换热器

第1章绪论

1.1.换热器技术概况

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、重水处理设备等近30多种产业，相互形成产业链条。

[1]一般换热器的材料，可分为金属材料和非金属材料。而金属材料又可分为黑色金属和有色金属。

1.黑色金属及其合金

（1）碳钢：

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，对酸很容易被腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是很合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10和20号碳钢。碳钢按除氧的程度又可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢等。

1）沸腾钢：容易产生偏析，有焊接裂纹产生的可能性。

2）镇静钢：由于加工工艺性能良好，焊接性能好，被广泛地用作换热器的各种零部件的材料。

（2）低合金钢：

在碳钢中加入少量的Cr、Mo等元素，以增加高温时的强度，并作为耐腐蚀钢在高温高压的氢介质环境中使用。机械性能和组织均有足够的稳定性，无热脆现象，冷加工性和焊接性良好。

2.不锈钢

（1）马氏体系不锈钢

如2Cr13钢。它的主要性能和1Cr13（半马氏体型）相同，对铁离子、亚硫酸气体、

硫化氢和环烷酸等均耐腐蚀，但对染料水溶液、混合气体（H

2、N

2

、NH

3

）等的耐腐蚀

性低。由于含碳较高，故强度和硬度较1Cr13钢稍高，而耐腐蚀性和耐热性则稍有降低。马氏体组织由于热处理有淬硬性，焊接时由于热影响产生变形应力容易开裂。（2）铁素体系不锈钢

含Cr在15%以上的钢。它对氧化性酸，尤其是硝酸，有很好的耐腐蚀性。在碱性溶液、无氯盐水、苯和洗涤剂中也都有良好的耐腐蚀性，切削性良好。但厚板焊接容易脆裂，且焊后有晶间腐蚀的倾向，不宜用于厚度较大或低温使用的部件。

（3）奥氏体系不锈钢：

以1Cr18Ni9为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

不锈钢除了用于管壳式换热器以外，它是板式换热器中板片的主要材料，同时也用于螺旋板和板壳式换热器中。目前新型传热元件的热管，它所使用的管子，一般也以不锈钢作为它的材质。

（4）耐热钢：

这类钢按用途分为抗氧化钢、热强钢及气阀钢；按组织分为铁素体钢、马氏体钢；按使用加工方法分为热轧、锻制及热处理。

（5）低温用钢

这类钢按规定适用于设计温度≤-20的钢。

1）低Ni钢：如含2.5%、3.5%和9%Ni的钢在-50~196范围低温中使用。

2）奥氏体不锈钢：如0Cr18Ni9和超低碳不锈钢在-50~-196低温范围中使用。但奥氏体组织不稳定，组织中含有铁素体时，铁素体容易析出。铁素体变态数量多的亚稳定奥氏体组织容易产生低温脆性。而且在不稳定组织中容易析出不希望的精间碳化物和σ相等。

3）按1985年颁布的《钢制石油化工压力容器设计规定》，作为低温用钢还有16MnDR、09MnTiCuXiDR、09Mn2VDR、06MnNbDR等。

3.有色金属及其合金

（1）铜及铜合金

铜具有很高的导热性、导电性、塑性好。其强度随温度的升高而降低，在温度低时，铜的强度反而升高，低温冲击韧性好，故在深冷低温设备中应用比较多，并广泛地用作换热器的传热管等。铜在不浓的硫酸或亚硫酸中耐腐蚀。在稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸和其他非氧化性酸中有较高的稳定性。铜在苛性碱中，由于形成保护膜而相当稳定。铜在许多气体中，如氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体中被腐蚀。

铜镍合金在国外广泛地用作传热管，作为高温高压管壳式换热器所选用的材料。

铜和铜合金在国外也作为板式换热器中板片的材质。

（2）铝及铝合金

铝在大气中容易生成透明和致密的氧化覆盖膜，故铝在水、大气（即使大气中含有

SO

2及CO

2

）、中性溶液和弱酸性溶液中稳定性都很高。铝的耐腐蚀性与纯度有关，纯

度愈高，耐腐蚀性也愈高。铝的导热性和导电性均好，富有压延性，加工性能好。铝和铝合金在板翅式换热器制造中用得最多，有时也可用于板式换热器中作为板片的材料。螺旋板换热器根据使用条件也可用铝合金材料制造。热管所用的管子也可采用铝作为材料。

（3）镍及镍合金

镍的物理机械性能很好，强度高，塑性好。镍在所有碱类中都特别耐腐蚀，这是由于它能在碱液中生成黑色的氧化物保护膜。镍对氯气或盐酸也耐腐蚀。但耐氧化性酸、氧化性酸式盐较差。镍在许多有机酸中耐腐蚀。

镍合金如蒙乃尔合金被推荐使用在高温高压的管壳式换热器中，同时，亦可使用与螺旋板换热器或用作板式换热器中的板片的材料。

（4）复合钢板

具有强度高和耐腐蚀性好的性能，对昂贵的耐腐蚀材料消耗少，较经济。不锈钢复合钢板和碳钢一样能够冷加工与热加工，可使对加热温度和焊接方法要特别注意。

4.稀有金属材料

近年来为了解决一些特殊条件下换热器的材质问题，在换热器的制造中，已开始使用了某些稀有金属，如钛、钽、和锆及其合金。这些材料通常以薄板、薄管壁和复合板的形式提供使用。由于这些材料都具有高的耐腐蚀性能，虽然价格昂贵，仍在某些场合下得到了推广使用。

5.非金属材料

非金属材料除了在一般金属材料制的换热器中用作垫片以外，在处理强腐蚀性介质的

条件下，已开始用来作为新型材料换热设备的部分材质，而达到耐热防腐蚀的效果。期中较为广泛的是石墨、玻璃和陶瓷等。近十余年来，用聚四氯乙烯塑料作为换热器的材料得到了广泛地发展和应用。

[2]换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质。不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同。换热器种类具体分类如下：

（一）按传热原理分类：

直接接触式换热器；蓄能式换热器（简称蓄能器）；板、管式换热器；

（二）按传热种类分类

1.无相变传热一般分为加热器和冷却器。

2.有相变传热一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽蒸发器、废热锅炉。

（三）按结构分类

分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。

（四）按折流板分布分类

分为单弓形换热器、双弓形换热器、三弓形换热器、螺旋弓形换热器。

（五）按板状分类

分为螺旋板换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器、印刷电路板换热器、穿孔板换热器。

（六）按密封形式分类

此类换热器多用于高温、高压装置中，具体分为：螺旋锁紧环换热器、Ω环换热器、薄膜密封换热器、钢垫圈换热器、密封盖板式换热器。

（七）非金属材料换热器分类

分为石墨换热器、氟塑料换热器、陶瓷纤维复合材料换热器、玻璃钢换热器。（八）空冷式换热器分类

分为干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器、电站空冷器、表面蒸发式空冷器、板式空冷器、能量回收空冷器、自然对流空冷器、高压空冷器。

（九）按材料分类

主要分为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等。

（十）按强化传热元件分类