设备选型—换热器

一、换热器类型的选取1．换热器分类：（1）按照使用目的分类：冷却器、加热器、再沸器、冷凝器等；（2）按照结构分类：管壳式、板式、管式等。

2．换热器的类型选择换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。

在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。

因此，针对具体情况正确地选择换热器的类型，是很重要的。

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:1) 热负荷及流量大小2) 流体的性质3) 温度、压力及允许压降的范围4) 对清洗、维修的要求5) 设备结构、材料、尺寸、重量6) 价格、使用安全性和寿命在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、制造条件、密封性、安全性等方面加以考虑。

所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。

针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。

因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。

对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。

3．管壳式换热器管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式。

以下内容均用于管壳式换热器二、工艺条件的选定1．压降较高的压降值导致较高的流速，因此会导致较小的设备和较少的投资，但运行费用会增高，较低的允许压降值则与此相反。

所以，应该在投资和运行费用之间进行一个经济技术比较。

换热器的压降可以参考相关的经验数据。

允许压降必须尽可能加以利用，如果计算压降与允许压降有实质差别，则必须尝试改变设计参数。

在设计中要充分利用允许压降用；而增加一点压降会增加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的可能性。

2．流速一般来说流体流速在允许压降范围内应尽量选高一些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但流速过大会造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易结垢。

可以参考相关的经验数据。

3．温度（1）冷却水的出口温度不宜高于60°C，以免结垢严重。

高温端的温差不应小于20°C，低温端的温差不应小于5°C。

当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20°C。

（2）当在采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。

（3）在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点，一般高5°C。

（5）当冷凝带有惰性气体的工艺物料时，冷却剂的出口温度应低于工艺物料的露点，一般低5°C。

（6）为防止天然气、凝析气产生水合物，堵塞换热管，被加热工艺物料出口温度必须高于其水合物露点(或冰点)，一般高5 ~10°C。

4．物流管壳程介质的安排建议遵循下列原则：（1）介质流向的选择被加热或被蒸发的流体，不论是在管侧或壳侧，应从下向上流动；被冷凝的流体，不论是在管侧或壳侧，应从上向下流动；（2）管壳程介质的选择管程：一般是温度、压力较高，腐蚀性较强，比较脏，易结垢，对压力将有特定要求，容易析出结晶的物流等。

壳程：一般是粘性较大，流量较小，给热系数较小的物流等。

物料性能参数，不一定恰好都适合管程或者壳程的要求，最后的安排，应按关键因素或者主要参数综合评价确定。

三．结构参数的选取1．总体设计尺寸细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳径之比为5 ~10，但有时根据实际需要，长、径之比可增到15或20，但不常见。

可以参考标准换热器尺寸。

2．换热管（1）管型常见的有换热管为光管、翅片管。

（2）管长管长的选取是受到两方面因素限制的，一个是材料费用，另一个是可用性。

无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同传热面积时，采用长管较好，一是可减少管程数，二是可减少压力降，三是每平方米传热面的比价低。

但是管子过长给制造带来困难，也会增加管束的抽出空间。

因此，换热管的长度一般控制在9m以内。

（3）管径和壁厚管径愈小换热器愈紧凑、愈便宜。

但是管径愈小换热器的压降将增加，为了满足允许的压降，一般推荐选用19mm的管子。

对于易结垢的物料，为了清洗方便，采用外径为25mm的管子。

对于有气－液两相流的工艺物流，一般选用较大的管径，例如再沸器、锅炉，多采用32mm的管径。

（4）换热管排列方式正三角形排列：接凑度高，相同管板面积上可排管数多，壳程流体扰动性好，有较高的传热/压降性能比，故应用较广，但壳程不便于机械清洗。

正方形排列：流动压降小，易于机械清洗。

转角三角形排列：性能介于正三角形和正方形排列之间。

此外还有转角正方形，同心圆排列方式等。

3.折流板折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

●折流板型式折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流形等。

通常为圆缺形折流板，并可分为单圆缺形、双圆缺形和三圆缺形。

折流板圆缺位置水平型折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体沉积。

而在带有悬浮物或结垢严重的流体所使用的卧式冷凝器、换热器中，一般采用垂直型折流板。

●折流板圆缺高度折流板大小用缺口分数（缺口高度/公称直径）表示。

最常用的为单圆缺型（也称单弓形）。

单圆缺型折流板的开口高度为直径的10 ~ 45％，双圆缺型折流板的开口高度为直径的15 ~ 25％。

●折流板间距折流板的间距影响到壳程物流的流向和流速，从而影响到传热效率。

最小的折流板间距为壳体直径的1/5并大于50mm。

然而，对特殊的设计考虑可以取较小的间距。

由于折流板有支撑管子的作用，所以，通常最大折流板间距为壳体直径的1/2并不大于TEMA规定的最大无支撑直管跨距的0.8倍。

换热器中折流板的布置对设计计算有很大影响，一般从下面几各方面来检查原设计是否合理：从流体流动、传热和污垢系数等方面考虑，最好将折流板的圆缺高度控制在壳体直径的20 ~30％，而板间距则控制在壳体直径30 ~50％之间,并不应小于50mm；避免大圆缺小间距或小圆缺大间距的设计。

应优化选取折流板圆缺的大小和板间距大小；如果壳侧压降受到允许压降的限制，考虑使用双圆缺折流板。

4．结构表示方法管壳式换热器通常可以分为固定管板式、U型管式和浮头式三种形式。

按照TEMA标准，管壳式换热器的型式由三个部分构成（每一部分由一个字母表示），即前端固定头盖、壳体和后端头盖。

B型为焊接的封头管箱，结构简单，适用于较清洁的介质。

A,C型的管箱前盖板可拆下，便于检查清洗管程，但用材较多。

后端头盖类型：常见类型有S、M、U固定管板式换热器固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。

当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。

固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。

这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。

壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。

当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。

固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏；4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。

板式换热器具有传热系数高、压降小、结构紧凑、质量轻、占用空间小、面积和流程组合方便、零件通用性强、可选择材料广以及容易实现规模化生产等特点，已被广泛应用于食品、机械、冶金、石油化工和船舶等领域，并成为城市集中供热工程中的主导换热设备。

为了保证板式换热器的正常运行，延长关键部件(如板片、胶垫)的使用寿命，了解掌握板式换热器出现的故障及其产生原因和处理方法显得尤为重要。

1．板式换热器常见故障1.1 外漏主要表现为渗漏(量不大，水滴不连续)和泄漏(量较大，水滴连续)。

外漏出现的主要部位为板片与板片之间的密封处、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内侧。

1.2 串液主要特征为压力较高一侧的介质串入压力较低一侧的介质中，系统中会出现压力和温度的异常。

如果介质具有腐蚀性，还可能导致管路中其它设备的腐蚀。

串液通常发生在导流区域或者二道密封区域处。

1.3 压降大介质进、出口压降超过设计要求，甚至高出设计值许多倍，严重影响系统对流量和温度的要求。

在供暖系统中，若热侧压降过大，则一次侧流量将严重不足，即热源不够，导致二次侧出温度不能满足要求。

1.4 供热温度不能满足要求主要特征是出口温度偏低，达不到设计要求。

2.原因分析及处理方法2.1 外漏2.1.1 产生原因①夹紧尺寸不到位、各处尺寸不均匀(各处尺寸偏差不应大于3 mm)或夹紧螺栓松动。

② 部分密封垫脱离密封槽，密封垫主密封面有脏物，密封垫损坏或垫片老化。

③ 板片发生变形，组装错位引起跑垫。

④在板片密封槽部位或二道密封区域有裂纹。

实例：北京、青海和**等地的多个热力站均采用饱和蒸汽作为一次侧热源供暖，由于蒸汽温度较高，在设备运行初期系统不稳定的情况下，橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸汽外漏。

2.1.2 处理方法① 在无压状态，按制造厂提供的夹紧尺寸重新夹紧设备，尺寸应均匀一致，压紧尺寸的偏差应不大于±0.2N (mm)(N。

为板片总数)，两压紧板间的平行度应保持在2 mm 以内。

② 在外漏部位上做好标记，然后换热器解体逐一排查解决，重新装配或更换垫片和板片。

③ 将开换热器解体，对板片变形部位进行修理或者更换板片。

在没有板片备件时可将变形部位板片暂时拆除后重新组装使用。

④ 重新组装拆开的板片时，应清洁板面，防止污物粘附着于垫片密封面。

2.2 串液2.2.1产生原因① 由于板材选择不当导致板片腐蚀产生裂纹或穿孔。

②操作条件不符合设计要求。

③ 板片冷冲压成型后的残余应力和装配中夹紧尺寸过小造成应力腐蚀。