固體顆粒的流體適宜走管程，便于清洗(一般冷卻水含雜質(zhì)多，硬度高，易結(jié)垢，走管程)；2)腐蝕性的或高溫高壓的流體宜走管程，從而避免管束和殼體同時(shí)受腐蝕和受壓；3)粘度較小，流量小的流體；被加熱的或不易加熱的流體宜走管程；4)被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，但冷凍劑卻最好走管程，因?yàn)楣艹虩釗p失??；5)飽和蒸汽宜走殼程，因?yàn)檎羝容^潔凈，還便于排出不凝氣和冷凝液；2.2換熱器的基本操作和常見故障處理蒸汽換熱器的基本操作操作步驟換熱器的投用1)投用

10、前應(yīng)檢查壓力表，溫度計(jì)，安全閥，液位計(jì)以及有關(guān)閥門是否齊全好用；2)換熱器投用前須先用工廠風(fēng)吹掃，吹掃時(shí)頂部放空（V-3、V-1）給氣，底部倒淋（V-2、V-4）排氣，管殼程同時(shí)吹掃，避免出現(xiàn)憋壓、泄漏；再用氮?dú)庵脫Q。3)投用蒸汽總管：引蒸汽時(shí)先打開蒸汽總管上的倒淋，稍開蒸汽閥暖管，防止發(fā)生水擊，至倒淋無水時(shí)，關(guān)倒淋，全開蒸汽閥。4)先打開高點(diǎn)放空閥(V1),再打開冷介質(zhì)入口閥(V6)，由高點(diǎn)放空閥(V1)排氣，排氣完畢后關(guān)閥放空閥，打開冷介質(zhì)出口閥(V-5)；5)引蒸汽時(shí)要緩慢，升溫速度控制在25h，做到先預(yù)熱后加熱，先打開調(diào)節(jié)閥（V-8）倒淋（V-11），再緩慢開啟蒸汽根部入口閥（V-9）

11、暖管，至倒淋無水時(shí)，關(guān)倒淋，打開殼體高點(diǎn)放空閥(V-13)，先由副線閥(V-12)控制升溫速度，由殼體高點(diǎn)放空閥(V-13)排氣，排氣完畢后關(guān)閉；打開底部倒淋（V-4）排凝，至凝液溫度、壓力滿足要求時(shí)，關(guān)閉底部倒淋，打開(V-7)和(V-10)至凝液總管。穩(wěn)定后緩慢提量，再由副線閥切換到控制閥； 6)正常操作中，如需提高或降低蒸汽量時(shí)，應(yīng)做到緩慢增加或緩慢降低，做到少量多次；換熱器的停用1)停用蒸汽時(shí)要緩慢進(jìn)行，為防止控制閥不嚴(yán)，由蒸汽根部入口閥(V-9)控制降溫速度，關(guān)閉蒸汽出入口根部閥和出入口閥；緊急停用時(shí)，先將蒸汽副線閥打開，再關(guān)閉蒸汽出入口閥。2)先開冷介質(zhì)副線閥（V-14），再關(guān)閉冷

12、介質(zhì)出入口閥；3)由換熱器底部倒淋(V-2)、(V-4)倒空物料；再由高點(diǎn)放空(V1)(V-3)進(jìn)行吹掃，徹底倒空物料。熱油換熱器的基本操作操作步驟換熱器的投用1)投用前應(yīng)檢查壓力表，溫度計(jì)，安全閥，液位計(jì)以及有關(guān)閥門是否齊全好用；2)換熱器投用前須先用蒸汽吹掃，吹掃時(shí)頂部放空給汽，底部導(dǎo)淋排汽，管殼程同時(shí)吹掃，避免出現(xiàn)水擊、憋壓、泄漏；再用氮?dú)庵脫Q。3)先打開高點(diǎn)放空閥(V1),再打開冷介質(zhì)入口閥(V6)，由高點(diǎn)放空閥(V1)排氣，排氣完畢后關(guān)閥放空閥，打開冷介質(zhì)出口閥(V-5)；4)引熱油時(shí)要緩慢，升溫速度控制在30h，做到先預(yù)熱后加熱，防止換熱器法蘭突然受熱漏油，先由熱油根部出口閥(V-

13、10)控制升溫速度，打開高點(diǎn)放空閥(V-3)，全開熱油出口控制閥(V-8)，由高點(diǎn)放空閥(V-3)排氣，排氣完畢后關(guān)閉；再打開熱油入口閥(V-7)和熱油根部入口閥(V-9)，穩(wěn)定后緩慢提量，再由根部閥切換到控制閥；5)正常操作中，如需提高或降低熱油量時(shí)，應(yīng)做到緩慢增加或緩慢降低，做到少量多次；換熱器的停用1)停用熱油時(shí)要緩慢進(jìn)行，為防止控制閥不嚴(yán)，由熱油根部入口閥(V-9)控制降溫速度，關(guān)閉熱油出入口根部閥和出入口閥；緊急停用時(shí)，先將熱油副線閥打開，再關(guān)閉熱油出入口閥。2)先開冷介質(zhì)副線閥（V-11），再關(guān)閉冷介質(zhì)入口閥(V-6)、冷介質(zhì)出口閥(V-5)；3)由換熱器底部倒淋(V-2)、(V-

14、4)倒空物料；再由高點(diǎn)放空(V1)(V-3)進(jìn)行吹掃，徹底倒空物料。常見故障產(chǎn)生原因處理方法傳熱效率下降1)列管結(jié)疤和堵塞2)殼體內(nèi)不凝氣或冷凝液增多(3)管路或閥門有堵塞1)清洗管子2)排放不凝氣或冷凝液(3)檢查清理發(fā)生振動(dòng)1)殼程介質(zhì)流速太快2)管路振動(dòng)所引起3)管束與折流板結(jié)構(gòu)不合理4)機(jī)座剛度較小1)調(diào)節(jié)殼程介質(zhì)流量2)加固管路3)改進(jìn)設(shè)計(jì)4)適當(dāng)加固2.3套管式換熱器套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型肘管順次連接，外管與外管互相連接而成的，換熱時(shí)一種流體走內(nèi)管，另一種流體走環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。2

15、.4蛇管式換熱器通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。沉浸式蛇管換熱器多以金屬管彎繞而成，制成適應(yīng)容器的形狀，沉浸在容器內(nèi)的液體中，兩種流體分別在管內(nèi)、管外進(jìn)行換熱。為了改善傳熱效果，通常在容器里裝設(shè)攪拌器。沉浸式蛇管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、材料范圍廣。能承受高壓、操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)，常用在傳熱量不大的反應(yīng)釜中作輔助加熱器用。噴淋式蛇管換熱器：冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上，并沿著管外表面淋瀝而下，降至下層蛇管表面，最后收集在排管的底盤中。該裝置通常放在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時(shí)，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。2.5螺旋板式換熱器它是由

16、兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成的。兩張薄金屬板形成兩個(gè)同心的螺旋型通道，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷、熱流體分別通過兩條通道，通過薄板進(jìn)行換熱。適用于流速較高，溫差較小，操作溫度和壓力不宜太高的場合。因整個(gè)換熱器為卷制而成，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，維修很困難。2.6翅片管式換熱器其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在換熱器管的外表面或內(nèi)表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類。翅片管式換熱器適用于兩種流體的傳熱膜系數(shù)相差很大的情況。翅片管式換熱器作為空氣冷卻器，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。翅片管式換熱器翅片管斷面翅片型式縱向空冷器是利用空氣在翅片管的外面流過，以冷卻或冷凝在管內(nèi)通過的流體。橫向2.7夾套式換熱器夾套式換熱器結(jié)構(gòu)如圖所示。夾套空間是加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的通路，這種換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱或冷卻。當(dāng)用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時(shí)，冷卻介質(zhì)(如冷卻水)由夾套下部接管進(jìn)入，由上部接管流出。夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，但由于其加熱面受容器壁面限制，傳熱面較小，且傳熱系數(shù)不高，常用于傳熱量不大的場合，為改進(jìn)這些