换热设备选型

第7章 换热设备选型 章
1.1 物体的受力分析及其平衡条件
7.1 概述
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7.1 概述
换热设备的作用 换热设备是一种实现物料之间热量传递的通用设备 在炼油、化工装置中， 在炼油、化工装置中，换热设备约占全部工艺设备数 量的20%～40%，占总投资的 量的 ～ ，占总投资的30%～40% ～ 热量回收利用有利于保护地球资源， 热量回收利用有利于保护地球资源，改善生态环境
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7.2 管壳式换热器
胀焊并用
胀焊并用——强度焊加贴胀、强度胀加密封焊。 强度焊加贴胀、强度胀加密封焊。 胀焊并用 强度焊加贴胀 贴胀——指仅为消除换热管与管孔之间缝隙并不承担拉脱力的轻 贴胀 指仅为消除换热管与管孔之间缝隙并不承担拉脱力的轻 度胀接；密封焊——指保证换热管与管板连接密封性能的焊接， 度胀接；密封焊 指保证换热管与管板连接密封性能的焊接， 指保证换热管与管板连接密封性能的焊接 不保证强度。 不保证强度。 当强度胀与密封焊相结合时，胀接承受拉脱力， 当强度胀与密封焊相结合时，胀接承受拉脱力，焊接保证紧密性 强度焊与贴胀相结合时，则焊接承受拉脱力， ；强度焊与贴胀相结合时，则焊接承受拉脱力，胀接消除管子与 管板间的间隙。 管板间的间隙。 应用场合——密封性能要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙 密封性能要求较高、 应用场合 密封性能要求较高 承受振动或疲劳载荷、 腐蚀、需采用复合管板等的场合问题——胀焊结合的连接中采用 腐蚀、需采用复合管板等的场合问题 胀焊结合的连接中采用 先胀接还是先焊接？ 先胀接还是先焊接？
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7.3 换热器选型
换热器选型 由于各类换热器的结构型式差异很大， 由于各类换热器的结构型式差异很大，而且可适用的 范围亦各不相同， 范围亦各不相同，因此选型前必须考虑各种因素的影 响，通过综合分析比较来选择某一种适合的结构型式 。从实际工程角度出发，一台给定的换热器不可能完 从实际工程角度出发， 全满足所有条件，通常在满足生产工艺的前提下， 全满足所有条件，通常在满足生产工艺的前提下，仅 考虑某几个重要影响因素进行选型。 考虑某几个重要影响因素进行选型。
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7.2 管壳式换热器
管板
排布换热管，分隔管程和壳程的流体，并同时承受管程、 排布换热管，分隔管程和壳程的流体，并同时承受管程、壳 程压力和温度的作用。 程压力和温度的作用。
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7.2 管壳式换热器
换热管
换热面积——换热管的外表面积。 换热管的外表面积。 换热面积 换热管的外表面积 强化传热——采用强化传热管，有：异形管，翅片管和螺纹 采用强化传热管， 异形管， 强化传热 采用强化传热管 管等。 管等。 换热管一般选用无缝钢管，常用规格有： × （外径× 换热管一般选用无缝钢管，常用规格有：φ19×2（外径×壁 厚）、φ25×2.5、φ32×3、φ38×3等。常用材料有碳素钢管、低 × 、 × 、 × 等 常用材料有碳素钢管、 合金钢管、高合金钢管、奥氏体不锈钢焊接钢管、铜管、 合金钢管、高合金钢管、奥氏体不锈钢焊接钢管、铜管、铝 及其合金管、钛管等， 及其合金管、钛管等，也允许使用螺纹管和波纹管等强化传 热管。 热管。
壳程
流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分 流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分 换热管外 基本构件有：壳体、折流板或折流杆、支撑板、纵向隔板、 基本构件有：壳体、折流板或折流杆、支撑板、纵向隔板、 拉杆、 拉杆、防冲挡板等
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7.2 管壳式换热器
管程分程
在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。 在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。 在管壳式换热器中，最常用、也是最简单的是单管程换热器。 在管壳式换热器中，最常用、也是最简单的是单管程换热器。 当工艺需要增加换热面积， 当工艺需要增加换热面积，可以采用增加管长或管数的方法 实现，但有所限制。 实现，但有所限制。 管程分程——把管束分成若干程数，使流体依次流过各程管 把管束分成若干程数， 管程分程 把管束分成若干程数 既可以增加流体速度，又可以提高传热系数。 子，既可以增加流体速度，又可以提高传热系数。 采用多种不同的组合方式，但每一程中的管数应大致相等， 采用多种不同的组合方式，但每一程中的管数应大致相等， 且跨程温度相差不宜过大，以不超过20℃左右为宜， 且跨程温度相差不宜过大，以不超过 ℃左右为宜，否则在 管束与管板中将产生很大的热应力。 管束与管板中将产生很大的热应力。
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7.2 管壳式换热器
换热管与管板的连接
强度胀
为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱 强度的胀接。 强度的胀接。 工作原理——利用胀管器挤压伸入管板孔中的 利用胀管器挤压伸入管板孔中的 工作原理 管子端部，使管端发生塑性变形， 管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时 产生弹性变形，当去掉胀管器后， 产生弹性变形，当去掉胀管器后，管板孔弹性 收缩，管板与管子间就产生一定的挤紧压力， 收缩，管板与管子间就产生一定的挤紧压力， 紧密地贴在一起，达到密封紧固连接的目的。 紧密地贴在一起，达到密封紧固连接的目的。 特点——温度和压力对胀接效果影响较大。随 特点 温度和压力对胀接效果影响较大。 温度和压力对胀接效果影响较大 着温度的升高， 着温度的升高，接头间的残余应力会逐渐消失 使管端失去密封和紧固能力。 ，使管端失去密封和紧固能力。 应用范围——换热管为碳素钢，管板为碳素钢 换热管为碳素钢， 应用范围 换热管为碳素钢 或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温 或低合金钢，设计压力不超过 ， 度在300℃以下，操作中无剧烈振动、无过大的 度在 ℃以下，操作中无剧烈振动、 温度波动及无明显的应力腐蚀等场合。 温度波动及无明显的应力腐蚀等场合。
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7.2 管壳式换热器
换热管排列 换热管的排列应在整个换热器的截面上均匀地分布， 换热管的排列应在整个换热器的截面上均匀地分布， 要考虑换热效率、流体性质(是否需要经常清洗 是否需要经常清洗)、 要考虑换热效率、流体性质 是否需要经常清洗 、制 造难易等多方面因素 换热管在管板上的排列形式主要有正三角形(图a)、 换热管在管板上的排列形式主要有正三角形(图a)、转 角正三角形(图 正方形(图 和转角正方形管 和转角正方形管(图 角正三角形 图b) 、正方形 图c)和转角正方形管 图d) 。
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
管箱
管箱位于管壳式换热器的两端， 管箱位于管壳式换热器的两端，其作用是将管道输送过来的 流体均匀地分布到各换热管中， 流体均匀地分布到各换热管中，同时把管内流体汇集到一起 送出换热器。 送出换热器。 管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要 分程等因素来决定。 分程等因素来决定。
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7.1 概述
沉浸式蛇管
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7.1 概述
套管式换热器
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7.1 概述
管壳式换热器
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7.1 概述
缠绕管式换热器
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7.1 概述
螺旋板式换热器
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7.1 概述
板翅式换热器
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7.1 概述
板壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
基本类型与特点 管壳式换热器是把若干根换热管与管板连接形成管束， 管壳式换热器是把若干根换热管与管板连接形成管束， 再与壳体组装起来的一种换热器。 再与壳体组装起来的一种换热器。
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7.2 管壳式换热器
强度焊
强度焊——指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的 指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的 强度焊 焊接。 焊接。 优点——焊接连接比胀接连接好，体现在：在高温高压条件下， 优点 焊接连接比胀接连接好，体现在：在高温高压条件下， 焊接连接比胀接连接好 焊接连接能保证连接的紧密性；管板孔加工要求低， 焊接பைடு நூலகம்接能保证连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省孔的 加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高时可使用较 加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单； 薄的管板。 薄的管板。 补足之处①引发疲劳破坏——换热管与管板连接处在焊接时存在 补足之处①引发疲劳破坏 换热管与管板连接处在焊接时存在 的残余热应力与应力集中， 的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破 形成“间隙腐蚀 间隙腐蚀”——管子与管板间存在间隙，如上图所示 管子与管板间存在间隙， 坏；②形成 间隙腐蚀 管子与管板间存在间隙 该间隙内的液体不流动与间隙外的液体有着浓度上的差别， ，该间隙内的液体不流动与间隙外的液体有着浓度上的差别，很 容易造成“间隙腐蚀 间隙腐蚀”。 容易造成 间隙腐蚀 。
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7.1 概述
间壁式换热器
进行热交换的冷热两种流体通过间壁(金属或非金属 隔开， 进行热交换的冷热两种流体通过间壁 金属或非金属)隔开， 金属或非金属 隔开 互不接触， 互不接触，且通过间壁将热量由热流体传递给冷流体的设备 。 目前应用最广泛的一类换热器， 目前应用最广泛的一类换热器，包括管壳式换热器和板面式 换热器等。 换热器等。
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7.3 换热器选型
换热器设计标准 GB151-1999《管壳式换热器》——是目前我国颁布的 《管壳式换热器》 是目前我国颁布的 关于管壳式换热器的国家标准，管壳式换热器的设计、 关于管壳式换热器的国家标准，管壳式换热器的设计、 制造、检验和验收都必须遵循这一规定。 制造、检验和验收都必须遵循这一规定。该标准适用 的换热器参数为：公称直径为DN≤2600mm；公称压力 的换热器参数为：公称直径为 ； PN≤35MPa；公称直径（mm）和公称压力 ；公称直径（ ）和公称压力(MPa)的乘 的乘 积不大于17500类 积不大于 类
固定管板式 浮头式 U形管式 U形管式 填料函式 釜式重沸器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
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7.2 管壳式换热器
结构 管程
管壳式换热器中流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分 管壳式换热器中流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分 换热管内 基本构件有：管箱、管板、 基本构件有：管箱、管板、换热管等
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7.1 概述
换热设备的分类及其特点 直接接触式换热器
混合)进行热量交换的设备如洗涤冷却 冷、热流体直接接触(混合 进行热量交换的设备如洗涤冷却 热流体直接接触 混合 塔、凉水塔
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7.1 概述
蓄热式换热器
热量的传递是借助蓄热体（如固体填料或多孔性格子砖等） 热量的传递是借助蓄热体（如固体填料或多孔性格子砖等） 完成的。 完成的。