（中職）化工單元過(guò)程及操作換熱器教學(xué)課件

（中職）化工單元過(guò)程及操作換熱器ppt教材課件匯總完整版電子教案3.5換熱器3.5.1換熱器的選擇與設(shè)計(jì)的步驟鑒于列管換熱器應(yīng)用及廣，為便于制造和選用，有關(guān)部門已制定了列管換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)。列管換熱器的基本參數(shù)主要有：a.公稱換熱面積SN；b.公稱直徑DN；c.公稱壓力PN；d.換熱管規(guī)格；e.換熱管長(zhǎng)度L；f.管子數(shù)量n；g.管程數(shù)NP；等等

型號(hào)表示方法列管換熱器的型號(hào)由五部分組成：XXXXXXXX-XXX即：換熱器代號(hào)；公稱直徑DN，mm；管程數(shù)NP：ⅠⅡⅣⅥ；公稱壓力PN，MPa；公稱換熱面積SN，m2。如：G600Ⅱ－1.6－55為公稱直徑為600mm、公稱壓力為1.6MPa、公稱換熱面積為55m2、雙管程固定管板式換熱器。選用或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題：流徑的選擇、流速的選擇、冷卻劑（或加熱劑）終溫的選擇、管子的規(guī)格與管間距的選擇、管程數(shù)與管程數(shù)的確定、折流擋板的選用、外殼直徑的確定、流體通過(guò)換熱器的流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)換熱器的步驟：1.確定基本數(shù)據(jù)，流體的流量、進(jìn)出口溫度、定性溫度下的有關(guān)物性、操作壓強(qiáng)等。2.確定流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)途徑。3.確定并計(jì)算熱負(fù)荷。4.先按單殼程偶數(shù)管程計(jì)算平均溫度差，確定殼程數(shù)或調(diào)整冷卻劑（或加熱劑）的出口溫度。

5.根據(jù)兩流體的溫度差和設(shè)計(jì)要求，確定換熱器的形式。7.計(jì)算壓降，若壓降不符合要求，則需要重新調(diào)整管程數(shù)和折流板間距。6.選取總傳熱系數(shù)，根據(jù)傳熱基本方程初算傳熱面積，以此選定換熱器的型號(hào)或確定換熱器的基本尺寸，并確定其實(shí)際換熱面積A實(shí)，計(jì)算在A實(shí)下所需的的傳熱系數(shù)K需。8.核算總傳熱系數(shù)，計(jì)算管、殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)，由傳熱基本方程求出所需傳熱面積A需，再與換熱器的實(shí)際換熱面積A實(shí)比較，若A實(shí)/A需在1.1～1.25之間（也可用K計(jì)/K需），則認(rèn)為合理，否則需重選K選，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直至符合要求。3.5.2換熱器的分類按換熱器的用途分類，有：

1.加熱器用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過(guò)程中不發(fā)生相變。2.預(yù)熱器用于流體的預(yù)熱。3.過(guò)熱器用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)。4.蒸發(fā)器用于加熱液體，使之蒸發(fā)汽化。5.再沸器是蒸餾過(guò)程的專用設(shè)備，用于加熱已冷凝的液體，使之再受熱汽化。6.冷卻器用于冷卻流體，使之達(dá)到所需的溫度。7.冷凝器用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化。按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類，有：1.管式換熱器通過(guò)管子壁面進(jìn)行傳熱，按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用最廣。2.板式換熱器通過(guò)板面進(jìn)行傳熱，按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器等幾種。3.特殊形式換熱器根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

夾套式換熱器主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻，將反應(yīng)器的筒體制成夾套，將加熱劑或冷卻劑通入夾套內(nèi)，通過(guò)夾套的間壁與反應(yīng)器內(nèi)的物料進(jìn)行換熱。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部連接管通入夾套內(nèi)，冷凝水由下部連接管排出，當(dāng)冷卻時(shí)，冷卻水從下部進(jìn)入，而由上部流出。為提高器內(nèi)物料一側(cè)的給熱系數(shù)，可在器內(nèi)設(shè)置攪拌器，使容器內(nèi)的流體作強(qiáng)制對(duì)流。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

浸沒式蛇管換熱器

結(jié)構(gòu)：由肘管連接的直管，或由盤成螺旋狀的彎管所組成。蛇管形狀主要決定于容器形狀。將蛇管浸沒于容器中，即構(gòu)成蛇管式換熱器。當(dāng)管內(nèi)通入液體載熱體時(shí)，應(yīng)從蛇管的下部通入，當(dāng)管內(nèi)通入蒸汽加熱時(shí)，應(yīng)從蛇管的頂部通入，冷凝水經(jīng)蛇管下部的疏水器排出。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓；缺點(diǎn)：管外流體給熱系數(shù)小，為強(qiáng)化傳熱，可在器內(nèi)安裝攪拌器。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

噴淋式蛇管換熱器通常用作冷卻器。將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水由管上方的噴淋裝置通過(guò)齒型堰板均勻噴灑在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盤內(nèi)。噴淋式換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是便于檢修和清洗，對(duì)冷卻水水質(zhì)可以適當(dāng)降低。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

套管式換熱器間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

套管式換熱器間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

套管式換熱器結(jié)構(gòu)：直徑不同的金屬管裝配成的同心套管?？筛鶕?jù)換熱要求串聯(lián)使用。程數(shù)可依傳熱面積的大小而增減，并可數(shù)排并列。冷、熱流體一般呈逆流流動(dòng)，平均傳熱溫差大，并可達(dá)到較高的流速，形成湍流，具有較高的傳熱系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受較高壓力，應(yīng)用靈活；缺點(diǎn)：耗材多，占地面積大，難以構(gòu)成很大的傳熱面積，故一般適合于流體流量不大、傳熱負(fù)荷較小的場(chǎng)合。螺旋套管換熱器間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

列管式換熱器間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

列管式換熱器工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)：管束與焊接在殼體的兩端管板連接。在殼體內(nèi)，沿管長(zhǎng)方向裝置有若干塊折流擋板；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜；缺點(diǎn)：管外不能機(jī)械清洗，管板、管子和殼體都是剛性連接，當(dāng)管壁和殼壁的溫度相差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，甚至將管子從管板上拉脫。解決方法補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))。

間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

U型管式換熱器

結(jié)構(gòu)：管子彎制成U型，U型管的兩頭固定在同一塊管板上，與管板連接的封頭內(nèi)用隔板隔成兩室。優(yōu)點(diǎn)：管子受熱受冷可以自由伸縮，而與殼體無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，管束可以拔出清洗。缺點(diǎn)：管內(nèi)的機(jī)械清洗困難，只能走清潔流體。間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

U型管式換熱器

間壁式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)型式

浮頭式換熱器我國(guó)已有標(biāo)準(zhǔn)化的列管式換熱器系列產(chǎn)品供選用。例如：型號(hào)為FB800-180-16-4換熱器，F(xiàn)B表示浮頭式B型，25×2.5mm換熱管，正方形排列，殼體公稱直徑800mm，公稱傳熱面積180m2，公稱壓力16kgf/cm2，管程數(shù)為4。

結(jié)構(gòu)：一塊管板與殼體固定，另一塊管板可以在殼體內(nèi)來(lái)回活動(dòng)，并連接一浮頭，當(dāng)管束受熱受冷時(shí)即可自由伸縮。浮頭式換熱器各有一個(gè)內(nèi)浮頭和一個(gè)外浮頭。優(yōu)點(diǎn)：有良好的熱補(bǔ)償性能，管束可從殼體中拔出清洗；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。換熱器的外形換熱器的管束選用和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題流體流動(dòng)通道的選擇：(1)不清潔或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流過(guò)易于清洗的一側(cè)，對(duì)于直管管束，一般通過(guò)管內(nèi)，直管內(nèi)易于清洗；(2)需通過(guò)增大流速提高α

的流體應(yīng)選管程，因管程流通截面積小于殼程，且易采用多程來(lái)提高流速；(3)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕；(4)壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；(5)飽和蒸汽宜走殼程，冷凝液易于排出，其α

與流速無(wú)關(guān)；(6)被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱；(7)粘度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和流向都在不斷變化，在Re>100即可達(dá)到湍流。以上各點(diǎn)往往不可能同時(shí)滿足，應(yīng)抓住主要矛盾進(jìn)行選擇，例如，首先從流體的壓力、腐蝕性及清洗等方面的要求來(lái)考慮，然后再考慮滿足其他方面的要求。選用和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題換熱管規(guī)格及排列：管徑：d，單位體積設(shè)備內(nèi)的S，但更容易堵塞。目前我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用25×2.5mm,19×2mm兩種規(guī)格的管子。管長(zhǎng)的選擇以清洗方便和合理使用管材為準(zhǔn)，我國(guó)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6米，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的管長(zhǎng)有1.5、2、3、6米四種規(guī)格，以3米和6米最為普遍。

。換熱管的排列方式：等邊三角形排列比正方形排列更為緊湊，管外流體的湍動(dòng)程度高，給熱系數(shù)大，但正方形排列的管束清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用，如將管束旋轉(zhuǎn)45度放置，也可提高給熱系數(shù).選用和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題折流擋板：作用：提高管外的給熱系數(shù)；形狀：園缺型、園盤型、分流型等；擋板的形狀和間距必須適當(dāng)，方能取得良好效果。以弓形為例，缺口的高度一般取為殼體內(nèi)徑的10-40%，常見的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。擋板間距過(guò)大，流速小，不能保證流體垂直流過(guò)管束，管外α

；間距過(guò)小，流動(dòng)阻力增加，且不便于檢修。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擋板間距：固定管板式：150、300和600mm三種規(guī)格；浮頭式：150、200、300、480和600mm五種規(guī)格。其他類型的換熱器

板式換熱器：其他類型的換熱器

板式換熱器：1.固定壓緊板2.夾緊螺栓3.前端板

4.換熱板片5.密封墊片6.后端板

7.下導(dǎo)板8.后支柱9.活動(dòng)壓緊板

10.上導(dǎo)板板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小很小的空間即可提供較大的換熱面積，不需另外的拆裝空間；相同使用環(huán)境下，其占地面積和重量是其他類型換熱器的1/3～1/5。傳熱系數(shù)高雷諾準(zhǔn)數(shù)>10時(shí)，即可產(chǎn)生劇烈湍流，一般總傳熱系數(shù)可高達(dá)3000～8000W/M2.K。端部溫差小逆流換熱，可達(dá)到1℃的端部溫差。熱損失小只有板片邊緣暴露，不需保溫，熱效率≥98%。適應(yīng)性好，易調(diào)整通過(guò)改變板片數(shù)目和組合方式即可調(diào)節(jié)換熱能力，與變化的熱負(fù)荷相匹配。流體滯留量小，對(duì)變化反應(yīng)迅速，拆裝簡(jiǎn)單，容易維護(hù)板片是獨(dú)立的單元體，拆裝簡(jiǎn)單，可將密封墊密閉的板片拆開、清洗。結(jié)垢傾向低高度紊流、光滑板表面，使積垢機(jī)率很小，且具自清潔功能，不易堵塞。低成本使用一次沖壓成型的波紋板片裝配而成，金屬耗量低，當(dāng)使用耐蝕材料時(shí)，投資成本明顯低于其他的換熱器。板式換熱器缺點(diǎn)：處理能力不大，操作壓力比較低，一般不超過(guò)20atm，受墊片耐熱性的限制，操作溫度不能太高，一般合成橡膠墊不超過(guò)130℃，壓縮石棉墊圈也不超過(guò)250℃。螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋狀而構(gòu)成的。卷制后，在器內(nèi)形成兩條相互隔開的螺旋形通道，在頂、底部分則焊有封頭和兩流體進(jìn)出口接管。其中有一對(duì)進(jìn)出口接管是設(shè)在園周邊上，而另一對(duì)進(jìn)出口則設(shè)在園鼓的軸心上。換熱時(shí)，冷、熱流體分別進(jìn)入兩條通道，在器內(nèi)作嚴(yán)格的逆流流動(dòng)。

螺旋板式換熱器按流道布置和封頭形式可分為：I型結(jié)構(gòu)：兩個(gè)螺旋通道兩側(cè)完全焊接封閉，不可拆。兩流體均作螺旋運(yùn)動(dòng)，通常冷流體由外周流入，熱流體從中心流入，形成完全逆流流動(dòng)。主要用于液體與液體之間的傳熱。II型結(jié)構(gòu)：一個(gè)螺旋通道焊接封閉，另一通道的兩側(cè)敞開。一流體作螺旋形流動(dòng)，另一流體則作軸向流動(dòng)。適合于兩流體的流量相差很大的場(chǎng)合。常做蒸汽冷凝器、氣體冷卻器使用。III型結(jié)構(gòu)：一流體作螺旋形流動(dòng)，另一流體則是軸向流動(dòng)和螺旋流動(dòng)的組合，適用于蒸汽的冷凝和冷卻。螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器的特點(diǎn)傳熱系數(shù)高由于離心力的作用，可在較低Re數(shù)下出現(xiàn)湍流(Re=1400-1800)，允許流速可達(dá)2m/s，故傳熱系數(shù)較高，如水對(duì)水的換熱，傳熱系數(shù)可達(dá)2000-3000W/（m2·K）。不易堵塞由于流速較高，又是在螺旋流道內(nèi)流動(dòng)，能較好的發(fā)揮流體對(duì)板面的沖刷作用，因而流體中的懸浮物不易沉積下來(lái)。由于流道長(zhǎng)，可為完全逆流，便于控制溫度和利用低溫?zé)嵩矗僮鲿r(shí)允許較低的溫度差，因此，在一些低溫差傳熱的場(chǎng)合，采用螺旋板換熱器比較合適。結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡(jiǎn)便，單位體積設(shè)備內(nèi)的傳熱面積約為列管式換熱器的3倍。操作壓力和溫度不能太高，尤其是所能承受的壓力比較低，操作壓力只能在20atm以下，操作溫度約在300-400℃以下。不易檢修，整個(gè)換熱器已被卷制焊接為一個(gè)整體，一旦發(fā)生中間泄漏或其他故障，設(shè)備即告報(bào)廢。板翅式換熱器在兩塊平行金屬板之間夾入波紋狀金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體；將各單元體進(jìn)行不同的疊集和適當(dāng)?shù)嘏帕?，再用釬焊予以固定，形成逆流、并流和錯(cuò)流的板翅式換熱器組裝件(芯部或板束)；將帶有進(jìn)、出口的集流箱焊接到板束上。特點(diǎn)：傳熱效果更好、結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、鋸齒型翅片和多孔型翅片。板翅式換熱器傳熱效果好板翅促進(jìn)湍流，破壞傳熱邊界層的發(fā)展，總傳熱系數(shù)高，同時(shí)冷、熱流體間換熱不僅以平隔板為傳熱面，而且大部分熱量通過(guò)翅片換熱，因而具有很高的傳熱速率。結(jié)構(gòu)緊湊單位體積換熱器提供的傳熱面積一般能達(dá)到2500m2，最高可達(dá)到4300m2，而列管式換熱器只有160m2。輕巧牢固由于結(jié)構(gòu)緊湊，通常用鋁合金制造，在相同的傳熱面積下，其重量?jī)H為列管式換熱器的十分之一，波紋翅片不僅是傳熱面，又是兩板間的支撐，故強(qiáng)度很高。適應(yīng)性強(qiáng)，操作范圍廣由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高，特別適合于低溫和超低溫條件下的換熱。流道很小，容易堵塞而使壓降增大。換熱器內(nèi)一旦結(jié)垢，清洗和檢修困難，故處理的物料應(yīng)較清潔或預(yù)先進(jìn)行凈制。由于平隔板是用薄鋁片制成，故要求流體對(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。

翅片式換熱器結(jié)構(gòu)：在管子外表面上裝有徑向或軸向翅片。用途：適用于兩種流體的給熱系數(shù)相差很大的場(chǎng)合，例如水蒸氣和空氣間的換熱，傳熱過(guò)程的熱阻主要集中在空氣一側(cè)，若空氣在管外流動(dòng)，則在管外裝置翅片，既可增大空氣側(cè)的傳熱面積，又可促進(jìn)空氣湍動(dòng)，使傳熱系數(shù)和傳熱面積的乘積KA值增大，從而提高換熱器的傳熱速率。翅片與光管的連接應(yīng)緊密無(wú)間，否則會(huì)在連接處產(chǎn)生很大的接觸熱阻。常用的連接方法有鑲嵌、纏繞或高頻焊接，其中焊接最為密切，但加工費(fèi)用較高