热交换器

第三章; 热交换器.

第一节热交换器的原理和功能;

热交换器是用来加热或是冷却介质来达到生产或是生活所需的一种换热设备. 在石油工业中更多的用于利用加热和冷却来达到石油天燃气处理的参数,充分利用和回收利用热能,减少能量损失,浪费. 热交换就是一种热量从高温到低温热传递的过程,而热交换器就是为热能传送所提供的设备.

一般的换热器传热是由固体内部的热传导及各种流体与固体表面间的对流传热组合而成.

热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行:

(1)热流体以对流传热方式将热量传给固体表面;

(2)热量以热传导方式由间壁的热侧面传给冷侧面;

(3)冷流体以对流方式将间壁传来的热量带走.

流体通过间壁的热量交换

图中示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况。热流体以对流方式将热量传给间壁的一侧，如果热流体不发生相变，则热流体的温度逐渐降低；在间壁中沿热流方向温度降低；当热量传给冷流体后，如果冷流体也不发生相变，则其温度将逐渐升高。

第二节热交换器的种类和结构;

2.1换热器种类很多，按热量交换的原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类, 而我们石油工业所用的大部分是间壁式的热交换器; 按照传热面的型式，间壁式换热器又可分为夹套式、管式、板式和各种异型传热面组成的特殊型式换热器.

A.夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却，夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成。一般用于换热表面积要求低于40平方米的条件下.它的优点是成本低,结构简单,容易维修和适用范围广,但是它所占空间比较大,而且对材质要求比较高, 夹套式换热器由于传热面积的限制，常常难以满足及时移走大量反应热的换热需求,

夹套式换热器,在用冷却水进行冷却天燃气时，则冷却水由夹套下部进入，而由上部流出,天燃气从上部的内部管束进人,而由下部的内管流出.下图为一典型夹套式换热器图例.

B. 列管式换热器（又称管壳式换热器）是工业上应用最广泛的换热设备。与前述换热器相比，它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较大，因此在高温高压和大型装置上都采用列管式换热器,在我们平台上应用比较多.

列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。这种结构易于检修和清洗。在进行热交换时，一种流体由封头的进口接管进入，通过平行管束的管内，从另一端封头出口接管流出，称为管程；另一流体则由壳体的接管进入，在壳体内从管束的空隙处流过，通过折流板的引导，由壳体的另一个接管流出，称为壳程。

流体通道的选择:体通道的选择可参考以下原则进行：

不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；

腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；

高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；

饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；

被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；

有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；

粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。

在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。

在列管式换热器中，由于管内外流体的温度不同，管束和壳体的温度和材料不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温差较大，就可能由热应力引起设备的变形，管束弯曲，甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温差超过50℃时，就必须采用一定的热补偿措施。按热补偿的方法不同，列管式换热器可分为以下几种主要型式

(1) 固定管板式换热器当冷、热流体的温差不大时，可采用固定管板的结构型式，即两端管板与壳体是连成一体的。这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。但是由

于壳程不易清洗或检修，要求壳程流体必须是洁净而且不易结垢的流体。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。图中示出具有膨胀节的壳体。当壳体和管束的热膨胀不同时，膨胀节即发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应壳体和管束不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单,但是不宜用于两流体温差过大（大于70℃）和壳程压力过高的场合.我们平台上的进口天燃气换热器(inlet G/G exchanger)就是这种类型的.

(2) U型管换热器U形管式换热器的管束是由U字形弯管组成，管子的两端固定

在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子或壳体的影响。这种换热器壳程易于清洗，而清除管子内壁的污垢则比较困难，且制造时需要不同曲率的模子弯管，管板的有效利用率较低。

(3) 浮头式换热器浮头式换热器的结构，它的两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，这一端称为固定端；另一端的管板不与壳体连接而可相对于壳体滑动，这一端称为浮头端。因此，这种型式换热器的管束热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因热膨胀程度的差异而产生热应力。在换热器的检修和清洗时，只要将整个管束从固定端抽出即可进行。但是其缺点是：结构较复杂，金属耗量较多，造价较高。浮头式换热器适用于冷、热流体温差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况

C 板式换热器主要由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两相邻板片的边缘衬以橡胶垫片。板片四角有圆孔，形成流体通道。冷、热流体相间地在板片两侧流过，通过板片传热。板片一般压制成各种槽形或波纹形，既提高了板片的刚度，增强流体的扰流，也增加了传热面积和使流体在传热面上分布均匀。