可拆卸管束式U型管换热器介绍

可拆卸管束式U型管换热器介绍
在U型管换热器内，换热管是互相嵌套的，每一根换热管的形状都严格按U型系列弯曲，所有换热管连接到同一个管板，如图7所示。

每根管子可以相对于外壳自由移动，以及彼此之间的自由移动。

所以设计的理想是当管程、壳程流体间存在较大的温度差时使用。

这种灵活性使U型管换热器应用广泛，能适用于易受热变慢或间歇性的换热反应。

与其他可移动式换热器相比，壳的内壁以及管外壁易清洗。

然而，与直管式换热器相比，虽能清洗换热管内部，但没有实际办法进入U型管内各部位，因此，管内壁清洗需要用化学方法。

图7 U型管换热器设计
作为经验法则，非污染液体应由走管程，而污染性流体走壳程。

这种廉价方便的换热器允许排放多束换热管。

但是由于U型管换热器的管程流体流动方向不可能是单一的，所以真正的逆流是不可能的。

通用的设计标准是美国换热器设计标准和欧洲联盟规定的标准，典型的应用包括油冷却、化学冷凝和蒸汽加热。

1.1特殊设计
对于蒸汽流量和压力都较大的情况，管壳式换热器必须采用特殊设计。

特殊设计也可以用于当温度与通道有着密切关系时，这意味着热流体出口温度超过了冷却液。

以下是几个例子; 美国标准的K型壳体，允许再沸器适当的液体脱离接触，美国标准的J型壳体，能容纳高压蒸汽壳程分流; 美国标准的双向通道F型壳
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体，可用于温度存在交叉（下文）的情况下使用;美国标准的D型封头的设计往往应用于高压管程的情况。

虽然这些特殊设计的换热器可能解决一些问题，但投入成本往往比按标准设计的换热器高。

美国换热器设计标准包括BKU，BJM BFM和DED。

特殊设计的换热器，往往是作为再沸器、蒸汽炉、蒸汽冷凝器和给水加热器等使用。

1.2管壳式换热器
固定管板式换热器和U型管壳式换热器管都是管壳式交换器，管壳式交换器是最常见的类型。

这种类型通常用作蒸汽冷凝器、液-液热交换器、再沸器和气体冷却器。

标准的固定管板式换热器是最常见的壳管式换热器，直径范围在2到8 in之间。

结构材料有黄铜、铜、碳钢和不锈钢。

尽管这种换热器在许用范围内是最便宜的，但它通常是由制造商指定标准。

该类型换热器也可用于构成美国机械工程师协会（ASME）中的代码。

U型管换热器，通常用作蒸汽加热，加热或冷却处理不是水的化学液体。

虽然U形管换热器在可用的换热器中是价格最低的，但使用要求和维护费用往往比其他自嵌套式换热器高，而且U型设计使得个别换热管更换困难。

一般设计的热交换器，虽然成本较高，但比以上换热器采用了更高的设计标准。

许多制造商在换热器制造和材料选择方面都遵循TEMA设计标准。

TEMA B是最常用的设计标准，为用于化学反应中的换热器提供设计规范。

TEMA C 准则规定了在商用和一般过程中使用的规格单位。

TEMA R准则规定在石油精炼中使用的换热器规格和相关操作程序。

这些标准都适用于管壳式换热器并且有以下规定（1）壳直径不超过60 in. ;（2）压力不超过3000 psi;（3）产品外壳直径（英寸）不超过压力（psi）的6万倍。

由美国石油学会（API，华盛顿特区）设置的标准在整个换热器行业中普遍被接受。

这些标准（空气污染指数614660和661）指定的换热器以及所列出的具体的材料，可以用于设计、制造特定材料的水凝器和空气冷凝器。

虽然在选购换热器时，满足TEMA或API准则设计制造的换热器有明显的优势。

但这些规范增加了换热器的成本，而且交货时间可能会延缓。

2.螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是由两个相对间隔分开的长条板制作，绕两个分开的中心
孔形成两条同心螺旋通道。

间距沿螺旋板延伸的方向保持一致。

大多数情况下，流体流动通道是由两相互交替的螺旋板（图8）焊接组成的封闭通道。

在一些情况下，其中一条通道是完全离开两端和其他板块而封闭组成的（图9）。

这两种结构是为了防止两种液体的混合。

螺旋板式换热器可以由任何可冷加工和焊接的材料制造，。

常用的材料包括：炭钢、不锈钢、镍和镍合金、钛、高速钢和铜合金。

烤酚醛树脂有时也可应用。

电极也可以作为阳极保护容器表面不被腐蚀。

螺旋板换热器的设计通常为全面通道。

最高设计压力为150 psi，因为直径比较大，螺旋板厚度比较有限。

对于较小的直径，设计压力有时会更高。

因此需限制温度或螺旋板构造。

图8 流经螺旋通道和中心轴
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图9 流经两个螺旋通道
图10 用于凝结性气体的混合通道
螺旋装配可提供三种流型的模式：（1）流体都在在螺旋通道内，（2）其中一流体流经螺旋板通道，另一流体流经螺旋轴，（3）一流体流经螺旋板通道，另一流体流经螺旋轴和螺旋板的混合通道。

在两个螺旋流的通道内，螺旋组合包括两种形式（Figure10）。

在这种布局下，流体流动通常为逆流，冷流体从四周向内流入核心，热流体由核心进入流
向四周。

对于这项布局，换热器的螺旋轴可垂直或水平安装。

这种布局在液-液热交换中广泛应用。

如果体积不是太大，流通面积不超过72平方英寸时，可用在气体或蒸汽冷凝中。

螺旋流在其中一个通道，另一通道为轴流，螺旋组合包括锥形覆盖式、抛头式、平面扩展式。

在这种布局下，轴向流通道是由板两侧开放流动的螺旋通道焊接密封而成。

在两流体的体积差异很大的情况下，这样布局的换热器是非常合理的。

应用包括液-液换热，加热或冷却气体，蒸汽冷凝，或煮沸液体。

此种换热器可以在轴向流通道内允许单流或混合流通过。

这种布局的螺旋轴也可以垂直或水平安装，它通常是作为垂直的冷凝器或再沸器。

对于组合流，流体通过一个圆锥形盖分布到下面（图11）。

部分液体通过此进入封闭的螺旋通道内流动。

流体在离开垂直安装的蒸汽冷凝螺旋换热器前先流到平坦的底部。

图11 组合流式设计
下面总结了在壳式换热器中螺旋设计的优点，以及一些一般性缺点。

螺旋板换热器的优点
1.单通道是冷却或加热粘液或粘性液体的理想选择。

粘状物在螺旋板通道内速度可高达每秒2英尺。

对于一些尺寸和设计压力，消除或减少垫片螺栓可使换热器处理含有高含量纤维材料的液体。

2. 流体分布为单通道的好。

3. 螺旋板式换热器一般出故障的可能性最低，因为换热器的流体流道是弯曲的单流道。

如果不发生结垢，因为是单流道，螺旋板可以有效地清除化学杂
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质。

由于螺旋板换热器可以允许流动通道内是两相同的流体，它可以用于其中的一个流体通道暂停以消除存在的沉积的污垢。

螺旋板板宽及螺柱对准的间隔最大可为6英尺，因此螺旋板可以很容易地用高压水或蒸汽清洗。

4. 螺旋板非常适合用于加热或冷却粘性液体，因为它的长度与直径（L/D）比值比直管或平板通道的低。

因此，螺旋板换热器的层流换热率高得多。

当加热或冷却粘性液体时，螺旋板应面向水平的螺旋轴。

对于螺旋轴垂直的，粘性流体层流传热率将减少一半。

5. 流体在两个螺旋通道内流动，逆流及长通道的长度使温度接近精确的控制温度。

螺旋板换热器可以在一个换热过程中实现几个列管换热器的热量回收。

6. 螺旋板换热器要避免在非循环中温度差引起的有关热膨胀的问题。

7. 在轴流式中，大通道有一次性降低压力的特殊优势，可以用作蒸汽冷凝，或当作再沸器使用。

8. 螺旋板换热器结构紧凑：一个直径为58英寸，72英寸宽的螺旋板可获得2000平方英尺的传热面积。

螺旋板换热器的缺点
1. 除少数有限制的尺寸设计外，最高设计压力为150 psi。

2. 从外部维修是困难的。

若泄漏不可能堵塞壳式换热器。

然而，螺旋板泄漏的可能性是很小的，因为它的板块比普遍管壁厚，相关的热膨胀应力几乎都被消除。

如果一个螺旋板需要维修，要移除包括最暴露的螺旋焊接组装。

但是对于板块内，维修是更复杂的。

3. 螺旋板换热器有时不适用于热循环频繁的情况。

当在这种循环下使用时，机械设计必须改变，以提供与循环有关的更高的应力。

压缩石棉平面垫圈一般不适用循环的情况，因为螺旋板使用该垫片，会产生过多的水分，在某些情况下，会侵蚀表面。

金属与金属密封件密封时，一般都需要预计会产生的频繁热循环。

4. 螺旋板式换热器通常不应在沉积艰难的情况下使用，因为垫片螺栓使得机械清洗不易清除这些沉积物。

当在一些压力下，垫片螺栓可以省略，这种限制便不再存在。

3．板式换热器
板式换热器在整个化学工业的许多应用中已经成功地替代了管壳式换热
器。

这种换热器包括一系列夹紧在一起的板框。

相邻板之间的空隙形成流动通道，系统安排使冷热流体通过该通道流入和流出，如图12所示。

在换热器内，交替垫圈安排冷热流体从每个入口进入一个交替序列的通道内。

在这种安排下，每一个换热单元的传热介质都是隔着薄薄的金属板，使热量很容易地从一个介质转移到另一个介质。

板式换热器高效逆流传热率通常是其他类型换热器的3到5倍。

作为这个结果，相对于其他换热装置，对于一个给定的热交换能力，板式换热器可以实现更紧凑的设计。

图12 板式换热器
在这个设计中, 一字形或人字形图案压在每个板块上有几个原因。

首先,这种形式加强了整个换热器强度和刚度。

它还扩展了板面，增加了湍流流动通道的有效面积。

这些效果都提高了传热效率。

根据应用，板进行了优化设计，选择数最少的通道板数。

由于板可以很容易地清洗,使用和维修费用通常低于管壳式换热器。

虽然板式换热器几乎可以用在任何情况,但必须遵照下面的选择标准：（a）最大设计或工作压力为300 psi；（b）流体允许的温度范围,必须符合垫片材料允许的温度范围（见表4）；（c）板材料必须与反应介质兼容；（d）在板式换热器狭窄的通道内会导致高压压力下降，使换热器内压力降低，因此不适用于高压气体；（e）板式式换热器不适用于高压蒸汽或快速波动的蒸汽；（f）在反应过程中如含有颗粒物介质，或可能发生大面积收缩时，应仔细考虑是否给予相邻板通道自由空间；（g）板式设计是用于温差较小的最合适的理想选择。

温度差值的应用是冷流体入口温度与热流体出口温度的差值。

某些换热器的设
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计是为在不同的温度下能更好地运作。

如板式换热器，在两介质温度非常接近的情况下能正常地工作。

对于管壳式换热器，最低温差可以是10℃。

对于设备的清洁流体，管壳式换热器的管径要能容纳一定量没有堵塞或污染的微粒通过。

板式换热器狭窄的通道，使设备更容易受到微粒的损害或产生污垢沉淀。

直到最近，主要限制板式换热器使用的密封方式改为在加工期间附加一垫圈。

该垫圈经常用于不平衡的情况，大大提高了液体通过垫片槽泄漏与其他液体混合逃逸到大气中的处理的能力。

随着越来越多的现代化设计，换热器制造商提供一个新的无缝垫片形式。

使用螺栓及螺柱垫圈构成板块，以固定该板块。

这种方法消除了不规则的垫片槽从而更好的使板达到密封效果。

新的无缝垫片形式也减少了使用和维修费用，因为不用拆开板就可以清洗和维修。

然而，对于高污染流体的应用场合板必须打开清洗，而且清洗的频率要求很高，使用粘性垫片的密封系统可能是一个更好的选择。

表4 普通垫片材料
垫片材料最大允许温度，℉兼容液体
腈230 矿物油、水溶液、脂肪烃、无机
溶液（在低浓度和低温度下）
三元乙丙烯橡胶320 蒸汽、高温水溶液、无机酸和有
机酸或碱
氟橡胶212 矿物油、脂肪类和芳香族碳氢化
合、，硫碳化合物
注：（a）垫片也用其他材料，如氢化丁腈，氯丁橡胶，丁基橡胶，海帕伦，硅橡胶，也能满足各种应用需求。

（b）氟橡胶是美国杜邦公司在一系列的氟化共聚物的基础上,制成的偏氟乙烯橡胶化合物。

其他类型的板式换热器有双壁板式换热器，焊接板式换热器，宽间隙板式换热和钎焊板式换热器，每种类型进行了如下简要说明。

3.1双壁板式换热器
在板式换热器中另一项最新进展的设计是双壁板式换热器,它对于垫圈失效提供了更大的保护。

在传统的板式换热器中，流体通道由垫片和薄膜金属板
组成。

在双壁板式换热器中，两个标准板在接口处，焊接在一起形成一个两板之间存在空隙的装配体。

因此，任何泄漏的液体都可在此被收集，而不是进入另一个相邻的流体通道，从而污染其他过程流体。

典型应用包括国产热水器、液压油冷却器等，任何情况下都不允许所处理的流体产生交叉污染。

3.2焊接板式换热器
在这个设计中，该领域过程流体所需的垫片通常被焊接接头取代。

板在围边焊接在一起，能防止液体泄漏到大气中，所以这种设计适用于危险或腐蚀性的液体。

焊接板形成一个封闭的空腔或“录音盒”。

类似垫圈设计，交替流动通道用来转移冷热流体流动到相邻的通道。

腐蚀性流体通过橡胶或聚四氟乙烯环垫片传递到下一个封闭室，非腐蚀性液体用的橡胶垫片是标准垫片。

对焊焊接接头的使用对于腐蚀性流体可减少90％所需的垫圈总面积。

典型的应用包括蒸发反应器和冷凝换热器，以及处理腐蚀性溶剂和化合物胺。

3.3宽间隙板式换热器
相对于传统的板式换热器，这种设计依赖于更不易堵塞的比较松散的波纹人字形换热板。

该板的设计数量很少，如果有的话，相邻板块之间的接触点能捕获纤维或固体。

这种换热器在某些类型的反应过程中使用宽间隙板，冷却一侧使用传统的人字形图案板，以强化传热。

典型的应用包括处理白色纸浆及各种粘性物的换热器。

3.4钎焊板式换热器
这是在板式换热器中最新的技术，换热器大部分连接都由钎焊联合取代了橡胶垫片，大大降低了泄漏的可能性。

只可能是316型不锈钢的传热板，才能用铜或镍作为钎焊材料。

这些换热器在制造时，还要符合厂家的生产标准来选购原材料。

钎焊板式换热器ASME的标准额为450 psi。

温度从375℉的铜钎焊到500℉的镍钎焊。

如同其他类型的板式换热器，高传热率可设计成紧凑的结构。

典型的应用包括蒸发冷凝器，使用高合金反应过程中的热回收应用，盐水用换热器，以及涉及液态氨，氯，醇或酸等领域内的换热。

4.换热管破裂
当管壳之间存在有巨大的压力差时，若换热器内有一换热管裂缝，则会构
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成安全问题，特别是当压力低的一侧为液体时。

在这种换热管破裂的换热器内，高压流体通过裂缝高速流入换热器压力低的一侧。

典型的例子是在炼油厂加氢装置中，反应器内高压污水和冷却水会流入低压液态烃内。

采用动态模拟的方法，包括流体的惯性和换热器壳体的扩张，压力峰值会伴随着相关换热器的设计才能被确定。

动态模拟，已经成为确定降压装置的大小和位置以及在换热器设计中最大限度地减少这些影响的重要工具。

如果现有的换热器设计可以证明在管破裂的情况下，不能满足三分之二的要求，则动态模拟可以节省耗资大的换管改造。

动态模拟是一个过程工程设计工具，能预测一个如何控制时间响应函数的过程。

动态模拟可用于评估设备配置和控制方案，并在资金投入生产前确定设计的可靠性和安全型。

对于基层和改造项目，动态模拟可用于准确地评估那些确定流程设计温度和压力的瞬态变量。

在许多情况下，使用动态模拟可避免不必要的资本支出。

在设计过程中，动态仿真在启动过程中有极大好处。

巨大的资金需求往往会影响生产进度，如果设备和控制系统使用动态模拟进行验证，则此影响会最小化。

可以用动态模拟测试启动和关闭的序列。

动态模拟还提供了在启动过程中调试控制器参数的功能。

在许多情况下，准确的控制设置可以防止工厂停产而造成损失，并且能加快设备的启动。

动态仿真模型用于工艺设计时，并不基于模拟器的传递函数，而是基于实际工程过程中的物理方程。

当用于工艺设计时，动态仿真模型包括：（1）设备模型，包括质量和能量的微分存库；（2）严格的热力学理论，包括物质的相关性，状态方程，蒸汽表，实际管道，阀门，蒸馏托盘，以及可压缩、不可压缩的液压设备和关键流程；（3）详细的控制器模型，能重复现代的分布式控制系统（DCS）。

这些模型如此详细以至于能够影响工程的设计决策，并预测该进程的实际过程的以及控制系统的相互作用，从而评估控制系统的稳定性。

当动态模拟用于过程设备和工艺中的安全设计时，就必须确保模型的假设是保守的。

例如，如果动态模拟用于计算管破裂后换热器内的上升压力，管破裂后换热器的最高计算压力会上升，最高计算压力会作为设计压力。

如果所有的假设是保守的，实际的换热器的压力不会超过管破裂时的设计压力。

尽管是这种保守的设计方法，设备设计条件的动态模拟计算，也往往比传统的计算方法少得多。

这样会节省大量成本。

动态仿真软件应该支持用户编写的、专用设备和控制系统模型的代码的加入。

例如，一个特殊的分馏塔设计或一个场外相关传热系数设计，可能要编入一个用户编写的模型。

动态模拟的“第一期的一类”
模拟板往往需要开发具有新的设备项目的动态模型。

若控制系统供应的为集散控制系统算法，则可能还需要编入自定义的PID控制器模型。

用户可根据需要添加那些具有流体性质的系统，以提高计算效率和处理特殊的系统。

“黑盒”模型在为动态模拟问题提供现实模型时要求过于严格。

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